Kas yra koordinatinė matavimo mašina?

Akoordinačių matavimo mašinaKMM (KMM) – tai įrenginys, kuris matuoja fizinių objektų geometriją, zondu fiksuodamas atskirus objekto paviršiaus taškus. KMM naudojami įvairių tipų zondai, įskaitant mechaninius, optinius, lazerinius ir baltos šviesos. Priklausomai nuo mašinos, zondo padėtį gali rankiniu būdu valdyti operatorius arba ji gali būti valdoma kompiuteriu. KMM paprastai nurodo zondo padėtį pagal jo poslinkį nuo atskaitos padėties trimatėje Dekarto koordinačių sistemoje (t. y. XYZ ašyse). Be zondo judėjimo išilgai X, Y ir Z ašių, daugelis mašinų taip pat leidžia valdyti zondo kampą, kad būtų galima išmatuoti paviršius, kurie kitaip būtų nepasiekiami.

Tipinis 3D „tiltelio“ tipo KMM leidžia zondą judėti išilgai trijų ašių – X, Y ir Z, kurios yra statmenos viena kitai trimatėje Dekarto koordinačių sistemoje. Kiekviena ašis turi jutiklį, kuris stebi zondo padėtį toje ašyje, paprastai mikrometro tikslumu. Kai zondas paliečia (arba kitaip aptinka) tam tikrą objekto vietą, mašina ima signalą iš trijų padėties jutiklių, taip išmatuodama vieno taško vietą objekto paviršiuje, taip pat atlikto matavimo trimatį vektorių. Šis procesas kartojamas pagal poreikį, kiekvieną kartą judinant zondą, kad būtų sukurtas „taškų debesis“, apibūdinantis dominančius paviršiaus plotus.

KMM dažnai naudojami gamybos ir surinkimo procesuose, siekiant patikrinti, ar detalė ar mazgas atitinka projektavimo tikslą. Tokiose srityse generuojami taškų debesys, kurie analizuojami regresijos algoritmais, siekiant sukurti elementus. Šie taškai surenkami naudojant zondą, kurį rankiniu būdu nustato operatorius arba kuris automatiškai nustatomas naudojant tiesioginį kompiuterio valdymą (DCC). DCC KMM galima programuoti taip, kad pakartotinai matuotų identiškas detales; taigi automatizuota KMM yra specializuota pramoninio roboto forma.

Dalys

Koordinatinių matavimo mašinų sudėtyje yra trys pagrindiniai komponentai:

• Pagrindinė konstrukcija apima tris judėjimo ašis. Judančio rėmo gamybai naudojama medžiaga bėgant metams keitėsi. Ankstyvosiose KMM buvo naudojamas granitas ir plienas. Šiandien visi pagrindiniai KMM gamintojai gamina rėmus iš aliuminio lydinio arba kai kurių darinių, taip pat naudoja keramiką, kad padidintų Z ašies standumą skenavimo reikmėms. Nedaug KMM gamintojų šiandien vis dar gamina KMM su granito rėmu dėl rinkos poreikio pagerinti metrologijos dinamiką ir didėjančios tendencijos montuoti KMM ne kokybės laboratorijoje. Paprastai tik nedidelio masto KMM gamintojai ir vietiniai gamintojai Kinijoje ir Indijoje vis dar gamina granito KMM dėl žemo technologinio požiūrio ir lengvos pradžios tapti KMM rėmų gamintoju. Didėjanti skenavimo tendencija taip pat reikalauja, kad KMM Z ašis būtų standesnė, ir atsirado naujų medžiagų, tokių kaip keramika ir silicio karbidas.
• Zondavimo sistema
• Duomenų rinkimo ir apdorojimo sistema – paprastai apima mašinos valdiklį, stacionarų kompiuterį ir taikomąją programinę įrangą.

Prieinamumas

Šios mašinos gali būti laisvai pastatomos, nešiojamos ir rankinės.

Tikslumas

Koordinatinių matavimo mašinų tikslumas paprastai nurodomas kaip neapibrėžtumo koeficientas, priklausantis nuo atstumo. KMM, naudojančio lietimo zondą, tikslumas susijęs su zondo pakartojamumu ir linijinių skalių tikslumu. Įprastas zondo pakartojamumas gali lemti matavimus 0,001 mm arba 0,00005 colio (pusės dešimtosios) tikslumu visame matavimo tūryje. 3, 3+2 ir 5 ašių mašinoms zondai įprastai kalibruojami naudojant atsekamus standartus, o mašinos judėjimas tikrinamas naudojant matuoklius, siekiant užtikrinti tikslumą.

Specifinės dalys

Mašinos korpusas

Pirmąjį KMM sukūrė Škotijos bendrovė „Ferranti Company“ šeštajame dešimtmetyje, ištikus tiesioginiam poreikiui išmatuoti tikslius komponentus savo kariniuose gaminiuose, nors ši mašina turėjo tik 2 ašis. Pirmieji 3 ašių modeliai pradėjo pasirodyti septintajame dešimtmetyje (Italijos DEA), o kompiuterinis valdymas pasirodė aštuntojo dešimtmečio pradžioje, tačiau pirmąjį veikiantį KMM sukūrė ir pardavinėjo „Browne & Sharpe“ Melburne, Anglijoje. („Leitz Germany“ vėliau pagamino fiksuotos konstrukcijos mašiną su judančiu stalu.

Šiuolaikinėse mašinose portalo tipo antstatas turi dvi kojas ir dažnai vadinamas tiltu. Jis laisvai juda granitiniu stalu, viena koja (dažnai vadinama vidine koja) seka kreipiančiąja bėgeliu, pritvirtintu prie vienos granito stalo pusės. Priešinga koja (dažnai išorinė koja) tiesiog remiasi į granitinį stalą, sekdama vertikaliu paviršiaus kontūru. Pneumatiniai guoliai yra pasirinktas metodas, užtikrinantis judėjimą be trinties. Juose suslėgtas oras yra spaudžiamas per labai mažų skylučių seriją plokščiame guolio paviršiuje, kad būtų sukurta sklandi, bet kontroliuojama oro pagalvė, ant kurios KMM gali judėti beveik be trinties, ką galima kompensuoti programine įranga. Tilto arba portalo judėjimas granitiniu stalu sudaro vieną XY plokštumos ašį. Portalo tilte yra vežimėlis, kuris juda tarp vidinės ir išorinės kojų ir sudaro kitą X arba Y horizontalią ašį. Trečioji judėjimo ašis (Z ašis) gaunama pridedant vertikalų strypą arba veleną, kuris juda aukštyn ir žemyn per vežimėlio centrą. Jutiklinis zondas sudaro jutiklį strypo gale. X, Y ir Z ašių judėjimas visiškai apibūdina matavimo kontūrą. Papildomai pasirenkami sukamieji stalai gali būti naudojami siekiant pagerinti matavimo zondo prieinamumą prie sudėtingų ruošinių. Sukamasis stalas kaip ketvirtoji pavaros ašis nepadidina matavimo matmenų, kurie išlieka trimačiai, tačiau suteikia tam tikrą lankstumą. Kai kurie lietimo zondai patys yra varomi sukamieji įrenginiai, kurių zondo antgalis gali pasisukti vertikaliai daugiau nei 180 laipsnių ir visiškai apsisukti 360 laipsnių kampu.

Dabar galima įsigyti ir įvairių kitų KMM formų. Tai apima KMM svirtis, kurios naudoja kampinius matavimus, atliktus svirties jungtyse, kad apskaičiuotų liestuko antgalio padėtį, ir gali būti komplektuojamos su zondais lazeriniam skenavimui ir optiniam vaizdavimui. Tokios svirties KMM dažnai naudojamos tais atvejais, kai jų perkeliamumas yra pranašumas, palyginti su tradicinėmis stacionariomis KMM – programavimo programinė įranga, saugant išmatuotas vietas, taip pat leidžia judinti pačią matavimo svirtį ir jos matavimo tūrį aplink matuojamą detalę matavimo metu. Kadangi KMM svirtys imituoja žmogaus rankos lankstumą, jos taip pat dažnai gali pasiekti sudėtingų detalių vidų, kurių negalima būtų zonduoti naudojant standartinę trijų ašių mašiną.

Mechaninis zondas

Koordinatinių matavimų (KMM) pradžioje mechaniniai zondai buvo montuojami į specialų laikiklį ant plunksnos galo. Labai įprastas zondas buvo gaminamas prilituojant kietą rutulį prie veleno galo. Tai idealiai tiko matuoti visą plokščių, cilindrinių arba sferinių paviršių diapazoną. Kiti zondai buvo šlifuojami iki specifinių formų, pavyzdžiui, kvadranto, kad būtų galima išmatuoti specialius bruožus. Šie zondai buvo fiziškai pritvirtinti prie ruošinio, o jų padėtis erdvėje buvo nuskaitoma iš 3 ašių skaitmeninio rodmens (DRO) arba, pažangesnėse sistemose, registruojama kompiuteryje naudojant kojinį jungiklį ar panašų įtaisą. Šiuo kontaktiniu metodu atlikti matavimai dažnai būdavo nepatikimi, nes staklės buvo judinamos rankomis, o kiekvienas staklių operatorius zondui taikė skirtingą spaudimą arba taikė skirtingus matavimo metodus.

Tolesnė plėtra buvo variklių, skirtų kiekvienai ašiai varyti, pridėjimas. Operatoriams nebereikėjo fiziškai liesti mašinos, bet jie galėjo valdyti kiekvieną ašį naudodami valdymo svirtį, panašiai kaip ir šiuolaikiniuose nuotoliniu būdu valdomuose automobiliuose. Matavimo tikslumas ir preciziškumas labai pagerėjo išradus elektroninį lietimo zondą. Šio naujo zondo įrenginio pradininkas buvo Davidas McMurtry, kuris vėliau įkūrė dabartinę „Renishaw plc“. Nors zondas vis dar buvo kontaktinis įrenginys, jis turėjo spyruoklinį plieninio rutulio (vėliau rubino rutulio) formos liestuką. Kai zondas palietė komponento paviršių, liestukas nukrypo ir tuo pačiu metu siųsdavo X, Y, Z koordinačių informaciją kompiuteriui. Individualių operatorių sukeltos matavimo paklaidos sumažėjo, ir buvo paruoštas pagrindas CNC operacijų įdiegimui ir KMM amžiaus atsiradimui.

Optiniai zondai yra lęšio-CCD sistemos, kurios juda kaip ir mechaniniai, ir yra nukreiptos į dominantį tašką, o ne liečia medžiagą. Užfiksuotas paviršiaus vaizdas bus aptvertas matavimo lango rėmeliais, kol liekana taps pakankama, kad būtų galima išryškinti kontrastą tarp juodos ir baltos zonų. Padalijimo kreivę galima apskaičiuoti iki taško, kuris yra norimas matavimo taškas erdvėje. Horizontali informacija CCD yra 2D (XY), o vertikali padėtis yra visos zondavimo sistemos padėtis ant stovo Z pavaros (arba kito įrenginio komponento).

Skenuojančių zondų sistemos

Yra naujesnių modelių, kurių zondai velkami detalių ėmimo taškų paviršiumi nustatytais intervalais, vadinami skenuojančiais zondais. Šis KMM tikrinimo metodas dažnai yra tikslesnis nei įprastas lietimo zondo metodas ir dažniausiai greitesnis.

Naujos kartos skenavimas, žinomas kaip bekontaktis skenavimas, apimantis didelės spartos lazerinį vieno taško trianguliaciją, lazerinį linijų skenavimą ir baltos šviesos skenavimą, sparčiai tobulėja. Šis metodas naudoja lazerio spindulius arba baltą šviesą, kurie projektuojami į detalės paviršių. Tuomet galima užfiksuoti tūkstančius taškų ir panaudoti ne tik dydžiui ir padėčiai patikrinti, bet ir detalės 3D vaizdui sukurti. Šie „taškų debesies duomenys“ gali būti perkelti į CAD programinę įrangą, kad būtų sukurtas veikiantis detalės 3D modelis. Šie optiniai skaitytuvai dažnai naudojami minkštoms arba jautrioms detalėms arba atvirkštinei inžinerijai palengvinti.

Mikrometrologijos zondai

Zondavimo sistemos, skirtos mikroskalės metrologijos taikymams, yra dar viena sparčiai auganti sritis. Yra keletas komerciškai prieinamų koordinatinių matavimo mašinų (KMM), kuriose integruotas mikrozondas, kelios specializuotos sistemos vyriausybinėse laboratorijose ir daugybė universitetų sukurtų metrologijos platformų, skirtų mikroskalės metrologijai. Nors šios mašinos yra geros ir daugeliu atvejų puikios metrologijos platformos su nanometriniais skalėmis, jų pagrindinis apribojimas yra patikimas, tvirtas ir pajėgus mikro/nano zondas.^{[reikalinga citata]}Mikroskopinio zondavimo technologijų iššūkiai apima didelio kraštinių santykio zondo poreikį, leidžiantį pasiekti gilius, siaurus elementus esant mažoms sąlyčio jėgoms, kad nebūtų pažeistas paviršius, ir užtikrinant didelį tikslumą (nanometrų lygmeniu).^{[reikalinga citata]}Be to, mikroskopiniai zondai yra jautrūs aplinkos sąlygoms, tokioms kaip drėgmė ir paviršiaus sąveika, pvz., sukibimas (sukeltas, be kita ko, dėl sukibimo, menisko ir (arba) Van der Waalso jėgų).^{[reikalinga citata]}

Mikromasto zondavimo technologijos apima sumažintas klasikinių KMM zondų versijas, optinius zondus ir stovinčios bangos zondą. Tačiau dabartinės optinės technologijos negali būti pakankamai mažos, kad būtų galima išmatuoti gilius, siaurus darinius, o optinę skiriamąją gebą riboja šviesos bangos ilgis. Rentgeno spindulių vaizdavimas pateikia darinio vaizdą, bet nerodo metrologinės informacijos.

Fiziniai principai

Galima naudoti optinius ir (arba) lazerinius zondus (jei įmanoma, kartu), kurie KMM pakeičia į matavimo mikroskopus arba daugiajutiklius matavimo įrenginius. Pakraščių projekcijos sistemos, teodolito trianguliacijos sistemos arba lazerinės nuotolinio stebėjimo ir trianguliacijos sistemos nėra vadinamos matavimo mašinomis, tačiau matavimo rezultatas yra tas pats: erdvės taškas. Lazeriniai zondai naudojami atstumui tarp paviršiaus ir atskaitos taško kinematinės grandinės gale (t. y. Z pavaros komponento gale) nustatyti. Tam gali būti naudojama interferometrinė funkcija, fokusavimo kitimas, šviesos nukreipimas arba spindulio šešėliavimo principas.

Nešiojamieji koordinačių matavimo įrenginiai

Nors tradiciniai KMM naudoja zondą, kuris juda trimis Dekarto ašimis, kad išmatuotų objekto fizines charakteristikas, nešiojamieji KMM naudoja arba šarnyrines rankas, arba, optinių KMM atveju, skenavimo sistemas be rankų, kurios naudoja optinius trianguliacijos metodus ir suteikia visišką judėjimo laisvę aplink objektą.

Nešiojamieji KMM su šarnyrinėmis svirtimis turi šešias arba septynias ašis, kuriose įrengti rotaciniai kodavimo įrenginiai, o ne linijinės ašys. Nešiojamosios svirtys yra lengvos (paprastai mažiau nei 20 svarų) ir gali būti nešiojamos bei naudojamos beveik bet kur. Tačiau pramonėje vis dažniau naudojami optiniai KMM. Sukurti su kompaktiškomis linijinėmis arba matricinėmis kameromis (pvz., „Microsoft Kinect“), optiniai KMM yra mažesni nei nešiojamieji KMM su svirtimis, neturi laidų ir leidžia vartotojams lengvai atlikti visų tipų objektų, esančių beveik bet kur, 3D matavimus.

Nešiojamieji KMM idealiai tinka tam tikroms nepasikartojančioms reikmėms, tokioms kaip atvirkštinė inžinerija, greitas prototipų kūrimas ir didelio masto įvairių dydžių detalių tikrinimas. Nešiojamųjų KMM privalumai yra daugialypiai. Vartotojai gali lanksčiai atlikti visų tipų detalių 3D matavimus ir atokiausiose / sudėtingiausiose vietose. Juos lengva naudoti ir nereikia kontroliuojamos aplinkos, kad būtų galima atlikti tikslius matavimus. Be to, nešiojamieji KMM paprastai kainuoja mažiau nei tradiciniai KMM.

Nešiojamųjų KMM trūkumai yra rankinis valdymas (jiems visada reikalingas žmogus). Be to, jų bendras tikslumas gali būti šiek tiek mažesnis nei tiltinio tipo KMM ir jie mažiau tinka kai kurioms reikmėms.

Daugiajutiklių matavimo mašinų

Tradicinė KMM technologija, naudojanti lietimo zondus, šiandien dažnai derinama su kitomis matavimo technologijomis. Tai apima lazerinius, vaizdo arba baltos šviesos jutiklius, siekiant užtikrinti tai, kas vadinama daugiajutikliu matavimu.