Mikä on koordinaattimittauskone?

Akoordinaattimittauskone(CMM) on laite, joka mittaa fyysisten kohteiden geometriaa mittaamalla erillisiä pisteitä kohteen pinnalla.CMM:issä käytetään erilaisia ​​antureita, mukaan lukien mekaaninen, optinen, laser ja valkoinen valo.Koneesta riippuen anturin asentoa voi ohjata manuaalisesti käyttäjä tai se voi olla tietokoneohjattu.CMM:t määrittelevät tyypillisesti anturin sijainnin sen siirtymänä vertailupaikasta kolmiulotteisessa suorakulmaisessa koordinaatistossa (eli XYZ-akseleilla).Sen lisäksi, että anturia liikutetaan X-, Y- ja Z-akseleita pitkin, monet koneet mahdollistavat myös anturin kulman säätämisen, jotta voidaan mitata pintoja, joihin muuten ei päästäisi.

Tyypillinen 3D-silta-CMM mahdollistaa anturin liikkeen kolmea akselia, X, Y ja Z, pitkin, jotka ovat ortogonaalisia toisiinsa nähden kolmiulotteisessa suorakulmaisessa koordinaattijärjestelmässä.Jokaisella akselilla on anturi, joka tarkkailee anturin sijaintia kyseisellä akselilla, tyypillisesti mikrometrin tarkkuudella.Kun anturi koskettaa (tai muuten havaitsee) tietyn kohteen kohteessa, kone ottaa näytteitä kolmesta paikkaanturista ja mittaa siten yhden pisteen sijainnin kohteen pinnalla sekä suoritetun mittauksen kolmiulotteisen vektorin.Tämä prosessi toistetaan tarpeen mukaan liikuttamalla koetinta joka kerta, jolloin saadaan "pistepilvi", joka kuvaa kiinnostavat pinta-alat.

CMM:ien yleinen käyttö on valmistus- ja kokoonpanoprosesseissa osan tai kokoonpanon testaamiseksi suunnittelutarkoituksessa.Tällaisissa sovelluksissa luodaan pistepilviä, jotka analysoidaan regressioalgoritmien avulla piirteiden rakentamiseksi.Nämä pisteet kerätään käyttämällä anturia, jonka käyttäjä asettaa manuaalisesti tai automaattisesti Direct Computer Controlin (DCC) avulla.DCC CMM:t voidaan ohjelmoida mittaamaan toistuvasti identtisiä osia;näin ollen automatisoitu CMM on teollisuusrobotin erikoismuoto.

Osat

Koordinaattimittauskoneet sisältävät kolme pääkomponenttia:

• Päärakenne, joka sisältää kolme liikeakselia.Liikkuvan rungon rakentamiseen käytetty materiaali on vaihdellut vuosien varrella.Graniittia ja terästä käytettiin varhaisissa CMM: issä.Nykyään kaikki suuret CMM-valmistajat rakentavat kehyksiä alumiiniseoksesta tai jostakin johdannaisesta ja käyttävät myös keramiikkaa lisäämään Z-akselin jäykkyyttä skannaussovelluksissa.Harvat CMM-rakentajat valmistavat edelleen graniittirunkoisia CMM:itä, koska markkinat vaativat parannettua metrologian dynamiikkaa ja lisääntyvää suuntausta asentaa CMM-yksikkö laatulaboratorion ulkopuolelle.Tyypillisesti vain pienimääräiset CMM-rakentajat ja kotimaiset valmistajat Kiinassa ja Intiassa valmistavat edelleen graniittista CMM:ää alhaisen teknologian ja helpon pääsyn ansiosta CMM-runkojen rakentajaksi.Kasvava suuntaus skannaamiseen vaatii myös CMM Z -akselin jäykkyyttä ja uusia materiaaleja, kuten keraamia ja piikarbidia, on otettu käyttöön.
• Koetusjärjestelmä
• Tiedonkeruu- ja vähennysjärjestelmä – sisältää tyypillisesti koneohjaimen, pöytätietokoneen ja sovellusohjelmiston.

Saatavuus

Nämä koneet voivat olla vapaasti seisovia, kädessä pidettäviä ja kannettavia.

Tarkkuus

Koordinaattimittauskoneiden tarkkuus annetaan tyypillisesti epävarmuustekijänä etäisyyden funktiona.Kosketusanturia käyttävän CMM:n kohdalla tämä liittyy mittapään toistettavuuteen ja lineaarisen asteikon tarkkuuteen.Tyypillinen anturin toistettavuus voi johtaa mittauksiin, jotka ovat 0,001 mm:n tai 0,00005 tuuman (puoli kymmenesosa) sisällä koko mittaustilavuudesta.3-, 3+2- ja 5-akselisissa koneissa anturit kalibroidaan rutiininomaisesti jäljitettävien standardien avulla ja koneen liike tarkistetaan mittareilla tarkkuuden varmistamiseksi.

Tietyt osat

Koneen runko

Ensimmäisen CMM:n kehitti Ferranti Company of Scotland 1950-luvulla seurausta suorasta tarpeesta mitata tarkkuuskomponentteja sotilastuotteissaan, vaikka tässä koneessa oli vain 2 akselia.Ensimmäiset 3-akseliset mallit alkoivat ilmestyä 1960-luvulla (DEA of Italy) ja tietokoneohjaus debytoi 1970-luvun alussa, mutta ensimmäisen toimivan CMM:n kehitti ja laittoi myyntiin Browne & Sharpe Melbournessa, Englannissa.(Leitz Saksa valmisti myöhemmin kiinteän konerakenteen liikkuvalla pöydällä.

Nykyaikaisissa koneissa portaalityyppisellä päällirakenteella on kaksi jalkaa ja sitä kutsutaan usein sillaksi.Tämä liikkuu vapaasti graniittipöytää pitkin toisella jalalla (kutsutaan usein sisäjalkaksi) graniittipöydän toiselle puolelle kiinnitetyn ohjauskiskon jälkeen.Vastakkainen jalka (usein ulkojalka) yksinkertaisesti lepää graniittipöydällä noudattaen pystysuoraa pinnan ääriviivaa.Ilmalaakerit ovat valittu tapa varmistaa kitkaton liike.Näissä paineilma pakotetaan sarjan hyvin pienten reikien läpi tasaisella laakeripinnalla tasaisen mutta hallitun ilmatyynyn aikaansaamiseksi, jolla CMM voi liikkua lähes kitkattomasti, mikä voidaan kompensoida ohjelmiston avulla.Sillan tai portaalin liike graniittipöytää pitkin muodostaa yhden XY-tason akselin.Portaalin silta sisältää vaunun, joka kulkee sisä- ja ulkojalkojen välillä ja muodostaa toisen X- tai Y-vaaka-akselin.Kolmas liikeakseli (Z-akseli) on aikaansaatu lisäämällä pystysuora sulka tai kara, joka liikkuu ylös ja alas vaunun keskikohdan läpi.Kosketusanturi muodostaa tunnistuslaitteen kynän päässä.X-, Y- ja Z-akselien liike kuvaa täysin mittauskäyrää.Lisävarusteena saatavia pyöriviä pöytiä voidaan käyttää parantamaan mittapään lähestyttävyyttä monimutkaisiin työkappaleisiin.Pyörivä pöytä neljäntenä käyttöakselina ei paranna mittausmittoja, jotka säilyvät 3D:nä, mutta tarjoaa jonkin verran joustavuutta.Jotkut kosketusanturit ovat itse pyöriviä laitteita, joiden anturin kärki voi kääntyä pystysuunnassa yli 180 astetta ja täyden 360 asteen kiertoa.

CMM:t ovat nyt saatavilla myös monissa muissa muodoissa.Näitä ovat mm. CMM-varret, jotka käyttävät varren nivelistä tehtyjä kulmamittauksia kynän kärjen sijainnin laskemiseen, ja ne voidaan varustaa antureilla laserskannausta ja optista kuvantamista varten.Tällaisia ​​varsi-CMM:itä käytetään usein silloin, kun niiden siirrettävyys on etu perinteisiin kiinteään sänkyyn nähden – mittauspaikat tallentamalla ohjelmointiohjelmisto mahdollistaa myös itse mittausvarren ja sen mittatilavuuden siirtämisen mitattavan osan ympäri mittausrutiinin aikana.Koska CMM-varret jäljittelevät ihmisen käsivarren joustavuutta, ne pystyvät usein saavuttamaan myös monimutkaisten osien sisäosien, joita ei voitu tutkia tavallisella kolmiakselisella koneella.

Mekaaninen anturi

Koordinaattimittauksen (CMM) alkuaikoina mekaaniset anturit sovitettiin erityiseen pitimeen sulkakynän päässä.Hyvin yleinen koetin tehtiin juottamalla kova pallo akselin päähän.Tämä oli ihanteellinen useiden tasaisten, sylinterimäisten tai pallomaisten pintojen mittaamiseen.Muut koettimet hiottiin tiettyihin muotoihin, esimerkiksi kvadranttiin, erikoispiirteiden mittaamisen mahdollistamiseksi.Nämä anturit pidettiin fyysisesti työkappaletta vasten siten, että sijainti avaruudessa luettiin 3-akselisesta digitaalisesta lukemasta (DRO) tai edistyneemmissä järjestelmissä kirjattiin tietokoneeseen jalkakytkimen tai vastaavan laitteen avulla.Tällä kosketusmenetelmällä tehdyt mittaukset olivat usein epäluotettavia, koska koneita siirrettiin käsin ja jokainen koneen käyttäjä kohdistai eri määriä painetta koettimeen tai käytti erilaisia ​​mittaustekniikoita.

Lisäkehitys oli moottoreiden lisääminen jokaista akselia varten.Kuljettajien ei enää tarvinnut fyysisesti koskettaa konetta, vaan he pystyivät ajamaan jokaista akselia käyttämällä ohjaussauvoja sisältävää käsilaatikkoa samalla tavalla kuin nykyaikaisissa kauko-ohjattavissa autoissa.Mittaustarkkuus ja tarkkuus paranivat dramaattisesti elektronisen kosketusanturin keksimisen myötä.Tämän uuden luotainlaitteen edelläkävijä oli David McMurtry, joka myöhemmin muodosti nykyisen Renishaw plc:n.Vaikka koettimessa oli edelleen kontaktilaite, siinä oli jousikuormitettu teräskuula (myöhemmin rubiinipallo).Kun koetin kosketti komponentin pintaa, kynä poikkesi ja lähetti samanaikaisesti X,Y,Z-koordinaattitiedot tietokoneelle.Yksittäisten operaattoreiden aiheuttamat mittausvirheet vähenivät ja alusta luotiin CNC-toimintojen käyttöönotolle ja CMM:ien ikääntymiselle.

Optiset anturit ovat linssi-CCD-järjestelmiä, joita liikutetaan kuten mekaanisia, ja ne suunnataan kiinnostavaan kohtaan materiaalin koskemisen sijaan.Otettu kuva pinnasta suljetaan mittausikkunan reunoihin, kunnes jäännös on riittävä kontrastia mustien ja valkoisten vyöhykkeiden välillä.Jakokäyrä voidaan laskea pisteeseen, joka on haluttu mittauspiste avaruudessa.CCD:n vaakasuuntaiset tiedot ovat 2D (XY) ja pystyasento on koko mittausjärjestelmän sijainti jalustan Z-asemassa (tai muussa laitekomponentissa).

Skannausanturijärjestelmät

On uudempia malleja, joissa on anturit, jotka vetävät osan pintaa pitkin ottamaan pisteitä tietyin väliajoin, joita kutsutaan skannausantureiksi.Tämä CMM-tarkastusmenetelmä on usein tarkempi kuin perinteinen kosketusanturimenetelmä ja useimmiten myös nopeampi.

Seuraavan sukupolven skannaus, joka tunnetaan nimellä kontaktiton skannaus, joka sisältää nopean laserin yhden pisteen kolmiomittauksen, laserviivaskannauksen ja valkoisen valon skannauksen, kehittyy erittäin nopeasti.Tämä menetelmä käyttää joko lasersäteitä tai valkoista valoa, joka projisoidaan osan pintaa vasten.Useita tuhansia pisteitä voidaan sitten ottaa ja käyttää paitsi koon ja sijainnin tarkistamiseen, myös 3D-kuvan luomiseen osasta.Nämä "pistepilvitiedot" voidaan sitten siirtää CAD-ohjelmistoon, jotta osasta voidaan luoda toimiva 3D-malli.Näitä optisia skannereita käytetään usein pehmeissä tai herkissä osissa tai käänteisen suunnittelun helpottamiseksi.

Mikrometriset anturit

Mikromittakaavaisten metrologisten sovellusten koetusjärjestelmät ovat toinen nouseva alue.On olemassa useita kaupallisesti saatavilla olevia koordinaattimittauskoneita (CMM), joissa on järjestelmään integroitu mikroanturi, useita erikoisjärjestelmiä valtion laboratorioissa ja mikä tahansa määrä yliopistossa rakennettuja metrologiaalustoja mikromittakaavaan.Vaikka nämä koneet ovat hyviä ja monissa tapauksissa erinomaisia ​​metrologisia alustoja nanometrisillä asteikoilla, niiden ensisijainen rajoitus on luotettava, vankka, kykenevä mikro/nano-anturi.^{[viite Tarvitaan]}Mikromittakaavaisten koetustekniikoiden haasteisiin kuuluu tarve korkean kuvasuhteen anturille, joka mahdollistaa pääsyn syviin, kapeisiin kohtiin pienillä kosketusvoimilla, jotta pinta ei vahingoitu, ja korkea tarkkuus (nanometritaso).^{[viite Tarvitaan]}Lisäksi mikromittakaavaiset anturit ovat herkkiä ympäristöolosuhteille, kuten kosteudelle ja pinnan vuorovaikutuksille, kuten stktiolle (joita aiheuttavat mm. adheesio, menisk ja/tai Van der Waalsin voimat).^{[viite Tarvitaan]}

Mikromittakaavaisen mittaustekniikan saavuttamiseksi on muun muassa skaalattu versio klassisista CMM-antureista, optisista antureista ja seisovan aallon koettimesta.Nykyisiä optisia tekniikoita ei kuitenkaan voida skaalata tarpeeksi pieneksi mittaamaan syvää, kapeaa ominaisuutta, ja optista resoluutiota rajoittaa valon aallonpituus.Röntgenkuvaus antaa kuvan ominaisuudesta, mutta ei jäljitettävissä olevia metrologisia tietoja.

Fyysiset periaatteet

Voidaan käyttää optisia antureita ja/tai laserantureita (jos mahdollista yhdistelmänä), jotka muuttavat CMM:t mittausmikroskooppeiksi tai monisensorimittauskoneiksi.Hapsuprojektiojärjestelmiä, teodoliittikolmiojärjestelmiä tai laser-etä- ja kolmiomittausjärjestelmiä ei kutsuta mittauskoneiksi, mutta mittaustulos on sama: avaruuspiste.Laserantureita käytetään pinnan ja kinemaattisen ketjun päässä olevan vertailupisteen (eli Z-käyttökomponentin pään) välisen etäisyyden havaitsemiseen.Tämä voi käyttää interferometristä toimintoa, tarkennuksen vaihtelua, valon taipumista tai säteen varjostusperiaatetta.

Kannettavat koordinaattimittauskoneet

Perinteiset CMM:t käyttävät kolmella suorakulmaisella akselilla liikkuvaa koetinta kohteen fyysisten ominaisuuksien mittaamiseen, kun taas kannettavat CMM:t käyttävät joko nivelvarsia tai optisten CMM:ien tapauksessa käsivarrettomia skannausjärjestelmiä, jotka käyttävät optisia kolmiomittausmenetelmiä ja mahdollistavat täydellisen liikkumisvapauden. kohteen ympärillä.

Nivelvarreilla varustetuissa kannettavissa CMM:issä on kuusi tai seitsemän akselia, jotka on varustettu pyörivillä koodereilla lineaaristen akselien sijaan.Kannettavat käsivarret ovat kevyitä (yleensä alle 20 kiloa) ja niitä voidaan kuljettaa ja käyttää melkein missä tahansa.Optisia CMM:itä käytetään kuitenkin yhä enemmän teollisuudessa.Optiset CMM:t, jotka on suunniteltu pienikokoisilla lineaarisilla tai matriisimatriisikameroilla (kuten Microsoft Kinect), ovat pienempiä kuin kannettavat CMM:t, joissa on käsivarret. Niissä ei ole johtoja, ja niiden avulla käyttäjät voivat helposti tehdä 3D-mittauksia kaikentyyppisistä kohteista, jotka sijaitsevat melkein missä tahansa.

Tietyt ei-toistuvat sovellukset, kuten käänteinen suunnittelu, nopea prototyyppien valmistus ja kaikenkokoisten osien laajamittainen tarkastus, sopivat ihanteellisesti kannettaviin CMM:eihin.Kannettavien CMM:ien edut ovat moninaiset.Käyttäjillä on joustavuus tehdä 3D-mittauksia kaikentyyppisistä osista ja syrjäisimmissä/vaikeimmissa paikoissa.Ne ovat helppokäyttöisiä eivätkä vaadi valvottua ympäristöä tarkkojen mittausten tekemiseen.Lisäksi kannettavat CMM:t maksavat yleensä vähemmän kuin perinteiset CMM:t.

Kannettavien CMM:ien luontaiset kompromissit ovat manuaalinen käyttö (ne vaativat aina ihmisen käyttämään niitä).Lisäksi niiden kokonaistarkkuus voi olla hieman epätarkempi kuin siltatyyppisten CMM:ien ja ei sovellu joihinkin sovelluksiin.

Monianturimittauskoneet

Perinteistä kosketusanturia käyttävää CMM-tekniikkaa yhdistetään nykyään usein muun mittaustekniikan kanssa.Tämä sisältää laser-, video- tai valkoisen valon anturit, jotka mahdollistavat niin sanotun monianturimittauksen.