Какво е координатна измервателна машина?

Акоординатна измервателна машина(CMM) е устройство, което измерва геометрията на физически обекти чрез отчитане на отделни точки на повърхността на обекта със сонда.В CMM се използват различни видове сонди, включително механични, оптични, лазерни и бяла светлина.В зависимост от машината, позицията на сондата може да се контролира ръчно от оператор или може да се контролира 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 преместването на сондата по осите X, Y и Z, много машини също позволяват ъгълът на сондата да бъде контролиран, 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 на друга в триизмерна декартова координатна система.Всяка ос има сензор, който следи позицията на сондата по тази ос, обикновено с микрометърна точност.Когато сондата се докосне (или по друг начин открие) определено място на обекта, машината взема проби от трите сензора за позиция, като по този начин измерва местоположението на една точка на повърхността на обекта, както и 3-измерния вектор на направеното измерване.Този процес се повтаря, ако е необходимо, като сондата се премества всеки път, за да се получи „облак от точки“, който описва зоните на повърхността, представляващи интерес.

Общата употреба на CMM е в процесите на производство и сглобяване за тестване на част или възел спрямо намерението на дизайна.В такива приложения се генерират облаци от точки, които се анализират чрез регресионни алгоритми за изграждане 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 автоматизираният 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 конструиране на подвижната рамка, варира през годините.Гранит и стомана са използвани в ранните CMM.Днес всички големи производители на CMM изграждат рамки от алуминиева сплав или някакво производно и също използват керамика, за да увеличат твърдостта на оста Z за приложения за сканиране.Малко конструктори на CMM днес все още произвеждат CMM от гранитни рамки поради пазарните изисквания за подобрена метрологична динамика и нарастваща 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 гранит CMM поради ниския технологичен подход и лесното навлизане, за да станат производители на CMM рамки.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.
• Система за сондиране
• Система за събиране и намаляване 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 измерване на координати обикновено се дава като фактор на несигурност като функция на разстоянието.За CMM, използваща 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 mm или .00005 инча (половин десета) за целия измерван обем.За машини с 3, 3+2 и 5 оси сондите се калибрират рутинно с помощта на проследими стандарти и движението на машината се проверява с помощта на измервателни уреди, за да се гарантира точност.

Специфични части

Тяло на машината

Първият CMM е разработен от Ferranti Company от Шотландия през 50-те години на миналия век в резултат на пряка необходимост от измерване на прецизни компоненти в техните военни продукти, въпреки че тази машина има само 2 оси.Първите 3-осни модели започнаха да се появяват през 60-те години (DEA на Италия), а компютърното управление дебютира в началото на 70-те години, но първият работещ CMM беше разработен и пуснат в продажба от Browne & Sharpe в Мелбърн, Англия.(Leitz Германия впоследствие произвежда фиксирана конструкция на машината с подвижна маса.

В съвременните машини надстройката от портален тип има два крака и често се нарича мост.Той се движи свободно по гранитната маса с един крак (често наричан вътрешен крак) след водеща релса, прикрепена към едната страна на гранитната маса.Противоположният крак (често външен крак) просто лежи върху гранитната маса, следвайки контура на вертикалната повърхност.Въздушните лагери са избраният метод за осигуряване на движение без триене.При тях сгъстеният въздух се изтласква през поредица от много малки отвори в плоска опорна повърхност, за да се осигури гладка, но контролирана въздушна възглавница, върху която CMM може да се движи почти без триене, което може да бъде компенсирано чрез софтуер.Движението на моста или портала по гранитната маса образува една ос на равнината XY.Мостът на портала съдържа каретка, която преминава между вътрешните и външните крака и образува другата X или Y хоризонтална ос.Третата ос на движение (ос Z) се осигурява чрез добавяне на вертикална пина или шпиндел, който се движи нагоре и надолу през центъра на каретката.Докосващата сонда образува сензорното устройство в края на перото.Движението на осите X, Y и Z напълно описва обвивката на измерване.Допълнителни 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 размерите на измерване, които остават 3D, но осигурява известна степен на гъвкавост.Някои сензорни сонди сами по себе си са задвижвани въртящи се устройства, като върхът на сондата може да се завърта вертикално на повече от 180 градуса и на пълно завъртане на 360 градуса.

CMM 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 изображение.Такива CMM с рамо често се използват, когато тяхната преносимост е предимство пред традиционните CMM с фиксирано легло - чрез съхраняване на измерените местоположения софтуерът за програмиране също така позволява преместване на самото измервателно рамо и неговия измервателен обем около частта, която ще се измерва по време на рутинно измерване.Тъй като рамената на CMM имитират гъвкавостта на човешка ръка, те често могат да достигнат вътрешностите на сложни части, които не могат да бъдат изследвани с помощта на стандартна триосна машина.

Механична сонда

В ранните дни на измерването на координатите (CMM) механичните сонди бяха монтирани в специален държач в края на перото.Много разпространена сонда беше направена чрез запояване на твърда топка към края на вала.Това беше идеално за измерване на цял набор от плоски, цилиндрични или сферични повърхности.Други сонди бяха шлифовани до специфични форми, например квадрант, за да се даде възможност за измерване на специални характеристики.Тези сонди бяха физически държани срещу детайла, като позицията в пространството се четеше от 3-осно цифрово отчитане (DRO) или, в по-напреднали системи, се регистрираше в компютър с помощта на крачен превключвател или подобно устройство.Измерванията, направени чрез този контактен метод, често са били ненадеждни, тъй като машините са се движили на ръка и всеки оператор на машина 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, но можеха да управляват всяка ос с помощта на ръчна кутия с джойстици по почти същия начин, както при съвременните автомобили с дистанционно управление.Точността и прецизността на измерването се подобриха драматично с изобретяването на електронната сензорна сонда.Пионерът на това ново устройство за сонда беше Дейвид МакМъртри, който впоследствие създаде това, което сега е Renishaw plc.Въпреки че все още е контактно устройство, сондата има заредена с пружина стоманена топка (по-късно рубинена топка) стилус.Когато сондата докосна повърхността на компонента, стилусът се отклони и едновременно с това изпрати информацията за координатите X, Y, Z към компютъра.Грешките при измерване, причинени от отделни оператори, станаха по-малко и беше подготвена сцената за въвеждане на CNC операциите и навлизането на възрастта на CMM.

Оптичните сонди са лещи-CCD системи, които се движат като механичните и са насочени към точката на интерес, вместо да докосват материала.Заснетото изображение на повърхността ще бъде затворено в границите на прозорец за измерване, докато остатъкът стане подходящ за контраст 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 система за сондиране върху Z-задвижване на стойката (или друг компонент на устройството).

Сканиращи сондови системи

Има по-нови модели, които имат сонди, които се плъзгат по повърхността на детайла, като вземат точки на определени интервали, известни като сканиращи сонди.Този метод на инспекция на CMM често е по-точен от конвенционалния метод със сензорна сонда и повечето пъти по-бърз.

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

Микрометрологични сонди

Системите за сондиране за метрологични приложения в микромащаб са друга нововъзникваща област.Има няколко налични в търговската мрежа машини за координатно измерване (CMM), които имат микросонда, интегрирана в системата, няколко специални системи в правителствени лаборатории и произволен брой метрологични платформи, изградени от университети за микромащабна метрология.Въпреки че тези машини са добри и в много случаи отлични метрологични платформи с нанометрични мащаби, основното им ограничение е надеждна, здрава и способна микро/нано сонда.^{[необходимо е цитиране]}Предизвикателствата пред технологиите за микромащабно сондиране включват необходимостта от сонда с високо аспектно съотношение, която дава възможност за достъп до дълбоки, тесни характеристики с ниски контактни сили, така че да не се повреди повърхността и висока прецизност (нанометрово ниво).^{[необходимо е цитиране]}Освен това микромащабните сонди са податливи на условия на околната среда като влажност и повърхностни взаимодействия като сцепление (причинено от адхезия, менискус и/или сили на Ван дер Ваалс между другото).^{[необходимо е цитиране]}

Технологиите за постигане на микромащабно сондиране включват намалена версия на класически CMM сонди, оптични сонди и сонда за стоящи вълни, наред с други.Настоящите оптични технологии обаче не могат да бъдат мащабирани достатъчно малки, за да измерват дълбока, тясна характеристика, а оптичната разделителна способност е ограничена от дължината на вълната на светлината.Рентгеновото изображение предоставя картина на функцията, но не и проследима метрологична информация.

Физически принципи

Могат да се използват оптични сонди и/или лазерни сонди (ако е възможно в комбинация), които променят CMM в измервателни микроскопи или мултисензорни измервателни машини.Проекционните системи с ръбове, теодолитните триангулационни системи или лазерните 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, промяна 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 измерване на физическите характеристики на обекта, преносимите CMM използват шарнирни рамена или, в случай на оптични CMM, системи за сканиране без рама, които използват методи на оптична триангулация и позволяват пълна свобода на движение около обекта.

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

Определени приложения, които не се повтарят, като обратно инженерство, бързо създаване на прототипи и широкомащабна инспекция на части от всякакви размери са идеални за преносими CMM.Ползите от преносимите CMM са многобройни.Потребителите имат гъвкавостта да правят 3D измервания на всички видове части и на най-отдалечените/трудни места.Те са лесни за използване и не изискват контролирана среда за извършване на точни измервания.Освен това преносимите CMM обикновено струват по-малко от традиционните CMM.

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 CMM от мостов тип и е по-малко подходяща за някои приложения.

Мултисензорни измервателни машини

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