三坐標(biāo)測量機(jī)
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(biāo)測量機(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(yōu)勢
準(zhǔn)確、穩(wěn)定、耐用
CMM缺點(diǎn)
成本高、速度慢、學(xué)習(xí)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(shù)千年來的發(fā)展基礎(chǔ)。人體是最初的計量儀，當(dāng)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(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(xiàn)了第一批三坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）。于是，1980年代初期，出現(xiàn)了帶測量臂的便攜式CMM機(jī)器。
隨著時間的流逝，這項技術(shù)日趨完善，現(xiàn)代CMM機(jī)器成為久經(jīng)考驗的質(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、快速原型等各個領(lǐng)域。
三坐標(biāo)測量機(jī)工作原理
CMM機(jī)器測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(jīng)度（X）、緯度（Y）和高度（Z）坐標(biāo)會邊移動邊改變
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(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)測頭的CMM機(jī)器，接觸式觸發(fā)測頭無疑是當(dāng)今使用廣泛的CMM探頭。這類高敏探頭記錄了被測零件或物體表面上的點(diǎn)。
CMM機(jī)器記錄探頭接觸的三個軸（XYZ）數(shù)據(jù)，并結(jié)合其他幾十到幾百個不等的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(shù)規(guī)格進(jìn)行對比，檢查零件是否符合可接受的范圍。
三坐標(biāo)測量機(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，測量精度可達(dá)微米級。這類測量機(jī)物美價廉，主要是因為制造成本較低。
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，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，需要堅實(shí)的基底。
水平臂CMM機(jī)器精度低，但檢驗較大物體和組件時卻有多項優(yōu)勢，尤其面對產(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(shù)據(jù)傳輸?shù)紺MM機(jī)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(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(jī)器人捕獲汽車部件
三坐標(biāo)測量機(jī)的優(yōu)勢
在任何一本計量學(xué)期刊上翻幾頁，就能了解到CMM機(jī)器能為各種幾何進(jìn)行亞毫米級精度的測量。此外，先進(jìn)的CMM機(jī)器能運(yùn)行多年。投資這項設(shè)備，預(yù)計可以使用十年或更久
要點(diǎn)
面對各類幾何，CMM機(jī)器都能實(shí)現(xiàn)亞毫米級精準(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，測量值精確到亞毫米級，可以節(jié)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(zhì)CMM機(jī)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(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)動機(jī)缸體
CMM機(jī)檢查發(fā)動機(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機(jī)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很耗時，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，都需要大量時間才能順利測量。
CMM機(jī)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(lǐng)域的常見物體，都需要花費(fèi)大量時間，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
舉個例子，海洋考古學(xué)家試圖使用CMM機(jī)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(jī)器測量兩個多小時。面對228塊木材，這個4人團(tuán)隊得花一年多的時間才能用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。
除了測量非常耗時外，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(dǎo)致無法測量，不得不利用軟件重新制作。毫無疑問，準(zhǔn)確度一定會有所影響。
CMM機(jī)器測量汽車部件尺寸
CMM機(jī)器對物理接觸的要求，導(dǎo)致設(shè)備無法在許多場景中應(yīng)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(jīng)常會損壞多種材料。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，即便面對苛刻的質(zhì)保、檢驗或逆向工程項目，專業(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(jī)器可能需要一個多小時。
高速、簡易、便攜
一個真實(shí)的案例——大英博物館。當(dāng)時，一個兩人團(tuán)隊接到任務(wù)，需要在短短幾周內(nèi)捕獲400多個易碎的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，物理接觸測量法被直接排除，這個方法還耗時嚴(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)器對展品安全，掃描每塊石膏模型的時間也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1個小時，這項緊急項目的完成時間也不得不推后數(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，只要一兩個小時的培訓(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)會借助這項技術(shù)，進(jìn)行高品質(zhì)質(zhì)檢工作。
價格親民，軟件簡單，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(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包（如Geomagic Control
X），也是個不小的優(yōu)勢。
100%非接觸式掃描也意味著掃描對象零損傷風(fēng)險。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)場的重要證據(jù)、價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，過去，接觸式測量導(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)計制造測試周期的次數(shù)降至很低，從而節(jié)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(shè)備。一旦認(rèn)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(xùn)、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，有助于縮短周期時間，讓工作流更順暢、更精簡，物料成本更低，退貨更少，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)更高。
結(jié)論
Artec Leo：亞毫米級無線式三維掃描儀，速度快， 支持自動機(jī)載處理
不可否認(rèn)，CMM機(jī)器是適合當(dāng)今計量工作流的有效解決方案。但是，在購買前，也建議認(rèn)真考慮其他測量技術(shù)。如上所述，對于許多企業(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。
要點(diǎn)
對許多企業(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。
親自對比是好的方式。首先，根據(jù)您的項目需求，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，掃描儀的購置和維護(hù)成本卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CMM機(jī)器。
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