Što je koordinatni mjerni stroj?

Akoordinatni mjerni stroj(CMM) je uređaj koji mjeri geometriju fizičkih objekata osjećajući diskretne točke na površini objekta sondom. U CMM-ovima se koriste različite vrste sondi, uključujući mehaničke, optičke, laserske i sonde s bijelim svjetlom. Ovisno o stroju, položaj sonde može ručno kontrolirati operater ili može biti kontroliran računalom. CMM-ovi obično određuju položaj sonde u smislu njezinog pomaka od referentnog položaja u trodimenzionalnom Kartezijevom koordinatnom sustavu (tj. s osima XYZ). Osim pomicanja sonde duž osi X, Y i Z, mnogi strojevi također omogućuju kontrolu kuta sonde kako bi se omogućilo mjerenje površina koje bi inače bile nedostižne.

Tipični 3D "mostni" CMM omogućuje pomicanje sonde duž tri osi, X, Y i Z, koje su međusobno ortogonalne 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 drugi način detektira) određenu lokaciju na objektu, stroj uzorkuje tri senzora položaja, mjereći tako lokaciju jedne točke na površini objekta, kao i trodimenzionalni vektor izvršenog mjerenja. Ovaj se postupak ponavlja po potrebi, pomičući sondu svaki put, kako bi se stvorio "oblak točaka" koji opisuje područja interesa.

Uobičajena upotreba CMM-ova je u proizvodnim i montažnim procesima za testiranje dijela ili sklopa u odnosu na namjeru dizajna. U takvim primjenama generiraju se oblaci točaka koji se analiziraju putem regresijskih algoritama za konstrukciju značajki. Ove točke se prikupljaju pomoću sonde koju ručno pozicionira operater ili automatski putem izravnog računalnog upravljanja (DCC). DCC CMM-ovi mogu se programirati za ponovljeno mjerenje identičnih dijelova; stoga je automatizirani CMM specijalizirani oblik industrijskog robota.

Dijelovi

Koordinatni mjerni strojevi uključuju tri glavne komponente:

• Glavna struktura koja uključuje tri osi kretanja. Materijal korišten za izradu pomičnog okvira mijenjao se tijekom godina. Granit i čelik korišteni su u ranim CMM-ovima. Danas svi glavni proizvođači CMM-ova grade okvire od aluminijske legure ili nekog derivata, a također koriste keramiku za povećanje krutosti Z osi za primjene skeniranja. Malo proizvođača CMM-ova danas još uvijek proizvodi CMM s granitnim okvirom zbog tržišnih zahtjeva za poboljšanom dinamikom mjeriteljstva i sve većeg trenda instaliranja CMM-a izvan laboratorija za kvalitetu. Obično samo proizvođači CMM-ova malog obima i domaći proizvođači u Kini i Indiji još uvijek proizvode granitne CMM-ove zbog pristupa niske tehnologije i lakog ulaska u proizvodnju okvira CMM-a. Rastući trend skeniranja također zahtijeva da Z os CMM-a bude čvršća, a uvedeni su i novi materijali poput keramike i silicijevog karbida.
• Sustav za sondiranje
• Sustav za prikupljanje i redukciju podataka — obično uključuje kontroler stroja, stolno računalo i aplikacijski softver.

Dostupnost

Ovi strojevi mogu biti samostojeći, ručni i prenosivi.

Točnost

Točnost koordinatnih mjernih strojeva obično se daje kao faktor nesigurnosti u ovisnosti o udaljenosti. Za CMM koji koristi dodirnu sondu, to se odnosi na ponovljivost sonde i točnost linearnih skala. Tipična ponovljivost sonde može rezultirati mjerenjima unutar 0,001 mm ili 0,00005 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 provjerava se 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 svojim 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 računalno upravljanje debitiralo je početkom 1970-ih, ali prvi radni CMM razvio je i pustio u prodaju Browne & Sharpe u Melbourneu u Engleskoj. (Leitz Njemačka potom je proizveo fiksnu strukturu stroja s pomičnim stolom.)

U modernim strojevima, nadgradnja portalnog tipa ima dvije noge i često se naziva most. Ona se slobodno kreće duž granitnog stola s jednom nogom (često nazivanom unutarnjom nogom) prateći vodilicu pričvršćenu na jednu stranu granitnog stola. Suprotna noga (često vanjska noga) jednostavno se oslanja na granitni stol prateći konturu vertikalne površine. Zračni ležajevi su odabrana metoda za osiguranje kretanja bez trenja. U njima se komprimirani zrak propušta kroz niz vrlo malih rupa u ravnoj površini ležaja kako bi se osigurao glatki, ali kontrolirani zračni jastuk na kojem se CMM može kretati gotovo bez trenja, što se može kompenzirati softverom. Kretanje mosta ili portala duž granitnog stola tvori jednu os XY ravnine. Most portala sadrži kolica koja se kreću između unutarnje i vanjske noge i tvore drugu horizontalnu os X ili Y. Treća os kretanja (os Z) osigurava se dodavanjem vertikalne pinole ili vretena koja se pomiče gore-dolje kroz središte kolica. Dodirna sonda tvori senzorski uređaj na kraju pinole. Kretanje osi X, Y i Z u potpunosti opisuje mjernu ovojnicu. Opcionalni rotacijski stolovi mogu se koristiti za poboljšanje pristupačnosti mjerne sonde složenim obradcima. Rotacijski stol kao četvrta pogonska os ne poboljšava mjerne dimenzije, koje ostaju 3D, ali pruža određeni stupanj fleksibilnosti. Neke dodirne sonde su same po sebi rotacijski uređaji s motorom, a vrh sonde se može vertikalno okretati za više od 180 stupnjeva i za punih 360 stupnjeva.

Koordinatni multimetrovi (CMM) sada su dostupni i u raznim drugim oblicima. To uključuje CMM ruke koje koriste kutna mjerenja na zglobovima ruke za izračunavanje položaja vrha ticala i mogu biti opremljene sondama za lasersko skeniranje i optičko snimanje. Takve CMM ruke 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 same mjerne ruke i njenog mjernog volumena oko dijela koji se mjeri tijekom mjerne rutine. Budući da CMM ruke oponašaju fleksibilnost ljudske ruke, često su u stanju dosegnuti i unutrašnjost složenih dijelova koji se ne bi mogli mjeriti standardnim troosnim strojem.

Mehanička sonda

U ranim danima koordinatnog mjerenja (CMM), mehaničke sonde su se postavljale u poseban držač na kraju pinole. Vrlo uobičajena sonda izrađivala se lemljenjem tvrde kugle na kraj osovine. To je bilo idealno za mjerenje cijelog niza ravnih, cilindričnih ili sfernih površina. Druge sonde su se brušile u specifične oblike, na primjer kvadrant, kako bi se omogućilo mjerenje posebnih značajki. Ove su sonde fizički držane uz obratak, a položaj u prostoru se očitavao s 3-osnog digitalnog očitavanja (DRO) ili, u naprednijim sustavima, unosio se u računalo pomoću nožne sklopke ili sličnog uređaja. Mjerenja provedena ovom kontaktnom metodom često su bila nepouzdana jer su se strojevi pomicali ručno i svaki je operater stroja primjenjivao različite količine pritiska na sondu ili usvajao različite tehnike za mjerenje.

Daljnji razvoj bio je dodavanje motora za pogon svake osi. Operateri više nisu morali fizički dodirivati ​​stroj, već su mogli upravljati svakom osi pomoću ručne kutije s joysticcima na gotovo isti način kao i kod modernih automobila na daljinsko upravljanje. Točnost i preciznost mjerenja dramatično su se poboljšale izumom elektroničke mjerne glave s okidačem za dodir. Pionir ovog novog uređaja za mjernu glavu bio je David McMurtry, koji je kasnije osnovao ono što je danas Renishaw plc. Iako je još uvijek bio kontaktni uređaj, sonda je imala olovku od čelične kuglice (kasnije rubinske kuglice) s oprugom. Kada je sonda dodirnula površinu komponente, olovka se skrenula i istovremeno poslala podatke o koordinatama X, Y i Z računalu. Pogreške u mjerenju koje su uzrokovali pojedinačni operateri postale su manje i postavljeni su temelji za uvođenje CNC operacija i dolazak CMM-a.

Optičke sonde su sustavi s lećama i CCD-om, koji se pomiču poput mehaničkih i usmjereni su prema točki interesa, umjesto da dodiruju materijal. Snimljena slika površine bit će zatvorena unutar granica mjernog prozora, sve dok ostatak ne bude dovoljan za kontrast između crnih i bijelih zona. Krivulja podjele može se izračunati do točke koja je željena mjerna točka u prostoru. Horizontalna informacija na CCD-u je 2D (XY), a vertikalni položaj je položaj cijelog sustava sondiranja na Z-pogonu stalka (ili drugoj komponenti uređaja).

Sustavi skenirajućih sondi

Postoje noviji modeli koji imaju sonde koje se povlače po površini dijelova s ​​točaka uzimanja u određenim intervalima, poznate kao skenirajuće sonde. Ova metoda CMM inspekcije često je točnija od konvencionalne metode dodirne sonde i najčešće je i brža.

Sljedeća generacija skeniranja, poznata kao beskontaktno skeniranje, koja uključuje brzu lasersku triangulaciju jedne točke, lasersko linijsko skeniranje i skeniranje bijelim svjetlom, napreduje vrlo brzo. Ova metoda koristi laserske zrake ili bijelo svjetlo koje se projiciraju na površinu dijela. Tada se mogu uzeti tisuće točaka i koristiti ne samo za provjeru veličine i položaja, već i za stvaranje 3D slike dijela. Ovi "podaci o oblaku točaka" zatim se mogu prenijeti u CAD softver za stvaranje radnog 3D modela dijela. Ovi optički skeneri često se koriste na mekim ili osjetljivim dijelovima ili za olakšavanje obrnutog inženjeringa.

Mikrometrološke sonde

Sustavi za mjerenje u mikroskopskim mjeriteljskim primjenama još su jedno novo područje. Postoji nekoliko komercijalno dostupnih koordinatnih mjernih strojeva (CMM) koji imaju integriranu mikrosondu u sustav, nekoliko specijaliziranih sustava u vladinim laboratorijima i brojne sveučilišne metrološke platforme za mikroskopsku metrologiju. Iako su ovi strojevi dobre, a u mnogim slučajevima i izvrsne metrološke platforme s nanometarskim mjerilima, njihovo primarno ograničenje je pouzdana, robusna i sposobna mikro/nano sonda.^{[potreban citat]}Izazovi za tehnologije mikroskopskog sondiranja uključuju potrebu za sondom visokog omjera stranica koja omogućuje pristup dubokim, uskim strukturama s niskim kontaktnim silama kako se ne bi oštetila površina i visokom preciznošću (nanometarska razina).^{[potreban citat]}Osim toga, mikroskopske sonde su osjetljive na uvjete okoline poput vlažnosti i površinskih interakcija poput lijepljenja (uzrokovanog adhezijom, meniskusom i/ili Van der Waalsovim silama, između ostalog).^{[potreban citat]}

Tehnologije za postizanje mikroskopskog sondiranja uključuju smanjene verzije klasičnih CMM sondi, optičke sonde i sondu sa stojnim valom, između ostalog. Međutim, trenutne optičke tehnologije ne mogu se dovoljno smanjiti za mjerenje dubokih, uskih elemenata, a optička rezolucija je ograničena valnom duljinom svjetlosti. Rendgensko snimanje pruža sliku elementa, ali ne i sljedive metrološke informacije.

Fizički principi

Mogu se koristiti optičke sonde i/ili laserske sonde (ako je moguće u kombinaciji), što CMM-ove pretvara u mjerne mikroskope ili višesenzorske mjerne strojeve. Sustavi za projekciju rubova, teodolitski sustavi za triangulaciju ili laserski sustavi za daljinsko mjerenje i triangulaciju ne nazivaju se mjernim strojevima, ali rezultat mjerenja je isti: prostorna točka. Laserske sonde koriste se za detekciju udaljenosti između površine i referentne točke na kraju kinematičkog lanca (tj. kraj Z-pogonske komponente). To može koristiti interferometrijsku funkciju, varijaciju fokusa, otklon svjetlosti ili princip sjenčenja snopa.

Prijenosni strojevi za mjerenje koordinata

Dok tradicionalni CMM-ovi koriste sondu koja se pomiče po trima Kartezijevim osima za mjerenje fizičkih karakteristika objekta, prijenosni CMM-ovi koriste ili zglobne ruke ili, u slučaju optičkih CMM-ova, sustave skeniranja bez ruku koji koriste metode optičke triangulacije i omogućuju potpunu slobodu kretanja oko objekta.

Prijenosni CMM-ovi sa zglobnim rukama imaju šest ili sedam osi koje su opremljene rotacijskim enkoderima, umjesto linearnih osi. Prijenosne ruke su lagane (obično manje od 9 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 (poput Microsoft Kinecta), optički CMM-ovi su manji od prijenosnih CMM-ova s ​​rukama, nemaju žice i omogućuju korisnicima jednostavno 3D mjerenje svih vrsta objekata koji se nalaze gotovo bilo gdje.

Određene jednokratne primjene poput obrnutog inženjeringa, brze izrade prototipa i inspekcije dijelova svih veličina na velikim razmjerima idealne su za prijenosne CMM-ove. Prednosti prijenosnih CMM-ova 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-ovi obično su jeftiniji od tradicionalnih CMM-ova.

Inherentni nedostaci prijenosnih CMM-ova su ručni rad (uvijek im je potreban čovjek za korištenje). Osim toga, njihova ukupna točnost može biti nešto manje točna od točnosti mostnog CMM-a i manje je prikladna za neke primjene.

Multisenzorski mjerni strojevi

Tradicionalna CMM tehnologija koja koristi dodirne sonde danas se često kombinira s drugim mjernim tehnologijama. To uključuje laserske, video ili senzore bijelog svjetla kako bi se osiguralo ono što je poznato kao multisenzorsko mjerenje.