Що таке координатно-вимірювальна машина?

Акоординатно-вимірювальна машина(CMM) — це пристрій, який вимірює геометрію фізичних об’єктів шляхом визначення окремих точок на поверхні об’єкта зондом.У КІМ використовуються різні типи зондів, включаючи механічні, оптичні, лазерні та біле світло.Залежно від машини оператор може керувати положенням зонда вручну або комп’ютером.КІМ зазвичай визначають положення зонда в термінах його зміщення від контрольного положення в тривимірній декартовій системі координат (тобто з осями XYZ).Окрім переміщення зонда вздовж осей X, Y та Z, багато машин також дозволяють контролювати кут зонда, щоб дозволити вимірювати поверхні, які інакше були б недоступні.

Типовий тривимірний «мостовий» ШМ дозволяє переміщати зонд уздовж трьох осей, X, Y і Z, які є ортогональними одна одній у тривимірній декартовій системі координат.Кожна вісь має датчик, який контролює положення зонда на цій осі, як правило, з точністю до мікрометра.Коли зонд контактує (або іншим чином виявляє) певне місце на об’єкті, машина бере вибірку з трьох датчиків положення, таким чином вимірюючи розташування однієї точки на поверхні об’єкта, а також тривимірний вектор зробленого вимірювання.Цей процес повторюється за необхідності, щоразу переміщаючи зонд, щоб створити «хмару точок», яка описує цікаві ділянки поверхні.

Поширеним використанням КІМ є процес виробництва та складання, щоб перевірити деталь або вузол на відповідність задуму проекту.У таких програмах генеруються хмари точок, які аналізуються за допомогою алгоритмів регресії для побудови ознак.Ці точки збираються за допомогою зонда, який встановлюється вручну оператором або автоматично за допомогою прямого комп’ютерного керування (DCC).КІМ DCC можна запрограмувати на багаторазове вимірювання ідентичних частин;Таким чином, автоматизований ШМ є спеціалізованою формою промислового робота.

Запчастини

Координатно-вимірювальні машини включають три основні вузли:

• Основна структура, яка включає три осі руху.Матеріал, який використовувався для виготовлення рухомої рами, змінювався протягом багатьох років.Граніт і сталь використовувалися в перших ШМ.Сьогодні всі основні виробники КВМ виготовляють каркаси з алюмінієвого сплаву або інших похідних, а також використовують кераміку для збільшення жорсткості осі Z для сканування.Небагато будівельників ШМ сьогодні все ще виробляють ШМ з гранітним каркасом через вимоги ринку щодо покращення динаміки метрології та зростання тенденції встановлення ШМ за межами лабораторії якості.Зазвичай лише невеликі виробники ШМ та вітчизняні виробники в Китаї та Індії все ще виробляють гранітний ШМ через низький технологічний підхід і легкий доступ до виробників каркасів ШМ.Зростаюча тенденція до сканування також вимагає, щоб вісь Z ШМ була більш жорсткою, і були введені нові матеріали, такі як кераміка та карбід кремнію.
• Система зондування
• Система збору та редагування даних — зазвичай включає контролер машини, настільний комп’ютер і прикладне програмне забезпечення.

Доступність

Ці машини можуть бути окремо стоячими, портативними та портативними.

Точність

Точність машин для вимірювання координат зазвичай надається як фактор невизначеності як функція від відстані.Для ШМ, що використовує сенсорний датчик, це стосується повторюваності датчика та точності лінійних шкал.Типова повторюваність датчика може призвести до вимірювань у межах 0,001 мм або 0,00005 дюйма (половина десятої) по всьому об’єму вимірювання.Для 3-х, 3+2- та 5-осьових верстатів датчики регулярно калібруються за допомогою відстежуваних стандартів, а рух машини перевіряється за допомогою вимірювальних приладів для забезпечення точності.

Специфічні частини

Корпус машини

Перший ШМ був розроблений шотландською компанією Ferranti у 1950-х роках як результат прямої необхідності вимірювання точних компонентів у їхніх військових виробах, хоча ця машина мала лише 2 осі.Перші 3-осьові моделі почали з’являтися в 1960-х роках (DEA в Італії), а комп’ютерне керування дебютувало на початку 1970-х років, але перша робоча CMM була розроблена та випущена в продаж фірмою Browne & Sharpe у Мельбурні, Англія.(Leitz Німеччина згодом виготовила фіксовану структуру машини з рухомим столом.

У сучасних машинах надбудова портального типу має дві опори і часто називається мостом.Він вільно рухається вздовж гранітного столу за допомогою однієї ніжки (часто її називають внутрішньою ніжкою) за напрямною, прикріпленою до однієї сторони гранітного столу.Протилежна ніжка (часто зовнішня) просто спирається на гранітний стіл, дотримуючись контуру вертикальної поверхні.Повітряні підшипники є обраним методом для забезпечення вільного тертя.У них стиснене повітря проходить через серію дуже маленьких отворів у плоскій опорній поверхні, щоб створити гладку, але контрольовану повітряну подушку, на якій ШМ може рухатися майже без тертя, що може бути компенсовано програмним забезпеченням.Рух моста або порталу вздовж гранітного столу утворює одну вісь площини XY.Міст порталу містить каретку, яка проходить між внутрішньою та зовнішньою опорами та утворює іншу горизонтальну вісь X або Y.Третя вісь руху (вісь Z) забезпечується додаванням вертикального вала або шпинделя, який рухається вгору та вниз через центр каретки.Сенсорний щуп утворює чутливий пристрій на кінці вала.Переміщення осей X, Y і Z повністю описує огинаючу вимірювання.Додаткові поворотні столи можна використовувати для підвищення доступності вимірювального зонда до складних деталей.Поворотний стіл як четверта вісь приводу не покращує вимірювальні розміри, які залишаються тривимірними, але забезпечує певну гнучкість.Деякі сенсорні датчики самі по собі є приводними обертовими пристроями з наконечником зонда, здатним повертатися вертикально на більш ніж 180 градусів і на 360 градусів.

Зараз ШМ також доступні в багатьох інших формах.До них належать кронштейни CMM, які використовують кутові вимірювання, зроблені в суглобах плеча, щоб обчислити положення наконечника стилуса, і можуть бути оснащені зондами для лазерного сканування та оптичного зображення.Такі КІМ із рукояткою часто використовуються там, де їхня портативність є перевагою перед традиційними КІМ із фіксованою платформою. Зберігаючи виміряні місця, програмне забезпечення також дозволяє переміщувати саму вимірювальну рукоятку та її вимірювальний об’єм навколо частини, яку потрібно виміряти під час процедури вимірювання.Оскільки плечі ШМ імітують гнучкість людської руки, вони також часто здатні досягти внутрішніх частин складних частин, які неможливо перевірити за допомогою стандартної тривісної машини.

Механічний зонд

У перші дні вимірювання координат (CMM) механічні зонди встановлювалися в спеціальний тримач на кінці вала.Дуже поширений зонд був виготовлений шляхом припаювання твердої кульки до кінця валу.Це ідеально підходить для вимірювання цілого ряду плоских, циліндричних або сферичних поверхонь.Інші зонди були відшліфовані до певної форми, наприклад, квадранта, щоб уможливити вимірювання особливих характеристик.Ці зонди фізично трималися біля заготовки, а положення в просторі зчитувалося з 3-осьового цифрового зчитування (DRO) або, у більш просунутих системах, входило в комп’ютер за допомогою ножного перемикача або подібного пристрою.Вимірювання, зроблені за допомогою цього контактного методу, часто були ненадійними, оскільки машини рухалися вручну, і кожен оператор застосовував різний тиск на зонд або використовував різні методи вимірювання.

Подальшим розвитком було додавання двигунів для приводу кожної осі.Операторам більше не доводилося фізично торкатися машини, але вони могли керувати кожною віссю за допомогою ручної коробки з джойстиками майже так само, як у сучасних автомобілях з дистанційним керуванням.Точність і точність вимірювань різко підвищилися завдяки винаходу електронного сенсорного датчика.Піонером цього нового датчика був Девід МакМертрі, який згодом заснував компанію Renishaw plc.Незважаючи на те, що зонд все ще був контактним пристроєм, він мав стилус зі сталевою кулькою (пізніше — з рубіновою кулькою), навантаженою пружиною.Коли зонд торкався поверхні компонента, стилус відхилявся й одночасно надсилав інформацію про координати X, Y, Z на комп’ютер.Помилок вимірювань, спричинених окремими операторами, стало менше, і було створено умови для впровадження операцій з ЧПК і повноліття ШМ.

Оптичні зонди являють собою системи лінз-ПЗС, які рухаються, як і механічні, і спрямовані на точку інтересу, а не торкаються матеріалу.Захоплене зображення поверхні буде укладено в межі вимірювального вікна, доки залишок не стане достатнім для контрасту між чорною та білою зонами.Роздільну криву можна обчислити до точки, яка є бажаною точкою вимірювання в просторі.Горизонтальна інформація на ПЗЗ-матриці є 2D (XY), а вертикальна позиція – це позиція всієї системи вимірювання на Z-приводі підставки (або іншому компоненті пристрою).

Системи скануючого зонда

Існують новіші моделі, які мають зонди, які тягнуться вздовж поверхні деталі, знімаючи точки через певні інтервали, відомі як скануючі зонди.Цей метод перевірки ШМ часто є більш точним, ніж звичайний метод сенсорного датчика, а також у більшості разів швидшим.

Наступне покоління сканування, відоме як безконтактне сканування, яке включає високошвидкісну лазерну одноточкову тріангуляцію, лазерне лінійне сканування та сканування білого світла, просувається дуже швидко.У цьому методі використовуються або лазерні промені, або біле світло, які проектуються на поверхню деталі.Багато тисяч точок можна взяти та використати не лише для перевірки розміру та положення, але й для створення 3D-зображення деталі.Потім ці «дані хмари точок» можна передати в програмне забезпечення САПР для створення робочої 3D-моделі деталі.Ці оптичні сканери часто використовуються на м’яких або делікатних частинах або для полегшення зворотного проектування.

Мікрометрологічні зонди

Системи зондування для застосування мікромасштабної метрології є ще однією областю, що розвивається.Існує кілька комерційно доступних координатно-вимірювальних машин (КВМ), які мають мікрозонд, інтегрований у систему, кілька спеціальних систем у державних лабораторіях і будь-яка кількість побудованих університетами метрологічних платформ для мікромасштабної метрології.Незважаючи на те, що ці машини є хорошими і в багатьох випадках чудовими метрологічними платформами з нанометричними масштабами, їх основним обмеженням є надійний, надійний, потужний мікро/нанозонд.^{[потрібна цитата]}Проблеми для технологій мікромасштабного зондування включають потребу в зонді з високим співвідношенням сторін, який дає можливість отримати доступ до глибоких, вузьких елементів з низькими контактними зусиллями, щоб не пошкодити поверхню, і високою точністю (нанометровий рівень).^{[потрібна цитата]}Крім того, мікромасштабні зонди чутливі до умов навколишнього середовища, таких як вологість і поверхнева взаємодія, наприклад зчеплення (спричинене адгезією, меніском і/або силами Ван-дер-Ваальса, серед іншого).^{[потрібна цитата]}

Технології для досягнення мікромасштабного зондування включають зменшену версію класичних ШМ-зондів, оптичних зондів і зонда стоячої хвилі серед інших.Однак сучасні оптичні технології не можна масштабувати настільки мало, щоб виміряти глибокі, вузькі характеристики, а оптична роздільна здатність обмежена довжиною хвилі світла.Рентгенівське зображення дає картину функції, але не відстежує метрологічну інформацію.

Фізичні принципи

Можна використовувати оптичні зонди та/або лазерні зонди (якщо можливо в комбінації), які замінюють КІМ на вимірювальні мікроскопи або багатосенсорні вимірювальні машини.Системи смугової проекції, теодолітні системи тріангуляції або лазерні дистанційні та тріангуляційні системи не називаються вимірювальними машинами, але результат вимірювання однаковий: просторова точка.Лазерні зонди використовуються для визначення відстані між поверхнею та контрольною точкою на кінці кінематичного ланцюга (тобто: кінець компонента Z-приводу).Це може використовувати інтерферометричну функцію, зміну фокусу, відхилення світла або принцип затінення променя.

Портативні координатно-вимірювальні машини

У той час як у традиційних КІМ для вимірювання фізичних характеристик об’єкта використовується зонд, який рухається по трьох декартових осях, у портативних КІМ використовуються шарнірні кронштейни або, у випадку оптичних КІМ, системи сканування без рук, які використовують методи оптичної тріангуляції та забезпечують повну свободу руху навколо об'єкта.

Портативні КІМ із шарнірними важелями мають шість або сім осей, які оснащені датчиками обертання замість лінійних осей.Портативні зброї легкі (зазвичай менше 20 фунтів), їх можна носити та використовувати майже будь-де.Однак оптичні КІМ все частіше використовуються в промисловості.Розроблені з компактними лінійними або матричними камерами (як-от Microsoft Kinect), оптичні КІМ менші за портативні КІМ із кронштейнами, не мають дротів і дозволяють користувачам легко проводити 3D-вимірювання всіх типів об’єктів, розташованих майже будь-де.

Для портативних КІМ ідеально підходять певні неповторювані програми, такі як зворотне проектування, швидке створення прототипів і широкомасштабна перевірка деталей усіх розмірів.Переваги портативних КІМ численні.Користувачі мають можливість проводити тривимірні вимірювання всіх типів деталей у найвіддаленіших/важких місцях.Вони прості у використанні та не потребують контрольованого середовища для проведення точних вимірювань.Крім того, портативні КІМ, як правило, коштують дешевше, ніж традиційні КІМ.

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

Мультисенсорно-вимірювальні машини

Традиційна технологія CMM з використанням сенсорних зондів сьогодні часто поєднується з іншими технологіями вимірювання.Сюди входять лазерні, відеосенсори або датчики білого світла для забезпечення так званого мультисенсорного вимірювання.