三坐标测量机及测量指南

什么是三坐标测量机？

想象一下，一台能够以高度自动化的方式进行极其精确测量的数控机床。这就是三坐标测量机（CMM）的功能！

CMM是“坐标测量机”的缩写。就其整体灵活性、精度和速度的综合而言，它们或许是终极的3D测量设备。

坐标测量机的应用

在任何需要进行精确测量的时候，坐标测量机都非常有用。而且，测量越复杂或数量越多，使用坐标测量机的优势就越明显。

通常情况下，三坐标测量机用于检测和质量控制。也就是说，它们用于验证零件是否符合设计者的要求和规格。

它们也可能用于逆向工程通过精确测量现有零件的特征，对其进行改造。

三坐标测量机是谁发明的？

第一台三坐标测量机（CMM）由苏格兰的费伦蒂公司于20世纪50年代研制。它们用于航空航天和国防工业中零件的精密测量。最初的机器只有两个运动轴。20世纪60年代，意大利的DEA公司推出了三轴测量机。计算机控制技术于20世纪70年代初出现，并由美国的谢菲尔德公司引入。

三坐标测量机的类型

三坐标测量机有五种类型：

• 桥式三坐标测量机：这种设计最为常见，其测量头安装在桥架上。桥架的一侧在工作台上的导轨上滑动，另一侧则由工作台上的气垫或其他方式支撑，无需导轨。
• 悬臂式三坐标测量机：悬臂梁仅在一侧支撑桥架。
• 龙门式三坐标测量机：龙门式三坐标测量机两侧均设有导轨，类似于数控雕刻机。这类三坐标测量机通常是体积最大的，因此需要额外的支撑结构。
• 水平臂式三坐标测量机：可以想象成一个悬臂梁，但整个桥架不是绕自身轴线上下移动，而是沿着单臂上下移动。这类三坐标测量机的精度最低，但可以测量大型薄壁零件，例如汽车车身。
• 便携式臂式三坐标测量机：这类机器使用铰接臂，通常需要手动定位。它们并非直接测量XYZ轴，而是根据每个关节的旋转位置和关节间的已知长度来计算坐标。

根据测量类型的不同，每种方法都有其优缺点。这些类型指的是用于定位的机器结构。探测相对于被测量的部件而言。

这里有一个方便的表格，可以帮助您了解其优缺点：

探针通常沿 X、Y 和 Z 三个维度定位。然而，更先进的设备还可以改变探针的角度，从而测量探针原本无法触及的位置。旋转工作台也可用于提高对各种特征的接近性。

三坐标测量机通常由花岗岩和铝制成，并使用空气轴承。

探头是用于确定测量时零件表面位置的传感器。

探针类型包括：

• 机械的
• 光学的
• 激光
• 白光

坐标测量机大致有三种用途：

• 质量控制部门：这些产品通常保存在温控洁净室中，以最大限度地提高其精度。
• 车间：三坐标测量机 (CMM) 放置在数控机床附近，便于在生产单元内进行检测，最大限度地减少 CMM 与加工零件的机床之间的移动距离。这使得测量可以更早、更频繁地进行，从而能够更早地发现错误，节省成本。
• 便携式：便携式三坐标测量机易于移动。它们可以在车间使用，甚至可以带到远离制造工厂的现场，对零件进行现场测量。

三坐标测量机的精度如何（CMM精度）？

坐标测量机的精度各不相同。通常，它们的目标是达到微米级或更高的精度。但这并非易事。首先，误差可能与尺寸有关，因此坐标测量机的测量误差可以用一个包含测量长度这一变量的简短公式来表示。

例如，海克斯康的Global Classic CMM被列为一款价格适中的多用途三坐标测量机，并标明其精度为：

1.0 + L/300微米

这些测量单位是微米，L 的单位是毫米。假设我们要测量一个 10 毫米特征的长度，公式为 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，约等于0.00003937英寸。因此，测量10毫米长度的误差为0.00103毫米或0.00004055英寸。这还不到十分之一毫米的一半——误差非常小！

另一方面，测量精度应该达到待测值的10倍。也就是说，我们只能信任这个测量结果的10倍精度，也就是0.00005英寸。这仍然是一个很小的误差。

对于车间现场的坐标测量机（CMM）测量而言，情况就更加复杂了。如果CMM放置在温控检测实验室中，那将大有帮助。但在车间现场，温度变化可能很大。CMM可以通过多种方式补偿温度变化，但没有一种方式是完美的。

三坐标测量机 (CMM) 制造商通常会指定一个温度范围的精度，根据 ISO 10360-2 CMM 精度标准，典型的温度范围是 64-72°F (18-22°C)。这很好，除非你的车间在夏季温度高达 86°F。在这种情况下，你就无法准确评估误差了。

有些厂家会提供一系列不同精度规格的阶梯式温度范围或温度带。但是，如果同一批零件在一天中的不同时间或一周中的不同日期需要在多个温度范围内进行测试，该怎么办呢？

首先需要建立一个不确定性预算，以应对最坏情况。如果这些最坏情况导致零件的公差超出可接受范围，则需要进一步改进工艺流程：

• 您可以将 CMM 的使用限制在一天中的某些时段，即温度处于更有利的范围内时。
• 您可以选择只在一天中的特定时间加工公差较低的零件或特征。
• 更好的三坐标测量机可能在您的温度范围内具有更优的规格。尽管价格可能贵得多，但它们或许物有所值。

当然，这些措施会严重影响你准确安排工作的能力。你突然意识到，改善车间的温控系统或许是一项值得的投资。

你可以看出，整个测量过程有多么繁琐。

另一个至关重要的因素是如何规定三坐标测量机 (CMM) 的公差。几何尺寸和公差 (GD&T) 是黄金标准。欢迎参加我们的 GD&T 入门课程了解更多信息。

三坐标测量机软件

三坐标测量机 (CMM) 运行各种软件。该标准称为 DMIS，即尺寸测量接口标准。虽然并非所有 CMM 制造商都使用 DMIS 作为主要软件接口，但大多数制造商至少都支持它。

为了增加 DMIS 不支持的测量任务，制造商们创造了自己独特的口味。

DMIS

如前所述，DMIS 是标准，但与 CNC 的 G 代码一样，它也有许多方言，包括：

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

MCOSMOS

MCOSTMOS 是尼康的 CMM 软件。

卡吕普索

Calypso是蔡司公司的CMM软件。

三坐标测量机和计算机辅助设计/计算机辅助制造软件

CMM软件和编程与CAD/CAM软件有何关系？

CAD 文件格式多种多样，因此请检查您的三坐标测量机 (CMM) 软件兼容哪些格式。最终的集成方式是基于模型的定义 (MBD)。借助 MBD，可以直接使用模型本身来提取 CMM 所需的尺寸。

MDB 是一种非常前沿的技术，因此目前尚未在大多数情况下得到应用。

三坐标测量机探头、夹具和配件

三坐标测量机探头

多种探头类型和形状可供选择，以满足各种不同的应用需求。

三坐标测量机夹具

与数控机床一样，使用夹具在三坐标测量机 (CMM) 上装卸零件时都能节省时间。您甚至可以选择配备自动托盘装载机的 CMM，以最大限度地提高生产效率。

三坐标测量机价格

新型坐标测量机的起价为 2 万至 3 万美元，最高可达 100 万美元以上。

机械加工车间中与三坐标测量机相关的工作

CMM 管理器

三坐标测量机编程员

三坐标测量机操作员