三坐標測量儀的原理及應用

摘要

三坐標作為一種精密的測量儀器，可以用來測量幾何形狀、長度及圓度分度等，下面主要針對三坐標的應用進行講解。

什么是三坐標測量儀？

三坐標測量儀(Coordinate Measuring Machine, CMM) 是指在一個六面體的空間范圍內，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次元。

三坐標測量儀測量原理

三坐標測量儀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，并把復雜的測量任務所需時間從小時減到分鐘。三坐標測量儀的功能是快速準確地評價尺寸數據，為操作者提供關于生產過程狀況的有用信息，這與所有的手動測量設備有很大的區別。將被測物體置于三坐標測量空間，可獲得被測物體上各測點的坐標位置，根據這些點的空間坐標值，經計算求出被測物體的幾何尺寸，形狀和位置。

三坐標測量儀的應用

主要用于機械、汽車、航空、軍工、家具、工具原型、機器等中小型配件、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，還可用于電子、五金、塑膠等行業中，可以對工件的尺寸、形狀和形位公差進行精密檢測，從而完成零件檢測、外形測量、過程控制等任務。

制造業中的質量目標在于將零件的生產與設計要求保持一致。但是，保持生產過程的一致性要求對制造流程進行控制。建立和保持制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。

三坐標測量儀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，并把復雜的測量任務所需時間從小時減到分鐘，并快速準確地評價尺寸數據，為操作者提供關于生產過程狀況的有用信息。

1、三坐標測量儀在模具行業中的應用

三坐標測量儀在模具行業中的應用相當廣泛，它是一種設計開發、檢測、統計分析的現代化的智能工具，更是模具產品無與倫比的質量技術保障的有效工具。當今主要使用的三坐標測量儀有橋式測量機、龍門式測量機、水平臂式測量機和便攜式測量機。測量方式大致可分為接觸式與非接觸式兩種，目前Metris LK的測量機在兩項技術上位居世界前列。

模具的型芯型腔與導柱導套的匹配如果出現偏差，可以通過三坐標測量儀找出偏差值以便糾正。在模具的型芯型腔輪廓加工成型后，很多鑲件和局部的曲面要通過電極在電脈沖上加工成形，從而電極加工的質量和非標準的曲面質量成為模具質量的關鍵。因此，用三坐標測量儀測量電極的形狀必不可少。 三坐標測量儀可以應用3D數模的輸入，將成品模具與數模上的定位、尺寸、相關的形位公差、曲線、曲面進行測量比較，輸出圖形化報告，直觀清晰的反映模具質量，從而形成完整的模具成品檢測報告。 在某些模具使用了一段時間出現磨損要進行修正，但又無原始設計數據(即數模)的情況下，可以用截面法采集點云，用規定格式輸出，探針半徑補償后造型，從而達到完好如初的修復效果。

當一些曲面輪廓既非圓弧，又非拋物線，而是一些不規則的曲面時，可用油泥或石膏手工做出曲面作為底胚。然后用三坐標測量儀測出各個截面上的截線、特征線和分型線，用規定格式輸出，探針半徑補償后造型，在造型過程中圓滑曲線，從而設計制造出全新的模具。

三坐標測量儀以其高精度高柔性以及優異的數字化能力，成為現代制造業尤其是模具工業設計、開發、加工制造和質量保證的重要手段。我側重談一下測量機對于模具工業的兩個重要作用。

第一、測量機能夠為模具工業提供質量保證，是模具制造企業測量和檢測的最好選擇。測量機在處理不同工作方面的靈活性以及自身的高精度，使其成為一個仲裁者。在為過程控制提供尺寸數據的同時，測量機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。高度柔性的三坐標測量儀可以配置在車間環境，并直接參與到模具加工、裝配、試模、修模的各個階段，提供必要的檢測反饋，減少返工的次數并縮短模具開發周期，從而最終降低模具的制造成本并將生產納入控制。

第二、測量機具備強大的逆向工程能力，是一個理想的數字化工具。通過不同類型測頭和不同結構形式測量機的組合，能夠快速、精確的獲取工件表面的三維數據和幾何特征，這對于模具的設計、樣品的復制、損壞模具的修復特別有用。此外，測量機還可以配備接觸式和非接觸式掃描測頭，并利用PC-DMIS測量軟件提供的強大的掃描功能，完成具備自由曲面形狀特征的復雜工件CAD模型的復制。無需經過任何轉換，可以被各種CAD軟件直接識別和編程，從而大大提高了模具設計的效率。

具體來說，在模具制造企業中應用測量機完成設計和檢測任務時，要密切關注測量基準的選擇、測頭的標定和選擇、測點數及測量位置的規劃、坐標系的建立、環境的影響、局部幾何特征的影響、CNC控制參數等多方面的因素。這當中的每一個因素，都足以影響測量結果的精確和效率。

2、三坐標測量儀在汽車行業的應用

坐標測量機是通過測頭系統與工件的相對移動，探測工件表面點三維坐標的測量系統。通過將被測物體置于三坐標測量儀的測量空間，利用接觸或非接觸探測系統獲得被測物體上各測點的坐標位置，根據這些點的空間坐標值，由軟件進行數學運算，求出待測的幾何尺寸和形狀、位置。因此，坐標測量機具備高精度、高效率和萬能性的特點，是完成各種汽車零部件幾何量測量與品質控制的理想解決方案。 

汽車零部件具有品質要求高、批量大、形狀各異的特點。根據不同的零部件測量類型，主要分為箱體、復雜形狀和曲線曲面三類，每一類相對測量系統的配置是不盡相同的，需要從測量系統的主機、探測系統和軟件方面進行相互的配套與選擇。

3、三坐標測量儀在發動機制造中的應用 

在現代制造業中，高精度的綜合測量機越來越多的應用于生產過程中，使產品質量的目標和關鍵漸漸由最終檢驗轉化為對制造流程進行控制，通過信息反饋對加工設備的參數進行及時的調整，從而保證產品質量和穩定生產過程，提高生產效率。

發動機是由許多各種形狀的零部件組成，這些零部件的制造質量直接關系到發動機的性能和壽命。因此，需要在這些零部件生產中進行非常精密的檢測，以保證產品的精度及公差配合。在現代制造業中，高精度的綜合測量機越來越多的應用于生產過程中，使產品質量的目標和關鍵漸漸由最終檢驗轉化為對制造流程進行控制，通過信息反饋對加工設備的參數進行及時的調整，從而保證產品質量和穩定生產過程，提高生產效率。

在傳統測量方法選擇上，人們主要依靠兩種測量手段完成對箱體類工件和復雜幾何形狀工件的測量，即：通過三坐標測量儀執行箱體類工件的檢測；通過專用測量設備，例如專用齒輪檢測儀、專用凸輪檢測設備等完成具有復雜幾何形狀工件的測量。因此對于從事生產復雜幾何形狀工件的企業來說，完成上述產品的質量控制企業不僅需要配置通用測量設備，例如三坐標測量儀，通用標準量具、量儀，同時還需要配置專用檢測設備，例如各種尺寸類型的齒輪專用檢測儀器，凸輪檢測儀器等。這樣往往導致企業的計量部門需要配置多類型的計量設備和從事計量操作的專業檢測人員，計量設備使用率較低，同時企業負擔較高的計量人員的培訓費用和計量設備使用和維護費用；企業無法實現柔性、通用計量檢測。因此，降低企業的測量成本，計量人員的培訓費用，測量設備的使用和維修費用，達到提高測量檢測效率的目的，使企業具備生產過程的實時質量控制能力，這將關系到企業在市場活動中的應變能力，對幫助企業建立并維護良好的市場信譽，具有重要的決定作用。