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[摘 要]三坐标测量机又称为三次元测量仪、三坐标测量仪或三坐标；是指在空间范围内，能够测量物体几何形状、长度及圆周度等形位公差的高精密测量仪器。三坐标测量机广泛应用于机械制造行业，其测量精度包括尺寸精度、定位精度、几何精度及轮廓度等。本文主要讲述了三坐标测量机的工作原理、种类、测量的误差分析及在日常中的维护保养。
[关键词]三坐标测量机；工作原理；误差分析；检定方案。
中图分类号：TG85 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）48-0168-01
1 工作原理
简单地说是三坐标测量机就是在三个相互垂直的方向上有导向机构、测长元件、数显装置，有一个能够放置工件的工作台（大型和巨型不一定有），测头可以以手动或机动方式轻快地移动到被测点上，由读数设备和数显装置把被测点的坐标值显示出来的一种测量设备。显然这是最简单、最原始的测量机。有了这种测量机后，在测量空间里任意一点的坐标值都可通过读数装置和数显装置显示出来。测量机的采点发讯装置是测头，在沿X，Y，Z三个轴的方向装有光栅尺和读数头。其测量过程就是当测头接触工件并发出采点信号时，由控制系统去采集当前机床三轴坐标相对于机床原点的坐标值，再由计算机系统对数据进行处理。
2 误差类型分析
三坐标测量机在测量过程中，由于操作人员的方法、软件的一些局限性及机器本身的原因，使得有些测量数据与实际结果误差较大，现对主要的误差类型进行分析：
2.1 几何误差
三坐标测量机由相互垂直的三个轴组成，各轴由滑块-导轨系统实现直线运动。由于制造偏差和装配等因素，造成三个轴之间存在误差，按照性质可分为4类共21项：
2.1.1 测量机定位误差 测量机运动部件的实际位置与指令位置之差称为定位误差，它不仅包括标尺读数系统的刻度误差，还包括阿贝误差。此类误差共计有X、Y、Z轴3项。
2.1.2 直线度运动误差 由于导轨系统的不完善，测量机在沿某轴向的导轨运动时，其运动轨迹可能偏离直线，这一误差称为直线度运动误差。对每一个轴来说，直线度运动误差表达的是在其它两轴上的偏移，因此共有6项误差。
2.1.3 角运动误差 测量机在沿导轨运动时，除产生直线度误差外，还产生绕三根坐标轴回转的角运动误差。绕直线运动方向转动的角运动误差称为滚转误差；绕与主运动方向垂直水平轴转动的误差称为俯仰误差；绕与主运动方向垂直铅垂轴转动的称为偏摆误差。此类误差共计有9项。
2.1.4 各轴垂直度误差 由于测量机在制造、安装、调试过程中都不可能使3根坐标轴相互绝对垂直，因此便带来了轴与轴之间的垂直度误差。与以上18项运动误差不同，它是两个运动方向之间的误差。测量机一旦装调完毕，这3项误差就是一种定值误差。
2.2 探测误差
三坐标测头的探测误差是影响测量不确定度的重要因素，不同的测头探测误差也不同，一般包括瞄准误差、测端等效直径的影响、各向异性、附件误差等。由于坐标测量机的位移量是被测尺寸与测头的测端等效直径的差或和，因此对测端等效直径的标定具有很重要的意义。一般用测头在经过标定的标准球或量块取得的尺寸与标准球或量块的标定尺寸的差值即为测端等效直径。
2.3 温度误差
温度误差又称为热误差或热变形误差，它不是温度本身的误差，而是由于温度因素引起的几何参数的测量误差，与制造测量机的材料的线膨胀系数有关。形成温度误差的主要因素是被测物体和测量机的温度偏离20℃或被测物体的尺寸和测量机的性能随温度变化。因此通过观察不同温度下测量机的误差状态，可以分析出温度误差的变化规律并加以补偿。但最好还是严格控制测量现场的环境温度，因为任何一种补偿方法都是在一定的温度范围内才是有效的。一般对测量现场的温度要求为：控温范围20±2℃，短时间温度变化率0.5℃/h，长时间温度变化率2℃/24h，温度梯度0.5℃/m。在此温度范围内使用补偿软件对温度变化引起的误差进行补偿。
2.4 力变形误差
在实际的测量过程中，虽然各个部件具有较高的刚性，但力变形仍是不可避免的。和温度误差相同，力变形误差也可以通过观察分析找到变化规律并加以补偿。也可以假定各个部件没有受力变形影响，而是将误差看作是由制作精度引起的，这样可以简化数学模型，方便建立补偿方法。
2.5 动态误差
动态误差一般分为两类：一类是由组成系统的各部分元件本身的静态和动态误差性能不理想而引起的动态误差，另一类是由系统内外各种干扰引起的动态误差。动态误差必然存在于动态测量中，对其研究起步较晚且过程复杂，是近年来的研究热点。完善动态误差的测量与补偿技术是目前重要的研究课题，也是今后坐标测量机的一个发展方向。
3 检定方案
三坐标测量机作为一种计量仪器，其功用就是将“米”的值按其定义以一定的精确度向被测工件的传递。作为一种计量仪器，三坐标测量机本身必须按量值传递的规程经过严格的检定。我们针对坐标测量机的特点和具体使用情况，总结出了检定坐标测量机的几种方法：
3.1 多功能箱体：多功能箱有各种已标定的标准量，通过对这些标准量的测量，可以得出坐标测量机的检测误差。
3.2 标准量块法：用长度分别为最长轴满行程1/3，1/2和1/4的3种量块进行测量，一般将量块放在测量空间中部，与其对角线找正，也可用步距规进行细致的检测。
3.3 空间球板法：在一平板的不同高度上分布着一系列钢球，预先对球间距进行精密标定。用测量机对球间距进行采样时，根据被测值与标定值之间的差值可以知道测量机的检测误差。
3.4 磁性球头棒法：磁性球头棒是由一根两端固定高精度钢球的棒和磁性球座组成，它以球头棒的球心距作为标准量。当球头棒在测量空间转动测量时，将棒长的测量值与标准值相比，就可以知道球心距的测量误差。
3.5 激光干涉仪法：以双频激光干涉仪为基础仪器，进行位置误差、直线度误差、角运动误差和垂直度误差的测量。采用双频激光干涉仪法和电子水平仪对各个单项误差逐一测量，这种方法精度很高，但测量时间较长，而且仪器价格昂贵，对操作人员水平要求较高。在多数情况下，可以选取一些特殊的位置，使得仅有一部分几何误差对总的空间误差起作用，然后根据单项几何误差的性质，用高次多项式逼近，用较少的未知数求解，最后分离出全部21项误差，达到高精度测量的要求。
参考文献
【1】 伍坚庭 三坐标测量机的误差分析与处理.
【2】 史秀辉 三坐标测量机的误差检定.
【3】 田朝平 精密测量技术.
[关键词]三坐标测量机；工作原理；误差分析；检定方案。
中图分类号：TG85 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）48-0168-01
1 工作原理
简单地说是三坐标测量机就是在三个相互垂直的方向上有导向机构、测长元件、数显装置，有一个能够放置工件的工作台（大型和巨型不一定有），测头可以以手动或机动方式轻快地移动到被测点上，由读数设备和数显装置把被测点的坐标值显示出来的一种测量设备。显然这是最简单、最原始的测量机。有了这种测量机后，在测量空间里任意一点的坐标值都可通过读数装置和数显装置显示出来。测量机的采点发讯装置是测头，在沿X，Y，Z三个轴的方向装有光栅尺和读数头。其测量过程就是当测头接触工件并发出采点信号时，由控制系统去采集当前机床三轴坐标相对于机床原点的坐标值，再由计算机系统对数据进行处理。
2 误差类型分析
三坐标测量机在测量过程中，由于操作人员的方法、软件的一些局限性及机器本身的原因，使得有些测量数据与实际结果误差较大，现对主要的误差类型进行分析：
2.1 几何误差
三坐标测量机由相互垂直的三个轴组成，各轴由滑块-导轨系统实现直线运动。由于制造偏差和装配等因素，造成三个轴之间存在误差，按照性质可分为4类共21项：
2.1.1 测量机定位误差 测量机运动部件的实际位置与指令位置之差称为定位误差，它不仅包括标尺读数系统的刻度误差，还包括阿贝误差。此类误差共计有X、Y、Z轴3项。
2.1.2 直线度运动误差 由于导轨系统的不完善，测量机在沿某轴向的导轨运动时，其运动轨迹可能偏离直线，这一误差称为直线度运动误差。对每一个轴来说，直线度运动误差表达的是在其它两轴上的偏移，因此共有6项误差。
2.1.3 角运动误差 测量机在沿导轨运动时，除产生直线度误差外，还产生绕三根坐标轴回转的角运动误差。绕直线运动方向转动的角运动误差称为滚转误差；绕与主运动方向垂直水平轴转动的误差称为俯仰误差；绕与主运动方向垂直铅垂轴转动的称为偏摆误差。此类误差共计有9项。
2.1.4 各轴垂直度误差 由于测量机在制造、安装、调试过程中都不可能使3根坐标轴相互绝对垂直，因此便带来了轴与轴之间的垂直度误差。与以上18项运动误差不同，它是两个运动方向之间的误差。测量机一旦装调完毕，这3项误差就是一种定值误差。
2.2 探测误差
三坐标测头的探测误差是影响测量不确定度的重要因素，不同的测头探测误差也不同，一般包括瞄准误差、测端等效直径的影响、各向异性、附件误差等。由于坐标测量机的位移量是被测尺寸与测头的测端等效直径的差或和，因此对测端等效直径的标定具有很重要的意义。一般用测头在经过标定的标准球或量块取得的尺寸与标准球或量块的标定尺寸的差值即为测端等效直径。
2.3 温度误差
温度误差又称为热误差或热变形误差，它不是温度本身的误差，而是由于温度因素引起的几何参数的测量误差，与制造测量机的材料的线膨胀系数有关。形成温度误差的主要因素是被测物体和测量机的温度偏离20℃或被测物体的尺寸和测量机的性能随温度变化。因此通过观察不同温度下测量机的误差状态，可以分析出温度误差的变化规律并加以补偿。但最好还是严格控制测量现场的环境温度，因为任何一种补偿方法都是在一定的温度范围内才是有效的。一般对测量现场的温度要求为：控温范围20±2℃，短时间温度变化率0.5℃/h，长时间温度变化率2℃/24h，温度梯度0.5℃/m。在此温度范围内使用补偿软件对温度变化引起的误差进行补偿。
2.4 力变形误差
在实际的测量过程中，虽然各个部件具有较高的刚性，但力变形仍是不可避免的。和温度误差相同，力变形误差也可以通过观察分析找到变化规律并加以补偿。也可以假定各个部件没有受力变形影响，而是将误差看作是由制作精度引起的，这样可以简化数学模型，方便建立补偿方法。
2.5 动态误差
动态误差一般分为两类：一类是由组成系统的各部分元件本身的静态和动态误差性能不理想而引起的动态误差，另一类是由系统内外各种干扰引起的动态误差。动态误差必然存在于动态测量中，对其研究起步较晚且过程复杂，是近年来的研究热点。完善动态误差的测量与补偿技术是目前重要的研究课题，也是今后坐标测量机的一个发展方向。
3 检定方案
三坐标测量机作为一种计量仪器，其功用就是将“米”的值按其定义以一定的精确度向被测工件的传递。作为一种计量仪器，三坐标测量机本身必须按量值传递的规程经过严格的检定。我们针对坐标测量机的特点和具体使用情况，总结出了检定坐标测量机的几种方法：
3.1 多功能箱体：多功能箱有各种已标定的标准量，通过对这些标准量的测量，可以得出坐标测量机的检测误差。
3.2 标准量块法：用长度分别为最长轴满行程1/3，1/2和1/4的3种量块进行测量，一般将量块放在测量空间中部，与其对角线找正，也可用步距规进行细致的检测。
3.3 空间球板法：在一平板的不同高度上分布着一系列钢球，预先对球间距进行精密标定。用测量机对球间距进行采样时，根据被测值与标定值之间的差值可以知道测量机的检测误差。
3.4 磁性球头棒法：磁性球头棒是由一根两端固定高精度钢球的棒和磁性球座组成，它以球头棒的球心距作为标准量。当球头棒在测量空间转动测量时，将棒长的测量值与标准值相比，就可以知道球心距的测量误差。
3.5 激光干涉仪法：以双频激光干涉仪为基础仪器，进行位置误差、直线度误差、角运动误差和垂直度误差的测量。采用双频激光干涉仪法和电子水平仪对各个单项误差逐一测量，这种方法精度很高，但测量时间较长，而且仪器价格昂贵，对操作人员水平要求较高。在多数情况下，可以选取一些特殊的位置，使得仅有一部分几何误差对总的空间误差起作用，然后根据单项几何误差的性质，用高次多项式逼近，用较少的未知数求解，最后分离出全部21项误差，达到高精度测量的要求。
参考文献
【1】 伍坚庭 三坐标测量机的误差分析与处理.
【2】 史秀辉 三坐标测量机的误差检定.
【3】 田朝平 精密测量技术.