Hva er koordinatmålingsmaskin?

ENKoordinere målemaskin(CMM) er en enhet som måler geometrien til fysiske objekter ved å føle diskrete punkter på overflaten av objektet med en sonde. Ulike typer sonder brukes i CMM -er, inkludert mekaniske, optiske, laser og hvite lys. Avhengig av maskinen, kan sondeposisjonen styres manuelt av en operatør, eller den kan være datastyrt. CMM-er spesifiserer typisk en sondes posisjon når det gjelder forskyvning fra en referanseposisjon i et tredimensjonalt kartesisk koordinatsystem (dvs. med XYZ-akser). I tillegg til å bevege sonden langs x-, y- og z -aksene, lar mange maskiner også sondevinkelen kontrolleres for å tillate måling av overflater som ellers ville være utilgjengelige.

Den typiske 3D “broen” CMM tillater sondebevegelse langs tre akser, X, Y og Z, som er ortogonale for hverandre i et tredimensjonalt kartesisk koordinatsystem. Hver akse har en sensor som overvåker sondenes plassering på den aksen, typisk med mikrometerpresisjon. Når sonden kontakter (eller på annen måte oppdager) et bestemt sted på objektet, prøver maskinen de tre posisjonssensorene, og måler dermed plasseringen av ett punkt på objektets overflate, så vel som den 3-dimensjonale vektoren til målingen som er tatt. Denne prosessen gjentas som nødvendig, og flytter sonden hver gang for å produsere en "punktsky" som beskriver overflateområdene av interesse.

En vanlig bruk av CMMS er i produksjons- og monteringsprosesser for å teste en del eller montering mot designintensjonen. I slike applikasjoner genereres punktskyer som blir analysert via regresjonsalgoritmer for konstruksjon av funksjoner. Disse punktene blir samlet inn ved å bruke en sonde som er plassert manuelt av en operatør eller automatisk via direkte datamaskinkontroll (DCC). DCC CMMer kan programmeres for å gjentatte ganger måle identiske deler; Dermed er en automatisert CMM en spesialisert form for industriell robot.

Deler

Koordinatmålingsmaskiner inkluderer tre hovedkomponenter:

• Hovedstrukturen som inkluderer tre bevegelsesakser. Materialet som ble brukt til å konstruere den bevegelige rammen har variert med årene. Granitt og stål ble brukt i de tidlige CMM -ene. I dag bygger alle de viktigste CMM -produsentene rammer fra aluminiumslegering eller noe derivat og bruker også keramikk for å øke stivheten til Z -aksen for skanning av applikasjoner. Få CMM -utbyggere i dag produserer fortsatt granittramme CMM på grunn av markedskrav for forbedret metrologidynamikk og øker trenden for å installere CMM utenfor kvalitetslaboratoriet. Vanligvis produserer bare CMM -byggherrer og innenlandske produsenter i Kina, og India fortsatt granitt CMM på grunn av lav teknologitilnærming og enkel inngang for å bli en CMM -rammebygger. Den økende trenden mot skanning krever også at CMM Z -aksen er stivere og nye materialer er blitt introdusert som keramikk og silisiumkarbid.
• Sonderingssystem
• Datainnsamling og reduksjonssystem - inkluderer vanligvis en maskinkontroller, stasjonær datamaskin og applikasjonsprogramvare.

Tilgjengelighet

Disse maskinene kan være frittstående, håndholdte og bærbare.

Nøyaktighet

Nøyaktigheten av koordinatmålingsmaskiner er vanligvis gitt som en usikkerhetsfaktor som en funksjon over avstand. For en CMM som bruker en berøringssonde, er dette relatert til repeterbarheten til sonden og nøyaktigheten til de lineære skalaene. Typisk sonde repeterbarhet kan resultere i målinger av innen 0,001 mm eller 0,00005 tommer (en halv tidel) over hele målevolumet. For 3, 3+2 og 5 aksemaskiner blir sonder rutinemessig kalibrert ved hjelp av sporbare standarder, og maskinbevegelsen blir bekreftet ved hjelp av måler for å sikre nøyaktighet.

Spesifikke deler

Maskinkropp

Den første CMM ble utviklet av Ferranti Company of Scotland på 1950 -tallet som et resultat av et direkte behov for å måle presisjonskomponenter i sine militære produkter, selv om denne maskinen bare hadde 2 akser. De første 3-aksemodellene begynte å vises på 1960-tallet (DEA of Italy) og Computer Control debuterte på begynnelsen av 1970-tallet, men den første fungerende CMM ble utviklet og satt ut i salg av Browne & Sharpe i Melbourne, England. (Leitz Tyskland produserte deretter en fast maskinstruktur med bevegelige bord.

I moderne maskiner har overbygget av Gantry-typen to ben og kalles ofte en bro. Dette beveger seg fritt langs granittbordet med det ene benet (ofte referert til som innsiden av benet) etter en føringsskinne festet til den ene siden av granittbordet. Det motsatte benet (ofte utenfor benet) hviler ganske enkelt på granittbordet etter den vertikale overflatekonturen. Luftlagre er den valgte metoden for å sikre friksjonsfri reise. I disse tvinges trykkluft gjennom en serie veldig små hull i en flat lageroverflate for å gi en jevn, men kontrollert luftpute som CMM kan bevege seg på en nær friksjonsfri måte som kan kompenseres for gjennom programvare. Bevegelsen av broen eller portalen langs granittbordet danner en akse av XY -planet. Broen til ganteriet inneholder en vogn som krysser mellom og utvendige ben og danner den andre X- eller Y -horisontale aksen. Den tredje bevegelsesaksen (z -aksen) er gitt ved tilsetning av en vertikal kvill eller spindel som beveger seg opp og ned gjennom midten av vognen. Berøringssonden danner sensoranordningen på enden av fôret. Bevegelsen av x-, y- og z -aksene beskriver fullt ut målekonvolutten. Valgfrie roterende tabeller kan brukes til å forbedre målesonenes tilnærming til kompliserte arbeidsstykker. Rotasjonsbordet som en fjerde drivakse forbedrer ikke måle dimensjonene, som forblir 3D, men det gir en grad av fleksibilitet. Noen berøringsprober er i seg selv drevet roterende enheter med sondespissen som kan svinges vertikalt gjennom mer enn 180 grader og gjennom en full 360 graders rotasjon.

CMM -er er nå også tilgjengelig i en rekke andre former. Disse inkluderer CMM -armer som bruker vinkelmålinger tatt ved leddene i armen for å beregne plasseringen av stylusspissen, og kan utstyres med sonder for laserskanning og optisk avbildning. Slike ARM-CMM-er brukes ofte der portabiliteten deres er en fordel i forhold til CMM-er med fast seng- ved å lagre målte steder, tillater programmeringsprogramvare også å flytte selve målearmen, og dets målevolum, rundt den delen som skal måles under en målerutine. Fordi CMM -armer etterligner fleksibiliteten til en menneskelig arm, er de ofte i stand til å nå innsiden av komplekse deler som ikke kan undersøkes ved hjelp av en standard tre -aksemaskin.

Mekanisk sonde

I de tidlige dagene av koordinatmåling (CMM) ble mekaniske sonder montert i en spesiell holder på enden av flyten. En veldig vanlig sonde ble laget ved å lodde en hard ball til enden av en aksel. Dette var ideelt for å måle et helt utvalg av flatt ansikt, sylindriske eller sfæriske overflater. Andre sonder ble malt til spesifikke former, for eksempel en kvadrant, for å muliggjøre måling av spesielle funksjoner. Disse sonderne ble fysisk holdt mot arbeidsstykket med posisjonen i verdensrommet som ble lest fra en 3-akset digital avlesning (DRO) eller, i mer avanserte systemer, som ble logget inn på en datamaskin ved hjelp av en fotbryter eller lignende enhet. Målinger tatt av denne kontaktmetoden var ofte upålitelige da maskiner ble flyttet for hånd og hver maskinoperatør påførte forskjellige mengder trykk på sonden eller vedtatt forskjellige teknikker for måling.

En videre utvikling var tilsetning av motorer for å kjøre hver akse. Operatører måtte ikke lenger berøre maskinen fysisk, men kunne kjøre hver akse ved hjelp av en håndboks med joysticks på omtrent samme måte som med moderne fjernstyrte biler. Målingsnøyaktigheten og presisjonen forbedret seg dramatisk med oppfinnelsen av den elektroniske berøringsutløsersongen. Pioneren for denne nye sondeenheten var David McMurtry som deretter dannet det som nå er Renishaw plc. Selv om den fremdeles var en kontaktenhet, hadde sonden en fjærbelastet stålkule (senere Ruby Ball) pekepenn. Da sonden berørte overflaten på komponenten, ble stylusen avledet og sendte samtidig X, Y, Z -koordinatinformasjonen til datamaskinen. Målefeil forårsaket av individuelle operatører ble færre og scenen ble satt for innføring av CNC -operasjoner og CMMS -alderen.

Optiske sonder er linse-CCD-systemer, som flyttes som de mekaniske, og er rettet mot interessen, i stedet for å berøre materialet. Det fangede bildet av overflaten vil være innelukket i grensene til et målevindu, til resten er tilstrekkelig til å kontrast mellom svart og hvitt soner. Delingskurven kan beregnes til et punkt, som er ettertraktet målepunkt i rommet. Den horisontale informasjonen på CCD er 2D (XY) og den vertikale posisjonen er plasseringen av det komplette sonderingssystemet på stativet Z-Drive (eller annen enhetskomponent).

Skannende sondesystemer

Det er nyere modeller som har sonder som drar langs overflaten av delen som tar punkter med spesifiserte intervaller, kjent som skanningsprober. Denne metoden for CMM-inspeksjon er ofte mer nøyaktig enn den konvensjonelle berøringsformede metoden og de fleste ganger raskere også.

Den neste generasjonen av skanning, kjent som ikke -kontaktskanning, som inkluderer høyhastighetslaser -enkeltpunkt -triangulering, laserlinjeskanning og hvit lysskanning, går veldig raskt videre. Denne metoden bruker enten laserstråler eller hvitt lys som er projisert mot overflaten av delen. Mange tusen poeng kan deretter tas og brukes ikke bare til å sjekke størrelse og posisjon, men for å lage et 3D -bilde av delen også. Denne "punkt-sky-data" kan deretter overføres til CAD-programvare for å lage en fungerende 3D-modell av delen. Disse optiske skannerne brukes ofte på myke eller delikate deler eller for å lette omvendt prosjektering.

Mikrometrologiske sonder

Probing -systemer for mikroskala metrologiske applikasjoner er et annet fremvoksende område. Det er flere kommersielt tilgjengelige koordinatmålingsmaskiner (CMM) som har en mikroprobe integrert i systemet, flere spesialitetssystemer på regjeringslaboratorier, og et hvilket som helst antall universitetsbygde metrologiske plattformer for mikroskala-metrologi. Selv om disse maskinene er gode og i mange tilfeller utmerkede metrologiske plattformer med nanometriske skalaer, er deres primære begrensning en pålitelig, robust, dyktig mikro/nano -sonde.^{[sitering nødvendig]}Utfordringer for mikroskala sonderingsteknologier inkluderer behovet for et sonde med høyt aspektforhold som gir muligheten til å få tilgang til dype, smale funksjoner med lave kontaktkrefter for ikke å skade overflaten og høy presisjon (nanometernivå).^{[sitering nødvendig]}I tillegg er mikroskala -sonder utsatt for miljøforhold som fuktighet og overflateinteraksjoner som stiksjon (forårsaket av vedheft, menisk og/eller van der Waals -krefter blant andre).^{[sitering nødvendig]}

Teknologier for å oppnå mikroskala -sondering inkluderer nedskalert versjon av klassiske CMM -sonder, optiske sonder og en stående bølgesonde blant andre. Imidlertid kan nåværende optiske teknologier ikke skaleres små nok til å måle dyp, smal funksjon, og optisk oppløsning er begrenset av bølgelengden til lys. Røntgenbilde gir et bilde av funksjonen, men ingen sporbar metrologiinformasjon.

Fysiske prinsipper

Optiske sonder og/eller laserprober kan brukes (hvis mulig i kombinasjon), som endrer CMM-er til måling av mikroskop eller multisensor målemaskiner. Fringe Projection Systems, Theodolite Triangulation Systems eller Laser Distant og Triangulation Systems kalles ikke målemaskiner, men måleresultatet er det samme: et rompunkt. Laserprober brukes til å oppdage avstanden mellom overflaten og referansepunktet på enden av den kinematiske kjeden (dvs. enden av Z-drive-komponenten). Dette kan bruke en interferometrisk funksjon, fokusvariasjon, lysavbøyning eller et stråleskyggeprinsipp.

Bærbare koordinatmålingsmaskiner

Mens tradisjonelle CMM-er bruker en sonde som beveger seg på tre kartesiske akser for å måle et objekts fysiske egenskaper, bruker bærbare CMM-er enten artikulerte armer eller, i tilfelle av optiske CMM-er, armfrie skanningssystemer som bruker optiske trianguleringsmetoder og muliggjør total bevegelsesfrihet rundt objektet.

Bærbare CMM -er med artikulerte armer har seks eller syv akser som er utstyrt med roterende kodere, i stedet for lineære akser. Bærbare armer er lette (vanligvis mindre enn 20 pund) og kan bæres og brukes nesten hvor som helst. Imidlertid brukes optiske CMM -er i økende grad i bransjen. Optiske CMM -er er designet med kompakte lineære eller matrise -array -kameraer (som Microsoft Kinect), og er mindre enn bærbare CMM -er med armer, har ingen ledninger, og gjør det mulig for brukere å enkelt ta 3D -målinger av alle typer objekter som ligger nesten hvor som helst.

Enkelte ikke-repeterende applikasjoner som omvendt engineering, rask prototyping og storstilt inspeksjon av deler av alle størrelser er ideelt egnet for bærbare CMM-er. Fordelene med bærbare CMM -er er multifold. Brukere har fleksibiliteten i å ta 3D -målinger av alle typer deler og på de mest eksterne/vanskelige stedene. De er enkle å bruke og krever ikke et kontrollert miljø for å ta nøyaktige målinger. Dessuten har bærbare CMM -er en tendens til å koste mindre enn tradisjonelle CMM -er.

De iboende avveiningene av bærbare CMM-er er manuell drift (de krever alltid et menneske for å bruke dem). I tillegg kan deres generelle nøyaktighet være noe mindre nøyaktig enn for en brotype CMM og er mindre egnet for noen applikasjoner.

Multisensormålingsmaskiner

Tradisjonell CMM -teknologi ved bruk av berøringsprober er i dag ofte kombinert med annen måleteknologi. Dette inkluderer laser-, video- eller hvite lys sensorer for å gi det som er kjent som multisensormåling.