三坐標測量機及測量指南

什麼是三坐標測量機？

想像一下，一台能夠以高度自動化的方式進行極為精確測量的CNC工具機。這就是三坐標測量機（CMM）的功能！

CMM是「座標測量機」的縮寫。就其整體靈活性、精準度和速度的綜合而言，它們或許是終極的3D測量設備。

座標測量機的應用

在任何需要精確測量的時候，座標測量機都非常有用。而且，測量越複雜或數量越多，使用座標測量機的優勢就越明顯。

通常情況下，三坐標測量機用於檢測和品質控制。也就是說，它們用於驗證零件是否符合設計者的要求和規格。

它們也可能用於逆向工程透過精確測量現有零件的特徵，對其進行改造。

三坐標測量機是誰發明的？

第一台三坐標測量機（CMM）由蘇格蘭的費倫蒂公司於1950年代開發。它們用於航空航天和國防工業中零件的精密測量。最初的機器只有兩個運動軸。 1960年代，義大利的DEA公司推出了三軸測量機。電腦控制技術於1970年代初出現，並由美國的謝菲爾德公司引進。

三坐標測量機的類型

三坐標測量機有五種類型：

• 橋式三坐標測量機：這種設計最常見，其測量頭安裝在橋架上。橋架的一側在工作台上的導軌上滑動，另一側則由工作台上的氣墊或其他方式支撐，無需導軌。
• 懸臂式三坐標測量機：懸臂梁僅在一側支撐橋架。
• 龍門式三坐標測量機：龍門式三坐標測量機兩側均設有導軌，類似數控雕刻機。這類三坐標測量機通常是體積最大的，因此需要額外的支撐結構。
• 水平臂式三座標測量機：可以想像成一個懸臂梁，但整個橋架不是繞著自身軸線上下移動，而是沿著單臂上下移動。這類三坐標測量機的精度最低，但可以測量大型薄壁零件，例如汽車車身。
• 手提式臂式三座標測量機：這類機器使用鉸接臂，通常需要手動定位。它們並非直接測量XYZ軸，而是根據每個關節的旋轉位置和關節間的已知長度來計算座標。

根據測量類型的不同，每種方法都有其優缺點。這些類型指的是用於定位的機器結構。探測相對於被測量的部件而言。

這裡有一個方便的表格，可以幫助您了解其優缺點：

探針通常沿著 X、Y 和 Z 三個維度定位。然而，更先進的設備還可以改變探針的角度，進而測量探針原本無法觸及的位置。旋轉工作台也可用於提高對各種特徵的接近性。

三坐標測量機通常由花崗岩和鋁製成，並使用空氣軸承。

探頭是用於確定測量時零件表面位置的感測器。

探針類型包括：

• 機械的
• 光學的
• 雷射
• 白光

座標測量機大致有三種用途：

• 品質控制部門：這些產品通常保存在溫控潔淨室中，以最大限度地提高其精度。
• 車間：三坐標測量機 (CMM) 放置在數控機床附近，以便在生產單元內進行檢測，最大限度地減少 CMM 與加工零件的工具機之間的移動距離。這使得測量可以更早、更頻繁地進行，從而能夠更早發現錯誤，節省成本。
• 便攜式：便攜式三坐標測量機易於移動。它們可以在車間使用，甚至可以帶到遠離製造工廠的現場，對零件進行現場測量。

三坐標測量機的精度如何（CMM精度）？

坐標測量機的精度各不相同。通常，它們的目標是達到微米或更高的精度。但這並非易事。首先，誤差可能與尺寸有關，因此座標測量機的測量誤差可以用一個包含測量長度這一變數的簡短公式來表示。

例如，海克斯康的Global Classic CMM被列為一款價格適中的多用途三座標測量機，並標示其精確度為：

1.0 + L/300微米

這些測量單位是微米，L 的單位是毫米。假設我們要測量一個 10 毫米特徵的長度，公式為 1.0 + 10/300 = 1.0 + 1/30 或 1.03 微米。

一微米是一毫米的千分之一，約等於0.00003937吋。因此，測量10毫米長度的誤差為0.00103毫米或0.00004055英吋。這還不到十分之一毫米的一半——誤差非常小！

另一方面，測量精度應該達到待測值的10倍。也就是說，我們只能信任這個測量結果的10倍精度，也就是0.00005吋。這仍然是一個很小的誤差。

對於車間現場的坐標測量機（CMM）測量而言，情況就更加複雜了。如果CMM放置在溫控偵測實驗室中，那將大有幫助。但在車間現場，溫度變化可能很大。 CMM可以透過多種方式補償溫度變化，但沒有一種方式是完美的。

三坐標測量機 (CMM) 製造商通常會指定一個溫度範圍的精度，根據 ISO 10360-2 CMM 精度標準，典型的溫度範圍是 64-72°F (18-22°C)。這很好，除非你的車間在夏季溫度高達 86°F。在這種情況下，你就無法準確評估誤差了。

有些廠商會提供一系列不同精度規格的階梯式溫度範圍或溫度帶。但是，如果同一批零件在一天中的不同時間或一周中的不同日期需要在多個溫度範圍內進行測試，該怎麼辦呢？

首先需要建立一個不確定性預算，以應對最壞情況。如果這些最壞情況導致零件的公差超出可接受範圍，則需要進一步改善製程：

• 您可以將 CMM 的使用限制在一天中的某些時段，即溫度處於更有利的範圍內時。
• 您可以選擇只在一天中的特定時間加工公差較低的零件或特徵。
• 更好的三坐標測量機可能在您的溫度範圍內具有更優的規格。儘管價格可能貴得多，但它們或許物有所值。

當然，這些措施會嚴重影響你準確安排工作的能力。你突然意識到，改善車間的溫控系統或許是值得的投資。

你可以看出，整個測量過程有多麼繁瑣。

另一個至關重要的因素是如何規定三坐標測量機 (CMM) 的公差。幾何尺寸和公差 (GD&T) 是黃金標準。歡迎參加我們的 GD&T 入門課程以了解更多資訊。

三重座標測量機軟體

三坐標測量機 (CMM) 運行各種軟體。此標準稱為 DMIS，即尺寸測量介面標準。雖然並非所有 CMM 製造商都使用 DMIS 作為主要軟體接口，但大多數製造商至少都支援它。

為了增加 DMIS 不支援的測量任務，製造商們創造了自己獨特的口味。

DMIS

如前所述，DMIS 是標準，但與 CNC 的 G 代碼一樣，它也有許多方言，包括：

• PC-DMIS：Hexagon 的版本
• OpenDMIS
• TouchDMIS：感知器

MCOSMOS

MCOSTMOS 是尼康的 CMM 軟體。

卡呂普索

Calypso是蔡司公司的CMM軟體。

三坐標測量機和電腦輔助設計/電腦輔助製造軟體

CMM軟體和程式設計與CAD/CAM軟體有何關係？

CAD 檔案格式多種多樣，因此請檢查您的三座標測量機 (CMM) 軟體相容於哪些格式。最終的整合方式是基於模型的定義 (MBD)。借助 MBD，可以直接使用模型本身來提取 CMM 所需的尺寸。

MDB 是一種非常前沿的技術，因此目前尚未在大多數情況下應用。

三坐標測量機探頭、夾具和配件

三坐標測量機探頭

多種探頭類型和形狀可供選擇，以滿足各種不同的應用需求。

三坐標測量機夾具

與數控機床一樣，使用夾具在三坐標測量機 (CMM) 上裝卸零件時都能節省時間。您甚至可以選擇配備自動托盤裝載機的 CMM，以最大限度地提高生產效率。

三坐標測量機價格

新型座標測量機的起價為 2 萬至 3 萬美元，最高可達 100 萬美元以上。

機械加工車間中與三坐標測量機相關的工作

CMM 管理器

三坐標測量機程式設計師

三坐標測量機操作員