Čo je to koordinovaný merací stroj?

Akoordinovaný merací stroj(CMM) je zariadenie, ktoré meria geometriu fyzikálnych objektov snímaním diskrétnych bodov na povrchu objektu pomocou sondy. Rôzne typy sond sa používajú v CMM, vrátane mechanických, optických, laserových a bielych svetla. V závislosti od stroja môže byť poloha sondy manuálne ovládaná operátorom alebo môže byť počítačom riadená. CMM zvyčajne špecifikujú polohu sondy z hľadiska jej posunu z referenčnej polohy v trojrozmernom karteziánskom súradnicovom systéme (tj s osami XYZ). Okrem pohybu sondy pozdĺž osi x, y a z mnohé stroje tiež umožňuje reguláciu uhla sondy, aby sa umožnilo meranie povrchov, ktoré by inak boli nedosiahnuteľné.

Typický 3D „most“ 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 mikrometrov. Keď sonda kontaktuje (alebo inak detekuje) konkrétne miesto na objekte, stroj vzorkuje tri polohové senzory, čím sa merajú umiestnenie jedného bodu na povrchu objektu, ako aj trojrozmerný vektor vykonaného merania. Tento proces sa opakuje podľa potreby, zakaždým sa pohybuje sondou, aby sa vytvoril „bodový oblak“, ktorý opisuje povrchové oblasti, ktoré sú predmetom záujmu.

Bežné využívanie CMMS je vo výrobe a montážnych procesoch na testovanie časti alebo montáže na konštrukčný zámer. V takýchto aplikáciách sa generujú bodové oblaky, ktoré sa analyzujú regresnými algoritmami na konštrukciu funkcií. Tieto body sa zhromažďujú pomocou sondy, ktorú prevádzkovateľ umiestni manuálne alebo automaticky prostredníctvom priameho riadenia počítača (DCC). DCC CMM je možné naprogramovať tak, aby opakovane merali rovnaké časti; Automatizovaný CMM je teda špecializovanou formou priemyselného robota.

Diely

Stroje na meranie súradníc zahŕňajú tri hlavné komponenty:

• Hlavná štruktúra, ktorá obsahuje tri osi pohybu. Materiál použitý na konštrukciu pohyblivého rámca sa v priebehu rokov menil. Žula a oceľ boli použité v skorých CMM. Dnes všetci hlavní výrobcovia CMM vytvárajú rámy zo zliatiny hliníka alebo nejakého derivátu a tiež používajú keramiku na zvýšenie tuhosti osi Z na skenovacie aplikácie. Len málo staviteľov CMM dnes stále vyrába žulový rám CMM z dôvodu požiadavky na trh pre zlepšenú dynamiku metrológie a zvyšujúci sa trend na inštaláciu CMM mimo kvalitného laboratória. Zvyčajne iba stavitelia CMM s nízkym objemom a domáci výrobcovia v Číne a Indii stále vyrábajú žulu CMM kvôli nízkemu technologickému prístupu a ľahkému vstupu do staviteľa rámu CMM. Zvyšujúci sa trend smerom k skenovaniu tiež vyžaduje, aby bola osi CMM Z tuhšia a boli zavedené nové materiály, ako je keramický a kremíkový karbid.
• Sondový systém
• Systém zberu a redukcie údajov - zvyčajne obsahuje ovládač stroja, stolný počítač a aplikačný softvér.

Dostupnosť

Tieto stroje môžu byť voľne stojace, vreckové a prenosné.

Presnosť

Presnosť strojov na meranie súradníc sa zvyčajne uvádza ako faktor neistoty ako funkcia na vzdialenosť. Pre CMM pomocou dotykovej sondy to súvisí s opakovateľnosťou sondy a presnosti lineárnych mierok. Typická opakovateľnosť sondy môže mať za následok merania vo výške 0,001 mm alebo 0,005 palca (polovica desiateho) počas celého objemu merania. Pre stroje 3, 3+2 a 5 osi sú sondy rutinne kalibrované pomocou sledovateľných štandardov a pohyb stroja sa overuje pomocou meradiel, aby sa zabezpečila presnosť.

Konkrétne časti

Orgán

Prvý CMM bol vyvinutý spoločnosťou Ferranti Company v Škótsku v 50. rokoch 20. storočia v dôsledku priamej potreby zmerať presné komponenty vo svojich vojenských výrobkoch, hoci tento stroj mal iba 2 osi. Prvé 3-osové modely sa začali objavovať v 60. rokoch (DEA v Taliansku) a počítačová kontrola debutovala začiatkom 70. rokov, ale prvý pracujúci CMM bol vyvinutý a predávaný spoločnosťou Browne & Sharpe v Melbourne v Anglicku. (Leitz Nemecko následne vytvorilo pevnú štruktúru stroja s pohyblivou tabuľkou.

V moderných strojoch má nadstavba portálového typu dve nohy a často sa nazýva most. Toto sa voľne pohybuje pozdĺž žulového stola s jednou nohou (často označovanou ako vnútorná noha) nasledujúcou vodiacou koľajnicou pripevnenou na jednu stranu žulového stola. Opačná noha (často vonkajšia noha) jednoducho spočíva na žulovom stole po zvislom obryse povrchu. Vzduchové ložiská sú vybranou metódou na zabezpečenie cestovania bez trenia. V nich je stlačený vzduch nútený cez sériu veľmi malých dier v plochom ložisku, aby sa poskytol hladký, ale riadený vzduchový vankúš, na ktorom sa CMM môže pohybovať takmer bez trenia, ktorý je možné kompenzovať prostredníctvom softvéru. Pohyb mosta alebo portálu pozdĺž žulového stola tvorí jednu os roviny XY. Most portálu obsahuje kočík, ktorý prechádza medzi vnútornými a vonkajšími nohami a tvorí druhú horizontálnu os X alebo Y. Tretia os pohybu (os z) je poskytnutá pridaním vertikálneho brúsenia alebo vretena, ktorý sa pohybuje hore a dole cez stred vozíka. Dotyková sonda tvorí snímacie zariadenie na konci brúsenia. Pohyb osí x, y a z plne opisuje merací obálku. Voliteľné rotačné tabuľky sa môžu použiť na zvýšenie prístupnosti meracej sondy na komplikované obrobky. Rotačná tabuľka ako osi štvrtého pohonu nezvyšuje meracie rozmery, ktoré zostávajú 3D, ale poskytuje určitý stupeň flexibility. Niektoré dotykové sondy sú samy o sebe poháňané rotačnými zariadeniami, pričom špička sondy dokáže vertikálne otočiť vertikálne cez viac ako 180 stupňov a cez úplnú 360 -stupňovú rotáciu.

CMM sú teraz k dispozícii aj v rôznych ďalších formách. Patria sem ramená CMM, ktoré používajú uhlové merania vykonané v kĺboch ​​ramena na výpočet polohy hrotu na štyla a môžu byť vybavené sondami na laserové skenovanie a optické zobrazovanie. Takéto CMM ARM sa často používajú, ak je ich prenosnosť výhodou oproti tradičným CMMS s pevným lôžkom- ukladaním nameraných miest, programovací softvér tiež umožňuje pohyb samotného meracieho ramena a jeho objem merania, okolo časti, sa meria počas meracej rutiny. Pretože ramená CMM napodobňujú flexibilitu ľudského ramena, často sú schopní dosiahnuť vnútornosti zložitých častí, ktoré nebolo možné skúšať pomocou štandardného stroja s tromi osami.

Mechanická sonda

V prvých dňoch merania súradníc (CMM) boli mechanické sondy namontované do špeciálneho držiaka na konci brúsenia. Veľmi bežná sonda sa vytvorila spájkovaním tvrdej lopty na koniec hriadeľa. To bolo ideálne na meranie celého rozsahu plochých tvárí, valcových alebo sférických povrchov. Ostatné sondy boli uzemnené na konkrétne tvary, napríklad kvadrant, aby sa umožnilo meranie špeciálnych znakov. Tieto sondy boli fyzicky držané proti obrobku, pričom pozícia vo vesmíre bola čítaná z 3-osi digitálneho odčítania (DRO) alebo v pokročilejších systémoch, ktoré sa prihlásili do počítača pomocou pešo alebo podobného zariadenia. Merania uskutočnené touto kontaktnou metódou boli často nespoľahlivé, pretože stroje sa pohybovali ručne a každý operátor stroja aplikoval rôzne množstvo tlaku na sondu alebo prijal odlišné techniky na meranie.

Ďalším vývojom bolo pridanie motorov na riadenie každej osi. Prevádzkovatelia sa už nemuseli fyzicky dotýkať stroja, ale mohli riadiť každú os pomocou hand -box s joysticks rovnakým spôsobom ako v prípade moderných diaľkovo ovládaných automobilov. Presnosť a presnosť merania sa dramaticky zlepšila s vynálezom elektronickej sondy dotykovej spustenia. Priekopníkom tohto nového zariadenia sondy bol David McMurtry, ktorý následne vytvoril to, čo je dnes Renishaw Plc. Aj keď stále kontaktné zariadenie, sonda mala stylus s pružinovou oceľou (neskôr Ruby Ball). Keď sa sonda dotkla povrchu komponentu, stylus sa odklonil a súčasne odoslal do počítača informácie súradnice X, Y, z. Chyby merania spôsobené jednotlivými operátormi sa stali menším a pódium bolo stanovené na zavedenie operácií CNC a príchod veku CMMS.

Optické sondy sú objektívy-CCD-systémy, ktoré sa pohybujú ako mechanické a sú zamerané na bod záujmu namiesto toho, aby sa dotýkali materiálu. Zachytený obraz povrchu bude uzavretý v hraniciach meracieho okna, až kým zvyšok nie je primeraný na kontrast medzi čiernymi a bielymi zónami. Oddeľovacia krivka sa dá vypočítať do bodu, ktorý je hľadaným meraným bodom vo vesmíre. Horizontálne informácie na CCD sú 2D (XY) a vertikálna poloha je poloha kompletného sondovacieho systému na stojane Z-Drive (alebo inej komponente zariadenia).

Skenovacie sondy

Existujú novšie modely, ktoré majú sondy, ktoré sa ťahajú pozdĺž povrchu časti, ktoré berú body v určených intervaloch, známe ako skenovacie sondy. Táto metóda inšpekcie CMM je často presnejšia ako konvenčná metóda dotykových sond a väčšinou rýchlejšie.

Ďalšia generácia skenovania, známeho ako nekontaktné skenovanie, ktoré obsahuje vysokorýchlostné laserové trojbodové triangulácie, skenovanie laserových línií a skenovanie bieleho svetla, postupuje veľmi rýchlo. Táto metóda používa buď laserové lúče alebo biele svetlo, ktoré sa premietajú na povrchu časti. Potom je možné získať a použiť sa nielen na kontrolu veľkosti a polohy, ale aj na vytvorenie 3D obrazu časti. Tieto „dáta Point-cloud“ sa potom dajú preniesť do softvéru CAD, aby sa vytvoril funkčný 3D model diel. Tieto optické skenery sa často používajú na mäkkých alebo jemných častiach alebo na uľahčenie spätného inžinierstva.

Mikrometrologické sondy

Ďalšou rozvíjajúcou oblasťou sú sondovacie systémy pre metrologické aplikácie mikrosmerov. Existuje niekoľko komerčne dostupných súradníckych meracích strojov (CMM), ktoré majú do systému integrované mikroprobe, niekoľko špeciálnych systémov vo vládnych laboratóriách a ľubovoľný počet univerzitných metrologických platforiem pre metrológiu mikroslín. Aj keď sú tieto stroje dobré a v mnohých prípadoch vynikajúce metrologické platformy s nanometrickými mierkami, ich primárnym obmedzením je spoľahlivá, robustná a schopná mikro/nano sonda.^{[Potrebná citácia]}Výzvy pre technológie sondovania mikrosmerov zahŕňajú potrebu sondy s vysokým pomerom strán, ktorá umožňuje prístup k hlbokým, úzkym funkciám s nízkymi kontaktnými silami, aby sa nepoškodil povrch a vysokú presnosť (hladina nanometrov).^{[Potrebná citácia]}Okrem toho sú sondy mikroskopie náchylné na podmienky prostredia, ako sú napríklad vlhkosť a povrchové interakcie, ako je napríklad násilná časť (spôsobená adhéziou, meniskusom a/alebo van der Waalsom).^{[Potrebná citácia]}

Technológie na dosiahnutie sondovania mikrosmerov zahŕňajú zmenšenú verziu klasických sond CMM, optických sond a sondu stojatej vlny. Súčasné optické technológie sa však nemožno prispôsobiť dostatočne malým na meranie hlbokého, úzkeho prvku a optické rozlíšenie je obmedzené vlnovou dĺžkou svetla. Röntgenové zobrazovanie poskytuje obrázok funkcie, ale žiadne sledovateľné informácie o metrológii.

Fyzikálne princípy

Môžu sa použiť optické sondy a/alebo laserové sondy (ak je to možné v kombinácii), ktoré menia CMM na meranie mikroskopov alebo viacerých meracích strojov. Fringové projekčné systémy, teodolitové triangulačné systémy alebo laserové vzdialené a triangulačné systémy sa nenaznačujú meracie stroje, ale výsledok merania je rovnaký: vesmírny bod. Laserové sondy sa používajú na detekciu vzdialenosti medzi povrchom a referenčným bodom na konci kinematického reťazca (tj: koniec zložky z-pohonu). To môže použiť interferometrickú funkciu, variáciu zaostrenia, vychýlenie svetla alebo princíp tieňa lúča.

Prenosné stroje na meranie súradníc

Zatiaľ čo tradičné CMMS používajú sondu, ktorá sa pohybuje na troch karteziánskych osiach na meranie fyzikálnych charakteristík objektu, prenosné CMM používajú buď kĺbové ramená alebo v prípade optických CMM, skenovacích systémov bez paží, ktoré používajú metódy optických triangulácií a umožňujú úplnú slobodu pohybu okolo objektu.

Prenosné CMM s kĺbovými ramenami majú šesť alebo sedem osí, ktoré sú vybavené rotačnými kódovačmi, namiesto lineárnych osí. Prenosné ramená sú ľahké (zvyčajne menej ako 20 libier) a môžu sa prenášať a používať takmer kdekoľvek. Optické CMM sa však v priemysle stále viac používajú. Optické CMM, navrhnuté s kompaktnými lineárnymi alebo maticovými kamerami (napríklad Microsoft Kinect), sú menšie ako prenosné CMMS s ramenami, nie sú držiteľmi bez drôtov a umožňujú používateľom ľahko vykonávať 3D merania všetkých typov objektov umiestnených takmer kdekoľvek.

Určité nekonkurenčné aplikácie, ako je reverzné inžinierstvo, rýchle prototypovanie a rozsiahla kontrola častí všetkých veľkostí, sú ideálne pre prenosné CMM. Výhody prenosných CMM sú viacnásobné. Používatelia majú flexibilitu pri vykonávaní 3D meraní všetkých typov častí a na najvzdialenejších/najťažších miestach. Sú ľahko použiteľné a na vykonanie presných meraní nevyžadujú kontrolované prostredie. Prenosné CMM majú navyše tendenciu stáť menej ako tradičné CMM.

Inherentné kompromisy prenosných CMM sú manuálnou prevádzkou (vždy vyžadujú, aby ich človek používal). Okrem toho ich celková presnosť môže byť o niečo menej presná ako presnosť mosta typu CMM a je menej vhodná pre niektoré aplikácie.

Stroje na meranie multisenzorov

Tradičná technológia CMM s použitím dotykových sond je dnes často kombinovaná s inou technológiou merania. Zahŕňa to senzory laseru, videa alebo bieleho svetla na zabezpečenie toho, čo je známe ako multisenzorové meranie.