三坐標測量機

三坐標測量機即三次元，它是指在一個六面體的空間範圍內，能夠表現幾何形狀、長度及圓周分度等測量能力的儀器，又稱為三坐標測量儀或三坐標量床。三坐標測量儀可定義為“一種具有可作三個方向移動的探測器，可在三個相互垂直的導軌上移動，此探測器以接觸或非接觸等方式傳送訊號，三個軸的位移測量系統(如光學尺)經數據處理器或計算機等計算出工件的各點坐標(X、Y、Z)及各項功能測量的儀器”。三坐標測量儀的測量功能應包括尺寸精度、定位精度、幾何精度及輪廓精度等。

三坐標測量機的發展可劃分為三代。

世界上第一台測量機是英國的FERRANTI公司於1959年研製成功的。當時的測量方式是測頭接觸工件后，靠腳踏板來記錄當前坐標值，然後使用計算器來計算元素間的位置關係。1964年，瑞士SIP公司開始使用軟體來計算兩點間的距離，開始了利用軟體進行測量數據計算的時代。70年代初，德國ZEISS公司使用計算機輔助工件坐標系代替機械對準，從此測量機具備了對工件基本幾何元素尺寸、形位公差的檢測功能。

隨著計算機的飛速發展，測量機技術進入了CNC控制機時代，完成了複雜機械零件的測量和空間自由曲線曲面的測量，測量模式增加和完善了自學習功能，改善了人機界面，使用專門測量語言，提高了測量程序的開發效率。

第三代：從90年代開始，隨著工業製造行業向集成化、柔性化和信息化發展，產品的設計、製造和檢測趨向一體化，這就對作為檢測設備的三坐標測量機提出了更高的要求，從而提出了第三代測量機的概念。其特點是：1、具有與外界設備通訊的功能；2、具有與CAD系統直接對話的標準數據協議格式；3、硬體電路趨於集成化，並以計算機擴展卡的形式成為計算機的大型外部設備。

坐標測量機的精度評定標準：ISO 10360

1994年，ISO 10360 國際標準《坐標測量機的驗收、檢測和複檢檢測》開始實施。這個標準說明了坐標測量機性能檢測的基本步驟。中國目前實行的測量機國家標準GB/T16857.2-1997 《坐標計量學－第二部分：坐標測量機的性能測定》便等同於ISO相應標準。

ISO 10360在主標題“產品幾何量技術規範(GPS) – 坐標測量機(CMM)的驗收檢測和複檢檢測”下，共分以下六個部分

— 第1部分：辭彙。

— 第2部分：測量線性尺寸的坐標測量機。

— 第3部分：配置轉檯軸線為第四軸的坐標測量機。

— 第4部分：掃描測量型坐標測量。

— 第5部分：多探針探測系統的坐標測量機。

— 第6部分：計算高斯輔助要素的誤差評定。

ISO標準主要包含三個主要參數：長度測量最大允許示值誤差(MPEE)、最大允許探測誤差(MPEP)；對於掃描測量，採用最大允許掃描探測誤差(MPETHP) 。

在進行測量機的採購之前，用戶需要熟悉有關測量機的驗收標準。以下是關於ISO 10360的簡要介紹：

ISO 10360-1 (2000) “辭彙”

該標準的第一部分定義了所有與坐標測量機相關的辭彙定義。例如："探測系統" 或 "標準球"，在這兒，我們就不再細述。

ISO 10360-2 (2001) “測量線性尺寸的坐標測量機”。

(MPEE)和最大允許探測誤差(MPEP)。

長度測量最大允許示值誤差MPEE：

在測量空間的任意7種不同的方位，測量一組5種尺寸的量塊，每種量塊長度分別測量3次所有測量結果必須在規定的MPEE值範圍內。

最大允許探測誤差(MPEP)：

25點測量精密標準球，探測點分佈均勻。最大允許探測誤差MPEP值為所有測量半徑的最大值。

ISO 10360-3 (2000) “配置轉檯軸線為第四軸的坐標測量機”。

對於配備了轉檯的測量機來說，測量機的測量誤差在這部分進行了定義。主要包含三個指標：徑向四軸誤差(FR)、切向四軸誤差(FT)、軸向四軸誤差(FA)。

ISO 10360-4 (2003) “掃描測量型坐標測量機”。

這個部分適用於具有連續掃描功能的坐標測量機。它描述了在掃描模式下的測量誤差。

大多數測量機製造商定義了"在THP情況下的空間掃描探測誤差"。在THP之外，標準還定義了在THN、TLP和TLN情況下的掃描探測誤差。

最大允許掃描探測誤差(MPETHP)：沿標準球上4條確定的路徑進行掃描。最大允許掃描探測誤差MPETHP值為所有掃描半徑的最大差值。註：THP的說明必須包括總的測量時間，例如：THP = 1.5um （掃描時間是72 秒）THP說明了沿已知路徑在密度最大的點上的掃描特性。ISO 10360-4 進一步說明了：TLP: 沿已知路徑，以低密度點的方式掃描。THN: 沿未知路徑，以高密度點的方式掃描。TLN: 沿未知路徑，以低密度點的方式掃描。

隨著現代技術的不斷發展，對品質和精度的要求越來越高。在精密檢測和產品質量控制、新品開發、工藝流程式控制制、模具製造、提升企業效率和品質手段方面，坐標測量機正發揮著不可替代的作用。如何選用適合的測量系統，併產生較高的經濟效益和使用價值，是廣大用戶關心的重要課題。下面介紹坐標測量機系統選購注意事項。

製造業中的質量目標在於將零件的生產與設計要求保持一致。建立和保持製造流程一致性最為有效的方法是準確地測量工件尺寸。獲得尺寸信息后，分析和反饋數據到生產過程中，使之成為持續提高產品質量的有效工具。坐標測量機是測量和獲得尺寸數據的最有效的方法之一，因為它可以代替多種表面測量工具及昂貴的組合量規，並把複雜的測量任務所需時間從小時減到分鐘，並快速準確地評價尺寸數據，為操作者提供關於生產過程狀況的有用信息。

選擇一台適當的機器能夠滿足工廠持久的使用，需要考察的關鍵在於：

首要的是精度指標應滿足要求。選用時可根據被測工件要求的檢測精度與測量機給定的測量不確定度相對比，在一般測量中，測量不確定度應為被測工件尺寸公差帶的1/3～1/5。對於精密測量及複雜的形位測量要求更高，為被測尺寸公差帶的1/5～1/8。尤其重要的是重複精度必須滿足要求，因為系統誤差可以通過一定方法補償，而重複精度是由測量機本身決定的。好的坐標測量系統不僅要精度高，更重要的是精度能夠保持穩定。

測量複雜零件時，測頭角度及測桿的改變會帶來微小誤差，建議用戶選用精度（包括重複精度）高一些的測量系統，以便能滿足企業未來的發展需要。

測量範圍是選擇測量機時的基本參數。選擇測量範圍時，應考慮以下三個方面。

工件所需測量的部分，不一定是整個工件。如要測量的部位位於工件的某個局部，除了測量機的測量範圍要能覆蓋被測部位之外，還要考慮整個工件能否在機台上安置。一般應根據工件大小選擇測量機的測量範圍。

Z軸行程與Z向空間高度的關係。Z軸行程是Z軸的測量範圍，而Z向空間高度是工件能放得下的高度，另外要考慮Z軸加裝上測頭系統后所能測量的空間。

測桿變化問題。有的測頭上有星形探針，這些探針在測量時往往要超出工件的被測部分。一般工件尺寸為l時，要求測量範圍L=l+2C，C為探針或所需加長桿的長度。因此測量範圍等於工件被測的最大尺寸再加上兩倍的探針長度。

測量機按自動化程度分為手動（或機動）與CNC（自動）兩大類。選用時，應根據檢測對象的批量大小、自動化程度、產品特點及使用頻率和效率來權衡。

先進的測量系統要求測量軟體既具有更專業化的強大測量功能，又能夠使用方便、易於操作、而且可滿足一些特殊測量任務的需要。測量軟體系統的選擇應考慮的要素：

●便於操作和使用（例如全中文的操作界面，更便捷的操作方式）。

●能滿足複雜形狀零件和複雜的曲面測量。

●圖形化及靈活的測量輸出報告功能，同時具備多種數據輸出格式。

●自動特徵識別功能。

●離線測量/編程功能。

●虛擬模擬測量，路徑規劃與防碰撞功能。

●可視化的圖形分析功能和最佳擬合評價能力。

●完善的形位公差評價能力。

●未知幾何量的掃描功能。

●測頭系統的動態配置與可視化操作。

●智能化的編程能力。

●支持各種選項裝置。

●特殊應用及支持能力。

測座系統是測量機上重要的測量部件。它不僅直接影響測量精度，也是決定測量機功能和測量效率的重要因素。有自動和手動測座系統，一般根據產品的實際測量要求來確定。

控制系統一般不為大家所關注，但在坐標測量系統中具有非常重要的中樞控制作用，其好壞決定著整個系統的功能及運動特性。數據的傳輸也影響到測量系統的效率及穩定性。另外，控制系統是否支持後續功能的擴展性也非常重要。

測量機的運行速度與採樣速度既是測量效率的重要指標，同時也是機台性能的重要參考，與自動化生產的要求密切相關。用於生產線或柔性加工線上的測量機，檢測效率必須滿足生產節拍的要求。

在可接受不確定度水平上採集點的數量，確定了測量機的工作效率。一些測量機能夠在一分鐘內採集超過100個數據點，而可以達到非常好的測量精度。

總之：測量機能夠為現代製造業提供保證，因為它可取代平面的測量工具、固定的或定製的量規，以及精密的手工測量工具。在為過程式控制制提供尺寸數據的同時，測量機還可提供入廠產品檢驗、機床的校驗、客戶質量認證、量規檢驗、加工試驗以及優化機床設置等附加性能。對於固定資產的投入有許多要考慮的因素，但一但考慮到提高了生產效率、降低了成本並將生產納入了控制，測量機對工廠的質量控制是最好的選擇。

任何形狀都是由三維空間點組成的，所有的幾何量測量都可以歸結為三維空間點的測量，因此精確地進行空間點坐標的採集，是評定任何幾何形狀的基礎。

坐標測量機的基本原理是將被測零件放入它允許的測量空間範圍內，精確地測出被測零件表面的點在空間三個坐標位置的數值，將這些點的坐標數值經過計算機處理，擬合形成測量元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經過數學計算的方法得出其形狀、位置公差及其他幾何量數據。

在測量領域中，光柵尺及以後的容柵、磁柵、激光干涉儀的出現，革命性地把尺寸信息數字化，不但可以進行數字顯示，而且為幾何量測量的計算機處理和控制打下基礎。

三坐標測量儀可定義為“一種具有可作三個方向移動的探測器，可在三個相互垂直的導軌上移動，此探測器以接觸或非接觸等方式傳送訊號，三個軸的位移測量系統 ( 如光學尺 ) 經數據處理器或計算機等計算出工件的各點坐標(X、Y、Z)及各項功能測量的儀器”。三坐標測量儀的測量功能應包括尺寸精度測量、定位精度測量、幾何精度測量及輪廓精度測量等。

主要用於機械、汽車、航空、軍工、模具等行業中的箱體、機架、齒輪、凸輪、蝸輪、蝸桿、葉片、曲線、曲面等的測量。

CMF系列全自動三坐標測量機是智泰集團最新研發成果，它：·可靠 ·經濟 ·超靜速度 ·精度高、易操作 ·移動速度快、加速度高 ·適合各種環境的設計 ·華麗的外觀 ·穩定的結構 ·適合中小型工件測量

高精度氣浮、環抱式導軌設計。

龍門移式結構，使工件放置空間寬闊、裝卸便捷。

三軸採用高性能同步帶傳動，傳動部件慣性小，速度高。

控制器

原裝進口國際知名品牌控制器。

採用32位高速中央處理單元，使機械速運動平穩，速度更快。

高集成度保證了高可靠性。

支持三軸“連續運動”模式，運動效率更高。

驅動系統採用高性能直流伺服電機，可無間隙、無振動的驅動。

操作盒的人性化設計。

1、測頭校驗

測頭校驗是三坐標測量機進行工件測量的三坐標測量第一步，也是很重要的一步。在測頭校驗的過程中，我們要做的是根據工件形狀、尺寸選擇合適的測頭、測針，現在主流的測頭測針都是雷尼紹的，在測量軟體中會有匹配。選好后，我們還要進行校準，以達到測量所要求的精度。

2、建坐標系

建立工件的坐標系，如果有工件的模型的話，也要建模型坐標系，然後把工件坐標系與模型坐標系擬合。建坐標系三個要素是：一要確定一個基準平面，二要確定一個平面軸線，即X軸或者Y軸，三要確定一個點，作為坐標原點。

3、工件測量

坐標系建好后就可以進行正常的測量了，工件測量大體分為一下步驟：

首先，對工件進行分析，對工具的基本元素進行測量。點、線、面、圓、圓柱、圓錐等。

然後，就是根據工件的形狀，用基元素進行形狀的公差分析。最後，根據要求輸出檢測報告。

三坐標測量機是測量和獲得尺寸數據的最有效的方法之一，並把複雜的測量任務所需時間從小時減到分鐘。三坐標測量機的功能是快速準確地評價尺寸數據，為操作者提供關於生產過程狀況的有用信息。將被測物體置於三坐標測量空間，即可獲得被測物體上各測點的坐標位置。在實際測量過程中，影響三坐標測量機正常工作的因素還是有很多的，主要有三個方面的因素影響到三坐標測量機的測量結果。

在正常工作壓力的前提下，氣浮塊的浮起間隙約4~12μm，空氣壓力的波動會使氣浮塊的氣浮間隙變化，影響測量重複性。氣壓嚴重不足時，會使氣浮塊不能充分浮起造成與導軌摩擦，輕者影響測量機運動狀態和測量精度，重者會磨損導軌和氣浮塊，嚴重損壞測量機。Z軸採用氣 動平衡的測量機在氣壓嚴重不足的情況下會造成Z軸失衡下落的情況，非常危險。所以要盡量保證測量機工作壓力的穩定。 a.要選擇合適的空壓機，最好另有儲氣罐，使空壓機工作壽命長，壓力穩定。 b.空壓機的啟動壓力一定要大於工作壓力。 c.開機時，要先打開空壓機，然後接通電源。

由於空壓機對空氣壓縮的同時會把空氣中的水分子和油分子壓縮成水和油，而且空壓機本身工作時也需要有潤滑油對其機構進行潤滑，也使得有一部分潤滑油進入壓縮空氣。進入壓縮空氣的水和油會隨著壓縮空氣進入到平衡氣缸和氣浮塊。在測量機工作時水和油附著在導軌上，使導軌的直線度改變。當測量機不工作時管道中的油滴可能堵塞氣浮塊的氣孔，使氣浮塊不能正常浮起，造成氣浮塊與導軌的摩擦，損壞測量機並使氣管老化。管道中的水還會腐蝕氣浮塊和平衡氣缸。

這是對三坐標測量機數控系統和計算機系統最有影響的部分，電壓不穩定和電源風扇有污垢導致散熱不好都會導致系統故障。因此，三次元帶有穩壓和濾除雜波功能的穩壓電源是必要的。

由於壓縮空氣對三坐標測量儀的正常工作起著非常重要的作用，所以對氣源的維修和保養非常重要。其中有以下主要項目：

1、每天使用三坐標測量儀前檢查管道和過濾器，放出過濾器內及空壓機或儲氣罐的水和油。

2、一般3個月要清洗隨機過濾器和前置過濾器的濾芯。空氣質量較差的周期要縮短。因為過濾器的濾芯在過濾油和水的同時本身也被油污染堵塞，時間稍長就會使測量機實際工作氣壓降低，影響三坐標測量儀正常工作。一定要定期清洗過濾器濾芯。