Kas yra koordinačių matavimo mašina?

AKoordinačių matavimo mašina(Cmm) yra prietaisas, kuris matuoja fizinių objektų geometriją, jungiantis atskirus objekto paviršiaus taškus zondo paviršiuje. CMM naudojami įvairūs zondai, įskaitant mechaninę, optinę, lazerį ir baltą šviesą. Priklausomai nuo mašinos, zondo padėtį rankiniu būdu gali valdyti operatorius arba jis gali būti valdomas kompiuteriu. CMMS paprastai nurodo zondo padėtį pagal jo poslinkį iš etaloninės padėties trimatėje Dekarto koordinačių sistemoje (ty su xyz ašimis). Be to, kad zondas juda išilgai X, Y ir Z ašių, daugelis mašinų taip pat leidžia valdyti zondo kampą, kad būtų galima išmatuoti paviršius, kurie priešingu atveju būtų nepasiekiami.

Tipiškas 3D „tilto“ CMM leidžia zondo judėjimą išilgai trijų ašių: x, y ir z, kurie yra ortogonalūs vienas kitam trijų matmenų Dekarto koordinačių sistemoje. Kiekviena ašis turi jutiklį, kuris stebi zondo padėtį ant tos ašies, paprastai tiksliai tiksliai. Kai zondas kontaktuoja (arba kitaip nustato) tam tikrą objekto vietą, mašina mėgsta tris padėties jutiklius, taip išmatuodamas vieno taško vietą ant objekto paviršiaus, taip pat atlikto matavimo 3 matmenų vektorių. Šis procesas kartojamas prireikus, kiekvieną kartą judant zondą, kad būtų sukurtas „taškinis debesis“, kuris apibūdina dominančias paviršiaus sritis.

Įprastas CMMS naudojimas yra gamybos ir surinkimo procesuose, norint išbandyti dalį ar surinkimą pagal projektavimo ketinimus. Tokiose programose generuojami taškų debesys, kurie analizuojami naudojant regresijos algoritmus, kad būtų galima sukurti funkcijas. Šie taškai renkami naudojant zondą, kurį operatorius rankiniu būdu pastato rankiniu būdu arba automatiškai per tiesioginį kompiuterio valdymą (DCC). DCC CMMS gali būti užprogramuotas pakartotinai išmatuoti identiškas dalis; Taigi automatizuotas CMM yra specializuota pramoninio roboto forma.

Dalys

Koordinačių matavimo mašinos apima tris pagrindinius komponentus:

• Pagrindinė struktūra, apimanti tris judesio ašis. Medžiagos, naudojamos judančiam rėmui statyti, bėgant metams skyrėsi. Ankstyvieji CMM buvo naudojami granitas ir plienas. Šiandien visi pagrindiniai CMM gamintojai stato rėmus iš aliuminio lydinio ar kai kurių darinių, taip pat naudoja keramiką, kad padidintų Z ašies standumą nuskaitymo programoms. Nedaug CMM statybininkų šiandien vis dar gamina granito rėmą CMM dėl rinkos reikalavimo, kad būtų patobulinta metrologijos dinamika ir padidintų tendenciją įdiegti CMM už kokybės laboratorijos ribų. Paprastai tik mažo tūrio CMM statytojai ir vidaus gamintojai Kinijoje ir Indijoje vis dar gamina granito CMM dėl žemos technologijos metodo ir lengvai įvažiavimo į CMM rėmo kūrėją. Didėjant skenavimo tendencijai, taip pat reikia, kad CMM Z ašis būtų standesnė, o buvo įvestos naujos medžiagos, tokios kaip keramikos ir silicio karbidas.
• Zondavimo sistema
• Duomenų rinkimo ir mažinimo sistema - paprastai apima mašinos valdiklį, stalinio kompiuterio ir programos programinę įrangą.

Prieinamumas

Šios mašinos gali būti laisvai laikomos, nešiojamos ir nešiojamos.

Tikslumas

Koordinačių matavimo mašinų tikslumas paprastai nurodomas kaip neapibrėžtumo veiksnys kaip funkcija per atstumą. CMM naudojant jutiklinį zondą, tai susiję su zondo pakartojamumu ir tiesinių skalių tikslumu. Tipinis zondo pakartojamumas gali sukelti 0,001 mm arba .00005 colio (pusę dešimtosios) matavimų per visą matavimo tūrį. 3, 3+2 ir 5 ašies mašinoms zondai įprastai kalibruojami naudojant atsekamus standartus, o mašinos judėjimas patikrinamas naudojant matuoklius, kad būtų užtikrintas tikslumas.

Konkrečios dalys

Mašinos kūnas

Pirmąjį CMM šeštajame dešimtmetyje sukūrė Škotijos „Feranti Company“, dėl tiesioginio poreikio išmatuoti tikslus komponentus jų kariniuose produktuose, nors ši mašina turėjo tik 2 ašis. Pirmieji 3 ašių modeliai prasidėjo septintajame dešimtmetyje (Italijos DEA) ir „Computer Control“ debiutavo aštuntojo dešimtmečio pradžioje, tačiau pirmąjį veikiantį CMM sukūrė ir pardavė „Browne & Sharpe“ Melburne, Anglijoje. („Leitz Vokietija“ vėliau pagamino fiksuotą mašinos struktūrą su judančiu stalu.

Šiuolaikinėse mašinose „Gantry“ tipo antstatas turi dvi kojas ir dažnai vadinamas tiltu. Tai laisvai juda išilgai granito stalo su viena koja (dažnai vadinama vidine koja), einant į kreipiamąjį bėgį, pritvirtintą prie vienos granito stalo pusės. Priešinga koja (dažnai išorinė koja) tiesiog remiasi ant granito stalo, einančio po vertikalaus paviršiaus kontūro. Oro guoliai yra pasirinktas metodas, užtikrinantis keliones be trinties. Juose suspaustas oras yra verčiamas per labai mažas skylutes plokščiame guolio paviršiuje, kad būtų sklandi, bet kontroliuojama oro pagalvėlė, ant kurios CMM gali judėti beveik be trinties, kurią galima kompensuoti naudojant programinę įrangą. Tilto ar žandikaulio judėjimas išilgai granito stalo sudaro vieną XY plokštumos ašį. Gantry tilte yra vežimas, kuris kerta tarp vidinių ir išorinių kojų, ir sudaro kitą x arba y horizontalią ašį. Trečioji judesio ašis (Z ašis) pateikiama pridedant vertikalią plunksną arba veleną, judantį aukštyn ir žemyn per vežimo centrą. Jutiklinis zondas sudaro jutiklio įtaisą ant plunksnos galo. X, Y ir Z ašių judėjimas visiškai apibūdina matavimo apvalkalą. Pasirenkamos sukamosios lentelės gali būti naudojamos siekiant padidinti matavimo zondo prieinamumą į sudėtingus ruošinius. Rotacinė lentelė, kaip ketvirtosios pavaros ašis, nepagerina matavimo matmenų, kurie išlieka 3D, tačiau ji suteikia tam tikrą lankstumą. Kai kurie jutikliniai zondai yra patys varomi sukamieji įtaisai, kurių zondo galas gali vertikaliai pasukti daugiau nei 180 laipsnių ir per visą 360 laipsnių sukimąsi.

CMM dabar taip pat galima įsigyti įvairių kitų formų. Tai apima CMM svirtis, kurios naudoja kampinius matavimus, atliktus rankos sąnariuose, kad būtų galima apskaičiuoti plunksnos galiuko padėtį, ir jas galima įrengti lazerio nuskaitymo ir optinio vaizdavimo zondais. Tokios ARM CMM dažnai naudojamos ten, kur jų perkeliamumas yra pranašumas prieš tradicinę fiksuotos lovos CMMS- saugant išmatuotas vietas, programavimo programinė įranga taip pat leidžia perkelti pačią matavimo ranką ir jos matavimo tūrį, esantį matavimo rutinoje. Kadangi CMM rankos imituoja žmogaus rankos lankstumą, jie taip pat dažnai gali pasiekti sudėtingų dalių vidų, kurių nebuvo galima nustatyti naudojant standartinę trijų ašies mašiną.

Mechaninis zondas

Ankstyvomis koordinačių matavimo (CMM) dienomis mechaniniai zondai buvo sudėti į specialų laikiklį ant plunksnos galo. Labai dažnas zondas buvo pagamintas litavus kietą rutulį iki veleno galo. Tai buvo idealu išmatuoti daugybę plokščio veido, cilindrinių ar sferinių paviršių. Kiti zondai buvo pagrįsti specifinėmis formomis, pavyzdžiui, kvadrante, kad būtų galima išmatuoti specialias savybes. Šie zondai buvo fiziškai laikomi prieš ruošinį, kai vieta erdvėje buvo skaitoma iš 3 ašių skaitmeninio rodmens (DRO) arba, pažengusiose sistemose, buvo prisijungę prie kompiuterio, naudojant kojų jungtį ar panašų įrenginį. Matavimai, atlikti šiuo kontaktiniu metodu, dažnai buvo nepatikimi, nes mašinos buvo perkeltos rankomis, o kiekvienas mašinos operatorius taikė skirtingą slėgio kiekį zondo kiekiui arba pritaikė skirtingus matavimo metodus.

Tolesnis vystymasis buvo variklių pridėjimas kiekvienos ašies vairavimui. Operatoriams nebereikėjo fiziškai liesti mašinos, bet galėjo vairuoti kiekvieną ašį naudodami rankinį dėžę su vairasvirtėmis panašiai, kaip ir šiuolaikiniais nuotoliniais valdomais automobiliais. Matavimo tikslumas ir tikslumas dramatiškai pagerėjo, išradus elektroninio jutiklinio gaiduko zondą. Šio naujojo zondo prietaiso pradininkas buvo Davidas McMurtry'as, kuris vėliau suformavo tai, kas dabar yra „Renishaw PLC“. Nors zondas vis dar buvo kontaktinis įtaisas, zondas turėjo spyruoklinį plieninį rutulį (vėliau „Ruby Ball“) plunksną. Kadangi zondas palietė komponento paviršių, plunksnos nukreiptas ir tuo pačiu metu kompiuteryje išsiuntė x, y, z koordinačių informaciją. Atskirų operatorių sukeltos matavimo klaidos tapo mažiau, o etapas buvo nustatytas CNC operacijų įvedimui ir CMM amžiuje.

Optiniai zondai yra objektyvo-CCD sistemos, kurie yra judami kaip mechaniniai, ir yra nukreipti į lankytiną vietą, užuot liečiant medžiagą. Užfiksuotas paviršiaus vaizdas bus uždengtas matavimo lango sienomis, kol likučiai bus tinkami kontrastuoti tarp juodos ir baltos zonos. Padalijimo kreivę galima apskaičiuoti iki taško, kuris yra ieškomas matavimo taškas erdvėje. Horizontali informacija apie CCD yra 2D (xy), o vertikali padėtis yra visos zondavimo sistemos padėtis ant „STOD Z-Drive“ (arba kito įrenginio komponento).

Nuskaitymo zondo sistemos

Yra naujesnių modelių, kuriuose yra zondai, kurie tempiami išilgai dalies paviršiaus, paimdami taškus nurodytais intervalais, žinomais kaip nuskaitymo zondai. Šis CMM patikrinimo metodas dažnai yra tikslesnis nei įprastas jutiklinio zondo metodas, ir dažniausiai taip pat greičiau.

Naujos kartos nuskaitymo karta, žinoma kaip nekontaktinis nuskaitymas, kuris apima didelio greičio lazerinį vieno taško trikampį, lazerio linijos nuskaitymą ir baltos šviesos nuskaitymą, labai greitai tobulėja. Šis metodas naudoja arba lazerio pluoštus, arba baltą šviesą, kurios projektuojamos pagal dalies paviršių. Tada galima paimti daugybę tūkstančių taškų ir naudoti ne tik norint patikrinti dydį ir padėtį, bet ir sukurti 3D dalies vaizdą. Tuomet šiuos „taškinio debesies duomenis“ galima perkelti į CAD programinę įrangą, kad būtų sukurtas veikiantis 3D dalies modelis. Šie optiniai skaitytuvai dažnai naudojami ant minkštų ar subtilių dalių arba palengvinant atvirkštinę inžineriją.

Mikrometrologijos zondai

Mikroskalės metrologijos taikymo zondavimo sistemos yra dar viena kylanti sritis. Yra keletas komerciškai prieinamų koordinačių matavimo mašinų (CMM), turinčių mikroprobą, integruotą į sistemą, kelios specializuotos sistemos vyriausybinėse laboratorijose ir daugybę universitetinių metrologijos platformų, skirtų mikroskalės metrologijai. Nors šios mašinos yra geros ir daugeliu atvejų puikios metrologijos platformos su nanometrinėmis skalėmis, jų pagrindinis apribojimas yra patikimas, tvirtas, pajėgus mikro/nano zondas.^{[Reikalinga citata]}Mikroskalės zondavimo technologijų iššūkiai apima poreikį, kad būtų didelis kraštinių santykio zondas, suteikiantis galimybę pasiekti gilias, siauromis savybėmis, turinčiomis mažas kontaktines jėgas, kad nepažeistumėte paviršiaus ir aukšto tikslumo (nanometro lygis).^{[Reikalinga citata]}Be to, mikroskalės zondai yra jautrūs aplinkos sąlygoms, tokioms kaip drėgmė ir paviršiaus sąveika, tokia kaip nustatyta (sukelia adhezija, meniskas ir (arba) van der Waals jėgos, be kita ko).^{[Reikalinga citata]}

Mikroskalės zondavimo technologijos apima klasikinių CMM zondų, optinių zondų ir stovinčio bangos zondą. Tačiau dabartinės optinės technologijos negali būti pakankamai mažos, kad būtų galima išmatuoti gilią, siaurą funkciją, o optinę skiriamąją gebą riboja šviesos bangos ilgis. Rentgeno spindulių vaizdavimas pateikia funkcijos vaizdą, tačiau nėra jokios atsekamos metrologijos informacijos.

Fiziniai principai

Gali būti naudojami optiniai zondai ir (arba) lazeriniai zondai (jei įmanoma kartu), kurie keičia CMM į mikroskopų matavimą ar daugiafunkcinius matavimo mašinas. Fringe projekcijos sistemos, teodolito trikampio nustatymo sistemos arba tolimosios lazerio sistemos ir trikampio sistemos nėra vadinamos matavimo mašinomis, tačiau matavimo rezultatas yra tas pats: kosmoso taškas. Lazeriniai zondai naudojami aptikti atstumą tarp paviršiaus ir atskaitos taško, esančio kinematinės grandinės gale (ty: Z-Drive komponento galas). Tai gali naudoti interferometrinę funkciją, fokusavimo variaciją, šviesos įlinkį ar spindulio šešėliavimo principą.

Nešiojamos koordinačių matavimo mašinos

Kadangi tradiciniai CMM naudoja zondą, kuris juda ant trijų Dekarto ašių, kad išmatuotų objekto fizines savybes, nešiojamieji CMM naudoja artikuliuotas ginklus arba, jei optiniu CMM atveju, skenavimo sistemas be rankos, naudojančios optinio trikampio metodus ir įgalina bendrą judėjimo laisvę aplink objektą.

Nešiojami CMM su artikuliuotomis rankomis turi šešias ar septynias ašis, kuriose yra sukamieji kodavimo elementai, o ne tiesinės ašys. Nešiojamos rankos yra lengvos (paprastai mažesnės nei 20 svarų) ir gali būti nešiojamos ir naudojamos beveik bet kur. Tačiau optiniai CMM vis dažniau naudojami pramonėje. Sukurtas su kompaktiškomis linijinėmis arba matricos matricos kameromis (pvz., „Microsoft Kinect“), optiniai CMM yra mažesni už nešiojamąjį CMM su rankomis, be laidų ir suteikia vartotojams galimybę lengvai atlikti 3D visų tipų objektų, esančių beveik bet kurioje vietoje, matavimus.

Tam tikros nerepetityvinės programos, tokios kaip atvirkštinė inžinerija, greitas prototipų kūrimas ir didelio masto įvairaus dydžio dalių patikrinimas, yra idealiai tinkamos nešiojamoms CMM. Nešiojamų CMM pranašumai yra daugialypiai. Vartotojai gali lanksčiai atlikti visų rūšių dalių 3D matavimus ir pačiose atokiausiose/sunkiausiose vietose. Juos lengva naudoti ir jiems nereikia kontroliuojamos aplinkos, kad būtų galima tiksliai išmatuoti. Be to, nešiojami CMM paprastai kainuoja mažiau nei tradiciniai CMM.

Norint nešiojamųjų CMMS kompromisai yra rankiniai veikimas (jiems visada reikia žmogaus, kuris juos naudoja). Be to, bendras jų tikslumas gali būti šiek tiek tikslesnis nei tilto tipo CMM ir yra mažiau tinkamas kai kurioms programoms.

Multisensor matavimo mašinos

Tradicinė CMM technologija, naudojant jutiklinius zondus, dažnai dažnai derinami su kita matavimo technologija. Tai apima lazerio, vaizdo ar baltos šviesos jutiklius, kurie pateikia tai, kas vadinama daugialypiu matavimu.