Kas ir koordinātu mērīšanas mašīna?

Akoordinātu mērīšanas mašīna(CMM) ir ierīce, kas mēra fizisku objektu ģeometriju, ar zondi uztverot atsevišķus punktus uz objekta virsmas. CMM tiek izmantoti dažādu veidu zondes, tostarp mehāniskās, optiskās, lāzera un baltās gaismas zondes. Atkarībā no iekārtas zondes pozīciju var manuāli kontrolēt operators, vai arī to var vadīt dators. CMM parasti norāda zondes pozīciju tās pārvietojuma ziņā no atskaites pozīcijas trīsdimensiju Dekarta koordinātu sistēmā (t.i., ar XYZ asīm). Papildus zondes pārvietošanai pa X, Y un Z asīm daudzas iekārtas ļauj arī kontrolēt zondes leņķi, lai varētu veikt virsmu mērījumus, kas citādi nebūtu sasniedzamas.

Tipiskā 3D “tilta” KMM iekārta ļauj zondi pārvietot pa trim asīm — X, Y un Z —, kas ir perpendikulāras viena otrai trīsdimensiju Dekarta koordinātu sistēmā. Katrai asij ir sensors, kas uzrauga zondes pozīciju uz šīs ass, parasti ar mikrometra precizitāti. Kad zonde pieskaras (vai citādi nosaka) noteiktu atrašanās vietu uz objekta, iekārta ņem paraugus no trim pozīcijas sensoriem, 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 interesējošās virsmas zonas.

KMM bieži izmanto ražošanas un montāžas procesos, lai pārbaudītu detaļas vai mezgla atbilstību projektētajam mērķim. Šādos pielietojumos tiek ģenerēti punktu mākoņi, kas tiek analizēti, izmantojot regresijas algoritmus elementu konstruēšanai. Šie punkti tiek savākti, izmantojot zondi, ko manuāli novieto operators vai automātiski, izmantojot tiešo datora vadību (DCC). DCC KMM var ieprogrammēt atkārtoti mērīt identiskas detaļas; tādēļ automatizēts KMM ir specializēts rūpnieciskā robota veids.

Daļas

Koordinātu mērīšanas mašīnām ir trīs galvenās sastāvdaļas:

• Galvenā struktūra, kas ietver trīs kustības asis. Kustīgā rāmja izgatavošanai izmantotais materiāls gadu gaitā ir mainījies. Agrīnajos CMMM tika izmantots granīts un tērauds. Mūsdienās visi lielākie CMMM ražotāji izgatavo rāmjus no alumīnija sakausējuma vai kāda atvasinājuma, kā arī izmanto keramiku, lai palielinātu Z ass stingrību skenēšanas lietojumprogrammām. Tikai daži CMMM ražotāji mūsdienās joprojām ražo granīta rāmja CMMM, jo tirgus pieprasa uzlabotu metroloģijas dinamiku un pieaug tendence uzstādīt CMMM ārpus kvalitātes laboratorijas. Parasti tikai mazapjoma CMMM ražotāji un vietējie ražotāji Ķīnā un Indijā joprojām ražo granīta CMMM, jo to tehnoloģiskā pieeja ir zema un vieglā piekļuve CMMM rāmju ražotājiem ir vienkārša. Pieaugošā skenēšanas tendence prasa arī to, lai CMMM Z ass būtu stingrāka, un ir ieviesti jauni materiāli, piemēram, keramika un silīcija karbīds.
• Zondēšanas sistēma
• Datu vākšanas un samazināšanas sistēma — parasti ietver mašīnas kontrolieri, galddatoru un lietojumprogrammatūru.

Pieejamība

Šīs mašīnas var būt brīvi stāvošas, rokas un pārnēsājamas.

Precizitāte

Koordinātu mērīšanas iekārtu precizitāte parasti tiek norādīta kā nenoteiktības koeficients atkarībā no attāluma. KMM, kas izmanto skārienzondi, tas attiecas uz zondes atkārtojamību un lineāro skalu precizitāti. Tipiska zondes atkārtojamība var nodrošināt mērījumus 0,001 mm vai 0,00005 collu (puse desmitdaļas) robežās visā mērījumu apjomā. 3, 3+2 un 5 asu iekārtām zondes regulāri tiek kalibrētas, izmantojot izsekojamus standartus, un iekārtas kustība tiek pārbaudīta, izmantojot mērinstrumentus, lai nodrošinātu precizitāti.

Specifiskas daļas

Mašīnas korpuss

Pirmo skaitļošanas mašīnu (CMM) izstrādāja Skotijas uzņēmums Ferranti Company 20. gs. piecdesmitajos gados, jo radās tieša nepieciešamība izmērīt precīzijas komponentus militārajos produktos, lai gan šai mašīnai bija tikai divas asis. Pirmie trīs asu modeļi sāka parādīties 20. gs. sešdesmitajos gados (Itālijas DEA), un datorvadība debitēja 20. gs. septiņdesmito gadu sākumā, taču pirmo funkcionējošo CMM izstrādāja un pārdošanā laida Browne & Sharpe Melburnā, Anglijā. (Leitz Germany vēlāk ražoja fiksētas konstrukcijas mašīnu ar kustīgu galdu.)

Mūsdienu mašīnās portāla tipa virsbūvei ir divas kājas, un to bieži sauc par tiltu. Tā brīvi pārvietojas pa granīta galdu, vienai kājai (bieži sauktai par iekšējo kāju) sekojot vadotnei, kas piestiprināta pie vienas granīta galda puses. Pretējā kāja (bieži vien ārējā kāja) vienkārši balstās uz granīta galda, sekojot vertikālajai virsmas kontūrai. Lai nodrošinātu kustību bez berzes, izvēlētā metode ir gaisa gultņi. Tajos saspiests gaiss tiek spiests caur virkni ļoti mazu caurumu plakanā gultņa virsmā, lai nodrošinātu vienmērīgu, bet kontrolētu gaisa spilvenu, pa kuru koordinātu magnētiskā mērīšanas iekārta var pārvietoties gandrīz bez berzes, ko var kompensēt ar programmatūru. Tilta vai portāla kustība pa granīta galdu veido vienu XY plaknes asi. Portāla tilts satur ratiņus, kas pārvietojas starp iekšējo un ārējo kāju un veido otru X vai Y horizontālo asi. Trešo kustības asi (Z asi) nodrošina vertikāla tapa vai vārpsta, kas pārvietojas uz augšu un uz leju caur ratiņu centru. Skārienzonde veido sensoru tapas galā. X, Y un Z asu kustība pilnībā apraksta mērīšanas diapazonu. Papildu rotācijas galdus var izmantot, lai uzlabotu mērīšanas zondes pieejamību sarežģītām sagatavēm. Rotācijas galds kā ceturtā piedziņas ass neuzlabo mērīšanas izmērus, kas joprojām ir 3D, taču tas nodrošina zināmu elastību. Dažas skenēšanas zondes pašas ir ar motoru darbināmas rotācijas ierīces, kuru zondes gals var pagriezties vertikāli par vairāk nekā 180 grādiem un veikt pilnu 360 grādu rotāciju.

KMM tagad ir pieejami arī dažādos citos veidos. Tie ietver KMM rokas, kas izmanto leņķa mērījumus, kas veikti rokas locītavās, lai aprēķinātu irbuļa gala pozīciju, un tās var aprīkot ar zondēm lāzera skenēšanai un optiskajai attēlveidošanai. Šādas rokas KMM bieži izmanto, ja to pārnesamība ir priekšrocība salīdzinājumā ar tradicionālajām fiksētās gultas KMM — saglabājot izmērītās atrašanās vietas, programmēšanas programmatūra ļauj arī pārvietot pašu mērīšanas roku un tās mērījumu apjomu ap mērāmo detaļu mērīšanas rutīnas laikā. Tā kā KMM rokas atdarina cilvēka rokas elastību, tās bieži vien spēj sasniegt arī sarežģītu detaļu iekšpusi, kuras nevarētu zondēt, izmantojot standarta trīs asu mašīnu.

Mehāniskā zonde

Koordinātu mērīšanas (CMM) pirmsākumos mehāniskās zondes tika ievietotas speciālā turētājā uz spalvas gala. Ļoti izplatīta zonde tika izgatavota, pielodējot cietu lodīti vārpstas galā. Tas bija ideāli piemērots visa plakanu, cilindrisku vai sfērisku virsmu mērīšanai. Citas zondes tika noslīpētas noteiktās formās, piemēram, kvadrantā, lai varētu izmērīt īpašas iezīmes. Šīs zondes tika fiziski turētas pret sagatavi, un to pozīcija telpā tika nolasīta no trīs asu digitālā nolasītāja (DRO) vai, modernākās sistēmās, reģistrēta datorā, izmantojot kājas slēdzi vai līdzīgu ierīci. Ar šo kontakta metodi veiktie mērījumi bieži vien nebija uzticami, jo mašīnas tika pārvietotas ar rokām, un katrs mašīnas operators pielietoja atšķirīgu spiediena daudzumu uz zondi vai izmantoja atšķirīgas mērīšanas metodes.

Turpmāks attīstības solis bija motoru pievienošana katras ass piedziņai. Operatoriem vairs nebija fiziski jāpieskaras mašīnai, bet viņi varēja vadīt katru asi, izmantojot rokas kārbu ar kursorsvirām, līdzīgi kā mūsdienu tālvadības automašīnās. Mērījumu precizitāte un pareizība ievērojami uzlabojās, izgudrojot elektronisko pieskāriena zondi. Šīs jaunās zondes ierīces pionieris bija Deivids Makmērtrijs, kurš vēlāk izveidoja uzņēmumu, kas tagad ir Renishaw plc. Lai gan tā joprojām bija kontakta ierīce, zondei bija ar atsperi nostiprināts tērauda lodītes (vēlāk rubīna lodītes) irbulis. Kad zonde pieskārās detaļas virsmai, irbulis novirzījās un vienlaikus nosūtīja X, Y, Z koordinātu informāciju datoram. Atsevišķu operatoru radītās mērījumu kļūdas samazinājās, un tika radīts pamats CNC operāciju ieviešanai un ģeometrisko mehānisko mērījumu iekārtu laikmeta sasniegšanai.

Optiskās zondes ir lēcu-CCD sistēmas, kuras tiek pārvietotas tāpat kā mehāniskās zondes, un ir vērstas uz interesējošo punktu, nevis pieskaroties materiālam. Uzņemtais virsmas attēls tiks ietverts mērīšanas loga robežās, līdz atlikums būs pietiekams, lai kontrastētu starp melnajām un baltajām zonām. Dalīšanas līkni var aprēķināt līdz punktam, kas ir vēlamais mērīšanas punkts telpā. Horizontālā informācija uz CCD ir 2D (XY), un vertikālā pozīcija ir visas zondēšanas sistēmas pozīcija uz statīva Z piedziņas (vai citas ierīces komponentes).

Skenēšanas zondes sistēmas

Ir jaunāki modeļi ar zondēm, kas noteiktos intervālos velk gar detaļu ņemšanas punktu virsmu, un tās sauc par skenēšanas zondēm. Šī CMM pārbaudes metode bieži vien ir precīzāka nekā parastā skārienzondes metode un lielākoties arī ātrāka.

Nākamās paaudzes skenēšana, kas pazīstama kā bezkontakta skenēšana, kas ietver ātrdarbīgu lāzera viena punkta triangulāciju, lāzera līniju skenēšanu un baltās gaismas skenēšanu, attīstās ļoti strauji. Šī metode izmanto vai nu lāzera starus, vai balto gaismu, kas tiek projicēta uz detaļas virsmas. Pēc tam var iegūt daudzus tūkstošus punktu un izmantot ne tikai izmēra un pozīcijas pārbaudei, bet arī detaļas 3D attēla izveidei. Šos "punktu mākoņa datus" pēc tam var pārsūtīt uz CAD programmatūru, lai izveidotu detaļas funkcionējošu 3D modeli. Šos optiskos skenerus bieži izmanto mīkstām vai jutīgām detaļām vai lai atvieglotu reverso inženieriju.

Mikrometroloģijas zondes

Zondēšanas sistēmas mikromēroga metroloģijas lietojumprogrammām ir vēl viena jauna joma. Ir vairākas komerciāli pieejamas koordinātu mērīšanas iekārtas (CMM), kurās ir sistēmā integrēta mikrozonde, vairākas specializētas sistēmas valdības laboratorijās un milzīgs skaits universitāšu veidotu metroloģijas platformu mikromēroga metroloģijai. Lai gan šīs iekārtas ir labas un daudzos gadījumos izcilas metroloģijas platformas ar nanometriskajiem mērogiem, to galvenais ierobežojums ir uzticama, izturīga un spējīga mikro/nano zonde.^{[nepieciešama atsauce]}Mikroskopisko zondēšanas tehnoloģiju izaicinājumi ietver nepieciešamību pēc zondes ar augstu malu attiecību, kas ļauj piekļūt dziļām, šaurām iezīmēm ar mazu saskares spēku, lai nebojātu virsmu, un ar augstu precizitāti (nanometru līmenī).^{[nepieciešama atsauce]}Turklāt mikroskopiskās zondes ir jutīgas pret tādiem vides apstākļiem kā mitrums un virsmas mijiedarbība, piemēram, stricija (ko izraisa cita starpā adhēzija, menisks un/vai Van der Valsa spēki).^{[nepieciešama atsauce]}

Tehnoloģijas mikroskopiskā mēroga zondēšanas panākšanai ietver klasisko CMM zondu samazinātu versiju, optiskās zondes un stāvviļņu zondi, kā arī citas. Tomēr pašreizējās optiskās tehnoloģijas nevar būt pietiekami mazas, lai izmērītu dziļu, šauru objektu, un optisko izšķirtspēju ierobežo gaismas viļņa garums. Rentgena attēlveidošana sniedz objekta attēlu, bet ne izsekojamu metroloģijas informāciju.

Fizikālie principi

Var izmantot optiskās zondes un/vai lāzera zondes (ja iespējams, kombinācijā), kas KMM pārvērš par mērīšanas mikroskopiem vai daudzsensoru mērīšanas iekārtām. Barjerprojekcijas sistēmas, teodolīta triangulācijas sistēmas vai lāzera tālās un triangulācijas sistēmas netiek sauktas par mērīšanas iekārtām, taču mērīšanas rezultāts ir viens un tas pats: telpas punkts. Lāzera zondes izmanto, lai noteiktu attālumu starp virsmu un atskaites punktu kinemātiskās ķēdes galā (t. i., Z piedziņas komponentes galā). Tam var izmantot interferometrisku funkciju, fokusa variāciju, gaismas novirzi vai stara ēnojuma principu.

Pārnēsājamas koordinātu mērīšanas iekārtas

Kamēr tradicionālajās KMM iekārtas objekta fizikālo īpašību mērīšanai izmanto zondi, kas pārvietojas pa trim Dekarta asīm, pārnēsājamās KMM iekārtas izmanto vai nu artikulētas rokas, vai, optisko KMM gadījumā, bezroku skenēšanas sistēmas, kas izmanto optiskās triangulācijas metodes un nodrošina pilnīgu pārvietošanās brīvību ap objektu.

Pārnēsājamām KMM iekārtām ar šarnīrveida svirām ir sešas vai septiņas asis, kas aprīkotas ar rotācijas kodētājiem, nevis lineārām asīm. Pārnēsājamās sviras ir vieglas (parasti mazāk nekā 20 mārciņas) un tās var pārnēsāt un izmantot gandrīz jebkur. Tomēr nozarē arvien vairāk tiek izmantotas optiskās KMM iekārtas. Optiskās KMM iekārtas, kas konstruētas ar kompaktām lineārām vai matricas masīva kamerām (piemēram, Microsoft Kinect), ir mazākas nekā pārnēsājamās KMM iekārtas ar svirām, tām nav vadu un tās ļauj lietotājiem viegli veikt visu veidu objektu 3D mērījumus, kas atrodas gandrīz jebkur.

Daži neatkārtojami pielietojumi, piemēram, reversā inženierija, ātrā prototipu izgatavošana un visu izmēru detaļu liela mēroga pārbaude, ir ideāli piemēroti pārnēsājamām KMM iekārtām. Pārnēsājamo KMM priekšrocības ir daudzas. Lietotājiem ir iespēja veikt visu veidu detaļu 3D mērījumus visattālākajās/sarežģītākajās vietās. Tās ir viegli lietojamas, un precīzu mērījumu veikšanai nav nepieciešama kontrolēta vide. Turklāt pārnēsājamās KMM iekārtas parasti maksā mazāk nekā tradicionālās KMM iekārtas.

Pārnēsājamo KMM raksturīgie kompromisi ir manuāla darbība (to lietošanai vienmēr ir nepieciešams cilvēks). Turklāt to kopējā precizitāte var būt nedaudz mazāka nekā tilta tipa KMM, un tās ir mazāk piemērotas dažām lietojumprogrammām.

Daudzsensoru mērīšanas iekārtas

Tradicionālā CMM tehnoloģija, kurā tiek izmantotas skārienzondes, mūsdienās bieži tiek apvienota ar citām mērīšanas tehnoloģijām. Tas ietver lāzera, video vai baltās gaismas sensorus, lai nodrošinātu tā saukto multisensoru mērījumu.