三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)
概要
幾十年來，如果一家公司對(duì)測(cè)量精度要求很高，通常會(huì)使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）。近年來，該領(lǐng)域出現(xiàn)了后起之秀，與CMM相比，優(yōu)勢(shì)明顯，例如方便隨身攜帶，使用簡(jiǎn)單，無需接觸掃描對(duì)象，測(cè)量速度提升10-50倍等等。
CMM優(yōu)勢(shì)
準(zhǔn)確、穩(wěn)定、耐用
CMM缺點(diǎn)
成本高、速度慢、學(xué)習(xí)時(shí)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(jiǎn)介
精確線性測(cè)量方式是社會(huì)數(shù)千年來的發(fā)展基礎(chǔ)。人體是最初的計(jì)量?jī)x，當(dāng)時(shí)，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?cè)谶@方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。
后來，我們發(fā)明了直尺、卡尺、卷尺。這些工具今天依然常見，在計(jì)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(xiàn)了第一批三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）。于是，1980年代初期，出現(xiàn)了帶測(cè)量臂的便攜式CMM機(jī)器。
隨著時(shí)間的流逝，這項(xiàng)技術(shù)日趨完善，現(xiàn)代CMM機(jī)器成為久經(jīng)考驗(yàn)的質(zhì)檢產(chǎn)品，受到全球成千上萬用戶的青睞。
除了用于質(zhì)控，受控式和編程式CMM機(jī)器也已開始應(yīng)用于逆向工程、快速原型等各個(gè)領(lǐng)域。
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)工作原理
CMM機(jī)器測(cè)量淬火鋼制蝸桿齒輪
以凸起的浮雕地圖為例。假設(shè)用手指感知一個(gè)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(dòng)的同時(shí)，指尖的經(jīng)度（X）、緯度（Y）和高度（Z）坐標(biāo)會(huì)邊移動(dòng)邊改變
要點(diǎn)
觸發(fā)式探頭記錄測(cè)量部件和物體表面的點(diǎn)。
CMM機(jī)器工作原理類似。為進(jìn)一步說明，我們將主要介紹帶接觸式觸發(fā)測(cè)頭的CMM機(jī)器，接觸式觸發(fā)測(cè)頭無疑是當(dāng)今使用廣泛的CMM探頭。這類高敏探頭記錄了被測(cè)零件或物體表面上的點(diǎn)。
CMM機(jī)器記錄探頭接觸的三個(gè)軸（XYZ）數(shù)據(jù)，并結(jié)合其他幾十到幾百個(gè)不等的XYZ測(cè)量值，對(duì)物體或零件進(jìn)行精確測(cè)量，通常用于質(zhì)檢。隨后，將這些測(cè)量值與參數(shù)規(guī)格進(jìn)行對(duì)比，檢查零件是否符合可接受的范圍。
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)分類
p>CMM機(jī)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(jī)器受歡迎，測(cè)量精度可達(dá)微米級(jí)。這類測(cè)量機(jī)物美價(jià)廉，主要是因?yàn)橹圃斐杀据^低。
一批工程機(jī)械零件
懸臂式CMM機(jī)器專為小型物體和零件而設(shè)計(jì)，更適合車間使用，其三側(cè)的開放式通道更方便操作員。龍門式CMM機(jī)器也能達(dá)到和橋式CMM機(jī)器相當(dāng)?shù)木?，但更適合大型和重型零件。龍門式設(shè)備安裝在地上，需要堅(jiān)實(shí)的基底。
水平臂CMM機(jī)器精度低，但檢驗(yàn)較大物體和組件時(shí)卻有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，尤其面對(duì)產(chǎn)量巨大的情況，就像在汽車、航運(yùn)和鐵路行業(yè)中那樣。只要關(guān)鍵公差規(guī)格不超過CMM的參數(shù)性能，水平臂即為具成本效益的解決方案。
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)探頭類型
CMM機(jī)器探頭有各種類型，包括觸發(fā)式探頭、位移測(cè)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(biāo)值傳回CMM機(jī)器處理器，必須讓探頭接觸被測(cè)物體的表面。位移測(cè)量探頭掃描零件或部件，探頭再將表面測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺MM機(jī)器。
接近探頭的操作方式與位移測(cè)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(shù)，而不是位移測(cè)量探頭使用的光電傳感器
CMM技術(shù)人員與機(jī)器人捕獲汽車部件
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的優(yōu)勢(shì)
在任何一本計(jì)量學(xué)期刊上翻幾頁，就能了解到CMM機(jī)器能為各種幾何進(jìn)行亞毫米級(jí)精度的測(cè)量。此外，先進(jìn)的CMM機(jī)器能運(yùn)行多年。投資這項(xiàng)設(shè)備，預(yù)計(jì)可以使用十年或更久
要點(diǎn)
面對(duì)各類幾何，CMM機(jī)器都能實(shí)現(xiàn)亞毫米級(jí)精準(zhǔn)度，效果令人驚嘆
無論生產(chǎn)前、生產(chǎn)中還是檢查，CMM機(jī)器都是檢查零件和組件的有效解決方案。CMM機(jī)器應(yīng)用于成熟的質(zhì)檢工藝，憑借其穩(wěn)定的性能，測(cè)量值精確到亞毫米級(jí)，可以節(jié)省時(shí)間和金錢，還能避免訴訟和其他問題。
劣勢(shì)
成本、安裝、編程
高品質(zhì)CMM機(jī)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(xiàng)成本。CMM機(jī)器需要安裝在減振板上，房間通風(fēng)良好，并且有穩(wěn)定的壓縮空氣。
CMM機(jī)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)缸體
CMM機(jī)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)缸體
一旦設(shè)備就位，除了首次校準(zhǔn)外，還需要合格的操作員對(duì)機(jī)器進(jìn)行編程，方便定期測(cè)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、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(cè)量。
CMM機(jī)器要求正確擺放零件，并在測(cè)量前固定在合適的位置，因此操作員需要考慮到測(cè)量每個(gè)對(duì)象時(shí)的額外時(shí)間。同時(shí)，大型物體，例如航空航天、汽車、考古領(lǐng)域的常見物體，都需要花費(fèi)大量時(shí)間，才能完成測(cè)量，操作員就很容易發(fā)生疲勞。
測(cè)量緩慢，操作疲勞，破損風(fēng)險(xiǎn)
舉個(gè)例子，海洋考古學(xué)家試圖使用CMM機(jī)器（Faro Arm）精確測(cè)量維京時(shí)代一艘船上的8米長(zhǎng)船木。每種木材都需要使用CMM機(jī)器測(cè)量?jī)蓚€(gè)多小時(shí)。面對(duì)228塊木材，這個(gè)4人團(tuán)隊(duì)得花一年多的時(shí)間才能用CMM機(jī)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(zhuǎn)而采用三維掃描。和CMM機(jī)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(xì)節(jié)豐富，足以進(jìn)行樹木年代學(xué)分析，可確定古木發(fā)源地。
除了測(cè)量非常耗時(shí)外，如果使用帶常見探頭的CMM機(jī)器檢查零件，還必須要讓探頭接觸測(cè)量的各個(gè)表面。這可能會(huì)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(dǎo)致無法測(cè)量，不得不利用軟件重新制作。毫無疑問，準(zhǔn)確度一定會(huì)有所影響。
CMM機(jī)器測(cè)量汽車部件尺寸
CMM機(jī)器對(duì)物理接觸的要求，導(dǎo)致設(shè)備無法在許多場(chǎng)景中應(yīng)用。接觸橡膠或柔軟的零件時(shí)，測(cè)量探頭會(huì)讓零件變形，造成測(cè)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(xiàn)
因此，非接觸式測(cè)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(fù)、法醫(yī)鑒定等領(lǐng)域中廣受歡迎的測(cè)量解決方案。世界各地的專家都明白，如果貴重物品或關(guān)鍵證據(jù)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(duì)苛刻的質(zhì)保、檢驗(yàn)或逆向工程項(xiàng)目，專業(yè)手持式和桌面式三維掃描儀也是一項(xiàng)高效的解決方案。在生產(chǎn)工作流的任何階段，無論是工廠車間還是裝卸場(chǎng)，只要幾分鐘，掃描儀就能采用亞毫米級(jí)3D模式完成測(cè)量，而不能移動(dòng)的CMM機(jī)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(dāng)時(shí)，一個(gè)兩人團(tuán)隊(duì)接到任務(wù)，需要在短短幾周內(nèi)捕獲400多個(gè)易碎的19世紀(jì)古代瑪雅人紀(jì)念碑石膏模型。考慮到受損風(fēng)險(xiǎn)，物理接觸測(cè)量法被直接排除，這個(gè)方法還耗時(shí)嚴(yán)重。精確度高達(dá)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到逼真的虛擬模型和3D打印模型。
要點(diǎn)
專業(yè)三維掃描儀操作簡(jiǎn)單，是一項(xiàng)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(nèi)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(xiàn)高分辨率彩色3D效果。即便CMM機(jī)器對(duì)展品安全，掃描每塊石膏模型的時(shí)間也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1個(gè)小時(shí)，這項(xiàng)緊急項(xiàng)目的完成時(shí)間也不得不推后數(shù)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(xùn)，即便是初學(xué)者也能熟練掌握3D技術(shù)。也就是說，無需增派人員，就能學(xué)會(huì)借助這項(xiàng)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(shù)據(jù)捕獲模式
和CMM機(jī)器不同，三維掃描儀不涉及安裝費(fèi)用，培訓(xùn)費(fèi)用通常包含在設(shè)備費(fèi)中，價(jià)格比CMM機(jī)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所在地，經(jīng)久耐用。
若您選購的掃描儀供應(yīng)商定期更新掃描軟件，還能讓精準(zhǔn)度精益求精，多年過后，掃描儀的表現(xiàn)也會(huì)越發(fā)優(yōu)異。
使用同一臺(tái)Artec Eva掃描儀制作的金屬零件3D模型。升級(jí)至帶有HD功能的Artec Studio，可大幅提升掃描效果。
如需捕獲的數(shù)據(jù)清晰明確，特別是于質(zhì)檢目的，那么所選的專業(yè)三維掃描儀需要搭配方便使用的掃描處理軟件，并帶有直觀視覺效果，如表面距離映射。此外，能兼容功能齊全的檢驗(yàn)包（如Geomagic Control
X），也是個(gè)不小的優(yōu)勢(shì)。
100%非接觸式掃描也意味著掃描對(duì)象零損傷風(fēng)險(xiǎn)。比如公差嚴(yán)格的有機(jī)硅航空零件、有著千年歷史的化石、犯罪現(xiàn)場(chǎng)的重要證據(jù)、價(jià)值連城的博物館藏品等，都有這樣的要求。保險(xiǎn)公司、質(zhì)檢人員和博物館工作人員也能松口氣，過去，接觸式測(cè)量導(dǎo)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(yīng)用更廣，自動(dòng)化
近年來，便攜式三維掃描解決方案已在各類制造領(lǐng)域找到立足之地。有了這項(xiàng)技術(shù)，管理人員有能力在生產(chǎn)初期就實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。如此便可把設(shè)計(jì)制造測(cè)試周期的次數(shù)降至很低，從而節(jié)省大量時(shí)間和金錢，同時(shí)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(shè)備。一旦認(rèn)識(shí)到這臺(tái)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(xùn)、快速原型等，提高這項(xiàng)技術(shù)的投資回報(bào)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(xiàn)在幾乎不需要人工介入，就能反復(fù)利用掃描路徑，捕獲相似的復(fù)雜物體和零件，以高精度實(shí)現(xiàn)快速、完整的表面捕獲。就質(zhì)檢而言，無論是生產(chǎn)前還是生產(chǎn)后，專業(yè)的桌面式和機(jī)械臂三維掃描解決方案都能精確察覺質(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(biāo)準(zhǔn)更高。
結(jié)論
Artec Leo：亞毫米級(jí)無線式三維掃描儀，速度快， 支持自動(dòng)機(jī)載處理
不可否認(rèn)，CMM機(jī)器是適合當(dāng)今計(jì)量工作流的有效解決方案。但是，在購買前，也建議認(rèn)真考慮其他測(cè)量技術(shù)。如上所述，對(duì)于許多企業(yè)和機(jī)構(gòu)而言，現(xiàn)代手持式和桌面式三維掃描解決方案比CMM更具優(yōu)勢(shì)。
要點(diǎn)
對(duì)許多企業(yè)和結(jié)構(gòu)而言，相比于CMM機(jī)器，現(xiàn)代化手持式與桌面式三維掃描解決方案更具優(yōu)勢(shì)。
親自對(duì)比是好的方式。首先，根據(jù)您的項(xiàng)目需求，找到與專業(yè)三維掃描解決方案（手持式或桌面式）表現(xiàn)相當(dāng)?shù)腃MM設(shè)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，以及公司其他部門是否同樣具備設(shè)備需求。
總而言之，任何人都能借助專業(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(jí)精度數(shù)字捕獲效果，無論是否經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，而同時(shí)，掃描儀的購置和維護(hù)成本卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CMM機(jī)器。
語言選擇
瀏覽量：1128
