释放 CMM 的潜力

50 多年来，坐标测量机 (CMM) 一直在提高测量效率和质量。 CMM 的强大功能使许多复杂的检测任务看起来几乎是微不足道的。有了这么多的测量能力，运营商是否可能认为他们的 CMM 是理所当然的？

三坐标测量机通常很昂贵，具有复杂的软件和复杂的精度规格，但许多三坐标测量机每天都被操作员成功且高效地使用，即使是那些对三坐标测量机了解有限的人也是如此。与许多现代技术一样，CMM 的日常使用变得更加容易，而正确支持该技术所需的知识水平可能变得相当高。让我们仔细看看一些关键问题，以帮助操作员更好地了解和使用他们的 CMM。

1950 年代推出的第一台 CMM 是配备锥形圆柱探头的手动检测仪器，可用于快速测量二维孔之间的距离。这些早期 CMM 的目标是将数小时的布局检查时间减少到几分钟。虽然仍然与原始 CMM 有相似之处，但今天的现代 CMM 有许多不同的风格，以至于术语坐标测量系统，而不是机器，正在被更频繁地使用。传统的三轴坐标测量机仍然很受欢迎，但关节臂、激光跟踪仪、光学扫描仪、X 射线、先进的探测传感器以及高速在线测量系统和其他用于 3-D 测量的技术继续增长并改变传统的CMM市场。

CMM 校准

CMM 上的先进技术使理解 CMM 测量的准确性变得复杂。当我们考虑和管理任何测量过程的质量时，我们通常会关注两个独立的问题：一是测量设备的准确性，二是测量过程的准确性和可重复性。测量设备的准确性通常通过根据原始制造商规范进行适当的校准和验证来管理。三坐标测量机的情况相同，但标定更复杂。

简单的东西（例如量块）的校准很容易理解。它是一个长度标准，因此，您校准长度。对于测量长度的卡尺或千分尺，您可以校准它们以测量长度。三坐标测量机通常具有多个运动轴、多种探测传感器，并配备了几乎可以测量任何东西的软件。与量块或卡尺不同，您不能为 CMM 执行的每项测量任务单独校准 CMM，因为这在经济上不实用。单独校准三坐标测量机的机械部件也不是很有用，例如单个测量轴的精度或轴之间的垂直度，因为所有部件协同工作，它们对测量结果的影响很复杂。

相反，CMM 是通过在 CMM 的测量体积上执行一系列长度测量来校准的。自 1980 年代中期以来，已有详细记录的标准化测试程序，其中最新的是国际标准 ISO 10360-2:2009，该标准在美国被采用为 ASME B89.4.10360.2。初级测试简称为 E 测试，其中 E 代表指示误差。该测试涉及在测量体积和不同方向上进行 105 次不同的长度测量，然后将测试值与制造商规定的规格进行比较。用于 CMM 校准的最常见参考标准是步距规，它与一系列不同长度的量块没有什么不同。最新的 ISO 10360-2 标准也允许使用其他参考标准，例如在大型 CMM 中流行的激光干涉仪。

遵循 ISO 和 ASME 标准的 CMM 校准是一种整体系统验证。如果测试未通过一致性测试，则可能需要进行调整。为了完成调整，可能需要测量和校正额外的测量值，例如两个轴之间的垂直度。如果测试通过，则 CMM 操作员对 CMM 的总体总体精度有信心；但是，由于 CMM 可用于许多不同的任务，因此必须考虑了解由于 CMM 的特定用途而导致的额外错误。

CMM 重复性

在评估测量过程的质量时，完成某种类型的可重复性研究是相当普遍的。在许多行业中，这被称为量具重复性和再现性研究，或 GR&R。重复性研究的目的是在相对较短的时间内寻找测量过程中的变化，以补充设备校准的长期评估。任何 GR&R 或可重复性研究都需要设计为正确评估可能的变异来源，例如测量过程中的误差。对于传统的手动操作测量设备，操作员技能以及操作员与测量设备之间的交互是重要的，有时是最主要的误差源。对于全自动 CMM，这些错误源可能会消失。

对于任何自动测量过程，由于重复性研究的设计对真实的变化源不敏感，重复性可能看起来很小。对于 CMM，研究应包括校准探测传感器的影响（有时称为探头尖端鉴定）以及考虑分布和所取测量点数量的影响，例如采样策略。这两个误差源都特定于独特的测量任务，通常在 CMM 的校准中没有很好地涵盖。如果进行 GR&R 研究，可将重现性从研究不同的操作员改为研究不同的探针尖端校准。

温度补偿

如今，许多坐标测量机都配备了内置温度补偿系统。这些温度补偿系统可以出色地补偿和校正与 CMM 或被测部件不在标准参考温度 20°C (68°F) 相关的大热误差。但是，如果没有正确使用临时补偿系统，这些系统可能会引入极大的错误。

考虑一种情况，CMM 操作员通过忽略工件传感器或将工件热膨胀系数设置为零来决定不使用该系统。操作员可能会认为，他将改为遵循传统的良好测量实践，即在测量设备上热“浸泡”被测部件以使它们达到相同的温度，因此不需要纠正热误差。虽然这种方法在没有温度补偿的传统测量设备上已经使用了几十年，但操作员可能不知道温度补偿系统仍在积极工作以将 CMM 校正到 20°C，而工件没有被更正。忽略工件传感器的使用，会产生温差，这可能会导致非常大的未知误差。

对于带有温度补偿的坐标测量机，最好的方法是将工件温度传感器放置在被测零件上。如果这种方法不方便，那么可以将温度传感器放置在被测部件附近，例如，集成到固定该部件的某个夹具中。以这种方式，即使温度传感器不与零件接触，仍然可以对零件温度进行相对准确的测量。如果没有计划使用工件温度传感器，则应关闭整个系统，这通常只能由 CMM 制造商的服务工程师完成。

GD&T 问题

三坐标测量机上的测量软件引入了数字和计算测量方法的首次广泛使用。 CMM 软件具有基于几何尺寸和公差 (GD&T) 标准（如 ASME Y14.5）中的符号和含义的功能和按钮。虽然这在专家之间引发了很多关于什么是“正确”测量方法（如果存在的话）的争论，但对于 CMM 操作员来说更实际的问题是不同的方法或软件方法可以显着改变测量结果。两种不同的三坐标测量机，均在规范范围内运行且具有足够的可重复性，但由于操作员或软件中的选择，可能会产生截然不同的结果。

CMM 软件的开发人员希望找到一种最佳方法来测量任何特定的 GD&T 公差，一些公司甚至声称他们的测量软件“符合 ASME Y14.5”，但不幸的是，这是不可能且不正确的。 ASME Y14.5 等 GD&T 标准有定义工件设计的规则，而不是关于如何测量的规则，因此 ASME Y14.5 不是任何测量曾经或将永远遵守的标准。此外，每次测量的背后总是有一个目的，在确定最佳测量方法时必须考虑到这个目的。 CMM 软件的开发者需要提供一系列工具来满足许多不同用户的需求，并有应用工程师为他们的客户提供必要的指导。

即使在测量相似的零件或公差时，一个操作员的最佳测量方法可能与另一个操作员的测量方法大不相同。测量生产力、成本、法律风险和其他问题必须适当平衡，以找到最佳解决方案。良好的尺寸测量计划不容忽视，即使 CMM 上的按钮看起来很简单。测量计划可能是所有 CMM 操作员必须管理的最大实施问题。当今 CMM 中的硬件和软件选项广泛而强大，公司需要开发最佳操作实践以确保所有实施风险都得到管理。美国标准 ASME B89.7.2-2014 Dimensional Measurement Planning 是一个很好的测量规划指南。

未来的坐标测量机操作将与今天大不相同。先进的 CMM 软件已经可用，可以根据数字零件模型在几秒钟内生成测量程序。未来的 CMM 程序员将不必过多考虑如何测量特定零件，但他们需要了解计量和公差原则，以开发可用于所有 CMM 测量的最佳实践和测量规则。 CMM 技术不断进步，在提高精度、增加能力和减少测量时间方面的优势越来越大。对于 CMM，对于我们使用的任何技术，随着工具变得更加先进，支持的类型和级别也必须变得更加先进。

曾在《质量》杂志上发表过。