一個座標測量機座標測量機 (CMM) 是一種透過使用探頭感應物體表面離散點來測量物理物件幾何形狀的裝置。 CMM 使用各種類型的探頭,包括機械探頭、光學探頭、雷射探頭和白光探頭。根據機器的不同,探頭位置可以由操作員手動控制,也可以由電腦控制。 CMM 通常根據探頭在三維笛卡爾座標系(即 XYZ 軸)中相對於參考位置的位移來指定其位置。除了沿著 X、Y 和 Z 軸移動探頭外,許多機器還允許控制探頭角度,以便測量原本無法測量的表面。
典型的 3D「橋式」座標測量機 (CMM) 允許探頭沿著 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。每個軸都配備一個感測器,用於監測探頭在該軸上的位置,精度通常達到微米級。當探頭接觸(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,從而測量物體表面某一點的位置以及測量結果的三維向量。此過程根據需要重複進行,每次移動探頭,以產生描述目標表面區域的「點雲」。
座標測量機 (CMM) 的一個常見用途是在製造和組裝過程中,根據設計意圖測試零件或組件。在此類應用中,會產生點雲數據,並透過迴歸演算法進行分析,從而建立特徵。這些點由操作員手動定位的探頭採集,或透過直接電腦控制 (DCC) 自動定位。 DCC 座標測量機 (CMM) 可以編程重複測量相同的零件;因此,自動化座標測量機 (CMM) 是一種特殊形式的工業機器人。
部分
坐標測量機包括三個主要部件:
- 主要結構包括三個運動軸。多年來,用於建造移動框架的材料不斷變化。早期的座標測量機 (CMM) 使用花崗岩和鋼材。如今,所有主要的坐標測量機 (CMM) 製造商都使用鋁合金或其衍生物製造框架,並使用陶瓷來增加 Z 軸的剛度,以用於掃描應用。由於市場對改進計量動力學的需求以及在品質實驗室外安裝 CMM 的趨勢日益增長,如今很少 CMM 製造商仍在生產花崗岩框架 CMM。由於技術含量低且成為 CMM 框架製造商的門檻較低,通常只有中國和印度的小批量 CMM 製造商和國內製造商仍在生產花崗岩 CMM。掃描應用的日益增長也要求 CMM Z 軸具有更高的剛度,因此已經引入了陶瓷和碳化矽等新材料。
- 探測系統
- 資料收集和處理系統-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的、手持的和便攜式的。
準確性
座標測量機的精確度通常以不確定度係數的形式表示,不確定度係數與距離呈函數關係。對於使用接觸式測頭的座標測量機 (CMM),精確度與測頭的重複性和線性刻度的精確度有關。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(約 0.5 英吋)。對於 3 軸、3+2 軸和 5 軸機床,測頭會定期使用可追溯標準進行校準,並使用量規驗證工具機運動,以確保精確度。
具體部分
機體
第一台坐標測量機 (CMM) 是由蘇格蘭的 Ferranti 公司於 20 世紀 50 年代開發的,當時該公司出於測量軍用產品精密部件的直接需求,開發了這款機器,儘管當時這台機器只有兩軸。第一批三軸機型於 20 世紀 60 年代問世(義大利 DEA),電腦控制技術於 20 世紀 70 年代初首次亮相,但第一台真正意義上的座標測量機 (CMM) 是由英國墨爾本的 Browne & Sharpe 公司開發並銷售的。 (德國 Leitz 公司隨後生產了一種帶有行動工作台的固定式工具機結構。)
在現代工具機中,龍門式上部結構有兩個支腿,通常稱為橋架。它沿著花崗岩工作台自由移動,其中一個支架(通常稱為內側支架)沿著安裝在花崗岩工作台一側的導軌移動。另一個支架(通常稱為外側支架)則沿著花崗岩工作台的垂直表面輪廓簡單地靠在花崗岩工作台上。空氣軸承是確保無摩擦移動的首選方法。在空氣軸承中,壓縮空氣被壓入平坦軸承表面上的一系列非常小的孔中,形成一個平滑且可控的氣墊,坐標測量機 (CMM) 可以在該氣墊上以近乎無摩擦的方式移動,並且可以通過軟體進行補償。橋架或龍門架沿著花崗岩工作台的運動形成了 XY 平面的一個軸。龍門架的橋架包含一個滑架,它在內側支腿和外側支腿之間移動,並形成了另一個 X 或 Y 水平軸。第三個運動軸(Z 軸)由一個垂直主軸或主軸提供,該主軸透過滑架的中心上下移動。接觸式測頭構成主軸末端的感測裝置。 X、Y 和 Z 軸的運動完全涵蓋了測量範圍。可選配旋轉工作台,以提高測量測頭對複雜工件的可及性。旋轉工作台作為第四個驅動軸,不會擴大測量尺寸(測量尺寸仍為三維),但確實提供了一定程度的靈活性。有些接觸式測頭本身就是動力旋轉裝置,其測頭尖端能夠垂直旋轉超過 180 度,並可進行 360 度旋轉。
如今,坐標測量機 (CMM) 也呈現出多種多樣的形式。其中包括座標測量臂,它利用測量臂關節處的角度測量值來計算測針尖端的位置,並可配備用於雷射掃描和光學成像的測頭。這類臂式座標測量機通常用於便攜性優於傳統固定式座標測量機的情況——透過儲存測量位置,程式設計軟體還允許在測量過程中移動測量臂本身及其測量範圍,使其能夠圍繞待測部件進行測量。由於坐標測量臂模仿了人類手臂的靈活性,它們通常能夠觸及標準三軸機床無法探測的複雜部件內部。
機械探頭
在座標測量機 (CMM) 的早期,機械測頭被安裝在主軸末端的特殊支架上。一個非常常見的測頭是將一個硬球焊接到軸的末端。這非常適合測量各種平面、圓柱面或球面。其他測頭則磨成特定形狀,例如像限形,以便測量特殊特徵。這些測頭被物理地固定在工件上,其空間位置由三軸數位讀取器 (DRO) 讀取,或在更先進的系統中,透過腳踏開關或類似設備輸入電腦。這種接觸式測量通常不可靠,因為機器是手動移動的,而且每個機器操作員在測頭上施加的壓力不同,或採用不同的測量技術。
進一步的發展是增加了用於驅動每個軸的馬達。操作員不再需要物理接觸機器,而是可以使用帶有操縱桿的手柄箱來驅動每個軸,就像現代遙控汽車一樣。隨著電子觸發式測頭的發明,測量準確度和精度顯著提高。這個新型測頭裝置的先驅是 David McMurtry,他後來創立了現在的雷尼紹公司。雖然仍然是一種接觸式裝置,但該測頭有一個帶彈簧的鋼球(後來是紅寶石球)觸針。當測頭接觸到零件表面時,觸針會偏轉,同時將 X、Y、Z 座標資訊傳送到電腦。由操作員個人造成的測量誤差越來越少,為 CNC 操作的引入和 CMM 的成熟奠定了基礎。
帶有電子觸發式探頭的電動自動探頭
光學探頭是透鏡-CCD系統,其移動方式與機械探頭類似,並瞄準目標點,而不是接觸材料。捕獲的表面影像將被封閉在測量視窗的邊界內,直到殘留物足以在黑白區域之間形成對比。可以計算出分割曲線,使其指向一個點,該點即為空間中的所需測量點。 CCD上的水平位置資訊為二維(XY),垂直位置資訊為完整探測系統在支架Z軸驅動裝置(或其他設備組件)上的位置。
掃描探針系統
一些較新的型號配備有探針,它們會沿著零件表面拖動,並以指定的間隔採集點,這種探針被稱為掃描探針。這種座標測量機 (CMM) 偵測方法通常比傳統的接觸式探針法更精確,而且通常也更快。
下一代掃描技術被稱為非接觸式掃描,包括高速雷射單點三角測量、雷射線掃描和白光掃描,正在快速發展。這種方法使用雷射光束或白光投射到零件表面。這樣可以擷取數千個點,不僅用於檢查尺寸和位置,還能創造零件的3D影像。這些「點雲資料」隨後可以傳輸到CAD軟體中,創建零件的3D工作模型。這些光學掃描儀通常用於測量柔軟或精密的零件,或用於輔助逆向工程。
- 微米計量探針
用於微尺度計量應用的探測系統是另一個新興領域。市面上已有多種整合微探針的商用座標測量機 (CMM)、政府實驗室的多種專用系統,以及許多大學自主研發的微尺度計量平台。雖然這些機器在奈米尺度上表現良好,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、堅固且功能強大的微/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訪問深而窄的特徵,從而不會損壞表面並實現高精度(奈米級)。[需要引用]此外,微尺度探針易受環境條件的影響,例如濕度和表面相互作用,例如黏滯(由黏附、彎月面和/或范德華力等引起)。[需要引用]
實現微尺度探測的技術包括傳統座標測量機 (CMM) 探針的縮小版、光學探針以及駐波探針等。然而,目前的光學技術無法縮小到足以測量深而窄的特徵,而且光學解析度受光波長限制。 X 光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
可以使用光學探頭和/或雷射探頭(如果可以組合使用),從而將座標測量機 (CMM) 轉換為測量顯微鏡或多感測器測量機。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稱為測量機,但測量結果相同:一個空間點。雷射探頭用於測量表面與運動鏈末端(即 Z 軸驅動組件末端)參考點之間的距離。這可以利用乾涉函數、焦距變化、光偏轉或光束陰影原理。
便攜式坐標測量機
傳統 CMM 使用在三個笛卡爾軸上移動的探頭來測量物體的物理特性,而便攜式 CMM 則使用鉸接臂,或者在光學 CMM 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在物體周圍完全自由移動。
帶有關節臂的便攜式座標測量機 (CMM) 有六到七個軸,配備旋轉編碼器,而非線性軸。便攜式臂重量輕(通常不到 20 磅),幾乎可以隨身攜帶和在任何地方使用。然而,光學座標測量機 (CMM) 在工業領域的應用也日益廣泛。光學座標測量機採用緊湊型線性或矩陣陣列攝影機(例如 Microsoft Kinect),比帶有關節臂的便攜式座標測量機更小巧,無需線纜,使用戶能夠輕鬆對幾乎位於任何地方的各種類型的物體進行 3D 測量。
某些非重複性應用,例如逆向工程、快速成型以及各種尺寸零件的大規模檢測,非常適合便攜式座標測量機 (CMM)。便攜式座標測量機 (CMM) 具有多重優勢。使用者可以靈活地對各種類型的零件進行 3D 測量,即使在最偏遠/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,便攜式座標測量機 (CMM) 的成本通常低於傳統座標測量機 (CMM)。
便攜式坐標測量機的固有缺點是手動操作(它們始終需要人工操作)。此外,它們的整體精度可能略低於橋式座標測量機,並且不太適用於某些應用。
多感測器測量機
如今,使用接觸式測頭的傳統座標測量機 (CMM) 技術通常與其他測量技術相結合,包括雷射、視訊或白光感測器,從而提供所謂的多感測器測量。
發佈時間:2021年12月29日