Šta je koordinatna mjerna mašina?

Akoordinatna mjerna mašina(CMM) je uređaj koji mjeri geometriju fizičkih objekata osjećajući diskretne tačke na površini objekta pomoću sonde. U CMM-ovima se koriste različite vrste sondi, uključujući mehaničke, optičke, laserske i sonde s bijelom svjetlošću. U zavisnosti od mašine, položaj sonde može ručno kontrolisati operater ili može biti kontrolisan računarom. CMM-ovi obično određuju položaj sonde u smislu njenog pomjeranja od referentnog položaja u trodimenzionalnom kartezijanskom koordinatnom sistemu (tj. sa XYZ osama). Pored pomjeranja sonde duž X, Y i Z osa, mnoge mašine takođe omogućavaju kontrolu ugla sonde kako bi se omogućilo mjerenje površina koje bi inače bile nedostižne.

Tipična 3D "mostna" CMM omogućava kretanje sonde duž tri ose, X, Y i Z, koje su međusobno ortogonalne u trodimenzionalnom kartezijanskom koordinatnom sistemu. Svaka osa ima senzor koji prati položaj sonde na toj osi, obično s mikrometarskom preciznošću. Kada sonda dodirne (ili na drugi način detektuje) određenu lokaciju na objektu, mašina uzorkuje tri senzora položaja, mjereći tako lokaciju jedne tačke na površini objekta, kao i trodimenzionalni vektor izvršenog mjerenja. Ovaj proces se ponavlja po potrebi, pomjerajući sondu svaki put, kako bi se dobio "oblak tačaka" koji opisuje površine od interesa.

Uobičajena upotreba CMM-ova je u procesima proizvodnje i montaže za testiranje dijela ili sklopa u odnosu na dizajnersku namjeru. U takvim primjenama, generiraju se oblaci tačaka koji se analiziraju putem regresijskih algoritama za konstrukciju karakteristika. Ove tačke se prikupljaju pomoću sonde koju ručno pozicionira operater ili automatski putem direktne računarske kontrole (DCC). DCC CMM-ovi se mogu programirati za ponovljeno mjerenje identičnih dijelova; stoga je automatizovani CMM specijalizirani oblik industrijskog robota.

Dijelovi

Koordinatno-mjerne mašine uključuju tri glavne komponente:

• Glavna struktura koja uključuje tri ose kretanja. Materijal koji se koristi za konstrukciju pokretnog okvira mijenjao se tokom godina. Granit i čelik su korišteni u ranim CMM-ovima. Danas svi glavni proizvođači CMM-ova grade okvire od legure aluminija ili nekog derivata, a također koriste keramiku kako bi povećali krutost Z ose za primjene skeniranja. Malo proizvođača CMM-ova danas još uvijek proizvodi CMM s granitnim okvirom zbog zahtjeva tržišta za poboljšanom dinamikom metrologije i sve većeg trenda instaliranja CMM-a izvan laboratorije za kvalitet. Obično samo proizvođači CMM-ova malog obima i domaći proizvođači u Kini i Indiji još uvijek proizvode granitne CMM-ove zbog pristupa niske tehnologije i lakog ulaska u proizvodnju okvira CMM-a. Rastući trend skeniranja također zahtijeva da Z osa CMM-a bude čvršća, a uvedeni su i novi materijali poput keramike i silicijum karbida.
• Sistem za sondiranje
• Sistem za prikupljanje i redukciju podataka — obično uključuje kontroler mašine, desktop računar i aplikacijski softver.

Dostupnost

Ove mašine mogu biti samostojeće, ručne i prenosive.

Tačnost

Tačnost koordinatnih mjernih mašina se obično daje kao faktor nesigurnosti u funkciji udaljenosti. Za CMM koji koristi dodirnu sondu, 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) preko cijelog mjernog volumena. Za 3, 3+2 i 5-osne mašine, sonde se rutinski kalibriraju korištenjem sljedivih standarda, a kretanje mašine se provjerava pomoću mjerača kako bi se osigurala tačnost.

Specifični dijelovi

Tijelo mašine

Prvu CMM razvila je kompanija Ferranti iz Škotske 1950-ih godina kao rezultat direktne potrebe za mjerenjem preciznih komponenti u svojim vojnim proizvodima, iako je ova mašina imala samo 2 ose. Prvi modeli sa 3 ose počeli su se pojavljivati ​​1960-ih (DEA iz Italije), a kompjutersko upravljanje debitovalo je početkom 1970-ih, ali prvu funkcionalnu CMM razvila je i pustila u prodaju kompanija Browne & Sharpe u Melbourneu, Engleska. (Leitz Njemačka je potom proizvela fiksnu strukturu mašine sa pokretnim stolom.)

U modernim mašinama, nadgradnja portalnog tipa ima dvije noge i često se naziva most. Ona se slobodno kreće duž granitnog stola s jednom nogom (često nazivanom unutrašnjom nogom) prateći vodilicu pričvršćenu na jednu stranu granitnog stola. Suprotna noga (često vanjska noga) jednostavno se oslanja na granitni stol prateći konturu vertikalne površine. Zračni ležajevi su odabrana metoda za osiguranje kretanja bez trenja. Kod njih se komprimirani zrak propušta kroz niz vrlo malih rupa u ravnoj površini ležaja kako bi se osigurao gladak, ali kontroliran zračni jastuk na kojem se CMM može kretati gotovo bez trenja, što se može kompenzirati softverom. Kretanje mosta ili portala duž granitnog stola formira jednu osu XY ravni. Most portala sadrži kolica koja se kreću između unutrašnjih i vanjskih nogu i formiraju drugu horizontalnu osu X ili Y. Treća osa kretanja (Z osa) osigurava se dodavanjem vertikalne pinole ili vretena koja se kreće gore-dolje kroz središte kolica. Dodirna sonda formira senzorski uređaj na kraju pinole. Kretanje X, Y i Z osa u potpunosti opisuje mjernu zonu. Opcioni rotacijski stolovi mogu se koristiti za poboljšanje pristupačnosti mjerne sonde složenim obradcima. Rotacijski stol kao četvrta pogonska osa ne poboljšava mjerne dimenzije, koje ostaju 3D, ali pruža određeni stepen fleksibilnosti. Neke dodirne sonde su same po sebi rotacijski uređaji s motorom, a vrh sonde se može vertikalno okretati za više od 180 stepeni i za punu rotaciju od 360 stepeni.

Koordinatni multimetrovi (CMM) su sada dostupni i u raznim drugim oblicima. To uključuje CMM ruke koje koriste ugaona mjerenja uzeta na zglobovima ruke za izračunavanje položaja vrha olovke, a mogu biti opremljene i sondama za lasersko skeniranje i optičko snimanje. Takve CMM ruke se često koriste tamo gdje je njihova prenosivost prednost u odnosu na tradicionalne CMM-ove sa fiksnim krevetom - pohranjivanjem izmjerenih lokacija, softver za programiranje također omogućava pomicanje same mjerne ruke i njenog mjernog volumena oko dijela koji se mjeri tokom rutine mjerenja. Budući da CMM ruke imitiraju fleksibilnost ljudske ruke, često su u stanju da dosegnu i unutrašnjost složenih dijelova koji se ne bi mogli mjeriti standardnom troosnom mašinom.

Mehanička sonda

U ranim danima koordinatnog mjerenja (CMM), mehaničke sonde su se postavljale u poseban držač na kraju pinole. Vrlo uobičajena sonda je izrađivana lemljenjem tvrde kugle na kraj osovine. Ovo je bilo idealno za mjerenje cijelog niza ravnih, cilindričnih ili sfernih površina. Druge sonde su brušene u specifične oblike, na primjer kvadrant, kako bi se omogućilo mjerenje posebnih karakteristika. Ove sonde su fizički držane uz radni komad, a položaj u prostoru se očitavao sa 3-osnog digitalnog očitavanja (DRO) ili, u naprednijim sistemima, unosio se u računar pomoću nožne pedale ili sličnog uređaja. Mjerenja izvršena ovom kontaktnom metodom često su bila nepouzdana jer su se mašine pomicale ručno i svaki operater mašine je primjenjivao različite količine pritiska na sondu ili je usvajao različite tehnike za mjerenje.

Daljnji razvoj bio je dodavanje motora za pokretanje svake ose. Operateri više nisu morali fizički dodirivati ​​mašinu, već su mogli upravljati svakom osom pomoću ručne kutije s džojsticima na sličan način kao i kod modernih automobila na daljinsko upravljanje. Tačnost i preciznost mjerenja dramatično su se poboljšale izumom elektronske mjerne sonde s okidačem na dodir. Pionir ovog novog uređaja za mjernu sondu bio je David McMurtry, koji je kasnije osnovao ono što je danas Renishaw plc. Iako je još uvijek bio kontaktni uređaj, sonda je imala olovku od čelične kuglice (kasnije rubinske kuglice) s oprugom. Kada je sonda dodirnula površinu komponente, olovka se skrenula i istovremeno poslala informacije o koordinatama X, Y i Z računaru. Greške u mjerenju koje su uzrokovali pojedinačni operateri postale su manje i postavljeni su uslovi za uvođenje CNC operacija i dolazak CMM-a.

Optičke sonde su sistemi sočiva i CCD-a, koji se pomjeraju poput mehaničkih i usmjereni su prema tački interesa, umjesto da dodiruju materijal. Snimljena slika površine bit će zatvorena u granice mjernog prozora, sve dok ostatak ne bude dovoljan za kontrast između crnih i bijelih zona. Kriva podjele može se izračunati do tačke, koja je željena mjerna tačka u prostoru. Horizontalna informacija na CCD-u je 2D (XY), a vertikalni položaj je položaj kompletnog sistema za mjerenje na Z-pogonu stalka (ili drugoj komponenti uređaja).

Sistemi skenirajućih sondi

Postoje noviji modeli koji imaju sonde koje se povlače duž površine tačaka uzimanja dijela u određenim intervalima, poznate kao skenirajuće sonde. Ova metoda CMM inspekcije je često preciznija od konvencionalne metode dodirne sonde i najčešće je i brža.

Sljedeća generacija skeniranja, poznata kao beskontaktno skeniranje, koja uključuje brzu lasersku triangulaciju jedne tačke, lasersko linijsko skeniranje i skeniranje bijelim svjetlom, napreduje vrlo brzo. Ova metoda koristi ili laserske zrake ili bijelo svjetlo koje se projektuju na površinu dijela. Hiljade tačaka se zatim mogu uzeti i koristiti ne samo za provjeru veličine i položaja, već i za kreiranje 3D slike dijela. Ovi "podaci o oblaku 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 reverznog inženjeringa.

Mikrometrološke sonde

Sistemi za mjerenje na mikrorazmjerima su još jedno područje u nastajanju. Postoji nekoliko komercijalno dostupnih koordinatnih mjernih mašina (CMM) koje imaju mikrorazmjerno integriran u sistem, nekoliko specijaliziranih sistema u vladinim laboratorijama i brojne metrološke platforme za mikrorazmjerno mjerenje koje su izgradili univerziteti. Iako su ove mašine dobre, a u mnogim slučajevima i odlične metrološke platforme s nanometarskim skalama, njihovo primarno ograničenje je pouzdana, robusna i sposobna mikro/nano sonda.^{[potreban citat]}Izazovi za tehnologije sondiranja na mikroskopskoj skali uključuju potrebu za sondom visokog omjera stranica koja omogućava pristup dubokim, uskim strukturama s niskim kontaktnim silama kako se ne bi oštetila površina i uz visoku preciznost (nanometarski nivo).^{[potreban citat]}Osim toga, mikroskopske sonde su osjetljive na uvjete okoline poput vlažnosti i površinskih interakcija poput lijepljenja (uzrokovanog adhezijom, meniskusom i/ili Van der Waalsovim silama, između ostalog).^{[potreban citat]}

Tehnologije za postizanje mikroskopskog sondiranja uključuju smanjene verzije klasičnih CMM sondi, optičke sonde i sonde stojnog talasa, između ostalog. Međutim, trenutne optičke tehnologije ne mogu se dovoljno smanjiti za mjerenje dubokih, uskih elemenata, a optička rezolucija je ograničena talasnom dužinom svjetlosti. Rendgensko snimanje pruža sliku elementa, ali ne i sljedive metrološke informacije.

Fizički principi

Mogu se koristiti optičke sonde i/ili laserske sonde (ako je moguće u kombinaciji), što CMM-ove pretvara u mjerne mikroskope ili mjerne mašine s više senzora. Sistemi za projekciju resa, teodolitski sistemi za triangulaciju ili laserski distantni i triangulacijski sistemi se ne nazivaju mjernim mašinama, ali rezultat mjerenja je isti: prostorna tačka. Laserske sonde se koriste za detekciju udaljenosti između površine i referentne tačke na kraju kinematičkog lanca (tj. kraj Z-pogonske komponente). Ovo može koristiti interferometrijsku funkciju, varijaciju fokusa, skretanje svjetlosti ili princip zasjenjivanja snopa.

Prijenosne mašine za mjerenje koordinata

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

Prijenosni CMM-ovi sa zglobnim rukama imaju šest ili sedam osa koje su opremljene rotacijskim enkoderima, umjesto linearnih osa. Prijenosni krakovi su lagani (obično manji od 9 kilograma) i mogu se nositi i koristiti gotovo bilo gdje. Međutim, optički CMM-ovi se sve više koriste u industriji. Dizajnirani s kompaktnim linearnim ili matričnim kamerama (poput Microsoft Kinecta), optički CMM-ovi su manji od prijenosnih CMM-ova s ​​krakovima, nemaju žice i omogućuju korisnicima da lako vrše 3D mjerenja svih vrsta objekata koji se nalaze gotovo bilo gdje.

Određene jednokratne primjene poput reverznog inženjeringa, brze izrade prototipa i inspekcije dijelova velikih razmjera svih veličina idealne su za prenosive CMM-ove. Prednosti prenosivih CMM-ova su višestruke. Korisnici imaju fleksibilnost u 3D mjerenju svih vrsta dijelova i na najudaljenijim/najtežim lokacijama. Jednostavni su za korištenje i ne zahtijevaju kontrolirano okruženje za precizna mjerenja. Štaviše, prenosivi CMM-ovi obično koštaju manje od tradicionalnih CMM-ova.

Inherentni nedostaci prenosnih CMM-ova su ručni rad (uvijek je potreban čovjek za njihovo korištenje). Osim toga, njihova ukupna tačnost može biti nešto manja od tačnosti CMM-a mostnog tipa i manje je pogodna za neke primjene.

Multisenzorske mjerne mašine

Tradicionalna CMM tehnologija koja koristi dodirne sonde danas se često kombinuje s drugim tehnologijama mjerenja. To uključuje laserske, video ili senzore bijele svjetlosti kako bi se obezbijedilo ono što je poznato kao multisenzorsko mjerenje.