三坐標測量機

概要

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

CMM優勢

準確、穩定、耐用

CMM缺點

成本高、速度慢、學習時間久

替代方案：三維掃描儀

成本低、速度快、使用方便、無需接觸

簡介

精確線性測量方式是社會數千年來的發展基礎。人體是最初的計量儀，當時，人們利用指寬、足部、肘尺（從肘部到中指的距離）來度量。一路走來，我們在這方面已經實現了質的飛躍。

后來，我們發明了直尺、卡尺、卷尺。這些工具今天依然常見，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。

隨著時間的流逝，這項技術日趨完善，現代CMM機器成為久經考驗的質檢產品，受到全球成千上萬用戶的青睞。

除了用于質控，受控式和編程式CMM機器也已開始應用于逆向工程、快速原型等各個領域。

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物體，指尖滑過山脈的邊緣，穿過一道深谷，然后再爬升到高峰。手指移動的同時，指尖的經度（X）、緯度（Y）和高度（Z）坐標會邊移動邊改變

要點

觸發式探頭記錄測量部件和物體表面的點。

CMM機器工作原理類似。為進一步說明，我們將主要介紹帶接觸式觸發測頭的CMM機器，接觸式觸發測頭無疑是當今使用廣泛的CMM探頭。這類高敏探頭記錄了被測零件或物體表面上的點。

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

三坐標測量機分類

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

一批工程機械零件

懸臂式CMM機器專為小型物體和零件而設計，更適合車間使用，其三側的開放式通道更方便操作員。龍門式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。龍門式設備安裝在地上，需要堅實的基底。

水平臂CMM機器精度低，但檢驗較大物體和組件時卻有多項優勢，尤其面對產量巨大的情況，就像在汽車、航運和鐵路行業中那樣。只要關鍵公差規格不超過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型

CMM機器探頭有各種類型，包括觸發式探頭、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，而不是位移測量探頭使用的光電傳感器

CMM技術人員與機器人捕獲汽車部件

三坐標測量機的優勢

在任何一本計量學期刊上翻幾頁，就能了解到CMM機器能為各種幾何進行亞毫米級精度的測量。此外，先進的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

面對各類幾何，CMM機器都能實現亞毫米級精準度，效果令人驚嘆

無論生產前、生產中還是檢查，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，可以節省時間和金錢，還能避免訴訟和其他問題。

劣勢

成本、安裝、編程

高品質CMM機器功能和性能不同，價格從50000美元到250000美元不等，也有可能更高。即使考慮十年買一次，這仍然是筆不小的開支。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，房間通風良好，并且有穩定的壓縮空氣。

CMM機檢查發動機缸體

CMM機檢查發動機缸體

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行編程，方便定期測量相關零部件。一次性檢查異常組件會很耗時，通常需要提前進行特殊編程。

要點

航空航天、汽車、甚至考古領域的大型物體，都需要大量時間才能順利測量。

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對象時的額外時間。同時，大型物體，例如航空航天、汽車、考古領域的常見物體，都需要花費大量時間，才能完成測量，操作員就很容易發生疲勞。

測量緩慢，操作疲勞，破損風險

舉個例子，海洋考古學家試圖使用CMM機器（Faro Arm）精確測量維京時代一艘船上的8米長船木。每種木材都需要使用CMM機器測量兩個多小時。面對228塊木材，這個4人團隊得花一年多的時間才能用CMM機器完成所有工作。

海洋考古學家用Artec Eva捕獲了古老的木船木材

由于任務期限迫在眉睫，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，足以進行樹木年代學分析，可確定古木發源地。

除了測量非常耗時外，如果使用帶常見探頭的CMM機器檢查零件，還必須要讓探頭接觸測量的各個表面。這可能會帶來一些麻煩，尤其是遇到零件有些部分被阻擋，或難以觸及。導致無法測量，不得不利用軟件重新制作。毫無疑問，準確度一定會有所影響。

CMM機器測量汽車部件尺寸

CMM機器對物理接觸的要求，導致設備無法在許多場景中應用。接觸橡膠或柔軟的零件時，測量探頭會讓零件變形，造成測量不精確，而且CMM探頭經常會損壞多種材料。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、質量控制和文物修復、法醫鑒定等領域中廣受歡迎的測量解決方案。世界各地的專家都明白，如果貴重物品或關鍵證據受到威脅，就必須避免發生不可挽回的損失。

三維掃描，異軍突起

如上所述，即便面對苛刻的質保、檢驗或逆向工程項目，專業手持式和桌面式三維掃描儀也是一項高效的解決方案。在生產工作流的任何階段，無論是工廠車間還是裝卸場，只要幾分鐘，掃描儀就能采用亞毫米級3D模式完成測量，而不能移動的CMM機器可能需要一個多小時。

高速、簡易、便攜

一個真實的案例——大英博物館。當時，一個兩人團隊接到任務，需要在短短幾周內捕獲400多個易碎的19世紀古代瑪雅人紀念碑石膏模型?？紤]到受損風險，物理接觸測量法被直接排除，這個方法還耗時嚴重。精確度高達亞毫米，這點至關重要，研究人員和博物館工作人員都迫不及待想見到逼真的虛擬模型和3D打印模型。

要點

專業三維掃描儀操作簡單，是一項快速高效的解決方案，甚至還能勝任質保、質檢、逆向工程中要求高的任務。

每個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間也將遠遠超過1個小時，這項緊急項目的完成時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行三維掃描

優秀的三維掃描儀方便操作，只要一兩個小時的培訓，即便是初學者也能熟練掌握3D技術。也就是說，無需增派人員，就能學會借助這項技術，進行高品質質檢工作。

價格親民，軟件簡單，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，價格比CMM機器便宜了很多。高品質掃描儀輕量便攜，既能在辦公室使用，也方便帶去不同客戶所在地，經久耐用。

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，多年過后，掃描儀的表現也會越發優異。

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，特別是于質檢目的，那么所選的專業三維掃描儀需要搭配方便使用的掃描處理軟件，并帶有直觀視覺效果，如表面距離映射。此外，能兼容功能齊全的檢驗包（如Geomagic Control X），也是個不小的優勢。

100%非接觸式掃描也意味著掃描對象零損傷風險。比如公差嚴格的有機硅航空零件、有著千年歷史的化石、犯罪現場的重要證據、價值連城的博物館藏品等，都有這樣的要求。保險公司、質檢人員和博物館工作人員也能松口氣，過去，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化石

入市更快，應用更廣，自動化

近年來，便攜式三維掃描解決方案已在各類制造領域找到立足之地。有了這項技術，管理人員有能力在生產初期就實現嚴格標準。如此便可把設計制造測試周期的次數降至很低，從而節省大量時間和金錢，同時降低客戶拒絕率，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，也可以跨部門共享設備。一旦認識到這臺掃描儀不僅能用于高精度質檢，還能用于逆向工程、VR/AR培訓、快速原型等，提高這項技術的投資回報率。

不斷發展的人工智能和三維掃描技術將自動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，以高精度實現快速、完整的表面捕獲。就質檢而言，無論是生產前還是生產后，專業的桌面式和機械臂三維掃描解決方案都能精確察覺質量變化和缺陷，有助于縮短周期時間，讓工作流更順暢、更精簡，物料成本更低，退貨更少，質量標準更高。

結論

Artec Leo：亞毫米級無線式三維掃描儀，速度快， 支持自動機載處理

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，在購買前，也建議認真考慮其他測量技術。如上所述，對于許多企業和機構而言，現代手持式和桌面式三維掃描解決方案比CMM更具優勢。

要點

對許多企業和結構而言，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勢。

親自對比是好的方式。首先，根據您的項目需求，找到與專業三維掃描解決方案（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格，不要忘記考慮操作人員的人力成本，以及公司其他部門是否同樣具備設備需求。

總而言之，任何人都能借助專業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，無論是否經過專業培訓，而同時，掃描儀的購置和維護成本卻遠遠低于CMM機器。