Какво е координатна измервателна машина?

AКоординатна измервателна машина(CMM) е устройство, което измерва геометрията на физическите обекти, като усеща дискретни точки на повърхността на обекта с сонда. Различни видове сонди се използват при CMM, включително механична, оптична, лазерна и бяла светлина. В зависимост от машината, позицията на сондата може да се контролира ръчно от оператор или може да бъде контролирана компютър. CMMs обикновено определят позицията на сондата по отношение на изместването му от референтна позиция в триизмерна декартова координатна система (т.е. с оси XYZ). В допълнение към преместването на сондата по осите X, Y и Z, много машини също позволяват да се контролира ъгълът на сондата, за да позволи измерване на повърхности, които иначе биха били недостъпни.

Типичният 3D „мост“ CMM позволява движение на сондата по три оси, X, Y и Z, които са ортогонални една за друга в триизмерна декартова координатна система. Всяка ос има сензор, който следи позицията на сондата на тази ос, обикновено с точност на микрометър. Когато сондата контактува (или по друг начин открива) определено място на обекта, машината пробва трите сензора за позиция, като по този начин измерва местоположението на една точка на повърхността на обекта, както и 3-измерения вектор на измерването. Този процес се повтаря при необходимост, премествайки сондата всеки път, за да се произвежда „точков облак“, който описва повърхностните зони, които представляват интерес.

Общото използване на CMMS е в процесите на производство и сглобяване, за да се тества част или сглобяване спрямо намерението на дизайна. В такива приложения се генерират облачни точки, които се анализират чрез алгоритми за регресия за изграждане на функции. Тези точки се събират чрез използване на сонда, която се позиционира ръчно от оператор или автоматично чрез директно компютърно управление (DCC). DCC CMMS може да бъде програмиран да измерва многократно идентични части; По този начин автоматизираният CMM е специализирана форма на индустриален робот.

Части

Машините за измерване на координатите включват три основни компонента:

• Основната структура, която включва три оси на движение. Материалът, използван за изграждането на движещата се рамка, варира през годините. Гранит и стомана бяха използвани в ранните CMM. Днес всички основни производители на CMM изграждат рамки от алуминиева сплав или някакво производно и също така използват керамика за увеличаване на твърдостта на оста Z за сканиращи приложения. Малко CMM строители днес все още произвеждат гранитна рамка CMM поради пазарното изискване за подобрена динамика на метрологията и увеличаване на тенденцията за инсталиране на CMM извън лабораторията за качество. Обикновено само CMM строители на CMM и домашни производители в Китай и Индия все още произвеждат гранит CMM поради ниския технологичен подход и лесното влизане, за да се превърнат в CMM Frame Builder. Увеличаването на тенденцията към сканиране също изисква оста на CMM Z да бъде по -твърда и да бъдат въведени нови материали като керамика и силициев карбид.
• Система за сондиране
• Система за събиране и намаляване на данните - обикновено включва машинен контролер, настолен компютър и софтуер за приложения.

Наличност

Тези машини могат да бъдат свободно стоящи, ръчни и преносими.

Точност

Точността на координатните машини за измерване обикновено се дава като фактор на несигурност като функция над разстоянието. За CMM, използващ сензорна сонда, това се отнася до повторяемостта на сондата и точността на линейните скали. Типичната повторяемост на сондата може да доведе до измервания в рамките на .001 мм или .00005 инча (половин десета) през целия обем на измерване. За 3, 3+2 и 5 оси машини сондите се калибрират рутинно, като се използват проследими стандарти и движението на машината се проверява с помощта на габарити, за да се гарантира точността.

Специфични части

Машинно тяло

Първият CMM е разработен от компанията Ferranti от Шотландия през 50 -те години на миналия век в резултат на пряка необходимост от измерване на прецизни компоненти във военните си продукти, въпреки че тази машина има само 2 оси. Първите 3-оси модели започват да се появяват през 60-те години (DEA на Италия) и компютърният контрол дебютира в началото на 70-те години, но първият работещ CMM е разработен и пуснат в продажба от Browne & Sharpe в Мелбърн, Англия. (Впоследствие Leitz Германия произвежда фиксирана машинна структура с подвижна маса.

В съвременните машини надстройката от тип Gantry има два крака и често се нарича мост. Това се движи свободно по гранитната маса с единия крак (често наричан вътрешен крак), следвайки водеща релса, прикрепена от едната страна на гранитната маса. Противоречивият крак (често извън краката) просто опира на гранитната маса, следвайки вертикалния контур на повърхността. Въздушните лагери са избраният метод за осигуряване на пътуване без триене. В тях сгъстеният въздух се принуждава през серия от много малки дупки в плоска лагерна повърхност, за да осигури гладка, но контролирана въздушна възглавница, върху която CMM може да се движи по почти без триене начин, който може да бъде компенсиран чрез софтуер. Движението на моста или портата по гранитната маса образува една ос на равнината XY. Мостът на портата съдържа карета, която преминава между вътрешната и външната крака и образува другата хоризонтална ос на X или Y. Третата ос на движението (z ос) се осигурява чрез добавяне на вертикална перука или вретено, което се движи нагоре и надолу през центъра на каретата. Сондата за допир образува сензорното устройство в края на Quill. Движението на осите X, Y и Z напълно описва измервателната обвивка. Незадължителните въртящи се таблици могат да се използват за подобряване на достъпността на измервателната сонда за сложни детайли. Ротационната таблица като четвърта ос на задвижването не подобрява измервателните размери, които остават 3D, но осигурява степен на гъвкавост. Някои сензорни сонди сами са захранвани с въртящи се устройства с върха на сондата, които могат да се въртят вертикално през повече от 180 градуса и чрез пълно въртене на 360 градуса.

CMM вече се предлагат и в различни други форми. Те включват CMM рамена, които използват ъглови измервания, направени в ставите на ръката, за да се изчисли позицията на върха на стилуса и могат да бъдат оборудвани с сонди за лазерно сканиране и оптично изображение. Такива ARM CMM често се използват, когато тяхната преносимост е предимство пред традиционните CMMS с фиксирано легло- чрез съхраняване на измерени места, софтуерът за програмиране също позволява да се премести самото измервателно рамо и обема на измерванията му, около частта, която трябва да бъде измерена по време на рутинна измерване. Тъй като CMM Arms имитират гъвкавостта на човешката ръка, те също често могат да достигнат вътрешностите на сложни части, които не могат да бъдат изследвани с помощта на стандартна машина с три ос.

Механична сонда

В първите дни на координатно измерване (CMM) механичните сонди бяха монтирани в специален държач в края на перода. Много често срещана сонда беше направена чрез запояване на твърда топка до края на вал. Това беше идеално за измерване на цяла гама от плоско лице, цилиндрични или сферични повърхности. Други сонди се смилат към специфични форми, например квадрант, за да се даде възможност за измерване на специални характеристики. Тези сонди се държаха физически срещу детайла, като позицията в пространството се чете от цифрово отчитане на 3-оси (DRO) или в по-напреднали системи, влезли в компютър с помощта на крака или подобно устройство. Измерванията, направени по този метод на контакт, често са били ненадеждни, тъй като машините са били преместени на ръка и всеки оператор на машини оказва различни количества натиск върху сондата или приети различни техники за измерване.

По -нататъшно развитие беше добавянето на двигатели за шофиране на всяка ос. Операторите вече не се налагаха физически да докосват машината, но могат да карат всяка ос, използвайки ръчна кутия с джойстици по почти същия начин, както при съвременните автомобили с дистанционно управление. Точността на измерване и прецизността се подобриха драстично с изобретението на електронната сонда за спусъка на допир. Пионерът на това ново устройство с сонда беше Дейвид Макмърт, който впоследствие формира това, което сега е Renishaw PLC. Въпреки че все още е контактно устройство, сондата имаше стоманена топка с пружина (по-късно Ruby Ball) стилус. Докато сондата докосва повърхността на компонента, стилусът отклони и едновременно изпраща информацията за координиране на X, Y, Z на компютъра. Грешките в измерването, причинени от отделните оператори, станаха по -малко и етапът беше определен за въвеждането на операциите на ЦПУ и настъпването на възрастта на CMMS.

Оптичните сонди са лещи-CCD системи, които са преместени като механичните и са насочени към интереса, вместо да докосват материала. Заснетото изображение на повърхността ще бъде затворено в границите на измервателен прозорец, докато остатъкът е адекватен за контраст между черните и белите зони. Разделящата крива може да бъде изчислена до точка, която е желаната точка за измерване в пространството. Хоризонталната информация на CCD е 2D (XY), а вертикалната позиция е позицията на пълната система за сондиране на стойката Z-Drive (или друг компонент на устройството).

Сканиращи системи за сонда

Има по -нови модели, които имат сонди, които се плъзгат по повърхността на частта, като приемат точки на определени интервали, известни като сканиращи сонди. Този метод за проверка на CMM често е по-точен от конвенционалния метод на допир-сонда и повечето пъти по-бързо.

Следващото поколение сканиране, известно като безконтактно сканиране, което включва високоскоростна триангулация с една точка с една точка, сканиране на лазерна линия и сканиране на бяла светлина, напредва много бързо. Този метод използва или лазерни лъчи, или бяла светлина, които се проектират срещу повърхността на частта. След това много хиляди точки могат да бъдат взети и използвани не само за проверка на размера и позицията, но и за създаване на 3D изображение на частта. След това тези „Point-Cloud Data“ могат да бъдат прехвърлени в CAD софтуер, за да се създаде работещ 3D модел на частта. Тези оптични скенери често се използват на меки или деликатни части или за улесняване на обратното инженерство.

Микрометрологични сонди

Сондиращите системи за приложения за метрология на микромалацията са друга нововъзникваща зона. Има няколко търговски достъпни машини за измерване на координати (CMM), които имат интегрирана микропроба в системата, няколко специализирани системи в правителствените лаборатории и всякакъв брой метрологични платформи, изградени в университета за микроскеала. Въпреки че тези машини са добри и в много случаи отличните метрологични платформи с нанометрични скали, тяхното основно ограничение е надеждна, здрава, способна микро/нано сонда.^{[Необходимо е цитиране]}Предизвикателствата пред технологиите за сондиране на микромащаб включват необходимостта от сонда с високо съотношение на страните, което дава възможност за достъп до дълбоки, тесни характеристики с ниски сили за контакт, така че да не се повреди повърхността и високата точност (ниво на нанометър).^{[Необходимо е цитиране]}Освен това сондите на микромалацията са податливи на условия на околната среда, като влажност и повърхностни взаимодействия, като например осезание (причинено от адхезия, менискус и/или сили на ван дер Ваалс, наред с други).^{[Необходимо е цитиране]}

Технологиите за постигане на сондиране на микрослема включват мащабирана версия на класическите CMM сонди, оптични сонди и сонда за стояща вълна, наред с други. Въпреки това, настоящите оптични технологии не могат да бъдат мащабирани достатъчно малки за измерване на дълбока, тясна характеристика, а оптичната разделителна способност е ограничена от дължината на вълната на светлината. Рентгеновите изображения предоставят картина на характеристиката, но няма проследима информация за метрологията.

Физически принципи

Могат да се използват оптични сонди и/или лазерни сонди (ако е възможно в комбинация), които променят CMMS на измерване на микроскопи или измервателни машини с мултисензор. Системи за прожектиране на ресни, теодолитни триангулационни системи или лазерни отдалечени и триангулационни системи не се наричат ​​измервателни машини, но измервателният резултат е същият: космическа точка. Лазерните сонди се използват за откриване на разстоянието между повърхността и референтната точка в края на кинематичната верига (т.е.: края на компонента Z-Drive). Това може да използва интерферометрична функция, вариация на фокуса, отклонение на светлината или принцип за засенчване на лъча.

Преносими машини за измерване на координатата

Докато традиционните CMMS използват сонда, която се движи по три декартови оси, за да измерва физическите характеристики на обекта, преносимите CMMs използват или артикулирани рамена, или в случай на оптични CMM, безмилотни системи за сканиране, които използват оптични методи за триангулация и дават възможност за пълна свобода на движение около обекта.

Преносимите CMM с артикулирани рамена имат шест или седем оси, които са оборудвани с въртящи се енкодери, вместо линейни оси. Преносимите рамена са леки (обикновено по -малко от 20 килограма) и могат да се носят и използват почти навсякъде. Оптичните CMM все повече се използват в индустрията. Проектирани с компактни линейни или матрични камери за масиви (като Microsoft Kinect), оптичните CMM са по -малки от преносимите CMM с оръжие, разполагат с проводници и дават възможност на потребителите лесно да вземат 3D измервания на всички видове обекти, разположени почти навсякъде.

Някои нерепетитивни приложения като обратното инженерство, бързото прототипиране и мащабната проверка на части от всички размери са идеално подходящи за преносими CMM. Ползите от преносимите CMM са многократни. Потребителите имат гъвкавостта при извършване на 3D измервания на всички видове части и в най -отдалечените/трудни места. Те са лесни за използване и не изискват контролирана среда, за да предприемат точни измервания. Освен това преносимите CMM са склонни да струват по -малко от традиционните CMM.

В присъщите компромиси на преносимите CMM са ръчна работа (те винаги изискват човек да ги използва). В допълнение, общата им точност може да бъде малко по -малко точна от тази на мост тип CMM и е по -малко подходяща за някои приложения.

Мултисензорни машини за измерване

Традиционната CMM технология, използваща сензорни сонди, днес често се комбинира с други технологии за измерване. Това включва лазерни, видео или сензори за бяла светлина, за да се осигури това, което е известно като мултисензорно измерване.