三次元測量儀簡介

2.2.1 三次元測量儀之定義及發展沿革

若一測量儀器能在空間三個相互垂直的導軌上移動，同時測量三度空 間中的尺寸（空間座標值），並且在空間範圍內能夠表現幾何形狀、長度及 圓周度量等量測能力的儀器，稱為「三次元測量儀」、「座標測量儀」或者

「三次元量床」。

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。

1971 年英國 Rolls．Royce 公司推出全方位接觸式之探針，而逐漸發展為數 位式三次元座標量測機，結合數控床台及其它量測方式，以至今日三次元 量測系統。

應用三次元測量儀，除了能提高測量效率與測量精準度外，對於複雜 的幾何形狀工件，使用三次元測量儀的效果更為理想。因此，精密機件的 檢驗工作上，三次元測量儀扮演著重要的角色，它是精密測量中，最快速 與準確的自動化測量儀器。

2.2.2 三次元測量儀之基本構造

三次元測量儀主要由本體結構、測頭機構和數據處理器三大部份組成。

1. 本體結構（如圖 2.1 所示）：

（1）軸向導引機構：由空氣軸承（或滾珠、滾子軸承）及導軌組成，

主要功能在承受荷載與引導測頭機構 X,Y,Z 軸方向之位移，以 確保軸向運動時維持量測精準度。

（2）量測系統：利用莫瑞（Moire）條紋編碼器或線性編碼器（線 性光學尺），讀取測頭機構在 X,Y,Z 軸三方向之空間位移量，並 轉換成電子訊號後傳至數據處理系統。

（3）進給機構：應用於 CNC 或馬達驅動式之三次元測量儀，構成型 式有三種：齒輪機構與齒條、無牙螺桿機構及磨擦輪機構，主 要功能是驅動測頭機構作 X,Y,Z 軸方向之位移動作。

（4）工作平台：一般為花崗石材質之平面，作承載及固定被測工件。

2. 數據處理機構：包括電腦硬體與測量軟體，功能為參數控制、儀器 操作的人機介面與量測數據的運算處理，及測量結果的呈現。

3. 測頭機構：測頭機構是三次元測量儀的核心所在，主要功能為偵測 被測工件表面對應位置，並同時產生電子訊號輸送至控制器及電 腦。可分為(1)接觸式測頭機構由測頭本體（Probe head）、電子感 應器（Sensor）、觸針（Stylus）所組成，它可作兩個軸向的旋轉以

圖 2.2 接觸式三次元測量儀測頭機構 電子感應器

Sensor 測頭本體

Probe head

觸針 Stylus

2.2.3 三次元測量儀之量測原理

本節以接觸式三次元測量儀為例說明量測原理。當伺服馬達依指令要 求，分別驅動 X、Y、Z 軸導引機構使得各軸產生位移，同時並連動測頭，

並以預設之速度接近工件表面，當測頭觸針觸及工件表面之瞬間電子感應 器產生觸發信號，該電子信號傳輸至處理器並計數三軸光學尺之當下位置 後再傳送至電腦，由直角座標系統可以得知測頭中心點之位置。接著，經

由程式軟體的演算，則可以得知被測工件幾何形狀的各點座標（x，y，z）

及各項功能量測結果，這些量測功能包括尺寸、位置度、幾何形狀偏差、

角度及輪廓度等。CNC 三次元測量儀系統迴路結構示意圖，如圖 2.3 所示。

接觸式之觸發式觸針之作用原理，如圖 2.4（a）所示為其觸針內部構 造，中間有彈簧為調整固定探針之版塊鬆緊和探針之靈敏度，每隔 120 度 有一組由一隻圓銷和兩個圓球所組成之串聯電路。在任何位置及方向，當 探針觸及工件時，任何一組圓銷和圓球間，因其探針偏離原來的中心位置 至某一程度使接觸點有間隙時即形成斷電，如圖 2.4（b），此時即發生觸發 信號，並送出至處理器而完成座標值之擷取。

2.2.4 三次元測量儀之優點 三次元測量儀之優點如下：

1.測頭可以沿空間之 X、Y、Z 三個軸向任意位移，不受被測工件外形限 制，且以直角座標系或極座標系表示所在位置。

2.在被測工作任何的位置，可以設定座標系原點，並且以間接計算法計 算出測量結果，增加測量的功能與使用彈性。

3.應用電腦數據處理機，快速準確的計算出測量值，配合教導式程式或 預先撰寫程式使測量工作自動化。

4.幾何形狀複雜的工件或細小的工件，皆可以做精確的測量。

5.檢驗時間可大幅縮減，增加測量效率。

6.當被測工件屬軟性材質時，可以非接觸式測頭來測量，尺寸精度可獲