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量測基礎閱讀時間 13 分鐘

解析度 0.001 的量具,不代表你量得到 0.001

「這個公差 ±0.01,我們的卡尺夠嗎?」這個問題的答案通常是不夠,但真正的原因不是解析度不夠。

Wikimedia Commons・Example of a Cylindrical Coordinate Measuring Machine・CC BY-SA 4.0

01四個常被混用的詞

名詞定義白話
解析度儀器能顯示的最小增量螢幕上跳一格是多少
準確度量測值與真值的接近程度有沒有系統性偏掉
精密度/重複性同條件重複量測的分散程度量十次會不會都一樣
不確定度量測結果可信區間的量化描述這個數字可以相信到多少
解析度是規格書上最好看的數字,也是最沒有意義的一個。

一支解析度 0.01 mm 的數位卡尺,實際的量測不確定度可能是 0.03 mm 以上,量測力、阿貝誤差、溫度、操作者的手感都會進來。這些誤差來源不會顯示在螢幕上。

阿貝原則

阿貝(Abbe)原則說:量測軸應該與被測長度在同一條直線上。卡尺違反這個原則,刻度尺在下方,量爪伸出去很遠,量爪只要有一點傾斜,誤差就會被放大。這也是為什麼分厘卡(符合阿貝原則)在相同解析度下比卡尺準得多。

02GR&R:量測系統本身的變異

GR&R(Gauge Repeatability and Reproducibility)把量測系統的變異拆成兩塊:重複性是同一個人用同一支量具量同一件的分散,再現性是不同人量同一件的差異。

%GR&R判定處置
< 10%可接受可用於製程管制
10% ~ 30%有條件接受視應用重要性與改善成本決定
> 30%不可接受必須改善量測系統
AIAG MSA 的判定門檻。%GR&R 是量測變異相對於公差帶或總變異的比例。

03常見量具的適用範圍

量具典型解析度典型不確定度適用
游標卡尺0.02 / 0.01 mm±0.03 mm現場快速確認、粗公差
外徑分厘卡0.001 mm±0.004 mm外徑、板厚、IT7 以上
槓桿量表0.001 mm±0.003 mm(比較式)偏轉、平行度、找正
塊規(0 級)±0.1 μm 級校正基準
投影機/影像量測0.001 mm±0.002 mm二維輪廓、大量特徵
三次元量床 CMM0.0001 mmMPE 依機型三維形體、幾何公差
圓度儀0.01 μm亞微米級真圓度、圓柱度
數值為一般範圍,實際依機型、量程與環境條件而異。

接觸式與非接觸式

  • 接觸式不受表面顏色與光澤影響、可追溯性成熟;但每點都要碰一次,量複雜輪廓很慢,而且薄件、軟件會被量測力壓出誤差。
  • 影像式一次可取得數百個尺寸,適合板件與沖壓件;但量不到高度資訊,且邊緣判定受表面狀態與打光影響。
  • 雷射/共焦可量到深孔與高反差表面,但對高斜率面與透明材料容易失真。

04溫度:最容易被忽略的變數

國際標準的量測參考溫度是 20 °C。鋼的線膨脹係數約 11.7 μm/(m·K),鋁約 23 μm/(m·K)。一根 500 mm 的鋁件,室溫從 20 °C 升到 28 °C,長度就變了約 92 μm,遠大於多數配合公差。

材料線膨脹係數 (μm/m·K)500 mm 件溫升 8°C 的變化
碳鋼11.747 μm
不鏽鋼 30417.369 μm
鋁合金23.192 μm
黃銅19.076 μm
鑄鐵10.542 μm
所以精密量測要恆溫,而且工件要與環境均溫後才量。

05怎麼決定用什麼量

  1. 先看形體。二維輪廓還是三維形體?有沒有幾何公差需要基準?
  2. 再看公差帶。目標是讓量測系統的變異小於公差帶的十分之一。
  3. 然後看產能。抽驗還是全檢?一天幾件?節拍多長?
  4. 最後看可追溯性。客戶要不要求檢驗報告、要不要校正證書。

答案通常會自己收斂:三維、緊公差、抽驗 → CMM;二維、大量、全檢 → 影像式;現場快速確認 → 卡尺與分厘卡永遠有它的位置。