正交坐标测量系统

传统正交坐标测量机的发展

空间机构学理论将空间连杆机构分为串联运动机构与并联运动机构两种，而传统的正交坐标测量机属于前者。通常正交坐标测量机由三个相互正交的三个移动导轨构成空间坐标。这种结构的坐标测量机的运动过程与由三个移动副所构成的串联机构运动过程较为相似，因此传统的正交坐标测量机是一种正交式串联运动机构。

世界上最早出现的坐标测量机样机是由英国Ferranti公司于1959年在法国巴黎召开的国际机床博览会上展出的。该原型样机的结构非常简单，只在X轴和Y轴方向设置了两个可移动导轨和相应的数据采集装置，而在Z方向上则简单地放置一个量程很小的位移传感器。为了扩大Z轴方向的量程，美国Sheffield公司于1965年推出了一种新型坐标测量机，该坐标测量机由三个互相垂直的可移动导轨分别构成X轴、Y轴和Z轴，每一坐标轴上又分别配置了相应的数据采集装置，从而确立了正交式三坐标测量机的基本结构形式。随后，该公司又将计算机技术应用于坐标测量，并于1969年在美国制造工程学会（ASME）产品展示会上展出具有计算机辅助控制功能的坐标测量机，从而实现真正意义上的“三维空间坐标测量”。

七十年代中期，英国Renishaw公司开发出一种三维触发式测头并广泛应用于坐标测量机，从而使坐标测量技术进一步得到完善。这以后，随着微处理器和微计算机技术的逐渐成熟及其在坐标测量机上的普遍应用，使得三坐标测量机的数据处理能力得到加强，生产成本急剧下降，迅速成为现代测量技术的主流产品。

八十年代以后，随着柔性制造系统和计算机集成制造系统的出现和发展，使得三坐标测量机与CAD/CAM系统、数控加工中心构成一个紧密耦合的先进的设计与制造一体化系统，主要研究工作与成果有计算机辅助检测规划、逆向工程、CMM/CAM集成等。坐标测量机的另一个重要方向就是对其进行误差修正与补偿，有关学者提出了三坐标测量机的几何误差修正模型，力变形误差修正模型以及热误差修正模型，并将这些模型方法应用于实际测量中，提高了测量机的测量精度。

在坐标测量机的发展历程中，人们针对正交式的坐标测量机开展了大量研究工作，使其在设计、制造、标定、检验、误差修正、自动化与智能化等方面都达到了很高的技术水平，正因如此，坐标测量机已成为一类大型精密仪器，有“测量中心”之称。

传统的正交坐标测量机所以得到如此广泛的应用，首先是因为正交坐标系是人们在生活和生产中最习惯、最常用的确定空间位置的依据，具有直观、便于换算等优点。在生产中，工件或机器的尺寸、形状、运动关系，在大多数情况下都是按正交坐标系给出的。因此用正交坐标测量机进行检测也最方便，最能直接给出所需结果。其次，正交坐标测量机也较容易保证高的测量精度，因为在整个直行运动中有导轨保证它基本上沿着直线运动；从标尺系统来看，虽然长度或线位移测量不确定度也会随着量程的增大而增大，但不会产生放大作用，而这一点在回转结构系统却表现明显，因为，如果以角度测量为基准，则角度基准的不确定度会随着距离的增大而被放大。

迄今为止，正交坐标测量机仍然是高精度坐标测量技术的主要形式。例如为了测量回转体，在不少三坐标测量机上增加了回转工作台，使它能按极坐标进行测量，但它仍以正交坐标系为基础，如在测量齿轮时，对于不同半径上的各个点，仍常以正交坐标系读数确定其相对位置。

传统正交坐标测量机的局限性‍

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然而，随着生产与科学的发展，出现越来越多的场合要求采用其它形式的非正交坐标测量系统。首先是大型工程项目的相对位置测量，不可能将这些机器搬到三坐标测量机上进行测量，比较现实的方法是在工程现场构筑起一定的坐标系统。而构筑直角坐标系统一般不太方便，比较方便的办法是将角度测量与距离测量相结合，或测量若干个距离，在非正交坐标系统中进行测量。另外，对于一些大尺寸零件的测量场合，如航空制造、汽车零件制造、大型模具制造等领域中，对于零件的尺寸精度要求不是特别高，使用传统的正交三坐标测量机也有其不方便之处，这时就可以使用一些非正交的坐标测量系统，如机器视觉测量系统，激光扫描测量系统等。

按照正交坐标系实现测量，必须有实现直线运动的基准——直线导轨。而直线导轨，特别是长导轨，制作比较复杂，且价格昂贵，测量直线位移的长标尺价格也较贵。这类坐标测量机的造价会随着量程的增加而急剧上升。同时，其体积一般较为庞大，不利于携带、搬迁，且对环境条件要求较苛刻。这些都体现了传统正交式坐标测量机的局限性。而对于有些非正交的坐标测量系统，自身都不存在这些方面的缺陷，与正交坐标测量机相比，有着自身独特的优点，因而在实际生产应用中，也就有了存在和发展的空间。

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