Što je koordinatni mjerni stroj?

Akoordinatni mjerni stroj(CMM) je uređaj koji mjeri geometriju fizičkih objekata osjetivši diskretne točke na površini objekta s sondom. U CMM -u se koriste različite vrste sondi, uključujući mehaničko, optičko, lasersko i bijelo svjetlo. Ovisno o stroju, položaj sonde može ručno kontrolirati operator ili se može upravljati računalom. CMM-ovi obično određuju položaj sonde u smislu njegovog pomaka iz referentnog položaja u trodimenzionalnom kartezijanskom koordinatnom sustavu (tj. S XYZ osi). Osim pomicanja sonde duž osi x, y i z, mnogi strojevi također omogućuju kontroliranje kuta sonde kako bi se omogućilo mjerenje površina koje bi inače bile nedostupne.

Tipični 3D "most" CMM omogućava kretanje sonde duž tri osi, x, y i z, koje su jedno za drugo pravokutno u trodimenzionalnom kartezijskom koordinatnom sustavu. Svaka os ima senzor koji nadzire položaj sonde na toj osi, obično s preciznošću mikrometra. Kad sonda kontaktira (ili na drugi način otkriva) određenu lokaciju na objektu, stroj uzorkuje tri senzora položaja, mjereći tako mjesto jedne točke na površini objekta, kao i trodimenzionalni vektor mjerenja. Ovaj se postupak ponavlja po potrebi, pomičući sondu svaki put kako bi se stvorio "točki oblak" koji opisuje površine od interesa.

Uobičajena upotreba CMM -a je u procesima proizvodnje i montaže za testiranje dijela ili montaže prema namjeri dizajna. U takvim se primjenama generiraju točki oblaci koji se analiziraju putem algoritama regresije za izgradnju značajki. Te se točke prikupljaju pomoću sonde koju ručno postavlja operator ili automatski putem izravnog računalnog upravljanja (DCC). DCC CMM -ovi mogu se programirati za više puta mjerenje identičnih dijelova; Stoga je automatizirani CMM specijalizirani oblik industrijskog robota.

Dijelovi

Strojevi za mjerenje koordinata uključuju tri glavne komponente:

• Glavna struktura koja uključuje tri osi pokreta. Materijal koji se koristi za izgradnju pokretnog okvira varirao je tijekom godina. Granit i čelik korišteni su u ranim CMM -ima. Danas svi glavni proizvođači CMM -a grade okvire iz aluminijske legure ili nekih izvedenica, a također koriste keramiku za povećanje krutosti osi z za skeniranje. Malo graditelja CMM -a i danas proizvodi granitni okvir CMM zbog zahtjeva na tržištu za poboljšanu dinamiku metrologije i sve veći trend instaliranja CMM -a izvan laboratorija za kvalitetu. Obično samo graditelji CMM -a niskog volumena i domaći proizvođači u Kini i Indiji još uvijek proizvode granitni CMM zbog pristupa niskom tehnologiji i jednostavnog ulaska kako bi postali CMM graditelj okvira. Povećani trend skeniranja također zahtijeva da se CMM Z os bila čvršća i da su uvedeni novi materijali poput keramičkog i silicij -karbida.
• Sonding
• Sustav za prikupljanje i redukciju podataka - obično uključuje kontroler stroja, stolno računalo i aplikacijski softver.

Raspoloživost

Ovi strojevi mogu biti slobodno stojeći, ručni i prijenosni.

Točnost

Točnost strojeva za mjerenje koordinata obično se daje kao faktor nesigurnosti kao funkcija na udaljenosti. Za CMM pomoću sonde za dodir, to se odnosi na ponovljivost sonde i točnost linearnih vaga. Tipična ponovljivost sonde može rezultirati mjerenjima unutar .001 mm ili .00005 inča (pola desetine) tijekom cijelog volumena mjerenja. Za 3, 3+2 i 5 osi, sonde se rutinski kalibriraju pomoću norljivih standarda, a kretanje stroja se provjerava pomoću mjerača kako bi se osigurala točnost.

Određeni dijelovi

Karoserija stroja

Prvi CMM razvila je Ferranti Company iz Škotske 1950 -ih kao rezultat izravne potrebe za mjerenjem preciznih komponenti u svojim vojnim proizvodima, iako je ovaj stroj imao samo 2 osi. Prvi modeli od 3 osi počeli su se pojavljivati ​​u 1960-ima (DEA Italije), a računalna kontrola debitirala je početkom 1970-ih, ali prvi radni CMM razvio je i prodao Browne & Sharpe u Melbourneu u Engleskoj. (Leitz Njemačka je nakon toga proizvela fiksnu strukturu stroja s pokretnom tablicom.

U modernim strojevima, nadgradnja gantry tipa ima dvije noge i često se naziva most. To se slobodno kreće duž granitnog stola s jednom nogom (često nazvanom unutarnje noge) nakon vodeće šine pričvršćene na jednu stranu granitne tablice. Suprotna noga (često vanjska noga) jednostavno počiva na granitnoj tablici slijedeći okomitu konturu površine. Zračni ležajevi su odabrana metoda za osiguranje putovanja bez trenja. U njima se komprimirani zrak provodi kroz niz vrlo malih rupa na površini ravne ležajeve kako bi se osigurao gladak, ali kontroliran jastuk zraka na kojem se CMM može kretati na blizu trenja koji se može nadoknaditi kroz softver. Kretanje mosta ili gantry duž granitne tablice tvori jednu os ravnine XY. Most gantryja sadrži kolica koja prolazi između unutarnjeg i vanjskog nogu i tvori drugu X ili Y horizontalnu osi. Treća os pokreta (z osi) osigurana je dodavanjem vertikalnog pejzaža ili vretena koja se kreće gore -dolje kroz sredinu nosača. Sonda Touch formira senzorni uređaj na kraju QUILL -a. Kretanje osi x, y i z u potpunosti opisuje mjernu omotnicu. Neobavezni rotacijski stolovi mogu se koristiti za poboljšanje pristupačnosti mjerne sonde do kompliciranih radnih dijelova. Rotacijska tablica kao četvrta pogonska os ne pojačava mjerne dimenzije, koje ostaju 3D, ali pruža stupanj fleksibilnosti. Neke sonde za dodir same su pokretane rotacijske uređaje s vrhom sonde koja se može okretati vertikalno kroz više od 180 stupnjeva i kroz punu rotaciju od 360 stupnjeva.

CMM -ovi su sada dostupni i u raznim drugim oblicima. Oni uključuju CMM ruke koje koriste kutna mjerenja uzeta na spojevima ruke za izračunavanje položaja vrha olovke i mogu se opremiti sondama za lasersko skeniranje i optičko snimanje. Takvi CMM-ovi ARM-a često se koriste tamo gdje je njihova prenosivost prednost u odnosu na tradicionalne CMM-ove s fiksnim krevetom- pohranjivanjem izmjerenih lokacija, programiranje softvera također omogućuje pomicanje same mjerne ruke i njegovog volumena mjerenja, oko dijela koji će se mjeriti tijekom mjerne rutine. Budući da CMM ruke oponašaju fleksibilnost ljudske ruke, oni također često mogu dostići unutrašnjost složenih dijelova koji se ne mogu ispitati pomoću standardnog stroja za tri osi.

Mehanička sonda

U ranim danima mjerenja koordinata (CMM), mehaničke sonde postavljene su u poseban držač na kraju prepucavanja. Vrlo uobičajena sonda napravljena je lemljenjem tvrde lopte do kraja osovine. Ovo je bilo idealno za mjerenje čitavog raspona ravnih lica, cilindričnih ili sferičnih površina. Ostale sonde bile su uzemljene na određene oblike, na primjer, kvadrant, kako bi se omogućilo mjerenje posebnih značajki. Te su se sonde fizički držale protiv radnog dijela s položajem u prostoru koji se čita iz digitalnog čitanja od 3 osi (DRO) ili, u naprednijim sustavima, prijavljenih u računalo pomoću nosača ili sličnog uređaja. Mjerenja uzeta ovom metodom kontakta često su bila nepouzdana jer su strojevi ručno premješteni i svaki je operator strojeva primijenio različite količine tlaka na sondu ili usvojene različite tehnike za mjerenje.

Daljnji razvoj bio je dodavanje motora za vožnju svake osi. Operatori više nisu morali fizički dodirnuti stroj, ali mogli su voziti svaku osovinu pomoću priručnika s džojstikama na gotovo isti način kao kod modernih automobila koji se upravljaju daljinom. Točnost mjerenja i preciznost dramatično su se poboljšali s izumom sonde za elektroničko dodir. Pionir ovog novog uređaja sonde bio je David McMurtry koji je nakon toga formirao ono što je sada Renishaw Plc. Iako je još uvijek kontaktni uređaj, sonda je imala čeličnu kuglu s oprugom (kasnije Ruby Ball) olovku. Dok je sonda dodirnula površinu komponente, olovka je odbila i istovremeno poslala podatke X, Y, Z koordinate na računalo. Pogreške mjerenja uzrokovane pojedinim operatorima postale su manje, a faza je postavljena za uvođenje operacija CNC -a i dolaska starosti CMM -a.

Optičke sonde su sustavi leća-CCD, koji se pomiču poput mehaničkih, i usmjerene su na mjesto interesa, umjesto da dodiruju materijal. Snimljena slika površine bit će zatvorena u granicama mjernog prozora, sve dok ostatak nije prikladan za kontrast između crno -bijelih zona. Krivulja dijeljenja može se izračunati na točku, a to je tražena mjerna točka u prostoru. Horizontalni podaci o CCD-u su 2D (XY), a vertikalni položaj je položaj kompletnog sustava sondiranja na stalku Z-Drive (ili druge komponente uređaja).

Sustavi skeniranja sonde

Postoje noviji modeli koji imaju sonde koje se povlače po površini dijela koji uzimaju točke u navedenim intervalima, poznatim kao sonde za skeniranje. Ova metoda inspekcije CMM-a često je preciznija od konvencionalne metode dodirne sonde, a većinu puta i brže.

Sljedeća generacija skeniranja, poznata kao nekontaktivno skeniranje, koja uključuje lasersku lasersku triangulaciju, lasersko skeniranje i skeniranje bijelog svjetla, napreduje vrlo brzo. Ova metoda koristi ili laserske zrake ili bijelo svjetlo koje se projiciraju 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 "točke oblaka" tada se mogu prenijeti na CAD softver kako bi se stvorio radni 3D model dijela. Ovi optički skeneri često se koriste na mekim ili osjetljivim dijelovima ili za olakšavanje obrnutog inženjerstva.

Mikrometrološke sonde

Sustavi sondiranja za aplikacije za mikroskalnu metrologiju još su jedno područje u nastajanju. Postoji nekoliko komercijalno dostupnih koordinatnih mjernih strojeva (CMM) koji imaju mikroprobete integriranu u sustav, nekoliko specijalnih sustava u vladinim laboratorijama i bilo koji broj sveučilišnih platformi metrologije za mikroskalnu metrologiju. Iako su ti strojevi dobri i u mnogim slučajevima izvrsne platforme metrologije s nanometrijskim skalama, njihovo je primarno ograničenje pouzdana, robusna, sposobna mikro/nano sonda.^{[Potreban citat]}Izazovi za tehnologije sondiranja mikrosjeda uključuju potrebu za sondom visokog omjera omjera koji daje mogućnost pristupa dubokim, uskim značajkama s niskim kontaktnim silama kako ne bi oštetili površinu i visoku preciznost (razina nanometra).^{[Potreban citat]}Uz to, sonde za mikroscalnu vrijednost osjetljive su na okolišne uvjete kao što su vlaga i površinske interakcije kao što su izjednačenje (uzrokovane adhezijom, meniskusom i/ili van der Waalsovim silama među ostalim).^{[Potreban citat]}

Tehnologije za postizanje mikroskalnog sondiranja uključuju smanjenu verziju klasičnih CMM sondi, optičke sonde i sondu za stajaće valove. Međutim, trenutne optičke tehnologije ne mogu se smanjiti dovoljno male da mjere duboku, usku značajku, a optička razlučivost je ograničena valnom duljinom svjetlosti. Rendgenski snimak pruža sliku značajke, ali nema podataka o praćenju metrologije.

Fizički principi

Optičke sonde i/ili laserske sonde mogu se koristiti (ako je moguće u kombinaciji), koje mijenjaju CMM-ove u mjerenje mikroskopa ili multi-senzorskog mjernih strojeva. Fringe projekcijski sustavi, Triangulacijski sustavi teodolita ili laserski udaljeni i trokutasti sustavi ne nazivaju se mjernim strojevima, ali mjerni rezultat je isti: svemirska točka. Laserske sonde koriste se za otkrivanje udaljenosti između površine i referentne točke na kraju kinematičkog lanca (tj. Kraj Z-pogonskog komponente). Ovo može koristiti interferometrijsku funkciju, varijaciju fokusa, odbojnost svjetlosti ili princip sjenki snopa.

Prijenosni strojevi za mjerenje koordinata

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

Prijenosni CMM -ovi s zglobnim rukama imaju šest ili sedam osi koji su opremljeni rotacijskim koderima, umjesto linearnih osi. Prijenosne ruke su lagane (obično manje od 20 kilograma) i mogu se nositi i koristiti gotovo bilo gdje. Međutim, optički CMM -ovi se sve više koriste u industriji. Dizajnirani s kompaktnim linearnim ili matričnim kamerama s matricama (poput Microsoft Kinect), optički CMM -ovi su manji od prijenosnih CMM -ova s ​​rukama, nemaju žice i omogućuju korisnicima da lako pohađaju 3D mjerenja svih vrsta objekata koji se nalaze gotovo bilo gdje.

Određene nerepetirajuće aplikacije kao što su obrnuti inženjering, brzo prototipiranje i velika inspekcija dijelova svih veličina idealno su prikladne za prijenosne CMM-ove. Prednosti prijenosnih CMM -a su višestruke. Korisnici imaju fleksibilnost u uzimanju 3D mjerenja svih vrsta dijelova i na najudaljenijim/teškim lokacijama. Jednostavni su za upotrebu i ne zahtijevaju kontrolirano okruženje za precizno mjerenje. Nadalje, prijenosni CMM -ovi koštaju manje od tradicionalnih CMM -ova.

Inherentni kompromisi prijenosnih CMM-a ručni su rad (oni uvijek zahtijevaju da ih čovjek koristi). Pored toga, njihova ukupna točnost može biti nešto manje precizna od one u mostu tip CMM i manje je prikladna za neke aplikacije.

Strojevi za mjerenje multisenzora

Tradicionalna CMM tehnologija pomoću dodirnih sondi danas se često kombinira s drugom tehnologijom mjerenja. To uključuje senzore lasera, video ili bijelog svjetla kako bi se osiguralo ono što je poznato kao mjerenje multisenzora.