三次元量床

三次元量床基于坐标计量原理，包括适合测量空间坐标的测量系统。 它由一个测量头系统（开关或测量传感器）组成，其测量范围通过带有增量位移或角度传感器的横移或定位系统扩展。 此外，还需要其他软件和硬件组件来评估记录的坐标值、系统测量偏差的数学校正和控制移动轴。

纯机械模拟的前身是坐标仪。

坐标测量系统具有 CNC 控制的定位系统或手持式移动系统，测量头系统（传感器）和测量对象在它们的相对空间位置上移动，以记录各自的测量点。 至少一个长度测量系统被分配给定位系统的每个横向轴，其以高分辨率测量各自的位置。 由于定位单元的已知位置，因此可以将各个传感器测量点转换到一个公共坐标系中并相互链接。

带有电子测量值采集和基于材料（例如玻璃标尺）或光学（例如激光干涉仪）的测量标准的增量式长度测量系统通常用作确定轴相对位置的长度测量系统。

测量范围和设备坐标系由运行轴及其导轨、驱动器和增量测量系统定义。 传统的坐标测量系统具有笛卡尔设备坐标系。 然而，其导轨跨越圆柱或球坐标系的坐标测量系统也很普遍，并且与增量路径和角度传感器结合使用。

最常用的“经典”设备是直角笛卡尔坐标测量系统。 正交指南跨越笛卡尔坐标系。 笛卡尔三次元量床的基本结构和功能组是：

• 测量台：主要是硬岩
• 各个轴的测量值：例如带Zerodur标尺的光电增量测长系统（低热膨胀系数）。
• 各个轴的轴承：例如空气静压轴承（air bearings）实现各个运动部件之间的低摩擦。 由硬岩（花岗岩）制成的导轨。
• 开车：例如，对于 CNC 控制的坐标测量机，轴的运动是通过闭环控制回路中的电驱动器（包括齿轮和减振元件）实现的。 驱动系统的任务只是移动轴，而不是提供有关轴位置的信息。 该任务由长度测量系统接管，该系统将当前位置传输到控制（用于定位）和评估计算机（用于计算扫描坐标值）。
• 测量和探测系统：参见传感器部分
• 控制和评估计算机：控制测量过程和运动，调节位置或轨迹（例如运动速度的变化），操纵测量值以对系统测量偏差进行数学校正（借助先前确定的校准值）并根据指定的几何元素转换坐标值和评估测量点。

根据 DIN EN ISO 10360-1:2003，在以下基本设计之间进行了区分，以实现三个可相互成直角移动的导轨：

• 悬臂设计：连接测量头系统的悬臂可以在垂直方向上移动。 另外两个轴可在水平方向上相互垂直地移动。 水平运动可以通过可移动的工作台来实现，或者在固定工作台的情况下，通过吊杆的可移动结构元件来实现。 这种设计多用于测量范围小但测量精度非常高的测量设备。
• 桥接结构：可移动轴和夹紧区域彼此分开。 可以在水平方向上移动的桥架带有测量头系统的套筒，可以沿桥架在水平方向和垂直方向上移动。 桥梁建设中的三次元量床可以实现较大的测量范围，因此可以检测非常大的工件，直至整个车辆或飞机制造中的部件。
• 门式结构：测量头位于门式横梁上布置了系统轴承套筒（垂直运动），可沿门架横杆在水平方向上移动。 门户安装有两个脚在设备台的边缘，可以沿设备台水平移动。 具有固定入口和可移动设备台的设计也很常见。 门户设计中的坐标测量系统提供低测量偏差、良好的可访问性和足够大的测量范围。 因此，它们是最常见的结构类型。常见的测量范围约为 1 立方米。
• 立柱设计：在带有水平臂的立柱设计的坐标测量系统中，带有测量头系统的套筒可以在水平方向上移动，可以沿支架（也称为支架）在垂直方向上移动柱子）。 第二次水平移动可以通过沿着测量台移动支架或通过移动台来实现。 这种设计通常用于测量车身和大型钣金部件，因为测量区域的三个侧面都可以自由接触。

非常规坐标测量系统以柱坐标或球坐标进行测量。 其中包括激光跟踪器、关节臂测量设备和 X 射线计算机断层扫描。

为了减少由随机和系统旋转导向偏差引起的测量偏差，在微米和纳米坐标测量设备中使用了长度测量和驱动系统的非常规布置。 通过在几个测量轴上实施阿贝比较器原理，采用激光干涉测长系统和平行计量，直接在三个轴都可移动的传感器上或带有测量对象的平台上都可移动的所有位置值进行测量三个轴，测量偏差和测量不确定度可以显着降低减少。

通过使用附加的转台或旋转和摆动装置，甚至可以接触位置不利的测量元件。 有了这样的扩展，工件可以在一个或多个轴上旋转。 在计算测量坐标值并将其转换为工件坐标系时，会考虑到工件位置的变化。 替代地或附加地，旋转和摆动装置也用于传感器。

三坐标测量系统可以配备开关和测量传感器。 开关传感器仅在记录测量点时发出触发信号，这会启动长度测量系统的读数。 另一方面，测量传感器有自己的几毫米内部测量范围。 内部测量的传感器值与长度测量系统确定的传感器位置重叠。

用于坐标测量系统的传感器还可以根据其物理原理进行细分。 直到 1990 年代，触觉传感器是三次元量床中最常用的触摸传感器。 随着传感器技术的改进、更强大的计算技术和更高的要求，如今越来越多地使用光学、光触觉和 X 射线传感器。 坐标测量系统中的传感器概述也在 中给出。

为了增加坐标测量系统的通用性，也可以将几种不同的传感器原理组合在一个坐标测量系统中。 这些坐标测量系统被称为多传感器坐标测量系统。

由于无法使用单个传感器或按钮解决所有测量任务，因此可以更换大多数坐标测量系统。 使用探头更换装置，更换可以集成到自动测量过程中。

带有触觉传感器的测量头系统分为开关系统（例如基于机电原理）和测量系统（例如带有电感或电容测量传感器）。

工件表面的探测是通过探头进行的。 根据测量任务，可以使用不同几何形状的探头元件（通常是球）和材料（通常是工业红宝石、硬质合金、氮化硅）。 触觉传感器系统基于人类的触觉，因此不仅可以识别单个触摸，还可以识别大范围的压力分布。