Mikä on koordinaattimittauskone?

Eräskoordinaattimittauskone(CMM) on laite, joka mittaa fysikaalisten esineiden geometriaa tunnistamalla erilliset kohdat esineen pinnalle koettimella. CMMS: ssä käytetään erityyppisiä koettimia, mukaan lukien mekaaninen, optinen, laser ja valkoinen valo. Koneesta riippuen anturin sijaintia voi ohjata manuaalisesti manuaalisesti tai sitä voidaan ohjata tietokonetta. CMMS määrittelee tyypillisesti koettimen sijainnin sen siirtymisen suhteen vertailuasennosta kolmiulotteisessa Cartesian-koordinaattijärjestelmässä (ts. XYZ-akselien kanssa). Sen lisäksi, että koetinta siirretään X-, Y- ja Z -akseleita pitkin, monet koneet sallivat myös koettimen kulman ohjattavan pintojen mittaamisen mahdollistamiseksi, jotka muuten olisivat saavuttamattomia.

Tyypillinen 3D “Bridge” CMM sallii koettimen liikkeen kolmella akselilla, x, y ja z, jotka ovat ortogonaalisia toisiinsa kolmiulotteisessa kartesialaisessa koordinaattijärjestelmässä. Jokaisessa akselissa on anturi, joka tarkkailee koettimen sijaintia kyseisellä akselilla, tyypillisesti mikrometrin tarkkuudella. Kun anturi koskettaa (tai muuten havaitsee) tietyn sijainnin esineellä, kone näytteli kolme sijaintianturia, mikä mittaa objektin pinnan yhden pisteen sijainnin sekä otetun mittauksen kolmiulotteisen vektorin. Tämä prosessi toistetaan tarpeen mukaan, siirtämällä koetinta joka kerta, tuottamaan ”pistepilvi”, joka kuvaa kiinnostavia pinta -alueita.

CMMS: n yleinen käyttö on valmistus- ja kokoonpanoprosesseissa osan tai kokoonpanon testaamiseksi suunnitteluun. Tällaisissa sovelluksissa syntyy pistepilviä, jotka analysoidaan regressioalgoritmien avulla ominaisuuksien rakentamiseksi. Nämä pisteet kerätään käyttämällä koetinta, jonka operaattori sijoittaa manuaalisesti tai automaattisesti suoran tietokoneen ohjauksen (DCC) kautta. DCC CMMS voidaan ohjelmoida identtisten osien toistuvasti; Siten automaattinen CMM on erikoistunut teollisuusrobotin muoto.

Osa

Koordinaattimittauskoneet sisältävät kolme pääkomponenttia:

• Päärakenne, joka sisältää kolme liikeakselia. Liikkuvan kehyksen rakentamiseen käytetty materiaali on vaihdellut vuosien varrella. Graniittia ja terästä käytettiin varhaisessa CMM: ssä. Nykyään kaikki tärkeimmät CMM -valmistajat rakentavat kehyksiä alumiiniseoksesta tai jokin johdannaisesta ja käyttävät myös keraamista lisätäkseen Z -akselin jäykkyyttä skannaussovelluksissa. Harvat CMM -rakentajat valmistavat nykyään edelleen graniittikehystä CMM: ää johtuen markkinoiden vaatimuksista parannetun metrologian dynamiikan ja kasvavan trendin vuoksi CMM: n asentamiseksi laadun laboratorion ulkopuolelle. Tyypillisesti vain pienen määrän CMM -rakentajat ja kotimaiset valmistajat Kiinassa ja Intiassa valmisttavat edelleen graniitti CMM: ää matalan teknologian lähestymistavan ja helpon pääsyn vuoksi CMM -runkorakentajaksi. Kasvava suuntaus skannaukseen edellyttää myös, että CMM Z -akseli on jäykempi ja uusia materiaaleja on otettu käyttöön, kuten keraaminen ja piikarbidi.
• Koetusjärjestelmä
• Tiedonkeruu- ja pelkistysjärjestelmä - sisältää tyypillisesti koneen ohjaimen, työpöytätietokoneen ja sovellusohjelmiston.

Saatavuus

Nämä koneet voivat olla itsenäisiä, kädessä pidettäviä ja kannettavia.

Tarkkuus

Koordinaattimittauskoneiden tarkkuus annetaan tyypillisesti epävarmuustekijänä funktiona etäisyydellä. CMM: n kohdalla kosketuskoetinta käyttämällä tämä liittyy koettimen toistettavuuteen ja lineaaristen asteikkojen tarkkuuteen. Tyypillinen koettimen toistettavuus voi johtaa mittauksiin. 3, 3+2: n ja 5 -akselin koneiden kohdalla koettimet kalibroidaan rutiininomaisesti jäljitettävien standardien avulla ja koneen liike varmistetaan mittareilla tarkkuuden varmistamiseksi.

Erityiset osat

Konekäyttö

Ensimmäisen CMM: n kehitti Skotlannin Ferranti Company 1950 -luvulla johtuen suorasta tarpeesta mitata tarkkuuskomponentteja sotilastuotteissaan, vaikka tällä koneella oli vain 2 akselia. Ensimmäiset 3-akselimallit alkoivat esiintyä 1960-luvulla (Italian DEA) ja tietokoneen hallinta debytoi 1970-luvun alkupuolella, mutta Browne & Sharpe kehitti ensimmäisen CMM: n ensimmäisen CMM: n Melbournessa, Englannissa. (Leitz Saksa tuotti myöhemmin kiinteän koneen rakenteen liikkuvalla pöydällä.

Nykyaikaisissa koneissa porttityyppisessä ylärakenteessa on kaksi jalkaa ja sitä kutsutaan usein siltaksi. Tämä liikkuu vapaasti graniittitaulua pitkin yhdellä jalalla (jota usein kutsutaan sisäjalkaksi) seuraten graniittipöydän toiselle puolelle kiinnitetyn opaskiskon. Vastakkainen jalka (usein jalan ulkopuolella) lepää vain graniittitaulussa pystysuoran pintamuodon jälkeen. Ilmalaakerit ovat valittu menetelmä kitkan ilmaisen matkan varmistamiseksi. Näissä paineilma pakotetaan sarjan erittäin pienten reikien läpi tasaisella laakeripinnalla sileän, mutta ohjatun ilmatyynyn aikaansaamiseksi, jolla CMM voi liikkua melkein kitkattomalla tavalla, joka voidaan kompensoida ohjelmiston kautta. Sillan tai portin liikkuminen graniittitaulua pitkin muodostaa yhden XY -tason akselin. Takan silta sisältää vaunun, joka kulkee sisä- ja ulko- ja ulkopuolisten jalkojen välillä ja muodostaa toisen x- tai y -vaakasuoran akselin. Kolmas liikkeen akseli (z -akseli) saadaan lisäämällä pystysuora quill tai kara, joka liikkuu ylös ja alas vaunun keskustan läpi. Kosketusanturi muodostaa anturilaitteen Quillin päähän. X-, Y- ja Z -akselien liike kuvaa täysin mittakuoren. Valinnaisia ​​kiertotaulukoita voidaan käyttää parantamaan mittauskoettimen lähestyvyyttä monimutkaisissa työkappaleissa. Pyörivä taulukko neljäntenä käyttöakselina ei paranna mitattavia mittoja, jotka pysyvät 3D: ssä, mutta se tarjoaa tietyn joustavuuden. Jotkut kosketuskoettimet ovat itse moottoripyöräisiä laitteita, joiden koettimen kärki pystyy kääntymään pystysuoraan yli 180 asteen läpi ja täyden 360 asteen pyörimisen läpi.

CMMS: ää on nyt saatavana myös monissa muissa muodoissa. Näihin kuuluvat CMM -aseet, jotka käyttävät käsivarren nivelissä otettuja kulmamittauksia kynän kärjen sijainnin laskemiseksi, ja ne voidaan varustaa koettimilla laserskannausta ja optista kuvantamista varten. Tällaisia ​​ARM-CMM: ita käytetään usein silloin, kun niiden siirrettävyys on etu perinteiseen kiinteään sänkyyn nähden- tallentamalla mitatut sijainnit, ohjelmointiohjelmisto mahdollistaa myös itse mittausvarren siirtämisen ja sen mittausmäärän, mitattavan osan mittausrutiinin aikana. Koska CMM -aseet jäljittelevät ihmisvarren joustavuutta, ne myös kykenevät usein saavuttamaan monimutkaisten osien sisäpuolet, joita ei voitu koettelee käyttämällä tavanomaista kolmi -akselikonetta.

Mekaaninen koetin

Koordinaattimittauksen (CMM) alkuaikoina mekaaniset koettimet sovitettiin erityiseen pidikkeeseen Quillin päässä. Hyvin yleinen koetin tehtiin juottamalla kova pallo akselin loppuun. Tämä oli ihanteellista mitata koko litteä kasvo-, lieriömäisiä tai pallomaisia ​​pintoja. Muut koettimet olivat jauhetut tietyille muodoille, esimerkiksi kvadrantti, erityisominaisuuksien mittaamiseksi. Nämä koettimet pidettiin fyysisesti työkappaleena vastaan, kun tila avaruudessa luettiin 3-akselisesta digitaalisesta lukemasta (DRO) tai edistyneemmissä järjestelmissä kirjautuneen tietokoneeseen jalkakytkimen tai vastaavan laitteen avulla. Tämän kosketusmenetelmän mittaukset olivat usein epäluotettavia, kun koneet siirrettiin käsin ja jokainen konekäyttäjä käytti erilaisia ​​painemääriä koettimeen tai otettuja mittaustekniikoita.

Jatkokehitys oli moottorien lisääminen kunkin akselin ajamiseen. Operaattoreiden ei enää tarvinnut fyysisesti koskettaa konetta, vaan he pystyivät ajamaan kutakin akselia käyttämällä ohjaussauvien käsikirjoitusta suunnilleen samalla tavalla kuin nykyaikaisissa kauko -ohjattavissa autoissa. Mittaustarkkuus ja tarkkuus paranivat dramaattisesti keksimällä elektronisen kosketusliipaisimen koettimen. Tämän uuden koetinlaitteen edelläkävijä oli David McMurtry, joka myöhemmin muodosti nyt Renishaw Plc: n. Vaikka koettimessa oli vielä yhteyslaite, se oli jousikuormitettu teräspallo (myöhemmin Ruby Ball) -kynä. Kun koetin kosketti komponentin pintaa, kynä taipui ja lähetti samanaikaisesti X-, Y-, Z -koordinaattitiedot tietokoneelle. Yksittäisten operaattoreiden aiheuttamat mittausvirheet vähenivät ja vaihe asetettiin CNC -operaatioiden ja CMMS: n tulemisen käyttöönotolle.

Optiset koettimet ovat linssi-CCD-järjestelmiä, jotka siirretään kuin mekaaniset, ja ne on suunnattu kiinnostavalle pisteelle, sen sijaan, että koskettaisi materiaalia. Pinnan kaapattu kuva suljetaan mittausikkunan rajoihin, kunnes jäännös on riittävä kontrastiksi mustan ja valkoisten vyöhykkeiden välillä. Jakokäyrä voidaan laskea pisteeseen, joka on haluttu mittauspiste avaruudessa. CCD: n vaakatiedot ovat 2D (XY) ja pystysuuntainen sijainti on täydellisen koetusjärjestelmän sijainti Stand Z-Drivessa (tai muussa laitekomponentissa).

Skannauskoetinjärjestelmät

On uudempia malleja, joissa on koettimia, jotka vetävät osan pintaa pitkin pisteitä tietyillä väliajoin, tunnetaan nimellä skannauskoettimet. Tämä CMM-tarkastusmenetelmä on usein tarkempi kuin tavanomainen kosketus-koetin menetelmä ja useimmiten myös nopeampi.

Seuraavan sukupolven skannaus, joka tunnetaan nimellä ei -kosketuskannaus, joka sisältää nopean laserpisteen kolmiomittauksen, laserviivan skannauksen ja valkoisen valon skannauksen, etenee nopeasti. Tämä menetelmä käyttää joko lasersäteitä tai valkoista valoa, jotka projisoidaan osan pintaa vasten. Sitten voidaan sitten ottaa tuhansia pisteitä, ja sitä voidaan käyttää paitsi koon ja sijainnin tarkistamiseen, myös 3D -kuvan luomiseen osasta. Tämä ”pistepilvinen data” voidaan sitten siirtää CAD-ohjelmistoon toimivassa 3D-mallin luomisessa. Näitä optisia skannereita käytetään usein pehmeissä tai herkissä osissa tai käänteisen suunnittelun helpottamiseksi.

Mikrometrologiakoettimet

Mikromittakaavan metrologisten sovellusten koetusjärjestelmät ovat toinen nouseva alue. On olemassa useita kaupallisesti saatavissa olevia koordinaattimittauskoneita (CMM), joiden mikroprobi on integroitu järjestelmään, useita erikoisjärjestelmiä valtion laboratorioissa ja mikä tahansa määrä yliopistojen rakentamia metrologiaalustoja mikromittakaavan metrologialle. Vaikka nämä koneet ovat hyviä ja monissa tapauksissa erinomaiset metrologiaalustat, joilla on nanometriset asteikot, niiden ensisijainen rajoitus on luotettava, vankka, kykenevä mikro/nano -koetin.^{[Lainaus tarvitaan]}Mikromittakaavan koetustekniikan haasteisiin sisältyy korkea kuvasuhteen koettimen tarve, joka antaa kyvyn päästä syviin, kapeisiin piirteisiin, joilla on alhaiset kosketusvoimat, jotta pintaa ja suurta tarkkuutta ei vahingoita (nanometritaso).^{[Lainaus tarvitaan]}Lisäksi mikromittakaavan koettimet ovat alttiita ympäristöolosuhteille, kuten kosteudelle ja pintavuorovaikutukselle, kuten stictille (muun muassa tarttuvuus, meniski ja/tai van der Waals -voimat).^{[Lainaus tarvitaan]}

Mikromittakaavan koettelemisen saavuttamiseksi sisältyy muun muassa klassisten CMM -koettimien, optisten koettimien ja pysyvä aaltokoetteri. Nykyisiä optisia tekniikoita ei kuitenkaan voida skaalata riittävän pieniä syvän, kapean ominaisuuden ja optisen resoluution mittaamiseksi, valon aallonpituus rajoittaa. Röntgenkuvaus tarjoaa kuvan ominaisuudesta, mutta ei jäljitettävissä metrologiatietoja.

Fyysiset periaatteet

Optisia koettimia ja/tai laserkoettimia voidaan käyttää (jos mahdollista yhdistelmänä), jotka muuttavat CMMS: n mikroskooppien tai monensensorin mittauskoneiden mittaamiseen. Fringe -projektiojärjestelmät, Theodolite -triangulaatiojärjestelmät tai laser -etä- ja triangulaatiojärjestelmät eivät kutsuta mittauskoneita, mutta mittaustulos on sama: avaruuspiste. Laserkoettimia käytetään pinnan ja kinemaattisen ketjun päähän välisen vertailupisteen välisen etäisyyden havaitsemiseksi (ts. Z-ohjauksen komponentin pää). Tämä voi käyttää interferometristä funktiota, tarkennusvariaatiota, valon taipumaa tai säteen varjostusperiaatetta.

Kannettavat koordinaattimittauskoneet

Kun perinteiset CMM: t käyttävät koetinta, joka liikkuu kolmella Cartesian akselilla objektin fyysisten ominaisuuksien mittaamiseksi, kannettavat CMM: t käyttävät joko nivelryhmiä tai optisten CMM: ien tapauksessa käsivarsivapaat skannausjärjestelmät, jotka käyttävät optisia triangulaatiomenetelmiä ja mahdollistavat liikuntavapauden esineen ympärillä.

Kannettavissa CMM: issä nivelvarsilla on kuusi tai seitsemän akselia, jotka on varustettu kiertokoodereilla lineaaristen akselien sijasta. Kannettavat aseet ovat kevyitä (tyypillisesti alle 20 kiloa) ja niitä voidaan kantaa ja käyttää melkein missä tahansa. Optista CMMS: ää käytetään kuitenkin yhä enemmän teollisuudessa. Optiset CMMS on suunniteltu kompakteilla lineaarisilla tai matriisiryhmien kameroilla (kuten Microsoft Kinect) pienempiä kuin kannettavat CMM: t, joissa on aseita, ei ole johtoja ja antaa käyttäjille mahdollisuuden tehdä helposti kaikentyyppisiä objekteja 3D -mittauksia.

Tietyt ei-toistuvat sovellukset, kuten käänteinen tekniikka, nopea prototyyppien määritys ja kaiken kokoisten osien laajamittainen tarkastus, sopivat ihanteellisesti kannettaviin CMM: iin. Kannettavien CMM: ien edut ovat monipuolisia. Käyttäjillä on joustavuus tehdä 3D -mittauksia kaikentyyppisistä osista ja kaikkein kaikkein vaikeimmista paikoista. Niitä on helppo käyttää, eivätkä ne vaadi valvottua ympäristöä tarkkojen mittausten suorittamiseksi. Lisäksi kannettavat CMM: t maksavat yleensä vähemmän kuin perinteiset CMM: t.

Kannettavien CMM: ien luontaiset kompromissit ovat manuaalista toimintaa (ne vaativat aina ihmistä käyttämään niitä). Lisäksi niiden yleinen tarkkuus voi olla jonkin verran vähemmän tarkka kuin siltatyypin CMM ja se on vähemmän sopiva joihinkin sovelluksiin.

Multisensorin mitat

Perinteinen CMM -tekniikka, joka käyttää kosketuskoettimia, yhdistetään usein muihin mittaustekniikkaan. Tähän sisältyy laser-, video- tai valkoisten valoanturit, jotka tunnetaan multisensorimittauksena.