新聞——什麼是坐標測量機？

一個座標測量機三坐標測量機 (CMM) 是一種透過探針感應物體表面離散點來測量物體幾何形狀的裝置。 CMM 使用多種類型的探針，包括機械探針、光學探針、雷射探針和白光探針。根據機器的不同，探針的位置可以由操作員手動控制，也可以由電腦控制。 CMM 通常以探針在三維笛卡爾座標系（即 XYZ 座標系）中相對於參考位置的位移來表示其位置。除了沿著 X、Y 和 Z 軸移動探針外，許多機器還允許控制探針角度，從而可以測量原本無法觸及的表面。

典型的三維「橋式」三坐標測量機允許探針沿著 X、Y 和 Z 三個軸移動，這三個軸在三維笛卡爾座標系中彼此正交。每個軸上都有一個感測器，用於監測探針在該軸上的位置，通常精度可達微米級。當探針接觸（或以其他方式偵測到）物體上的特定位置時，機器會對三個位置感測器進行取樣，從而測量物體表面上某一點的位置以及該點的三維向量。如有必要，此過程會重複進行，每次都移動探針，以產生描述目標表面區域的「點雲」。

三坐標測量機 (CMM) 的常見用途是在製造和組裝過程中，用於測試零件或組件是否符合設計預期。在這些應用中，會產生點雲，並透過迴歸演算法分析這些點雲以建立特徵。這些點雲的採集方式有兩種：一種是使用探針，由操作員手動定位；另一種是透過直接電腦控制 (DCC) 自動定位。 DCC 三坐標測量機可以編程來重複測量相同的零件；因此，自動化三坐標測量機是一種特殊的工業機器人。

部分

座標測量機主要由三個部分組成：

其主要結構包含三個運動軸。多年來，用於製造移動框架的材料不斷變化。早期的三坐標測量機 (CMM) 使用花崗岩和鋼材。如今，所有主要的 CMM 製造商都採用鋁合金或其衍生物製造框架，並使用陶瓷來提高 Z 軸的剛度，以滿足掃描應用的需求。由於市場對更高計量動態性能的需求以及 CMM 在品質實驗室之外安裝的趨勢日益增長，如今只有少數 CMM 製造商仍在生產花崗岩框架的 CMM。通常只有小批量 CMM 製造商以及中國和印度的國內製造商仍在生產花崗岩框架的 CMM，因為這種框架技術含量低，而且成為 CMM 框架製造商的門檻也較低。掃描應用的日益普及也要求 CMM 的 Z 軸具有更高的剛度，因此引入了陶瓷和碳化矽等新型材料。
探測系統
資料擷取和處理系統－通常包括機器控制器、桌上型電腦和應用軟體。

可用性

這些機器可以是獨立式、手持式和便攜式的。

準確性

座標測量機的精確度通常以不確定度因子表示，該因子是距離的函數。對於使用接觸式測頭的座標測量機，此不確定度因子與測頭的重複性和線性標尺的精確度相關。典型的測頭重複性可使整個測量範圍內的測量精度達到 0.001 毫米或 0.00005 英吋（十分之一英吋的一半）。對於 3 軸、3+2 軸和 5 軸座標測量機，測頭通常會使用可溯源的標準進行校準，並且使用量規驗證機器的運動，以確保精確度。

具體部件

機身

第一台三坐標測量機（CMM）由蘇格蘭的費倫蒂公司於20世紀50年代開發，其研發的直接原因是軍用產品中對精密零件進行測量的需求，儘管這台機器只有兩個軸。第一批三軸型號於1960年代開始出現（義大利的DEA公司），電腦控制技術於1970年代初問世，但第一台真正投入使用的三坐標測量機是由英國墨爾本的布朗-夏普公司開發並銷售的。（德國的萊茨公司隨後生產了一種帶有行動工作台的固定式機器結構。）

在現代三坐標測量機中，龍門式上部結構通常由兩根支架組成，稱為橋架。它沿著花崗岩工作台自由移動，其中一根支架（通常稱為內腿）沿著固定在工作台一側的導軌運動。另一根支架（通常稱為外腿）則直接放置在花崗岩工作台上，並沿著垂直表面輪廓移動。氣浮軸承是確保無摩擦運動的首選方法。在氣浮軸承中，壓縮空氣被強制通過平面軸承面上的一系列微小孔，形成一個平穩且可控的氣墊，三坐標測量機可以在其上近乎無摩擦地移動，並通過軟體進行補償。橋架或龍門架沿著花崗岩工作台的運動構成了XY平面的一個軸。龍門架的橋架包含一個滑架，該滑架在內腿和外腿之間移動，構成了另一個X軸或Y軸。第三個運動軸（Z軸）是透過增加一個垂直的主軸或套筒來實現的，該主軸或套筒在滑架中心上下移動。接觸式測頭構成位於主軸末端的感測裝置。 X、Y 和 Z 軸的運動完整地描述了測量範圍。選購的旋轉工作台可以增強測量測頭接近複雜工件的能力。旋轉工作台作為第四個驅動軸，雖然不會增加測量尺寸（測量範圍仍然是三維的），但確實提供了一定的靈活性。有些接觸式測頭本身就是動力旋轉裝置，其測頭尖端可以垂直旋轉超過 180 度，並可進行完整的 360 度旋轉。

座標測量機 (CMM) 現在也衍生出多種其他形式。例如，機械手臂式 CMM 利用測量臂關節處的角度測量值來計算測針尖端的位置，並且可以配備雷射掃描和光學成像探頭。與傳統的固定式 CMM 相比，機械手臂式 CMM 的便攜性優勢特別突出——透過儲存測量位置，程式設計軟體還可以在測量過程中移動測量臂及其測量範圍，使其圍繞待測零件移動。由於機械手臂式 CMM 能夠模擬人體手臂的靈活性，因此它們通常能夠觸及標準三軸機床無法偵測的複雜零件內部。

機械探針

在座標測量（CMM）的早期，機械探針被安裝在主軸末端的專用支架上。一種非常常見的探針是將一個硬球焊接在軸的末端製成的。這種探針非常適合測量各種平面、圓柱面或球面。其他探針則研磨成特定形狀，例如像限，以便測量特殊特徵。這些探針透過物理接觸的方式固定在工件上，其空間位置由三軸數位讀數器（DRO）讀取；或者，在更先進的系統中，透過腳踏開關或類似設備將資料記錄到電腦中。由於機器是手動移動的，而且每個操作員對探針施加的壓力大小不同，或者採用的測量技術也不同，因此這種接觸式測量方法通常不太可靠。

進一步的發展是為每個軸增加馬達驅動。操作人員不再需要直接接觸機器，而是像操作現代遙控汽車一樣，透過帶有操縱桿的手控盒來控制每個軸。電子觸碰式觸發測頭的發明大大提高了測量精度。這種新型測頭的先驅是戴維·麥克默特里（David McMurtry），他後來創立瞭如今的雷尼紹公司（Renishaw plc）。雖然仍然是接觸式測量裝置，但該測頭配備了一個彈簧加載的鋼球（後來改為紅寶石球）觸針。當測頭接觸到工件表面時，觸針會發生偏轉，同時將X、Y、Z座標資訊傳送到電腦。由操作人員造成的測量誤差大大減少，為數控（CNC）操作的引入和三坐標測量機（CMM）的成熟奠定了基礎。

電動自動探頭，附電子觸碰觸發探頭

光學探針是透鏡-CCD系統，其移動方式與機械探針類似，但無需接觸材料，只需對準目標點即可。表面影像會被框定在測量視窗內，直到殘留物足以區分黑白區域。分割曲線可以計算到一點，該點即為空間中所需的測量點。 CCD上的水平資訊為二維（XY）訊息，垂直位置則為整個探針系統在支架Z軸驅動裝置（或其他設備組件）上的位置。

掃描探針系統

新型三坐標測量機配備了可沿零件表面拖曳並按指定間隔採集點的探針，稱為掃描探針。這種三坐標測量機檢測方法通常比傳統的接觸式探針檢測方法更精確，而且大多數情況下速度也更快。

下一代掃描技術，即非接觸式掃描，發展迅猛，其中包括高速雷射單點三角測量、雷射線掃描和白光掃描。此方法使用投射到零件表面的雷射光束或白光。由此可以採集數千個點，這些點不僅可以用於檢測尺寸和位置，還可以創建零件的三維影像。這些「點雲資料」可以傳輸到CAD軟體中，從而創建零件的三維模型。這些光學掃描儀通常用於檢測柔軟或易損零件，或用於輔助逆向工程。

微米級探針

用於微尺度計量應用的探測系統是另一個新興領域。目前市面上已有多種整合微探針的商用座標測量機（CMM），政府實驗室也配備了多種專用系統，此外還有許多大學自主研發的微尺度計量平台。儘管這些機器在奈米尺度上表現出色，甚至在許多情況下堪稱卓越的計量平台，但它們的主要限制在於缺乏可靠、穩健且功能強大的微/奈米探針。^{[需要引用]}微尺度探測技術的挑戰包括需要高縱橫比探針，以便能夠以低接觸力接觸深而窄的特徵，從而避免損壞表面，並達到高精度（奈米級）。^{[需要引用]}此外，微尺度探針容易受到環境條件（如濕度）和表面相互作用（如黏滯力，由黏附力、彎液面和/或范德華力等引起）的影響。^{[需要引用]}

實現微尺度探測的技術包括縮小版的傳統三坐標測量機探針、光學探針和駐波探針等。然而，目前的光學技術無法縮小到足以測量深而窄的特徵，而且光學解析度受限於光的波長。 X射線成像可以提供特徵的影像，但無法提供可追溯的計量資訊。

物理原理

可以使用光學探針和/或雷射探針（如果可能，最好結合使用），這使得三坐標測量機 (CMM) 轉變為測量顯微鏡或多傳感器測量機。條紋投影系統、經緯儀三角測量系統或雷射測距和三角測量系統雖然不被稱為測量機，但測量結果相同：都是一個空間點。雷射探針用於檢測表面與運動鏈末端（例如：Z軸驅動部件的末端）參考點之間的距離。這可以透過干涉測量、焦點變化、光線偏轉或光束陰影原理來實現。

便攜式坐標測量機

傳統的三坐標測量機使用在三個笛卡爾軸上移動的探針來測量物體的物理特性，而便攜式三坐標測量機則使用鉸接臂，或者，在光學三坐標測量機的情況下，使用無臂掃描系統，該系統使用光學三角測量方法，並能夠圍繞物體進行完全自由的移動。

手提式三坐標測量機（CMM）配備關節臂，通常有六軸或七軸，並採用旋轉編碼器而非線性軸。便攜式關節臂重量輕（通常不到20磅），幾乎可以隨身攜帶並在任何地方使用。然而，光學三坐標測量機在行業中的應用日益廣泛。光學三坐標測量機採用緊湊型線性或矩陣陣列相機（例如微軟Kinect），體積比便攜式關節臂三坐標測量機更小，無需佈線，並且使用戶能夠輕鬆地對幾乎任何位置的各種物體進行三維測量。

某些非重複性應用，例如逆向工程、快速原型製作以及各種尺寸零件的大規模檢測，非常適合使用便攜式三坐標測量機 (CMM)。便攜式 CMM 的優點眾多。使用者可以靈活地對各種類型的零件進行三維測量，即使在最偏遠或最困難的地點也能進行測量。它們易於使用，無需受控環境即可進行精確測量。此外，便攜式 CMM 的成本通常低於傳統 CMM。

便攜式三坐標測量機的固有缺點是需要手動操作（始終需要人來操作）。此外，它們的整體精度可能略低於橋式三坐標測量機，並且不太適合某些應用。