Što je koordinatni mjerni stroj?

Akoordinatni mjerni stroj(CMM) je uređaj koji mjeri geometriju fizičkih objekata senzorom sonde na diskretnim točkama na površini objekta.Različite vrste sondi koriste se u CMM-ovima, uključujući mehaničke, optičke, laserske i bijele svjetlosti.Ovisno o stroju, položaj sonde može ručno kontrolirati operater ili može biti upravljan računalom.CMM obično određuju položaj sonde u smislu njegovog pomaka od referentnog položaja u trodimenzionalnom kartezijevom koordinatnom sustavu (tj. s XYZ osi).Osim pomicanja sonde duž X, Y i Z osi, mnogi strojevi također omogućuju kontrolu kuta sonde kako bi se omogućilo mjerenje površina koje bi inače bile nedostupne.

Tipični 3D "most" CMM omogućuje kretanje sonde duž tri osi, X, Y i Z, koje su okomite jedna na drugu u trodimenzionalnom kartezijevom koordinatnom sustavu.Svaka os ima senzor koji prati položaj sonde na toj osi, obično s mikrometarskom preciznošću.Kada sonda dodirne (ili na neki drugi način otkrije) određenu lokaciju na objektu, stroj uzorkuje tri senzora položaja, mjereći tako lokaciju jedne točke na površini objekta, kao i trodimenzionalni vektor obavljenog mjerenja.Ovaj se postupak po potrebi ponavlja, pomičući sondu svaki put, kako bi se proizveo "oblak točaka" koji opisuje područja od interesa.

Uobičajena uporaba CMM-a je u procesima proizvodnje i sklapanja za testiranje dijela ili sklopa protiv namjere dizajna.U takvim aplikacijama generiraju se oblaci točaka koji se analiziraju putem regresijskih algoritama za konstrukciju značajki.Te se točke prikupljaju pomoću sonde koju ručno postavlja operater ili automatski putem izravne računalne kontrole (DCC).DCC CMM se mogu programirati za opetovano mjerenje identičnih dijelova;stoga je automatizirani CMM specijalizirani oblik industrijskog robota.

dijelovi

Strojevi za koordinatno mjerenje uključuju tri glavne komponente:

• Glavna struktura koja uključuje tri osi gibanja.Materijal korišten za izradu pokretnog okvira varirao je tijekom godina.Granit i čelik korišteni su u ranim CMM-ovima.Danas svi glavni proizvođači CMM-a izrađuju okvire od aluminijske legure ili nekog derivata i također koriste keramiku za povećanje krutosti Z osi za aplikacije skeniranja.Nekoliko proizvođača CMM-a danas još proizvodi CMM s granitnim okvirom zbog zahtjeva tržišta za poboljšanom mjeriteljskom dinamikom i sve većeg trenda ugradnje CMM-a izvan laboratorija kvalitete.Obično samo graditelji CMM malih količina i domaći proizvođači u Kini i Indiji još uvijek proizvode granitne CMM zbog pristupa niskoj tehnologiji i lakog ulaska u graditelje CMM okvira.Sve veći trend prema skeniranju također zahtijeva da CMM Z os bude čvršća, a uvedeni su i novi materijali kao što su keramika i silicijev karbid.
• Sustav sondiranja
• Sustav prikupljanja i redukcije podataka — obično uključuje upravljač stroja, stolno računalo i aplikacijski softver.

Dostupnost

Ovi strojevi mogu biti samostojeći, ručni i prijenosni.

Točnost

Točnost strojeva za mjerenje koordinata obično se daje kao faktor nesigurnosti kao funkcija udaljenosti.Za CMM koji koristi dodirnu sondu, to se odnosi na ponovljivost sonde i točnost linearnih ljestvica.Tipična ponovljivost sonde može rezultirati mjerenjima unutar .001 mm ili .00005 inča (pola desetine) preko cijelog mjernog volumena.Za strojeve s 3, 3+2 i 5 osi, sonde se rutinski kalibriraju pomoću sljedivih standarda, a kretanje stroja se provjerava pomoću mjerača kako bi se osigurala točnost.

Specifični dijelovi

Tijelo stroja

Prvi CMM razvila je tvrtka Ferranti iz Škotske 1950-ih kao rezultat izravne potrebe za mjerenjem preciznih komponenti u njihovim vojnim proizvodima, iako je ovaj stroj imao samo 2 osi.Prvi modeli s 3 osi počeli su se pojavljivati ​​1960-ih (DEA iz Italije), a računalna kontrola debitirala je ranih 1970-ih, ali je prvi radni CMM razvio i stavio u prodaju Browne & Sharpe u Melbourneu, Engleska.(Leitz Njemačka je naknadno proizvela fiksnu strukturu stroja s pokretnim stolom.

U modernim strojevima nadgradnja portalnog tipa ima dvije noge i često se naziva mostom.Ona se slobodno kreće duž granitnog stola s jednom nogom (koja se često naziva unutarnjom nogom) prateći vodilicu pričvršćenu na jednu stranu granitnog stola.Suprotna noga (često vanjska noga) jednostavno se oslanja na granitni stol prateći konturu okomite površine.Zračni ležajevi odabrana su metoda za osiguranje hoda bez trenja.U njima se komprimirani zrak tjera kroz niz vrlo malih rupa na ravnoj površini ležaja kako bi se osigurao gladak, ali kontroliran zračni jastuk po kojem se CMM može kretati gotovo bez trenja, što se može kompenzirati softverom.Kretanje mosta ili portala duž granitnog stola čini jednu os XY ravnine.Most portala sadrži kolica koja se kreću između unutarnjih i vanjskih nogu i oblikuju drugu X ili Y vodoravnu os.Treća os pomicanja (os Z) osigurava se dodavanjem okomitog pinola ili vretena koje se pomiče gore-dolje kroz središte kolica.Dodirna sonda čini senzorski uređaj na kraju pera.Kretanje osi X, Y i Z u potpunosti opisuje mjernu ovojnicu.Opcijski rotirajući stolovi mogu se koristiti za poboljšanje pristupa mjerne sonde kompliciranim radnim komadima.Okretni stol kao četvrta pogonska os ne poboljšava mjerne dimenzije, koje ostaju 3D, ali pruža određeni stupanj fleksibilnosti.Neke dodirne sonde su same po sebi rotirajući uređaji s vrhom sonde koji se može okomito okretati za više od 180 stupnjeva i kroz punu rotaciju od 360 stupnjeva.

CMM su sada također dostupni u raznim drugim oblicima.To uključuje CMM krakove koji koriste kutna mjerenja na zglobovima kraka za izračunavanje položaja vrha igle, a mogu biti opremljeni sondama za lasersko skeniranje i optičko snimanje.Takvi CMM-ovi s krakom često se koriste tamo gdje je njihova prenosivost prednost u odnosu na tradicionalne CMM-ove s fiksnim krevetom - pohranjivanjem izmjerenih lokacija softver za programiranje također omogućuje pomicanje samog mjernog kraka i njegovog mjernog volumena oko dijela koji se mjeri tijekom rutine mjerenja.Budući da krakovi CMM-a oponašaju fleksibilnost ljudske ruke, oni također često mogu doprijeti do unutrašnjosti složenih dijelova koji se ne mogu ispitati pomoću standardnog stroja s tri osi.

Mehanička sonda

U ranim danima koordinatnog mjerenja (CMM), mehaničke sonde bile su postavljene u poseban držač na kraju pinola.Vrlo uobičajena sonda napravljena je lemljenjem tvrde kuglice na kraj osovine.Ovo je bilo idealno za mjerenje cijelog niza ravnih, cilindričnih ili sfernih površina.Ostale sonde su brušene u određene oblike, na primjer kvadrant, kako bi se omogućilo mjerenje posebnih značajki.Te su sonde bile fizički držane uz radni komad s položajem u prostoru koji se očitavao s 3-osnog digitalnog očitavanja (DRO) ili, u naprednijim sustavima, prijavljivao se na računalo pomoću nožnog prekidača ili sličnog uređaja.Mjerenja obavljena ovom kontaktnom metodom često su bila nepouzdana jer su se strojevi pomicali ručno i svaki operater stroja primjenjivao je različite količine pritiska na sondu ili je usvajao različite tehnike za mjerenje.

Daljnji razvoj bio je dodatak motora za pogon svake osi.Operatori više nisu morali fizički dodirivati ​​stroj, već su mogli upravljati svakom osovinom pomoću ručne kutije s joystickovima na gotovo isti način kao kod modernih automobila na daljinsko upravljanje.Točnost i preciznost mjerenja dramatično su poboljšane izumom elektroničke sonde za okidanje na dodir.Pionir ove nove sonde bio je David McMurtry koji je kasnije osnovao ono što je danas Renishaw plc.Iako je još uvijek bio kontaktni uređaj, sonda je imala iglu s čeličnom kuglom (kasnije rubin kuglom) s oprugom.Kako je sonda dodirivala površinu komponente, igla se skrenula i istovremeno poslala X,Y,Z koordinatnu informaciju računalu.Pogreške u mjerenju uzrokovane pojedinačnim operaterima postale su manje i stvorena je pozornica za uvođenje CNC operacija i odrastanje CMM-a.

Optičke sonde su leće-CCD-sustavi, koji se pokreću poput mehaničkih i usmjereni su prema točki interesa, umjesto da dodiruju materijal.Snimljena slika površine bit će zatvorena u rubove mjernog prozora, sve dok ostatak ne bude adekvatan za kontrast između crnih i bijelih zona.Razdjelna krivulja može se izračunati do točke koja je željena mjerna točka u prostoru.Horizontalne informacije na CCD-u su 2D (XY), a okomiti položaj je položaj cijelog sustava sondiranja na Z-pogonu postolja (ili drugoj komponenti uređaja).

Sustavi sondi za skeniranje

Postoje noviji modeli koji imaju sonde koje se povlače duž površine dijela uzimajući točke u određenim intervalima, poznate kao sonde za skeniranje.Ova metoda CMM inspekcije često je točnija od konvencionalne metode dodirne sonde i često je brža.

Sljedeća generacija skeniranja, poznata kao beskontaktno skeniranje, koja uključuje brzu lasersku triangulaciju u jednoj točki, skeniranje laserskim linijama i skeniranje bijelom svjetlošću, vrlo brzo napreduje.Ova metoda koristi ili laserske zrake ili bijelo svjetlo koje se projicira na površinu dijela.Mnogo tisuća točaka tada se može uzeti i koristiti ne samo za provjeru veličine i položaja, već i za stvaranje 3D slike dijela.Ovi "podaci u oblaku točaka" mogu se zatim prenijeti u CAD softver za izradu radnog 3D modela dijela.Ovi optički skeneri često se koriste na mekim ili osjetljivim dijelovima ili za olakšavanje obrnutog inženjeringa.

Mikrometrološke sonde

Sustavi sondiranja za mikrometrološke primjene još su jedno područje u nastajanju.Postoji nekoliko komercijalno dostupnih koordinatnih mjernih strojeva (CMM) koji imaju mikrosondu integriranu u sustav, nekoliko specijalnih sustava u vladinim laboratorijima i veliki broj mjeriteljskih platformi izgrađenih na sveučilištima za mjeriteljstvo na mikromjerama.Iako su ti strojevi dobre iu mnogim slučajevima izvrsne mjeriteljske platforme s nanometrijskim skalama, njihovo primarno ograničenje je pouzdana, robusna, sposobna mikro/nano sonda.^{[potreban je citat]}Izazovi za tehnologije sondiranja na mikromjerama uključuju potrebu za sondom visokog omjera širine i visine koja daje mogućnost pristupa dubokim, uskim značajkama s niskim kontaktnim silama kako se ne bi oštetila površina i visokom preciznošću (nanometarska razina).^{[potreban je citat]}Osim toga, mikromjerne sonde osjetljive su na uvjete okoline kao što su vlaga i površinske interakcije kao što je lijepljenje (uzrokovano adhezijom, meniskusom i/ili Van der Waalsovim silama između ostalog).^{[potreban je citat]}

Tehnologije za postizanje mikrorazmjernog sondiranja uključuju smanjenu verziju klasičnih CMM sondi, optičkih sondi i sonde stajaćih valova među ostalima.Međutim, trenutne optičke tehnologije ne mogu se skalirati dovoljno male da bi se izmjerile duboke, uske karakteristike, a optička rezolucija je ograničena valnom duljinom svjetlosti.Rendgenska slika daje sliku značajke, ali ne i sljedive mjeriteljske informacije.

Fizikalni principi

Mogu se koristiti optičke sonde i/ili laserske sonde (ako je moguće u kombinaciji), koje mijenjaju CMM u mjerne mikroskope ili mjerne strojeve s više senzora.Rubni projekcijski sustavi, teodolitski triangulacijski sustavi ili laserski distantni i triangulacijski sustavi ne nazivaju se mjernim strojevima, ali rezultat mjerenja je isti: prostorna točka.Laserske sonde koriste se za otkrivanje udaljenosti između površine i referentne točke na kraju kinematičkog lanca (tj.: kraj komponente Z-pogona).To može koristiti interferometrijsku funkciju, varijaciju fokusa, skretanje svjetla ili princip zasjenjenja snopa.

Prijenosni koordinatni mjerni strojevi

Dok tradicionalni CMM koriste sondu koja se kreće oko tri kartezijanske osi za mjerenje fizičkih karakteristika objekta, prijenosni CMM koriste ili zglobne ruke ili, u slučaju optičkih CMM, sustave skeniranja bez ruku koji koriste metode optičke triangulacije i omogućuju potpunu slobodu kretanja oko objekta.

Prijenosni CMM sa zglobnim kracima imaju šest ili sedam osi koje su opremljene rotacijskim koderima, umjesto linearnih osi.Prijenosne ruke su lagane (obično manje od 20 funti) i mogu se nositi i koristiti gotovo bilo gdje.Međutim, optički CMM se sve više koriste u industriji.Dizajnirani s kompaktnim linearnim ili matričnim nizom kamera (kao što je Microsoft Kinect), optički CMM-ovi manji su od prijenosnih CMM-ova s ​​rukama, nemaju žice i omogućuju korisnicima jednostavno 3D mjerenje svih vrsta objekata koji se nalaze gotovo bilo gdje.

Određene primjene koje se ne ponavljaju, poput obrnutog inženjeringa, brze izrade prototipova i opsežne inspekcije dijelova svih veličina, idealne su za prijenosne CMM.Prednosti prijenosnih CMM-a su višestruke.Korisnici imaju fleksibilnost u 3D mjerenju svih vrsta dijelova i na najudaljenijim/najtežim lokacijama.Jednostavni su za korištenje i ne zahtijevaju kontrolirano okruženje za točna mjerenja.Štoviše, prijenosni CMM-i obično koštaju manje od tradicionalnih CMM-a.

Inherentni nedostatak prijenosnih CMM-a je ručni rad (uvijek zahtijevaju čovjeka da ih koristi).Osim toga, njihova ukupna točnost može biti nešto manje točna od CMM-a s mostom i manje je prikladan za neke primjene.

Višesenzorski mjerni strojevi

Tradicionalna CMM tehnologija koja koristi dodirne sonde danas se često kombinira s drugom mjernom tehnologijom.To uključuje laserske, video ili senzore bijelog svjetla za pružanje onoga što je poznato kao mjerenje s više senzora.