Šta je koordinatna mjerna mašina?

Amašina za merenje koordinata(CMM) je uređaj koji mjeri geometriju fizičkih objekata senzorom senzorom diskretnih tačaka na površini objekta.U CMM-ima se koriste različite vrste sondi, uključujući mehaničku, optičku, lasersku i bijelu svjetlost.U zavisnosti od mašine, položaj sonde može biti kontrolisan ručno od strane operatera ili može biti kontrolisan računarom.CMM tipično specificiraju poziciju sonde u smislu njenog pomaka od referentne pozicije u trodimenzionalnom Kartezijanskom koordinatnom sistemu (tj. sa XYZ osa).Pored pomeranja sonde duž X, Y i Z ose, mnoge mašine takođe omogućavaju kontrolu ugla sonde kako bi se omogućilo merenje površina koje bi inače bile nedostupne.

Tipični 3D “most” CMM omogućava kretanje sonde duž tri ose, X, Y i Z, koje su ortogonalne jedna prema drugoj u trodimenzionalnom Dekartovom koordinatnom sistemu.Svaka os ima senzor koji prati položaj sonde na toj osi, obično s mikrometarskom preciznošću.Kada sonda dođe u kontakt (ili na drugi način detektuje) određenu lokaciju na objektu, mašina uzorkuje tri senzora položaja, mereći tako lokaciju jedne tačke na površini objekta, kao i trodimenzionalni vektor merenja.Ovaj proces se ponavlja po potrebi, pomerajući sondu svaki put, da bi se proizveo „oblak tačaka“ koji opisuje površine od interesa.

Uobičajena upotreba CMM-a je u procesima proizvodnje i montaže za testiranje dijela ili sklopa u odnosu na namjeru dizajna.U takvim aplikacijama se generišu oblaci tačaka koji se analiziraju pomoću regresijskih algoritama za konstrukciju karakteristika.Ove tačke se prikupljaju pomoću sonde koju rukovalac postavlja ručno ili automatski preko direktne kompjuterske kontrole (DCC).DCC CMM se mogu programirati da više puta mjere identične dijelove;stoga je automatizirani CMM specijalizirani oblik industrijskog robota.

dijelovi

Mašine za mjerenje koordinata uključuju tri glavne komponente:

• Glavna struktura koja uključuje tri ose kretanja.Materijal koji se koristi za izradu pokretnog okvira varirao je tokom godina.Granit i čelik su korišteni u ranim CMM-ovima.Danas svi glavni proizvođači CMM-a grade okvire od legure aluminija ili nekog derivata, a također koriste keramiku da povećaju krutost Z ose za aplikacije za skeniranje.Nekoliko graditelja CMM-a danas još uvijek proizvodi CMM granitne okvire zbog zahtjeva tržišta za poboljšanom metrološkom dinamikom i rastućeg trenda ugradnje CMM-a izvan laboratorija kvaliteta.Obično samo mali proizvođači CMM-a i domaći proizvođači u Kini i Indiji još uvijek proizvode granitne CMM zbog pristupa niske tehnologije i lakog ulaska u graditelj CMM okvira.Sve veći trend ka skeniranju takođe zahteva da osovina CMM Z bude čvršća i uvedeni su novi materijali kao što su keramika i silicijum karbid.
• Sistem sondiranja
• Sistem prikupljanja i redukcije podataka — obično uključuje kontroler mašine, desktop računar i aplikativni softver.

Dostupnost

Ove mašine mogu biti samostojeće, ručne i prenosive.

Preciznost

Preciznost mašina za mjerenje koordinata obično se daje kao faktor nesigurnosti kao funkcija na udaljenosti.Za CMM koji koristi sondu na dodir, ovo se odnosi na ponovljivost sonde i tačnost linearnih skala.Tipična ponovljivost sonde može rezultirati mjerenjima unutar 0,001 mm ili 0,00005 inča (pola desetine) po cijeloj zapremini mjerenja.Za mašine sa 3, 3+2 i 5 osa, sonde se rutinski kalibriraju korišćenjem sledljivih standarda, a kretanje mašine se verifikuje pomoću merača kako bi se osigurala tačnost.

Specifični dijelovi

Telo mašine

Prvi CMM razvila je kompanija Ferranti iz Škotske 1950-ih, kao rezultat direktne potrebe za mjerenjem preciznih komponenti u njihovim vojnim proizvodima, iako je ova mašina imala samo 2 osovine.Prvi modeli sa 3 ose počeli su da se pojavljuju 1960-ih (DEA iz Italije), a kompjutersko upravljanje je debitovalo ranih 1970-ih, ali je prvi CMM razvijen i stavljen u prodaju od strane Browne & Sharpea u Melburnu, Engleska.(Leitz Njemačka je kasnije proizvela fiksnu mašinsku strukturu sa pokretnim stolom.

U modernim mašinama, nadgradnja portalnog tipa ima dvije noge i često se naziva mostom.Ovo se slobodno kreće duž granitnog stola s jednom nogom (koja se često naziva unutrašnja noga) prateći vodilicu pričvršćenu na jednu stranu granitnog stola.Suprotna noga (često vanjska noga) jednostavno se oslanja na granitni stol prateći vertikalnu konturu površine.Vazdušni ležajevi su odabrana metoda za osiguranje kretanja bez trenja.U njima se komprimirani zrak probija kroz niz vrlo malih rupa na ravnoj površini ležaja kako bi se osigurao gladak, ali kontroliran zračni jastuk na kojem se CMM može kretati na način gotovo bez trenja, što se može kompenzirati putem softvera.Kretanje mosta ili portala duž granitnog stola formira jednu os XY ravni.Most portala sadrži kočiju koja se kreće između unutrašnjih i vanjskih nogu i formira drugu X ili Y horizontalnu os.Treća osa kretanja (Z osa) je obezbeđena dodatkom vertikalnog pera ili vretena koje se kreće gore-dole kroz centar kolica.Sonda na dodir formira senzorski uređaj na kraju pera.Kretanje X, Y i Z osi u potpunosti opisuje mjerni omotač.Opcioni rotacioni stolovi mogu se koristiti za poboljšanje pristupačnosti merne sonde komplikovanim obradacima.Rotacioni sto kao četvrta pogonska osovina ne poboljšava merne dimenzije, koje ostaju 3D, ali pruža određeni stepen fleksibilnosti.Neke sonde za dodir su i same po sebi rotirajući uređaji sa vrhom sonde koji može da se okreće okomito za više od 180 stepeni i kroz punu rotaciju od 360 stepeni.

CMM su sada dostupni i u raznim drugim oblicima.To uključuje CMM ruke koje koriste ugaona mjerenja na zglobovima ruke za izračunavanje položaja vrha olovke i mogu biti opremljene sondama za lasersko skeniranje i optičko snimanje.Takvi CMM-ovi za ruke se često koriste tamo gdje je njihova prenosivost prednost u odnosu na tradicionalne CMM-ove s fiksnim ležajem - pohranjivanjem mjerenih lokacija, softver za programiranje također omogućava pomicanje same mjerne ruke i njene mjerne zapremine oko dijela koji se mjeri tokom rutine mjerenja.Budući da CMM ruke imitiraju fleksibilnost ljudske ruke, često su u stanju da dosegnu unutrašnjost složenih dijelova koji se ne mogu ispitati pomoću standardne troosne mašine.

Mehanička sonda

U ranim danima koordinatnog mjerenja (CMM), mehaničke sonde su bile ugrađene u poseban držač na kraju pera.Vrlo uobičajena sonda je napravljena lemljenjem tvrde kugle na kraj osovine.Ovo je bilo idealno za mjerenje čitavog niza ravnih, cilindričnih ili sfernih površina.Druge sonde su mljevene u određene oblike, na primjer kvadrant, kako bi se omogućilo mjerenje posebnih karakteristika.Ove sonde su se fizički držale na radnom komadu pri čemu je pozicija u prostoru očitana sa 3-osnog digitalnog očitavanja (DRO) ili, u naprednijim sistemima, prijavljivana u kompjuter pomoću nožnog prekidača ili sličnog uređaja.Mjerenja obavljena ovom kontaktnom metodom često su bila nepouzdana jer su se mašine pomicale ručno i svaki operater na mašini je primjenjivao različite količine pritiska na sondu ili je usvajao različite tehnike za mjerenje.

Daljnji razvoj je bio dodavanje motora za pogon svake ose.Operateri više nisu morali fizički dodirivati ​​mašinu, već su mogli da pokreću svaku osovinu koristeći ručnu kutiju sa džojsticima na skoro isti način kao kod modernih automobila na daljinsko upravljanje.Preciznost i preciznost mjerenja dramatično su poboljšani izumom elektronske sonde za okidanje na dodir.Pionir ove nove sonde bio je David McMurtry koji je kasnije formirao ono što je danas Renishaw plc.Iako je još uvijek bio kontaktni uređaj, sonda je imala čeličnu kuglicu s oprugom (kasnije rubin kugla) olovku.Kako je sonda dodirnula površinu komponente, olovka se skrenula i istovremeno poslala informacije o X,Y,Z koordinatama kompjuteru.Greške u mjerenju uzrokovane pojedinačnim operaterima postale su manje i stvorena je etapa za uvođenje CNC operacija i punoljetnost CMM-a.

Optičke sonde su sočiva-CCD-sistemi, koji se pokreću kao i mehaničke, i ciljaju na tačku interesovanja, umjesto da dodiruju materijal.Snimljena slika površine biće zatvorena u ivice mernog prozora, sve dok ostatak ne bude adekvatan za kontrast između crnih i belih zona.Kriva podjele može se izračunati do tačke, koja je željena mjerna tačka u prostoru.Horizontalna informacija na CCD-u je 2D (XY), a vertikalna pozicija je pozicija kompletnog sistema sondiranja na Z-driveu postolja (ili drugoj komponenti uređaja).

Sistemi sonde za skeniranje

Postoje noviji modeli koji imaju sonde koje se povlače duž površine dijela uzimajući tačke u određenim intervalima, poznate kao sonde za skeniranje.Ova metoda CMM inspekcije je često preciznija od konvencionalne metode dodirne sonde i većinu puta brža.

Sljedeća generacija skeniranja, poznata kao beskontaktno skeniranje, koja uključuje lasersku triangulaciju velike brzine u jednoj tački, lasersko skeniranje linija i skeniranje bijelog svjetla, napreduje vrlo brzo.Ova metoda koristi ili laserske zrake ili bijelo svjetlo koje se projektuje na površinu dijela.Mnogo hiljada tačaka se tada može uzeti i koristiti ne samo za provjeru veličine i položaja, već i za kreiranje 3D slike dijela.Ovi "podaci iz oblaka tačaka" se zatim mogu prenijeti u CAD softver za kreiranje radnog 3D modela dijela.Ovi optički skeneri se često koriste na mekim ili osjetljivim dijelovima ili za olakšavanje obrnutog inženjeringa.

Mikrometrološke sonde

Sistemi sonde za metrološke aplikacije na mikrorazmjeru su još jedna oblast u nastajanju.Postoji nekoliko komercijalno dostupnih koordinatnih mernih mašina (CMM) koje imaju mikrosondu integrisanu u sistem, nekoliko specijalnih sistema u vladinim laboratorijama i bilo koji broj univerzitetskih metroloških platformi za mikromerologiju.Iako su ove mašine dobre i u mnogim slučajevima odlične metrološke platforme sa nanometričkim skalama, njihovo primarno ograničenje je pouzdana, robusna, sposobna mikro/nano sonda.^{[potreban citat]}Izazovi za tehnologije sondiranja na mikrorazmjeru uključuju potrebu za sondom visokog omjera širine i visine koja daje mogućnost pristupa dubokim, uskim elementima s malim kontaktnim silama kako se ne bi oštetila površina i visokom preciznošću (nanometarski nivo).^{[potreban citat]}Osim toga, mikroskopske sonde su osjetljive na uvjete okoline kao što su vlažnost i površinske interakcije kao što je sljepljivanje (između ostalog uzrokovano adhezija, meniskusom i/ili Van der Waalsovim silama).^{[potreban citat]}

Tehnologije za postizanje mikrorazmjernog sondiranja uključuju smanjenu verziju klasičnih CMM sondi, optičkih sondi i sonde stojećeg talasa između ostalog.Međutim, trenutne optičke tehnologije ne mogu biti dovoljno male za mjerenje dubokih, uskih karakteristika, a optička rezolucija je ograničena talasnom dužinom svjetlosti.Rendgensko snimanje daje sliku karakteristike, ali nema sljedivih metroloških informacija.

Fizički principi

Mogu se koristiti optičke sonde i/ili laserske sonde (ako je moguće u kombinaciji), koje mijenjaju CMM u mjerne mikroskope ili višesenzorske mjerne mašine.Sistemi za rubne projekcije, sistemi teodolitne triangulacije ili laserski udaljeni i triangulacioni sistemi ne nazivaju se mernim mašinama, ali rezultat merenja je isti: prostorna tačka.Laserske sonde se koriste za detekciju udaljenosti između površine i referentne tačke na kraju kinematičkog lanca (tj.: kraj komponente Z-pogona).Ovo može koristiti interferometrijsku funkciju, varijaciju fokusa, skretanje svjetlosti ili princip sjenčanja zraka.

Prenosne mašine za merenje koordinata

Dok tradicionalni CMM koriste sondu koja se kreće po tri kartezijanske ose za merenje fizičkih karakteristika objekta, prenosivi CMM koriste ili zglobne ruke ili, u slučaju optičkih CMM, sisteme za skeniranje bez ruku koji koriste metode optičke triangulacije i omogućavaju potpunu slobodu kretanja oko objekta.

Prijenosni CMM sa zglobnim krakovima imaju šest ili sedam osa koje su opremljene rotacijskim enkoderima umjesto linearnih osa.Prijenosne ruke su lagane (obično manje od 20 funti) i mogu se nositi i koristiti gotovo svuda.Međutim, optički CMM se sve više koriste u industriji.Dizajnirani sa kompaktnim linearnim ili matričnim nizom kamera (kao što je Microsoft Kinect), optički CMM-i su manji od prenosivih CMM-a sa rukama, nemaju žice i omogućavaju korisnicima da lako vrše 3D mjerenja svih vrsta objekata koji se nalaze gotovo bilo gdje.

Određene aplikacije koje se ne ponavljaju kao što su obrnuti inženjering, brza izrada prototipa i inspekcija velikih razmjera dijelova svih veličina idealno su prikladne za prijenosne CMM.Prednosti prenosivih CMM-a su višestruke.Korisnici imaju fleksibilnost u 3D mjerenju svih vrsta dijelova i na najudaljenijim/težim lokacijama.Jednostavni su za upotrebu i ne zahtevaju kontrolisano okruženje za precizna merenja.Štaviše, prenosivi CMM obično koštaju manje od tradicionalnih CMM.

Inherentni kompromisi prenosivih CMM-a su ručni rad (uvek im je potreban čovek da ih koristi).Osim toga, njihova ukupna točnost može biti nešto manje precizna od one kod CMM tipa mosta i manje je prikladna za neke primjene.

Multisenzorske mjerne mašine

Tradicionalna CMM tehnologija koja koristi sonde na dodir se danas često kombinuje sa drugim tehnologijama merenja.Ovo uključuje laserske, video senzore ili senzore za bijelo svjetlo kako bi se osiguralo ono što je poznato kao multisenzorsko mjerenje.