新闻——什么是坐标测量机？

一个坐标测量机三坐标测量机 (CMM) 是一种通过探针感应物体表面离散点来测量物体几何形状的设备。CMM 使用多种类型的探针，包括机械探针、光学探针、激光探针和白光探针。根据机器的不同，探针的位置可以由操作员手动控制，也可以由计算机控制。CMM 通常以探针在三维笛卡尔坐标系（即 XYZ 坐标系）中相对于参考位置的位移来表示其位置。除了沿 X、Y 和 Z 轴移动探针外，许多机器还允许控制探针角度，从而可以测量原本无法触及的表面。

典型的三维“桥式”三坐标测量机允许探针沿 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。每个轴上都有一个传感器，用于监测探针在该轴上的位置，通常精度可达微米级。当探针接触（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，从而测量物体表面上某一点的位置以及该点的三维矢量。如有必要，此过程会重复进行，每次都移动探针，以生成描述目标表面区域的“点云”。

三坐标测量机 (CMM) 的常见用途是在制造和装配过程中，用于测试零件或组件是否符合设计预期。在这些应用中，会生成点云，并通过回归算法分析这些点云以构建特征。这些点云的采集方式有两种：一种是使用探针，由操作员手动定位；另一种是通过直接计算机控制 (DCC) 自动定位。DCC 三坐标测量机可以编程来重复测量相同的零件；因此，自动化三坐标测量机是一种特殊的工业机器人。

部分

坐标测量机主要由三个部分组成：

其主要结构包含三个运动轴。多年来，用于制造移动框架的材料不断变化。早期的三坐标测量机 (CMM) 使用花岗岩和钢材。如今，所有主要的 CMM 制造商都采用铝合金或其衍生物制造框架，并使用陶瓷来提高 Z 轴的刚度，以满足扫描应用的需求。由于市场对更高计量动态性能的需求以及 CMM 在质量实验室之外安装的趋势日益增长，如今只有少数 CMM 制造商仍在生产花岗岩框架的 CMM。通常只有小批量 CMM 制造商以及中国和印度的国内制造商仍在生产花岗岩框架的 CMM，因为这种框架技术含量低，而且成为 CMM 框架制造商的门槛也较低。扫描应用的日益普及也要求 CMM 的 Z 轴具有更高的刚度，因此引入了陶瓷和碳化硅等新型材料。
探测系统
数据采集和处理系统——通常包括机器控制器、台式电脑和应用软件。

可用性

这些机器可以是独立式、手持式和便携式的。

准确性

坐标测量机的精度通常以不确定度因子表示，该因子是距离的函数。对于使用接触式测头的坐标测量机，该不确定度因子与测头的重复性和线性标尺的精度相关。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（十分之一英寸的一半）。对于 3 轴、3+2 轴和 5 轴坐标测量机，测头通常会使用可溯源的标准进行校准，并且使用量规验证机器的运动，以确保精度。

具体部件

机身

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年代开发，其研发的直接原因是军用产品中对精密零件进行测量的需求，尽管这台机器只有两个轴。第一批三轴型号于20世纪60年代开始出现（意大利的DEA公司），计算机控制技术于20世纪70年代初问世，但第一台真正投入使用的三坐标测量机是由英国墨尔本的布朗-夏普公司开发并销售的。（德国的莱茨公司随后生产了一种带有移动工作台的固定式机器结构。）

在现代三坐标测量机中，龙门式上部结构通常由两根支腿组成，称为桥架。它沿着花岗岩工作台自由移动，其中一根支腿（通常称为内腿）沿着固定在工作台一侧的导轨运动。另一根支腿（通常称为外腿）则直接放置在花岗岩工作台上，并沿着垂直表面轮廓移动。气浮轴承是确保无摩擦运动的首选方法。在气浮轴承中，压缩空气被强制通过平面轴承面上的一系列微小孔，形成一个平稳且可控的气垫，三坐标测量机可以在其上近乎无摩擦地移动，并通过软件进行补偿。桥架或龙门架沿花岗岩工作台的运动构成了XY平面的一个轴。龙门架的桥架包含一个滑架，该滑架在内腿和外腿之间移动，构成了另一个X轴或Y轴。第三个运动轴（Z轴）是通过增加一个垂直的主轴或套筒来实现的，该主轴或套筒在滑架中心上下移动。接触式测头构成位于主轴末端的传感装置。X、Y 和 Z 轴的运动完整地描述了测量范围。可选的旋转工作台可以增强测量测头接近复杂工件的能力。旋转工作台作为第四个驱动轴，虽然不会增加测量尺寸（测量范围仍然是三维的），但确实提供了一定的灵活性。一些接触式测头本身就是动力旋转装置，其测头尖端可以垂直旋转超过 180 度，并可进行完整的 360 度旋转。

坐标测量机 (CMM) 现在也衍生出多种其他形式。例如，机械臂式 CMM 利用测量臂关节处的角度测量值来计算测针尖端的位置，并且可以配备激光扫描和光学成像探头。与传统的固定式 CMM 相比，机械臂式 CMM 的便携性优势尤为突出——通过存储测量位置，编程软件还可以在测量过程中移动测量臂及其测量范围，使其围绕待测零件移动。由于机械臂式 CMM 能够模拟人臂的灵活性，因此它们通常能够触及标准三轴机床无法探测的复杂零件内部。

机械探针

在坐标测量（CMM）的早期，机械探针被安装在主轴末端的专用支架上。一种非常常见的探针是将一个硬球焊接在轴的末端制成的。这种探针非常适合测量各种平面、圆柱面或球面。其他探针则被研磨成特定形状，例如象限，以便测量特殊特征。这些探针通过物理接触的方式固定在工件上，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将数据记录到计算机中。由于机器是手动移动的，而且每个操作员对探针施加的压力大小不同，或者采用的测量技术也不同，因此这种接触式测量方法通常不太可靠。

进一步的发展是为每个轴增加电机驱动。操作人员不再需要直接接触机器，而是像操作现代遥控汽车一样，通过带有操纵杆的手控盒来控制每个轴。电子触碰式触发测头的发明极大地提高了测量精度。这种新型测头的先驱是戴维·麦克默特里（David McMurtry），他后来创立了如今的雷尼绍公司（Renishaw plc）。虽然仍然是接触式测量装置，但该测头配备了一个弹簧加载的钢球（后来改为红宝石球）触针。当测头接触到工件表面时，触针会发生偏转，同时将X、Y、Z坐标信息发送到计算机。由操作人员造成的测量误差大大减少，为数控（CNC）操作的引入和三坐标测量机（CMM）的成熟奠定了基础。

电动自动探头，带电子触碰触发探头

光学探针是透镜-CCD系统，其移动方式与机械探针类似，但无需接触材料，只需对准目标点即可。表面图像会被框定在测量窗口内，直至残留物足以区分黑白区域。分割曲线可以计算到一点，该点即为空间中所需的测量点。CCD上的水平信息为二维（XY）信息，垂直位置则为整个探针系统在支架Z轴驱动装置（或其他设备组件）上的位置。

扫描探针系统

新型三坐标测量机配备了可沿零件表面拖动并按指定间隔采集点的探针，称为扫描探针。这种三坐标测量机检测方法通常比传统的接触式探针检测方法更精确，而且大多数情况下速度也更快。

下一代扫描技术，即非接触式扫描，发展迅猛，其中包括高速激光单点三角测量、激光线扫描和白光扫描。该方法使用投射到零件表面的激光束或白光。由此可以采集数千个点，这些点不仅可以用于检测尺寸和位置，还可以创建零件的三维图像。这些“点云数据”可以传输到CAD软件中，从而创建零件的三维模型。这些光学扫描仪通常用于检测柔软或易损零件，或用于辅助逆向工程。

微米级探针

用于微尺度计量应用的探测系统是另一个新兴领域。目前市面上已有多种集成微探针的商用坐标测量机（CMM），政府实验室也配备了多种专用系统，此外还有许多大学自主研发的微尺度计量平台。尽管这些机器在纳米尺度上表现出色，甚至在许多情况下堪称卓越的计量平台，但它们的主要局限在于缺乏可靠、稳健且功能强大的微/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接触深而窄的特征，从而避免损坏表面，并达到高精度（纳米级）。^{[需要引用]}此外，微尺度探针容易受到环境条件（如湿度）和表面相互作用（如粘滞力，由粘附力、弯液面和/或范德华力等引起）的影响。^{[需要引用]}

实现微尺度探测的技术包括缩小版的传统三坐标测量机探针、光学探针和驻波探针等。然而，目前的光学技术无法缩小到足以测量深而窄的特征，而且光学分辨率受限于光的波长。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

可以使用光学探针和/或激光探针（如果可能，最好结合使用），这使得三坐标测量机 (CMM) 转变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被称为测量机，但测量结果相同：都是一个空间点。激光探针用于检测表面与运动链末端（例如：Z轴驱动部件的末端）参考点之间的距离。这可以通过干涉测量、焦点变化、光线偏转或光束阴影原理来实现。

便携式坐标测量机

传统的三坐标测量机使用在三个笛卡尔轴上移动的探针来测量物体的物理特性，而便携式三坐标测量机则使用铰接臂，或者，在光学三坐标测量机的情况下，使用无臂扫描系统，该系统使用光学三角测量方法，并能够围绕物体进行完全自由的移动。

便携式三坐标测量机（CMM）配备关节臂，通常有六轴或七轴，并采用旋转编码器而非线性轴。便携式关节臂重量轻（通常不到20磅），几乎可以随身携带并在任何地方使用。然而，光学三坐标测量机在行业中的应用日益广泛。光学三坐标测量机采用紧凑型线性或矩阵阵列相机（例如微软Kinect），体积比便携式关节臂三坐标测量机更小，无需布线，并且使用户能够轻松地对几乎任何位置的各种物体进行三维测量。

某些非重复性应用，例如逆向工程、快速原型制作以及各种尺寸零件的大规模检测，非常适合使用便携式三坐标测量机 (CMM)。便携式 CMM 的优势众多。用户可以灵活地对各种类型的零件进行三维测量，即使在最偏远或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 CMM 的成本通常低于传统 CMM。

便携式三坐标测量机的固有缺点是需要手动操作（始终需要人来操作）。此外，它们的整体精度可能略低于桥式三坐标测量机，并且不太适合某些应用。