Čo je to súradnicový merací stroj?

Asúradnicový merací stroj(CMM) je zariadenie, ktoré meria geometriu fyzických objektov snímaním diskrétnych bodov na povrchu objektu pomocou sondy. V CMM sa používajú rôzne typy sond, vrátane mechanických, optických, laserových a sond s bielym svetlom. V závislosti od stroja môže byť poloha sondy ovládaná manuálne operátorom alebo môže byť ovládaná počítačom. CMM zvyčajne určujú polohu sondy z hľadiska jej posunutia od referenčnej polohy v trojrozmernom karteziánskom súradnicovom systéme (t. j. s osami XYZ). Okrem pohybu sondy pozdĺž osí X, Y a Z mnohé stroje umožňujú aj ovládanie uhla sondy, aby sa umožnilo meranie povrchov, ktoré by inak boli nedosiahnuteľné.

Typický 3D „mostíkový“ súradnicový merací stroj (CMM) umožňuje pohyb sondy pozdĺž troch osí, X, Y a Z, ktoré sú navzájom ortogonálne v trojrozmernom karteziánskom súradnicovom systéme. Každá os má senzor, ktorý monitoruje polohu sondy na tejto osi, zvyčajne s presnosťou na mikrometer. Keď sa sonda dotkne (alebo inak detekuje) konkrétne miesto na objekte, stroj odoberie vzorky z troch snímačov polohy, čím zmeria polohu jedného bodu na povrchu objektu, ako aj trojrozmerný vektor vykonaného merania. Tento proces sa podľa potreby opakuje, pričom sa sonda zakaždým posúva, aby sa vytvoril „bodový mrak“, ktorý popisuje skúmané povrchové oblasti.

Súradnicové měřiace stroje (CMM) sa bežne používajú vo výrobných a montážnych procesoch na testovanie súčiastky alebo zostavy v porovnaní s konštrukčným zámerom. V takýchto aplikáciách sa generujú mračná bodov, ktoré sa analyzujú pomocou regresných algoritmov na vytvorenie prvkov. Tieto body sa zhromažďujú pomocou sondy, ktorú manuálne umiestňuje operátor alebo automaticky pomocou priameho počítačového riadenia (DCC). Súradnicové měřiace stroje DCC je možné naprogramovať na opakované meranie identických súčiastok; automatizovaný súradnicový měřiaci stroj je teda špecializovanou formou priemyselného robota.

Časti

Súradnicové meracie stroje pozostávajú z troch hlavných komponentov:

• Hlavná konštrukcia, ktorá zahŕňa tri osi pohybu. Materiál použitý na konštrukciu pohyblivého rámu sa v priebehu rokov menil. V raných súradnicových meracích strojoch sa používala žula a oceľ. Dnes všetci hlavní výrobcovia súradnicových meracích strojov vyrábajú rámy zo zliatiny hliníka alebo jej derivátov a tiež používajú keramiku na zvýšenie tuhosti osi Z pre skenovacie aplikácie. Len málo výrobcov súradnicových meracích strojov dnes stále vyrába súradnicové meracie stroje s žulovým rámom kvôli požiadavkám trhu na lepšiu metrologickú dynamiku a rastúcemu trendu inštalácie súradnicových meracích strojov mimo laboratória kvality. Zvyčajne iba výrobcovia súradnicových meracích strojov s malým objemom výroby a domáci výrobcovia v Číne a Indii stále vyrábajú žulové súradnicové meracie stroje kvôli nízkotechnologickému prístupu a ľahkému vstupu na trh s rámami súradnicových meracích strojov. Rastúci trend skenovania si tiež vyžaduje, aby os Z súradnicového meracieho stroja bola tuhšia, a boli zavedené nové materiály, ako je keramika a karbid kremíka.
• Sondážny systém
• Systém zberu a spracovania údajov – zvyčajne zahŕňa riadiacu jednotku stroja, stolný počítač a aplikačný softvér.

Dostupnosť

Tieto stroje môžu byť voľne stojace, ručné a prenosné.

Presnosť

Presnosť súradnicových meracích strojov sa zvyčajne udáva ako faktor neistoty v závislosti od vzdialenosti. V prípade súradnicového měřidla (CMM) používajúce dotykovú sondu sa to týka opakovateľnosti sondy a presnosti lineárnych mierok. Typická opakovateľnosť sondy môže viesť k meraniam v rozmedzí 0,001 mm alebo 0,00005 palca (pol desatiny) v celom meranom objeme. V prípade 3-, 3+2 a 5-osových strojov sa sondy bežne kalibrujú pomocou sledovateľných noriem a pohyb stroja sa overuje pomocou meradiel, aby sa zabezpečila presnosť.

Špecifické časti

Telo stroja

Prvý súradnicový merací stroj (CMM) vyvinula škótska spoločnosť Ferranti v 50. rokoch 20. storočia ako dôsledok priamej potreby merať presné súčiastky vo svojich vojenských produktoch, hoci tento stroj mal iba 2 osi. Prvé 3-osové modely sa začali objavovať v 60. rokoch 20. storočia (Talianska spoločnosť DEA) a počítačové riadenie debutovalo začiatkom 70. rokov 20. storočia, ale prvý funkčný súradnicový merací stroj vyvinula a uviedla na trh spoločnosť Browne & Sharpe v Melbourne v Anglicku. (Spoločnosť Leitz Nemecko následne vyrobila pevnú konštrukciu stroja s pohyblivým stolom.)

V moderných strojoch má portálová nadstavba dve nohy a často sa nazýva most. Tá sa voľne pohybuje pozdĺž žulového stola, pričom jedna noha (často označovaná ako vnútorná noha) sleduje vodiacu koľajnicu pripevnenú k jednej strane žulového stola. Protiľahlá noha (často vonkajšia noha) jednoducho spočíva na žulovom stole a sleduje zvislý obrys povrchu. Vzduchové ložiská sú zvolenou metódou na zabezpečenie pohybu bez trenia. V nich je stlačený vzduch pretlačený cez sériu veľmi malých otvorov v plochom ložiskovom povrchu, aby sa vytvoril hladký, ale kontrolovaný vzduchový vankúš, na ktorom sa súradnicový merací stroj môže pohybovať takmer bez trenia, čo je možné kompenzovať softvérom. Pohyb mosta alebo portálu pozdĺž žulového stola tvorí jednu os roviny XY. Most portálu obsahuje vozík, ktorý sa pohybuje medzi vnútornou a vonkajšou nohou a tvorí druhú horizontálnu os X alebo Y. Tretia os pohybu (os Z) je zabezpečená pridaním vertikálnej pinoly alebo vretena, ktoré sa pohybuje hore a dole stredom vozíka. Dotyková sonda tvorí snímacie zariadenie na konci pinoly. Pohyb osí X, Y a Z plne popisuje merací priestor. Na zlepšenie prístupnosti meracej sondy ku zložitým obrobkom je možné použiť voliteľné otočné stoly. Otočný stôl ako štvrtá pohonná os síce nezlepšuje meracie rozmery, ktoré zostávajú 3D, ale poskytuje určitú flexibilitu. Niektoré dotykové sondy sú samy o sebe poháňané rotačné zariadenia s hrotom sondy, ktorý sa dokáže vertikálne otočiť o viac ako 180 stupňov a o plnú 360-stupňovú rotáciu.

Súradnicové meracie stroje (CMM) sú teraz dostupné aj v rôznych iných formách. Patria sem ramená CMM, ktoré používajú uhlové merania vykonané v kĺboch ​​ramena na výpočet polohy hrotu dotykového hrotu a môžu byť vybavené sondami na laserové skenovanie a optické zobrazovanie. Takéto ramenné CMM sa často používajú tam, kde je ich prenosnosť výhodou oproti tradičným CMM s pevným lôžkom – vďaka uloženiu nameraných polôh umožňuje programovací softvér aj pohyb samotného meracieho ramena a jeho meraného objemu okolo meraného dielu počas meracieho postupu. Keďže ramená CMM napodobňujú flexibilitu ľudského ramena, často dokážu dosiahnuť aj do vnútra zložitých dielov, ktoré by nebolo možné merať pomocou štandardného trojosového stroja.

Mechanická sonda

V raných dobách súradnicového merania (CMM) sa mechanické sondy upevňovali do špeciálneho držiaka na konci pinoly. Veľmi bežná sonda sa vyrábala spájkovaním tvrdej gule na koniec hriadeľa. To bolo ideálne na meranie celej škály plochých, valcových alebo guľových povrchov. Iné sondy sa brúsili do špecifických tvarov, napríklad do kvadrantu, aby sa umožnilo meranie špeciálnych prvkov. Tieto sondy sa fyzicky pridržiavali k obrobku, pričom ich poloha v priestore sa odčítavala z 3-osového digitálneho odčítača (DRO) alebo, v pokročilejších systémoch, sa zaznamenávala do počítača pomocou nožného spínača alebo podobného zariadenia. Merania vykonané touto kontaktnou metódou boli často nespoľahlivé, pretože stroje sa pohybovali ručne a každý operátor stroja vyvíjal na sondu rôzne množstvo tlaku alebo používal rôzne techniky merania.

Ďalším vývojom bolo pridanie motorov na pohon každej osi. Operátori sa už nemuseli fyzicky dotýkať stroja, ale mohli ovládať každú os pomocou ručného ovládača s joystickami podobným spôsobom ako v prípade moderných diaľkovo ovládaných automobilov. Presnosť a precíznosť merania sa dramaticky zlepšili s vynálezom elektronickej dotykovej sondy. Priekopníkom tohto nového sondovacieho zariadenia bol David McMurtry, ktorý následne založil spoločnosť, ktorá je dnes známa ako Renishaw plc. Hoci išlo stále o kontaktné zariadenie, sonda mala pružinový oceľový guľôčkový (neskôr rubínový) hrot. Keď sa sonda dotkla povrchu súčiastky, hrot sa vychýlil a súčasne odoslal informácie o súradniciach X, Y a Z do počítača. Chyby merania spôsobené jednotlivými operátormi sa znížili a vytvorili sa podmienky pre zavedenie CNC operácií a príchod súradnicových měřidiel (CMM).

Optické sondy sú šošovkové CCD systémy, ktoré sa pohybujú podobne ako mechanické a sú zamerané na bod záujmu, namiesto toho, aby sa dotýkali materiálu. Zachytený obraz povrchu bude ohraničený hranicami meracieho okna, kým zvyšok nebude dostatočný na kontrast medzi čiernymi a bielymi zónami. Rozdeľovaciu krivku je možné vypočítať do bodu, ktorý je požadovaným meracím bodom v priestore. Horizontálna informácia na CCD je 2D (XY) a vertikálna poloha je poloha celého snímacieho systému na Z-pohone stojana (alebo inom komponente zariadenia).

Systémy skenovacích sond

Existujú novšie modely, ktoré majú sondy, ktoré sa v určených intervaloch pohybujú po povrchu bodov odberu dielov, známe ako skenovacie sondy. Táto metóda kontroly na súradnicovom meracom stroji je často presnejšia ako konvenčná metóda dotykovej sondy a väčšinou aj rýchlejšia.

Ďalšia generácia skenovania, známa ako bezkontaktné skenovanie, ktorá zahŕňa vysokorýchlostnú laserovú trianguláciu jednotlivých bodov, laserové čiarové skenovanie a skenovanie bielym svetlom, napreduje veľmi rýchlo. Táto metóda využíva buď laserové lúče, alebo biele svetlo, ktoré sa premietajú na povrch dielu. Potom je možné nasnímať tisíce bodov a použiť ich nielen na kontrolu veľkosti a polohy, ale aj na vytvorenie 3D obrazu dielu. Tieto „dáta z mračna bodov“ je potom možné preniesť do CAD softvéru na vytvorenie funkčného 3D modelu dielu. Tieto optické skenery sa často používajú na mäkké alebo chúlostivé diely alebo na uľahčenie reverzného inžinierstva.

Mikrometrologické sondy

Ďalšou rozvíjajúcou sa oblasťou sú sondážne systémy pre mikroskopické metrologické aplikácie. Existuje niekoľko komerčne dostupných súradnicových meracích strojov (CMM), ktoré majú v systéme integrovanú mikrosondu, niekoľko špecializovaných systémov vo vládnych laboratóriách a množstvo univerzitných metrologických platforiem pre mikroskopickú metrológiu. Hoci sú tieto stroje dobrými a v mnohých prípadoch vynikajúcimi metrologickými platformami s nanometrickými mierkami, ich hlavným obmedzením je spoľahlivá, robustná a schopná mikro/nano sonda.^{[potrebný citát]}Medzi výzvy pre technológie mikroskopického snímania patrí potreba sondy s vysokým pomerom strán, ktorá umožňuje prístup k hlbokým a úzkym prvkom s nízkymi kontaktnými silami, aby sa nepoškodil povrch, a s vysokou presnosťou (nanometrová úroveň).^{[potrebný citát]}Mikroskopické sondy sú navyše citlivé na podmienky prostredia, ako je vlhkosť a povrchové interakcie, ako je napríklad priľnavosť (spôsobená okrem iného adhéziou, meniskom a/alebo Van der Waalsovými silami).^{[potrebný citát]}

Technológie na dosiahnutie mikroskopického snímania zahŕňajú okrem iného zmenšené verzie klasických CMM sond, optické sondy a sondy so stojatou vlnou. Súčasné optické technológie však nemožno zmenšiť natoľko, aby zmerali hlboký a úzky prvok a optické rozlíšenie je obmedzené vlnovou dĺžkou svetla. Röntgenové zobrazovanie poskytuje obraz prvku, ale žiadne sledovateľné metrologické informácie.

Fyzikálne princípy

Môžu sa použiť optické sondy a/alebo laserové sondy (ak je to možné v kombinácii), ktoré menia súradnicové meracie stroje (CMM) na meracie mikroskopy alebo multisenzorové meracie stroje. Systémy s okrajovou projekciou, teodolitové triangulačné systémy alebo laserové diaľkové a triangulačné systémy sa nenazývajú meracími strojmi, ale výsledok merania je rovnaký: priestorový bod. Laserové sondy sa používajú na detekciu vzdialenosti medzi povrchom a referenčným bodom na konci kinematického reťazca (t. j. na konci komponentu pohonu Z). Môže sa na to použiť interferometrická funkcia, zmena zaostrenia, vychýlenie svetla alebo princíp tieňovania lúča.

Prenosné súradnicové meracie stroje

Zatiaľ čo tradičné súradnicové meracie stroje (CMM) používajú sondu, ktorá sa pohybuje po troch karteziánskych osiach na meranie fyzikálnych charakteristík objektu, prenosné súradnicové meracie stroje používajú buď kĺbové ramená, alebo v prípade optických súradnicových meracích strojov bezramenné skenovacie systémy, ktoré využívajú metódy optickej triangulácie a umožňujú úplnú slobodu pohybu okolo objektu.

Prenosné súradnicové meracie stroje (SMM) s kĺbovými ramenami majú namiesto lineárnych osí šesť alebo sedem osí, ktoré sú vybavené rotačnými enkodérmi. Prenosné ramená sú ľahké (zvyčajne menej ako 20 libier) a možno ich prenášať a používať takmer kdekoľvek. V priemysle sa však čoraz častejšie používajú optické súradnicové meracie stroje. Optické súradnicové meracie stroje, navrhnuté s kompaktnými lineárnymi alebo maticovými kamerami (ako napríklad Microsoft Kinect), sú menšie ako prenosné súradnicové meracie stroje s ramenami, nemajú žiadne káble a umožňujú používateľom jednoducho vykonávať 3D merania všetkých typov objektov nachádzajúcich sa takmer kdekoľvek.

Niektoré neopakujúce sa aplikácie, ako je reverzné inžinierstvo, rýchle prototypovanie a kontrola dielov všetkých veľkostí vo veľkom meradle, sú ideálne vhodné pre prenosné súradnicové meracie stroje (CMM). Výhody prenosných súradnicových meracích strojov sú mnohonásobné. Používatelia majú flexibilitu pri vykonávaní 3D meraní všetkých typov dielov a na najodľahlejších/ťažšie dostupných miestach. Sú ľahko použiteľné a na vykonávanie presných meraní nevyžadujú kontrolované prostredie. Okrem toho prenosné súradnicové meracie stroje bývajú lacnejšie ako tradičné súradnicové meracie stroje.

Nevýhodou prenosných súradnicových meracích strojov je manuálna obsluha (na ich používanie je vždy potrebná ľudská prítomnosť). Okrem toho ich celková presnosť môže byť o niečo nižšia ako presnosť mostového súradnicového meracieho stroja a pre niektoré aplikácie je menej vhodná.

Multisenzorové meracie stroje

Tradičná technológia CMM s použitím dotykových sond sa dnes často kombinuje s inou meracou technológiou. Patria sem laserové, video alebo biele svetelné senzory, ktoré umožňujú takzvané multisenzorové meranie.