Mis on koordinaatide mõõtmismasin?

Akoordinaatide mõõtmise masin(CMM) on seade, mis mõõdab füüsiliste objektide geomeetriat, tajudes sondiga diskreetseid punkte objekti pinnal.CMM-ides kasutatakse erinevat tüüpi sonde, sealhulgas mehaanilisi, optilisi, laser- ja valget valgust.Olenevalt masinast võib sondi asendit juhtida käsitsi või arvutiga.CMM-id määravad tavaliselt sondi asukoha selle nihkena võrdlusasendist kolmemõõtmelises Descartes'i koordinaatsüsteemis (st XYZ-telgedega).Lisaks sondi liigutamisele piki X-, Y- ja Z-telge, võimaldavad paljud masinad ka sondi kaldenurka reguleerida, et võimaldada mõõta pindu, mis muidu ei oleks ligipääsetavad.

Tüüpiline 3D "silla" CMM võimaldab sondi liikumist mööda kolme telge, X, Y ja Z, mis on kolmemõõtmelises Descartes'i koordinaatsüsteemis üksteisega risti.Igal teljel on andur, mis jälgib sondi asukohta sellel teljel, tavaliselt mikromeetri täpsusega.Kui sond puutub kokku (või tuvastab muul viisil) objektil kindla asukoha, võtab masin proovid kolmest asendiandurist, mõõtes nii ühe punkti asukohta objekti pinnal, samuti tehtud mõõtmise 3-mõõtmelist vektorit.Seda protsessi korratakse vastavalt vajadusele, liigutades sondi iga kord, et saada "punktipilv", mis kirjeldab huvipakkuvaid pindu.

CMM-e kasutatakse tavaliselt tootmis- ja monteerimisprotsessides, et testida osa või koostu projekteerimiskavatsuste suhtes.Sellistes rakendustes genereeritakse punktipilved, mida analüüsitakse regressioonialgoritmide abil funktsioonide koostamiseks.Need punktid kogutakse sondi abil, mille positsioneerib operaator käsitsi või arvuti otsejuhtimise (DCC) kaudu automaatselt.DCC CMM-e saab programmeerida identseid osi korduvalt mõõtma;seega on automatiseeritud CMM tööstusroboti spetsiaalne vorm.

Osad

Koordinaatide mõõtmismasinad sisaldavad kolme põhikomponenti:

• Põhistruktuur, mis sisaldab kolme liikumistelge.Liikuva raami ehitamiseks kasutatud materjal on aastate jooksul varieerunud.Varasemates CMM-ides kasutati graniiti ja terast.Tänapäeval ehitavad kõik suuremad CMM-i tootjad raame alumiiniumsulamist või mõnest derivaadist ning kasutavad skaneerimisrakendustes Z-telje jäikuse suurendamiseks ka keraamikat.Vähesed CMM-i ehitajad toodavad tänapäeval ikka veel graniidist raami CMM-i, kuna turg nõuab metroloogia dünaamika parandamist ja kasvavat suundumust paigaldada CMM-i väljaspool kvaliteedilaborit.Tavaliselt toodavad graniidist CMM-i Hiina ja India väikesemahulised CMM-ehitajad ja kodumaised tootjad, kuna tehnoloogia on madal ja CMM-raamide ehitajaks on lihtne pääseda.Skaneerimise kasvav suund nõuab ka CMM Z telje jäigemist ning kasutusele on võetud uusi materjale, nagu keraamika ja ränikarbiid.
• Sondisüsteem
• Andmete kogumise ja vähendamise süsteem – sisaldab tavaliselt masinakontrollerit, lauaarvutit ja rakendustarkvara.

Kättesaadavus

Need masinad võivad olla eraldiseisvad, käeshoitavad ja kaasaskantavad.

Täpsus

Koordinaatide mõõtmismasinate täpsus esitatakse tavaliselt määramatuse tegurina kauguse funktsioonina.Puuteandurit kasutava CMM-i puhul on see seotud sondi korratavusega ja lineaarsete skaalade täpsusega.Tüüpiline sondi korratavus võib anda mõõtmised vahemikus 0,001 mm või 0,00005 tolli (pool kümnendikku) kogu mõõtmismahu ulatuses.3-, 3+2- ja 5-teljeliste masinate puhul kalibreeritakse sondid regulaarselt jälgitavate standardite abil ja masina liikumist kontrollitakse täpsuse tagamiseks mõõteriistade abil.

Konkreetsed osad

Masina korpus

Esimese CMM-i töötas välja Šotimaa Ferranti Company 1950. aastatel otsese vajaduse tõttu mõõta oma sõjaliste toodete täppiskomponente, kuigi sellel masinal oli ainult 2 telge.Esimesed 3-teljelised mudelid hakkasid ilmuma 1960ndatel (Itaalia DEA) ja arvutijuhtimine debüteeris 1970ndate alguses, kuid esimese töötava CMM-i töötas välja ja müüs Browne & Sharpe Inglismaal Melbourne'is.(Leitz Saksamaa tootis seejärel liikuva lauaga fikseeritud masinakonstruktsiooni.

Kaasaegsetes masinates on pukk-tüüpi pealisehitusel kaks jalga ja seda nimetatakse sageli sillaks.See liigub vabalt mööda graniidist lauda ühe jalaga (mida sageli nimetatakse ka sisemiseks jalaks), järgides graniidist laua ühele küljele kinnitatud juhtrööpa.Vastasjalg (sageli välimine jalg) toetub lihtsalt graniidist lauale, järgides vertikaalset pinnakontuuri.Õhklaagrid on valitud meetod hõõrdevaba liikumise tagamiseks.Nendes surutakse suruõhk läbi rea väga väikeste aukude tasasel kandepinnal, et luua sile, kuid kontrollitud õhkpadi, millel CMM saab liikuda peaaegu hõõrdevabalt, mida saab tarkvara abil kompenseerida.Silla või portaali liikumine mööda graniitlauda moodustab ühe telje XY tasapinnast.Portaali sild sisaldab kelgu, mis liigub sisemise ja välimise jala vahel ning moodustab teise X või Y horisontaaltelje.Kolmas liikumistelg (Z-telg) on ​​varustatud vertikaalse sule või võlli lisamisega, mis liigub läbi kelgu keskosa üles-alla.Puuteandur moodustab sule otsas oleva anduri.X-, Y- ja Z-telgede liikumine kirjeldab täielikult mõõtmispiirkonda.Mõõteanduri ligipääsetavuse parandamiseks keerukatele toorikutele saab kasutada valikulisi pöördlaudu.Neljanda veoteljena pöördlaud ei suurenda mõõtmismõõtmeid, mis jäävad 3D-ks, kuid annab teatud paindlikkuse.Mõned puuteandurid on ise toitega pöörlevad seadmed, mille sondi ots saab pöörata vertikaalselt rohkem kui 180 kraadi ja täielikult 360 kraadi.

CMM-id on nüüd saadaval ka mitmel muul kujul.Nende hulka kuuluvad CMM-i käed, mis kasutavad pliiatsi otsa asendi arvutamiseks õlavarre liigestes tehtud nurgamõõtmisi ja mida saab varustada laserskannimise ja optilise kujutise anduritega.Selliseid õla-CMM-e kasutatakse sageli seal, kus nende teisaldatavus on eeliseks traditsiooniliste fikseeritud voodiga CMM-ide ees – mõõdetud asukohtade salvestamise tõttu võimaldab programmeerimistarkvara mõõtmisrutiini käigus liigutada ka mõõteõlga ennast ja selle mõõtmismahtu ümber mõõdetava osa.Kuna CMM-i käed jäljendavad inimese käe paindlikkust, on neil sageli võimalik jõuda ka keeruliste osade sisemusse, mida ei saa sondeerida tavalise kolmeteljelise masinaga.

Mehaaniline sond

Koordinaatide mõõtmise (CMM) esimestel päevadel paigaldati mehaanilised sondid sulepea otsas olevasse spetsiaalsesse hoidikusse.Väga levinud sond valmistati kõva kuuli jootmisel võlli otsa.See oli ideaalne terve rea lamedate, silindriliste või sfääriliste pindade mõõtmiseks.Teised sondid jahvatati spetsiifiliste kujundite, näiteks kvadrandi, järgi, et võimaldada eritunnuste mõõtmist.Neid sonde hoiti füüsiliselt vastu töödeldavat detaili, kusjuures positsiooni ruumis loeti 3-teljelise digitaalse näidu (DRO) abil või, arenenumates süsteemides, logiti need jalglüliti või sarnase seadme abil arvutisse.Selle kontaktmeetodiga tehtud mõõtmised olid sageli ebausaldusväärsed, kuna masinaid liigutati käsitsi ja iga masina operaator avaldas sondile erinevat survet või kasutas mõõtmiseks erinevaid meetodeid.

Edasine arendus oli mootorite lisamine iga telje juhtimiseks.Operaatorid ei pidanud enam masinat füüsiliselt puudutama, vaid võisid juhtida iga telge juhtkangidega käsikasti abil samamoodi nagu tänapäevaste kaugjuhitavate autode puhul.Elektroonilise puutetundliku sondi leiutamisega paranes mõõtmistäpsus ja täpsus märkimisväärselt.Selle uue sondiseadme pioneer oli David McMurtry, kes hiljem moodustas praeguse Renishaw plc.Kuigi see oli endiselt kontaktseade, oli sondil vedruga teraskuuli (hiljem rubiinkuuli) pliiats.Kui sond puudutas komponendi pinda, kaldus pliiats kõrvale ja saatis samal ajal X, Y, Z koordinaatide teabe arvutisse.Üksikute operaatorite tekitatud mõõtmisvigu jäi vähemaks ning pandi lavale CNC-operatsioonide juurutamine ja CMM-ide täisealiseks saamine.

Optilised sondid on objektiivi-CCD-süsteemid, mida liigutatakse nagu mehaanilisi ja mis on suunatud huvipakkuvale punktile, mitte materjali puudutamisele.Pinna jäädvustatud kujutis suletakse mõõteakna piiridesse, kuni jääk on piisav kontrasti tekitamiseks mustade ja valgete tsoonide vahel.Jagamiskõvera saab arvutada punktini, mis on soovitud mõõtepunkt ruumis.CCD horisontaalne teave on 2D (XY) ja vertikaalasend on kogu sondeerimissüsteemi asukoht statiivi Z-draivil (või muul seadmekomponendil).

Skaneerimissondi süsteemid

On uuemaid mudeleid, millel on sondid, mis lohistavad teatud ajavahemike järel piki detaili pinda, võttes punkte, mida nimetatakse skaneerimissondidena.See CMM-i kontrollimeetod on sageli täpsem kui tavaline puuteanduri meetod ja enamasti ka kiirem.

Järgmise põlvkonna skaneerimine, tuntud kui kontaktivaba skaneerimine, mis hõlmab kiiret laseriga ühe punkti triangulatsiooni, laserjoonskannimist ja valge valguse skaneerimist, areneb väga kiiresti.See meetod kasutab laserkiirt või valget valgust, mis projitseeritakse vastu detaili pinda.Seejärel saab võtta tuhandeid punkte ja kasutada mitte ainult suuruse ja asukoha kontrollimiseks, vaid ka detaili 3D-pildi loomiseks.Need "punktipilveandmed" saab seejärel üle kanda CAD-tarkvarasse, et luua detailist töötav 3D-mudel.Neid optilisi skannereid kasutatakse sageli pehmete või õrnade osade puhul või pöördprojekteerimise hõlbustamiseks.

Mikrometroloogilised sondid

Veel üks esilekerkiv valdkond on mikroskaala metroloogia rakenduste sondeerimissüsteemid.On mitmeid kaubanduslikult saadaolevaid koordinaatmõõtmismasinaid (CMM), millel on süsteemi integreeritud mikrosond, mitu erisüsteemi valitsuslaborites ja ülikoolide poolt ehitatud metroloogiaplatvormid mikroskaala metroloogia jaoks.Kuigi need masinad on head ja paljudel juhtudel suurepärased nanomeetriliste skaaladega metroloogiaplatvormid, on nende peamine piirang usaldusväärne, vastupidav ja võimekas mikro-/nanosond.^{[tsitaat vaja]}Mikroskaala sondeerimistehnoloogiate väljakutseteks on vajadus suure kuvasuhtega sondi järele, mis võimaldab juurdepääsu sügavatele kitsastele objektidele madala kontaktjõuga, et mitte kahjustada pinda ja suurt täpsust (nanomeetri tase).^{[tsitaat vaja]}Lisaks on mikromõõtmelised sondid vastuvõtlikud keskkonnatingimustele, nagu niiskus ja pinna vastasmõju, nagu kleepumine (mis on muu hulgas põhjustatud adhesioonist, meniskist ja/või Van der Waalsi jõududest).^{[tsitaat vaja]}

Mikroskaala sondeerimise saavutamiseks kasutatavate tehnoloogiate hulka kuuluvad muu hulgas klassikaliste CMM-sondide, optiliste sondide ja seisva lainesondi vähendatud versioon.Praeguseid optilisi tehnoloogiaid ei saa aga piisavalt väikeseks skaleerida, et mõõta sügavaid kitsaid omadusi ning optilist eraldusvõimet piirab valguse lainepikkus.Röntgenpildistamine annab funktsioonist pildi, kuid ei jälgi jälgitavat metroloogia teavet.

Füüsikalised põhimõtted

Võib kasutada optilisi sonde ja/või lasersonde (võimaluse korral kombineeritult), mis muudavad CMM-id mõõtemikroskoobideks või mitme anduriga mõõtemasinateks.Ääreprojektsioonisüsteeme, teodoliittriangulatsioonisüsteeme ega laserdistants- ja triangulatsioonisüsteeme ei nimetata mõõtmismasinateks, kuid mõõtmistulemus on sama: ruumipunkt.Lasersonde kasutatakse pinna ja võrdluspunkti vahelise kauguse tuvastamiseks kinemaatilise ahela lõpus (st Z-ajami komponendi lõpus).See võib kasutada interferomeetrilist funktsiooni, fookuse muutmist, valguse kõrvalekaldumist või valgusvihu varjutamise põhimõtet.

Kaasaskantavad koordinaatide mõõtmise masinad

Kui traditsioonilised CMM-id kasutavad objekti füüsiliste omaduste mõõtmiseks kolmel Descartes'i teljel liikuvat sondi, siis kaasaskantavad CMM-id kasutavad kas liigendatud käsivarsi või optiliste CMM-ide puhul käevabasid skaneerimissüsteeme, mis kasutavad optilisi triangulatsioonimeetodeid ja võimaldavad täielikku liikumisvabadust. objekti ümber.

Liigendvarrega kaasaskantavatel CMM-idel on lineaarsete telgede asemel kuus või seitse telge, mis on varustatud pöörlevate kodeerijatega.Kaasaskantavad käed on kerged (tavaliselt alla 20 naela) ja neid saab kanda ja kasutada peaaegu kõikjal.Optilisi CMM-e kasutatakse aga tööstuses üha enam.Kompaktsete lineaar- või maatriksmassiivikaameratega (nagu Microsoft Kinect) loodud optilised CMM-id on väiksemad kui kaasaskantavad käsivarrega CMM-id, neil pole juhtmeid ja need võimaldavad kasutajatel hõlpsasti teha 3D-mõõtmisi igat tüüpi objektidest, mis asuvad peaaegu kõikjal.

Teatud mittekorduvad rakendused, nagu pöördprojekteerimine, kiire prototüüpimine ja igas suuruses osade ulatuslik kontroll, sobivad ideaalselt kaasaskantavate CMM-ide jaoks.Kaasaskantavate CMM-ide eelised on mitmekordsed.Kasutajad saavad paindlikult teha 3D-mõõtmisi igat tüüpi osadest ja kõige kaugemates/keerulisemates kohtades.Neid on lihtne kasutada ega vaja täpsete mõõtmiste tegemiseks kontrollitud keskkonda.Lisaks on kaasaskantavad CMM-id tavaliselt odavamad kui traditsioonilised CMM-id.

Kaasaskantavate CMM-ide loomupärased kompromissid on käsitsi juhtimine (nende kasutamiseks on alati vaja inimest).Lisaks võib nende üldine täpsus olla mõnevõrra vähem täpne kui sillatüüpi CMM-i oma ja see on mõne rakenduse jaoks vähem sobiv.

Multisensor-mõõtemasinad

Traditsioonilist puuteandureid kasutavat CMM-tehnoloogiat kombineeritakse tänapäeval sageli muu mõõtmistehnoloogiaga.See hõlmab laser-, video- või valge valguse andureid, mis pakuvad nn multisensor-mõõtmist.