Какво е координатно-измервателна машина?

Акоординатна измервателна машина(CMM) е устройство, което измерва геометрията на физически обекти чрез отчитане на дискретни точки върху повърхността на обекта със сонда. В CMM се използват различни видове сонди, включително механични, оптични, лазерни и с бяла светлина. В зависимост от машината, позицията на сондата може да се контролира ръчно от оператор или може да се управлява от компютър. CMM обикновено определят позицията на сондата по отношение на нейното изместване от референтна позиция в триизмерна декартова координатна система (т.е. с оси XYZ). В допълнение към движението на сондата по осите X, Y и Z, много машини позволяват и контролиране на ъгъла на сондата, за да се позволи измерване на повърхности, които иначе биха били недостъпни.

Типичната 3D „мостова“ CMM позволява движение на сондата по три оси, X, Y и Z, които са ортогонални една на друга в триизмерна декартова координатна система. Всяка ос има сензор, който следи позицията на сондата по тази ос, обикновено с микрометрова точност. Когато сондата докосне (или по друг начин засече) определено място върху обекта, машината взема проби от трите сензора за позиция, като по този начин измерва местоположението на една точка върху повърхността на обекта, както и 3-измерния вектор на направеното измерване. Този процес се повтаря, когато е необходимо, като сондата се движи всеки път, за да се получи „облак от точки“, който описва интересуващите ни повърхности.

Често срещано приложение на CMM (колелоотводни машини) е в производствените и монтажните процеси за тестване на детайл или сглобка спрямо проектното намерение. В такива приложения се генерират облаци от точки, които се анализират чрез регресионни алгоритми за конструиране на характеристики. Тези точки се събират с помощта на сонда, която се позиционира ръчно от оператор или автоматично чрез директно компютърно управление (DCC). DCC CMM могат да бъдат програмирани да измерват многократно идентични части; по този начин автоматизираната CMM е специализирана форма на индустриален робот.

Части

Координатно-измервателните машини включват три основни компонента:

• Основната структура, която включва три оси на движение. Материалът, използван за изграждане на подвижната рамка, се е променял през годините. В ранните CMM са използвани гранит и стомана. Днес всички големи производители на CMM изграждат рамки от алуминиева сплав или някакъв производен, а също така използват керамика, за да увеличат твърдостта на оста Z за приложения за сканиране. Малко производители на CMM днес все още произвеждат CMM с гранитна рамка поради пазарните изисквания за подобрена метрологична динамика и нарастващата тенденция за инсталиране на CMM извън лабораторията за качество. Обикновено само производители на CMM с малък обем и местни производители в Китай и Индия все още произвеждат гранитна CMM поради нискотехнологичния подход и лесния достъп до производителите на рамки за CMM. Нарастващата тенденция към сканиране също така изисква оста Z на CMM да бъде по-твърда и са въведени нови материали като керамика и силициев карбид.
• Сондираща система
• Система за събиране и обработка на данни — обикновено включва машинен контролер, настолен компютър и приложен софтуер.

Наличност

Тези машини могат да бъдат свободностоящи, ръчни и преносими.

Точност

Точността на машините за координатно измерване обикновено се дава като коефициент на неопределеност, зависещ от разстоянието. За CMM, използваща сензор за допир, това се отнася до повторяемостта на сондата и точността на линейните скали. Типичната повторяемост на сондата може да доведе до измервания в рамките на 0,001 мм или 0,00005 инча (половин десета) по целия обем на измерване. За 3, 3+2 и 5-осни машини, сондите се калибрират рутинно с помощта на проследими стандарти, а движението на машината се проверява с помощта на калибри, за да се гарантира точност.

Специфични части

Тяло на машината

Първата CMM (колелоизмерителна мярка) е разработена от Ferranti Company от Шотландия през 50-те години на миналия век в резултат на пряка нужда от измерване на прецизни компоненти във военните им продукти, въпреки че тази машина е имала само 2 оси. Първите 3-осни модели започват да се появяват през 60-те години на миналия век (DEA от Италия), а компютърното управление дебютира в началото на 70-те години на миналия век, но първата работеща CMM е разработена и пусната в продажба от Browne & Sharpe в Мелбърн, Англия. (Leitz Германия впоследствие произвежда фиксирана машинна конструкция с подвижна маса.)

В съвременните машини, надстройката от портален тип има два крака и често се нарича мост. Тя се движи свободно по гранитната маса, като единият крак (често наричан вътрешен крак) следва направляваща релса, прикрепена от едната страна на гранитната маса. Противоположният крак (често външният крак) просто лежи върху гранитната маса, следвайки вертикалния контур на повърхността. Въздушните лагери са избраният метод за осигуряване на движение без триене. При тях сгъстеният въздух се прокарва през серия от много малки отвори в плоска лагерна повърхност, за да осигури гладка, но контролирана въздушна възглавница, върху която CMM може да се движи почти без триене, което може да се компенсира чрез софтуер. Движението на моста или портала по гранитната маса образува една ос на равнината XY. Мостът на портала съдържа каретка, която се движи между вътрешния и външния крак и образува другата хоризонтална ос X или Y. Третата ос на движение (ос Z) се осигурява чрез добавяне на вертикална пинола или шпиндел, която се движи нагоре и надолу през центъра на каретката. Сензорът образува сензорното устройство в края на пинолата. Движението на осите X, Y и Z напълно описва обхвата на измерване. Опционални въртящи се маси могат да се използват за подобряване на достъпа на измервателната сонда до сложни детайли. Въртящата се маса като четвърта задвижваща ос не подобрява измервателните размери, които остават 3D, но осигурява известна гъвкавост. Някои опипващи сонди са задвижвани въртящи се устройства с връх, способен да се завърта вертикално на повече от 180 градуса и на пълно завъртане на 360 градуса.

CMM (колелоизмервателни машини) вече се предлагат и в различни други форми. Те включват CMM рамена, които използват ъглови измервания, направени в ставите на рамото, за да изчислят позицията на върха на стилуса, и могат да бъдат оборудвани със сонди за лазерно сканиране и оптично изобразяване. Такива CMM рамена често се използват там, където тяхната преносимост е предимство пред традиционните CMM с неподвижно легло - чрез съхраняване на измерените местоположения, софтуерът за програмиране позволява и движението на самото измервателно рамо и неговия измервателен обем около детайла, който ще се измерва по време на измервателна процедура. Тъй като CMM рамената имитират гъвкавостта на човешката ръка, те често са в състояние да достигнат и до вътрешността на сложни части, които не биха могли да бъдат сондирани с помощта на стандартна триосна машина.

Механична сонда

В ранните дни на координатните измервания (CMM), механичните сонди са били поставяни в специален държач в края на пинолата. Много често срещана сонда е била чрез запояване на твърда топка към края на вал. Това е било идеално за измерване на цяла гама от плоски, цилиндрични или сферични повърхности. Други сонди са били шлифовани до специфични форми, например квадрант, за да се даде възможност за измерване на специални характеристики. Тези сонди са били физически задържани към детайла, като позицията им в пространството се е отчитала от 3-осно цифрово отчитане (DRO) или, в по-напреднали системи, се е въвеждала в компютър посредством педал или подобно устройство. Измерванията, направени чрез този контактен метод, често са били ненадеждни, тъй като машините са се движели ръчно и всеки оператор на машината е прилагал различно количество натиск върху сондата или е използвал различни техники за измерване.

По-нататъшно развитие беше добавянето на двигатели за задвижване на всяка ос. Операторите вече не трябваше физически да докосват машината, а можеха да управляват всяка ос с помощта на ръчна кутия с джойстици по същия начин, както при съвременните дистанционно управлявани автомобили. Точността и прецизността на измерването се подобриха драстично с изобретяването на електронната сонда с докосване. Пионерът на това ново устройство за сонда е Дейвид Макмъртри, който впоследствие основава това, което сега е Renishaw plc. Въпреки че все още е контактно устройство, сондата има пружинен стилус от стоманена топка (по-късно рубинена топка). Когато сондата докосне повърхността на детайла, стилусът се отклони и едновременно с това изпрати информация за координатите X, Y и Z към компютъра. Грешките в измерването, причинени от отделни оператори, станаха по-малко и беше подготвена сцената за въвеждането на CNC операциите и настъпването на епохата на CMM.

Оптичните сонди са лещи-CCD системи, които се движат подобно на механичните и са насочени към точката на интерес, вместо да докосват материала. Заснетото изображение на повърхността ще бъде затворено в границите на измервателен прозорец, докато остатъкът стане достатъчен, за да контрастира между черните и белите зони. Разделителната крива може да се изчисли до точка, която е желаната точка на измерване в пространството. Хоризонталната информация на CCD е 2D (XY), а вертикалната позиция е позицията на цялата сондираща система върху Z-задвижването на стойката (или друг компонент на устройството).

Системи за сканиране на сонди

Има по-нови модели, които имат сонди, които се плъзгат по повърхността на точките за вземане на детайла на определени интервали, известни като сканиращи сонди. Този метод за проверка с CMM често е по-точен от конвенционалния метод с докосваща сонда и в повечето случаи е и по-бърз.

Следващото поколение сканиране, известно като безконтактно сканиране, което включва високоскоростна лазерна триангулация с единична точка, лазерно линейно сканиране и сканиране с бяла светлина, се развива много бързо. Този метод използва лазерни лъчи или бяла светлина, които се проектират върху повърхността на детайла. След това могат да се вземат хиляди точки и да се използват не само за проверка на размера и позицията, но и за създаване на 3D изображение на детайла. Тези „данни от облак от точки“ могат да бъдат прехвърлени в CAD софтуер, за да се създаде работещ 3D модел на детайла. Тези оптични скенери често се използват върху меки или деликатни части или за улесняване на обратното инженерство.

Микрометрологични сонди

Системите за измерване на микромащабни метрологични приложения са друга нововъзникваща област. Съществуват няколко търговски достъпни координатно-измервателни машини (CMM), които имат интегрирана микросонда в системата, няколко специализирани системи в държавни лаборатории и редица университетски метрологични платформи за микромащабна метрология. Въпреки че тези машини са добри и в много случаи отлични метрологични платформи с нанометрични мащаби, основното им ограничение е надеждната, здрава и способна на работа микро/наносонда.^{[необходим е цитат]}Предизвикателствата пред технологиите за микромащабно сондиране включват необходимостта от сонда с високо съотношение на страните, която дава възможност за достъп до дълбоки, тесни детайли с ниски контактни сили, така че да не се повреди повърхността, и висока прецизност (нанометрово ниво).^{[необходим е цитат]}Освен това, микромащабните сонди са чувствителни към условия на околната среда, като влажност и повърхностни взаимодействия, като например сцепление (причинено от адхезия, менискус и/или сили на Ван дер Ваалс, наред с други).^{[необходим е цитат]}

Технологиите за постигане на микромащабно сондиране включват умалени версии на класически CMM сонди, оптични сонди и сонда със стояща вълна, наред с други. Съвременните оптични технологии обаче не могат да бъдат мащабирани достатъчно малки, за да измерват дълбоки, тесни детайли, а оптичната разделителна способност е ограничена от дължината на вълната на светлината. Рентгеновото изобразяване предоставя картина на детайла, но не и проследима метрологична информация.

Физически принципи

Могат да се използват оптични сонди и/или лазерни сонди (ако е възможно в комбинация), които превръщат CMM в измервателни микроскопи или мултисензорни измервателни машини. Системите за ресни проекции, теодолитни триангулационни системи или лазерни дистанционни и триангулационни системи не се наричат ​​измервателни машини, но резултатът от измерването е един и същ: пространствена точка. Лазерните сонди се използват за откриване на разстоянието между повърхността и референтната точка в края на кинематичната верига (т.е. края на Z-задвижващия компонент). Това може да използва интерферометрична функция, вариация на фокуса, отклонение на светлината или принцип на засенчване на лъча.

Преносими координатно-измервателни машини

Докато традиционните CMM използват сонда, която се движи по три декартови оси, за да измери физическите характеристики на обекта, преносимите CMM използват или съчленени рамена, или, в случай на оптични CMM, системи за сканиране без рамена, които използват методи за оптична триангулация и позволяват пълна свобода на движение около обекта.

Преносимите CMM с шарнирни рамена имат шест или седем оси, оборудвани с ротационни енкодери, вместо линейни оси. Преносимите рамена са леки (обикновено по-малко от 20 паунда) и могат да се носят и използват почти навсякъде. Оптичните CMM обаче се използват все по-често в индустрията. Проектирани с компактни линейни или матрични камери (като Microsoft Kinect), оптичните CMM са по-малки от преносимите CMM с рамена, нямат кабели и позволяват на потребителите лесно да правят 3D измервания на всички видове обекти, разположени почти навсякъде.

Някои еднократни приложения, като обратно инженерство, бързо прототипиране и мащабна проверка на части от всякакви размери, са идеално подходящи за преносими CMM. Предимствата на преносимите CMM са многократни. Потребителите имат гъвкавостта да правят 3D измервания на всички видове части и в най-отдалечените/трудни за достъп места. Те са лесни за употреба и не изискват контролирана среда за извършване на точни измервания. Освен това, преносимите CMM са склонни да струват по-малко от традиционните CMM.

Присъщите компромиси на преносимите CMM са ръчната работа (те винаги изискват човек, за да ги използват). Освен това, общата им точност може да бъде малко по-ниска от тази на CMM от мостов тип и са по-малко подходящи за някои приложения.

Мултисензорни измервателни машини

Традиционната CMM технология, използваща тъчсонди, днес често се комбинира с други измервателни технологии. Това включва лазерни, видео или сензори с бяла светлина, за да се осигури така нареченото мултисензорно измерване.