三坐标测量机

2021年 4月 5日
概要 

几十年来,如果一家公司对测量精度要求很高,通常会使用三坐标测量机(CMM)。近年来,该领域出现了后起之秀,与CMM相比,优势明显,例如方便随身携带,使用简单,无需接触扫描对象,测量速度提升10-50倍等等。

CMM优势
准确、稳定、耐用
CMM缺点
成本高、速度慢、学习时间久
替代方案:三维扫描仪
成本低、速度快、使用方便、无需接触

简介

精确线性测量方式是社会数千年来的发展基础。人体是最初的计量仪,当时,人们利用指宽、足部、肘尺(从肘部到中指的距离)来度量。一路走来,我们在这方面已经实现了质的飞跃。

后来,我们发明了直尺、卡尺、卷尺。这些工具今天依然常见,在计量界仍占有一席之地。但之后,1950年代末至1960年代初,市场上出现了第一批三坐标测量机(CMM)。于是,1980年代初期,出现了带测量臂的便携式CMM机器。

随着时间的流逝,这项技术日趋完善,现代CMM机器成为久经考验的质检产品,受到全球成千上万用户的青睐。

除了用于质控,受控式和编程式CMM机器也已开始应用于逆向工程、快速原型等各个领域。

三坐标测量机工作原理

CMM机器测量淬火钢制蜗杆齿轮

以凸起的浮雕地图为例。假设用手指感知一个物体,指尖滑过山脉的边缘,穿过一道深谷,然后再爬升到最高峰。手指移动的同时,指尖的经度(X)、纬度(Y)和高度(Z)坐标会边移动边改变

要点

触发式探头记录测量部件和物体表面的点。

CMM机器工作原理类似。为进一步说明,我们将主要介绍带接触式触发测头的CMM机器,接触式触发测头无疑是当今使用最广泛的CMM探头。这类高敏探头记录了被测零件或物体表面上的点。

CMM机器记录探头接触的三个轴(XYZ)数据,并结合其他几十到几百个不等的XYZ测量值,对物体或零件进行精确测量,通常用于质检。随后,将这些测量值与参数规格进行对比,检查零件是否符合可接受的范围。

三坐标测量机分类

p>CMM机器的四种基本类型包括:桥式、悬臂式、龙门式和水平臂式。其中,毫无疑问,桥式CMM机器最受欢迎,测量精度可达微米级。这类测量机物美价廉,主要是因为制造成本较低。

 

一批工程机械零件

悬臂式CMM机器专为小型物体和零件而设计,更适合车间使用,其三侧的开放式通道更方便操作员。龙门式CMM机器也能达到和桥式CMM机器相当的最佳精度,但更适合大型和重型零件。龙门式设备安装在地上,需要坚实的基底。

水平臂CMM机器精度最低,但检验较大物体和组件时却有多项优势,尤其面对产量巨大的情况,就像在汽车、航运和铁路行业中那样。只要关键公差规格不超过CMM的参数性能,水平臂即为最具成本效益的解决方案。

三坐标测量机探头类型

CMM机器探头有各种类型,包括触发式探头、位移测量探头、接近探头以及多传感器探头。

首先介绍触摸触发式探头。为将坐标值传回CMM机器处理器,必须让探头接触被测物体的表面。位移测量探头扫描零件或部件,探头再将表面测量数据传输到CMM机器。

接近探头的操作方式与位移测量探针类似,两者都不需要探头直接接触物体。接近探针的不同之处在于,它们使用的是激光或视频技术,而不是位移测量探头使用的光电传感器

CMM技术人员与机器人捕获汽车部件

三坐标测量机的优势

在任何一本计量学期刊上翻几页,就能了解到CMM机器能为各种几何进行亚毫米级精度的测量。此外,先进的CMM机器能运行多年。投资这项设备,预计可以使用十年或更久

要点

面对各类几何,CMM机器都能实现亚毫米级精准度,效果令人惊叹

无论生产前、生产中还是最终检查,CMM机器都是检查零件和组件的有效解决方案。CMM机器应用于成熟的质检工艺,凭借其稳定的性能,测量值精确到亚毫米级,可以节省时间和金钱,还能避免诉讼和其他问题。

劣势

成本、安装、编程

高品质CMM机器功能和性能不同,价格从50000美元到250000美元不等,也有可能更高。即使考虑十年买一次,这仍然是笔不小的开支。安装也是不得不考虑的另一项成本。CMM机器需要安装在减振板上,房间通风良好,并且有稳定的压缩空气。

CMM机检查发动机缸体

CMM机检查发动机缸体

一旦设备就位,除了首次校准外,还需要合格的操作员对机器进行编程,方便定期测量相关零部件。一次性检查异常组件会很耗时,通常需要提前进行特殊编程。

要点

航空航天、汽车、甚至考古领域的大型物体,都需要大量时间才能顺利测量。

CMM机器要求正确摆放零件,并在测量前固定在合适的位置,因此操作员需要考虑到测量每个对象时的额外时间。同时,大型物体,例如航空航天、汽车、考古领域的常见物体,都需要花费大量时间,才能完成测量,操作员就很容易发生疲劳。

测量缓慢,操作疲劳,破损风险

举个例子,海洋考古学家试图使用CMM机器(Faro Arm)精确测量维京时代一艘船上的8米长船木。每种木材都需要使用CMM机器测量两个多小时。面对228块木材,这个4人团队得花一年多的时间才能用CMM机器完成所有工作。

海洋考古学家用Artec Eva捕获了古老的木船木材

由于任务期限迫在眉睫,考古人员转而采用三维扫描。和CMM机器不同,他们选择的手持式三维扫描仪短短一个月就捕获并处理了228块木材,分辨率高,色彩鲜艳 。只需5-10分钟即可捕获每块木材。扫描细节丰富,足以进行树木年代学分析,可确定古木发源地。

除了测量非常耗时外,如果使用带常见探头的CMM机器检查零件,还必须要让探头接触测量的各个表面。这可能会带来一些麻烦,尤其是遇到零件有些部分被阻挡,或难以触及。最终导致无法测量,不得不利用软件重新制作。毫无疑问,准确度一定会有所影响。

CMM机器测量汽车部件尺寸

CMM机器对物理接触的要求,导致设备无法在许多场景中应用。接触橡胶或柔软的零件时,测量探头会让零件变形,造成测量不精确,而且CMM探头经常会损坏多种材料。划痕、刮擦和其他表面缺陷极易出现

因此,非接触式测量方法(如三维扫描)成为逆向工程和考古学、质量控制和文物修复、法医鉴定等领域中广受欢迎的测量解决方案。世界各地的专家都明白,如果贵重物品或关键证据受到威胁,就必须避免发生不可挽回的损失。

三维扫描,异军突起

如上所述,即便面对最苛刻的质保、检验或逆向工程项目,专业手持式和桌面式三维扫描仪也是一项高效的解决方案。在生产工作流的任何阶段,无论是工厂车间还是装卸场,只要几分钟,扫描仪就能采用亚毫米级3D模式完成测量,而不能移动的CMM机器可能需要一个多小时。

高速、简易、便携

一个真实的案例——大英博物馆。当时,一个两人团队接到任务,需要在短短几周内捕获400多个易碎的19世纪古代玛雅人纪念碑石膏模型。考虑到受损风险,物理接触测量法被直接排除,这个方法还耗时严重。精确度高达亚毫米,这点至关重要,研究人员和博物馆工作人员都迫不及待想见到逼真的虚拟模型和3D打印模型。

要点

专业三维扫描仪操作简单,是一项快速高效的解决方案,甚至还能胜任质保、质检、逆向工程中要求极高的任务。

每个中大型石膏模型都在10分钟内完成扫描。所有表面(包括较深的、难以接近的雕刻和曲边)都被精心捕获,呈现高分辨率彩色3D效果。即便CMM机器对展品安全,扫描每块石膏模型的时间也将远远超过1个小时,这项紧急项目的完成时间也不得不推后数月。

Artec Eva在大英博物馆为玛雅石雕铸件进行三维扫描

优秀的三维扫描仪方便操作,只要一两个小时的培训,即便是初学者也能熟练掌握3D技术。也就是说,无需增派人员,就能学会借助这项技术,进行高品质质检工作。

价格亲民,软件简单,不伤物体表面的数据捕获模式

和CMM机器不同,三维扫描仪不涉及安装费用,培训费用通常包含在设备费中,最终价格比CMM机器便宜了很多。高品质扫描仪轻量便携,既能在办公室使用,也方便带去不同客户所在地,经久耐用。

若您选购的扫描仪供应商定期更新扫描软件,还能让精准度精益求精,多年过后,扫描仪的表现也会越发优异。

使用同一台Artec Eva扫描仪制作的金属零件3D模型。升级至带有HD功能的Artec Studio,可大幅提升扫描效果。

如需捕获的数据清晰明确,特别是于质检目的,那么所选的专业三维扫描仪需要搭配方便使用的扫描处理软件,并带有直观视觉效果,如表面距离映射。此外,能兼容功能齐全的检验包(如Geomagic Control X),也是个不小的优势。

100%非接触式扫描也意味着扫描对象零损伤风险。比如公差严格的有机硅航空零件、有着千年历史的化石、犯罪现场的重要证据、价值连城的博物馆藏品等,都有这样的要求。保险公司、质检人员和博物馆工作人员也能松口气,过去,接触式测量导致物品损坏,他们还得想办法处理。

Artec Eva在肯尼亚捕获古老的鳄鱼化石

入市更快,应用更广,自动化

近年来,便携式三维扫描解决方案已在各类制造领域找到立足之地。有了这项技术,管理人员有能力在生产初期就实现严格标准。如此便可把设计制造测试周期的次数降至最低,从而节省大量时间和金钱,同时降低客户拒绝率,避免可能的诉讼。

手持式和桌面式三维扫描仪高度灵活,捕获速度快,也可以跨部门共享设备。一旦认识到这台扫描仪不仅能用于高精度质检,还能用于逆向工程、VR/AR培训、快速原型等,就能把这项技术的投资回报率最大化。

不断发展的人工智能和三维扫描技术将自动三维扫描解决方案推向了最前沿。现在几乎不需要人工介入,就能反复利用最佳扫描路径,捕获相似的复杂物体和零件,以最高精度实现快速、完整的表面捕获。就质检而言,无论是生产前还是生产后,专业的桌面式和机械臂三维扫描解决方案都能精确察觉质量变化和缺陷,有助于缩短周期时间,让工作流更顺畅、更精简,物料成本更低,退货更少,质量标准更高。

结论

Artec Leo:亚毫米级无线式三维扫描仪,速度快, 支持自动机载处理

不可否认,CMM机器是适合当今计量工作流的有效解决方案。但是,在购买前,也建议认真考虑其他测量技术。如上所述,对于许多企业和机构而言,现代手持式和桌面式三维扫描解决方案比CMM更具优势。

要点

对许多企业和结构而言,相比于CMM机器,现代化手持式与桌面式三维扫描解决方案更具优势。

亲自对比是最好的方式。首先,根据您的项目需求,找到与专业三维扫描解决方案(手持式或桌面式)表现相当的CMM设备,安排演示。事先草拟需求清单。每次演示后,记下每种解决方案的价格,不要忘记考虑操作人员的人力成本,以及公司其他部门是否同样具备设备需求。

总而言之,任何人都能借助专业手持式与桌面式三维扫描解决方案,享受便携的亚毫米级精度数字捕获效果,无论是否经过专业培训,而同时,扫描仪的购置和维护成本却远远低于CMM机器。

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