Што е координатна мерна машина?

Акоординатна мерна машина(CMM) е уред кој ја мери геометријата на физичките објекти со чувствителност на дискретни точки на површината на објектот со сонда.Различни типови на сонди се користат во CMM, вклучувајќи механичка, оптичка, ласерска и бела светлина.Во зависност од машината, позицијата на сондата може рачно да ја контролира оператор или може да биде контролирана од компјутер.CMM обично ја одредуваат позицијата на сондата во однос на нејзиното поместување од референтната позиција во тридимензионален Декартов координатен систем (т.е. со XYZ оски).Покрај поместувањето на сондата по оските X, Y и Z, многу машини овозможуваат и контролирање на аголот на сондата за да се овозможи мерење на површини кои инаку би биле недостапни.

Типичниот 3D „мост“ CMM овозможува движење на сондата по три оски, X, Y и Z, кои се ортогонални една до друга во тродимензионален Декартов координатен систем.Секоја оска има сензор што ја следи позицијата на сондата на таа оска, обично со микрометарска прецизност.Кога сондата контактира (или на друг начин ќе открие) одредена локација на објектот, машината зема примероци од трите сензори за положба, со што ја мери локацијата на една точка на површината на објектот, како и 3-димензионалниот вектор на преземеното мерење.Овој процес се повторува по потреба, придвижувајќи ја сондата секој пат, за да се произведе „точка облак“ кој ги опишува површините од интерес.

Вообичаена употреба на CMM е во процесите на производство и склопување за тестирање на дел или склоп во однос на намерите на дизајнот.Во ваквите апликации се генерираат точки облаци кои се анализираат преку регресивни алгоритми за конструкција на карактеристики.Овие точки се собираат со користење на сонда што се позиционира рачно од оператор или автоматски преку Директна компјутерска контрола (DCC).DCC CMM може да се програмираат за постојано мерење на идентични делови;така што автоматизираниот CMM е специјализирана форма на индустриски робот.

Делови

Машините за мерење на координати вклучуваат три главни компоненти:

• Главната структура која вклучува три оски на движење.Материјалот што се користи за изградба на подвижната рамка варира со текот на годините.Гранитот и челикот се користеле во раните CMM.Денес, сите големи производители на CMM градат рамки од алуминиумска легура или некој дериват, а исто така користат керамика за да ја зголемат цврстината на оската Z за скенирање апликации.Неколку производители на CMM денес сè уште произведуваат гранитна рамка CMM поради барањата на пазарот за подобрена метролошка динамика и зголемениот тренд за инсталирање CMM надвор од лабораторијата за квалитет.Вообичаено, само градители на CMM со мал волумен и домашните производители во Кина и Индија сè уште произведуваат гранит CMM поради нискиот технолошки пристап и лесното влегување за да станат CMM градител на рамки.Зголемениот тренд кон скенирање исто така бара оската CMM Z да биде поцврста и да се воведат нови материјали како керамика и силициум карбид.
• Систем за љубопитство
• Систем за собирање и намалување на податоци — обично вклучува машински контролер, 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 несигурност како функција на растојание.За CMM што користи сонда на допир, ова се однесува на повторливоста на сондата и точноста на линеарните скали.Вообичаената повторливост на сондата може да резултира со мерења од 0,001 mm или 0,00005 инчи (половина десетина) во текот на целиот волумен на мерење.За машините со 3, 3+2 и 5 оски, сондите рутински се калибрираат со користење на стандарди за следење и движењето на машината се проверува со помош на мерачи за да се обезбеди точност.

Специфични делови

Тело на машината

Првиот CMM беше развиен од компанијата Ferranti од Шкотска во 1950-тите како резултат на директна потреба да се измерат прецизните 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) и компјутерската контрола дебитираше во раните 1970-ти, но првиот работен CMM беше развиен и пуштен во продажба од Browne & Sharpe во Мелбурн, Англија.(Лајц Германија последователно произведе фиксна машинска структура со подвижна маса.

Во современите машини, надградбата од типот на подемен има два крака и често се нарекува мост.Ова слободно се движи по гранитната маса со една нога (често се нарекува внатрешна нога) следејќи ја шината за водич прикачена на едната страна од гранитната маса.Спротивната нога (често надворешната нога) едноставно се потпира на гранитната маса следејќи ја вертикалната контура на површината.Воздушните лежишта се избраниот метод за обезбедување патување без триење.Во нив, компримиран воздух е принуден низ серија на многу мали дупки во рамна површина на лежиштето за да се обезбеди мазна, но контролирана воздушна перница на која CMM може да се движи речиси без триење, што може да се компензира преку софтвер.Движењето на мостот или подеменот по гранитната маса формира една оска на рамнината XY.Мостот на подеменот содржи кочија која минува помеѓу внатрешните и надворешните краци и ја формира другата хоризонтална оска X или Y.Третата оска на движење (оската Z) е обезбедена со додавање на вертикална перница или вретено што се движи нагоре и надолу низ центарот на кочијата.Сондата за допир го формира сензорниот уред на крајот на перницата.Движењето на оските X, Y и Z целосно ја опишува мерната обвивка.Изборните ротирачки маси може да се користат за да се подобри пристапноста на мерната сонда до комплицираните работни парчиња.Ротационата маса како четврта погонска оска не ги подобрува мерните димензии, кои остануваат 3D, но обезбедува одреден степен на флексибилност.Некои сонди за допир се самите напојувани ротациони уреди со врвот на сондата способен да се врти вертикално преку повеќе од 180 степени и преку целосна ротација од 360 степени.

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

Механичка сонда

Во раните денови на мерењето на координатите (CMM), механичките сонди беа вградени во посебен држач на крајот од перницата.Многу вообичаена сонда беше направена со лемење на тврда топка до крајот на вратило.Ова беше идеално за мерење на цела низа рамни површини, цилиндрични или сферични површини.Другите сонди беа мелени на специфични форми, на пример квадрант, за да се овозможи мерење на посебните карактеристики.Овие сонди беа физички држени против работното парче со позицијата во просторот што се читаше од дигитално отчитување со 3 оски (DRO) или, во понапредните системи, беа најавени на компјутер со помош на прекинувач за нозе или сличен уред.Мерењата направени со овој контакт метод честопати беа несигурни бидејќи машините се движеа со рака и секој оператор на машина применуваше различни количини на притисок врз сондата или усвои различни техники за мерење.

Понатамошен развој беше додавањето на мотори за движење на секоја оска.Операторите повеќе не мораа физички да ја допираат машината, туку можеа да ја возат секоја оска користејќи рачна кутија со џојстици на ист начин како кај модерните автомобили со далечински управувач.Прецизноста и прецизноста на мерењето драстично се подобрија со пронаоѓањето на електронската сонда за активирање на допир.Пионер на овој нов уред за сонда беше Дејвид МекМуртри, кој подоцна го формираше она што сега е Renishaw plc.Иако сè уште беше контакт уред, сондата имаше челична топка со пружина (подоцна рубин топка) игла.Како што сондата ја допираше површината на компонентата, иглата се отклони и истовремено ги испрати информациите за координатите X,Y,Z до компјутерот.Грешките во мерењето предизвикани од поединечни оператори станаа сè помали и беше поставена сцената за воведување на CNC операциите и стареењето на CMM.

Оптичките сонди се леќи-CCD-системи, кои се поместуваат како механичките и се насочени кон точката на интерес, наместо да го допираат материјалот.Снимената слика на површината ќе биде затворена во границите на мерниот прозорец, додека остатокот не биде соодветен за контраст помеѓу црните и белите зони.Кривата на делење може да се пресмета до точка, која е саканата мерна точка во просторот.Хоризонталните информации на CCD се 2D (XY), а вертикалната положба е позицијата на целосниот систем за сондирање на држачот Z-погон (или друга компонента на уредот).

Системи со сонди за скенирање

Постојат понови модели кои имаат сонди кои се влечат по површината на точките за преземање делови во одредени интервали, познати како сонди за скенирање.Овој метод на CMM инспекција е често попрецизен од конвенционалниот метод со сонда на допир и најчесто е побрз.

Следната генерација на скенирање, познато како бесконтактно скенирање, кое вклучува ласерско триаголирање со една точка со голема брзина, скенирање со ласерска линија и скенирање со бела светлина, напредува многу брзо.Овој метод користи или ласерски зраци или бела светлина што се проектира на површината на делот.Потоа може да се земат многу илјадници точки и да се искористат не само за проверка на големината и положбата, туку и за создавање 3Д слика на делот.Овие „податоци од точка-облак“ потоа може да се пренесат на CAD софтвер за да се создаде работен 3D модел на делот.Овие оптички скенери често се користат на меки или деликатни делови или за олеснување на обратното инженерство.

Микрометриолошки сонди

Системите за сондирање за апликации за метрологија во микро размери се уште една област која се појавува.Постојат неколку комерцијално достапни машини за мерење на координати (CMM) кои имаат микросонда интегрирана во системот, неколку специјализирани системи во владините лаборатории и било кој број метролошки платформи за метрологија во микроразмер изградени од универзитет.Иако овие машини се добри и во многу случаи одлични метролошки платформи со нанометриски размери, нивното основно ограничување е сигурна, робусна, способна микро/нано сонда.^{[потребен е цитат]}Предизвиците за технологиите за сондирање во микро размери ја вклучуваат потребата од сонда со висок сооднос што дава можност за пристап до длабоки, тесни карактеристики со мали сили на контакт за да не се оштети површината и висока прецизност (нанометарско ниво).^{[потребен е цитат]}Дополнително, сондите во микроскала се подложни на услови на животната средина како што се влажноста и површинските интеракции како што е стикнувањето (предизвикани од адхезија, менискус и/или сили на Ван дер Валс меѓу другите).^{[потребен е цитат]}

Технологиите за постигнување на сондирање во микро размери вклучуваат намалена верзија на класични CMM сонди, оптички сонди и сонда за стоечки бранови, меѓу другото.Сепак, сегашните оптички технологии не можат да се размерат доволно мали за да се измерат длабоките, тесни карактеристики, а оптичката резолуција е ограничена од брановата должина на светлината.Снимањето со рендген дава слика на карактеристиката, но нема метролошки информации што може да се следат.

Физички принципи

Може да се користат оптички сонди и/или ласерски сонди (ако е можно во комбинација), кои ги менуваат CMM во мерни микроскопи или машини за мерење со повеќе сензори.Системите за проекција на реси, системите за триангулација на теодолит или ласерски далечни и триаголни системи не се нарекуваат мерни машини, но резултатот од мерењето е ист: просторна точка.Ласерските сонди се користат за откривање на растојанието помеѓу површината и референтната точка на крајот на кинематскиот синџир (т.е.: крајот на компонентата на погонот Z).Ова може да користи интерферометриска функција, варијација на фокусот, отклонување на светлината или принцип на засенчување на зракот.

Преносливи машини за мерење на координати

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

Преносливите CMM со зглобни краци имаат шест или седум оски кои се опремени со ротациони енкодери, наместо линеарни оски.Преносливите краци се лесни (обично помалку од 20 килограми) и можат да се носат и користат речиси секаде.Сепак, оптичките CMM се повеќе се користат во индустријата.Дизајнирани со компактни камери со линеарна или матрична низа (како Microsoft Kinect), оптичките CMM се помали од преносливите CMM со краци, немаат жици и им овозможуваат на корисниците лесно да вршат 3D мерења на сите видови објекти лоцирани речиси насекаде.

Одредени апликации што не се повторуваат, како што се обратно инженерство, брзо создавање на прототипови и голема инспекција на делови од сите големини се идеално прилагодени за преносливи CMM.Придобивките од преносливите CMM се повеќекратни.Корисниците имаат флексибилност при преземање 3D мерења на сите видови делови и на најоддалечените/тешки локации.Тие се лесни за употреба и не бараат контролирана средина за преземање точни мерења.Покрај тоа, преносливите CMM имаат тенденција да чинат помалку од традиционалните CMM.

Вродените компромиси на преносливите CMM се рачно работење (тие секогаш бараат човек да ги користи).Дополнително, нивната севкупна точност може да биде нешто помалку точна од онаа на CMM тип мост и е помалку погодна за некои апликации.

Машини за мерење со повеќе сензори

Традиционалната CMM технологија која користи сонди на допир 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 мерење со повеќе сензори.