Hva er en koordinatmålemaskin?

ENkoordinatmålemaskin(CMM) er en enhet som måler geometrien til fysiske objekter ved å registrere diskrete punkter på overflaten av objektet med en probe. Ulike typer prober brukes i CMM-er, inkludert mekaniske, optiske, laser- og hvitt lys-prober. Avhengig av maskinen kan probeposisjonen styres manuelt av en operatør, eller den kan være datastyrt. CMM-er spesifiserer vanligvis en probes posisjon i form av dens forskyvning fra en referanseposisjon i et tredimensjonalt kartesisk koordinatsystem (dvs. med XYZ-akser). I tillegg til å bevege proben langs X-, Y- og Z-aksene, tillater mange maskiner også at probevinkelen kontrolleres for å tillate måling av overflater som ellers ville være utilgjengelige.

Den typiske 3D-"bro"-CMM-en tillater probebevegelse langs tre akser, X, Y og Z, som er ortogonale i forhold til hverandre i et tredimensjonalt kartesisk koordinatsystem. Hver akse har en sensor som overvåker probens posisjon på den aksen, vanligvis med mikrometerpresisjon. Når proben berører (eller på annen måte oppdager) et bestemt sted på objektet, sampler maskinen de tre posisjonssensorene, og måler dermed plasseringen av ett punkt på objektets overflate, samt den tredimensjonale vektoren til målingen som er tatt. Denne prosessen gjentas etter behov, og proben beveges 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 designintensjonen. I slike applikasjoner genereres punktskyer som analyseres via regresjonsalgoritmer for konstruksjon av funksjoner. Disse punktene samles inn ved hjelp av en probe som plasseres manuelt av en operatør eller automatisk via Direct Computer Control (DCC). DCC CMM-er kan programmeres til å måle identiske deler gjentatte ganger; dermed er en automatisert CMM en spesialisert form for industrirobot.

Deler

Koordinatmålemaskiner inkluderer tre hovedkomponenter:

• Hovedstrukturen, som inkluderer tre bevegelsesakser. Materialet som ble 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 derivat, og bruker også keramikk for å øke stivheten til Z-aksen for skanneapplikasjoner. Få CMM-byggere produserer fortsatt granittramme-CMM i dag på grunn av markedets krav til forbedret metrologidynamikk og en økende trend med å installere CMM utenfor kvalitetslaboratoriet. Vanligvis er det fortsatt bare lavvolum-CMM-byggere og innenlandske produsenter i Kina og India som 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.
• Probesystem
• Datainnsamlings- og reduksjonssystem – inkluderer vanligvis en maskinkontroller, stasjonær datamaskin og applikasjonsprogramvare.

Tilgjengelighet

Disse maskinene kan være frittstående, håndholdte og bærbare.

Nøyaktighet

Nøyaktigheten til koordinatmålemaskiner gis vanligvis som en usikkerhetsfaktor som en funksjon over avstand. For en CMM som bruker en berøringssonde, er dette relatert til sondens repeterbarhet og nøyaktigheten til de lineære skalaene. Typisk sondens repeterbarhet kan resultere i målinger innenfor 0,001 mm eller 0,00005 tommer (en halv tidel) over hele målevolumet. For 3-, 3+2- og 5-aksede maskiner kalibreres sondene rutinemessig ved hjelp av sporbare standarder, og maskinbevegelsen verifiseres ved hjelp av målere for å sikre nøyaktighet.

Spesifikke deler

Maskinkropp

Den første CMM-en ble utviklet av Ferranti Company i Skottland på 1950-tallet som et resultat av et direkte behov for å måle presisjonskomponenter i deres militære produkter, selv om denne maskinen bare hadde to akser. De første 3-aksede modellene begynte å dukke opp på 1960-tallet (DEA i Italia), og datastyring debuterte tidlig på 1970-tallet, men den første fungerende CMM-en ble utviklet og satt i salg av Browne & Sharpe i Melbourne, England. (Leitz Tyskland produserte senere en fast maskinstruktur med bevegelig bord.)

I moderne maskiner har portaltypen overbygning to ben og kalles ofte en bro. Denne beveger seg fritt langs granittbordet med ett ben (ofte referert til som det indre benet) som følger en føringsskinne festet til den ene siden av granittbordet. Det motsatte benet (ofte det ytre benet) hviler ganske enkelt på granittbordet og følger den vertikale overflatekonturen. Luftlagre er den valgte metoden for å sikre friksjonsfri bevegelse. I disse presses trykkluft gjennom en serie svært små hull i en flat lagerflate for å gi en jevn, men kontrollert luftpute som CMM-en kan bevege seg på på en nesten friksjonsfri måte, noe som kan kompenseres for gjennom programvare. Bevegelsen av broen eller portalen langs granittbordet danner en akse i XY-planet. Portalens bro inneholder en vogn som beveger seg mellom de indre og ytre bena og danner den andre horisontale X- eller Y-aksen. Den tredje bevegelsesaksen (Z-aksen) tilveiebringes ved å legge til en vertikal pinol eller spindel som beveger seg opp og ned gjennom midten av vognen. Berøringssonden danner følerenheten på enden av pinolen. Bevegelsen til X-, Y- og Z-aksene beskriver måleområdet fullt ut. Valgfrie roterende bord kan brukes for å forbedre tilgjengeligheten til 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 i seg selv drevne roterende enheter med probespissen som kan svinge vertikalt gjennom mer enn 180 grader og gjennom en full 360-graders rotasjon.

CMM-er er nå også tilgjengelige i en rekke andre former. Disse inkluderer CMM-armer som bruker vinkelmålinger tatt ved armens ledd for å beregne posisjonen til pekepennspissen, og kan utstyres med sonder for laserskanning og optisk avbildning. Slike arm-CMM-er brukes ofte der deres bærbarhet er en fordel i forhold til tradisjonelle CMM-er med fast senge – ved å lagre målte steder, tillater programmeringsprogramvare også å bevege selve målearmen, og dens målevolum, rundt delen som skal måles under en målerutine. Fordi CMM-armer imiterer fleksibiliteten til en menneskelig arm, 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 av koordinatmåling (CMM) ble mekaniske prober montert i en spesiell holder på enden av pinnlen. En veldig vanlig probe ble laget ved å lodde en hard kule til enden av en skaft. Dette var ideelt for å måle en hel rekke flate, sylindriske eller sfæriske overflater. Andre prober ble slipt til spesifikke former, for eksempel en kvadrant, for å muliggjøre måling av spesielle egenskaper. Disse probene ble fysisk holdt mot arbeidsstykket, og posisjonen i rommet ble 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 ettersom maskiner ble beveget for hånd og hver maskinoperatør påførte ulik mengde trykk på proben eller brukte forskjellige teknikker for målingen.

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

Optiske prober er linse-CCD-systemer, som beveges som de mekaniske, og er rettet mot interessepunktet, i stedet for å berøre materialet. Det innfangede bildet av overflaten vil bli omsluttet av grensene til et målevindu, inntil resten er tilstrekkelig til å kontrastere mellom svarte og hvite soner. Delekurven kan beregnes til et punkt, som er det ønskede målepunktet i rommet. Den horisontale informasjonen på CCD-en er 2D (XY), og den vertikale posisjonen er posisjonen til hele probesystemet på stativets Z-stasjon (eller annen enhetskomponent).

Skannende probesystemer

Det finnes nyere modeller som har sonder som drar langs overflaten av delen som tas opp med spesifiserte intervaller, kjent som skannesonder. Denne metoden for CMM-inspeksjon er ofte mer nøyaktig enn den konvensjonelle berøringsprobemetoden, og som oftest også raskere.

Den neste generasjonen av skanning, kjent som kontaktløs skanning, som inkluderer høyhastighetslaser-enkeltpunktstriangulering, laserlinjeskanning og hvitt lys-skanning, utvikler seg svært raskt. 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 kontrollere størrelse og posisjon, men også til å lage et 3D-bilde av delen. Disse «punktskydataene» 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 legge til rette for reverse engineering.

Mikrometrologiprober

Probesystemer for mikroskala-metrologiapplikasjoner er et annet fremvoksende område. Det finnes flere kommersielt tilgjengelige koordinatmålemaskiner (CMM) som har en mikroprobe integrert i systemet, flere spesialsystemer ved offentlige laboratorier, og et stort 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 og kapabel mikro-/nanoprobe.^{[sitat nødvendig]}Utfordringer for mikroskala-probeteknologier 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).^{[sitat nødvendig]}I tillegg er mikroskalaprober utsatt for miljøforhold som fuktighet og overflateinteraksjoner som stiksjon (forårsaket av blant annet adhesjon, menisk og/eller Van der Waals-krefter).^{[sitat nødvendig]}

Teknologier for å oppnå mikroskala-sondering inkluderer blant annet nedskalerte versjoner av klassiske CMM-sonder, optiske sonder og en stående bølgesonde. Nåværende optiske teknologier kan imidlertid ikke skaleres liten nok til å måle dype, smale elementer, og den optiske oppløsningen er begrenset av lysets bølgelengde. Røntgenavbildning gir et bilde av objektet, men ingen sporbar metrologisk informasjon.

Fysiske prinsipper

Optiske prober og/eller laserprober kan brukes (hvis mulig i kombinasjon), som endrer CMM-er til målemikroskop eller multisensor-målemaskiner. Frynseprojeksjonssystemer, teodolitt-trianguleringssystemer eller laseravstands- og trianguleringssystemer kalles ikke målemaskiner, men måleresultatet er det samme: et rompunkt. Laserprober brukes til å detektere 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 stråleskyggingsprinsipp.

Bærbare koordinatmålemaskiner

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

Bærbare CMM-er med armer har seks eller syv akser som er utstyrt med roterende kodere, i stedet for lineære akser. Bærbare armer er lette (vanligvis mindre enn 9 kg) og kan bæres og brukes nesten hvor som helst. Optiske CMM-er blir imidlertid i økende grad brukt i industrien. Optiske CMM-er er designet med kompakte lineære kameraer eller matrisekameraer (som Microsoft Kinect), og 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.

Enkelte ikke-repeterende applikasjoner som reverse engineering, rask prototyping og storskala inspeksjon av deler i alle størrelser er ideelt egnet for bærbare CMM-er. Fordelene med bærbare CMM-er er mangefoldige. 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 ulempene med bærbare CMM-er er manuell drift (de krever alltid et menneske for å bruke dem). I tillegg kan den totale nøyaktigheten være noe mindre nøyaktig enn for en bro-type CMM, og den er mindre egnet for enkelte bruksområder.

Multisensor-målemaskiner

Tradisjonell CMM-teknologi som bruker berøringsprober kombineres i dag ofte med annen måleteknologi. Dette inkluderer laser-, video- eller hvitlyssensorer for å gi det som kalles multisensormåling.