Що таке координатна вимірювальна машина?

Координація вимірювальної машини(CMM) - це пристрій, який вимірює геометрію фізичних об'єктів, відчуваючи дискретні точки на поверхні об'єкта зондом. У CMM використовуються різні типи зондів, включаючи механічне, оптичне, лазерне та біле світло. Залежно від машини, положення зонда може керувати вручну оператором, або він може керувати комп'ютером. CMM, як правило, вказує положення зонда з точки зору його переміщення з опорного положення в тривимірній декартичній системі координат (тобто з осями XYZ). На додаток до переміщення зонда вздовж осей x, y та z, багато машин також дозволяють контролювати кут зонда, щоб дозволити вимірювання поверхонь, які в іншому випадку були б недоступними.

Типовий 3D-"міст" CMM дозволяє рухати зонд вздовж трьох осей, x, y і z, які є ортогональними один до одного в тривимірній декартинній системі координат. Кожна вісь має датчик, який контролює положення зонда на цій осі, як правило, з точністю мікрометра. Коли зонд контактує (або в іншому випадку виявляє) певне місце на об'єкті, машина вибирає три датчики положення, тим самим вимірюючи розташування однієї точки на поверхні об'єкта, а також тривимірний вектор вимірювання. Цей процес повторюється за необхідності, щоразу переміщуючи зонд, щоб створити "точкову хмару", яка описує області поверхні.

Поширене використання CMM є у виробничих та складаннях процесів для перевірки частини або складання проти наміру проектування. У таких програмах генеруються точкові хмари, які аналізуються за допомогою алгоритмів регресії для побудови функцій. Ці точки збираються за допомогою зонда, який розміщується вручну оператором або автоматично за допомогою прямого управління комп'ютером (DCC). DCC CMM можна запрограмувати для повторного вимірювання однакових частин; Таким чином, автоматизований CMM - це спеціалізована форма промислового робота.

Частини

Машини для координат включають три основні компоненти:

• Основна структура, яка включає три осей руху. Матеріал, що використовується для побудови рухомого кадру, змінювався роками. Граніт та сталь використовувались на ранніх CMM. Сьогодні всі основні виробники CMM будують рамки з алюмінієвого сплаву або деяких похідних, а також використовують кераміку для збільшення жорсткості осі Z для сканування застосувань. Мало хто з будівельників CMM досі виготовляє гранітний кадр CMM через потребу на ринку для вдосконаленої динаміки метрології та збільшення тенденції до встановлення CMM поза лабораторією якості. Зазвичай лише низькі обсяги будівельників CMM та вітчизняних виробників у Китаї та Індії все ще виробляють граніт CMM завдяки низькому технологічному підходу та легкому входу, щоб стати конструктором кадрів CMM. Зростаюча тенденція до сканування також вимагає більш жорсткої осі CMM Z та введення нових матеріалів, таких як керамічний та кремній карбід.
• Система зондування
• Система збору та відновлення даних - зазвичай включає контролер машини, настільне комп'ютерне програмне забезпечення та програмне забезпечення.

Наявність

Ці машини можуть бути вільними, портативними та портативними.

Точність

Точність вимірювальних машин координат, як правило, задається як коефіцієнт невизначеності як функція на відстань. Для CMM, що використовує сенсорний зонд, це стосується повторюваності зонда та точності лінійних шкал. Типова повторюваність зонда може призвести до вимірювання в межах 0,001 мм або .0055 дюйма (половина десятої) протягом усього обсягу вимірювань. Для 3, 3+2 та 5 осі машини зонди регулярно калібруються за допомогою відстежуваних стандартів, а рух машини перевіряється за допомогою датчиків для забезпечення точності.

Конкретні частини

Машинний корпус

Перший CMM був розроблений компанією Ферранті Шотландії в 1950 -х роках в результаті прямої потреби вимірювати точні компоненти у своїх військових продуктах, хоча ця машина мала лише 2 осей. Перші 3-осі моделі почали з'являтися в 1960-х (DEA з Італії) та комп'ютерного контролю на початку 1970-х, але перший робочий CMM був розроблений та проданий Browne & Sharpe в Мельбурні, Англія. (Згодом Лейц Німеччина створила фіксовану структуру машини з рухомою таблицею.

У сучасних машинах надбудова типу козла має дві ноги і часто її називають мостом. Це вільно рухається по гранітному столу з однією ногою (часто його називають внутрішньою ногою) за направляючою рейкою, прикріпленою до однієї сторони гранітного столу. Протилежна нога (часто зовнішня нога) просто спирається на гранітну таблицю після контуру вертикальної поверхні. Повітряні підшипники - це обраний метод забезпечення вільних подорожей тертя. У них стиснене повітря вимушено через ряд дуже маленьких отворів на плоскій поверхні підшипника, щоб забезпечити плавну, але контрольовану повітряну подушку, на якій CMM може рухатися майже без тертя, який можна компенсувати через програмне забезпечення. Рух мосту або козла вздовж гранітного столу утворює одну вісь площини XY. Міст козлу містить вагон, який проходить між внутрішніми і зовнішніми ногами і утворює іншу горизонтальну вісь x або y. Третя вісь руху (Z Axis) забезпечується додаванням вертикальної квіти або шпинделя, що рухається вгору і вниз по центру вагона. Сенсорний зонд утворює зондувальний пристрій на кінці квіту. Рух осей x, y і z повністю описує вимірювальну конверт. Необов’язкові обертові таблиці можуть бути використані для підвищення доступності вимірювального зонда до складних розрядів. Ротаційна таблиця як четверта вісь приводу не підвищує вимірювальні розміри, які залишаються 3D, але вона забезпечує певну гнучкість. Деякі сенсорні зонди самі по собі є поворотними пристроями з наконечником зонда, здатним поворотись вертикально через понад 180 градусів і через повне обертання на 360 градусів.

Зараз CMM також доступні в різних інших формах. До них належать кронштейн CMM, які використовують кутові вимірювання, проведені на суглобах руки для обчислення положення наконечника стилуса, і можуть бути оснащені зондами для лазерного сканування та оптичної візуалізації. Такі руки CMM часто використовуються там, де їх портативність є перевагою перед традиційним фіксованим ліжком CMMS- зберігаючи вимірювані місця, програмне забезпечення для програмування також дозволяє переміщувати саму вимірювальну руку та об'єм її вимірювання навколо деталі під час вимірювальної процедури. Оскільки зброї CMM імітують гнучкість людської руки, вони також часто здатні досягти нутрощів складних частин, які не можна було дослідити, використовуючи стандартну машину трьох осі.

Механічний зонд

У перші дні вимірювання координат (CMM) механічні зонди були встановлені в спеціальний власник на кінці квіту. Дуже поширений зонд був зроблений паяром жорсткого м'яча до кінця валу. Це було ідеально для вимірювання цілого діапазону плоских обличчя, циліндричних або сферичних поверхонь. Інші зонди були заземлені до конкретних форм, наприклад, квадранта, щоб забезпечити вимірювання спеціальних ознак. Ці зонди фізично трималися проти заготовки з позицією в космосі, що читається з 3-осі цифрового зчитування (DRO) або, в більш досконалих системах, що входили в комп'ютер за допомогою зйомки або подібного пристрою. Вимірювання, проведені цим методом контакту, часто були недостовірними, оскільки машини переміщувались вручну, і кожен машинний оператор застосовував різну кількість тиску на зонд або прийняв різні методи вимірювання.

Подальшим розвитком було додавання двигунів для руху кожної осі. Операторам більше не доводилося фізично торкнутися машини, але могли керувати кожною вісь, використовуючи рукоятку з джойстиками приблизно так само, як і сучасні автомобілі з дистанційним керуванням. Точність вимірювання та точність різко покращилися за допомогою винаходу зонду електронного дотику. Піонер цього нового зондового пристрою був Девід МакМуртрі, який згодом сформував те, що зараз є Renishaw Plc. Хоча все ще є контактний пристрій, зонд мав сталеву кулю з пружиною (пізніше рубінова куля) стилус. Коли зонд торкнувся поверхні компонента, стилус відхилив і одночасно надіслав інформацію про координат x, y, z. Помилки вимірювань, спричинені окремими операторами, стали меншими, а стадія була встановлена ​​для впровадження операцій з ЧПУ та на початку CMM.

Оптичні зонди-це системи лінз-CCD, які переміщуються як механічні, і спрямовані на цікавий момент, а не торкаються матеріалу. Захоплене зображення поверхні буде укладено в кордонах вимірювального вікна, поки залишок не стане адекватним для контрасту між чорними та білими зонами. Криву ділення можна обчислити до точки, яка є розшуканою точкою вимірювання в просторі. Горизонтальна інформація про CCD-2D (XY), а вертикальне положення-це положення повної системи зондування на стенді Z-Drive (або іншому компоненті пристрою).

Сканування зондних систем

Є новіші моделі, які мають зонди, які тягнуться по поверхні частини, що приймають точки через зазначені інтервали, відомі як скануючі зонди. Цей метод перевірки CMM часто є більш точним, ніж звичайний метод сенсорного-проробника, і в більшості разів швидше.

Наступне покоління сканування, відоме як неконтактне сканування, яке включає високошвидкісну лазерну одиночну точкову триангуляцію, сканування лазерної лінії та сканування білого світла, просувається дуже швидко. Цей метод використовує або лазерні промені, або біле світло, які проектуються на поверхні частини. Потім можна взяти багато тисяч балів і використовувати не лише для перевірки розміру та положення, але і для створення 3D -зображення деталі. Потім ці "точкові дані" можуть бути перенесені на програмне забезпечення CAD для створення робочої 3D-моделі деталі. Ці оптичні сканери часто використовуються на м'яких або делікатних деталях або для полегшення зворотної інженерії.

Зонди мікрометрології

Системи зондування для застосувань метрології мікромасштабу - ще одна нова область. Існує кілька комерційно доступних координатних вимірювальних машин (CMM), які мають мікропроб, інтегрований у систему, кілька спеціалізованих систем у державних лабораторіях та будь-яка кількість метрологічних платформ для метрології мікромасштабу. Хоча ці машини хороші, і в багатьох випадках відмінні метрологічні платформи з нанометричними шкалами, їх основне обмеження є надійним, надійним, здатним мікро/нано -зондом.^{[Потрібне цитування]}Проблеми для технологій зондування мікромасштабу включають необхідність зонду високого співвідношення сторін, що надає можливість доступу до глибоких, вузьких функцій з низькими контактними силами, щоб не пошкодити поверхню та високу точність (рівень нанометра).^{[Потрібне цитування]}Крім того, зонди мікромасштабів сприйнятливі до таких умов навколишнього середовища, як вологість та поверхневі взаємодії, такі як ствердження (викликане адгезією, меніском та/або силами Ван дер Ваальса серед інших).^{[Потрібне цитування]}

Технології для досягнення зондування мікромасштабу включають масштабовану версію класичних зондів CMM, оптичні зонди та стоячий хвильовий зонд серед інших. Однак поточні оптичні технології не можуть бути масштабовані досить малі для вимірювання глибокої, вузької функції, а оптична роздільна здатність обмежена довжиною хвилі світла. Рентгенівська візуалізація надає картину функції, але відсутня простежувана інформація про метрологію.

Фізичні принципи

Оптичні зонди та/або лазерні зонди можуть бути використані (якщо це можливо в комбінації), які змінюють CMM на вимірювання мікроскопів або багатосенсорних вимірювальних машин. Системи проекції Fringe, систем триангуляції теодоліту або лазерні далекі та триангуляційні системи не називаються вимірювальними машинами, але результат вимірювання однаковий: точка простору. Лазерні зонди використовуються для виявлення відстані між поверхнею та опорною точкою на кінці кінематичного ланцюга (тобто: кінець компонента Z-Drive). Це може використовувати інтерферометричну функцію, варіацію фокусування, відхилення світла або принцип затінення променя.

Портативні машини для вимірювання координат

У той час як традиційні CMM використовують зонд, який рухається на трьох декартових осях для вимірювання фізичних характеристик об'єкта, портативні CMM використовують або зчленовані руки, або, у випадку оптичних CMM, систем без рук, які використовують оптичні методи тріангуляції та забезпечують повну свободу руху навколо об'єкта.

Портативні CMM з шарнірними руками мають шість -сім осей, оснащені поворотними кодерами, замість лінійних осей. Портативні руки легкі (як правило, менше 20 кілограмів) і їх можна носити та використовувати майже в будь -якому місці. Однак оптичні CMM все частіше використовуються в галузі. Розроблений з компактними лінійними або матричними камерами (як, наприклад, Microsoft Kinect), оптичні CMM менші, ніж портативні CMM з зброєю, не мають проводів та дозволяють користувачам легко проводити 3D вимірювання всіх типів об'єктів, розташованих майже в будь -якому місці.

Окремі неперервні програми, такі як зворотна інженерія, швидке прототипування та масштабне огляд частин усіх розмірів, ідеально підходить для портативних CMM. Переваги портативних CMM є багаторазовими. Користувачі мають гнучкість у проведенні 3D -вимірювань усіх типів частин та у найбільш віддалених/складних місцях. Вони прості у використанні і не потребують контрольованого середовища для точних вимірювань. Більше того, портативні CMM, як правило, коштують менше, ніж традиційні CMM.

Притаманні компроміси портативних CMM-це ручна операція (вони завжди вимагають, щоб людина їх використовувала). Крім того, їх загальна точність може бути дещо менш точною, ніж у мостового типу CMM і менш підходить для деяких застосувань.

Мультисенсорні вимірювальні машини

Традиційна технологія CMM з використанням сенсорних зондів сьогодні часто поєднується з іншими технологіями вимірювання. Сюди входять датчики лазерного, відео або білого світла, щоб забезпечити те, що відоме як багатосенсорне вимірювання.