Што е машина за мерење координати?

Амашина за мерење на координати(CMM) е уред кој ја мери геометријата на физичките објекти со детектирање на дискретни точки на површината на објектот со сонда. Во CMM се користат различни видови сонди, вклучувајќи механички, оптички, ласерски и бела светлина. Во зависност од машината, позицијата на сондата може да биде рачно контролирана од оператор или може да биде компјутерски контролирана. CMM обично ја специфицираат позицијата на сондата во однос на нејзиното поместување од референтна позиција во тридимензионален картезијански координатен систем (т.е. со XYZ оски). Покрај движењето на сондата по X, Y и Z оските, многу машини исто така овозможуваат контрола на аголот на сондата за да се овозможи мерење на површини кои инаку би биле недостапни.

Типичниот 3D „мостен“ CMM овозможува движење на сондата по три оски, X, Y и Z, кои се ортогонални една на друга во тридимензионален картезијански координатен систем. Секоја оска има сензор кој ја следи положбата на сондата на таа оска, обично со микрометарска прецизност. Кога сондата ќе дојде во контакт (или на друг начин ќе открие) одредена локација на објектот, машината зема примероци од трите сензори за позиција, со што ја мери положбата на една точка на површината на објектот, како и 3-димензионалниот вектор на мерењето. Овој процес се повторува по потреба, движејќи ја сондата секој пат, за да се произведе „облак од точки“ кој ги опишува површинските области од интерес.

Честа употреба на CMM е во процесите на производство и монтажа за тестирање на дел или склоп во однос на намерата на дизајнот. Во такви апликации, се генерираат облаци од точки кои се анализираат преку регресивни алгоритми за конструкција на карактеристики. Овие точки се собираат со користење на сонда која се позиционира рачно од страна на оператор или автоматски преку директна компјутерска контрола (DCC). DCC CMM може да се програмираат за постојано мерење на идентични делови; затоа автоматизираниот CMM е специјализирана форма на индустриски робот.

Делови

Машините за мерење на координати вклучуваат три главни компоненти:

• Главната структура вклучува три оски на движење. Материјалот што се користи за конструирање на подвижната рамка варирал со текот на годините. Гранит и челик биле користени во раните CMM. Денес, сите главни производители на CMM градат рамки од алуминиумска легура или некој дериват, а исто така користат и керамика за да ја зголемат цврстината на Z-оската за апликации за скенирање. Малку градители на CMM денес сè уште произведуваат CMM со гранитна рамка поради побарувачката на пазарот за подобрена метролошка динамика и зголемениот тренд за инсталирање на CMM надвор од лабораторијата за квалитет. Типично, само градителите на CMM со мал обем и домашните производители во Кина и Индија сè уште произведуваат CMM со гранит поради пристапот со ниска технологија и лесниот влез за да станат градители на CMM рамки. Зголемениот тренд кон скенирање, исто така, бара Z-оската на CMM да биде поцврста, а воведени се и нови материјали како што се керамика и силициум карбид.
• Систем за сондирање
• Систем за собирање и намалување на податоци — обично вклучува контролер на машината, десктоп компјутер и апликативен софтвер.

Достапност

Овие машини можат да бидат самостојни, рачни и преносливи.

Точност

Точноста на машините за мерење на координати обично се дава како фактор на неизвесност како функција од растојание. За CMM што користи допирна сонда, ова се однесува на повторувањето на сондата и точноста на линеарните скали. Типичната повторување на сондата може да резултира со мерења во рамките на 0,001 mm или 0,00005 инчи (половина десетина) во текот на целиот мерен волумен. За машини со 3, 3+2 и 5 оски, сондите рутински се калибрираат со користење на следливи стандарди, а движењето на машината се проверува со користење на мерачи за да се обезбеди точност.

Специфични делови

Тело на машината

Првиот CMM беше развиен од компанијата Феранти од Шкотска во 1950-тите како резултат на директна потреба за мерење на прецизни компоненти во нивните воени производи, иако оваа машина имаше само 2 оски. Првите модели со 3 оски почнаа да се појавуваат во 1960-тите (DEA на Италија), а компјутерската контрола дебитираше во раните 1970-ти, но првиот функционален CMM беше развиен и ставен во продажба од Браун и Шарп во Мелбурн, Англија. (Leitz Германија подоцна произведе фиксна структура на машина со подвижна маса.)

Кај современите машини, надградбата од типот портал има две ногарки и често се нарекува мост. Таа се движи слободно по гранитната маса, при што едната нога (честопати нарекувана внатрешна нога) следи водилка прикачена на едната страна од гранитната маса. Спротивната нога (често надворешна нога) едноставно се потпира на гранитната маса следејќи ја вертикалната контура на површината. Воздушните лежишта се избраниот метод за обезбедување движење без триење. Кај нив, компримираниот воздух се турка низ серија многу мали дупки на рамна површина на лежиштето за да се обезбеди мазна, но контролирана воздушна перница на која CMM може да се движи на речиси безтриење начин, што може да се компензира преку софтвер. Движењето на мостот или порталот по гранитната маса формира една оска на рамнината XY. Мостот на порталот содржи носач кој се движи помеѓу внатрешните и надворешните ногарки и ја формира другата X или Y хоризонтална оска. Третата оска на движење (Z оска) се обезбедува со додавање на вертикално перо или вретено кое се движи нагоре и надолу низ центарот на носачот. Сондата за допир го формира сензорскиот уред на крајот од перото. Движењето на оските X, Y и Z целосно го опишува мерниот опсег. Дополнителните ротирачки маси може да се користат за подобрување на пристапноста на мерната сонда до сложени работни парчиња. Ротационата маса како четврта погонска оска не ги подобрува димензиите за мерење, кои остануваат 3D, но обезбедува одреден степен на флексибилност. Некои допирни сонди се самите погонски ротирачки уреди со врв на сондата што може да се врти вертикално за повеќе од 180 степени и за целосна ротација од 360 степени.

CMM уредите сега се достапни и во различни други форми. Тие вклучуваат CMM рачки кои користат аголни мерења направени на зглобовите на рачката за да ја пресметаат положбата на врвот на пенкалото и можат да бидат опремени со сонди за ласерско скенирање и оптичко снимање. Ваквите CMM рачки често се користат таму каде што нивната преносливост е предност во однос на традиционалните CMM со фиксен кревет - со складирање на измерените локации, софтверот за програмирање исто така овозможува движење на самата мерна рачка и нејзиниот волумен за мерење околу делот што треба да се мери за време на рутината на мерење. Бидејќи CMM рачките ја имитираат флексибилноста на човечката рака, тие исто така често се способни да стигнат до внатрешноста на сложените делови што не би можеле да се испитаат со стандардна машина со три оски.

Механичка сонда

Во раните денови на мерењето на координатите (CMM), механичките сонди се вградувале во специјален држач на крајот од перото. Многу вообичаена сонда се правела со лемење на тврда топка на крајот од вратило. Ова било идеално за мерење на цел опсег на рамни површини, цилиндрични или сферични површини. Други сонди биле брусени до специфични форми, на пример квадрант, за да се овозможи мерење на посебни карактеристики. Овие сонди биле физички држени на работното парче, при што позицијата во просторот се читала од 3-осно дигитално отчитување (DRO) или, во понапредни системи, се евидентирала во компјутер со помош на ножен прекинувач или сличен уред. Мерењата направени со овој метод на контакт честопати биле несигурни бидејќи машините се движеле рачно и секој оператор на машина применувал различни количини на притисок врз сондата или усвојувал различни техники за мерење.

Понатамошен развој беше додавањето на мотори за погон на секоја оска. Операторите повеќе не мораа физички да ја допираат машината, туку можеа да ја движат секоја оска користејќи рачна кутија со џојстици на сличен начин како и кај модерните автомобили со далечинско управување. Точноста и прецизноста на мерењето драматично се подобрија со пронаоѓањето на електронската сонда за активирање на допир. Пионер на овој нов уред со сонда беше Дејвид Мекмартри, кој подоцна ја формираше она што сега е Renishaw plc. Иако сè уште беше контактен уред, сондата имаше пенкало со пружина од челични топчиња (подоцна рубинско топче). Како што сондата ја допираше површината на компонентата, пенкалото се отклонуваше и истовремено ги испраќаше информациите за координатите X, Y, Z до компјутерот. Грешките во мерењето предизвикани од индивидуалните оператори станаа помалку и беше поставена сцената за воведување на CNC операции и појавата на CMM.

Оптичките сонди се системи со леќи-CCD, кои се движат како механичките и се насочени кон точката од интерес, наместо да го допираат материјалот. Снимената слика од површината ќе биде затворена во границите на прозорецот за мерење, сè додека остатокот не биде соодветен за контраст помеѓу црните и белите зони. Кривата на поделба може да се пресмета до точка, која е саканата мерна точка во просторот. Хоризонталните информации на CCD се 2D (XY), а вертикалната положба е положбата на целиот систем за сондирање на Z-погонот (или друга компонента на уредот).

Системи за скенирање со сонди

Постојат понови модели кои имаат сонди кои се влечат по површината на делот, земајќи точки во одредени интервали, познати како скенирачки сонди. Овој метод на CMM инспекција е често попрецизен од конвенционалниот метод со допирна сонда, а најчесто и побрз.

Следната генерација на скенирање, позната како бесконтактно скенирање, која вклучува брза ласерска триангулација со една точка, ласерско линиско скенирање и скенирање со бела светлина, напредува многу брзо. Овој метод користи или ласерски зраци или бела светлина што се проектираат на површината на делот. Потоа може да се земат илјадници точки и да се користат не само за проверка на големината и положбата, туку и за креирање 3D слика од делот. Овие „податоци од облак од точки“ потоа може да се пренесат во CAD софтвер за да се создаде функционален 3D модел на делот. Овие оптички скенери често се користат на меки или деликатни делови или за олеснување на обратното инженерство.

Микрометролошки сонди

Системите за сондирање за микроскални метролошки апликации се уште една област во развој. Постојат неколку комерцијално достапни машини за мерење на координати (CMM) кои имаат микросонда интегрирана во системот, неколку специјализирани системи во владини лаборатории и голем број универзитетски метролошки платформи за микроскална метрологија. Иако овие машини се добри, а во многу случаи и одлични метролошки платформи со нанометриски скали, нивното главно ограничување е сигурна, робусна, способна микро/нано сонда.^{[потребен е цитат]}Предизвиците за технологиите за микроскално сондирање вклучуваат потреба од сонда со висок сооднос на ширина и висина, што ќе овозможи пристап до длабоки, тесни елементи со ниски контактни сили, за да не се оштети површината и да се постигне висока прецизност (нанометарско ниво).^{[потребен е цитат]}Дополнително, микроскалните сонди се подложни на услови на животната средина како што се влажноста и површинските интеракции како што е стикцијата (предизвикана од адхезија, менискус и/или Ван дер Валсови сили, меѓу другото).^{[потребен е цитат]}

Технологиите за постигнување на микроскално сондирање вклучуваат намалена верзија на класичните CMM сонди, оптички сонди и сонда со стоечки бран, меѓу другите. Сепак, сегашните оптички технологии не можат да се скалираат доволно мали за да измерат длабоки, тесни карактеристики, а оптичката резолуција е ограничена од брановата должина на светлината. Рентгенското снимање дава слика на карактеристиките, но нема метролошки информации што можат да се следат.

Физички принципи

Може да се користат оптички сонди и/или ласерски сонди (доколку е можно во комбинација), кои ги менуваат CMM-ите во мерни микроскопи или машини за мерење со повеќе сензори. Системите за рабна проекција, системите за теодолитна триангулација или системите за ласерско дистанцирање и триангулација не се нарекуваат машини за мерење, но резултатот од мерењето е ист: вселенска точка. Ласерските сонди се користат за откривање на растојанието помеѓу површината и референтната точка на крајот од кинематичката низа (т.е. крајот на Z-компонентата). Ова може да користи интерферометриска функција, варијација на фокусот, отклонување на светлината или принцип на засенчување на зракот.

Преносливи машини за мерење координати

Додека традиционалните CMM користат сонда што се движи по три картезијански оски за мерење на физичките карактеристики на објектот, преносните CMM користат или зглобни краци или, во случај на оптички CMM, системи за скенирање без краци кои користат методи на оптичка триангулација и овозможуваат целосна слобода на движење околу објектот.

Преносните CMM со зглобни краци имаат шест или седум оски кои се опремени со ротирачки енкодери, наместо линеарни оски. Преносните краци се лесни (обично помалку од 20 фунти) и можат да се носат и користат речиси насекаде. Сепак, оптичките CMM се повеќе се користат во индустријата. Дизајнирани со компактни линеарни или матрични камери (како Microsoft Kinect), оптичките CMM се помали од преносните CMM со краци, немаат жици и им овозможуваат на корисниците лесно да земаат 3D мерења на сите видови објекти лоцирани речиси насекаде.

Одредени неповторливи апликации како што се обратен инженеринг, брзо прототипирање и инспекција на делови од сите големини во голем обем се идеални за преносни CMM. Предностите на преносните CMM се повеќекратни. Корисниците имаат флексибилност во преземањето 3D мерења на сите видови делови и на најоддалечените/најтешките локации. Тие се лесни за употреба и не бараат контролирана средина за да преземат точни мерења. Покрај тоа, преносните CMM имаат тенденција да чинат помалку од традиционалните CMM.

Инхерентната предност на преносните CMM уреди е рачното работење (тие секогаш бараат човек за да ги користи). Покрај тоа, нивната целокупна точност може да биде малку помалку прецизна од онаа на CMM од мостовски тип и е помалку погодна за некои апликации.

Машини за мерење со повеќе сензори

Традиционалната CMM технологија што користи допирни сонди денес често се комбинира со друга технологија за мерење. Ова вклучува ласерски, видео или сензори за бела светлина за да се обезбеди она што е познато како мултисензорско мерење.