Hva er koordinatmålemaskin?

ENkoordinatmålemaskin(CMM) er en enhet som måler geometrien til fysiske objekter ved å registrere diskrete punkter på overflaten av objektet med en sonde.Ulike typer sonder brukes i CMM-er, inkludert mekanisk, optisk, laser og hvitt lys.Avhengig av maskinen kan sondeposisjonen styres manuelt av en operatør eller den kan være datamaskinstyrt.CMM-er spesifiserer vanligvis en sondes posisjon i form av dens forskyvning fra en referanseposisjon i et tredimensjonalt kartesisk koordinatsystem (dvs. med XYZ-akser).I tillegg til å flytte sonden langs X-, Y- og Z-aksene, lar mange maskiner også sondevinkelen kontrolleres for å tillate måling av overflater som ellers ville vært utilgjengelige.

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

En vanlig bruk av CMM-er er i produksjons- og monteringsprosesser for å teste en del eller sammenstilling mot designhensikten.I slike applikasjoner genereres punktskyer som analyseres via regresjonsalgoritmer for konstruksjon av funksjoner.Disse punktene samles inn ved å bruke en sonde som plasseres manuelt av en operatør eller automatisk via Direct Computer Control (DCC).DCC CMM-er kan programmeres til å gjentatte ganger måle identiske deler;dermed er en automatisert CMM en spesialisert form for industrirobot.

Deler

Koordinatmålemaskiner inkluderer tre hovedkomponenter:

• Hovedstrukturen som inkluderer tre bevegelsesakser.Materialet som er brukt til å konstruere den bevegelige rammen har variert gjennom årene.Granitt og stål ble brukt i de tidlige CMM-ene.I dag bygger alle de store CMM-produsentene rammer av aluminiumslegering eller et eller annet derivat, og bruker også keramikk for å øke stivheten til Z-aksen for skanneapplikasjoner.Få CMM-byggere produserer i dag fortsatt granittramme CMM på grunn av markedets krav om forbedret metrologidynamikk og økende trend med å installere CMM utenfor kvalitetslaboratoriet.Vanligvis er det bare lavvolum CMM-byggere og innenlandske produsenter i Kina og India som fortsatt produserer granitt CMM på grunn av lavteknologisk tilnærming og enkel tilgang til å bli en CMM-rammebygger.Den økende trenden mot skanning krever også at CMM Z-aksen er stivere og nye materialer har 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 til koordinatmålemaskiner er typisk gitt som en usikkerhetsfaktor som en funksjon over avstand.For en CMM som bruker en berøringsprobe, gjelder dette probens repeterbarhet og nøyaktigheten til de lineære skalaene.Typisk probe repeterbarhet kan resultere i målinger på innenfor 0,001 mm eller 0,00005 tomme (en halv tiendedel) over hele målevolumet.For 3-, 3+2- og 5-akse maskiner kalibreres prober rutinemessig ved bruk av sporbare standarder og maskinbevegelsen verifiseres ved hjelp av målere 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 deres militære produkter, selv om denne maskinen bare hadde 2 akser.De første 3-akse modellene begynte å dukke opp på 1960-tallet (DEA of Italy) og datakontroll debuterte på begynnelsen av 1970-tallet, men den første fungerende CMM ble utviklet og satt i salg av Browne & Sharpe i Melbourne, England.(Leitz Tyskland produserte deretter en fast maskinstruktur med bevegelig bord.

I moderne maskiner har overbygningen av portaltypen to ben og kalles ofte en bro.Denne beveger seg fritt langs granittbordet med ett ben (ofte referert til som innerbenet) etter en styreskinne 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 bevegelse.I disse tvinges trykkluft gjennom en rekke svært små hull i en flat lagerflate for å gi en jevn, men kontrollert luftpute som CMM kan bevege seg på på en nesten friksjonsfri måte som kan kompenseres for gjennom programvare.Bevegelsen av broen eller portalen langs granittbordet danner én akse av XY-planet.Broen til portalen inneholder en vogn som krysser mellom de innvendige og utvendige bena og danner den andre X- eller Y-horisontale aksen.Den tredje bevegelsesaksen (Z-aksen) tilveiebringes ved tillegg av en vertikal pinne eller spindel som beveger seg opp og ned gjennom midten av vognen.Berøringssonden danner føleenheten på enden av fjærpennen.Bevegelsen til X-, Y- og Z-aksene beskriver fullt ut måleomhyllingen.Valgfrie roterende bord kan brukes for å forbedre tilgjengeligheten av målesonden til kompliserte arbeidsstykker.Rotasjonsbordet som en fjerde drivakse forbedrer ikke måledimensjonene, som forblir 3D, men det gir en viss grad av fleksibilitet.Noen berøringsprober er selv drevne roterende enheter med sondespissen i stand til å svinge 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 på armen for å beregne posisjonen til pekepennspissen, og kan utstyres med prober for laserskanning og optisk avbildning.Slike arm-CMM-er brukes ofte der deres portabilitet er en fordel i forhold til tradisjonelle CMM-er med fast seng - ved å lagre målte steder lar programmeringsprogramvare også flytte selve målearmen og dens målevolum rundt delen som skal måles under en målerutine.Fordi CMM-armer imiterer fleksibiliteten til en menneskearm, er de også ofte i stand til å nå innsiden av komplekse deler som ikke kunne sonderes med en standard treakset maskin.

Mekanisk sonde

I de tidlige dagene med koordinatmåling (CMM) ble mekaniske prober montert i en spesiell holder på enden av fjærpennen.En veldig vanlig sonde ble laget ved å lodde en hard ball til enden av en aksel.Dette var ideelt for å måle en hel rekke flate, sylindriske eller sfæriske overflater.Andre sonder ble malt til spesifikke former, for eksempel en kvadrant, for å muliggjøre måling av spesielle egenskaper.Disse sondene ble fysisk holdt mot arbeidsstykket med posisjonen i rommet lest fra en 3-akset digital avlesning (DRO) eller, i mer avanserte systemer, logget inn i en datamaskin ved hjelp av en fotbryter eller lignende enhet.Målinger tatt med denne kontaktmetoden var ofte upålitelige da maskinene ble flyttet for hånd og hver maskinoperatør brukte forskjellige mengder trykk på sonden eller tok i bruk forskjellige teknikker for målingen.

En videreutvikling var tillegg av motorer for å drive hver akse.Operatører trengte ikke lenger å røre maskinen fysisk, men kunne kjøre hver akse ved hjelp av en håndboks med joysticker på omtrent samme måte som med moderne fjernstyrte biler.Målenøyaktighet og presisjon ble dramatisk forbedret med oppfinnelsen av den elektroniske berøringsutløserproben.Pioneren for denne nye sonden var David McMurtry som senere dannet det som nå er Renishaw plc.Selv om det fortsatt var en kontaktenhet, hadde sonden en fjærbelastet stålkule (senere rubinkule) penn.Da sonden berørte overflaten av komponenten, bøyde pennen seg og sendte samtidig X,Y,Z-koordinatinformasjonen til datamaskinen.Målefeil forårsaket av individuelle operatører ble færre, og scenen var satt for innføring av CNC-operasjoner og voksende CMM-er.

Optiske sonder er linse-CCD-systemer, som beveges som de mekaniske, og er rettet mot punktet av interesse, i stedet for å berøre materialet.Det fangede bildet av overflaten vil være innelukket i kantene til et målevindu, inntil resten er tilstrekkelig til å kontrastere mellom svarte og hvite soner.Delingskurven kan beregnes til et punkt, som er det ønskede målepunktet i rommet.Den horisontale informasjonen på CCD er 2D (XY) og den vertikale posisjonen er posisjonen til hele sonderingssystemet på stativets Z-stasjon (eller annen enhetskomponent).

Skanning av sondesystemer

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

Den neste generasjonen skanning, kjent som kontaktfri skanning, som inkluderer høyhastighetslaser ettpunktstriangulering, laserlinjeskanning og skanning med hvitt lys, går veldig raskt fremover.Denne metoden bruker enten laserstråler eller hvitt lys som projiseres mot overflaten av delen.Mange tusen punkter kan deretter tas og brukes ikke bare til å sjekke størrelse og posisjon, men også til å lage et 3D-bilde av delen.Disse "punktsky-dataene" 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 utvikling.

Mikrometrologiske sonder

Sondesystemer for mikroskala metrologiapplikasjoner er et annet fremvoksende område.Det finnes flere kommersielt tilgjengelige koordinatmålemaskiner (CMM) som har en mikrosonde integrert i systemet, flere spesialsystemer ved offentlige laboratorier og et hvilket som helst antall universitetsbygde metrologiplattformer for mikroskala metrologi.Selv om disse maskinene er gode og i mange tilfeller utmerkede metrologiplattformer med nanometriske skalaer, er deres primære begrensning en pålitelig, robust, kapabel mikro/nano-sonde.^{[kilde trengs]}Utfordringer for mikroskala sonderingsteknologier inkluderer behovet for en probe 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).^{[kilde trengs]}I tillegg er mikroskalaprober følsomme for miljøforhold som fuktighet og overflateinteraksjoner som stikking (forårsaket av blant annet adhesjon, menisk og/eller Van der Waals-krefter).^{[kilde trengs]}

Teknologier for å oppnå mikroskalasondering inkluderer blant annet nedskalert versjon av klassiske CMM-sonder, optiske sonder og en stående bølgesonde.Nåværende optiske teknologier kan imidlertid ikke skaleres liten nok til å måle dype, smale funksjoner, og den optiske oppløsningen er begrenset av lysets bølgelengde.Røntgenbilde gir et bilde av funksjonen, men ingen sporbar metrologiinformasjon.

Fysiske prinsipper

Optiske prober og/eller laserprober kan brukes (hvis mulig i kombinasjon), som endrer CMM-er til målemikroskoper eller multisensor-målemaskiner.Frynseprojeksjonssystemer, teodolitttrianguleringssystemer eller laserdistanse- og trianguleringssystemer 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-drivkomponenten).Dette kan bruke en interferometrisk funksjon, fokusvariasjon, lysavbøyning eller et stråleskyggeprinsipp.

Bærbare koordinatmålemaskiner

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 leddede armer eller, i tilfellet med optiske CMM-er, armfrie skanningssystemer som bruker optiske trianguleringsmetoder og muliggjør total bevegelsesfrihet rundt objektet.

Bærbare CMM-er med leddarmer har seks eller syv akser som er utstyrt med roterende koder, 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 industrien.Designet med kompakte lineære eller matrise-kameraer (som Microsoft Kinect), er optiske CMM-er mindre enn bærbare CMM-er med armer, har ingen ledninger og lar brukere enkelt ta 3D-målinger av alle typer objekter som befinner seg nesten hvor som helst.

Visse ikke-repetitive applikasjoner som omvendt utvikling, rask prototyping og storskala inspeksjon av deler i alle størrelser er ideelt egnet for bærbare CMM-er.Fordelene med bærbare CMM-er er mange.Brukere har fleksibiliteten til å ta 3D-målinger av alle typer deler og på de mest avsidesliggende/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 til bærbare CMM-er er manuell betjening (de krever alltid et menneske for å bruke dem).I tillegg kan deres totale nøyaktighet være noe mindre nøyaktig enn for en brotype CMM og er mindre egnet for noen bruksområder.

Multisensor-målemaskiner

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