三坐標測量機

概要

幾十年來(lái)，如果一家公司對測量精度要求很高，通常會(huì )使用三坐標測量機（CMM）。近年來(lái)，該領(lǐng)域出現了后起之秀，與CMM相比，優(yōu)勢明顯，例如方便隨身攜帶，使用簡(jiǎn)單，無(wú)需接觸掃描對象，測量速度提升10-50倍等等。

CMM優(yōu)勢

準確、穩定、耐用

CMM缺點(diǎn)

成本高、速度慢、學(xué)習時(shí)間久

替代方案：三維掃描儀

成本低、速度快、使用方便、無(wú)需接觸

簡(jiǎn)介

精確線(xiàn)性測量方式是社會(huì )數千年來(lái)的發(fā)展基礎。人體是最初的計量?jì)x，當時(shí)，人們利用指寬、足部、肘尺（從肘部到中指的距離）來(lái)度量。一路走來(lái)，我們在這方面已經(jīng)實(shí)現了質(zhì)的飛躍。

后來(lái)，我們發(fā)明了直尺、卡尺、卷尺。這些工具今天依然常見(jiàn)，在計量界仍占有一席之地。但之后，1950年代末至1960年代初，市場(chǎng)上出現了第一批三坐標測量機（CMM）。于是，1980年代初期，出現了帶測量臂的便攜式CMM機器。

隨著(zhù)時(shí)間的流逝，這項技術(shù)日趨完善，現代CMM機器成為久經(jīng)考驗的質(zhì)檢產(chǎn)品，受到全球成千上萬(wàn)用戶(hù)的青睞。

除了用于質(zhì)控，受控式和編程式CMM機器也已開(kāi)始應用于逆向工程、快速原型等各個(gè)領(lǐng)域。

三坐標測量機工作原理

CMM機器測量淬火鋼制蝸桿齒輪

以凸起的浮雕地圖為例。假設用手指感知一個(gè)物體，指尖滑過(guò)山脈的邊緣，穿過(guò)一道深谷，然后再爬升到高峰。手指移動(dòng)的同時(shí)，指尖的經(jīng)度（X）、緯度（Y）和高度（Z）坐標會(huì )邊移動(dòng)邊改變

要點(diǎn)

觸發(fā)式探頭記錄測量部件和物體表面的點(diǎn)。

CMM機器工作原理類(lèi)似。為進(jìn)一步說(shuō)明，我們將主要介紹帶接觸式觸發(fā)測頭的CMM機器，接觸式觸發(fā)測頭無(wú)疑是當今使用廣泛的CMM探頭。這類(lèi)高敏探頭記錄了被測零件或物體表面上的點(diǎn)。

CMM機器記錄探頭接觸的三個(gè)軸（XYZ）數據，并結合其他幾十到幾百個(gè)不等的XYZ測量值，對物體或零件進(jìn)行精確測量，通常用于質(zhì)檢。隨后，將這些測量值與參數規格進(jìn)行對比，檢查零件是否符合可接受的范圍。

三坐標測量機分類(lèi)

p>CMM機器的四種基本類(lèi)型包括：橋式、懸臂式、龍門(mén)式和水平臂式。其中，毫無(wú)疑問(wèn)，橋式CMM機器受歡迎，測量精度可達微米級。這類(lèi)測量機物美價(jià)廉，主要是因為制造成本較低。

一批工程機械零件

懸臂式CMM機器專(zhuān)為小型物體和零件而設計，更適合車(chē)間使用，其三側的開(kāi)放式通道更方便操作員。龍門(mén)式CMM機器也能達到和橋式CMM機器相當的精度，但更適合大型和重型零件。龍門(mén)式設備安裝在地上，需要堅實(shí)的基底。

水平臂CMM機器精度低，但檢驗較大物體和組件時(shí)卻有多項優(yōu)勢，尤其面對產(chǎn)量巨大的情況，就像在汽車(chē)、航運和鐵路行業(yè)中那樣。只要關(guān)鍵公差規格不超過(guò)CMM的參數性能，水平臂即為具成本效益的解決方案。

三坐標測量機探頭類(lèi)型

CMM機器探頭有各種類(lèi)型，包括觸發(fā)式探頭、位移測量探頭、接近探頭以及多傳感器探頭。

首先介紹觸摸觸發(fā)式探頭。為將坐標值傳回CMM機器處理器，必須讓探頭接觸被測物體的表面。位移測量探頭掃描零件或部件，探頭再將表面測量數據傳輸到CMM機器。

接近探頭的操作方式與位移測量探針類(lèi)似，兩者都不需要探頭直接接觸物體。接近探針的不同之處在于，它們使用的是激光或視頻技術(shù)，而不是位移測量探頭使用的光電傳感器

CMM技術(shù)人員與機器人捕獲汽車(chē)部件

三坐標測量機的優(yōu)勢

在任何一本計量學(xué)期刊上翻幾頁(yè)，就能了解到CMM機器能為各種幾何進(jìn)行亞毫米級精度的測量。此外，先進(jìn)的CMM機器能運行多年。投資這項設備，預計可以使用十年或更久

要點(diǎn)

面對各類(lèi)幾何，CMM機器都能實(shí)現亞毫米級精準度，效果令人驚嘆

無(wú)論生產(chǎn)前、生產(chǎn)中還是檢查，CMM機器都是檢查零件和組件的有效解決方案。CMM機器應用于成熟的質(zhì)檢工藝，憑借其穩定的性能，測量值精確到亞毫米級，可以節省時(shí)間和金錢(qián)，還能避免訴訟和其他問(wèn)題。

劣勢

成本、安裝、編程

高品質(zhì)CMM機器功能和性能不同，價(jià)格從50000美元到250000美元不等，也有可能更高。即使考慮十年買(mǎi)一次，這仍然是筆不小的開(kāi)支。安裝也是不得不考慮的另一項成本。CMM機器需要安裝在減振板上，房間通風(fēng)良好，并且有穩定的壓縮空氣。

CMM機檢查發(fā)動(dòng)機缸體

CMM機檢查發(fā)動(dòng)機缸體

一旦設備就位，除了首次校準外，還需要合格的操作員對機器進(jìn)行編程，方便定期測量相關(guān)零部件。一次性檢查異常組件會(huì )很耗時(shí)，通常需要提前進(jìn)行特殊編程。

要點(diǎn)

航空航天、汽車(chē)、甚至考古領(lǐng)域的大型物體，都需要大量時(shí)間才能順利測量。

CMM機器要求正確擺放零件，并在測量前固定在合適的位置，因此操作員需要考慮到測量每個(gè)對象時(shí)的額外時(shí)間。同時(shí)，大型物體，例如航空航天、汽車(chē)、考古領(lǐng)域的常見(jiàn)物體，都需要花費大量時(shí)間，才能完成測量，操作員就很容易發(fā)生疲勞。

測量緩慢，操作疲勞，破損風(fēng)險

舉個(gè)例子，海洋考古學(xué)家試圖使用CMM機器（Faro Arm）精確測量維京時(shí)代一艘船上的8米長(cháng)船木。每種木材都需要使用CMM機器測量?jì)蓚€(gè)多小時(shí)。面對228塊木材，這個(gè)4人團隊得花一年多的時(shí)間才能用CMM機器完成所有工作。

海洋考古學(xué)家用Artec Eva捕獲了古老的木船木材

由于任務(wù)期限迫在眉睫，考古人員轉而采用三維掃描。和CMM機器不同，他們選擇的手持式三維掃描儀短短一個(gè)月就捕獲并處理了228塊木材，分辨率高，色彩鮮艷 。只需5-10分鐘即可捕獲每塊木材。掃描細節豐富，足以進(jìn)行樹(shù)木年代學(xué)分析，可確定古木發(fā)源地。

除了測量非常耗時(shí)外，如果使用帶常見(jiàn)探頭的CMM機器檢查零件，還必須要讓探頭接觸測量的各個(gè)表面。這可能會(huì )帶來(lái)一些麻煩，尤其是遇到零件有些部分被阻擋，或難以觸及。導致無(wú)法測量，不得不利用軟件重新制作。毫無(wú)疑問(wèn)，準確度一定會(huì )有所影響。

CMM機器測量汽車(chē)部件尺寸

CMM機器對物理接觸的要求，導致設備無(wú)法在許多場(chǎng)景中應用。接觸橡膠或柔軟的零件時(shí)，測量探頭會(huì )讓零件變形，造成測量不精確，而且CMM探頭經(jīng)常會(huì )損壞多種材料。劃痕、刮擦和其他表面缺陷易出現

因此，非接觸式測量方法（如三維掃描）成為逆向工程和考古學(xué)、質(zhì)量控制和文物修復、法醫鑒定等領(lǐng)域中廣受歡迎的測量解決方案。世界各地的專(zhuān)家都明白，如果貴重物品或關(guān)鍵證據受到威脅，就必須避免發(fā)生不可挽回的損失。

三維掃描，異軍突起

如上所述，即便面對苛刻的質(zhì)保、檢驗或逆向工程項目，專(zhuān)業(yè)手持式和桌面式三維掃描儀也是一項高效的解決方案。在生產(chǎn)工作流的任何階段，無(wú)論是工廠(chǎng)車(chē)間還是裝卸場(chǎng)，只要幾分鐘，掃描儀就能采用亞毫米級3D模式完成測量，而不能移動(dòng)的CMM機器可能需要一個(gè)多小時(shí)。

高速、簡(jiǎn)易、便攜

一個(gè)真實(shí)的案例——大英博物館。當時(shí)，一個(gè)兩人團隊接到任務(wù)，需要在短短幾周內捕獲400多個(gè)易碎的19世紀古代瑪雅人紀念碑石膏模型?？紤]到受損風(fēng)險，物理接觸測量法被直接排除，這個(gè)方法還耗時(shí)嚴重。精確度高達亞毫米，這點(diǎn)至關(guān)重要，研究人員和博物館工作人員都迫不及待想見(jiàn)到逼真的虛擬模型和3D打印模型。

要點(diǎn)

專(zhuān)業(yè)三維掃描儀操作簡(jiǎn)單，是一項快速高效的解決方案，甚至還能勝任質(zhì)保、質(zhì)檢、逆向工程中要求高的任務(wù)。

每個(gè)中大型石膏模型都在10分鐘內完成掃描。所有表面（包括較深的、難以接近的雕刻和曲邊）都被精心捕獲，呈現高分辨率彩色3D效果。即便CMM機器對展品安全，掃描每塊石膏模型的時(shí)間也將遠遠超過(guò)1個(gè)小時(shí)，這項緊急項目的完成時(shí)間也不得不推后數月。

Artec Eva在大英博物館為瑪雅石雕鑄件進(jìn)行三維掃描

優(yōu)秀的三維掃描儀方便操作，只要一兩個(gè)小時(shí)的培訓，即便是初學(xué)者也能熟練掌握3D技術(shù)。也就是說(shuō)，無(wú)需增派人員，就能學(xué)會(huì )借助這項技術(shù)，進(jìn)行高品質(zhì)質(zhì)檢工作。

價(jià)格親民，軟件簡(jiǎn)單，不傷物體表面的數據捕獲模式

和CMM機器不同，三維掃描儀不涉及安裝費用，培訓費用通常包含在設備費中，價(jià)格比CMM機器便宜了很多。高品質(zhì)掃描儀輕量便攜，既能在辦公室使用，也方便帶去不同客戶(hù)所在地，經(jīng)久耐用。

若您選購的掃描儀供應商定期更新掃描軟件，還能讓精準度精益求精，多年過(guò)后，掃描儀的表現也會(huì )越發(fā)優(yōu)異。

使用同一臺Artec Eva掃描儀制作的金屬零件3D模型。升級至帶有HD功能的Artec Studio，可大幅提升掃描效果。

如需捕獲的數據清晰明確，特別是于質(zhì)檢目的，那么所選的專(zhuān)業(yè)三維掃描儀需要搭配方便使用的掃描處理軟件，并帶有直觀(guān)視覺(jué)效果，如表面距離映射。此外，能兼容功能齊全的檢驗包（如Geomagic Control X），也是個(gè)不小的優(yōu)勢。

100%非接觸式掃描也意味著(zhù)掃描對象零損傷風(fēng)險。比如公差嚴格的有機硅航空零件、有著(zhù)千年歷史的化石、犯罪現場(chǎng)的重要證據、價(jià)值連城的博物館藏品等，都有這樣的要求。保險公司、質(zhì)檢人員和博物館工作人員也能松口氣，過(guò)去，接觸式測量導致物品損壞，他們還得想辦法處理。

Artec Eva在肯尼亞捕獲古老的鱷魚(yú)化石

入市更快，應用更廣，自動(dòng)化

近年來(lái)，便攜式三維掃描解決方案已在各類(lèi)制造領(lǐng)域找到立足之地。有了這項技術(shù)，管理人員有能力在生產(chǎn)初期就實(shí)現嚴格標準。如此便可把設計制造測試周期的次數降至很低，從而節省大量時(shí)間和金錢(qián)，同時(shí)降低客戶(hù)拒絕率，避免可能的訴訟。

手持式和桌面式三維掃描儀高度靈活，捕獲速度快，也可以跨部門(mén)共享設備。一旦認識到這臺掃描儀不僅能用于高精度質(zhì)檢，還能用于逆向工程、VR/AR培訓、快速原型等，提高這項技術(shù)的投資回報率。

不斷發(fā)展的人工智能和三維掃描技術(shù)將自動(dòng)三維掃描解決方案推向了前沿?，F在幾乎不需要人工介入，就能反復利用掃描路徑，捕獲相似的復雜物體和零件，以高精度實(shí)現快速、完整的表面捕獲。就質(zhì)檢而言，無(wú)論是生產(chǎn)前還是生產(chǎn)后，專(zhuān)業(yè)的桌面式和機械臂三維掃描解決方案都能精確察覺(jué)質(zhì)量變化和缺陷，有助于縮短周期時(shí)間，讓工作流更順暢、更精簡(jiǎn)，物料成本更低，退貨更少，質(zhì)量標準更高。

結論

Artec Leo：亞毫米級無(wú)線(xiàn)式三維掃描儀，速度快， 支持自動(dòng)機載處理

不可否認，CMM機器是適合當今計量工作流的有效解決方案。但是，在購買(mǎi)前，也建議認真考慮其他測量技術(shù)。如上所述，對于許多企業(yè)和機構而言，現代手持式和桌面式三維掃描解決方案比CMM更具優(yōu)勢。

要點(diǎn)

對許多企業(yè)和結構而言，相比于CMM機器，現代化手持式與桌面式三維掃描解決方案更具優(yōu)勢。

親自對比是好的方式。首先，根據您的項目需求，找到與專(zhuān)業(yè)三維掃描解決方案（手持式或桌面式）表現相當的CMM設備，安排演示。事先草擬需求清單。每次演示后，記下每種解決方案的價(jià)格，不要忘記考慮操作人員的人力成本，以及公司其他部門(mén)是否同樣具備設備需求。

總而言之，任何人都能借助專(zhuān)業(yè)手持式與桌面式三維掃描解決方案，享受便攜的亞毫米級精度數字捕獲效果，無(wú)論是否經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)培訓，而同時(shí)，掃描儀的購置和維護成本卻遠遠低于CMM機器。