Kaj je koordinatni merilni stroj?

Akoordinatni merilni stroj(CMM) je naprava, ki meri geometrijo fizičnih predmetov z zaznavanjem diskretnih točk na površini predmeta s sondo.V CMM se uporabljajo različne vrste sond, vključno z mehanskimi, optičnimi, laserskimi in belo svetlobo.Odvisno od stroja lahko položaj sonde upravlja operater ročno ali pa ga upravlja računalnik.KMS običajno določajo položaj sonde v smislu njegovega premika od referenčnega položaja v tridimenzionalnem kartezičnem koordinatnem sistemu (tj. z osemi XYZ).Poleg premikanja sonde vzdolž osi X, Y in Z številni stroji omogočajo tudi nadzor kota sonde, da se omogoči merjenje površin, ki bi sicer bile nedosegljive.

Tipičen 3D "most" CMM omogoča gibanje sonde vzdolž treh osi, X, Y in Z, ki so pravokotne druga na drugo 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 3-dimenzionalni vektor opravljene meritve.Ta postopek se po potrebi ponovi, pri čemer se sonda vsakič premakne, da nastane "oblak točk", ki opisuje površinska področja, ki nas zanimajo.

Običajna uporaba CMM je v proizvodnih in sestavljalnih procesih za preizkušanje dela ali sklopa glede na načrtovanje.V takšnih aplikacijah se generirajo oblaki točk, ki se analizirajo prek regresijskih algoritmov za konstrukcijo funkcij.Te točke se zbirajo z uporabo sonde, ki jo ročno postavi operater ali samodejno prek neposrednega računalniškega nadzora (DCC).CMM DCC je mogoče programirati za večkratno merjenje enakih delov;tako je avtomatiziran CMM 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 CMM sta bila uporabljena granit in jeklo.Danes vsi večji proizvajalci CMM izdelujejo okvirje iz aluminijeve zlitine ali kakšnega derivata in uporabljajo tudi keramiko za povečanje togosti osi Z za aplikacije skeniranja.Nekaj ​​proizvajalcev CMM danes še vedno izdeluje CMM z granitnim okvirjem zaradi zahtev trga po izboljšani meroslovni dinamiki in vse večjega trenda namestitve CMM zunaj laboratorija za kakovost.Običajno samo gradbeniki CMM v majhnih količinah in domači proizvajalci na Kitajskem in v Indiji še vedno izdelujejo granitne CMM zaradi nizkega tehnološkega pristopa in enostavnega vstopa v proizvajalce okvirjev CMM.Vse večji trend skeniranja zahteva tudi, da je os Z CMM bolj toga in uvedeni so bili novi materiali, kot sta keramika in silicijev karbid.
• Sistem sondiranja
• Sistem za zbiranje in zmanjševanje podatkov — običajno vključuje krmilnik stroja, namizni računalnik in aplikacijsko programsko opremo.

Razpoložljivost

Ti stroji so lahko samostoječi, ročni in prenosni.

Natančnost

Natančnost naprav za merjenje koordinat je običajno podana kot faktor negotovosti kot funkcija glede na razdaljo.Pri CMM, ki uporablja tipalo na dotik, se to nanaša na ponovljivost sonde in natančnost linearnih lestvic.Običajna ponovljivost sonde lahko povzroči meritve znotraj 0,001 mm ali 0,00005 palca (pol desetine) v celotni meritveni prostornini.Pri 3-, 3+2- in 5-osnih strojih so sonde rutinsko kalibrirane z uporabo sledljivih standardov, gibanje stroja pa je preverjeno z uporabo merilnikov, da se zagotovi natančnost.

Posebni deli

Telo stroja

Prvo CMM je razvilo podjetje Ferranti iz Škotske v petdesetih letih 20. stoletja kot rezultat neposredne potrebe po merjenju natančnih komponent v njihovih vojaških izdelkih, čeprav je imel ta stroj le 2 osi.Prvi 3-osni modeli so se začeli pojavljati v 1960-ih (DEA v Italiji) in računalniško krmiljenje je debitiralo v zgodnjih 1970-ih, vendar je prvi delujoči CMM razvil in dal v prodajo Browne & Sharpe v Melbournu v Angliji.(Nemčija Leitz je kasneje izdelala fiksno strukturo stroja s premično mizo.

Pri sodobnih strojih ima nadgradnja portalnega tipa dve kraki in se pogosto imenuje most.Ta se prosto premika po granitni mizi z eno nogo (pogosto imenovano notranja noga) po vodilu, pritrjenem na eni strani granitne mize.Nasprotna noga (pogosto zunanja noga) preprosto počiva na granitni mizi po navpični konturi površine.Zračni ležaji so izbrana metoda za zagotavljanje vožnje brez trenja.V teh je stisnjen zrak potisnjen skozi niz zelo majhnih lukenj v ravni nosilni površini, da se zagotovi gladka, a nadzorovana zračna blazina, po kateri se lahko CMM 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 prečka med notranjo in zunanjo nogo ter tvori drugo vodoravno os X ali Y.Tretja os gibanja (os Z) je zagotovljena z dodatkom navpičnega pinola ali vretena, ki se premika gor in dol skozi sredino vozička.Sonda na dotik tvori zaznavno napravo na koncu peresa.Gibanje osi X, Y in Z v celoti opisuje merilno ovojnico.Izbirne vrtljive mize lahko uporabite za izboljšanje dostopa merilne sonde do zapletenih obdelovancev.Vrtljiva miza kot četrta pogonska os ne izboljša merilnih dimenzij, ki ostajajo 3D, vendar zagotavlja določeno stopnjo fleksibilnosti.Nekatere sonde na dotik so same rotacijske naprave z električnim pogonom, pri čemer se konica sonde lahko navpično zasuče za več kot 180 stopinj in se zavrti za 360 stopinj.

CMM so zdaj na voljo tudi v različnih drugih oblikah.Sem spadajo ročice CMM, ki uporabljajo kotne meritve na sklepih roke za izračun položaja konice pisala in so lahko opremljene s sondami za lasersko skeniranje in optično slikanje.Takšni KMS z roko se pogosto uporabljajo, kjer je njihova prenosljivost prednost pred tradicionalnimi KMS s fiksno posteljo – programska oprema s shranjevanjem izmerjenih lokacij omogoča tudi premikanje same merilne roke in njenega merilnega volumna okoli dela, ki ga je treba izmeriti med merilno rutino.Ker ročice CMM posnemajo prožnost človeške roke, lahko pogosto dosežejo tudi notranjost kompleksnih delov, ki jih ni bilo mogoče preizkusiti s standardnim triosnim strojem.

Mehanska sonda

V zgodnjih dneh koordinatnega merjenja (CMM) so bile mehanske sonde nameščene v posebno držalo na koncu peresa.Zelo pogosta sonda je bila narejena s spajkanjem trde kroglice na konec gredi.To je bilo idealno za merjenje cele vrste ravnih, cilindričnih ali sferičnih površin.Druge sonde so bile zbrušene v posebne oblike, na primer kvadrant, da bi omogočili merjenje posebnih značilnosti.Te sonde so bile fizično pritrjene na obdelovanec, pri čemer se je položaj v prostoru odčitaval iz 3-osnega digitalnega odčitavalnika (DRO) ali, v naprednejših sistemih, je bil vpisan v računalnik 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 uporabljal različne količine pritiska na sondo ali uporabljal različne tehnike za merjenje.

Nadaljnji razvoj je bil dodatek motorjev za pogon vsake osi.Operaterjem se ni bilo treba več fizično dotikati stroja, ampak so lahko vsako os poganjali z uporabo ročne škatle s krmilnimi palicami na približno enak način kot pri sodobnih daljinsko vodenih avtomobilih.Točnost in natančnost meritev sta se dramatično izboljšali z izumom elektronske sonde na dotik.Pionir te nove merilne naprave je bil David McMurtry, ki je kasneje ustanovil podjetje Renishaw plc.Čeprav je bila še vedno kontaktna naprava, je imela sonda pisalo z vzmetno jekleno kroglo (pozneje rubinasto kroglo).Ko se je sonda dotaknila površine komponente, se je pisalo odklonilo in računalniku hkrati poslalo informacije o koordinatah X, Y, Z.Zmanjšalo se je merilnih napak, ki jih povzročijo posamezni operaterji, pripravljeni so bili pogoji za uvedbo CNC operacij in polnoletnost CMM.

Optične sonde so leče-CCD-sistemi, ki se premikajo kot mehanske in so usmerjene v točko zanimanja, namesto da bi se dotikale materiala.Zajeta slika površine bo zaprta v robove merilnega okna, dokler ostanek ne bo zadosten za kontrast med črnimi in belimi conami.Delilno krivuljo lahko izračunamo do točke, ki je želena merilna točka v prostoru.Horizontalne informacije na CCD so 2D (XY), navpični položaj pa je položaj celotnega merilnega sistema na Z-pogonu stojala (ali drugi komponenti naprave).

Sistemi skenirajočih sond

Obstajajo novejši modeli, ki imajo sonde, ki se vlečejo po površini dela in zajemajo točke v določenih intervalih, znane kot sonde za skeniranje.Ta metoda inšpekcijskega pregleda CMM je pogosto natančnejša od običajne metode tipanja na dotik in večinoma tudi hitrejša.

Naslednja generacija skeniranja, znana kot brezkontaktno skeniranje, ki vključuje visokohitrostno lasersko enotočkovno triangulacijo, lasersko črtno skeniranje in belo svetlobno skeniranje, napreduje zelo hitro.Ta metoda uporablja laserske žarke ali belo svetlobo, ki se projicira na površino dela.Več tisoč točk je nato mogoče vzeti in uporabiti ne samo za preverjanje velikosti in položaja, ampak tudi za ustvarjanje 3D slike dela.Te »podatke v oblaku točk« je mogoče nato prenesti v programsko opremo CAD za ustvarjanje delujočega 3D modela dela.Ti optični bralniki se pogosto uporabljajo na mehkih ali občutljivih delih ali za olajšanje obratnega inženiringa.

Mikrometrološke sonde

Sistemi sondiranja za meroslovne aplikacije v mikroskopskem merilu so še eno področje v vzponu.Obstaja več komercialno dostopnih koordinatnih merilnih strojev (CMM), ki imajo v sistem vgrajeno mikrosondo, več posebnih sistemov v vladnih laboratorijih in poljubno število univerzitetno zgrajenih meroslovnih platform za meroslovje v mikroskopskem merilu.Čeprav so ti stroji dobre in v mnogih primerih odlične meroslovne platforme z nanometričnimi lestvicami, je njihova primarna omejitev zanesljiva, robustna in sposobna mikro/nano sonda.^{[citat potreben]}Izzivi za tehnologije sondiranja na mikro merilu vključujejo potrebo po sondi z visokim razmerjem stranic, ki omogoča dostop do globokih, ozkih elementov z nizkimi kontaktnimi silami, da ne poškodujete površine, in visoko natančnost (nanometrska raven).^{[citat potreben]}Poleg tega so sonde na mikroskopskem merilu dovzetne za okoljske pogoje, kot je vlaga, in površinske interakcije, kot je oprijem (med drugim zaradi adhezije, meniskusa in/ali Van der Waalsovih sil).^{[citat potreben]}

Tehnologije za doseganje mikroskalnega sondiranja med drugim vključujejo pomanjšano različico klasičnih sond CMM, optičnih sond in sond za stoječe valove.Vendar trenutnih optičnih tehnologij ni mogoče prilagoditi na dovolj majhne velikosti, da bi izmerili globoke, ozke lastnosti, optična ločljivost pa je omejena z valovno dolžino svetlobe.Rentgensko slikanje zagotavlja sliko značilnosti, ne pa tudi sledljivih meroslovnih informacij.

Fizikalna načela

Uporabite lahko optične sonde in/ali laserske sonde (če je možno v kombinaciji), ki CMM spremenijo v merilne mikroskope ali večsenzorske merilne stroje.Obrobni projekcijski sistemi, teodolitski triangulacijski sistemi ali laserski daljinski in triangulacijski sistemi se ne imenujejo merilni stroji, vendar je rezultat merjenja 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).To lahko uporablja interferometrično funkcijo, variacijo fokusa, odklon svetlobe ali princip senčenja snopa.

Prenosni koordinatni merilni stroji

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

Prenosni KMS 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 optični CMM vedno bolj uporabljajo v industriji.Optični CMM, zasnovani s kompaktnimi linearnimi ali matričnimi kamerami (kot je Microsoft Kinect), so manjši od prenosnih CMM z rokami, nimajo žic in uporabnikom omogočajo preprosto 3D-merjenje vseh vrst predmetov, ki se nahajajo skoraj povsod.

Določene aplikacije, ki se ne ponavljajo, kot so obratno inženirstvo, hitra izdelava prototipov in pregledovanje delov vseh velikosti v velikem obsegu, so idealne za prenosne CMM.Prednosti prenosnih CMM so številne.Uporabniki imajo prilagodljivost pri izvajanju 3D meritev vseh vrst delov in na najbolj oddaljenih/težavnejših lokacijah.So enostavni za uporabo in za natančne meritve ne potrebujejo nadzorovanega okolja.Poleg tega prenosni CMM običajno stanejo manj kot tradicionalni CMM.

Neločljivi kompromisi prenosnih CMM so ročno upravljanje (za njihovo uporabo je vedno potreben človek).Poleg tega je njihova splošna natančnost lahko nekoliko manj natančna kot pri CMM mostnega tipa in je manj primerna za nekatere aplikacije.

Multisenzorski merilni stroji

Tradicionalna tehnologija CMM, ki uporablja sonde na dotik, se danes pogosto kombinira z drugo merilno tehnologijo.To vključuje laserske, video ali bele svetlobne senzorje za zagotavljanje tako imenovanih večsenzorskih meritev.