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Ds 006 三次元座標量測儀
- 1. 三次元座標量測儀 Precision Metrology Lab.
- 2. • 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- Precision Metrology Lab.
- 3. • 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。 Precision Metrology Lab.
- 4. CMM外觀全景圖 Precision Metrology Lab.
- 5. 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。 • 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。 Precision Metrology Lab.
- 6. 三次元量測儀之結構 主軸: 懸臂型, 橋架型 (均 須加配重塊) Precision Metrology Lab.
- 7. 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。 Precision Metrology Lab.
- 8. 2.床式橋架型(Bridge bed type) —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。 Precision Metrology Lab.
- 9. 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。 Precision Metrology Lab.
- 10. 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。 Precision Metrology Lab.
- 11. 5.L形橋架型(L-shaped bridge 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。 Precision Metrology Lab.
- 12. 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 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。 Precision Metrology Lab.
- 13. 7.單支柱移動型(Moving table cantilever arm type) —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。 Precision Metrology Lab.
- 14. 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軸和y軸方 向作移動。 Precision Metrology Lab.
- 15. 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， x 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。 Precision Metrology Lab.
- 16. 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。 Precision Metrology Lab.
- 17. 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。 Precision Metrology Lab.
- 18. 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。 Precision Metrology Lab.
- 19. NTU Ring Bridge CMM Y-Laser Z-Laser X-Laser X-Drive Precision Metrology Lab.
- 20. NTU Z-spindle 1 Precision Metrology Lab.
- 21. 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）。 Precision Metrology Lab.
- 22. 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。 Precision Metrology Lab.
- 23. 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。 Precision Metrology Lab.
- 24. 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。 Precision Metrology Lab.
- 25. •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。 Precision Metrology Lab.
- 26. •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。 Precision Metrology Lab.
- 27. •滾珠或滾子導軌 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。 Precision Metrology Lab.
- 28. 座標量測系統 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。 Precision Metrology Lab.
- 29. •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。 Precision Metrology Lab.
- 30. 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。 Precision Metrology Lab.
- 31. 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。 Precision Metrology Lab.
- 32. 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。 Precision Metrology Lab.
- 33. 接觸式探頭介紹 Precision Metrology Lab.
- 34. 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。 Precision Metrology Lab.
- 35. 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。 Precision Metrology Lab.
- 36. 觸發式測頭（Touch Trigger Probe） Measuring point Intermittent point Prehit point （a）探頭結構 (b)逐點量測方式 Precision Metrology Lab.
- 37. 類比式量測探頭 DNC MACHINING CENTER RS232 SP2 （ΔX,ΔY,ΔZ) PART WORKTABLE (X,Y,Z) I/O B2 Card 探頭結構 系統架設 Precision Metrology Lab.
- 38. 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 Moving 探頭相同，因此兼具動 態掃瞄和靜態觸發的功 能。 P1 P2 WORKPIECE Precision Metrology Lab.
- 39. 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 小型零件形狀的量測、無法使用機械式探頭 量測的柔軟工件等。 Precision Metrology Lab.
- 40. 非接觸式雷射探頭（三角法原理） Precision Metrology Lab.
- 41. 非接觸三角法探頭原理 單點雷射、單雷射條紋、多雷射條紋 待測物 透鏡 雷射 CCD Precision Metrology Lab.
- 42. 數據處理系統 根據使用廠商的量測功能需求、電腦設備及維護 等不同，數據處理系統被應用於三次元量測儀現 有大致分兩類： 1. 1.簡單操作型： 使用者不需經過訓練即可執行一般功能之量測。 2.多功能型： 除一般量測功能外，還可以做教導功能、輪廓 量測、統計處理、數據轉換和傳送等工作。 Precision Metrology Lab.
- 43. 座標系統 1.機器座標系統： 由三次元量床本身的x、y、z軸所組成，用來做決定 各軸的位移量、儲存座標資料，以作為CNC操作時 的參考。 2.工作座標系統： 為了量測方便，可獨立於機器座標系統，有必要根 據工件特色，利用量得的數據在工件參考平面上另 設一個座標系統，稱為工作座標系統。 Precision Metrology Lab.
- 45. 三次元量測儀之量測模式 Precision Metrology Lab.
- 46. 量測動畫欣賞 • 平面度量測 • 兩圓孔距離量測 • 直徑量測 • 立體角量測 • 真圓度量測 • 空氣軸承作用動畫 Precision Metrology Lab.