三次元座标量测仪培训教材

Precision Metrology Lab.
11.水平臂移動型(Moving arm horizontal arm type)
—不適合高精度之量測，除非
水平臂在伸出或收回時，對 因重量而造成的誤差有所補 償。目前應用在車輛檢驗工 作。
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• 1960年後，英國國家工程實驗所及國家物理所共 同研究出使用線性光柵式（Linear gratings)及莫瑞 條紋（ Moiré fringes)來編碼，就是今日所用三次 元量測儀數值讀出方式，目前各軸移動的最小讀 數可達0.001mm。
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類比式量測探頭
DNC MACHINING CENTER
SP2 （ΔX,ΔY,ΔZ)
RS232
PART WORKTABLE
I/O B2 Card
(X,Y,Z)
探頭結構
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系統架設
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類比式掃瞄量測
3-D掃瞄式探頭本身是 一種小型的三次元量測 儀。探頭前端與觸發式 探頭相同，因此兼具動 態掃瞄和靜態觸發的功 能。
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2.床式橋架型(Bridge bed tyБайду номын сангаасe)
—此型與移動橋架型一樣，樑 兩端被支撐，因此樑的撓度 最少，比懸臂型精度好，因 樑只在y軸方向移動，慣性比 全部橋架移動時為小，手動 操作比移動橋架行容易。
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臂樑沿水平面的導槽在x軸方向 移動，此型三邊開放，容易拆 裝工件，工件可伸出台面即可 容納較大工件，但因懸臂造成 精度不高，早期盛行，現在不 普遍。
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7.單支柱移動型(Moving table
cantilever arm type)
—此設計乃為了使橋架在y軸移動時 有最小的慣性而做的改變，與移 動橋架型比較，移動元件慣性較 小，因此操作較易，但剛性較 差。
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6.y軸移動懸臂型(Fixed table
cantilever arm type)
—水平懸臂樑在y軸方向移動，懸
—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軸和y軸方 向作移動。
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9.水平臂量測台移動型(Moving
table horizontal arm type)
—探頭裝在水平方向的懸臂上，支
柱沿水平面導槽在x軸方向移 動，量測台沿水平面導槽在z軸 方向移動，這是水平懸臂型的改 良設計，為消除水平臂在z軸方 向，因伸縮所產生的撓度。
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軸向導引機構
• 其目的在於承受負載、具有剛性等，使 軸向運動時保持其量測精度，通常軸向 倒軌與軸承之接觸面均需精密加工。常 用導引機構有空氣軸承導軌、滾子軸承 導軌和滾珠或滾子導軌等三直種。
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CMM外觀全景圖
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發展沿革
• 1940年英國Coventry量規製造公司首先推出以肉眼 來讀標準尺及顯微鏡的比較量測方式之三次元量 長機。
• 1950-60間，英國Ferranti 公司真正製造出三次元量 測機，但能用肉眼判讀，需用熟練的技術人員操 作方能完成。
三次元量測儀之結構
主軸: 懸臂型, 橋架型 (均 須加配重塊)
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三次元量測儀之結構
1.移動橋架型（Moving bridge type)
—為最常用的結構，如圖所示。水平 樑垂直z軸且被兩支柱支撐於兩 端，樑與支柱形成“橋架”，沿著y 方向移動。因量兩端被支柱支撐， 可得最小撓度，比懸臂式有較高的 精度。
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10.水平臂量測台固定型(Fixed table horizontal arm type)
—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，量測時支柱在y軸導槽 移動，而x軸滑動台面在垂直軸 方向移動。
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三次元量床量測系統，通常在三個軸分 別有線性量測系統。線性量測原理常用 莫瑞（Moire）條紋及線性編碼器等兩 種。
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•莫瑞條紋編碼器
由線條粗細與間距均相等之平 行線，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，移動尺移動時即 可產生與本刻度尺垂直之名按 條紋呈現上下移動，此疊紋稱 之為莫瑞條紋或為疊紋的一 種。
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線性編碼器
俗稱光學尺，有(a)穿透 式、(b)反射式，其量測原 理均相同，游動尺和光 源、光電管等同步移動， 當游動尺沿主尺移動，光 電管接受的光能量以正弦 波的方式改變，轉換成電 子訊號後，其震幅也成正 弦波的方式隨著光的明暗 變化。
•滾子軸承導軌
滾子軸承導引的精度是依據軸 承的偏擺程度與導引表面真直 度而定。因此三次元量測儀需 要應用精度較高的滾子軸承， 有需較厚的外環，以承受較大 的荷重。優點為不需具備氣壓 源，體積較小、可得較大剛性 和較高精度。
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•滾珠或滾子導軌
三次元座標量測儀
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• 三次元量測座標儀是指 在一個六面體的空間範 圍內，能夠表現幾何形 狀、長度及圓周分度等 量測能力的儀器，如右 圖，又稱三次元量測儀 或三次元量床。
• -Coordinate Measuring Machine-
—支柱整體沿水平面導槽在y軸上
移動，量測台沿水平面的導槽 在x軸上移動，此型量測臺、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，以符合阿貝定 理。
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8.單支柱xy量測台移動型(Single column xy table type)
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觸發式測頭（Touch Trigger Probe）
Measuring point
Intermittent point
（a）探頭結構
Prehit point
(b)逐點量測方式
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X-Laser
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NTU Z-spindle 1
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三次元量測儀之操作種類
• 三次元量測可依操作方式分類有：
1. 手動三次元量測儀： 用手握住主軸使其沿 x、y、z軸移動。量測 時須注意探頭與工件間 壓力、及探頭移動因加 速度所造成軸彎曲導致 的誤差（如圖）。
•空氣軸承導軌
空氣軸承有自動平均的效果， 即在其承載面積內由引導面到 空氣軸承間的空隙可以被平 均，使導引面之表面粗糙度的 影響減少。從時在導軌軸向移 動時，無摩擦的作用在，因此 具有無遲滯的優點，這些優點 使得空氣軸承廣泛應用在大多 數的三次元量測儀。
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• 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，可在三個互相垂 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，三軸之位移量測 系統（如光學尺）經數據處理或電腦計 算出工件的各點座標（x，y，z）及各項 功能量測的儀器。”其量測功能應包括尺 寸精度、定位精度、幾何精度及輪廓精 度等。
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3.柱式橋架型(Gantry type)
—與床式橋架型比較，其架是直
固定在地板上，又稱為門型， 比床式橋架型有較大且更好的 剛性，大都用在較大型的三次 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。
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2. 馬達驅動式三次元量測儀：
一般來說可由搖桿控制，它具有高量測精度、容易 操作、且提供教導式量測等優點。
3. CNC式三次元量測儀：
除具有馬達驅動式的功能外，還可自動依照電腦預 先設定的程式執行量測，有些廠商出品的三次元量 床甚至提供自動拆裝工件的功能。CNN式除提供尺 寸量測，亦可作曲面的輪廓量測。
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三次元量測儀之組成構件
•三次元量測儀式由硬體設備和軟體兩大項所組 成。
硬體設備：
包括軸向導引機構、量測系統（光學尺）、進給 機構和旋轉平台等。
軟體部分：
包括量測數據處理和量測功能多少（如量測凸 輪、齒輪、曲面、輪廓等）需依軟體寫作多寡而 定。
12.環閉橋架型(Ring bridge type)
—由於它的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。
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NTU Ring Bridge CMM
Y-Laser
Z-Laser
X-Drive
4.固定橋架型(Fixed bridge type)
—橋架（支柱）被固定在機器本
體，量測台沿水平平面的導軌 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。
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5.L形橋架型(L-shaped bridge type)
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進給機構
進給機構是應用在 CNC或是馬達驅動 是三次元量測儀， 其典型的驅動系統 有齒條與小齒輪機 構、無摩擦輪機構 和無牙螺桿機構等 三種形式。
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旋轉平台
• 旋轉工件可以提高聊測效率及精度，或者是不 旋轉就無法量測的工件，因此旋轉平台就應用 於三次元量測儀，旋轉平台有下列優點：
1. 對臥式主軸的三次元量床而言，可以量測到原 有主軸行程兩倍的範圍。
2. 傾斜軸的孔或斜面，皆可再不換探頭的方位下 量測。
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接觸式探頭介紹
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三次元量測儀之探頭
1.機械式探頭
機械式探頭種類繁 多，常用探頭包括 球形、錐形、圓柱 形及萬能形等。
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2. 觸發式探頭
無論在任何位置方 向，只要其探針偏 離中心位置至某一 程度時，立即會產 生一個檢測信號。
使用滾珠或滾子導軌的三次 元量測儀需要特別小心，因 滾珠或滾子的直徑所造成的 差異將影響導軌的精度。若 滾珠或滾子的直徑在允許範 圍時，其移動件之下均勻配 合滾子或滾珠，使移動件不 易產生扭曲變形，因而可得 較高的精度。
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座標量測系統