Awspółrzędnościowa maszyna pomiarowa(CMM) to urządzenie mierzące 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 sterowane ręcznie przez operatora lub komputerowo. W CMM położenie sondy zazwyczaj określa się jako jej przesunięcie względem punktu odniesienia w trójwymiarowym kartezjańskim układzie współrzędnych (tj. z osiami X, Y i Z). Oprócz przesuwania sondy wzdłuż osi X, Y i Z, wiele maszyn umożliwia również sterowanie kątem nachylenia sondy, co pozwala na pomiar powierzchni, które w innym przypadku byłyby nieosiągalne.
Typowa trójwymiarowa współrzędnościowa maszyna pomiarowa typu „bridge” umożliwia ruch sondy wzdłuż trzech osi: X, Y i Z, które są do siebie prostopadłe w trójwymiarowym kartezjańskim układzie współrzędnych. Każda oś posiada czujnik, który monitoruje położenie sondy na tej osi, zazwyczaj z dokładnością do mikrometrów. Gdy sonda zetknie się z określonym miejscem na obiekcie (lub w inny sposób je wykryje), maszyna pobiera dane z trzech czujników położenia, mierząc w ten sposób położenie jednego punktu na powierzchni obiektu, a także trójwymiarowy wektor wykonanego pomiaru. Proces ten jest powtarzany w razie potrzeby, przesuwając sondę za każdym razem, aby utworzyć „chmurę punktów” opisującą interesujące obszary powierzchni.
Współrzędnościowe maszyny pomiarowe (CMM) są powszechnie stosowane w procesach produkcyjnych i montażowych, aby testować część lub zespół pod kątem zgodności z założeniami projektowymi. W takich zastosowaniach generowane są chmury punktów, które są analizowane za pomocą algorytmów regresji w celu konstruowania cech. Punkty te są zbierane za pomocą sondy pozycjonowanej ręcznie przez operatora lub automatycznie za pomocą bezpośredniego sterowania komputerowego (DCC). Współrzędnościowe maszyny pomiarowe DCC można zaprogramować do wielokrotnego pomiaru identycznych części; zatem zautomatyzowany CMM jest wyspecjalizowaną formą robota przemysłowego.
Strony
Maszyny pomiarowe współrzędnościowe składają się z trzech głównych komponentów:
- Główna struktura, która obejmuje trzy osie ruchu. Materiał użyty do budowy ruchomej ramy zmieniał się na przestrzeni lat. Wczesne współrzędnościowe maszyny pomiarowe (CMM) były używane z granitu i stali. Obecnie wszyscy główni producenci CMM budują ramy ze stopu aluminium lub jego pochodnych, a także używają ceramiki, aby zwiększyć sztywność osi Z w zastosowaniach skanowania. Niewielu producentów CMM nadal produkuje CMM z ramą granitową ze względu na wymagania rynku dotyczące lepszej dynamiki metrologicznej i rosnący trend instalowania CMM poza laboratorium kontroli jakości. Zazwyczaj tylko producenci CMM o małej liczbie serii oraz krajowi producenci w Chinach i Indiach nadal produkują CMM z granitu ze względu na niskie podejście technologiczne i łatwe wejście na rynek producentów ram CMM. Rosnący trend w kierunku skanowania wymaga również, aby oś Z CMM była sztywniejsza, a do produkcji wprowadzono nowe materiały, takie jak ceramika i węglik krzemu.
- System sondowania
- System zbierania i redukcji danych — zwykle obejmuje sterownik maszyny, komputer stacjonarny i oprogramowanie aplikacyjne.
Dostępność
Maszyny te mogą być wolnostojące, ręczne i przenośne.
Dokładność
Dokładność współrzędnościowych maszyn pomiarowych jest zazwyczaj podawana jako współczynnik niepewności w funkcji odległości. W przypadku współrzędnościowej maszyny pomiarowej (CMM) wykorzystującej sondę stykową, odnosi się to do powtarzalności sondy i dokładności podziałek liniowych. Typowa powtarzalność sondy może dawać pomiary z dokładnością do 0,001 mm lub 0,00005 cala (pół dziesiątej) w całym zakresie pomiarowym. W przypadku maszyn 3-, 3+2- i 5-osiowych sondy są rutynowo kalibrowane za pomocą wzorców identyfikowalnych, a ruch maszyny jest weryfikowany za pomocą przyrządów pomiarowych w celu zapewnienia dokładności.
Konkretne części
Korpus maszyny
Pierwsza współrzędnościowa maszyna pomiarowa (CMM) została opracowana przez firmę Ferranti Company ze Szkocji w latach 50. XX wieku w odpowiedzi na bezpośrednią potrzebę pomiaru precyzyjnych komponentów w produktach wojskowych, chociaż maszyna ta miała tylko 2 osie. Pierwsze modele 3-osiowe pojawiły się w latach 60. XX wieku (DEA we Włoszech), a sterowanie komputerowe pojawiło się na początku lat 70. XX wieku, ale pierwsza działająca współrzędnościowa maszyna pomiarowa (CMM) została opracowana i wprowadzona do sprzedaży przez Browne & Sharpe w Melbourne w Anglii. (Firma Leitz Germany wyprodukowała następnie maszynę o stałej konstrukcji z ruchomym stołem).
W nowoczesnych maszynach, nadbudowa typu gantry ma dwa ramiona i jest często nazywana mostem. Porusza się ona swobodnie wzdłuż granitowego stołu, przy czym jedno ramię (często nazywane ramieniem wewnętrznym) podąża za prowadnicą przymocowaną do jednej strony granitowego stołu. Przeciwległe ramię (często ramię zewnętrzne) po prostu spoczywa na granitowym stole, podążając za pionowym konturem powierzchni. Łożyska powietrzne są wybraną metodą zapewnienia ruchu bez tarcia. W łożyskach sprężone powietrze jest wtłaczane przez szereg bardzo małych otworów w płaskiej powierzchni nośnej, co zapewnia 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. Mostek gantry zawiera wózek, który przemieszcza się między ramionami wewnętrznymi i zewnętrznymi, tworząc drugą poziomą oś X lub Y. Trzecia oś ruchu (oś Z) jest zapewniona przez dodanie pionowego tulei lub wrzeciona, które porusza się w górę i w dół przez środek wózka. Sonda dotykowa stanowi element pomiarowy na końcu tulei pomiarowej. Ruch osi X, Y i Z w pełni opisuje zakres pomiarowy. Opcjonalne stoły obrotowe mogą być stosowane w celu zwiększenia dostępności sondy pomiarowej do skomplikowanych detali. Stół obrotowy jako czwarta oś napędowa nie zwiększa wymiarów pomiarowych, które pozostają trójwymiarowe, ale zapewnia pewien stopień elastyczności. Niektóre sondy dotykowe same w sobie są zasilanymi urządzeniami obrotowymi, a końcówka sondy może obracać się pionowo o ponad 180 stopni i o pełne 360 stopni.
Współrzędnościowe maszyny pomiarowe (CMM) są obecnie dostępne również w wielu innych formach. Należą do nich ramiona CMM, które wykorzystują pomiary kątowe wykonywane w stawach ramienia do obliczenia położenia końcówki trzpienia pomiarowego, a także mogą być wyposażone w sondy do skanowania laserowego i obrazowania optycznego. Takie ramiona CMM są często stosowane tam, gdzie ich mobilność stanowi przewagę nad tradycyjnymi współrzędnościowymi maszynami pomiarowymi ze stałym łożem – poprzez zapisywanie zmierzonych lokalizacji, oprogramowanie umożliwia również przesuwanie samego ramienia pomiarowego i jego objętości pomiarowej wokół mierzonej części podczas procedury pomiarowej. Ponieważ ramiona CMM naśladują elastyczność ludzkiego ramienia, często są w stanie dotrzeć do wnętrza złożonych części, których nie dałoby się zbadać za pomocą standardowej maszyny trójosiowej.
Sonda mechaniczna
We wczesnych dniach pomiarów współrzędnościowych (CMM), sondy mechaniczne umieszczano w specjalnym uchwycie na końcu tulei pomiarowej. Bardzo powszechna sonda była wykonywana przez lutowanie twardej kulki 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 dociskane do przedmiotu obrabianego, a ich położenie w przestrzeni odczytywano z 3-osiowego cyfrowego odczytu (DRO) lub, w bardziej zaawansowanych systemach, rejestrowano 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 przykładał różną siłę nacisku na sondę lub stosował różne techniki pomiaru.
Kolejnym udoskonaleniem było dodanie silników do napędzania każdej osi. Operatorzy nie musieli już fizycznie dotykać maszyny, lecz mogli sterować każdą osią za pomocą skrzynki ręcznej z joystickami, podobnie jak w nowoczesnych zdalnie sterowanych samochodach. Dokładność i precyzja pomiaru uległy znacznej poprawie wraz z wynalezieniem elektronicznej sondy dotykowej. Pionierem tego nowego urządzenia pomiarowego był David McMurtry, który następnie założył firmę, która obecnie nazywa się Renishaw plc. Chociaż sonda była nadal urządzeniem kontaktowym, posiadała sprężynowy trzpień z kulką stalową (później kulką rubinową). 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, co umożliwiło wprowadzenie operacji CNC i nadejście ery maszyn współrzędnościowych (CMM).
Zautomatyzowana głowica sondy z silnikiem i sondą z elektronicznym wyzwalaczem dotykowym
Sondy optyczne to układy soczewkowo-CCD, które poruszają się podobnie jak mechaniczne i są skierowane na punkt zainteresowania, zamiast dotykać materiału. Zarejestrowany obraz powierzchni będzie zamknięty w granicach okna pomiarowego, aż do momentu, gdy resztka będzie wystarczająca do uzyskania kontrastu między strefami czerni i bieli. Krzywa podziału może być obliczona dla punktu, który jest pożądanym punktem pomiarowym w przestrzeni. Informacje poziome na matrycy CCD są dwuwymiarowe (XY), a położenie pionowe to położenie całego układu sondy względem napędu Z statywu (lub innego elementu urządzenia).
Systemy sond skanujących
Nowsze modele wyposażone są w sondy, które przesuwają się po powierzchni części, rejestrując punkty w określonych odstępach czasu, znane jako sondy skanujące. Ta metoda inspekcji współrzędnościowej maszyny pomiarowej (CMM) jest często dokładniejsza niż konwencjonalna metoda sondy stykowej, a często również szybsza.
Następna generacja skanowania, znana jako skanowanie bezkontaktowe, obejmująca szybką triangulację punktową lasera, skanowanie liniowe lasera oraz skanowanie światłem białym, rozwija się bardzo szybko. Metoda ta wykorzystuje wiązki laserowe lub białe światło, które są kierowane na powierzchnię części. Można wówczas pobrać tysiące punktów i wykorzystać je nie tylko do sprawdzenia rozmiaru i położenia, ale także do stworzenia trójwymiarowego obrazu części. Te „dane w postaci chmury punktów” można następnie przesłać do oprogramowania CAD w celu stworzenia działającego modelu 3D części. Te skanery optyczne są często używane do skanowania miękkich lub delikatnych części lub do inżynierii odwrotnej.
- Sondy mikrometrologiczne
Systemy sond do zastosowań w metrologii mikroskalowej to kolejny rozwijający się obszar. Na rynku dostępnych jest kilka współrzędnościowych maszyn pomiarowych (CMM) z mikrosondą zintegrowaną z systemem, kilka specjalistycznych systemów w laboratoriach rządowych oraz wiele platform metrologicznych budowanych przez uniwersytety. Chociaż te maszyny to dobre, a w wielu przypadkach doskonałe platformy metrologiczne o skali nanometrycznej, ich głównym ograniczeniem jest niezawodna, solidna i 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 kontaktu, aby nie uszkodzić powierzchni, oraz 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 skali mikro obejmują między innymi pomniejszone wersje klasycznych sond CMM, sondy optyczne i sondę z falą stojącą. Jednak obecne technologie optyczne nie mogą być skalowane na tyle, aby umożliwić pomiar głębokich, wąskich obiektów, a rozdzielczość optyczna jest ograniczona długością fali światła. Obrazowanie rentgenowskie pozwala uzyskać obraz obiektu, ale nie daje żadnych identyfikowalnych informacji metrologicznych.
- Zasady fizyczne
Można stosować sondy optyczne i/lub laserowe (jeśli to możliwe w połączeniu), które zmieniają współrzędnościowe maszyny pomiarowe (CMM) w mikroskopy pomiarowe lub wieloczujnikowe maszyny pomiarowe. Systemy projekcji prążków, systemy triangulacji teodolitowej lub laserowe systemy odległej i triangulacji nie są nazywane maszynami pomiarowymi, ale wynik pomiaru jest taki sam: punkt w przestrzeni. Sondy laserowe służą do pomiaru odległości między powierzchnią a punktem odniesienia na końcu łańcucha kinematycznego (tj. na końcu elementu napędu osi Z). Można to osiągnąć, wykorzystując funkcję interferometryczną, zmienność ogniska, ugięcie światła lub zasadę cieniowania wiązki.
Przenośne współrzędnościowe maszyny pomiarowe
Podczas gdy tradycyjne współrzędnościowe maszyny pomiarowe (CMM) wykorzystują sondę poruszającą się w trzech osiach kartezjańskich w celu pomiaru cech fizycznych obiektu, przenośne CMM wykorzystują albo ramiona przegubowe, albo, w przypadku optycznych CMM, systemy skanowania bez użycia ramion, które wykorzystują metody triangulacji optycznej i umożliwiają całkowitą swobodę ruchu wokół obiektu.
Przenośne współrzędnościowe maszyny pomiarowe (CMM) z ramionami przegubowymi mają sześć lub siedem osi wyposażonych w enkodery obrotowe, zamiast osi liniowych. Ramiona przenośne są lekkie (zwykle poniżej 9 kg) i można je przenosić i używać niemal wszędzie. Jednak optyczne współrzędnościowe maszyny pomiarowe (CMM) są coraz częściej wykorzystywane w przemyśle. Zaprojektowane z kompaktowymi kamerami liniowymi lub matrycowymi (takimi jak Microsoft Kinect), optyczne współrzędnościowe maszyny pomiarowe są mniejsze niż przenośne współrzędnościowe maszyny pomiarowe z ramionami, nie posiadają przewodów i umożliwiają użytkownikom łatwe wykonywanie pomiarów 3D wszelkiego rodzaju obiektów znajdujących się niemal wszędzie.
Niektóre niepowtarzalne zastosowania, takie jak inżynieria odwrotna, szybkie prototypowanie i inspekcja wielkoskalowa części o dowolnych rozmiarach, idealnie nadają się do przenośnych maszyn współrzędnościowych (CMM). Przenośne maszyny CMM oferują wiele korzyści. Użytkownicy mogą swobodnie wykonywać pomiary 3D wszystkich typów części, nawet w najbardziej odległych/trudnych lokalizacjach. Są łatwe w użyciu i nie wymagają kontrolowanego środowiska do wykonywania dokładnych pomiarów. Co więcej, przenośne maszyny CMM są zazwyczaj tańsze niż tradycyjne.
Nieodłączną wadą przenośnych współrzędnościowych maszyn pomiarowych (CMM) jest obsługa ręczna (zawsze wymagają obecności człowieka). Ponadto ich ogólna dokładność może być nieco niższa niż w przypadku współrzędnościowych maszyn pomiarowych typu mostowego i są mniej odpowiednie do niektórych zastosowań.
Maszyny pomiarowe wieloczujnikowe
Tradycyjna technologia CMM wykorzystująca sondy dotykowe jest dziś często łączona z innymi technologiami pomiarowymi, takimi jak czujniki laserowe, wideo lub światła białego, co pozwala na realizację tzw. pomiaru wielosensorowego.
Czas publikacji: 29 grudnia 2021 r.