Kas ir koordinātu mērīšanas mašīna?

Izšķirtkoordinēt mērīšanas mašīnu(CMM) ir ierīce, kas mēra fizisko priekšmetu ģeometriju, uztverot diskrētus punktus uz objekta virsmas ar zondi. CMMS, ieskaitot mehānisko, optisko, lāzera un balto gaismu, tiek izmantoti dažādi zondes. Atkarībā no mašīnas zondes pozīciju var manuāli kontrolēt operators, vai arī to var kontrolēt ar datoru. CMMS parasti norāda zondes pozīciju, ņemot vērā tās pārvietojumu no atsauces pozīcijas trīsdimensiju Dekarta koordinātu sistēmā (ti, ar XYZ asīm). Papildus zondes pārvietošanai gar X, Y un Z asīm daudzas mašīnas ļauj kontrolēt zondes leņķi, lai varētu izmērīt virsmas, kas pretējā gadījumā nebūtu sasniedzamas.

Tipiskā 3D “tilta” CMM ļauj zondes kustību pa trim asīm, x, y un z, kas ir ortogonālas viena otrai trīsdimensiju Dekarta koordinātu sistēmā. Katrai asij ir sensors, kas uzrauga zondes stāvokli uz šīs ass, parasti ar mikrometru precizitāti. Kad zondes kontakti (vai citādi nosaka) konkrētu objekta vietu, mašīna parauga trīs pozīcijas sensorus, tādējādi izmērot viena punkta atrašanās vietu uz objekta virsmas, kā arī veiktā mērījuma trīsdimensiju vektoru. Šis process tiek atkārtots pēc nepieciešamības, katru reizi pārvietojot zondi, lai izveidotu “punktu mākoni”, kas apraksta interesējošos virsmas laukumus.

CMM izplatīta lietošana notiek ražošanas un montāžas procesos, lai pārbaudītu daļu vai montāžu pret projektēšanas nodomu. Šādās lietojumprogrammās tiek ģenerēti punktu mākoņi, kurus analizē, izmantojot regresijas algoritmus īpašību celtniecībai. Šie punkti tiek savākti, izmantojot zondi, kuru manuāli novieto operators vai automātiski, izmantojot tiešu datora vadību (DCC). DCC CMM var ieprogrammēt, lai atkārtoti izmērītu identiskas daļas; Tādējādi automatizēts CMM ir specializēts rūpnieciskā robota veids.

Daļa

Koordinātu mērīšanas mašīnās ietilpst trīs galvenās sastāvdaļas:

• Galvenā struktūra, kas ietver trīs kustības asis. Materiāls, ko izmanto kustīgā rāmja konstruēšanai, gadu gaitā ir mainījies. Agrīnajos CMM tika izmantots granīts un tērauds. Mūsdienās visi galvenie CMM ražotāji veido rāmjus no alumīnija sakausējuma vai kāda atvasinājuma, kā arī izmanto keramiku, lai palielinātu Z ass stīvumu skenēšanas lietojumprogrammām. Tikai daži CMM celtnieki šodien joprojām ražo granīta rāmi CMM, pateicoties tirgus prasībām, lai uzlabotu metroloģijas dinamiku un palielinātu tendenci uzstādīt CMM ārpus kvalitātes laboratorijas. Parasti tikai maza apjoma CMM celtnieki un vietējie ražotāji Ķīnā un Indijā joprojām ražo granīta CMM, jo ir zemas tehnoloģijas pieeja un ērta iekļūšana, lai kļūtu par CMM rāmja veidotāju. Pieaugošā tendence skenēt arī prasa, lai CMM Z ass būtu stingrāka, un ir ieviesti jauni materiāli, piemēram, keramikas un silīcija karbīds.
• Zondēšanas sistēma
• Datu vākšana un samazināšanas sistēma - parasti ietver mašīnu kontrolieri, galddatoru un lietojumprogrammu.

Pieejamība

Šīs mašīnas var būt brīvi stāvošas, rokas un pārnēsājamas.

Precizitāte

Koordinātu mērīšanas mašīnu precizitāte parasti tiek piešķirta kā nenoteiktības koeficients kā funkcija attālumā. CMM, izmantojot pieskāriena zondi, tas attiecas uz zondes atkārtojamību un lineāro skalas precizitāti. Tipiska zondes atkārtojamība var izraisīt 0,001 mm vai .00005 collu (puse desmitā) mērījumus visā mērīšanas tilpumā. 3, 3+2 un 5 asu mašīnām zondes regulāri kalibrē, izmantojot izsekojamus standartus, un mašīnas kustība tiek pārbaudīta, izmantojot mērinstrumentus, lai nodrošinātu precizitāti.

Īpašas daļas

Mašīnas korpuss

Pirmo CMM izstrādāja Skotijas Ferranti uzņēmums pagājušā gadsimta piecdesmitajos gados kā tiešu nepieciešamību izmērīt precizitātes komponentus militārajos izstrādājumos, lai gan šai mašīnai bija tikai 2 asis. Pirmie 3 asu modeļi sāka parādīties 60. gados (Itālijas DEA), un datora vadība debitēja 70. gadu sākumā, bet pirmo darba CMM izstrādāja un pārdod Browne & Sharpe Melburnā, Anglijā. (Pēc tam Leitz Vācija izveidoja fiksētu mašīnas struktūru ar kustīgu galdu.

Mūsdienu mašīnās portāla tipa virsbūvei ir divas kājas, un to bieži sauc par tiltu. Tas brīvi pārvietojas pa granīta galdu ar vienu kāju (ko bieži dēvē par iekšējo kāju), ievērojot virzošo sliedi, kas piestiprināta pie granīta galda vienas puses. Pēc vertikālās virsmas kontūras pretējā kāja (bieži ārpus kājas) vienkārši balstās uz granīta galda. Gaisa gultņi ir izvēlētā metode, lai nodrošinātu bez berzes. Tajos saspiestais gaiss tiek piespiests caur virkni ļoti mazu caurumu plakanā gultņa virsmā, lai nodrošinātu gludu, bet kontrolētu gaisa spilvenu, uz kura CMM var pārvietoties gandrīz bez berzes veidā, ko var kompensēt ar programmatūras palīdzību. Tilta vai portāla kustība gar granīta galdu veido vienu XY plaknes asi. Porty tilts satur pārvadājumu, kas šķērso no iekšējām un ārējām kājām un veido otru x vai y horizontālo asi. Trešo kustības asi (z ass) nodrošina, pievienojot vertikālu quill vai vārpstu, kas pārvietojas augšup un lejup caur pārvadāšanas centru. Pieskāriena zonde veido sensoru ierīci kvīti. X, Y un Z asu kustība pilnībā apraksta mērīšanas aploksni. Izvēles rotācijas tabulas var izmantot, lai uzlabotu mērīšanas zondes pieejamību līdz sarežģītām darba ierīcēm. Rotary galds kā ceturtā piedziņas ass neuzlabo mērīšanas izmērus, kas paliek 3D, bet tas nodrošina zināmu elastību. Dažas pieskāriena zondes pašas ir darbināmas rotācijas ierīces ar zondes galu, kas spēj vertikāli pagriezties caur vairāk nekā 180 grādiem un ar pilnu 360 grādu rotāciju.

CMM tagad ir pieejami arī dažādās formās. Tajos ietilpst CMM rokas, kas izmanto leņķiskos mērījumus, kas veikti rokas locītavās, lai aprēķinātu irbuli gala stāvokli, un tos var aprīkot ar zondes lāzera skenēšanai un optiskai attēlveidošanai. Šādas ARM CMM bieži izmanto, ja to pārnesamība ir priekšrocība salīdzinājumā ar tradicionālo fiksēto gultu CMMS, saglabājot izmērītās atrašanās vietas, programmēšanas programmatūra ļauj arī pārvietot pašas mērīšanas rokas un tās mērīšanas tilpumu ap daļu, kas jāizmēra mērīšanas rutīnas laikā. Tā kā CMM rokas atdarina cilvēka rokas elastību, tās arī bieži spēj sasniegt sarežģītu detaļu iekšpuses, kuras nevarēja pārbaudīt, izmantojot standarta trīs asu mašīnu.

Mehāniskā zonde

Koordinātu mērīšanas pirmajās dienās (CMM) mehāniskās zondes tika uzstādītas īpašā turētājā kvīļu galā. Ļoti izplatīta zonde tika veikta, lodējot cietu bumbiņu līdz vārpstas galā. Tas bija ideāli, lai izmērītu veselu plakanas sejas, cilindrisku vai sfērisku virsmu klāstu. Citas zondes tika novietotas uz īpašām formām, piemēram, kvadrantam, lai varētu izmērīt īpašās pazīmes. Šīs zondes fiziski tika turētas pret sagatavi ar pozīciju kosmosā, kas tika nolasīta no 3 asu digitālās nolasīšanas (DRO) vai, modernākām sistēmām, tās tika reģistrētas datorā, izmantojot kāju vai līdzīgu ierīci. Mērījumi, kas veikti ar šo kontaktu metodi, bieži nebija uzticami, jo mašīnas tika pārvietotas ar rokām un katrs mašīnas operators uz zondes pielietoja dažādus spiediena daudzumus vai pieņēma atšķirīgas mērīšanas metodes.

Turpmākā attīstība bija motoru pievienošana katras ass vadīšanai. Operatoriem vairs nevajadzēja fiziski pieskarties mašīnai, bet viņi varēja vadīt katru asi, izmantojot rokas kasti ar kursorsviras tādā pašā veidā kā ar modernām tālvadības automašīnām. Mērījumu precizitāte un precizitāte dramatiski uzlabojās, izgudrojot elektronisko pieskāriena sprūda zondi. Šīs jaunās zondes ierīces pionieris bija Deivids Makmūrijs, kurš vēlāk izveidoja to, kas tagad ir Renishaw Plc. Lai arī joprojām ir kontakta ierīce, zondei bija ar atsperi ar atsperi ielādēta tērauda bumbiņas (vēlāk rubīna bumba) irbuli. Kad zonde pieskārās komponenta virsmai, irbuli novirzīja un vienlaikus nosūtīja datoram X, Y, Z koordinātas informāciju. Atsevišķu operatoru izraisītās mērījumu kļūdas kļuva mazākas, un tika noteikts posms CNC operāciju ieviešanai un CMM vecuma sasniegšanai.

Optiskās zondes ir objektīva-CCD sistēmas, kuras tiek pārvietotas kā mehāniskas, un tās ir vērstas uz interesi, tā vietā, lai pieskartos materiālam. Uzņemtais virsmas attēls tiks norobežots mērīšanas loga robežās, līdz atlikums ir piemērots, lai kontrastētu starp melnbaltajām zonām. Sadalošo līkni var aprēķināt līdz punktam, kas ir vēlamais mērīšanas punkts kosmosā. Horizontālā informācija par CCD ir 2D (xy), un vertikālā pozīcija ir pilnīgas zondēšanas sistēmas pozīcija statīvā z-pieve (vai cita ierīces komponentā).

Zondes skenēšanas sistēmas

Ir jaunāki modeļi, kuriem ir zondes, kas velk pa daļas virsmu, ņemot punktus ar noteiktiem intervāliem, kas pazīstams kā skenēšanas zondes. Šī CMM pārbaudes metode bieži ir precīzāka nekā parastā skārienprobes metode, un arī lielākoties ātrāk.

Nākamās paaudzes skenēšana, kas pazīstama kā bezkontakta skenēšana, kurā ietilpst ātrgaitas lāzera viena punkta trīsstūrēšana, lāzera līnijas skenēšana un baltās gaismas skenēšana, tiek virzīta ļoti ātri. Šī metode izmanto vai nu lāzera starus, vai baltu gaismu, kas tiek projicēta pret daļas virsmu. Pēc tam daudzus tūkstošus punktu var ņemt un izmantot ne tikai, lai pārbaudītu lielumu un pozīciju, bet arī, lai izveidotu arī daļas 3D attēlu. Pēc tam šos “punktu mākoņus” var pārsūtīt uz CAD programmatūru, lai izveidotu darba 3D modeli. Šos optiskos skenerus bieži izmanto uz mīkstām vai smalkām detaļām vai lai atvieglotu reverso inženieriju.

Mikrometroloģijas zondes

Mikromēroga metroloģijas lietojumprogrammu zondēšanas sistēmas ir vēl viena jaunā zona. Ir vairākas komerciāli pieejamas koordinātu mērīšanas mašīnas (CMM), kurām ir integrēta mikroprodukta, vairākas speciālas sistēmas valdības laboratorijās un jebkura skaita universitāšu veidotu metroloģijas platformu mikromēroga metroloģijai. Lai arī šīs mašīnas ir labas un daudzos gadījumos lieliskas metroloģijas platformas ar nanometriskām skalām, to galvenais ierobežojums ir uzticama, izturīga, spējīga mikro/nano zonde.^{[Nepieciešams citāts]}Izaicinājumi mikroskāla zondēšanas tehnoloģijās ietver nepieciešamību pēc augsta malu attiecības zondes, dodot iespēju piekļūt dziļām, šaurām funkcijām ar zemiem kontakta spēkiem, lai nesabojātu virsmu un augstu precizitāti (nanometru līmenis).^{[Nepieciešams citāts]}Papildus mikromēroga zondes ir jutīgas pret vides apstākļiem, piemēram, mitrumu un virsmas mijiedarbību, piemēram, stiklu (ko izraisa adhēzija, meniska un/vai van der Waals spēki).^{[Nepieciešams citāts]}

Tehnoloģijas, lai sasniegtu mikromēroga zondēšanu, ir klasiskās CMM zondes, optiskās zondes un stāvoša viļņa zondes mērogota versija. Tomēr strāvas optiskās tehnoloģijas nevar samazināt pietiekami mazas, lai izmērītu dziļu, šauru pazīmi, un optisko izšķirtspēju ierobežo gaismas viļņa garums. Rentgena attēlveidošana nodrošina šīs funkcijas attēlu, bet nav informācijas par metroloģiju.

Fiziskie principi

Var izmantot optiskās zondes un/vai lāzera zondes (ja iespējams, kombinācijā), kas maina CMMS uz mikroskopu vai vairāku sensoru mērīšanas mašīnām. Fringe projekcijas sistēmas, teodolīta trīsstūrveida sistēmas vai lāzera attālas un trīsstūrveida sistēmas netiek sauktas par mērīšanas mašīnām, bet mērīšanas rezultāts ir vienāds: kosmosa punkts. Lāzera zondes tiek izmantotas, lai noteiktu attālumu starp virsmu un atskaites punktu kinemātiskās ķēdes galā (ti, z-piedziņas komponenta beigas). Tas var izmantot interferometrisko funkciju, fokusa variācijas, gaismas novirzi vai staru ēnošanas principu.

Pārnēsājamas koordinātu mērīšanas mašīnas

Kamēr tradicionālie CMMS izmanto zondi, kas pārvietojas uz trim Dekarta asīm, lai izmērītu objekta fiziskās īpašības, portatīvās CMMS izmanto vai nu artikulētus ieročus, vai arī optisko CMM gadījumā, bez roku skenēšanas sistēmām, kas izmanto optiskās triangulācijas metodes un dod iespēju pilnīgai kustības brīvībai ap objektu.

Pārnēsājamām CMM ar artikulētām rokām ir sešas vai septiņas asis, kas ir aprīkotas ar rotējošiem kodētājiem, nevis lineāras asis. Pārnēsājamās rokas ir vieglas (parasti mazāk nekā 20 mārciņas), un tās var pārvadāt un izmantot gandrīz jebkur. Tomēr nozarē arvien vairāk izmanto optisko CMM. Izstrādāts ar kompaktām lineārajām vai matricas masīva kamerām (piemēram, Microsoft Kinect), optiskie CMM ir mazāki nekā portatīvie CMM ar ieročiem, tiem nav vadu un ļauj lietotājiem viegli veikt visu veidu objektu 3D mērījumus, kas atrodas gandrīz jebkur.

Dažas neatkārtojošas lietojumprogrammas, piemēram, reversā inženierija, ātra prototipēšana un visu izmēru daļu liela mēroga pārbaude ir ideāli piemērota pārnēsājamām CMM. Portatīvo CMM priekšrocības ir daudzkārtīgas. Lietotājiem ir elastība, veicot visu veidu daļu 3D mērījumus un visattālākajās/grūtākajās vietās. Tie ir viegli lietojami, un, lai veiktu precīzus mērījumus, nav nepieciešama kontrolēta vide. Turklāt portatīvās CMM mēdz maksāt mazāk nekā tradicionālās CMM.

Portatīvo CMM raksturīgie kompromisi ir manuāla darbība (viņiem vienmēr ir nepieciešams, lai cilvēks tos izmantotu). Turklāt to vispārējā precizitāte var būt nedaudz mazāk precīza nekā tilta tipa CMM un ir mazāk piemērota dažām lietojumprogrammām.

Multisensoru mērīšanas mašīnas

Tradicionālā CMM tehnoloģija, izmantojot Touch Probes, mūsdienās bieži tiek apvienota ar citu mērījumu tehnoloģiju. Tas ietver lāzeru, video vai balto gaismas sensorus, lai nodrošinātu tā dēvēto multisensoru mērījumu.