Kaj je koordinatni merilni stroj?

Akoordinatni merilni strojKoordinatni merilni stroj (KMS) je naprava, ki meri geometrijo fizičnih objektov z zaznavanjem diskretnih točk na površini predmeta s sondo. V KMS se uporabljajo različne vrste sond, vključno z mehanskimi, optičnimi, laserskimi in sondami z belo svetlobo. Odvisno od stroja lahko položaj sonde ročno nadzoruje operater ali pa ga nadzoruje računalnik. KMS običajno določajo položaj sonde glede na njen premik od referenčnega položaja v tridimenzionalnem kartezičnem koordinatnem sistemu (tj. z osmi XYZ). Poleg premikanja sonde vzdolž osi X, Y in Z mnogi stroji omogočajo tudi nadzor kota sonde, kar omogoča merjenje površin, ki bi bile sicer nedosegljive.

Tipični 3D-"mostni" KMS omogoča premikanje sonde vzdolž treh osi, X, Y in Z, ki so med seboj pravokotne v tridimenzionalnem kartezičnem koordinatnem sistemu. Vsaka os ima senzor, ki spremlja položaj sonde na tej osi, običajno z mikrometrsko natančnostjo. Ko se sonda dotakne (ali kako drugače zazna) določene lokacije na predmetu, stroj vzorči tri senzorje položaja in tako izmeri lokacijo ene točke na površini predmeta ter tridimenzionalni vektor opravljene meritve. Ta postopek se po potrebi ponavlja, pri čemer se sonda vsakič premakne, da se ustvari "oblak točk", ki opisuje površine, ki nas zanimajo.

Koordinatni merilni stroji (KMS) se pogosto uporabljajo v proizvodnih in montažnih procesih za testiranje dela ali sklopa glede na zasnovo. V takšnih aplikacijah se ustvarijo oblaki točk, ki se analizirajo z regresijskimi algoritmi za konstrukcijo elementov. Te točke se zbirajo z uporabo sonde, ki jo ročno pozicionira operater ali samodejno prek neposrednega računalniškega krmiljenja (DCC). KMS DCC je mogoče programirati za večkratno merjenje enakih delov; zato je avtomatiziran KMS specializirana oblika industrijskega robota.

Deli

Koordinatni merilni stroji vključujejo tri glavne komponente:

• Glavna struktura, ki vključuje tri osi gibanja. Material, uporabljen za izdelavo gibljivega okvirja, se je skozi leta spreminjal. V zgodnjih koordinatnih merilnih strojih sta bila uporabljena granit in jeklo. Danes vsi večji proizvajalci koordinatnih merilnih strojev izdelujejo okvirje iz aluminijeve zlitine ali kakšnega derivata in uporabljajo tudi keramiko za povečanje togosti osi Z za aplikacije skeniranja. Le malo proizvajalcev koordinatnih merilnih strojev danes še vedno izdeluje koordinatne merilne stroje z granitnim okvirjem zaradi tržnih zahtev po izboljšani metrološki dinamiki in vse večjega trenda namestitve koordinatnih merilnih strojev zunaj laboratorija za kakovost. Običajno le proizvajalci koordinatnih merilnih strojev z majhnim obsegom proizvodnje in domači proizvajalci na Kitajskem in v Indiji še vedno izdelujejo granitne koordinatne stroje zaradi nizkotehnološkega pristopa in enostavnega vstopa v proizvodnjo okvirjev koordinatnih merilnih strojev. Naraščajoči trend skeniranja zahteva tudi večjo togost osi Z koordinatnih strojev, uvedeni pa so bili tudi novi materiali, kot sta keramika in silicijev karbid.
• Sistem za sondiranje
• Sistem za zbiranje in obdelavo podatkov – običajno vključuje krmilnik stroja, namizni računalnik in programsko opremo.

Razpoložljivost

Ti stroji so lahko prostostoječi, ročni in prenosni.

Natančnost

Natančnost koordinatnih merilnih strojev je običajno podana kot faktor negotovosti v odvisnosti od razdalje. Pri koordinatnem merilnem stroju, ki uporablja merilno glavo na dotik, se to nanaša na ponovljivost merilne glave in natančnost linearnih meril. Tipična ponovljivost merilne glave lahko povzroči meritve znotraj 0,001 mm ali 0,00005 palca (pol desetine) po celotnem merilnem obsegu. Pri 3-, 3+2 in 5-osnih strojih se merilne glave rutinsko kalibrirajo z uporabo sledljivih standardov, gibanje stroja pa se preverja z merilniki, da se zagotovi natančnost.

Posebni deli

Telo stroja

Prvi koordinatni merilni stroj (CMM) je razvilo škotsko podjetje Ferranti v petdesetih letih prejšnjega stoletja kot posledica neposredne potrebe po merjenju natančnih komponent v svojih vojaških izdelkih, čeprav je imel ta stroj le dve osi. Prvi triosni modeli so se začeli pojavljati v šestdesetih letih prejšnjega stoletja (italijanska DEA), računalniško krmiljenje pa se je pojavilo v zgodnjih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, vendar je prvi delujoči CMM razvilo in dalo v prodajo podjetje Browne & Sharpe v Melbournu v Angliji. (Leitz Nemčija je nato izdelalo fiksno strukturo stroja s premično mizo.)

V sodobnih strojih ima nadgradnja portalnega tipa dve nogi in se pogosto imenuje most. Ta se prosto premika vzdolž granitne mize, pri čemer se ena noga (pogosto imenovana notranja noga) premika po vodilni tirnici, pritrjeni na eno stran granitne mize. Nasprotna noga (pogosto zunanja noga) preprosto leži na granitni mizi in sledi navpični konturi površine. Zračni ležaji so izbrana metoda za zagotavljanje gibanja brez trenja. Pri njih se stisnjen zrak potiska skozi vrsto zelo majhnih lukenj v ravni ležajni površini, da se zagotovi gladka, a nadzorovana zračna blazina, na kateri se lahko KMS premika skoraj brez trenja, kar je mogoče kompenzirati s programsko opremo. Gibanje mostu ali portala vzdolž granitne mize tvori eno os ravnine XY. Most portala vsebuje voziček, ki se premika med notranjo in zunanjo nogo in tvori drugo vodoravno os X ali Y. Tretja os gibanja (os Z) je zagotovljena z dodatkom navpične pinole ali vretena, ki se premika gor in dol skozi središče vozička. Tipalna sonda tvori zaznavalno napravo na koncu pinole. Gibanje osi X, Y in Z v celoti opisuje merilno ovojnico. Za izboljšanje dostopnosti merilne sonde do zapletenih obdelovancev se lahko uporabijo dodatne rotacijske mize. Vrtljiva miza kot četrta pogonska os ne izboljša merilnih dimenzij, ki ostanejo 3D, vendar zagotavlja določeno stopnjo prilagodljivosti. Nekatere tipalne sonde so same po sebi gnane rotacijske naprave, katerih konica se lahko navpično zavrti za več kot 180 stopinj in za polno rotacijo za 360 stopinj.

Koordinatni merilni stroji (KMS) so zdaj na voljo tudi v različnih drugih oblikah. Mednje spadajo roke KMS, ki uporabljajo kotne meritve na sklepih roke za izračun položaja konice tipala in so lahko opremljene s sondami za lasersko skeniranje in optično slikanje. Takšni KMS se pogosto uporabljajo tam, kjer je njihova prenosljivost prednost pred tradicionalnimi KMS s fiksno posteljo – s shranjevanjem izmerjenih lokacij programska oprema omogoča tudi premikanje same merilne roke in njene merilne prostornine okoli dela, ki ga je treba izmeriti med meritvenim postopkom. Ker roke KMS posnemajo gibljivost človeške roke, pogosto dosežejo tudi notranjost kompleksnih delov, ki jih ni mogoče izmeriti s standardnim triosnim strojem.

Mehanska sonda

V zgodnjih dneh koordinatnih meritev (KMS) so bile mehanske sonde nameščene v poseben nosilec na koncu pinole. Zelo pogosta sonda je bila izdelana s spajkanjem trde kroglice na konec gredi. To je bilo idealno za merjenje cele vrste ravnih, valjastih ali sferičnih površin. Druge sonde so bile zbrušene v posebne oblike, na primer kvadrant, da so omogočile merjenje posebnih značilnosti. Te sonde so bile fizično pritrjene na obdelovanec, položaj v prostoru pa se je odčitaval s 3-osnega digitalnega odčitavanja (DRO) ali, v naprednejših sistemih, se je v računalnik vnašal s pomočjo nožnega stikala ali podobne naprave. Meritve, opravljene s to kontaktno metodo, so bile pogosto nezanesljive, saj so se stroji premikali ročno in je vsak upravljavec stroja na sondo pritiskal različno močno ali pa je za merjenje uporabljal različne tehnike.

Nadaljnji razvoj je bil dodatek motorjev za pogon vsake osi. Operaterji se niso več morali fizično dotikati stroja, temveč so lahko vsako os poganjali z ročnim upravljalnikom z igralnimi palicami, podobno kot pri sodobnih avtomobilih na daljinsko upravljanje. Natančnost in preciznost meritev sta se dramatično izboljšali z izumom elektronske merilne glave na dotik. Pionir te nove merilne naprave je bil David McMurtry, ki je kasneje ustanovil podjetje, ki je danes znano kot Renishaw plc. Čeprav je bila sonda še vedno kontaktna naprava, je imela vzmetno tipalo iz jeklene kroglice (kasneje rubinaste kroglice). Ko se je sonda dotaknila površine obdelovanca, se je tipalo odklonilo in hkrati poslalo podatke o koordinatah X, Y in Z v računalnik. Število merilnih napak, ki so jih povzročili posamezni operaterji, se je zmanjšalo, kar je postavilo temelje za uvedbo CNC operacij in prihodnost KMS.

Optične sonde so sistemi z lečami in CCD-jem, ki se premikajo podobno kot mehanske in so usmerjene proti točki zanimanja, namesto da bi se dotikale materiala. Zajeta slika površine bo zaprta v mejah merilnega okna, dokler ostanek ne bo zadosten za kontrast med črnimi in belimi conami. Delitveno krivuljo je mogoče izračunati do točke, ki je želena merilna točka v prostoru. Horizontalni podatki na CCD-ju so 2D (XY), navpični položaj pa je položaj celotnega merilnega sistema na stojalu Z-pogon (ali drugi komponenti naprave).

Sistemi skenirnih sond

Obstajajo novejši modeli s sondami, ki se v določenih intervalih vlečejo po površini točk za odvzem dela, znane kot skenirajoče sonde. Ta metoda pregleda s KMS je pogosto natančnejša od običajne metode s tipalno sondo in večinoma tudi hitrejša.

Naslednja generacija skeniranja, znana kot brezkontaktno skeniranje, ki vključuje visokohitrostno lasersko triangulacijo posameznih točk, lasersko linijsko skeniranje in skeniranje z belo svetlobo, zelo hitro napreduje. Ta metoda uporablja laserske žarke ali belo svetlobo, ki se projicirajo na površino dela. Nato je mogoče zajeti več tisoč točk in jih uporabiti ne le za preverjanje velikosti in položaja, temveč tudi za ustvarjanje 3D-slike dela. Te »podatke o oblaku točk« je nato mogoče prenesti v programsko opremo CAD za ustvarjanje delujočega 3D-modela dela. Ti optični skenerji se pogosto uporabljajo na mehkih ali občutljivih delih ali za lažje obratno inženirstvo.

Mikrometrološke sonde

Merilni sistemi za mikrometrske aplikacije so še eno področje v razvoju. Obstaja več komercialno dostopnih koordinatnih merilnih strojev (CMM), ki imajo v sistem integrirano mikro sondo, več specializiranih sistemov v vladnih laboratorijih in številne univerzitetne metrološke platforme za mikrometrsko metrologijo. Čeprav so ti stroji dobre in v mnogih primerih odlične metrološke platforme z nanometrskimi merili, je njihova glavna omejitev zanesljiva, robustna in zmogljiva mikro/nano sonda.^{[potreben citat]}Izzivi za tehnologije mikroskopskega merjenja vključujejo potrebo po sondi z visokim razmerjem stranic, ki omogoča dostop do globokih, ozkih struktur z nizkimi kontaktnimi silami, da se površina ne poškoduje, in visoko natančnostjo (nanometrska raven).^{[potreben citat]}Poleg tega so mikroskopske sonde dovzetne za okoljske pogoje, kot so vlažnost in površinske interakcije, kot je lepljenje (ki ga povzročajo adhezija, meniskus in/ali Van der Waalsove sile, med drugim).^{[potreben citat]}

Tehnologije za doseganje mikroskopskega merjenja vključujejo pomanjšane različice klasičnih CMM sond, optične sonde in sonde s stoječim valom, med drugim. Vendar pa trenutnih optičnih tehnologij ni mogoče dovolj pomanjšati za merjenje globokih, ozkih značilnosti, optična ločljivost pa je omejena z valovno dolžino svetlobe. Rentgensko slikanje zagotavlja sliko značilnosti, vendar ne zagotavlja sledljivih metroloških informacij.

Fizikalna načela

Uporabiti je mogoče optične in/ali laserske sonde (če je mogoče v kombinaciji), ki spremenijo koordinatne merilne stroje (KMS) v merilne mikroskope ali večsenzorske merilne stroje. Sistemi za projekcijo robov, teodolitni triangulacijski sistemi ali laserski daljinski in triangulacijski sistemi se ne imenujejo merilni stroji, vendar je rezultat meritve enak: prostorska točka. Laserske sonde se uporabljajo za zaznavanje razdalje med površino in referenčno točko na koncu kinematične verige (tj. na koncu komponente Z-pogona). Pri tem se lahko uporablja interferometrična funkcija, sprememba fokusa, odklon svetlobe ali načelo senčenja žarka.

Prenosni koordinatni merilni stroji

Medtem ko tradicionalni KMS-ji uporabljajo sondo, ki se premika po treh kartezičnih oseh za merjenje fizikalnih značilnosti predmeta, prenosni KMS-ji uporabljajo bodisi zgibne roke bodisi, v primeru optičnih KMS-jev, sisteme za skeniranje brez rok, ki uporabljajo metode optične triangulacije in omogočajo popolno svobodo gibanja okoli predmeta.

Prenosni KMS-ji z ​​zgibnimi rokami imajo namesto linearnih osi šest ali sedem osi, ki so opremljene z rotacijskimi dajalniki. Prenosne roke so lahke (običajno manj kot 20 funtov) in jih je mogoče prenašati in uporabljati skoraj povsod. Vendar pa se v industriji vse pogosteje uporabljajo optični KMS-ji. Optični KMS-ji, zasnovani s kompaktnimi linearnimi ali matričnimi kamerami (kot je Microsoft Kinect), so manjši od prenosnih KMS-jev z rokami, nimajo žic in uporabnikom omogočajo enostavno 3D-meritev vseh vrst predmetov, ki se nahajajo skoraj povsod.

Določene neponavljajoče se aplikacije, kot so obratni inženiring, hitra izdelava prototipov in obsežni pregledi delov vseh velikosti, so idealne za prenosne KMS. Prednosti prenosnih KMS so številne. Uporabniki imajo fleksibilnost pri 3D-merjenju vseh vrst delov in na najbolj oddaljenih/težavno dostopnih lokacijah. So enostavni za uporabo in za natančne meritve ne potrebujejo nadzorovanega okolja. Poleg tega so prenosni KMS običajno cenejši od tradicionalnih KMS.

Slaba stran prenosnih KMS je ročno upravljanje (za njihovo uporabo vedno potrebujemo človeka). Poleg tega je njihova splošna natančnost lahko nekoliko manjša kot pri mostičnih KMS in je manj primerna za nekatere aplikacije.

Večsenzorski merilni stroji

Tradicionalna tehnologija KMS z uporabo merilnih glav na dotik se danes pogosto kombinira z drugo merilno tehnologijo. To vključuje laserske, video ali senzorje bele svetlobe, kar omogoča tako imenovano večsenzorsko merjenje.