Co to jest współrzędnościowa maszyna pomiarowa?

AWspółrzędnościowa maszyna pomiarowa(CMM) to urządzenie mierzące geometrię obiektów fizycznych poprzez wykrywanie za pomocą sondy dyskretnych punktów na powierzchni obiektu.We maszynach współrzędnościowych stosowane są różne typy sond, w tym mechaniczne, optyczne, laserowe i wykorzystujące światło białe.W zależności od maszyny położenie sondy może być kontrolowane ręcznie przez operatora lub może być kontrolowane komputerowo.Maszyny współrzędnościowe zazwyczaj określają pozycję sondy poprzez jej przemieszczenie od pozycji referencyjnej w trójwymiarowym kartezjańskim układzie współrzędnych (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 innym przypadku byłyby nieosiągalne.

Typowa trójwymiarowa „mostkowa” maszyna współrzędnościowa umożliwia ruch sondy wzdłuż trzech osi X, Y i Z, które są względem siebie prostopadłe w trójwymiarowym kartezjańskim układzie współrzędnych.Każda oś posiada czujnik, który monitoruje położenie sondy na tej osi, zazwyczaj z dokładnością do mikrometra.Kiedy sonda dotyka (lub w inny sposób wykrywa) określone miejsce 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.Proces ten powtarza się w razie potrzeby, za każdym razem przesuwając sondę, aby wytworzyć „chmurę punktów”, która opisuje interesujące obszary powierzchni.

Powszechnym zastosowaniem maszyn współrzędnościowych jest proces produkcyjny i montażowy w celu przetestowania części lub zespołu pod kątem założeń projektowych.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 ustawianej ręcznie przez operatora lub automatycznie za pomocą bezpośredniego sterowania komputerowego (DCC).Maszyny współrzędnościowe DCC można zaprogramować do wielokrotnego pomiaru identycznych części;zatem zautomatyzowana maszyna współrzędnościowa jest wyspecjalizowaną formą robota przemysłowego.

Części

Współrzędnościowe maszyny pomiarowe składają się z trzech głównych komponentów:

• Główna konstrukcja obejmująca trzy osie ruchu.Materiał użyty do skonstruowania ruchomej ramy zmieniał się na przestrzeni lat.We wczesnych maszynach współrzędnościowych używano granitu i stali.Obecnie wszyscy główni producenci maszyn współrzędnościowych budują ramy ze stopu aluminium lub innego pochodnego, a także wykorzystują ceramikę w celu zwiększenia sztywności osi Z w zastosowaniach skanujących.Niewielu producentów maszyn współrzędnościowych nadal produkuje maszyny współrzędnościowe z ramą granitową ze względu na zapotrzebowanie rynku na lepszą dynamikę metrologiczną i rosnącą tendencję do instalowania maszyn współrzędnościowych poza laboratorium jakości.Zazwyczaj tylko mali konstruktorzy maszyn współrzędnościowych oraz krajowi producenci w Chinach i Indiach nadal produkują granitowe maszyny współrzędnościowe ze względu na niskie podejście technologiczne i łatwe wejście na rynek konstruktora ram maszyn współrzędnościowych.Rosnąca tendencja do skanowania wymaga również sztywniejszej osi Z maszyny współrzędnościowej i wprowadzenia nowych materiałów, takich jak ceramika i węglik krzemu.
• System sondujący
• System gromadzenia i redukcji danych — zazwyczaj obejmuje sterownik maszyny, komputer stacjonarny i oprogramowanie aplikacyjne.

Dostępność

Maszyny te mogą być wolnostojące, ręczne i przenośne.

Dokładność

Dokładność współrzędnościowych maszyn pomiarowych jest zwykle podawana jako współczynnik niepewności w funkcji odległości.W przypadku maszyny współrzędnościowej wykorzystującej sondę dotykową odnosi się to do powtarzalności sondy i dokładności skal liniowych.Typowa powtarzalność sondy może skutkować pomiarami z dokładnością do 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 identyfikowalnych standardów, a ruch maszyny jest weryfikowany za pomocą mierników w celu zapewnienia dokładności.

Konkretne części

Korpus maszyny

Pierwsza maszyna współrzędnościowa została opracowana przez szkocką firmę Ferranti w latach pięćdziesiątych XX wieku w wyniku bezpośredniej potrzeby pomiaru precyzyjnych elementów w jej produktach wojskowych, chociaż maszyna ta miała tylko 2 osie.Pierwsze modele 3-osiowe zaczęły pojawiać się w latach sześćdziesiątych XX wieku (DEA we Włoszech), a sterowanie komputerowe zadebiutowało na początku lat siedemdziesiątych XX wieku, ale pierwsza działająca maszyna współrzędnościowa została opracowana i wprowadzona do sprzedaży przez firmę Browne & Sharpe w Melbourne w Anglii.(Następnie firma Leitz Germany wyprodukowała stałą konstrukcję maszyny z ruchomym stołem.

W nowoczesnych maszynach nadbudowa typu gantry ma dwie nogi i często nazywana jest mostem.Porusza się swobodnie po granitowym stole z jedną nogą (często nazywaną nogą wewnętrzną) podążającą za szyną prowadzącą przymocowaną do jednej strony granitowego stołu.Przeciwna noga (często zewnętrzna) po prostu opiera się na granitowym stole, zgodnie z pionowym konturem powierzchni.Łożyska powietrzne to wybrana metoda zapewniająca podróż bez tarcia.W nich sprężone powietrze jest przetłaczane przez szereg bardzo małych otworów w płaskiej powierzchni nośnej, aby zapewnić gładką, ale kontrolowaną poduszkę powietrzną, po której maszyna współrzędnościowa może poruszać się niemal bez tarcia, co można skompensować za pomocą oprogramowania.Ruch mostu lub suwnicy wzdłuż granitowego stołu tworzy jedną oś płaszczyzny XY.Most suwnicy zawiera wózek, który przemieszcza się pomiędzy nogami wewnętrznymi i zewnętrznymi i tworzy drugą poziomą oś X lub Y.Trzecią oś ruchu (oś Z) zapewnia dodanie pionowej pinoli lub wrzeciona, które porusza się w górę i w dół przez środek wózka.Sonda dotykowa stanowi urządzenie czujnikowe na końcu pinoli.Ruch osi X, Y i Z w pełni opisuje obwiednię pomiarową.Aby zwiększyć przystępność sondy pomiarowej do skomplikowanych detali, można zastosować opcjonalne stoły obrotowe.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, których końcówka sondy może obracać się w pionie o ponad 180 stopni i pełny obrót o 360 stopni.

Maszyny współrzędnościowe są teraz dostępne także w wielu innych formach.Należą do nich ramiona współrzędnościowe, które wykorzystują pomiary kątowe wykonane w stawach ramienia do obliczenia położenia końcówki trzpienia pomiarowego i mogą być wyposażone w sondy do skanowania laserowego i obrazowania optycznego.Takie wysięgnikowe maszyny współrzędnościowe są często stosowane tam, gdzie ich przenośność jest zaletą w porównaniu z tradycyjnymi maszynami współrzędnościowymi ze stałym łożem — poprzez zapamiętywanie zmierzonych lokalizacji oprogramowanie programistyczne umożliwia również przesuwanie samego ramienia pomiarowego i jego objętości pomiarowej wokół mierzonej części podczas procedury pomiarowej.Ponieważ ramiona maszyny współrzędnościowej imitują elastyczność ludzkiego ramienia, często są w stanie dotrzeć do wnętrza skomplikowanych części, których nie można zbadać za pomocą standardowej maszyny trójosiowej.

Sonda mechaniczna

Na początku pomiaru współrzędnościowego (CMM) sondy mechaniczne mocowano w specjalnym uchwycie na końcu pinoli.Bardzo popularną sondę wykonano poprzez przylutowanie twardej kulki do końca wału.Było to idealne rozwiązanie do pomiaru całego zakresu powierzchni płaskich, cylindrycznych lub kulistych.Inne sondy szlifowano do określonych kształtów, na przykład ćwiartki, aby umożliwić pomiar cech specjalnych.Sondy te były fizycznie trzymane na obrabianym przedmiocie, a ich pozycja w przestrzeni była odczytywana z 3-osiowego odczytu cyfrowego (DRO) lub, w bardziej zaawansowanych systemach, logowana do komputera 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 inną siłę nacisku na sondę lub stosował różne techniki pomiaru.

Kolejnym rozwinięciem było dodanie silników do napędzania każdej osi.Operatorzy nie musieli już fizycznie dotykać maszyny, ale mogli sterować każdą osią za pomocą ręcznej skrzynki z joystickami w podobny sposób, jak w nowoczesnych zdalnie sterowanych samochodach.Dokładność i precyzja pomiaru uległa znacznej poprawie wraz z wynalezieniem elektronicznej sondy dotykowej.Pionierem tej nowej sondy był David McMurtry, który następnie utworzył firmę, która obecnie nazywa się Renishaw plc.Chociaż sonda nadal była urządzeniem kontaktowym, miała rysik ze stalową kulką (później rubinową) ze sprężynową kulką.Gdy sonda dotknęła powierzchni komponentu, rysik odchylił się i jednocześnie wysłał informacje o współrzędnych X, Y, Z do komputera.Błędy pomiarowe powodowane przez poszczególnych operatorów stały się mniejsze, a etap został przygotowany na wprowadzenie operacji CNC i nadejście ery maszyn współrzędnościowych.

Sondy optyczne to systemy soczewek CCD, które poruszają się podobnie jak sondy mechaniczne i są skierowane na interesujący punkt, zamiast dotykać materiału.Uchwycony obraz powierzchni zostanie zamknięty w granicach okna pomiarowego, aż pozostałość będzie wystarczająca do kontrastu pomiędzy czarnymi i białymi strefami.Krzywą podziału można obliczyć do punktu, który jest pożądanym punktem pomiarowym w przestrzeni.Informacja pozioma na CCD to 2D (XY), a pozycja pionowa to pozycja całego systemu sondującego na stojaku Z-drive (lub innym elemencie urządzenia).

Systemy sond skanujących

Istnieją nowsze modele wyposażone w sondy, które ciągną się po powierzchni części, rejestrując punkty w określonych odstępach, zwane sondami skanującymi.Ta metoda kontroli CMM jest często dokładniejsza niż konwencjonalna metoda sondy dotykowej, a także w większości przypadków szybsza.

Skanowanie nowej generacji, znane jako skanowanie bezkontaktowe, które obejmuje szybką laserową triangulację jednopunktową, skanowanie liniowe i skanowanie światłem białym, rozwija się bardzo szybko.W tej metodzie wykorzystuje się wiązkę lasera lub białe światło rzucane na powierzchnię części.Następnie można pobrać wiele tysięcy punktów i wykorzystać je nie tylko do sprawdzenia rozmiaru i położenia, ale także do stworzenia obrazu 3D części.Te „dane chmury punktów” można następnie przenieść do oprogramowania CAD w celu utworzenia działającego modelu 3D części.Te skanery optyczne są często używane do czyszczenia miękkich lub delikatnych części lub w celu ułatwienia inżynierii odwrotnej.

Sondy mikrometrologiczne

Systemy sondujące do zastosowań w metrologii mikroskali to kolejny wyłaniający się obszar.Istnieje kilka dostępnych na rynku współrzędnościowych maszyn pomiarowych (CMM), które mają mikrosondę zintegrowaną z systemem, kilka specjalistycznych systemów w laboratoriach rządowych oraz dowolna liczba platform metrologicznych zbudowanych na uniwersytetach do metrologii w mikroskali.Chociaż maszyny te są dobrymi, a w wielu przypadkach doskonałymi platformami metrologicznymi ze skalami nanometrycznymi, ich głównym ograniczeniem jest niezawodna, solidna i wydajna sonda mikro/nano.^{[wymagany cytat]}Wyzwania stojące przed technologiami sondowania w mikroskali obejmują potrzebę stosowania sondy o wysokim współczynniku kształtu, umożliwiającej dostęp do głębokich, wąskich elementów przy niskich siłach kontaktowych, aby nie uszkodzić powierzchni, oraz z dużą precyzją (na poziomie nanometrów).^{[wymagany cytat]}Dodatkowo sondy mikroskalowe są podatne na warunki środowiskowe, takie jak wilgotność i interakcje powierzchniowe, takie jak tarcie (spowodowane między innymi adhezją, meniskiem i/lub siłami Van der Waalsa).^{[wymagany cytat]}

Technologie umożliwiające sondowanie w mikroskali obejmują między innymi pomniejszone wersje klasycznych sond CMM, sondy optyczne i sondy fali stojącej.Jednak obecnych technologii optycznych nie można skalować na tyle, aby zmierzyć głębokie, wąskie cechy, a rozdzielczość optyczna jest ograniczona długością fali światła.Obrazowanie rentgenowskie zapewnia obraz cechy, ale nie zapewnia możliwych do prześledzenia informacji metrologicznych.

Zasady fizyczne

Można zastosować sondy optyczne i/lub sondy laserowe (jeśli to możliwe w kombinacji), które zmieniają maszyny współrzędnościowe w mikroskopy pomiarowe lub wielosensorowe maszyny pomiarowe.Systemy projekcji prążków, systemy triangulacji teodolitowej lub laserowe systemy odległe i triangulacyjne nie są nazywane maszynami pomiarowymi, ale wynik pomiaru jest ten sam: punkt przestrzenny.Sondy laserowe służą do wykrywania odległości pomiędzy powierzchnią a punktem odniesienia na końcu łańcucha kinematycznego (tj. końcu elementu napędu Z).Może to wykorzystywać funkcję interferometryczną, zmianę ogniska, ugięcie światła lub zasadę cienia wiązki.

Przenośne współrzędnościowe maszyny pomiarowe

Podczas gdy tradycyjne maszyny współrzędnościowe wykorzystują sondę poruszającą się w trzech osiach kartezjańskich do pomiaru właściwości fizycznych obiektu, przenośne maszyny współrzędnościowe wykorzystują albo ramiona przegubowe, albo, w przypadku optycznych maszyn współrzędnościowych, systemy skanujące bez ramion, które wykorzystują metody triangulacji optycznej i zapewniają całkowitą swobodę ruchu wokół obiektu.

Przenośne maszyny współrzędnościowe z ramionami przegubowymi mają sześć lub siedem osi wyposażonych w enkodery obrotowe zamiast osi liniowych.Ramiona przenośne są lekkie (zwykle ważą mniej niż 20 funtów) i można je nosić i używać niemal wszędzie.Jednakże optyczne maszyny współrzędnościowe są coraz częściej stosowane w przemyśle.Zaprojektowane z myślą o kompaktowych kamerach liniowych lub matrycowych (takich jak Microsoft Kinect), optyczne maszyny współrzędnościowe są mniejsze niż przenośne maszyny współrzędnościowe z ramionami, nie mają przewodów i umożliwiają użytkownikom łatwe wykonywanie pomiarów 3D wszystkich typów obiektów znajdujących się niemal wszędzie.

Niektóre nietypowe zastosowania, takie jak inżynieria odwrotna, szybkie prototypowanie i inspekcja części na dużą skalę dowolnej wielkości, idealnie nadają się do przenośnych maszyn współrzędnościowych.Korzyści z przenośnych maszyn współrzędnościowych są wielorakie.Użytkownicy mają swobodę wykonywania pomiarów 3D wszystkich typów części w najbardziej odległych/trudnych lokalizacjach.Są łatwe w użyciu i nie wymagają kontrolowanego środowiska, aby dokonać dokładnych pomiarów.Co więcej, przenośne maszyny współrzędnościowe kosztują zwykle mniej niż tradycyjne maszyny współrzędnościowe.

Nieodłączną wadą przenośnych maszyn współrzędnościowych jest obsługa ręczna (zawsze wymagana jest obsługa przez człowieka).Ponadto ich ogólna dokładność może być nieco mniej dokładna niż w przypadku maszyn CMM typu mostkowego i jest mniej odpowiednia w niektórych zastosowaniach.

Wielosensorowe maszyny pomiarowe

Tradycyjna technologia CMM wykorzystująca sondy dotykowe jest dziś często łączona z innymi technologiami pomiarowymi.Obejmuje to czujniki laserowe, wideo lub światło białe, które zapewniają tak zwany pomiar wielosensorowy.