新闻 - 什么是坐标测量机？

一个坐标测量机坐标测量机 (CMM) 是一种通过使用探头感应物体表面离散点来测量物理对象几何形状的设备。CMM 使用各种类型的探头，包括机械探头、光学探头、激光探头和白光探头。根据机器的不同，探头位置可以由操作员手动控制，也可以由计算机控制。CMM 通常根据探头在三维笛卡尔坐标系（即 XYZ 轴）中相对于参考位置的位移来指定其位置。除了沿 X、Y 和 Z 轴移动探头外，许多机器还允许控制探头角度，以便测量原本无法测量的表面。

典型的 3D“桥式”坐标测量机 (CMM) 允许探头沿 X、Y 和 Z 三个轴移动，这三个轴在三维笛卡尔坐标系中彼此正交。每个轴都配备一个传感器，用于监测探头在该轴上的位置，精度通常达到微米级。当探头接触（或以其他方式检测到）物体上的特定位置时，机器会对三个位置传感器进行采样，从而测量物体表面某个点的位置以及测量结果的三维矢量。此过程根据需要重复进行，每次移动探头，以生成描述目标表面区域的“点云”。

坐标测量机 (CMM) 的一个常见用途是在制造和装配过程中，根据设计意图测试零件或组件。在此类应用中，会生成点云数据，并通过回归算法进行分析，从而构建特征。这些点由操作员手动定位的探头采集，或通过直接计算机控制 (DCC) 自动定位。DCC 坐标测量机 (CMM) 可以编程重复测量相同的零件；因此，自动化坐标测量机 (CMM) 是一种特殊形式的工业机器人。

部分

坐标测量机包括三个主要部件：

主要结构包括三个运动轴。多年来，用于构建移动框架的材料不断变化。早期的坐标测量机 (CMM) 使用花岗岩和钢材。如今，所有主要的坐标测量机 (CMM) 制造商都使用铝合金或其衍生物制造框架，并使用陶瓷来增加 Z 轴的刚度，以用于扫描应用。由于市场对改进计量动力学的需求以及在质量实验室外安装 CMM 的趋势日益增长，如今很少有 CMM 制造商仍在生产花岗岩框架 CMM。由于技术含量低且成为 CMM 框架制造商的门槛较低，通常只有中国和印度的小批量 CMM 制造商和国内制造商仍在生产花岗岩 CMM。扫描应用的日益增长也要求 CMM Z 轴具有更高的刚度，因此已经引入了陶瓷和碳化硅等新材料。
探测系统
数据收集和处理系统——通常包括机器控制器、台式计算机和应用软件。

可用性

这些机器可以是独立的、手持的和便携式的。

准确性

坐标测量机的精度通常以不确定度系数的形式表示，该不确定度系数与距离呈函数关系。对于使用接触式测头的坐标测量机 (CMM)，精度与测头的重复性和线性刻度的精度有关。典型的测头重复性可使整个测量范围内的测量精度达到 0.001 毫米或 0.00005 英寸（约 0.5 英寸）。对于 3 轴、3+2 轴和 5 轴机床，测头会定期使用可追溯标准进行校准，并使用量规验证机床运动，以确保精度。

具体部分

机体

第一台坐标测量机 (CMM) 是由苏格兰的 Ferranti 公司于 20 世纪 50 年代开发的，当时该公司出于测量军用产品精密部件的直接需求，开发了这款机器，尽管当时这台机器只有两轴。第一批三轴机型于 20 世纪 60 年代问世（意大利 DEA），计算机控制技术于 20 世纪 70 年代初首次亮相，但第一台真正意义上的坐标测量机 (CMM) 是由英国墨尔本的 Browne & Sharpe 公司开发并销售的。（德国 Leitz 公司随后生产了一种带有移动工作台的固定式机床结构。）

在现代机床中，龙门式上部结构有两个支腿，通常称为桥架。它沿着花岗岩工作台自由移动，其中一个支腿（通常称为内侧支腿）沿着安装在花岗岩工作台一侧的导轨移动。另一个支腿（通常称为外侧支腿）则沿着花岗岩工作台的垂直表面轮廓简单地靠在花岗岩工作台上。空气轴承是确保无摩擦移动的首选方法。在空气轴承中，压缩空气被压入平坦轴承表面上的一系列非常小的孔中，形成一个平滑且可控的气垫，坐标测量机 (CMM) 可以在该气垫上以近乎无摩擦的方式移动，并且可以通过软件进行补偿。桥架或龙门架沿着花岗岩工作台的运动形成了 XY 平面的一个轴。龙门架的桥架包含一个滑架，它在内侧支腿和外侧支腿之间移动，并形成了另一个 X 或 Y 水平轴。第三个运动轴（Z 轴）由一个垂直主轴或主轴提供，该主轴通过滑架的中心上下移动。接触式测头构成主轴末端的传感装置。X、Y 和 Z 轴的运动完全覆盖了测量范围。可选配旋转工作台，以提高测量测头对复杂工件的可及性。旋转工作台作为第四个驱动轴，不会扩大测量尺寸（测量尺寸仍为三维），但确实提供了一定程度的灵活性。一些接触式测头本身就是动力旋转装置，其测头尖端能够垂直旋转超过 180 度，并可进行 360 度旋转。

如今，坐标测量机 (CMM) 也呈现出多种多样的形式。其中包括坐标测量臂，它利用测量臂关节处的角度测量值来计算测针尖端的位置，并可配备用于激光扫描和光学成像的测头。这类臂式坐标测量机通常用于便携性优于传统固定式坐标测量机的情况——通过存储测量位置，编程软件还允许在测量过程中移动测量臂本身及其测量范围，使其能够围绕待测部件进行测量。由于坐标测量臂模仿了人类手臂的灵活性，它们通常能够触及标准三轴机床无法探测的复杂部件内部。

机械探头

在坐标测量机 (CMM) 的早期，机械测头被安装在主轴末端的特殊支架上。一种非常常见的测头是将一个硬球焊接到轴的末端。这非常适合测量各种平面、圆柱面或球面。其他测头则被磨成特定形状，例如象限形，以便测量特殊特征。这些测头被物理地固定在工件上，其空间位置由三轴数字读数器 (DRO) 读取，或者在更先进的系统中，通过脚踏开关或类似设备输入计算机。这种接触式测量通常不可靠，因为机器是手动移动的，而且每个机器操作员在测头上施加的压力不同，或者采用不同的测量技术。

进一步的发展是增加了用于驱动每个轴的电机。操作员不再需要物理接触机器，而是可以使用带操纵杆的手柄箱来驱动每个轴，就像现代遥控汽车一样。随着电子触发式测头的发明，测量准确度和精度显著提高。这种新型测头装置的先驱是 David McMurtry，他后来创立了现在的雷尼绍公司。虽然仍然是一种接触式装置，但该测头有一个带弹簧的钢球（后来是红宝石球）触针。当测头接触到部件表面时，触针会偏转，同时将 X、Y、Z 坐标信息发送到计算机。由操作员个人造成的测量误差越来越少，为 CNC 操作的引入和 CMM 的成熟奠定了基础。

带电子触发式探头的电动自动探头

光学探头是透镜-CCD系统，其移动方式与机械探头类似，并瞄准目标点，而不是接触材料。捕获的表面图像将被封闭在测量窗口的边界内，直到残留物足以在黑白区域之间形成对比。可以计算出分割曲线，使其指向一个点，该点即为空间中的所需测量点。CCD上的水平位置信息为二维（XY），垂直位置信息为完整探测系统在支架Z轴驱动装置（或其他设备组件）上的位置。

扫描探针系统

一些较新的型号配备有探针，它们会沿着零件表面拖动，并以指定的间隔采集点，这种探针被称为扫描探针。这种坐标测量机 (CMM) 检测方法通常比传统的接触式探针法更精确，而且通常也更快。

下一代扫描技术被称为非接触式扫描，包括高速激光单点三角测量、激光线扫描和白光扫描，正在快速发展。这种方法使用激光束或白光投射到零件表面。这样可以采集数千个点，不仅用于检查尺寸和位置，还能创建零件的3D图像。这些“点云数据”随后可以传输到CAD软件中，创建零件的3D工作模型。这些光学扫描仪通常用于测量柔软或精密的零件，或用于辅助逆向工程。

微米计量探针

用于微尺度计量应用的探测系统是另一个新兴领域。市面上已有多种集成微探针的商用坐标测量机 (CMM)、政府实验室的多种专用系统，以及许多大学自主研发的微尺度计量平台。虽然这些机器在纳米尺度上表现良好，甚至在许多情况下堪称卓越的计量平台，但它们的主要局限性在于缺乏可靠、坚固且功能强大的微/纳米探针。^{[需要引用]}微尺度探测技术面临的挑战包括需要高纵横比探针，以便能够以低接触力访问深而窄的特征，从而不会损坏表面并实现高精度（纳米级）。^{[需要引用]}此外，微尺度探针易受环境条件的影响，例如湿度和表面相互作用，例如粘滞（由粘附、弯月面和/或范德华力等引起）。^{[需要引用]}

实现微尺度探测的技术包括传统坐标测量机 (CMM) 探针的缩小版、光学探针以及驻波探针等。然而，当前的光学技术无法缩小到足以测量深而窄的特征，而且光学分辨率受光波长限制。X 射线成像可以提供特征的图像，但无法提供可追溯的计量信息。

物理原理

可以使用光学探头和/或激光探头（如果可以组合使用），从而将坐标测量机 (CMM) 转换为测量显微镜或多传感器测量机。条纹投影系统、经纬仪三角测量系统或激光测距和三角测量系统虽然不称为测量机，但测量结果相同：一个空间点。激光探头用于测量表面与运动链末端（即 Z 轴驱动组件末端）参考点之间的距离。这可以利用干涉函数、焦距变化、光偏转或光束阴影原理。

便携式坐标测量机

传统 CMM 使用在三个笛卡尔轴上移动的探头来测量物体的物理特性，而便携式 CMM 则使用铰接臂，或者在光学 CMM 的情况下，使用无臂扫描系统，该系统使用光学三角测量方法并能够在物体周围完全自由移动。

带关节臂的便携式坐标测量机 (CMM) 有六到七个轴，配备旋转编码器，而非线性轴。便携式臂重量轻（通常不到 20 磅），几乎可以随身携带和在任何地方使用。然而，光学坐标测量机 (CMM) 在工业领域的应用也日益广泛。光学坐标测量机采用紧凑型线性或矩阵阵列摄像头（例如 Microsoft Kinect），比带关节臂的便携式坐标测量机更小巧，无需线缆，使用户能够轻松对几乎位于任何地方的各种类型的物体进行 3D 测量。

某些非重复性应用，例如逆向工程、快速成型以及各种尺寸零件的大规模检测，非常适合便携式坐标测量机 (CMM)。便携式坐标测量机 (CMM) 具有多重优势。用户可以灵活地对各种类型的零件进行 3D 测量，即使在最偏远/最困难的地点也能进行测量。它们易于使用，无需受控环境即可进行精确测量。此外，便携式坐标测量机 (CMM) 的成本通常低于传统坐标测量机 (CMM)。

便携式坐标测量机的固有缺点是手动操作（它们始终需要人工操作）。此外，它们的整体精度可能略低于桥式坐标测量机，并且不太适用于某些应用。