Що таке координатно-вимірювальна машина?

Акоординатно-вимірювальна машина(КВМ) – це пристрій, який вимірює геометрію фізичних об'єктів, зчитуючи дискретні точки на поверхні об'єкта за допомогою зонда. У КВМ використовуються різні типи зондів, включаючи механічні, оптичні, лазерні та світлові. Залежно від машини, положення зонда може контролюватися оператором вручну або за допомогою комп'ютера. КВМ зазвичай визначають положення зонда з точки зору його зміщення від опорного положення в тривимірній декартовій системі координат (тобто за осями XYZ). Окрім переміщення зонда вздовж осей X, Y та Z, багато машин також дозволяють контролювати кут зонда, щоб дозволити вимірювання поверхонь, які інакше були б недоступні.

Типова 3D-«мостова» КВМ дозволяє рух зонда вздовж трьох осей, X, Y та Z, які ортогональні одна до одної в тривимірній декартовій системі координат. Кожна вісь має датчик, який контролює положення зонда на цій осі, зазвичай з мікрометровою точністю. Коли зонд торкається (або іншим чином виявляє) певного місця на об'єкті, машина вибірково визначає три датчики положення, таким чином вимірюючи розташування однієї точки на поверхні об'єкта, а також 3-вимірний вектор виконаного вимірювання. Цей процес повторюється за необхідності, переміщуючи зонд щоразу, щоб створити «хмару точок», яка описує області поверхні, що цікавлять.

КВМ зазвичай використовуються у виробничих та складальних процесах для перевірки деталі або вузла на відповідність проектному задуму. У таких застосуваннях генеруються хмари точок, які аналізуються за допомогою алгоритмів регресії для побудови елементів. Ці точки збираються за допомогою зонда, який позиціонується вручну оператором або автоматично за допомогою прямого комп'ютерного керування (DCC). КВМ DCC можна запрограмувати на багаторазове вимірювання ідентичних деталей; таким чином, автоматизована КВМ є спеціалізованою формою промислового робота.

Запчастини

Координатно-вимірювальні машини складаються з трьох основних компонентів:

• Основна конструкція, яка включає три осі руху. Матеріал, який використовувався для виготовлення рухомої рами, змінювався протягом багатьох років. У ранніх КВМ використовувалися граніт та сталь. Сьогодні всі основні виробники КВМ виготовляють рами з алюмінієвого сплаву або його похідних, а також використовують кераміку для збільшення жорсткості осі Z для сканування. Сьогодні мало хто з виробників КВМ все ще виробляє КВМ з гранітною рамою через вимоги ринку до покращення метрологічної динаміки та зростаючу тенденцію до встановлення КВМ поза лабораторією якості. Зазвичай лише виробники КВМ з невеликими обсягами виробництва та вітчизняні виробники в Китаї та Індії все ще виробляють гранітну КВМ через низький технологічний підхід та легкий вхід для створення рам КВМ. Зростаюча тенденція до сканування також вимагає, щоб вісь Z КВМ була жорсткішою, і були впроваджені нові матеріали, такі як кераміка та карбід кремнію.
• Система зондування
• Система збору та обробки даних — зазвичай включає контролер машини, настільний комп’ютер та прикладне програмне забезпечення.

Наявність

Ці машини можуть бути окремостоячими, ручними та портативними.

Точність

Точність координатно-вимірювальних машин зазвичай задається як коефіцієнт невизначеності, що залежить від відстані. Для КВМ, що використовує контактний зонд, це стосується повторюваності зонда та точності лінійних шкал. Типова повторюваність зонда може призвести до вимірювань у межах 0,001 мм або 0,00005 дюйма (півдесятої частини) по всьому об'єму вимірювання. Для 3-, 3+2 та 5-осьових верстатів зонди регулярно калібруються за допомогою простежуваних стандартів, а рух машини перевіряється за допомогою калібрів для забезпечення точності.

Конкретні частини

Корпус машини

Першу КВМ розробила компанія Ferranti з Шотландії в 1950-х роках в результаті прямої потреби вимірювати прецизійні компоненти у своїй військовій продукції, хоча ця машина мала лише 2 осі. Перші 3-осьові моделі почали з'являтися в 1960-х роках (DEA Італії), а комп'ютерне керування дебютувало на початку 1970-х років, але першу робочу КВМ розробила та виставила на продаж компанія Browne & Sharpe в Мельбурні, Англія. (Leitz Germany згодом випустила фіксовану конструкцію верстата з рухомим столом.)

У сучасних верстатах надбудова портального типу має дві опори і часто називається мостом. Вона вільно рухається вздовж гранітного столу, причому одна опора (часто її називають внутрішньою опорою) слідує за напрямною рейкою, прикріпленою до одного боку гранітного столу. Протилежна опора (часто зовнішня опора) просто спирається на гранітний стіл, повторюючи контур вертикальної поверхні. Повітряні підшипники є обраним методом забезпечення руху без тертя. У них стиснене повітря пропускається через серію дуже маленьких отворів у плоскій опорній поверхні, забезпечуючи гладку, але контрольовану повітряну подушку, на якій КВМ може рухатися майже без тертя, що можна компенсувати за допомогою програмного забезпечення. Рух мосту або порталу вздовж гранітного столу утворює одну вісь площини XY. Міст порталу містить каретку, яка переміщується між внутрішньою та зовнішньою опорами та утворює іншу горизонтальну вісь X або Y. Третя вісь руху (вісь Z) забезпечується додаванням вертикальної пінолі або шпинделя, яка рухається вгору та вниз через центр каретки. Сенсорний зонд утворює сенсорний пристрій на кінці пінолі. Рух осей X, Y та Z повністю описує діапазон вимірювання. Додаткові поворотні столи можна використовувати для покращення доступу вимірювального зонда до складних заготовок. Поворотний стіл як четверта вісь приводу не покращує вимірювальні розміри, які залишаються тривимірними, але забезпечує певну гнучкість. Деякі контактні зонди самі по собі є поворотними пристроями з приводом, кінчик яких може повертатися вертикально більш ніж на 180 градусів та на повний поворот на 360 градусів.

КВМ зараз також доступні в різних інших формах. До них належать маніпулятори КВМ, які використовують кутові вимірювання, зроблені в місцях з'єднання маніпулятора, для обчислення положення кінчика щупа, і можуть бути оснащені зондами для лазерного сканування та оптичного зображення. КВМ з такими маніпуляторами часто використовуються там, де їхня портативність є перевагою над традиційними КВМ з нерухомим станом – завдяки збереженню виміряних місць, програмне забезпечення також дозволяє переміщувати сам вимірювальний маніпулятор та його вимірювальний об'єм навколо деталі, що вимірювається, під час процедури вимірювання. Оскільки маніпулятори КВМ імітують гнучкість людської руки, вони також часто здатні досягати внутрішніх частин складних деталей, які неможливо зондувати за допомогою стандартного тривісного верстата.

Механічний зонд

На зорі координатних вимірювань (КВМ) механічні зонди встановлювалися у спеціальний тримач на кінці пінолі. Дуже поширений зонд виготовлявся шляхом припаювання твердої кулі до кінця вала. Це було ідеально для вимірювання цілого ряду плоских, циліндричних або сферичних поверхонь. Інші зонди шліфувалися до певних форм, наприклад, квадранта, щоб мати змогу вимірювати особливі елементи. Ці зонди фізично трималися біля заготовки, а їхнє положення в просторі зчитувалося з 3-осьового цифрового зчитування (ЦЗ) або, в більш просунутих системах, вводилися в комп'ютер за допомогою ножного перемикача або подібного пристрою. Вимірювання, виконані цим контактним методом, часто були ненадійними, оскільки верстати переміщувалися вручну, і кожен оператор верстата застосовував різний тиск на зонд або використовував різні методи вимірювання.

Подальшим розвитком стало додавання двигунів для керування кожною оссю. Операторам більше не потрібно було фізично торкатися верстата, а вони могли керувати кожною віссю за допомогою ручного пульта з джойстиками, майже так само, як і в сучасних автомобілях з дистанційним керуванням. Точність вимірювання значно покращилися з винаходом електронного сенсорного зонда. Піонером цього нового зонда був Девід Макмертрі, який згодом заснував те, що зараз називається Renishaw plc. Хоча зонд все ще був контактним пристроєм, він мав пружинний стилус у вигляді сталевої (пізніше рубінової) кульки. Коли зонд торкався поверхні деталі, стилус відхилявся і одночасно надсилав інформацію про координати X, Y, Z на комп'ютер. Помилки вимірювання, спричинені окремими операторами, зменшилися, і була створена основа для впровадження операцій з ЧПК та розвитку КВМ.

Оптичні зонди – це лінзові ПЗЗ-системи, які рухаються, як і механічні, і спрямовані на точку інтересу, а не торкаються матеріалу. Захоплене зображення поверхні буде укладено в межах вимірювального вікна, доки залишок не стане достатнім для контрасту між чорною та білою зонами. Криву розділу можна розрахувати до точки, яка є бажаною точкою вимірювання в просторі. Горизонтальна інформація на ПЗЗ-матриці – це 2D (XY), а вертикальне положення – це положення всієї зондувальної системи на Z-приводі стенду (або іншому компоненті пристрою).

Системи скануючих зондів

Існують новіші моделі з зондами, які переміщуються по поверхні точок відбору деталі через задані інтервали, відомі як скануючі зонди. Цей метод контролю за допомогою КВМ часто є точнішим, ніж звичайний метод із застосуванням сенсорного зонда, і в більшості випадків також швидшим.

Наступне покоління сканування, відоме як безконтактне сканування, яке включає високошвидкісну лазерну тріангуляцію однієї точки, лазерне лінійне сканування та сканування білим світлом, розвивається дуже швидко. Цей метод використовує лазерні промені або біле світло, які проектуються на поверхню деталі. Потім можна взяти багато тисяч точок і використовувати їх не лише для перевірки розміру та положення, але й для створення 3D-зображення деталі. Ці «дані хмари точок» потім можна перенести в програмне забезпечення CAD для створення робочої 3D-моделі деталі. Ці оптичні сканери часто використовуються на м’яких або делікатних деталях або для полегшення зворотного проектування.

Мікрометрологічні зонди

Зондові системи для мікромасштабної метрології – це ще одна нова галузь. Існує кілька комерційно доступних координатно-вимірювальних машин (КВМ) з інтегрованим мікрозондом, кілька спеціалізованих систем у державних лабораторіях та безліч метрологічних платформ, розроблених університетами, для мікромасштабної метрології. Хоча ці машини є хорошими, а в багатьох випадках і чудовими метрологічними платформами з нанометричними масштабами, їхнім основним обмеженням є надійний, стійкий та функціональний мікро/нанозонд.^{[потрібне посилання]}Проблеми для технологій мікромасштабного зондування включають необхідність використання зонда з високим співвідношенням сторін, що забезпечує доступ до глибоких, вузьких елементів з низькими контактними силами, щоб не пошкодити поверхню, та з високою точністю (нанометровий рівень).^{[потрібне посилання]}Крім того, мікромасштабні зонди чутливі до умов навколишнього середовища, таких як вологість, та поверхневих взаємодій, таких як тертя (викликане адгезією, меніском та/або силами Ван-дер-Ваальса, серед іншого).^{[потрібне посилання]}

Технології для досягнення мікромасштабного зондування включають зменшені версії класичних зондів CMM, оптичні зонди та зонд стоячої хвилі, серед іншого. Однак сучасні оптичні технології не можуть бути масштабовані достатньо мало для вимірювання глибоких, вузьких деталей, а оптична роздільна здатність обмежена довжиною хвилі світла. Рентгенівське зображення надає зображення деталі, але не дає простежуваної метрологічної інформації.

Фізичні принципи

Можуть використовуватися оптичні зонди та/або лазерні зонди (якщо можливо, в комбінації), що перетворює КВМ на вимірювальні мікроскопи або багатосенсорні вимірювальні машини. Системи проекційної смуги, системи тріангуляції теодолітів або лазерні дистанційні та тріангуляційні системи не називаються вимірювальними машинами, але результат вимірювання той самий: просторова точка. Лазерні зонди використовуються для визначення відстані між поверхнею та опорною точкою на кінці кінематичного ланцюга (тобто на кінці компонента Z-приводу). Це може використовувати інтерферометричну функцію, зміну фокуса, відхилення світла або принцип затінення променя.

Портативні координатно-вимірювальні машини

У той час як традиційні КВМ використовують зонд, який рухається по трьох декартових осях для вимірювання фізичних характеристик об'єкта, портативні КВМ використовують або шарнірні кронштейни, або, у випадку оптичних КВМ, безрукавні системи сканування, які використовують методи оптичної тріангуляції та забезпечують повну свободу руху навколо об'єкта.

Портативні КВМ з шарнірними кронштейнами мають шість або сім осей, оснащених обертовими енкодерами замість лінійних осей. Портативні кронштейни легкі (зазвичай менше 20 фунтів) і їх можна переносити та використовувати практично будь-де. Однак оптичні КВМ все частіше використовуються в промисловості. Розроблені з компактними лінійними або матричними камерами (наприклад, Microsoft Kinect), оптичні КВМ менші за портативні КВМ з кронштейнами, не мають проводів і дозволяють користувачам легко виконувати 3D-вимірювання всіх типів об'єктів, розташованих практично будь-де.

Деякі неповторні застосування, такі як зворотне проектування, швидке прототипування та масштабний контроль деталей усіх розмірів, ідеально підходять для портативних КВМ. Переваги портативних КВМ багатогранні. Користувачі мають гнучкість у проведенні 3D-вимірювань усіх типів деталей та в найвіддаленіших/важкодоступних місцях. Вони прості у використанні та не потребують контрольованого середовища для проведення точних вимірювань. Крім того, портативні КВМ, як правило, коштують менше, ніж традиційні КВМ.

Невід'ємним недоліком портативних КВМ є ручне керування (для їх використання завжди потрібна людина). Крім того, їхня загальна точність може бути дещо меншою, ніж у КВМ мостового типу, і вона менш придатна для деяких застосувань.

Мультисенсорні вимірювальні машини

Традиційна технологія КВМ з використанням сенсорних зондів сьогодні часто поєднується з іншими вимірювальними технологіями. Це включає лазерні, відео- або світлові датчики для забезпечення так званого мультисенсорного вимірювання.