Kas ir koordinātu mērīšanas mašīna?

Akoordinātu mērīšanas mašīna(CMM) ir ierīce, kas mēra fizisku objektu ģeometriju, ar zondi uztverot diskrētus punktus uz objekta virsmas.CMM tiek izmantotas dažāda veida zondes, tostarp mehāniskās, optiskās, lāzera un baltās gaismas.Atkarībā no iekārtas zondes pozīciju var manuāli kontrolēt operators vai arī to var vadīt ar datoru.CMM parasti norāda zondes pozīciju, ņemot vērā tās nobīdi no atskaites pozīcijas trīsdimensiju Dekarta koordinātu sistēmā (ti, ar XYZ asīm).Papildus zondes pārvietošanai pa X, Y un Z asīm daudzas iekārtas ļauj arī kontrolēt zondes leņķi, lai varētu izmērīt virsmas, kuras citādi nebūtu sasniedzamas.

Tipiskais 3D “tilta” CMM ļauj zondei pārvietoties pa trim asīm X, Y un Z, kas ir ortogonālas viena pret otru trīsdimensiju Dekarta koordinātu sistēmā.Katrai asij ir sensors, kas uzrauga zondes stāvokli uz šīs ass, parasti ar mikrometra precizitāti.Kad zonde saskaras (vai citādi nosaka) noteiktu vietu uz objekta, iekārta ņem paraugus no trim pozīcijas sensoriem, tādējādi izmērot viena punkta atrašanās vietu uz objekta virsmas, kā arī veiktā mērījuma 3-dimensiju vektoru.Šo procesu atkārto pēc vajadzības, katru reizi pārvietojot zondi, lai izveidotu “punktu mākoni”, kas apraksta interesējošās virsmas apgabalus.

CMM parasti tiek izmantots ražošanas un montāžas procesos, lai pārbaudītu daļu vai komplektu pret projektēšanas nolūku.Šādās lietojumprogrammās tiek ģenerēti punktu mākoņi, kas tiek analizēti, izmantojot regresijas algoritmus pazīmju konstruēšanai.Šie punkti tiek savākti, izmantojot zondi, ko manuāli novieto operators vai automātiski, izmantojot tiešo datora vadību (DCC).DCC CMM var ieprogrammēt, lai atkārtoti mērītu identiskas daļas;tādējādi automatizēts CMM ir specializēta industriālā robota forma.

Daļas

Koordinātu mērīšanas mašīnas ietver trīs galvenās sastāvdaļas:

• Galvenā struktūra, kas ietver trīs kustības asis.Materiāls, kas izmantots kustīgā rāmja konstruēšanai, gadu gaitā ir mainījies.Granīts un tērauds tika izmantoti agrīnajos CMM.Mūsdienās visi lielākie CMM ražotāji veido rāmjus no alumīnija sakausējuma vai kāda atvasinājuma, kā arī izmanto keramiku, lai palielinātu Z ass stingrību skenēšanas lietojumprogrammām.Tikai daži CMM celtnieki mūsdienās joprojām ražo granīta karkasa CMM, jo tirgus prasība ir uzlabota metroloģijas dinamika un pieaug tendence uzstādīt CMM ārpus kvalitātes laboratorijas.Parasti tikai neliela apjoma CMM būvētāji un vietējie ražotāji Ķīnā un Indijā joprojām ražo granīta CMM zemās tehnoloģijas pieejas un ērtas piekļuves CMM rāmju izgatavotāja dēļ.Pieaugošā skenēšanas tendence arī prasa, lai CMM 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, pārnēsājamas un pārnēsājamas.

Precizitāte

Koordinātu mērīšanas iekārtu precizitāte parasti tiek norādīta kā nenoteiktības koeficients kā funkcija no attāluma.CMM, kas izmanto skārienzondi, tas attiecas uz zondes atkārtojamību un lineāro skalu precizitāti.Parastā zondes atkārtojamība var radīt mērījumus 0,001 mm vai 0,00005 collu (puse desmitdaļas) robežās visā mērījumu tilpumā.3, 3+2 un 5 asu mašīnām zondes regulāri kalibrē, izmantojot izsekojamus standartus, un mašīnas kustība tiek pārbaudīta, izmantojot mērierīces, lai nodrošinātu precizitāti.

Konkrētas daļas

Mašīnas korpuss

Pirmo CMM izstrādāja Ferranti Company of Scotland 1950. gados, jo bija tieša nepieciešamība mērīt precizitātes komponentus savos militārajos izstrādājumos, lai gan šai iekārtai bija tikai 2 asis.Pirmie 3 asu modeļi sāka parādīties 1960. gados (Itālijas DEA), un datorvadība debitēja 1970. gadu sākumā, bet pirmo darbojošos CMM izstrādāja un laida pārdošanā uzņēmums Browne & Sharpe Melburnā, Anglijā.(Leitz Germany pēc tam izgatavoja fiksētu mašīnas konstrukciju 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 (bieži saukta par iekšējo kāju) pēc vadošās sliedes, kas piestiprināta granīta galda vienai pusei.Pretējā kāja (bieži ārējā kāja) vienkārši balstās uz granīta galda, ievērojot vertikālās virsmas kontūru.Gaisa gultņi ir izvēlēta metode, lai nodrošinātu pārvietošanos bez berzes.Tajos saspiestais gaiss tiek izspiests caur virkni ļoti mazu caurumu plakanā gultņa virsmā, lai nodrošinātu gludu, bet kontrolētu gaisa spilvenu, pa kuru CMM var pārvietoties gandrīz bez berzes, ko var kompensēt ar programmatūras palīdzību.Tilta vai portāla kustība pa granīta galdu veido vienu XY plaknes asi.Portāla tilts satur ratiņus, kas šķērso iekšējo un ārējo kāju un veido otru X vai Y horizontālo asi.Trešo kustības asi (Z ass) nodrošina, pievienojot vertikālu spalvu vai vārpstu, kas pārvietojas uz augšu un uz leju cauri ratiņa centram.Skārienzonde veido sensoru ierīci spalvas galā.X, Y un Z asu kustība pilnībā apraksta mērīšanas aploksni.Izvēles rotācijas galdus var izmantot, lai uzlabotu mērīšanas zondes pieejamību sarežģītām sagatavēm.Rotējošais galds kā ceturtā piedziņas ass nepalielina mērījumu izmērus, kas paliek 3D formātā, taču nodrošina zināmu elastību.Dažas skārienzondes pašas ir darbināmas rotējošas ierīces ar zondes galu, kas var pagriezties vertikāli vairāk nekā par 180 grādiem un pilnībā pagriezties par 360 grādiem.

CMM tagad ir pieejami arī dažādos citos veidos.Tie ietver CMM rokas, kas izmanto leņķiskos mērījumus, kas veikti rokas locītavās, lai aprēķinātu irbuļa gala pozīciju, un tās var aprīkot ar zondēm lāzerskenēšanai un optiskajai attēlveidošanai.Šādas rokas CMM bieži izmanto, ja to pārnesamība ir priekšrocība salīdzinājumā ar tradicionālajiem fiksētās gultas CMM — saglabājot izmērītās vietas, programmēšanas programmatūra ļauj arī pārvietot pašu mērīšanas sviru un tās mērījumu tilpumu ap mērīto daļu mērīšanas rutīnas laikā.Tā kā CMM rokas atdarina cilvēka rokas elastību, tās bieži vien spēj sasniegt arī sarežģītu daļu iekšpusi, kuras nevar pārbaudīt, izmantojot standarta trīs asu mašīnu.

Mehāniskā zonde

Koordinātu mērīšanas (CMM) pirmajās dienās mehāniskās zondes tika ievietotas īpašā turētājā spalvas galā.Ļoti izplatīta zonde tika izgatavota, pielodējot cietu lodi vārpstas galā.Tas bija ideāli piemērots plakanu virsmu, cilindrisku vai sfērisku virsmu mērīšanai.Citas zondes tika slīpētas līdz noteiktām formām, piemēram, kvadrantā, lai varētu izmērīt īpašas pazīmes.Šīs zondes tika fiziski turētas pret apstrādājamo priekšmetu, novietojot vietu telpā, nolasot no 3 asu digitālā nolasījuma (DRO) vai progresīvākās sistēmās, piesakoties datorā, izmantojot kājas slēdzi vai līdzīgu ierīci.Mērījumi, kas veikti ar šo kontakta metodi, bieži bija neuzticami, jo mašīnas tika pārvietotas ar rokām, un katrs mašīnas operators uz zondi pielika atšķirīgu spiedienu vai izmantoja dažādas mērīšanas metodes.

Turpmākā attīstība 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 ar modernām tālvadības automašīnām.Mērījumu precizitāte un precizitāte ir ievērojami uzlabojusies, izgudrojot elektronisko skārienzondi.Šīs jaunās zondes ierīces pionieris bija Deivids Makmurtrijs, kurš vēlāk izveidoja tagadējo Renishaw plc.Lai gan zondei joprojām bija kontaktierīce, tai bija ar atsperi pieslēgts tērauda lodīšu (vēlāk rubīna lodīšu) irbulis.Zondei pieskaroties komponenta virsmai, irbulis novirzījās un vienlaikus nosūtīja X, Y, Z koordinātu informāciju datoram.Atsevišķu operatoru radīto mērījumu kļūdu kļuva mazāk, un tika izveidots posms CNC operāciju ieviešanai un CMM pilngadībai.

Optiskās zondes ir lēcu-CCD-sistēmas, kuras tiek pārvietotas tāpat kā mehāniskās un ir vērstas uz interesējošo punktu, nevis pieskaras materiālam.Uzņemtais virsmas attēls tiks ietverts mērīšanas loga robežās, līdz atlikums ir pietiekams, lai kontrastētu starp melnbaltajām 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 diska (vai cita ierīces komponenta).

Skenēšanas zondes sistēmas

Ir jaunāki modeļi, kuriem ir zondes, kas velkas pa detaļu virsmu noteiktos intervālos, kas ņem punktus, kas pazīstami kā skenēšanas zondes.Šī CMM pārbaudes metode bieži vien ir precīzāka nekā parastā skārienzondes metode un vairumā gadījumu arī ātrāka.

Nākamās paaudzes skenēšana, kas pazīstama kā bezkontakta skenēšana, kas ietver liela ātruma lāzera viena punkta triangulāciju, lāzera līniju skenēšanu un baltās gaismas skenēšanu, attīstās ļoti ātri.Šī metode izmanto vai nu lāzera starus, vai baltu gaismu, kas tiek projicēta pret detaļas virsmu.Pēc tam var ņemt daudzus tūkstošus punktu un izmantot ne tikai izmēra un novietojuma pārbaudei, bet arī detaļas 3D attēla izveidei.Šos “punktu mākoņa datus” pēc tam var pārsūtīt uz CAD programmatūru, lai izveidotu detaļas darba 3D modeli.Šos optiskos skenerus bieži izmanto mīkstām vai delikātām daļām vai lai atvieglotu reverso inženieriju.

Mikrometroloģijas zondes

Vēl viena jauna joma ir zondēšanas sistēmas mikromēroga metroloģijas lietojumiem.Ir vairākas komerciāli pieejamas koordinātu mērīšanas iekārtas (CMM), kurām ir sistēmā integrēta mikrozonde, vairākas speciālas sistēmas valdības laboratorijās un jebkuras universitātes veidotas metroloģijas platformas mikromēroga metroloģijai.Lai gan šīs iekārtas ir labas un daudzos gadījumos lieliskas metroloģijas platformas ar nanometriskām skalām, to galvenais ierobežojums ir uzticama, izturīga, spējīga mikro/nano zonde.^{[nepieciešama atsauce]}Izaicinājumi mikro mēroga zondēšanas tehnoloģijām ietver nepieciešamību pēc augstas proporcijas zondes, kas ļauj piekļūt dziļām, šaurām iezīmēm ar zemiem kontaktspēkiem, lai nesabojātu virsmu un augstu precizitāti (nanometra līmenis).^{[nepieciešama atsauce]}Turklāt mikromēroga zondes ir jutīgas pret vides apstākļiem, piemēram, mitrumu un virsmas mijiedarbību, piemēram, saķeri (ko izraisa adhēzija, menisks un/vai Van der Waals spēki, cita starpā).^{[nepieciešama atsauce]}

Tehnoloģijas, lai panāktu mikromēroga zondēšanu, cita starpā ietver klasisko CMM zondes samazinātu versiju, optiskās zondes un stāvviļņu zondi.Tomēr pašreizējās optiskās tehnoloģijas nevar mērogot pietiekami mazā mērogā, lai izmērītu dziļu, šauru funkciju, un optisko izšķirtspēju ierobežo gaismas viļņa garums.Rentgena attēlveidošana nodrošina objekta attēlu, bet ne izsekojamu metroloģijas informāciju.

Fiziskie principi

Var izmantot optiskās zondes un/vai lāzerzondes (ja iespējams kombinācijā), kas maina CMM uz mērīšanas mikroskopiem vai daudzsensoru mērīšanas iekārtām.Bārkstu projekcijas sistēmas, teodolīta triangulācijas sistēmas vai lāzera distances un triangulācijas sistēmas netiek sauktas par mērīšanas mašīnām, bet mērīšanas rezultāts ir viens un tas pats: telpas punkts.Lāzera zondes izmanto, lai noteiktu attālumu starp virsmu un atskaites punktu kinemātiskās ķēdes galā (ti, Z veida piedziņas komponenta galā).Tas var izmantot interferometrisko funkciju, fokusa izmaiņas, gaismas novirzi vai staru kūļa ēnošanas principu.

Pārnēsājamas koordinātu mērīšanas iekārtas

Tā kā tradicionālie CMM izmanto zondi, kas pārvietojas pa trim Dekarta asīm, lai izmērītu objekta fiziskās īpašības, pārnēsājamās CMM izmanto vai nu šarnīrveida rokas, vai optisko CMM gadījumā bezroku skenēšanas sistēmas, kas izmanto optiskās triangulācijas metodes un nodrošina pilnīgu kustību brīvību. ap objektu.

Pārnēsājamiem CMM ar šarnīrveida svirām lineāro asu vietā ir sešas vai septiņas asis, kas ir aprīkotas ar rotējošiem kodētājiem.Pārnēsājamas rokas ir vieglas (parasti mazāk nekā 20 mārciņas), un tās var nēsāt un izmantot gandrīz jebkur.Tomēr nozarē arvien vairāk tiek izmantoti optiskie CMM.Izstrādāti ar kompaktām lineārām vai matricas masīva kamerām (piemēram, Microsoft Kinect), optiskie CMM ir mazāki par pārnēsājamiem CMM ar svirām, tiem nav vadu, un lietotāji var viegli veikt 3D mērījumus visu veidu objektiem, kas atrodas gandrīz jebkurā vietā.

Pārnēsājamiem CMM ir ideāli piemērotas noteiktas neatkārtojamas lietojumprogrammas, piemēram, reversā inženierija, ātra prototipu izstrāde un visu izmēru detaļu liela mēroga pārbaude.Pārnēsājamo CMM priekšrocības ir daudzveidīgas.Lietotāji var elastīgi veikt visu veidu detaļu 3D mērījumus visattālākajās/sarežģītākajās vietās.Tos ir viegli lietot, un, lai veiktu precīzus mērījumus, nav nepieciešama kontrolēta vide.Turklāt pārnēsājamie CMM parasti maksā mazāk nekā tradicionālie CMM.

Pārnēsājamo CMM raksturīgie kompromisi ir manuāla darbība (lai tos izmantotu vienmēr ir nepieciešams cilvēks).Turklāt to kopējā precizitāte var būt nedaudz mazāk precīza nekā tilta tipa CMM, un tā ir mazāk piemērota dažiem lietojumiem.

Multisensoru mērīšanas iekārtas

Tradicionālā CMM tehnoloģija, izmantojot skārienjutīgās zondes, mūsdienās bieži tiek apvienota ar citām mērīšanas tehnoloģijām.Tas ietver lāzera, video vai baltās gaismas sensorus, lai nodrošinātu tā saukto daudzsensoru mērījumu.