Ce este mașina de măsurat în coordonate?

Amașină de măsurat în coordonate(CMM) este un dispozitiv care măsoară geometria obiectelor fizice prin detectarea punctelor discrete de pe suprafața obiectului cu o sondă.În CMM-uri sunt utilizate diferite tipuri de sonde, inclusiv cele mecanice, optice, laser și lumină albă.În funcție de mașină, poziția sondei poate fi controlată manual de către un operator sau poate fi controlată de computer.CMM-urile specifică de obicei poziția unei sonde în termeni de deplasare față de o poziție de referință într-un sistem de coordonate carteziene tridimensional (adică, cu axe XYZ).Pe lângă deplasarea sondei de-a lungul axelor X, Y și Z, multe mașini permit, de asemenea, controlul unghiului sondei pentru a permite măsurarea suprafețelor care altfel ar fi inaccesibile.

CMM-ul tipic 3D „punte” permite mișcarea sondei de-a lungul a trei axe, X, Y și Z, care sunt ortogonale între ele într-un sistem de coordonate carteziene tridimensional.Fiecare axă are un senzor care monitorizează poziția sondei pe axa respectivă, de obicei cu precizie micrometrică.Atunci când sonda contactează (sau detectează în alt mod) o anumită locație pe obiect, mașina prelevează cei trei senzori de poziție, măsurând astfel locația unui punct de pe suprafața obiectului, precum și vectorul tridimensional al măsurătorii efectuate.Acest proces se repetă după cum este necesar, mișcând sonda de fiecare dată, pentru a produce un „nor de puncte” care descrie suprafețele de interes.

O utilizare comună a CMM-urilor este în procesele de fabricație și asamblare pentru a testa o piesă sau un ansamblu în raport cu intenția de proiectare.În astfel de aplicații, se generează nori de puncte care sunt analizați prin algoritmi de regresie pentru construirea de caracteristici.Aceste puncte sunt colectate folosind o sondă care este poziționată manual de către un operator sau automat prin Controlul Direct Computer (DCC).CMM-urile DCC pot fi programate pentru a măsura în mod repetat piese identice;astfel, un CMM automatizat este o formă specializată de robot industrial.

Părți

Mașinile de măsurat în coordonate includ trei componente principale:

• Structura principală care include trei axe de mișcare.Materialul folosit pentru construirea cadrului mobil a variat de-a lungul anilor.Granitul și oțelul au fost folosite la primele CMM-uri.Astăzi, toți marii producători de CMM construiesc cadre din aliaj de aluminiu sau din unele derivate și, de asemenea, folosesc ceramică pentru a crește rigiditatea axei Z pentru aplicațiile de scanare.Puțini constructori de CMM încă mai fabrică CMM-uri din granit din cauza cerințelor pieței pentru o dinamică îmbunătățită a metrologiei și a tendinței în creștere de a instala CMM în afara laboratorului de calitate.De obicei, numai constructorii de CMM cu volum redus și producătorii autohtoni din China și India încă produc CMM din granit datorită abordării cu tehnologie redusă și a intrării ușoare pentru a deveni un constructor de cadre CMM.Tendința crescândă către scanare necesită, de asemenea, ca axa Z CMM să fie mai rigidă și au fost introduse noi materiale, cum ar fi ceramica și carbura de siliciu.
• Sistem de sondare
• Sistem de colectare și reducere a datelor - include de obicei un controler de mașină, un computer desktop și un software de aplicație.

Disponibilitate

Aceste mașini pot fi de sine stătătoare, portabile și portabile.

Precizie

Precizia mașinilor de măsurare a coordonatelor este de obicei dată ca un factor de incertitudine ca o funcție pe distanță.Pentru un CMM care utilizează un palpator, acest lucru se referă la repetabilitatea sondei și acuratețea scalelor liniare.Repetabilitate tipică a sondei poate duce la măsurători de 0,001 mm sau 0,00005 inci (jumătate de zecime) pe întregul volum de măsurare.Pentru mașinile cu 3, 3+2 și 5 axe, sondele sunt calibrate în mod obișnuit folosind standarde trasabile, iar mișcarea mașinii este verificată cu ajutorul manometrelor pentru a asigura acuratețea.

Piese specifice

Corpul mașinii

Primul CMM a fost dezvoltat de compania Ferranti din Scoția în anii 1950 ca urmare a unei nevoi directe de a măsura componente de precizie în produsele lor militare, deși această mașină avea doar 2 axe.Primele modele cu 3 axe au început să apară în anii 1960 (DEA din Italia), iar controlul computerizat a debutat la începutul anilor 1970, dar primul CMM funcțional a fost dezvoltat și pus în vânzare de Browne & Sharpe în Melbourne, Anglia.(Leitz Germania a produs ulterior o structură de mașină fixă ​​cu masă mobilă.

La mașinile moderne, suprastructura de tip portal are două picioare și este adesea numită punte.Acesta se mișcă liber de-a lungul mesei de granit cu un picior (denumit adesea piciorul interior) urmând o șină de ghidare atașată de o parte a mesei de granit.Piciorul opus (de multe ori piciorul exterior) se sprijină pur și simplu pe masa de granit urmând conturul suprafeței verticale.Rulmenții pneumatici sunt metoda aleasă pentru a asigura cursa fără frecare.În acestea, aerul comprimat este forțat printr-o serie de găuri foarte mici într-o suprafață plată pentru a oferi o pernă de aer netedă, dar controlată, pe care CMM-ul se poate mișca într-o manieră aproape fără frecare, care poate fi compensată prin software.Mișcarea podului sau portalului de-a lungul mesei de granit formează o axă a planului XY.Podul porticului conține un cărucior care traversează între picioarele interior și exterior și formează cealaltă axă orizontală X sau Y.Cea de-a treia axă de mișcare (axa Z) este asigurată de adăugarea unei penei sau axului vertical care se mișcă în sus și în jos prin centrul căruciorului.Sonda de atingere formează dispozitivul de detectare la capătul penei.Mișcarea axelor X, Y și Z descrie pe deplin anvelopa de măsurare.Mesele rotative opționale pot fi utilizate pentru a îmbunătăți accesibilitatea sondei de măsurare la piese complicate.Masa rotativă ca a patra axă de antrenare nu îmbunătățește dimensiunile de măsurare, care rămân 3D, dar oferă un grad de flexibilitate.Unele sonde de atingere sunt ele însele dispozitive rotative alimentate cu vârful sondei capabil să se rotească vertical cu mai mult de 180 de grade și printr-o rotație completă de 360 ​​de grade.

CMM-urile sunt acum disponibile și într-o varietate de alte forme.Acestea includ brațe CMM care utilizează măsurători unghiulare luate la articulațiile brațului pentru a calcula poziția vârfului stiloului și pot fi echipate cu sonde pentru scanarea laser și imagistica optică.Astfel de CMM-uri cu braț sunt adesea folosite acolo unde portabilitatea lor este un avantaj față de CMM-urile tradiționale cu pat fix - prin stocarea locațiilor măsurate, software-ul de programare permite, de asemenea, mutarea brațului de măsurare în sine și a volumului său de măsurare în jurul piesei care trebuie măsurată în timpul unei rutine de măsurare.Deoarece brațele CMM imită flexibilitatea unui braț uman, ele sunt adesea capabile să ajungă la interiorul pieselor complexe care nu au putut fi sondate folosind o mașină standard cu trei axe.

Sondă mecanică

În primele zile ale măsurării în coordonate (CMM), sondele mecanice au fost montate într-un suport special de la capătul penei.O sondă foarte comună a fost realizată prin lipirea unei bile dure la capătul unui arbore.Acesta a fost ideal pentru măsurarea unei game întregi de suprafețe plane, cilindrice sau sferice.Alte sonde au fost măcinate la forme specifice, de exemplu un cadran, pentru a permite măsurarea caracteristicilor speciale.Aceste sonde au fost ținute fizic de piesa de prelucrat, poziția în spațiu fiind citită dintr-un cititor digital cu 3 axe (DRO) sau, în sistemele mai avansate, fiind conectată la un computer prin intermediul unui comutator cu picior sau un dispozitiv similar.Măsurătorile efectuate prin această metodă de contact au fost adesea nesigure, deoarece mașinile au fost deplasate manual și fiecare operator de mașină a aplicat cantități diferite de presiune pe sondă sau a adoptat tehnici diferite pentru măsurare.

O dezvoltare ulterioară a fost adăugarea de motoare pentru conducerea fiecărei axe.Operatorii nu mai trebuiau să atingă fizic mașina, ci puteau conduce fiecare axă folosind o cutie de mână cu joystick-uri, în același mod ca și în cazul mașinilor moderne cu telecomandă.Precizia și precizia măsurătorilor s-au îmbunătățit dramatic odată cu inventarea sondei electronice cu declanșare tactilă.Pionierul acestui nou dispozitiv de sondă a fost David McMurtry, care ulterior a format ceea ce este acum Renishaw plc.Deși încă un dispozitiv de contact, sonda avea un stilou cu bilă de oțel cu arc (mai târziu cu bilă de rubin).Pe măsură ce sonda a atins suprafața componentei, stiloul s-a deviat și a trimis simultan informațiile despre coordonatele X,Y,Z către computer.Erorile de măsurare cauzate de operatorii individuali au devenit mai puține și s-a pregătit scena pentru introducerea operațiunilor CNC și maturizarea CMM-urilor.

Sondele optice sunt sisteme de lentile-CCD, care sunt deplasate ca și cele mecanice, și sunt îndreptate spre punctul de interes, în loc să atingă materialul.Imaginea surprinsă a suprafeței va fi închisă în marginile unei ferestre de măsurare, până când reziduul este adecvat pentru a contrasta zonele alb-negru.Curba de împărțire poate fi calculată la un punct, care este punctul de măsurare dorit în spațiu.Informațiile orizontale de pe CCD sunt 2D (XY), iar poziția verticală este poziția întregului sistem de palpare pe suportul Z-drive (sau altă componentă a dispozitivului).

Sisteme de sonde de scanare

Există modele mai noi care au sonde care trage de-a lungul suprafeței piesei luând puncte la intervale specificate, cunoscute sub numele de sonde de scanare.Această metodă de inspecție CMM este adesea mai precisă decât metoda convențională a sondei de atingere și de cele mai multe ori și mai rapidă.

Următoarea generație de scanare, cunoscută sub numele de scanare fără contact, care include triangularea unui punct cu laser de mare viteză, scanarea cu linii laser și scanarea cu lumină albă, avansează foarte repede.Această metodă utilizează fie raze laser, fie lumină albă care sunt proiectate pe suprafața piesei.Mai multe mii de puncte pot fi apoi luate și utilizate nu numai pentru a verifica dimensiunea și poziția, ci și pentru a crea o imagine 3D a piesei.Aceste „date din norul de puncte” pot fi apoi transferate în software-ul CAD pentru a crea un model 3D funcțional al piesei.Aceste scanere optice sunt adesea folosite pe piese moi sau delicate sau pentru a facilita ingineria inversă.

Sonde de micrometrologie

Sistemele de sondare pentru aplicațiile de metrologie la microscală sunt un alt domeniu în curs de dezvoltare.Există mai multe mașini de măsurare a coordonatelor (CMM) disponibile comercial, care au o microsondă integrată în sistem, mai multe sisteme de specialitate la laboratoarele guvernamentale și orice număr de platforme de metrologie construite de universitate pentru metrologia la microscală.Deși aceste mașini sunt bune și, în multe cazuri, platforme de metrologie excelente cu scale nanometrice, limitarea lor principală este o sondă micro/nano fiabilă, robustă și capabilă.^{[citare necesară]}Provocările pentru tehnologiile de sondare la microscală includ necesitatea unei sonde cu raport de aspect ridicat, oferind posibilitatea de a accesa caracteristici adânci, înguste, cu forțe de contact scăzute, pentru a nu deteriora suprafața și precizie ridicată (nivel nanometru).^{[citare necesară]}În plus, sondele la scară mică sunt susceptibile la condițiile de mediu, cum ar fi umiditatea și interacțiunile de suprafață, cum ar fi sticția (cauzată de aderență, menisc și/sau forțe Van der Waals, printre altele).^{[citare necesară]}

Tehnologiile pentru realizarea sondajului la microscală includ, printre altele, versiunea redusă a sondelor CMM clasice, sondele optice și o sondă cu undă staționară.Cu toate acestea, tehnologiile optice actuale nu pot fi scalate suficient de mic pentru a măsura caracteristicile profunde și înguste, iar rezoluția optică este limitată de lungimea de undă a luminii.Imagistica cu raze X oferă o imagine a caracteristicii, dar nu există informații de metrologie urmăribile.

Principii fizice

Pot fi utilizate sonde optice și/sau sonde laser (dacă este posibil în combinație), care schimbă CMM-urile în microscoape de măsurare sau mașini de măsurare multisenzoare.Sistemele de proiecție cu franjuri, sistemele de triangulare cu teodolit sau sistemele de distanță și triangulare cu laser nu se numesc mașini de măsurat, dar rezultatul măsurării este același: un punct spațial.Sondele laser sunt folosite pentru a detecta distanța dintre suprafață și punctul de referință de la capătul lanțului cinematic (adică: capătul componentei Z-drive).Aceasta poate folosi o funcție interferometrică, variația focalizării, deviația luminii sau un principiu de umbrire a fasciculului.

Mașini portabile de măsurare a coordonatelor

În timp ce CMM-urile tradiționale folosesc o sondă care se mișcă pe trei axe carteziene pentru a măsura caracteristicile fizice ale unui obiect, CMM-urile portabile folosesc fie brațe articulate, fie, în cazul CMM-urilor optice, sisteme de scanare fără brațe care utilizează metode de triangulare optică și permit libertate totală de mișcare. în jurul obiectului.

CMM-urile portabile cu brațe articulate au șase sau șapte axe care sunt echipate cu encodere rotative, în loc de axe liniare.Brațele portabile sunt ușoare (de obicei, mai puțin de 20 de lire sterline) și pot fi transportate și utilizate aproape oriunde.Cu toate acestea, CMM-urile optice sunt folosite din ce în ce mai mult în industrie.Proiectate cu camere compacte liniare sau matriciale (cum ar fi Microsoft Kinect), CMM-urile optice sunt mai mici decât CMM-urile portabile cu brațe, nu au fire și permit utilizatorilor să efectueze cu ușurință măsurători 3D ale tuturor tipurilor de obiecte situate aproape oriunde.

Anumite aplicații nerepetitive, cum ar fi ingineria inversă, prototiparea rapidă și inspecția la scară largă a pieselor de toate dimensiunile sunt potrivite în mod ideal pentru CMM-urile portabile.Beneficiile CMM-urilor portabile sunt multiple.Utilizatorii au flexibilitatea de a efectua măsurători 3D pentru toate tipurile de piese și în cele mai îndepărtate/dificile locații.Sunt ușor de utilizat și nu necesită un mediu controlat pentru a efectua măsurători precise.În plus, CMM-urile portabile tind să coste mai puțin decât CMM-urile tradiționale.

Compensațiile inerente ale CMM-urilor portabile sunt operarea manuală (au nevoie întotdeauna de un om pentru a le folosi).În plus, precizia lor generală poate fi oarecum mai puțin precisă decât cea a unui CMM de tip punte și este mai puțin potrivită pentru unele aplicații.

Mașini de măsurat multisenzori

Tehnologia CMM tradițională care utilizează sonde de atingere este astăzi adesea combinată cu alte tehnologii de măsurare.Acestea includ senzori laser, video sau de lumină albă pentru a oferi ceea ce este cunoscut sub numele de măsurare multisenzor.