Mikä on koordinaattimittauskone?

AkoordinaattimittauskoneKMK (CMM) on laite, joka mittaa fyysisten kappaleiden geometriaa tunnistamalla kappaleen pinnalla olevia erillisiä pisteitä anturilla. KMK:issa käytetään erityyppisiä antureita, mukaan lukien mekaanisia, optisia, laser- ja valkovaloantureita. Koneesta riippuen käyttäjä voi ohjata anturin asentoa manuaalisesti tai se voi olla tietokoneohjattu. KMK:t määrittävät tyypillisesti anturin sijainnin sen siirtymänä referenssiasemasta kolmiulotteisessa karteesisessa koordinaatistossa (eli XYZ-akseleilla). Anturin liikuttamisen lisäksi X-, Y- ja Z-akseleita pitkin monet koneet mahdollistavat myös anturin kulman ohjaamisen, jotta voidaan mitata pintoja, jotka muuten olisivat saavuttamattomissa.

Tyypillinen 3D-”silta”-koordinaatistokone sallii mittausanturin liikkeen kolmea akselia, X, Y ja Z, pitkin. Akselit ovat ortogonaalisia toisiinsa nähden kolmiulotteisessa karteesisessa koordinaatistossa. Jokaisella akselilla on anturi, joka valvoo mittausanturin sijaintia kyseisellä akselilla, tyypillisesti mikrometrin tarkkuudella. Kun mittausanturi koskettaa (tai muuten havaitsee) tiettyä kohtaa kappaleessa, kone ottaa näytteen kolmesta asentoanturista ja mittaa siten yhden pisteen sijainnin kappaleen pinnalla sekä mittauksen kolmiulotteisen vektorin. Tätä prosessia toistetaan tarvittaessa siirtämällä mittausanturia joka kerta, jolloin syntyy ”pistepilvi”, joka kuvaa kiinnostuksen kohteena olevia pinta-aloja.

KMK-koneita käytetään yleisesti valmistus- ja kokoonpanoprosesseissa osan tai kokoonpanon testaamiseen suunnittelutarkoitusta vasten. Tällaisissa sovelluksissa luodaan pistepilviä, joita analysoidaan regressioalgoritmien avulla ominaisuuksien konstruoimiseksi. Nämä pisteet kerätään anturilla, jonka käyttäjä sijoittaa manuaalisesti tai automaattisesti suoran tietokoneohjauksen (DCC) avulla. DCC-KMK-laitteet voidaan ohjelmoida mittaamaan toistuvasti identtisiä osia; siksi automaattinen KMK on erikoistunut teollisuusrobotti.

Osat

Koordinaattimittauskoneissa on kolme pääkomponenttia:

• Päärakenne, johon kuuluu kolme liikeakselia. Liikkuvan rungon rakennusmateriaali on vaihdellut vuosien varrella. Varhaisissa koordinaattimittauslaitteissa (CMM) käytettiin graniittia ja terästä. Nykyään kaikki suuret CMM-valmistajat rakentavat kehyksiä alumiiniseoksesta tai jostakin sen johdannaisesta ja käyttävät myös keramiikkaa Z-akselin jäykkyyden lisäämiseksi skannaussovelluksissa. Harvat CMM-valmistajat valmistavat nykyään edelleen graniittirunkoisia CMM:iä markkinoiden vaatimusten vuoksi parantaa mittausdynamiikkaa ja kasvavan trendin vuoksi asentaa CMM laatulaboratorioiden ulkopuolelle. Tyypillisesti vain pienen tuotantomäärän CMM-valmistajat ja kotimaiset valmistajat Kiinassa ja Intiassa valmistavat edelleen graniittirunkoisia CMM:iä alhaisen teknologian lähestymistavan ja helpon pääsyn vuoksi CMM-runkovalmistajaksi. Kasvava skannaussuuntaus edellyttää myös, että CMM:n Z-akseli on jäykempi, ja uusia materiaaleja, kuten keraamia ja piikarbidia, on otettu käyttöön.
• Luotausjärjestelmä
• Tiedonkeruu- ja tiedonkäsittelyjärjestelmä – tyypillisesti sisältää koneenohjaimen, pöytätietokoneen ja sovellusohjelmiston.

Saatavuus

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

Tarkkuus

Koordinaattimittauskoneiden tarkkuus annetaan tyypillisesti epävarmuuskertoimena etäisyyden funktiona. Kosketusanturia käyttävässä koordinaattimittauskoneessa tämä liittyy mittausanturin toistettavuuteen ja lineaariasteikkojen tarkkuuteen. Tyypillinen mittausanturin toistettavuus voi johtaa mittauksiin, jotka ovat 0,001 mm:n tai 0,00005 tuuman (puoli kymmenesosaa) tarkkuudella koko mittausalueella. 3-, 3+2- ja 5-akselisissa koneissa mittausanturit kalibroidaan rutiininomaisesti jäljitettävien standardien avulla ja koneen liike varmennetaan mittareilla tarkkuuden varmistamiseksi.

Tietyt osat

Koneen runko

Ensimmäisen koordinaattimittauskoneen kehitti skotlantilainen Ferranti Company 1950-luvulla, koska heidän oli tarpeen mitata tarkkuuskomponentteja sotilastuotteissaan. Koneessa oli kuitenkin vain kaksi akselia. Ensimmäiset kolmiakseliset mallit alkoivat ilmestyä 1960-luvulla (Italian DEA) ja tietokoneohjaus debytoi 1970-luvun alussa, mutta ensimmäisen toimivan koordinaattimittauskoneen kehitti ja toi myyntiin Browne & Sharpe Melbournessa, Englannissa. (Leitz Saksa valmisti myöhemmin kiinteärakenteisen koneen, jossa oli liikkuva pöytä.)

Nykyaikaisissa koneissa portaalityyppisessä ylärakenteessa on kaksi jalkaa, ja sitä kutsutaan usein sillaksi. Se liikkuu vapaasti graniittipöytää pitkin siten, että toinen jalka (usein sisäjalka) seuraa graniittipöydän toiselle puolelle kiinnitettyä ohjauskiskoa. Vastakkainen jalka (usein ulkojalka) lepää graniittipöydällä pystysuoran pinnan ääriviivan mukaisesti. Ilmalaakerit ovat valittu menetelmä kitkattoman liikkeen varmistamiseksi. Näissä paineilma pakotetaan useiden hyvin pienten reikien läpi tasaisessa laakeripinnassa, jolloin muodostuu tasainen mutta hallittu ilmatyyny, jonka päällä koordinaattimittauskone voi liikkua lähes kitkattomasti. Tämä voidaan kompensoida ohjelmistolla. Sillan tai portaalin liike graniittipöytää pitkin muodostaa XY-tason yhden akselin. Portaalin silta sisältää vaunun, joka kulkee sisä- ja ulkojalan välissä ja muodostaa toisen X- tai Y-vaaka-akselin. Kolmas liikeakseli (Z-akseli) saadaan lisäämällä pystysuora pensas tai kara, joka liikkuu ylös ja alas vaunun keskiosan läpi. Kosketusanturi muodostaa anturilaitteen pensaan päässä. X-, Y- ja Z-akseleiden liike kuvaa täysin mittausalueen. Valinnaisia ​​pyöröpöytiä voidaan käyttää parantamaan mittausanturin saavutettavuutta monimutkaisiin työkappaleisiin. Pyöröpöytä neljäntenä käyttöakselina ei paranna mittausmittoja, jotka pysyvät kolmiulotteisina, mutta se tarjoaa jonkin verran joustavuutta. Jotkut kosketusanturit ovat itse moottoroituja pyörölaitteita, joiden kärki voi kääntyä pystysuunnassa yli 180 astetta ja kiertää täydet 360 astetta.

KMK-koneita on nykyään saatavilla myös monissa muissa muodoissa. Näitä ovat KMK-varret, jotka käyttävät varren nivelistä otettuja kulmamittauksia mittakynän kärjen sijainnin laskemiseen, ja ne voidaan varustaa antureilla laserskannausta ja optista kuvantamista varten. Tällaisia ​​varsisia KMK-koneita käytetään usein silloin, kun niiden siirrettävyys on etu perinteisiin kiinteäpohjaisiin KMK-koneisiin verrattuna – tallentamalla mitatut sijainnit ohjelmointiohjelmisto mahdollistaa myös itse mittausvarren ja sen mittaustilavuuden liikuttamisen mitattavan osan ympäri mittausrutiinin aikana. Koska KMK-varret jäljittelevät ihmisen käsivarren joustavuutta, ne pystyvät usein myös ulottumaan monimutkaisten osien sisäosiin, joita ei voitaisi mitata tavallisella kolmiakselisella koneella.

Mekaaninen anturi

Koordinaattimittausten (CMM) alkuaikoina mekaaniset mittausanturit asennettiin kynän päässä olevaan erityiseen pidikkeeseen. Hyvin yleinen mittausanturi valmistettiin juottamalla kova pallo varren päähän. Tämä oli ihanteellinen tapa mitata erilaisia ​​tasopintoja, lieriömäisiä tai pallomaisia ​​pintoja. Muut mittausanturit hiottiin tiettyihin muotoihin, esimerkiksi kvadrantteihin, jotta erityispiirteitä voitiin mitata. Nämä mittausanturit pidettiin fyysisesti työkappaletta vasten, ja niiden sijainti avaruudessa luettiin kolmiakselisesta digitaalisesta näyttölaitteesta (DRO) tai edistyneemmissä järjestelmissä ne kirjattiin tietokoneeseen jalkakytkimellä tai vastaavalla laitteella. Tällä kosketusmenetelmällä tehdyt mittaukset olivat usein epäluotettavia, koska koneita liikuteltiin käsin ja jokainen koneenkäyttäjä kohdisti mittausanturiin eri määriä painetta tai käytti erilaisia ​​mittaustekniikoita.

Lisäkehitys oli moottoreiden lisääminen kutakin akselia käyttämään. Käyttäjän ei enää tarvinnut fyysisesti koskea koneeseen, vaan hän pystyi ohjaamaan kutakin akselia ohjaussauvojen avulla käsilaatikolla, aivan samalla tavalla kuin nykyaikaisissa kauko-ohjattavissa autoissa. Mittaustarkkuus parani dramaattisesti elektronisen kosketusanturin keksimisen myötä. Tämän uuden mittauslaitteen edelläkävijä oli David McMurtry, joka myöhemmin perusti yrityksen, joka tunnetaan nykyään Renishaw plc:nä. Vaikka anturi oli edelleen kosketuslaite, siinä oli jousikuormitettu teräskuulan (myöhemmin rubiinipallon) muotoinen piirtokynä. Kun anturi kosketti komponentin pintaa, piirtokynä taipui ja lähetti samanaikaisesti X-, Y- ja Z-koordinaatit tietokoneelle. Yksittäisten käyttäjien aiheuttamat mittausvirheet vähenivät, ja CNC-operaatioiden ja koordinaattimittakoneiden aikakauden tulo oli valmis.

Optiset anturit ovat linssi-CCD-järjestelmiä, joita liikutetaan kuten mekaanisia anturien järjestelmiä ja jotka on suunnattu kiinnostuspisteeseen materiaalin koskettamisen sijaan. Pinnasta otettu kuva ympäröidään mittausikkunan reunoilla, kunnes jäännös on riittävän kontrastinen mustien ja valkoisten alueiden välillä. Jakautumiskäyrä voidaan laskea pisteeseen, joka on haluttu mittauspiste avaruudessa. CCD:n vaakasuuntainen sijainti on 2D (XY) ja pystysuuntainen sijainti on koko anturijärjestelmän sijainti jalustan Z-asemassa (tai muussa laitekomponentissa).

Skannaavat luotainjärjestelmät

Uudempien mallien anturit liikkuvat kappaleenottopisteiden pinnalla tietyin välein, ja niitä kutsutaan skannaaviksi antureiksi. Tämä CMM-tarkastusmenetelmä on usein tarkempi kuin perinteinen kosketusanturimenetelmä ja useimmiten myös nopeampi.

Seuraavan sukupolven skannaus, joka tunnetaan nimellä kosketukseton skannaus ja johon kuuluvat nopea laserpistekolmiomittaus, laserviivaskannaus ja valkoisen valon skannaus, kehittyy erittäin nopeasti. Tässä menetelmässä käytetään joko lasersäteitä tai valkoista valoa, jotka heijastetaan osan pintaa vasten. Tuhansia pisteitä voidaan sitten ottaa ja käyttää paitsi koon ja sijainnin tarkistamiseen, myös osan 3D-kuvan luomiseen. Tämä "pistepilvidata" voidaan sitten siirtää CAD-ohjelmistoon osan toimivan 3D-mallin luomiseksi. Näitä optisia skannereita käytetään usein pehmeisiin tai herkkiin osiin tai käänteisen suunnittelun helpottamiseksi.

Mikrometrologian koettimet

Mikroskooppisten metrologiasovellusten mittausjärjestelmät ovat toinen nouseva alue. Kaupallisesti saatavilla on useita koordinaattimittauskoneita (CMM), joihin on integroitu mikroanturi, useita erikoisjärjestelmiä valtion laboratorioissa ja lukuisia yliopistojen rakentamia metrologia-alustoja mikroskooppiseen metrologiaan. Vaikka nämä koneet ovat hyviä ja monissa tapauksissa erinomaisia ​​nanometrisillä mittakaavoilla varustettuja metrologia-alustoja, niiden ensisijainen rajoitus on luotettava, kestävä ja suorituskykyinen mikro-/nanoanturi.^{[viittaus tarvitaan]}Mikroskooppisten luotaustekniikoiden haasteisiin kuuluu tarve korkean kuvasuhteen omaavalle luotaimelle, joka mahdollistaa syvien ja kapeiden ominaisuuksien saavuttamisen pienillä kosketusvoimilla pinnan vahingoittumatta ja suurella tarkkuudella (nanometritasolla).^{[viittaus tarvitaan]}Lisäksi mikroskooppiset luotaimet ovat alttiita ympäristöolosuhteille, kuten kosteudelle, ja pintavuorovaikutuksille, kuten kitkalle (jonka aiheuttavat muun muassa adheesio, meniski ja/tai Van der Waalsin voimat).^{[viittaus tarvitaan]}

Mikroskooppisten luotainten saavuttamiseen käytettäviä teknologioita ovat muun muassa klassisten KMK-antureiden pienemmät versiot, optiset luotaimet ja seisovan aallon luotain. Nykyisiä optisia tekniikoita ei kuitenkaan voida skaalata tarpeeksi pieneksi syvien ja kapeiden rakenteiden mittaamiseksi, ja optinen resoluutio on rajoitettu valon aallonpituuden mukaan. Röntgenkuvaus tarjoaa kuvan rakenteesta, mutta ei jäljitettävissä olevaa mittaustietoa.

Fysikaaliset periaatteet

Optisia ja/tai laserantureita voidaan käyttää (jos mahdollista yhdessä), jotka muuttavat koordinaattimittauskoneet mittausmikroskoopeiksi tai monianturisiksi mittauskoneiksi. Reunaprojektiojärjestelmiä, teodoliittikolmiomittausjärjestelmiä tai laserkaukomittaus- ja kolmiomittausjärjestelmiä ei kutsuta mittauskoneiksi, mutta mittaustulos on sama: avaruuspiste. Laserantureita käytetään pinnan ja kinemaattisen ketjun päässä (eli Z-käyttökomponentin päässä) olevan referenssipisteen välisen etäisyyden mittaamiseen. Tässä voidaan käyttää interferometristä funktiota, tarkennuksen vaihtelua, valon taipumista tai säteen varjostusperiaatetta.

Kannettavat koordinaattimittauskoneet

Perinteisissä koordinaattimittauslaitteissa käytetään mittausanturia, joka liikkuu kolmella karteesisella akselilla kohteen fyysisten ominaisuuksien mittaamiseen, kun taas kannettavissa koordinaattimittauslaitteissa käytetään joko nivellettyjä varsia tai optisten koordinaattimittauslaitteiden tapauksessa varrettomia skannausjärjestelmiä, jotka hyödyntävät optisia kolmiomittausmenetelmiä ja mahdollistavat täydellisen liikkumisvapauden kohteen ympärillä.

Kannettavissa nivelletyillä varsilla varustetuissa koordinaattimittauskoneissa on kuusi tai seitsemän akselia, joissa on pyörivät enkooderit lineaaristen akseleiden sijaan. Kannettavat varret ovat kevyitä (yleensä alle 9 kiloa) ja niitä voidaan kuljettaa mukana ja käyttää lähes missä tahansa. Optisia koordinaattimittauskoneita käytetään kuitenkin yhä enemmän teollisuudessa. Kompakteilla lineaari- tai matriisikamerajärjestelmillä (kuten Microsoft Kinect) varustetut optiset koordinaattimittauskoneet ovat pienempiä kuin kannettavat varrelliset koordinaattimittauskoneet, niissä ei ole johtoja, ja niiden avulla käyttäjät voivat helposti ottaa 3D-mittauksia kaikenlaisista esineistä lähes missä tahansa.

Tietyt ei-toistuvat sovellukset, kuten käänteinen suunnittelu, nopea prototyyppien valmistus ja kaikenkokoisten osien laajamittainen tarkastus, sopivat ihanteellisesti kannettaville KMK-laitteille. Kannettavien KMK-laitteiden edut ovat moninaiset. Käyttäjillä on joustavuutta ottaa 3D-mittauksia kaikentyyppisistä osista ja kaikkein syrjäisimmistä/vaikeimmista paikoista. Ne ovat helppokäyttöisiä eivätkä vaadi valvottua ympäristöä tarkkojen mittausten tekemiseen. Lisäksi kannettavat KMK-laitteet ovat yleensä halvempia kuin perinteiset KMK-laitteet.

Kannettavien koordinaattimittauskoneiden (CMM) luontainen haittapuoli on manuaalinen käyttö (ne vaativat aina ihmisen käyttääkseen niitä). Lisäksi niiden yleinen tarkkuus voi olla jonkin verran epätarkempi kuin siltatyyppisten koordinaattimittauskoneiden, ja ne sopivat huonommin kaikkiin sovelluksiin.

Monianturimittauskoneet

Perinteistä kosketusantureilla varustettua koordinaattilaskentakonetekniikkaa yhdistetään nykyään usein muihin mittausteknologioihin. Näihin kuuluvat laser-, video- tai valkoisen valon anturit, jolloin saavutetaan niin sanottu monianturimittaus.