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第一單元 三次元座標量測儀 任課教師:覺文郁

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1 第一單元 三次元座標量測儀 任課教師:覺文郁
[4]

2 1-1 概述 空間物體是由三度空間的座標尺寸所構成,即長、寬、高三種長度尺寸。因此若有一測量儀器能同時測量三度空間的尺寸,即空間座標值,此種測量儀器稱為三次元座標量測儀 (Coordinate Measuring Machine, CMM),日本用語為三次元測定機,又稱為三次元量測儀或三次元量床。 三次元量測儀可定義為“一種具有可作三個方向移動的探測器,可在三個相互垂直的導軌上移動,此探測器以接觸或非接觸等方式傳送訊號,三個軸之位移量測系統 ( 如光學尺 ) 經數據處理器或電腦等計算出工件的各點座標 (x,y,z) 及各項功能量測的儀器”。

3 1-2 量測時常用的名詞 公差:指在一定的數據內可以容許的誤差值。 精度:指某一距離與標準距離的誤差,誤差越少精度越好。
解析度:指某一量測設備的最小單位值。 重復性:只重復往返某固定位置的座標誤差值,誤差越少重復性越好。

4 1-3 量測原理 其量測原理是利用探頭(一般為紅寶石的探頭)去碰撞工件的邊緣,取得該位置的座標值,再減去該探頭的半徑即為工件的真實座標值。一般而言,量測軟體會自動做轉換動作,便可計算出所要的座標值或尺寸。 [2]

5 1-4 三次元量測儀之量測誤差 三次元座標量測儀有關量測誤差定義在ISO 10360-2
MPEE ( Maximum permissible error of indication of a  CMM for size measurement ) 長度量測的最大容許誤差值,即線性誤差或稱長度誤差,如量測長度或直徑的誤差。在三次元量測裏用以檢查機台的空間精度。 MPEP ( Maximum permissible probing error ) 形狀最大容許的探測誤差值,即形狀誤差或稱輪廓誤差,如量測直線度、平面度、圓度、圓柱度和輪廓度。在三次元量測裏用以檢查測頭的精度。

6 MPEE 之檢查 MPEP 之檢查 在量測空間任意7種不同的方位,量測一組5種尺寸的塊規(最短的須小於30mm,最長的必須超過機台行程的2/3,其它三種任意),每種長度的塊規分別量測3次,共105次。所有量測結果必須在製造商宣稱的MPEE值範圍内。 假設某機台行程600x600x400(X,Y,Z),其精度 MPEE=2+L/200(μm),即30mm內的標準塊規誤差不得大於2 μm,400mm標準塊規的誤差不得大於4 μm。 在一精密標準球,在不同位置平均分布量測25個點,這些點應儘量平均分佈在標準球至少半個球上。量測半徑的最大值減去最小值即為MPEP最大容許探測誤差。 這個檢查是用來驗證機台上測頭的誤差,其誤差除了測頭本身的誤差外還包含機台的誤差。 [6]

7 1-4.1 三次元量測儀之量測誤差 造成量測誤差的主要原因如下: 1.機台空間精度不良如直角度不佳或未經正確的精度補償。
2.機台剛性不佳、線軌干涉或馬達的參數未調整好,致運動精度不佳。 3.未定期保差及檢查、任意搬移機台或機台本身變形,致空間精度變差。 4.人為不當的操作,導致要現性變差。 5.環境不佳,如溫濕度差異過大,工件熱脹冷縮或工件加工完未恒溫即量測。

8 1-5 三次元量測儀構造 三次元座標量測儀機台結構大部份為精密花崗石平台,台面上有固定工件鎖孔,因為花崗石具有不變形、硬度高、耐磨性強等優點。三軸大部份亦使用花崗石,有些使用鋁合金或鑄鐵,較高階的機種會使用碳纖、陶瓷或其它複合材質。 三次元座標量測儀形式,依主軸支撐方式可分為懸臂型與橋架型。 常見的外型結構為龍門式(或稱移動橋架式),其他較常見的有單邊架橋式(或稱L橋架式)、雙邊架橋式、懸臂式等。

9 1-5.1 移動橋架型 (Moving bridge type)
為最普遍使用的結構,因兩端被支柱支撐,可得最小撓度,比懸臂式有較高的精度。 [2]

10 1-5.2 床式橋架型 (Bridge bed type)
[2]

11 1-5.3 柱式橋架型 (Gantry type) 又稱為門型,比床式橋架型有較大的剛性,大部份用於較大型的三次元量床上,各軸以馬達驅動,量測範圍大,操作者可在橋架內工作。 [2]

12 1-5.4 固定橋架型 (Fixed bridge type)
橋架被固定在機械本體,量測台沿水準平面的導軌做y軸方向移動,且垂直x和z軸,每軸由馬達驅動,可確保位置精度,此機型不適合手動操作。 [2]

13 1-5.5 L 形橋架型 (L-Shpaed bridge type)
[2]

14 1-5.6 Y軸移動懸臂型 (Fixed table cantilever -arm type)
水平懸臂梁在y軸方向移動,懸臂樑沿水平面的導槽在x軸方向移動,此為三面開放性構造,容易拆裝工件,工件可伸出台面即可容納較大工件,但因懸臂突出,z軸在y軸方向移動,容易使y軸產生撓曲,故造成結構精度不高。 [2]

15 1-5.7 單支柱移動型 (Moving table cantilever -arm type)
此型量測台、支柱等具有良好剛性,因此變形少,且各軸之線性刻度尺與量測軸較接近,以符合阿貝原理。 [2]

16 1-5.8 單支柱xy量測台移動型 (Single column xy table type)
支柱上附有z軸導槽,支柱被固定在量測儀本體。量測時,量測台在水平面上沿x軸與y軸方向作移動。大多是光學式用來量測小型工件。 [2]

17 1-5.9 水平臂量測台移動型 (Moving table horizontal arm type)
一探頭裝在水準方向的懸臂上,支柱沿水平面導槽在x軸方向移動,量測台沿水平導槽在z軸方向移動,為消除水準臂在z軸方向,因伸縮所產生的撓度。 [2]

18 1-5.10 水平臂量測台固定型 (Fixed table horizontal arm type)
此構造與量測台移動型相似,此型量測台固定,x、y均在導槽內移動。 [2]

19 1-5.11 水平臂移動型 (Moving ram horizontal arm type)
不適合高精度量測,除非水準臂在伸出或收回時,對重量而造成的誤差有所補償。 [2]

20 1-5.12 閉環橋架型 (Ring bridge type)
由於驅動方式在工作台中心,可減少因橋架移動與造成的衝擊,為所有三次元量床中最穩定的一種。 [7]

21 龍門橋架型 工件重量體積大不適合放在床台上,運用於超大型齒輪及高精度工件的量測、航太工業、機台主軸。 [8]

22 其他可攜帶關節型 由於輕巧多關節攜帶方便,在任何場所皆可安裝,座標量測物體及輪廓形狀掃描。 [8]

23 1-6 三次元量測儀之操作種類 三次元量測儀依操作方式分類有手動、馬達驅動和CNC等三種型式。 1. 手動式三次元量測儀
1. 手動式三次元量測儀 2. 馬達驅動式三次元量測儀 3. CNC式三次元量測儀

24 1-7 三次元量測儀之運動方式 運動方式一般區分為滾珠線性滑軌及氣浮滑軌兩種,滾珠線性滑軌的干涉及變形較大,比較少使用在大型機台;現今的主流為氣浮滑軌,其原理為壓縮空氣在空氣軸承與軌道間形成一個幾微米 (μm) 低摩擦力及低阻力的空氣層,也就是說空氣軸承會浮在軌道上,這時便可輕易移動。

25 1-7.1 三次元量測儀之運動方式 1. 空氣軸承導軌 [2] [2] [2] 圖a 空氣軸承導軌 圖b 空氣軸承特性
1. 空氣軸承導軌 圖a 空氣軸承導軌 [2] 圖b 空氣軸承特性 [2] 圖c 空氣軸承之端視圖 [2]

26 1-7.2 三次元量測儀之運動方式 2. 滾子軸承導軌 滾珠或滾子導軌 圖 滾珠或滾子導軌 [2] 圖 滾子軸承導軌 [2]

27 1-7.3 進給機構 進給機構是應用於CNC或馬達驅動式的三次元量測儀,其典型的驅動系統有齒條與小齒輪機構、磨擦輪機構和無牙螺桿機構等三種型式。

28 圖 各種進給機構示意圖 [2]

29 1-7.4 旋轉平台 通常使用旋轉平台有下列優點: 1. 對臥式主軸的三次元量測儀而言,可以量測到原有主軸行程的兩倍範圍。 2. 傾斜軸的孔及斜面,皆可在不更探頭的方位下量測。

30 圖 三次元量測儀上之旋轉量測平台 [2]

31 1-8 量測系統 線性量測原理常用莫瑞 (Moire) 及線性編碼器等二種,其原理分別討論如下:
1. 莫瑞條紋編碼器: 莫瑞條紋之編碼器如下圖所示,由線條粗細與間距均相等之平行線,其分割間距 (grating pitch) 為w,若兩組平行線重疊在一起且形成一為固定,一為可移動,當主刻度尺與游動刻度尺以某一角度安置,此時即可產生莫瑞效應 (Moire’ effect)。

32 圖 莫瑞條紋之量表原理 [2]

33 圖 光電管和編碼器之輸出信號情形 [2]

34 1-8 量測系統 2. 線性編碼器 (Linear encoders): 線性編碼器俗稱光學尺,如下圖所示 (a) 為穿透式、(b) 為反射式,其量測原理均相同,當光源經聚光透鏡、主 ( 刻度 ) 尺、游動之副尺再傳到光電管。

35 圖 線性編碼器之量測系統[4]

36 1-9 三次元量測儀之探頭 三次元量測儀之量測功能受儀器結構影響外,探頭系統也是極為重要之因素之一。
因應不同應用,探針分很多種類型測針,一般分為紅寶石探針與硬式探針(掃描碰觸用)。 三次元量測儀大致上可分接觸式與非接觸式等兩種探頭,接觸式探頭又可區分成機械式和電氣式兩種,而電氣式又可區分成觸發式探頭與掃瞄式探頭之分。接觸式探頭另一種分類又區分成硬式探頭、觸發式探頭及類比式探頭等三種,如下圖所示。非接觸式又可區分成中心顯微鏡、中心投影器、影像視訊螢幕和雷射等方式。

37 圖 接觸式探頭 [2]

38 圖 紅寶石探針與硬式探針 [8]

39 1-9.1 機械式探頭 機械式探頭之型式種類繁多,常用探頭如下圖所示,包括球形、錐形、圓柱形及萬能形等。球形探頭其探針端擁有一個碳化物材料製成,直徑為2~10 mm的圓球。萬能形探頭為球形探頭的一種,主要因其探頭的指向能被任意改變,以配合待測工件量測方向。

40 圖 機械式探頭 [2]

41 1-9.2 觸發式探頭 (Touch-Trigger probes)
觸發式探頭無論在任何位置及方向,只要其探針偏離原來的中心位置至某一程度時,立即會產生一個檢測信號,它是由英國Renishaw公司所發展出來的。觸發式探頭若使用於工件不同方向的量測,可用有五個方向之探頭稱之為五星探頭,使用情形如下圖所示。 角度移動量在A軸每7.5°有一可固定位置共15個位置、在B軸每15°有一個固定位置共24個位置可選擇,以達到量測各種方向的要求。

42 圖 五星探頭及其應用情形 [2] 圖 觸發式探頭內部構造[1] 圖 具有兩個軸向旋轉的探頭[4]

43 1-9.3 掃瞄式探頭 三維 (3D) 掃瞄探頭本身是一種小型三次元量測儀,其內部構造如下圖所示,它是由三個相同的彈性平行四邊形構成,三個軸方向可有的偏移範圍。三個個別導軌可以各自用精密之機械鎖緊且其量測系統相對機械零點之重現性小於0.1μm。 掃瞄式探頭其前端與觸發式探頭相同,因此它兼具有動態掃瞄和靜態觸發的功能。

44 圖 三次元量測儀之掃瞄探頭[5]

45 1-9.4 非接觸式探頭 非接觸式探頭有中心顯微鏡、中心投影器、影像視訊螢幕和雷射掃瞄等方式,可應用在小型零件形狀量測、無法使用機械式探頭量測的柔軟工件等。 下圖為雷射掃瞄探頭,它是一種最進步的量測系統,可藉著雷射光來進行連續的非接觸量測動作,同時消除接觸式探頭虛擬點載入 (Dummy point entry) 以作為探頭半徑之補正工作。

46 圖 中心顯微鏡和中心投影機[2] 圖 雷射探頭[2]

47 1-9.5 探頭自動交換庫 可以完全自動更換探頭,以增加量測速度,使三次元量測儀檢驗系統更彈性化。 圖 自動探頭交換庫[4]

48 1-10 三次元量測儀之數據處理系統 現有處理系統大致上可分為二類: 簡單操作型:使用者不需接受特別的訓練,即可執行一般功能之量測。
多功能型:使用者除學會一般功能之量測外,還可以作教導功能、輪廓量測、統計處理、數據轉換和傳送等工作

49 三次元量測儀之座標系統 1. 機器座標系統 (Machine coordinate system) 機器座標系統是由三次元量測儀本身的x、y、z軸所組成,用來當做決定沿各軸的位移量、儲存座標資料,以作為CNC操作時的參考。 2. 工件座標系統 (Part coordinate system) 為了量測上之方便,可獨立於機器座標系統,有必要根據工件特色,利用量得數據在工件參考面上另設定一個座標系統,此系統稱為工件座標系統。需工件的水平及軸向對準而得,一旦工件座標系統設定之後,所有量測數據均依此坐標來表示。

50 三次元量測儀之座標系統 3. 參考原點 (Reference origin) 此參考原點亦可經由量測一固定於量測台面上的參考原點球 ( 塊 )來設定,如圖所示參考原點及其應用。 [2]

51 三次元量測儀之量測模式 三次元量測儀之量測模式中包括各種基本幾何形狀如點、線、面、圓、橢圓、球、圓柱及曲線、曲面等量測,各種量測元件的量測法簡單表示如右圖所示。 [2]

52 三次元量測儀之尺寸模式 右圖為各種量測需求狀況可供參考,如幾何公差、標準公差、位置公差、角度公差和尺寸公差等。 [2]

53 三次元量測儀之教導功能 學習模式 (Learn mode) 重覆模式 (Repeat mode) 編輯功能

54 三次元量測儀之輪廓量測程式 輪廓量測之資料輸入可由追蹤連續輸入、點到點量測輸入和直接由資料檔輸入等三種方式。

55 1-11 三次元量測儀之用途 帶給生產者品質控制上的保護,確保精度在客戶要求的一定範圍。
以客戶端來說,對於有三次元檢測設備的工廠,產品品質的信心會比較大,也比較願意跟該廠商進行合作。 逆向工程的應用,確保生產的品質穩定性(例如繪製出樣品3D圖後,進行模流分析,減少射出後問題的產生、或利用有限元素分析軟體進行各種強度的分析,以便生產的東西功能上的安全性能夠確保)。

56 1-12 三次元量測儀量測校正流程(1) [2]

57 1-12 三次元量測儀量測校正流程(2) [2]

58 1-12 三次元量測儀量測校正流程(3) [2]

59 1-12 三次元量測儀量測校正流程(4) [2]

60 題庫

61 一、選擇題 1. 最早出現三次元量測儀,其三軸座標採用:(1) 電感式尺 (2) 光學式尺 (3) 電磁式尺 (4) 雷射干涉式尺 (5) 機械式。 2. 三次元量測儀,其結構最常用為:(1) 移動橋架型 (2) 床式橋架型 (3) 柱式橋架型 (4) 固定橋架型 (5) 閉環橋架型。 3. 三次元量測儀,其結構精度最佳為:(1) 移動橋架型 (2) 床式橋架型 (3) 柱式橋架型 (4) 固定橋架型 (5) 閉環橋架型。 4. 三次元量測儀,其軸向導引機構最常用為:(1) 空氣軸承導軌 (2) 滾子軸承導軌 (3) 滾珠導軌 (4) 鳩尾槽空氣軸承 (5) 直槽空氣軸承導軌。 5. 大型三次元量測儀,其光學尺常採用:(1) 莫瑞條紋編碼器 (2) 穿透式線性編碼器 (3) 反射式線性編碼器 (4) 角度編碼器 (5) 旋轉編碼器。

62 一、選擇題 6. 三次元量測儀,其探頭最常用:(1) 機械式探頭 (2) 觸發式探頭 (3) 掃瞄式探頭 (4) 雷射式探頭 (5) CCD 探頭。 7. 三次元量測儀使用觸發式探頭量測一內孔時,其量測點最佳 ( 即省時又準確 ) 點數為:(1) 3 點 (2) 6 點 (3) 9 點 (4) 18 點 (5) 36 點。 8. 三次元量測儀掃瞄式探頭,其內部構造為:(1) 光學尺式 (2) 電感式尺 (3) 電磁式尺 (4) 雷射干涉式尺 (5) 機械式。 9. 三次元量測儀已廣泛應用到工業界,尺寸量測設備可以使電腦輔助設計成系統間的尺寸量測介面格式,藉以雙向溝通,簡稱為:(1) CAD/CAM (2) CNC (3) FFS (4) DMIS (5) CIM。 10. 座標測量儀 (Coordinate Measuring Machine, CMM) 亦稱三次元測量儀,乃因此種儀器可同時測量三個方向 X、Y、Z,五個面,而具有三次元測量性能,故而稱之,就測量技巧與圖面而言,下列圖面何者無法量測到呢?(1) 上視圖 (2) 下視圖 (3) 前視圖 (4)側視圖。【82 二技 】

63 一、選擇題 11. 座標量測儀(CMM,coordinate measuring machine)亦稱三次元量測儀,乃因此種儀器定位一次可量測三個方向及五個面,而具有三次元量測性能,故而稱之。就量測技巧與圖面而言,下列圖面何者無法量測到呢? (A) 上視圖 (B) 下視圖 (C) 前視圖 (D) 側視圖。

64 二、填充題 1.三次元量測儀又可簡稱 ,其功能應包括 、 、 和輪廓等四種精度要求。
1.三次元量測儀又可簡稱 ,其功能應包括 、 、 和輪廓等四種精度要求。 2.三次元量測儀依外形結構,可區分成十二種,其中以 最為常用,以 體積最大,以 精度最佳。 3.三次元量測儀依操作方式,可區分成 、 和 等三種型式。 4. 三次元量測儀是由硬體設備及軟體等組合而成,硬體設備包括 、 、 和旋轉平台等四大部分組合而成。

65 二、填充題 5. 三次元量測儀之軸向導引機構有區分成 、 和 等三種。 6. 三次元量測儀之線性量測原理常用 和 等二種編碼器。
5. 三次元量測儀之軸向導引機構有區分成 、 和 等三種。 6. 三次元量測儀之線性量測原理常用 和 等二種編碼器。 7. 三次元量測儀之探頭可區分成接觸式和非接觸式等二種。非接觸式探頭可區分成 、 、 和雷射等四種方法。接觸式探頭可區分成 、 和 等三種探頭。 8. 三次元量測儀較傳統式量規技術在尺寸檢驗有更佳的彈性、 、 、 和 等。

66 三、問答題 1.簡述三次元量測儀的功能。 2.簡述三次元量測儀的類型。 3.簡述手動三次手元量測儀的主要構成。
4.簡述 CNC 三次元量測儀的主要構成。 5.簡述三次元量測儀的探頭類別。 6.簡述三次元量測儀的數據處理系統。 7.述使用三次元量測儀作自動化尺寸檢驗之優點及作法。

67 三、問答題 8.比較移動橋架型與固定橋架型兩種機台的優缺點 9.說明電子觸發探頭的結構原理 10.說明接觸掃瞄式探頭的結構原理
11.比較同型工具機與三次元量測儀精度不同的成因 12.說明電子觸發探頭的探頭半徑校正方法

68 Reference 1.Measurement system Application and Design, Ernest O. Doebelin, 1990. 2.精密量測,范光照、張郭益編著,高立書局 3.新勁國際有限公司 4.明江貿易有限公司 5.台灣儀器股份有限公司 6.維竑有限公司 7.Precision Machine Design, Alexander H. Slocum, Prentice-Hall International, lnc, 1992 8.http://www2.ctu.edu.tw/98tew/98tew2-1/2-1%E7%B6%B2%E9%A0%81/11.%E6%95%99%E6%9D%90%E4%B8%8B%E8%BC%89/8-%E7%B2%BE%E5%AF%86%E9%87%8F%E6%B8%AC%E8%88%87%E5%AF%A6%E7%BF%92/%E7%B2%BE%E5%AF%86%E9%87%8F%E6%B8%AC%E8%88%87%E5%AF%A6%E7%BF%92-%E4%B8%89%E6%AC%A1%E5%85%83.pdf

69 Thank You!!


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