Čo je 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 mechanického, optického, laserového a bieleho svetla.V závislosti od stroja môže byť poloha sondy ovládaná manuálne operátorom alebo môže byť riadená počítačom.CMM typicky špecifikujú polohu sondy v zmysle jej posunutia z referenčnej polohy v trojrozmernom karteziánskom súradnicovom systéme (tj 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 „mostový“ CMM umožňuje pohyb sondy pozdĺž troch osí X, Y a Z, ktoré sú navzájom ortogonálne v trojrozmernom karteziánskom súradnicovom systéme.Každá os má snímač, ktorý monitoruje polohu sondy na danej osi, zvyčajne s mikrometrovou presnosťou.Keď sa sonda dotkne (alebo inak deteguje) konkrétne miesto na objekte, stroj odoberie vzorky troch snímačov polohy, čím zmeria polohu jedného bodu na povrchu objektu, ako aj trojrozmerný vektor vykonaného merania.Tento proces sa opakuje podľa potreby, pričom sa zakaždým pohybuje sonda, aby sa vytvoril „oblak bodov“, ktorý opisuje povrchové oblasti záujmu.

Bežné použitie CMM je vo výrobných a montážnych procesoch na testovanie dielu alebo zostavy podľa konštrukčného zámeru.V takýchto aplikáciách sa generujú mračná bodov, ktoré sa analyzujú pomocou regresných algoritmov na konštrukciu prvkov.Tieto body sa zbierajú pomocou sondy, ktorá je umiestnená manuálne operátorom alebo automaticky prostredníctvom priameho ovládania počítača (DCC).DCC CMM možno naprogramovať na opakované meranie identických častí;preto je automatizovaný CMM špecializovanou formou priemyselného robota.

Časti

Súradnicové meracie stroje obsahujú tri hlavné komponenty:

• Hlavná štruktúra, ktorá zahŕňa tri osi pohybu.Materiál použitý na konštrukciu pohyblivého rámu sa v priebehu rokov menil.V skorých CMM sa používala žula a oceľ.Dnes všetci hlavní výrobcovia CMM vyrábajú rámy z hliníkovej zliatiny alebo nejakého derivátu a tiež používajú keramiku na zvýšenie tuhosti osi Z pre skenovacie aplikácie.Len málo konštruktérov CMM dnes stále vyrába CMM so žulovým rámom kvôli požiadavkám trhu na zlepšenie metrologickej dynamiky a rastúcemu trendu inštalovať CMM mimo laboratória kvality.Obyčajne len výrobcovia malých objemov CMM a domáci výrobcovia v Číne a Indii stále vyrábajú žulové CMM z dôvodu nízkeho technologického prístupu a ľahkého vstupu, aby sa stali staviteľmi rámov CMM.Rastúci trend smerom k skenovaniu tiež vyžaduje, aby os CMM Z bola tuhšia a boli zavedené nové materiály, ako je keramika a karbid kremíka.
• Sondovací systém
• Systém zberu a redukcie údajov – zvyčajne zahŕňa ovládač 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 ako funkcia na vzdialenosť.V prípade CMM používajúceho 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 objeme merania.Pre 3, 3+2 a 5-osové stroje sa sondy bežne kalibrujú pomocou sledovateľných štandardov a pohyb stroja sa overuje pomocou meradiel, aby sa zabezpečila presnosť.

Konkrétne časti

Telo stroja

Prvý CMM vyvinula spoločnosť Ferranti Company of Scotland v 50-tych rokoch minulého storočia ako výsledok priamej potreby merať presné komponenty vo svojich vojenských produktoch, hoci tento stroj mal iba 2 osi.Prvé 3-osové modely sa začali objavovať v 60. rokoch 20. storočia (DEA v Taliansku) a počítačové riadenie debutovalo začiatkom 70. rokov, ale prvý funkčný CMM vyvinula a uviedla do predaja spoločnosť Browne & Sharpe v Melbourne v Anglicku.(Leitz Germany následne vyrobil pevnú konštrukciu stroja s pohyblivým stolom.

V moderných strojoch má portálová nadstavba dve nohy a často sa nazýva most.To sa voľne pohybuje pozdĺž žulového stola jednou nohou (často označovanou ako vnútorná noha) po vodiacej koľajnici pripevnenej na jednej strane žulového stola.Opačná noha (často vonkajšia noha) jednoducho spočíva na žulovom stole podľa vertikálneho obrysu povrchu.Vzduchové ložiská sú zvolenou metódou na zabezpečenie pohybu bez trenia.V nich je stlačený vzduch tlačený cez sériu veľmi malých otvorov na plochom nosnom povrchu, aby sa vytvoril hladký, ale kontrolovaný vzduchový vankúš, na ktorom sa CMM môže pohybovať takmer bez trenia, čo môže byť kompenzované pomocou softvéru.Pohyb mosta alebo portálu po žulovom stole tvorí jednu os roviny XY.Most portálu obsahuje vozík, ktorý prechádza medzi vnútornými a vonkajšími nohami a tvorí ďalšiu horizontálnu os X alebo Y.Tretia os pohybu (os Z) je zabezpečená pridaním vertikálnej pinoly alebo vretena, ktoré sa pohybuje hore a dole cez stred vozíka.Dotyková sonda tvorí snímacie zariadenie na konci brka.Pohyb osí X, Y a Z plne opisuje meraciu obálku.Voliteľné otočné stoly môžu byť použité na zlepšenie prístupnosti meracej sondy ku komplikovaným obrobkom.Otočný stôl ako štvrtá os pohonu nezlepšuje meracie rozmery, ktoré zostávajú 3D, ale poskytuje určitý stupeň flexibility.Niektoré dotykové sondy sú samy o sebe poháňané rotačné zariadenia s hrotom sondy, ktorý sa môže vertikálne otáčať o viac ako 180 stupňov a o 360 stupňov.

CMM sú teraz dostupné aj v rôznych iných formách.Patria sem ramená CMM, ktoré používajú uhlové merania na kĺboch ​​ramena na výpočet polohy hrotu dotykového pera a môžu byť vybavené sondami na laserové skenovanie a optické zobrazovanie.Takéto CMM s ramenom sa často používajú tam, kde je ich prenosnosť výhodou oproti tradičným CMM s pevným lôžkom – vďaka ukladaniu nameraných miest programovací softvér umožňuje aj pohyb samotného meracieho ramena a jeho meraného objemu okolo časti, ktorá sa má merať počas rutiny merania.Pretože ramená CMM napodobňujú flexibilitu ľudského ramena, sú tiež často schopné dostať sa do vnútra zložitých častí, ktoré by nebolo možné snímať pomocou štandardného trojosového stroja.

Mechanická sonda

V prvých dňoch súradnicového merania (CMM) boli mechanické sondy namontované do špeciálneho držiaka na konci brka.Veľmi bežná sonda bola vyrobená spájkovaním tvrdej guľôčky na koniec hriadeľa.To bolo ideálne na meranie celého rozsahu plochých plôch, valcových alebo guľových plôch.Iné sondy boli vybrúsené do špecifických tvarov, napríklad do kvadrantu, aby bolo možné merať špeciálne prvky.Tieto sondy boli fyzicky držané proti obrobku, pričom poloha v priestore bola odčítaná z 3-osového digitálneho odčítania (DRO) alebo, v pokročilejších systémoch, bola prihlásená do počítača pomocou nožného spínača alebo podobného zariadenia.Merania uskutočnené touto kontaktnou metódou boli často nespoľahlivé, pretože stroje sa pohybovali ručne a každý operátor stroja aplikoval na sondu rôzne množstvá tlaku alebo prijal odlišné techniky merania.

Ďalším vývojom bolo pridanie motorov na pohon každej osi.Operátori sa už nemuseli fyzicky dotýkať stroja, ale mohli riadiť každú os pomocou handboxu s joystickmi v podstate rovnakým spôsobom ako pri moderných diaľkovo ovládaných autách.Presnosť a presnosť merania sa dramaticky zlepšila s vynálezom elektronickej dotykovej spúšťacej sondy.Priekopníkom tohto nového sondového zariadenia bol David McMurtry, ktorý následne vytvoril to, čo je teraz Renishaw plc.Hoci išlo stále o kontaktné zariadenie, sonda mala pero s pružinovou oceľovou guľôčkou (neskôr rubínovou guľôčkou).Keď sa sonda dotkla povrchu súčiastky, stylus sa vychýlil a súčasne odoslal informácie o súradniciach X, Y, Z do počítača.Chyby merania zapríčinené jednotlivými operátormi sa zmenšili a bola pripravená fáza pre zavedenie CNC operácií a starnutie CMM.

Optické sondy sú šošovkové CCD-systémy, ktoré sa pohybujú ako tie mechanické a sú zamerané na bod záujmu, namiesto toho, aby sa dotýkali materiálu.Zachytený obraz povrchu bude uzavretý v okrajoch meracieho okienka, kým zvyšok nebude dostatočný na kontrast medzi čiernymi a bielymi zónami.Deliaca krivka môže byť vypočítaná do bodu, ktorý je požadovaným meracím bodom v priestore.Horizontálna informácia na CCD je 2D (XY) a vertikálna poloha je poloha kompletného snímacieho systému na Z-pohone stojana (alebo inej súčasti zariadenia).

Systémy skenovacích sond

Existujú novšie modely, ktoré majú sondy, ktoré sa ťahajú po povrchu súčiastky v určených intervaloch, známe ako skenovacie sondy.Táto metóda kontroly CMM je často presnejšia ako konvenčná metóda dotykovej sondy a väčšinou aj rýchlejšia.

Ďalšia generácia skenovania, známa ako bezkontaktné skenovanie, ktorá zahŕňa vysokorýchlostnú laserovú jednobodovú trianguláciu, laserové čiarové skenovanie a skenovanie bieleho svetla, napreduje veľmi rýchlo.Táto metóda využíva buď laserové lúče alebo biele svetlo, ktoré sa premieta na povrch dielu.Potom je možné zobrať mnoho tisíc bodov a použiť ich nielen na kontrolu veľkosti a polohy, ale aj na vytvorenie 3D obrazu dielu.Tieto „údaje z mračna bodov“ možno potom preniesť do softvéru CAD, aby sa vytvoril funkčný 3D model dielu.Tieto optické skenery sa často používajú na mäkkých alebo jemných častiach alebo na uľahčenie reverzného inžinierstva.

Mikrometrologické sondy

Ďalšou novou oblasťou sú sondovacie systémy pre mikrometrologické aplikácie.Existuje niekoľko komerčne dostupných súradnicových meracích strojov (CMM), ktoré majú mikrosondu integrovanú do systému, niekoľko špeciálnych systémov vo vládnych laboratóriách a ľubovoľný počet univerzitných metrologických platforiem pre mikrometrológiu.Aj keď sú tieto stroje dobrými a v mnohých prípadoch vynikajúcimi metrologickými platformami s nanometrickými stupnicami, ich primárnym obmedzením je spoľahlivá, robustná a schopná mikro/nano sonda.^{[potrebná citácia]}Výzvy pre technológie snímania v mikromeradle zahŕňajú potrebu sondy s vysokým pomerom strán, ktorá umožňuje prístup k hlbokým, úzkym prvkom s nízkymi kontaktnými silami, aby sa nepoškodil povrch, a vysokou presnosťou (úroveň nanometrov).^{[potrebná citácia]}Okrem toho sú sondy v mikromeradle citlivé na podmienky prostredia, ako je vlhkosť a povrchové interakcie, ako je lepenie (spôsobené okrem iného adhéziou, meniskom a/alebo Van der Waalsovými silami).^{[potrebná citácia]}

Technológie na dosiahnutie mikroskopického snímania zahŕňajú okrem iného zmenšenú verziu klasických CMM sond, optické sondy a sondu so stojatou vlnou.Súčasné optické technológie však nemožno dostatočne zmenšiť na meranie hlbokých, úzkych prvkov a optické rozlíšenie je obmedzené vlnovou dĺžkou svetla.Röntgenové zobrazovanie poskytuje obraz funkcie, ale žiadne sledovateľné metrologické informácie.

Fyzikálne princípy

Možno použiť optické sondy a/alebo laserové sondy (ak je to možné v kombinácii), ktoré menia CMM na meracie mikroskopy alebo multisenzorové meracie stroje.Systémy okrajovej projekcie, teodolitové triangulačné systémy alebo laserové vzdialené a triangulačné systémy sa nenazývajú meracie stroje, ale výsledok merania je rovnaký: priestorový bod.Laserové sondy sa používajú na detekciu vzdialenosti medzi povrchom a referenčným bodom na konci kinematického reťazca (tj na konci komponentu Z-drive).To môže využívať interferometrickú funkciu, variáciu ohniska, vychýlenie svetla alebo princíp tieňovania lúča.

Prenosné súradnicové meracie stroje

Zatiaľ čo tradičné CMM používajú sondu, ktorá sa pohybuje na troch karteziánskych osiach na meranie fyzikálnych vlastností objektu, prenosné CMM používajú buď kĺbové ramená, alebo v prípade optických CMM skenovacie systémy bez ramien, ktoré využívajú metódy optickej triangulácie a umožňujú úplnú voľnosť pohybu. okolo objektu.

Prenosné CMM s kĺbovými ramenami majú šesť alebo sedem osí, ktoré sú namiesto lineárnych osí vybavené rotačnými kódovačmi.Prenosné ramená sú ľahké (zvyčajne menej ako 20 libier) a možno ich nosiť a používať takmer kdekoľvek.V priemysle sa však stále viac využívajú optické CMM.Optické CMM, navrhnuté s kompaktnými lineárnymi alebo maticovými kamerami (ako Microsoft Kinect), sú menšie ako prenosné CMM s ramenami, neobsahujú žiadne káble a umožňujú používateľom jednoducho vykonávať 3D merania všetkých typov objektov umiestnených takmer kdekoľvek.

Určité neopakovateľné aplikácie, ako je reverzné inžinierstvo, rýchle prototypovanie a rozsiahla kontrola dielov všetkých veľkostí, sú ideálne pre prenosné CMM.Výhody prenosných CMM sú mnohonásobné.Používatelia majú flexibilitu pri vykonávaní 3D meraní všetkých typov dielov a na tých najodľahlejších/ťažších miestach.Ľahko sa používajú a na presné merania nevyžadujú kontrolované prostredie.Navyše, prenosné CMM majú tendenciu stáť menej ako tradičné CMM.

Neodmysliteľnou nevýhodou prenosných CMM je manuálna prevádzka (vždy si vyžadujú, aby ich používal človek).Okrem toho ich celková presnosť môže byť o niečo menej presná ako presnosť CMM mostového typu a je menej vhodná pre niektoré aplikácie.

Multisenzorové meracie stroje

Tradičná technológia CMM využívajúca dotykové sondy sa dnes často kombinuje s inou technológiou merania.To zahŕňa laserové, video alebo biele svetelné senzory, ktoré poskytujú to, čo je známe ako multisenzorové meranie.