释放三坐标测量机(CMM)全部潜能

50多年来，三坐标测量机(CMM)持续提升测量生产力和质量。CMM强大功能让许多复杂检测任务近乎微不足道。拥有如此测量能力，操作员是否把CMM视为理所当然？

CMM往往昂贵、软件复杂、精度规格繁杂，却许多CMM日常由操作员成功高效使用、甚至包括对CMM了解有限者。如同现代技术许多方面，CMM日常使用变易、而妥善支撑技术所需知识水平可能相当高。让我们仔细审视关键问题，助操作员更好理解、使用CMM。

1950年代推出，首批CMM为配锥形圆柱探头手动检测仪，可快速测量二维两孔间距离。早期CMM目标将数小时布局检测时间压缩至几分钟。虽仍与原始CMM相似，但今日现代CMM风格繁多，"坐标测量系统"而非"机器"一词使用更频。传统三轴CMM仍流行，但关节臂、激光跟踪仪、光学扫描仪、X射线、先进探测传感器、高速在线测量系统等3D测量技术持续增长改变传统CMM市场。

CMM校准

CMM先进技术使理解CMM测量精度复杂化。思考、管理任何测量过程质量时，我们常聚焦两个分离问题：一是测量设备精度，二是测量过程精度和重复性。测量设备精度常通过按原厂规格正确校准验证管理。CMM同理，但校准更复杂。

简单量块校准易理解。它是长度标准，故校准长度。游标卡尺、微米计测长度，校准其测长度。CMM常有多运动轴、多样探测传感器、配软件测几乎一切。不像量块或卡尺，无法为CMM执行每项测量任务单独校准，因不经济实用。单独校准CMM机械组件如单轴测量精度或轴间垂直度也无太大用处，因所有组件协同工作、其对测量结果影响复杂。

CMM改按ISO 10360-2:2009等标准化测试程序，在CMM测量体积内执行系列长度测量校准。自1980年代中期起有完善文档标准化测试程序，最新为国际标准ISO 10360-2:2009，美国采纳为ASME B89.4.10360.2。主要测试称E测试，E代表指示误差。测试涉及测量体积内各方向105次不同长度测量，再将测试值与制造商声明规格比对。CMM校准最常用基准为阶梯量规，类似不同长度量块系列。最新ISO 10360-2标准也允许激光干涉仪等其他基准，大型CMM常用。

按ISO和ASME标准CMM校准是整体系统验证。若测试不合格，可能需调整。完成调整可能需额外测量如两轴垂直度、并修正。若通过，CMM操作员对CMM整体总体精度有信心；然而CMM可用于许多不同任务，必须考虑理解因CMM特定用途产生的额外误差。

CMM重复性

评估测量过程质量时，常完成某种重复性研究。许多行业称量具重复性与再现性研究，即GR&R。重复性研究目的是在相对短时期内寻找测量过程变异，补充设备校准长期评估。任何GR&R或重复性研究需设计为适当评估可能变异源，如测量过程误差。传统手动测量设备中，操作员技能和操作员与测量设备交互重要、有时是最主导误差源。全自动CMM这些误差源可能消失。

任何自动测量过程，重复性可能因研究设计不敏感于真实变异源而显得很小。CMM研究应含探测传感器校准(有时称探针尖资格认定)影响、考虑测量点分布和数量影响如采样策略。这些误差源特定于唯一测量任务、一般不在CMM校准覆盖。若做GR&R研究，再现性可从研究不同操作员改为研究不同探针尖校准。

温度补偿

许多现代CMM配内置温度补偿系统。这些温补系统能惊人地补偿修正CMM或被测零件非标准参考温度20°C(68°F)相关大热误差。但若温补系统用不对，这些系统可引入极大误差。

考虑情况：CMM操作员决定忽略工件传感器或设工件热膨胀系数为零不使用系统。操作员可能想遵循传统好测量实践：在测量设备上热"浸出"被测零件使其达同温度、因此无需修正热误差。此法在无温补传统测量设备上奏效数十年，但操作员可能不知温补系统仍主动修正CMM仅CMM至20°C、而工件未被修正。忽略工件传感器用法制造温差、可能导致显著大未知误差。

带温补CMM最佳做法：将工件温度传感器放被测零件上。若不便，传感器可放近被测零件、如集成进夹持零件夹具。这样即使温度传感器非接触零件、仍可相对准确测量零件温度。若无计划用工件温度传感器，整个系统应关闭，通常仅CMM制造商服务工程师能做。

GD&T问题

CMM测量软件引入数字化计算测量方法首次广泛应用。CMM软件有基于几何尺寸公差(GD&T)标准如ASME Y14.5符号含义的功能按钮。虽在专家间引发"正确"测量方法何在大辩论(若存在)，对CMM操作员更实际问题是：不同方法或软件途径可显著改变测量结果。两台CMM均在规格内运行、有足够重复性，因操作员或软件选择可给出截然不同结果。

CMM软件开发者想修复测量任何特定GD&T公差单一最佳途径，一些公司甚至声称其测量软件"符合ASME Y14.5"，但遗憾的是不可能且不正确。GD&T标准如ASME Y14.5有规则定义工件设计、非规定如何测量，所以ASME Y14.5非任何测量曾或将遵从标准。此外，每次测量背后都有目的，确定最佳测量方法时必须考虑该目的。CMM软件开发者需提供工具阵列满足多样用户需求、并有应用工程师给客户必要指导。

对一操作员最佳测量方法可能与另一操作员截然不同、即使测相似零件公差。测量生产力、成本、法律风险等须适当平衡找最佳解决方案。良好尺寸测量规划不可忽视、即使CMM按钮让它看起来简单。测量规划或许是所有CMM操作员必须管理的最大实施问题。CMM今日软硬件选项浩瀚强大，公司需开发最佳操作实践确保所有实施风险被管控。良好测量规划指南为美国标准ASME B89.7.2-2014尺寸测量规划。

未来CMM操作将大异于今日。先进CMM软件已能基于数字零件模型秒级生成测量程序。未来CMM程序员无需多想如何测特定零件，但需理解计量和公差原则开发最佳实践测量规则、随后部署所有CMM测量。CMM技术持续进步、在精度提升、能力增加、测量时间减少上获益。对CMM如同我们用任何技术，工具越先进、支撑类型和水平也必须更先进。

本文曾刊登于Quality Magazine。