Mis on koordinaatmõõtemasin?

Akoordinaatmõõtemasin(CMM) on seade, mis mõõdab füüsiliste objektide geomeetriat, tuvastades sondiga objekti pinnal diskreetseid punkte. CMM-ides kasutatakse erinevat tüüpi sonde, sealhulgas mehaanilisi, optilisi, laser- ja valge valguse sonde. Sõltuvalt masinast võib sondi asendit operaator käsitsi juhtida või see võib olla arvutiga juhitav. CMM-id määravad sondi asendi tavaliselt selle nihke järgi võrdluspunktist kolmemõõtmelises ristkoordinaatsüsteemis (st XYZ-telgede abil). Lisaks sondi liigutamisele mööda X-, Y- ja Z-telge võimaldavad paljud masinad juhtida ka sondi nurka, et võimaldada pindade mõõtmist, mis muidu oleksid kättesaamatud.

Tüüpiline 3D-„sillakujuline” KMM võimaldab sondil liikuda mööda kolme telge, X, Y ja Z, mis on kolmemõõtmelises ristkoordinaatsüsteemis üksteise suhtes ortogonaalsed. Igal teljel on andur, mis jälgib sondli asukohta sellel teljel, tavaliselt mikromeetri täpsusega. Kui sond puutub kokku (või muul viisil tuvastab) objektil kindla asukoha, võtab masin proovi kolmelt positsiooniandurilt, mõõtes seega ühe punkti asukohta objekti pinnal ja tehtud mõõtmise kolmemõõtmelist vektorit. Seda protsessi korratakse vastavalt vajadusele, liigutades sondli iga kord, et luua „punktpilv”, mis kirjeldab huvipakkuvaid pindalasid.

KMM-e kasutatakse sageli tootmis- ja montaažiprotsessides, et testida detaili või koostu vastavust projekteerimiskavatsusele. Sellistes rakendustes genereeritakse punktpilvi, mida analüüsitakse regressioonialgoritmide abil tunnuste konstrueerimiseks. Need punktid kogutakse sondi abil, mille operaator positsioneerib käsitsi või automaatselt otsese arvutijuhtimise (DCC) abil. DCC KMM-e saab programmeerida identsete osade korduvaks mõõtmiseks; seega on automatiseeritud KMM spetsialiseeritud tööstusroboti vorm.

Osad

Koordinaatmõõtemasinad sisaldavad kolme peamist komponenti:

• Põhistruktuur, mis hõlmab kolme liikumistelge. Liikuva raami ehitamiseks kasutatud materjal on aastate jooksul muutunud. Varastes CMM-ides kasutati graniiti ja terast. Tänapäeval ehitavad kõik suuremad CMM-i tootjad raame alumiiniumisulamist või mõnest derivaadist ning kasutavad skaneerimisrakenduste jaoks Z-telje jäikuse suurendamiseks ka keraamikat. Vähesed CMM-i tootjad toodavad tänapäeval endiselt graniidist raamiga CMM-i turu nõudluse tõttu parema metroloogilise dünaamika järele ja kasvava trendi tõttu paigaldada CMM-e väljaspool kvaliteedilaborit. Tavaliselt toodavad graniidist CMM-i endiselt ainult väikesemahulised CMM-i tootjad ja kodumaised tootjad Hiinas ja Indias madala tehnoloogilise lähenemisviisi ja CMM-i raamiehitajaks saamise lihtsuse tõttu. Kasvav trend skaneerimise poole nõuab ka CMM-i Z-telje jäigemat olekut ning turule on tulnud uusi materjale, näiteks keraamika ja ränikarbiid.
• Sondimissüsteem
• Andmete kogumise ja töötlemise süsteem – tavaliselt sisaldab see masina kontrollerit, lauaarvutit ja rakendustarkvara.

Saadavus

Need masinad võivad olla eraldiseisvad, käeshoitavad ja kaasaskantavad.

Täpsus

Koordinaatmõõtemasinate täpsust antakse tavaliselt määramatustegurina, mis on kauguse funktsioon. Kontaktandurit kasutava CMM-i puhul on see seotud mõõtepea korduvuse ja lineaarskaalade täpsusega. Tüüpiline mõõtepea korduvus võib anda mõõtmisi täpsusega 0,001 mm või 0,00005 tolli (pool kümnendikku) kogu mõõtemahu ulatuses. 3-, 3+2- ja 5-teljeliste masinate puhul kalibreeritakse mõõtureid rutiinselt jälgitavate standardite abil ja masina liikumist kontrollitakse täpsuse tagamiseks mõõturite abil.

Spetsiifilised osad

Masina kere

Esimese koordinaatmõõteseadme (CMM) töötas välja Šotimaa ettevõte Ferranti Company 1950. aastatel otsese vajaduse tõttu mõõta oma sõjalistes toodetes täppiskomponente, kuigi sellel masinal oli ainult kaks telge. Esimesed kolmeteljelised mudelid hakkasid ilmuma 1960. aastatel (Itaalia DEA) ja arvutijuhtimine debüteeris 1970. aastate alguses, kuid esimese toimiva CMM-i töötas välja ja pani müügile Browne & Sharpe Melbourne'is Inglismaal. (Leitz Saksamaa tootis hiljem liikuva lauaga fikseeritud masina konstruktsiooni.)

Kaasaegsetes masinates on portaaltüüpi pealisehitisel kaks jalga ja seda nimetatakse sageli sillaks. See liigub vabalt mööda graniitlauda, ​​kusjuures üks jalg (sageli nimetatakse seda sisemiseks jalaks) järgib graniitlaua ühele küljele kinnitatud juhtrööpa. Vastasjalg (sageli välimine jalg) toetub lihtsalt graniitlauale, järgides vertikaalset pinnakontuuri. Hõõrdevaba liikumise tagamiseks on valitud meetod õhklaagrid. Nendes surutakse suruõhk läbi tasasel laagripinnal olevate väga väikeste aukude rea, et luua sujuv, kuid kontrollitud õhkpadi, millel CMM saab liikuda peaaegu hõõrdevabalt, mida saab tarkvara abil kompenseerida. Silla või portaalplatvormi liikumine mööda graniitlauda moodustab XY-tasapinna ühe telje. Portaalplatvormi sild sisaldab kelku, mis liigub sisemise ja välimise jala vahel ning moodustab teise X- või Y-horisontaaltelje. Kolmas liikumistelg (Z-telg) tagatakse vertikaalse tihvti või spindli lisamisega, mis liigub kelgu keskpunkti kaudu üles ja alla. Kontaktandur moodustab tihvti otsas oleva anduri. X-, Y- ja Z-telgede liikumine kirjeldab täielikult mõõtepiiri. Valikuliste pöördlaudade abil saab parandada mõõtepea ligipääsetavust keerukatele toorikutele. Pöördlaud neljanda ajamiteljena ei suurenda mõõtemõõtmeid, mis jäävad kolmemõõtmeliseks, kuid pakub teatud paindlikkust. Mõned kontaktandurid on ise mootoriga pöörlevad seadmed, mille sondi ots suudab vertikaalselt pöörata enam kui 180 kraadi ja teha täispöörde 360 ​​kraadi.

KMM-e on nüüd saadaval ka mitmel muul kujul. Nende hulka kuuluvad KMM-i käed, mis kasutavad käe liigestes mõõdetud nurkmõõtmisi pliiatsi otsa asukoha arvutamiseks ning mida saab varustada laserskaneerimiseks ja optiliseks pildistamiseks mõeldud sondidega. Selliseid käepidemega KMM-e kasutatakse sageli seal, kus nende kaasaskantavus on eeliseks traditsiooniliste fikseeritud voodiga KMM-ide ees – mõõdetud asukohtade salvestamise kaudu võimaldab programmeerimistarkvara ka mõõtekäe enda ja selle mõõtemahu liigutamist mõõdetava detaili ümber mõõtmisrutiini ajal. Kuna KMM-i käed jäljendavad inimese käe painduvust, on nad sageli võimelised ulatuma ka keerukate osade sisemusse, mida ei saaks tavalise kolmeteljelise masinaga sondeerida.

Mehaaniline sond

Koordinaatmõõtmise (CMM) algusaegadel paigaldati mehaanilised mõõturid spetsiaalsesse hoidikusse mõõtepea otsas. Väga levinud mõõtur valmistati kõva kuuli jootamise teel võlli otsa. See sobis ideaalselt terve hulga tasapinnaliste, silindriliste või sfääriliste pindade mõõtmiseks. Teised mõõturid lihviti kindla kujuga, näiteks kvadrandiks, et võimaldada eriliste tunnuste mõõtmist. Neid mõõturid hoiti füüsiliselt tooriku vastas, kusjuures nende asukoht ruumis loeti kolmeteljeliselt digitaalselt näidikult (DRO) või täiustatud süsteemides logiti see arvutisse jalglüliti või sarnase seadme abil. Selle kontaktmeetodi abil tehtud mõõtmised olid sageli ebausaldusväärsed, kuna masinaid liigutati käsitsi ja iga masinaoperaator avaldas mõõturile erinevat survet või kasutas mõõtmiseks erinevaid tehnikaid.

Edasine areng oli mootorite lisamine iga telje juhtimiseks. Operaatorid ei pidanud enam masinat füüsiliselt puudutama, vaid said iga telge juhtida juhtkangidega käsiraamatu abil, sarnaselt tänapäevaste kaugjuhtimisega autodega. Mõõtmise täpsus ja korrektsus paranesid dramaatiliselt elektroonilise puutetundliku anduri leiutamisega. Selle uue anduriseadme teerajaja oli David McMurtry, kes hiljem asutas ettevõtte, mis on nüüdseks Renishaw plc. Kuigi see oli endiselt kontaktseade, oli anduril vedruga koormatud teraskuul (hiljem rubiinkuul) pliiats. Kui andur puudutas komponendi pinda, kaldus pliiats kõrvale ja saatis samaaegselt X-, Y- ja Z-koordinaatide teabe arvutisse. Üksikute operaatorite põhjustatud mõõtmisvead vähenesid ja see pani aluse CNC-operatsioonide kasutuselevõtule ja CMM-ide ajastu saabumisele.

Optilised sondid on läätse-CCD-süsteemid, mida liigutatakse sarnaselt mehaanilistele sondidele ja mis on suunatud uuritavale punktile materjali puudutamise asemel. Pinna jäädvustatud kujutis suletakse mõõteakna piiridesse, kuni jääk on piisav, et luua kontrast mustade ja valgete tsoonide vahel. Jaotuskõverat saab arvutada punktini, mis on soovitud mõõtepunkt ruumis. CCD-l olev horisontaalne teave on 2D (XY) ja vertikaalne asukoht on kogu mõõtesüsteemi asukoht statiivi Z-ajamil (või muul seadmekomponendil).

Skanneerivad sondisüsteemid

On olemas uuemaid mudeleid, millel on sondid, mis lohistavad detailide võtmise punktide pinda kindlate intervallidega, tuntud kui skaneerivad sondid. See CMM-i kontrollimeetod on sageli täpsem kui tavaline kontaktanduriga meetod ja enamasti ka kiirem.

Järgmise põlvkonna skaneerimine, tuntud kui kontaktivaba skaneerimine, mis hõlmab kiiret laseriga ühepunktilist triangulatsiooni, laserjoonte skaneerimist ja valge valguse skaneerimist, areneb väga kiiresti. See meetod kasutab kas laserkiiri või valget valgust, mis projitseeritakse detaili pinnale. Seejärel saab võtta tuhandeid punkte ja kasutada neid mitte ainult suuruse ja asukoha kontrollimiseks, vaid ka detaili 3D-pildi loomiseks. Neid „punktipilve andmeid” saab seejärel CAD-tarkvarasse üle kanda, et luua detaili toimiv 3D-mudel. Neid optilisi skannereid kasutatakse sageli pehmete või õrnade detailide puhul või pöördprojekteerimise hõlbustamiseks.

Mikrometroloogia sondid

Mikroskaala metroloogia rakenduste sondimissüsteemid on veel üks tärkav valdkond. Saadaval on mitu kaubanduslikult kättesaadavat koordinaatmõõteseadet (CMM), millesse on integreeritud mikrosond, mitu spetsiaalset süsteemi valitsuslaborites ja arvukalt ülikoolide ehitatud metroloogiaplatvorme mikroskaala metroloogia jaoks. Kuigi need masinad on head ja paljudel juhtudel suurepärased nanomeetriliste skaaladega metroloogiaplatvormid, on nende peamiseks piiranguks usaldusväärne, vastupidav ja võimekas mikro-/nanosond.^{[viidet vaja]}Mikroskaala sondeerimistehnoloogiate väljakutsete hulka kuulub vajadus suure kuvasuhtega sondi järele, mis võimaldaks pääseda ligi sügavatele ja kitsastele detailidele väikese kontaktjõuga, et pinda mitte kahjustada, ning suure täpsusega (nanomeetri tasemel).^{[viidet vaja]}Lisaks on mikroskaala sondid vastuvõtlikud keskkonnatingimustele, nagu niiskus ja pinna interaktsioonid, näiteks hõõrdumine (põhjustatud muu hulgas adhesioonist, meniskist ja/või Van der Waalsi jõududest).^{[viidet vaja]}

Mikroskaala sondeerimise tehnoloogiate hulka kuuluvad muuhulgas klassikaliste CMM-sondide vähendatud versioonid, optilised sondid ja seisulainesond. Praegused optilised tehnoloogiad ei ole aga piisavalt väikeseks skaleeritavad, et mõõta sügavaid ja kitsaid objekte ning optiline eraldusvõime on piiratud valguse lainepikkusega. Röntgenkuvamine annab küll pildi objektist, kuid mitte jälgitavat metroloogilist teavet.

Füüsikalised põhimõtted

Kasutada saab optilisi ja/või lasersonde (võimalusel kombinatsioonis), mis muudavad CMM-id mõõtemikroskoopideks või mitme anduriga mõõtemasinateks. Ääreprojektsioonisüsteeme, teodoliittriangulatsioonisüsteeme või laserkaug- ja triangulatsioonisüsteeme ei nimetata mõõtemasinateks, kuid mõõtmistulemus on sama: ruumipunkt. Lasersonde kasutatakse pinna ja kinemaatilise ahela lõpus (st Z-ajami komponendi lõpus) ​​asuva võrdluspunkti vahelise kauguse tuvastamiseks. See võib kasutada interferomeetrilist funktsiooni, fookuse varieerimist, valguse suunamist või kiire varjutamise põhimõtet.

Kaasaskantavad koordinaatmõõtemasinad

Kui traditsioonilised CMM-id kasutavad objekti füüsikaliste omaduste mõõtmiseks sondi, mis liigub kolmel Cartesiuse teljel, siis kaasaskantavad CMM-id kasutavad kas liigendkäpasid või optiliste CMM-ide puhul käevabasid skaneerimissüsteeme, mis kasutavad optilisi triangulatsioonimeetodeid ja võimaldavad täielikku liikumisvabadust objekti ümber.

Liigendkäppadega kaasaskantavatel CMM-idel on lineaartelgede asemel kuus või seitse telge, mis on varustatud pöörlevate kodeerijatega. Kaasaskantavad käpad on kerged (tavaliselt alla 20 naela) ja neid saab kaasas kanda ning kasutada peaaegu kõikjal. Optilisi CMM-e kasutatakse aga tööstuses üha enam. Kompaktsete lineaarsete või maatriksmassiivkaameratega (nagu Microsoft Kinect) konstrueeritud optilised CMM-id on väiksemad kui kaasaskantavad käppadega CMM-id, neil pole juhtmeid ja need võimaldavad kasutajatel hõlpsalt teha 3D-mõõtmisi igat tüüpi objektidelt, mis asuvad peaaegu kõikjal.

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

Kaasaskantavate CMM-ide loomupärasteks kompromissideks on käsitsi juhtimine (nende kasutamiseks on alati vaja inimest). Lisaks võib nende üldine täpsus olla mõnevõrra väiksem kui sillatüüpi CMM-il ja need sobivad vähem mõne rakenduse jaoks.

Multisensoriga mõõtemasinad

Traditsioonilist CMM-tehnoloogiat, mis kasutab puuteandureid, kombineeritakse tänapäeval sageli teiste mõõtetehnoloogiatega. See hõlmab laser-, video- või valge valguse andureid, et pakkuda nn multisensormõõtmist.