Czym jest współrzędnościowa maszyna pomiarowa?

Awspółrzędnościowa maszyna pomiarowa(CMM) to urządzenie, które mierzy geometrię obiektów fizycznych poprzez wykrywanie dyskretnych punktów na powierzchni obiektu za pomocą sondy. W CMM stosuje się różne typy sond, w tym mechaniczne, optyczne, laserowe i wykorzystujące światło białe. W zależności od maszyny, położenie sondy może być ręcznie kontrolowane przez operatora lub może być sterowane komputerowo. CMM zazwyczaj określają położenie sondy w kategoriach jej przemieszczenia od pozycji odniesienia w trójwymiarowym układzie współrzędnych kartezjańskich (tj. z osiami XYZ). Oprócz przesuwania sondy wzdłuż osi X, Y i Z, wiele maszyn umożliwia również kontrolowanie kąta sondy, aby umożliwić pomiar powierzchni, które w przeciwnym razie byłyby nieosiągalne.

Typowy 3D „most” CMM umożliwia ruch sondy wzdłuż trzech osi, X, Y i Z, które są ortogonalne względem siebie w trójwymiarowym kartezjańskim układzie współrzędnych. Każda oś ma czujnik, który monitoruje położenie sondy na tej osi, zazwyczaj z dokładnością do mikrometra. Gdy sonda styka się (lub w inny sposób wykrywa) z określonym miejscem na obiekcie, maszyna pobiera próbki z trzech czujników położenia, mierząc w ten sposób położenie jednego punktu na powierzchni obiektu, a także trójwymiarowy wektor wykonanego pomiaru. Ten proces jest powtarzany w razie potrzeby, przesuwając sondę za każdym razem, aby wytworzyć „chmurę punktów”, która opisuje interesujące obszary powierzchni.

Typowym zastosowaniem CMM jest proces produkcji i montażu w celu przetestowania części lub zespołu pod kątem zamierzeń projektowych. W takich zastosowaniach generowane są chmury punktów, które są analizowane za pomocą algorytmów regresji w celu skonstruowania cech. Punkty te są zbierane za pomocą sondy, która jest pozycjonowana ręcznie przez operatora lub automatycznie za pomocą Direct Computer Control (DCC). DCC CMM można zaprogramować do wielokrotnego pomiaru identycznych części; zatem zautomatyzowany CMM jest specjalistyczną formą robota przemysłowego.

Strony

Maszyny pomiarowe współrzędnościowe składają się z trzech głównych komponentów:

• Główna struktura, która obejmuje trzy osie ruchu. Materiał użyty do zbudowania ruchomej ramy zmieniał się na przestrzeni lat. Wczesne współrzędnościowe maszyny pomiarowe (CMM) były używane z granitu i stali. Obecnie wszyscy główni producenci współrzędnościowych maszyn pomiarowych (CMM) budują ramy ze stopu aluminium lub jego pochodnej, a także używają ceramiki, aby zwiększyć sztywność osi Z do zastosowań skaningowych. Niewielu producentów współrzędnościowych maszyn pomiarowych (CMM) nadal produkuje granitowe maszyny pomiarowe (CMM) ze względu na wymagania rynku dotyczące ulepszonej dynamiki metrologicznej i rosnący trend instalowania CMM poza laboratorium jakości. Zazwyczaj tylko producenci CMM o małej objętości i krajowi producenci w Chinach i Indiach nadal produkują granitowe CMM ze względu na podejście oparte na niskiej technologii i łatwe wejście na rynek budowy ram CMM. Rosnący trend w kierunku skanowania wymaga również, aby oś Z CMM była sztywniejsza, a wprowadzono nowe materiały, takie jak ceramika i węglik krzemu.
• System sondowania
• System zbierania i redukcji danych — zazwyczaj obejmuje sterownik maszyny, komputer stacjonarny i oprogramowanie aplikacyjne.

Dostępność

Maszyny te mogą być wolnostojące, ręczne i przenośne.

Dokładność

Dokładność maszyn do pomiaru współrzędnych jest zazwyczaj podawana jako współczynnik niepewności jako funkcja odległości. W przypadku CMM wykorzystującej sondę dotykową odnosi się to do powtarzalności sondy i dokładności skal liniowych. Typowa powtarzalność sondy może skutkować pomiarami w granicach 0,001 mm lub 0,00005 cala (pół dziesiątej) w całej objętości pomiarowej. W przypadku maszyn 3-, 3+2- i 5-osiowych sondy są rutynowo kalibrowane przy użyciu wzorców śledzalnych, a ruch maszyny jest weryfikowany przy użyciu wskaźników w celu zapewnienia dokładności.

Części szczegółowe

Korpus maszyny

Pierwszy CMM został opracowany przez Ferranti Company ze Szkocji w latach 50. XX wieku w wyniku bezpośredniej potrzeby pomiaru precyzyjnych komponentów w ich produktach wojskowych, chociaż maszyna ta miała tylko 2 osie. Pierwsze modele 3-osiowe zaczęły pojawiać się w latach 60. XX wieku (DEA we Włoszech), a sterowanie komputerowe zadebiutowało na początku lat 70. XX wieku, ale pierwszy działający CMM został opracowany i wprowadzony do sprzedaży przez Browne & Sharpe w Melbourne w Anglii. (Leitz Germany następnie wyprodukował stałą konstrukcję maszyny z ruchomym stołem.

W nowoczesnych maszynach nadbudowa typu gantry ma dwie nogi i jest często nazywana mostem. Porusza się ona swobodnie wzdłuż granitowego stołu, przy czym jedna noga (często nazywana wewnętrzną nogą) podąża za prowadnicą przymocowaną do jednej strony granitowego stołu. Przeciwległa noga (często zewnętrzna noga) po prostu spoczywa na granitowym stole, podążając za pionowym konturem powierzchni. Łożyska powietrzne są wybraną metodą zapewnienia ruchu bez tarcia. W nich sprężone powietrze jest wtłaczane przez szereg bardzo małych otworów w płaskiej powierzchni nośnej, aby zapewnić gładką, ale kontrolowaną poduszkę powietrzną, na której współrzędnościowa maszyna pomiarowa może poruszać się niemal bez tarcia, co można skompensować za pomocą oprogramowania. Ruch mostu lub gantry wzdłuż granitowego stołu tworzy jedną oś płaszczyzny XY. Most gantry zawiera wózek, który porusza się między wewnętrznymi i zewnętrznymi nogami i tworzy drugą poziomą oś X lub Y. Trzecia oś ruchu (oś Z) jest zapewniona przez dodanie pionowego wrzeciona lub tulei, które porusza się w górę i w dół przez środek wózka. Sonda dotykowa tworzy urządzenie pomiarowe na końcu pióra. Ruch osi X, Y i Z w pełni opisuje obwiednię pomiarową. Opcjonalne stoły obrotowe mogą być używane w celu zwiększenia dostępności sondy pomiarowej do skomplikowanych elementów obrabianych. Stół obrotowy jako czwarta oś napędowa nie zwiększa wymiarów pomiarowych, które pozostają trójwymiarowe, ale zapewnia pewien stopień elastyczności. Niektóre sondy dotykowe są same w sobie zasilanymi urządzeniami obrotowymi, których końcówka sondy może obracać się pionowo o ponad 180 stopni i przez pełne 360 ​​stopni obrotu.

Współrzędnościowe maszyny pomiarowe są teraz dostępne również w wielu innych formach. Należą do nich ramiona współrzędnościowe maszyny pomiarowe, które wykorzystują pomiary kątowe wykonywane w stawach ramienia do obliczenia położenia końcówki rysika i mogą być wyposażone w sondy do skanowania laserowego i obrazowania optycznego. Takie ramieniowe współrzędnościowe maszyny pomiarowe są często używane tam, gdzie ich przenośność jest zaletą w porównaniu z tradycyjnymi współrzędnościowymi maszynami pomiarowymi ze stałym łożem — poprzez przechowywanie zmierzonych lokalizacji oprogramowanie programistyczne umożliwia również przesuwanie samego ramienia pomiarowego i jego objętości pomiarowej wokół mierzonej części podczas rutynowego pomiaru. Ponieważ ramiona współrzędnościowe maszyny pomiarowej naśladują elastyczność ludzkiego ramienia, często są również w stanie dotrzeć do wnętrza złożonych części, których nie można było zbadać za pomocą standardowej maszyny trzyosiowej.

Sonda mechaniczna

Na początku pomiarów współrzędnościowych (CMM) sondy mechaniczne były mocowane w specjalnym uchwycie na końcu tulei. Bardzo powszechna sonda była wykonywana przez lutowanie twardej kuli do końca wału. Było to idealne rozwiązanie do pomiaru całego zakresu powierzchni płaskich, cylindrycznych lub sferycznych. Inne sondy były szlifowane do określonych kształtów, na przykład kwadrantu, aby umożliwić pomiar cech szczególnych. Sondy te były fizycznie przytrzymywane przy obrabianym przedmiocie, a ich położenie w przestrzeni było odczytywane z 3-osiowego cyfrowego odczytu (DRO) lub, w bardziej zaawansowanych systemach, rejestrowane w komputerze za pomocą przełącznika nożnego lub podobnego urządzenia. Pomiary wykonywane tą metodą kontaktową były często zawodne, ponieważ maszyny były przesuwane ręcznie, a każdy operator maszyny stosował różną siłę nacisku na sondę lub przyjmował różne techniki pomiaru.

Dalszym udoskonaleniem było dodanie silników do napędzania każdej osi. Operatorzy nie musieli już fizycznie dotykać maszyny, ale mogli napędzać każdą oś za pomocą skrzynki ręcznej z joystickami w taki sam sposób, jak w nowoczesnych samochodach zdalnie sterowanych. Dokładność i precyzja pomiaru uległy znacznej poprawie wraz z wynalezieniem elektronicznej sondy wyzwalającej dotyk. Pionierem tego nowego urządzenia sondy był David McMurtry, który następnie utworzył to, co obecnie jest Renishaw plc. Chociaż sonda była nadal urządzeniem kontaktowym, miała sprężynowy stalowy trzpień kulkowy (później kulkowy rubinowy). Gdy sonda dotykała powierzchni elementu, trzpień odchylał się i jednocześnie wysyłał informacje o współrzędnych X, Y, Z do komputera. Błędy pomiarowe powodowane przez poszczególnych operatorów stały się rzadsze, a scena została przygotowana na wprowadzenie operacji CNC i nadejście ery CMM.

Sondy optyczne to systemy soczewek CCD, które poruszają się jak mechaniczne i są skierowane na punkt zainteresowania, zamiast dotykać materiału. Przechwycony obraz powierzchni zostanie zamknięty w granicach okna pomiarowego, aż pozostałość będzie wystarczająca do kontrastu między strefami czerni i bieli. Krzywa podziału może zostać obliczona do punktu, który jest pożądanym punktem pomiarowym w przestrzeni. Informacje poziome na CCD są 2D (XY), a pozycja pionowa jest pozycją całego systemu sondowania na napędzie Z statywu (lub innym elemencie urządzenia).

Systemy sond skanujących

Istnieją nowsze modele, które mają sondy, które przesuwają się po powierzchni części, biorąc punkty w określonych odstępach, znane jako sondy skanujące. Ta metoda inspekcji CMM jest często dokładniejsza niż konwencjonalna metoda sondy dotykowej i najczęściej również szybsza.

Następna generacja skanowania, znana jako skanowanie bezkontaktowe, która obejmuje szybką triangulację pojedynczego punktu laserowego, skanowanie linii laserowej i skanowanie światłem białym, rozwija się bardzo szybko. Ta metoda wykorzystuje albo wiązki laserowe, albo białe światło, które są rzutowane na powierzchnię części. Następnie można pobrać wiele tysięcy punktów i użyć ich nie tylko do sprawdzenia rozmiaru i położenia, ale także do stworzenia obrazu 3D części. Te „dane chmury punktów” można następnie przesłać do oprogramowania CAD w celu stworzenia działającego modelu 3D części. Te skanery optyczne są często używane do miękkich lub delikatnych części lub do ułatwienia inżynierii odwrotnej.

Sondy mikrometrologiczne

Systemy sondowe do zastosowań w metrologii mikroskalowej to kolejny rozwijający się obszar. Istnieje kilka dostępnych komercyjnie współrzędnościowych maszyn pomiarowych (CMM), które mają mikrosonda zintegrowana z systemem, kilka specjalistycznych systemów w laboratoriach rządowych i wiele zbudowanych przez uniwersytety platform metrologicznych do metrologii mikroskalowej. Chociaż te maszyny są dobrymi, a w wielu przypadkach doskonałymi platformami metrologicznymi ze skalą nanometryczną, ich głównym ograniczeniem jest niezawodna, wytrzymała, wydajna sonda mikro/nano.^{[potrzebne źródło]}Wyzwania dla technologii sondowania mikroskalowego obejmują potrzebę sondy o dużym współczynniku kształtu, która umożliwia dostęp do głębokich, wąskich struktur przy niskich siłach styku, aby nie uszkodzić powierzchni, i przy wysokiej precyzji (na poziomie nanometrów).^{[potrzebne źródło]}Dodatkowo sondy mikroskalowe są wrażliwe na warunki środowiskowe, takie jak wilgotność, oraz oddziaływania powierzchniowe, np. tarcie (spowodowane między innymi przez siły adhezji, menisk i/lub siły van der Waalsa).^{[potrzebne źródło]}

Technologie umożliwiające sondowanie w mikroskali obejmują między innymi pomniejszoną wersję klasycznych sond CMM, sond optycznych i sondy fali stojącej. Jednak obecnych technologii optycznych nie można skalować na tyle, aby mierzyć głębokie, wąskie cechy, a rozdzielczość optyczna jest ograniczona przez długość fali światła. Obrazowanie rentgenowskie zapewnia obraz cechy, ale nie daje żadnych śledzalnych informacji metrologicznych.

Zasady fizyczne

Można używać sond optycznych i/lub sond laserowych (jeśli to możliwe w połączeniu), które zmieniają CMM w mikroskopy pomiarowe lub wieloczujnikowe maszyny pomiarowe. Systemy projekcji prążków, systemy triangulacji teodolitu lub systemy laserowe i triangulacyjne nie są nazywane maszynami pomiarowymi, ale wynik pomiaru jest taki sam: punkt przestrzenny. Sondy laserowe służą do wykrywania odległości między powierzchnią a punktem odniesienia na końcu łańcucha kinematycznego (tj. na końcu komponentu napędu Z). Może to wykorzystywać funkcję interferometryczną, zmianę ogniska, odchylenie światła lub zasadę cieniowania wiązki.

Przenośne współrzędnościowe maszyny pomiarowe

Podczas gdy tradycyjne współrzędnościowe maszyny pomiarowe wykorzystują sondę poruszającą się w trzech osiach kartezjańskich w celu pomiaru cech fizycznych obiektu, przenośne współrzędnościowe maszyny pomiarowe wykorzystują albo ramiona przegubowe, albo, w przypadku optycznych współrzędnościowych maszyn pomiarowych, bezramienne systemy skanujące, które wykorzystują metody triangulacji optycznej i umożliwiają całkowitą swobodę ruchu wokół obiektu.

Przenośne CMM z ramionami przegubowymi mają sześć lub siedem osi wyposażonych w enkodery obrotowe, zamiast osi liniowych. Ramiona przenośne są lekkie (zwykle mniej niż 20 funtów) i można je przenosić i używać niemal wszędzie. Jednak optyczne CMM są coraz częściej używane w przemyśle. Zaprojektowane z kompaktowymi kamerami liniowymi lub matrycowymi (takimi jak Microsoft Kinect), optyczne CMM są mniejsze niż przenośne CMM z ramionami, nie mają przewodów i umożliwiają użytkownikom łatwe wykonywanie pomiarów 3D wszystkich typów obiektów znajdujących się niemal wszędzie.

Niektóre niepowtarzalne aplikacje, takie jak inżynieria wsteczna, szybkie prototypowanie i inspekcja na dużą skalę części o wszystkich rozmiarach, idealnie nadają się do przenośnych CMM. Zalety przenośnych CMM są wielorakie. Użytkownicy mają elastyczność w wykonywaniu pomiarów 3D wszystkich typów części i w najbardziej odległych/trudnych lokalizacjach. Są łatwe w użyciu i nie wymagają kontrolowanego środowiska, aby wykonywać dokładne pomiary. Ponadto przenośne CMM są zazwyczaj tańsze niż tradycyjne CMM.

Nieodłącznymi wadami przenośnych CMM są obsługa ręczna (zawsze wymagają człowieka do ich obsługi). Ponadto ich ogólna dokładność może być nieco mniej dokładna niż dokładność CMM typu mostowego i jest mniej odpowiednia do niektórych zastosowań.

Maszyny pomiarowo-wielosensorowe

Tradycyjna technologia CMM wykorzystująca sondy dotykowe jest obecnie często łączona z innymi technologiami pomiarowymi. Obejmuje to czujniki laserowe, wideo lub światła białego, aby zapewnić to, co jest znane jako pomiar wieloczujnikowy.