Co to jest maszyna pomiarowa współrzędnych?

Awspółrzędna maszyna pomiarowa(CMM) jest urządzeniem, które mierzy geometrię obiektów fizycznych, wykrywając dyskretne punkty na powierzchni obiektu z sondą. Różne rodzaje sond są stosowane w CMM, w tym światło mechaniczne, optyczne, laserowe i białe. W zależności od maszyny pozycja sondy może być ręcznie kontrolowana przez operatora lub może być kontrolowana komputerowo. CMM zazwyczaj określa pozycję sondy pod względem jej przemieszczenia z pozycji odniesienia w trójwymiarowym systemie współrzędnych kartezjańskich (tj. Z osiami XYZ). Oprócz przesuwania sondy wzdłuż osi X, Y i Z, wiele maszyn umożliwia kontrolowanie kąta sondy, aby umożliwić pomiar powierzchni, które w przeciwnym razie byłyby nieosiągalne.

Typowy „most” 3D CMM umożliwia ruch sondy wzdłuż trzech osi, X, Y i Z, które są do siebie ortogonalne w trójwymiarowym układzie współrzędnych kartezjańskich. Każda oś ma czujnik, który monitoruje położenie sondy na tej osi, zwykle z precyzją mikrometru. Gdy sonda kontaktuje się (lub w inny sposób wykrywa) określoną lokalizację obiektu, maszyna próbuje trzy czujniki położenia, mierząc w ten sposób położenie jednego punktu na powierzchni obiektu, a także 3-wymiarowy wektor przeprowadzonego pomiaru. Proces ten powtarza się w razie potrzeby, za każdym razem przesuwając sondę, aby wytworzyć „chmurę punktową”, która opisuje powierzchnię interesujących.

Powszechnym zastosowaniem CMMS polega na procesach produkcyjnych i montażowych w celu przetestowania części lub montażu w stosunku do intencji projektowej. W takich zastosowaniach generowane są chmury punktowe, które są analizowane za pomocą algorytmów regresji dla budowy cech. Punkty te są gromadzone za pomocą sondy, która jest ustawiana ręcznie przez operatora lub automatycznie za pomocą bezpośredniej kontroli komputera (DCC). DCC CMM można zaprogramować do wielokrotnego mierzenia identycznych części; Zatem zautomatyzowany CMM jest wyspecjalizowaną formą robota przemysłowego.

Strony

Maszyny do pomiaru współrzędnych obejmują trzy główne komponenty:

• Główna struktura, która obejmuje trzy osie ruchu. Materiał użyty do konstruowania poruszającej się ramki zmieniał się na przestrzeni lat. Granit i stal zastosowano we wczesnych CMM. Dziś wszyscy główni producenci CMM budują ramki ze stopu aluminium lub jakiejś pochodnej, a także używają ceramiki do zwiększenia sztywności osi Z do zastosowań skanowania. Kilka budowniczych CMM nadal produkuje granitową ramę CMM ze względu na wymagania rynkowe dotyczące ulepszonej dynamiki metrologii i rosnącego trendu w instalacji CMM poza Laboratorium Jakości. Zazwyczaj tylko budowniczowie CMM i producentów krajowych w Chinach i Indiach nadal produkują granitowe CMM ze względu na niskie podejście technologiczne i łatwe wejście, aby stać się budowniczym ramek CMM. Rosnąca tendencja do skanowania wymaga również, aby oś CMM z była sztywniejsza i wprowadzono nowe materiały, takie jak ceramiczny i krzemowy węglik.
• System sondowania
• System gromadzenia i redukcji danych - zazwyczaj obejmuje kontroler maszyny, komputer stacjonarny i oprogramowanie do aplikacji.

Dostępność

Maszyny te mogą być wolne, ręczne i przenośne.

Dokładność

Dokładność maszyn pomiarowych współrzędnych jest zazwyczaj podawana jako czynnik niepewności jako funkcja na odległości. W przypadku CMM za pomocą sondy dotykowej odnosi się to do powtarzalności sondy i dokładności skal liniowych. Typowa powtarzalność sondy może powodować pomiary w granicach 0,001 mm lub 0,00005 cala (pół dziesiątej) w całej objętości pomiaru. Dla maszyn 3, 3+2 i 5 osi sondy są rutynowo kalibrowane przy użyciu identyfikowalnych standardów, a ruch maszynowy jest weryfikowany za pomocą wskaźników w celu zapewnienia dokładności.

Określone części

Korpus maszyny

Pierwszy CMM został opracowany przez Ferranti Company of Scotland w latach 50. XX wieku w wyniku bezpośredniej potrzeby pomiaru precyzyjnych komponentów w ich produktach wojskowych, chociaż ta maszyna miała tylko 2 osie. Pierwsze 3-osiowe modele zaczęły pojawiać się w latach 60. XX wieku (DEA z Włoch) i Computer Control zadebiutowało na początku lat 70. XX wieku, ale pierwsza działająca CMM została opracowana i wprowadzona do sprzedaży przez Browne & Sharpe w Melbourne w Anglii. (Leitz Niemcy następnie opracowali stałą konstrukcję maszyny z ruchomym stołem.

W nowoczesnych maszynach nadbudowa typu Gantry ma dwie nogi i często nazywana jest mostem. To porusza się swobodnie wzdłuż granitowego stołu z jedną nogą (często określaną jako noga wewnętrzna) po szynie prowadzącej przymocowanej z jednej strony stołu granitowego. Przeciwna noga (często zewnętrzna noga) po prostu spoczywa na granitowym stole po pionowym konturze powierzchni. Łożyska powietrzne są wybraną metodą zapewnienia podróży bez tarcia. W tym, sprężone powietrze jest wymuszane przez serię bardzo małych otworów na płaskiej powierzchni łożyska, aby zapewnić gładką, ale kontrolowaną poduszkę powietrzną, na której CMM może poruszać się w niemal bez tarcia, który można zrekompensować za pośrednictwem oprogramowania. Ruch mostu lub bramka wzdłuż granitowej tabeli tworzy jedną oś płaszczyzny XY. Most bramki zawiera powóz, który przemierza się między nogami wewnętrznymi i zewnętrznymi i tworzy drugą osi poziomą X lub Y. Trzecia oś ruchu (oś Z) jest dostarczana przez dodanie pionowej piórek lub wrzeciona, które porusza się w górę i w dół przez środek wózka. Sonda dotykowa tworzy urządzenie wykrywające na końcu piór. Ruch osi X, Y i Z w pełni opisuje kopertę pomiarową. Można zastosować opcjonalne tabele obrotowe w celu zwiększenia podejścia do sondy pomiarowej do skomplikowanych obrabiów. Tabela obrotowa jako czwarta oś napędowa nie zwiększa wymiarów pomiarowych, które pozostają 3D, ale zapewnia stopień elastyczności. Niektóre sondy dotykowe same są zasilane urządzeniami obrotowymi z końcówką sondy zdolną do obrócenia się pionowo przez ponad 180 stopni i przez pełny obrót 360 stopni.

CMM są teraz również dostępne w różnych innych formach. Obejmują one ramiona CMM, które wykorzystują pomiary kątowe wykonane w połączeniach ramienia w celu obliczenia pozycji końcówki rysika i mogą być wyposażone w sondy do skanowania laserowego i obrazowania optycznego. Takie CMM ramion są często używane tam, gdzie ich przenośność jest zaletą nad tradycyjnym stałym łóżkiem CMM- poprzez przechowywanie zmierzonych lokalizacji, oprogramowanie do programowania pozwala również na przesunięcie samego ramienia pomiaru i jego objętości pomiaru, wokół części, która ma być mierzona podczas rutyny pomiarowej. Ponieważ ramiona CMM naśladują elastyczność ludzkiego ramienia, często są również w stanie dotrzeć do wnętrza złożonych części, których nie można było sondować za pomocą standardowej maszyny z trzema osi.

Sonda mechaniczna

We wczesnych dniach pomiaru współrzędnych (CMM) sondy mechaniczne zamontowano w specjalnym uchwycie na końcu piórek. Bardzo powszechna sonda została wykonana przez lutowanie twardej piłki do końca szybu. Było to idealne do pomiaru całego zakresu płaskiej twarzy, cylindrycznych lub sferycznych powierzchni. Inne sondy były podłożone do określonych kształtów, na przykład kwadrancie, aby umożliwić pomiar cech specjalnych. Sondy te zostały fizycznie trzymane w stosunku do obrabiania, a pozycja w przestrzeni odczytała z 3-osiowego odczytu cyfrowego (DRO) lub, w bardziej zaawansowanych systemach, logowano się do komputera za pomocą przełączania nożnego lub podobnego urządzenia. Pomiary wykonane tą metodą kontaktową były często niewiarygodne, ponieważ maszyny zostały przeniesione ręcznie, a każdy operator maszyny zastosował różne ilości nacisku na sondę lub przyjął różne techniki pomiaru.

Kolejnym rozwojem było dodanie silników do prowadzenia każdej osi. Operatorzy nie musieli już fizycznie dotykać maszyny, ale mogli prowadzić każdą oś za pomocą skrzynki ręcznej z joysticksami w taki sam sposób, jak w przypadku nowoczesnych samochodów z zdalnie sterowanymi. Dokładność pomiaru i precyzja dramatycznie poprawiły się wraz z wynalezieniem elektronicznej sondy dotyku. Pionierem tego nowego urządzenia sondy był David McMurtry, który następnie utworzył to, co jest obecnie Renishaw Plc. Chociaż nadal jest urządzeniem kontaktowym, sonda miała wiosenną stalową kulkę (późniejsza rubinowa kulka). Gdy sonda dotknęła powierzchni komponentu, rysik odchylił się i jednocześnie wysłał informacje o współrzędnych x, y, z. Błędy pomiarowe spowodowane przez poszczególnych operatorów stały się mniejsze, a etap został ustalony na wprowadzenie operacji CNC i osiągnięcia wieku CMM.

Sondy optyczne to systemy soczewek-CCD, które są poruszane jak mechaniczne, i są celowane w interesie, zamiast dotykać materiału. Zrejestrowany obraz powierzchni zostanie zamknięty w granicach okna pomiarowego, aż pozostałość będzie odpowiednia do kontrastu między strefami czarnych i białych. Krzywa podziału można obliczyć do punktu, który jest poszukiwanym punktem pomiarowym w przestrzeni. Informacje poziome na CCD to 2D (XY), a pozycja pionowa to położenie kompletnego systemu sondowania na napędu Z-Drive (lub innego komponentu urządzenia).

Systemy sond skanujących

Istnieją nowsze modele, które mają sondy, które przeciągają się wzdłuż powierzchni części zajmującej części w określonych odstępach czasu, zwanych sondami skaningowymi. Ta metoda kontroli CMM jest często dokładniejsza niż konwencjonalna metoda dotykowa, a większość razy szybsza.

Nowa generacja skanowania, znana jako skanowanie niekonaktowe, które obejmuje triangulację z pojedynczym punktem laserowym, skanowanie linii laserowej i skanowanie białego światła, rozwija się bardzo szybko. Ta metoda wykorzystuje wiązki laserowe lub białe światło, które są rzutowane na powierzchnię części. Wiele tysięcy punktów można następnie wziąć i użyć nie tylko do sprawdzenia rozmiaru i pozycji, ale także do utworzenia obrazu 3D części. Te „dane punktowe” można następnie przenieść do oprogramowania CAD, aby utworzyć działający model 3D części. Te skanery optyczne są często używane na miękkich lub delikatnych częściach lub w celu ułatwienia inżynierii wstecznej.

Sondy mikrometrologii

Systemy sondowania do zastosowań metrologii mikroskali to kolejny wschodzący obszar. Istnieje kilka dostępnych w handlu maszyn do pomiaru współrzędnych (CMM), które zintegrowane z systemem zintegrowanym z systemem, kilka systemów specjalistycznych w laboratoriach rządowych oraz dowolną liczbę platform metrologii zbudowanej na uniwersytecie do metrologii mikroskali. Chociaż maszyny te są dobre, aw wielu przypadkach doskonałe platformy metrologiczne o skalach nanometrycznych, ich pierwotne ograniczenie jest niezawodna, solidna, zdolna sonda mikro/nano.^{[Potrzebne cytowanie]}Wyzwania dla technologii sondowania mikroskali obejmują potrzebę sondy o wysokim współczynniku kształtu, co daje możliwość dostępu do głębokich, wąskich cech o siłach o niskim kontakcie, aby nie uszkodzić powierzchni i wysokiej precyzji (poziom nanometru).^{[Potrzebne cytowanie]}Dodatkowo sondy mikroskalowe są podatne na warunki środowiskowe, takie jak wilgotność i interakcje powierzchniowe, takie jak między innymi staw (spowodowana przyczepnością, łąkotką i/lub van der Waals).^{[Potrzebne cytowanie]}

Technologie do osiągnięcia sondowania mikroskali obejmują między innymi skalowaną wersję klasycznych sond CMM, sondy optyczne i sondy fali stojącej. Jednak obecne technologie optyczne nie mogą być wystarczająco małe, aby zmierzyć głęboką, wąską cechę, a rozdzielczość optyczna jest ograniczona długością fali światła. Obrazowanie rentgenowskie zapewnia obraz tej funkcji, ale nie można prześledzić informacji o metrologii.

Zasady fizyczne

Można zastosować sondy optyczne i/lub sondy laserowe (jeśli to możliwe w kombinacji), które zmieniają CMM na pomiar mikroskopów lub maszyn pomiarowych wieloczużników. Systemy projekcji grzywnej, teodolitowe systemy triangulacji lub systemy laserowe i systemy triangulacyjne nie są nazywane maszynami pomiarowymi, ale wynik pomiaru jest taki sam: punkt przestrzeni. Sondy laserowe są używane do wykrycia odległości między powierzchnią a punktem odniesienia na końcu łańcucha kinematycznego (tj.: Koniec komponentu napędu Z). Może to zastosować funkcję interferometryczną, zmianę ostrości, ugięcie światła lub zasadę cieniowania wiązki.

Przenośne maszyny do pomiaru współrzędnych

Podczas gdy tradycyjne CMM używają sondy, która porusza się na trzech osiach kartezjańskich do pomiaru cech fizycznych obiektu, przenośne CMM używają albo ramion przegubowych lub, w przypadku optycznych CMM, systemów skanowania bez ramienia, które wykorzystują metody triangulacji optycznej i umożliwiają całkowitą swobodę ruchu wokół obiektu.

Przenośne CMM z wyartykułowanymi ramionami mają sześć lub siedem osi wyposażonych w enkodery obrotowe, zamiast osi liniowych. Przenośne ramiona są lekkie (zwykle mniejsze niż 20 funtów) i mogą być przenoszone i używane prawie wszędzie. Jednak w branży cmm są coraz częściej stosowane. Zaprojektowany z kompaktowymi kamerami liniowymi lub macierzy (jak Microsoft Kinect), optyczne CMM są mniejsze niż przenośne CMM z ramionami, nie ma przewodów i umożliwiają użytkownikom łatwe podejmowanie pomiarów 3D wszystkich rodzajów obiektów znajdujących się prawie wszędzie.

Niektóre nierepetyczne zastosowania, takie jak inżynieria wsteczna, szybkie prototypowanie i duża kontrola części wszystkich rozmiarów, idealnie nadają się do przenośnych CMM. Korzyści z przenośnych CMM są wielokrotnie. Użytkownicy mają elastyczność w podejmowaniu pomiarów 3D wszystkich rodzajów części i w najbardziej zdalnych/trudnych lokalizacjach. Są łatwe w użyciu i nie wymagają kontrolowanego środowiska, aby podejmować dokładne pomiary. Ponadto przenośne CMM zwykle kosztują mniej niż tradycyjne CMM.

Warunkowymi kompromisami przenośnych CMM są obsługą ręczną (zawsze wymagają od człowieka do ich użycia). Ponadto ich ogólna dokładność może być nieco mniej dokładna niż w przypadku mostu CMM i jest mniej odpowiednia do niektórych zastosowań.

Maszyny do pomiaru multisensor

Tradycyjna technologia CMM przy użyciu sond dotykowych jest dziś często łączyła się z inną technologią pomiaru. Obejmuje to czujniki lasera, wideo lub białego światła, aby zapewnić tak zwany pomiar multisensorowy.