Hvad er koordinatmålemaskine?

ENkoordinatmålemaskine(CMM) er en enhed, der måler fysiske objekters geometri ved at registrere diskrete punkter på objektets overflade med en sonde.Forskellige typer prober bruges i CMM'er, herunder mekanisk, optisk, laser og hvidt lys.Afhængigt af maskinen kan sondepositionen styres manuelt af en operatør, eller den kan være computerstyret.CMM'er specificerer typisk en sondes position i forhold til dens forskydning fra en referenceposition i et tredimensionelt kartesisk koordinatsystem (dvs. med XYZ-akser).Ud over at bevæge sonden langs X-, Y- og Z-akserne, tillader mange maskiner også, at sondevinklen kan kontrolleres for at tillade måling af overflader, der ellers ville være uopnåelige.

Den typiske 3D "bro" CMM tillader sondebevægelse langs tre akser, X, Y og Z, som er ortogonale i forhold til hinanden i et tredimensionelt kartesisk koordinatsystem.Hver akse har en sensor, der overvåger sondens position på den akse, typisk med mikrometerpræcision.Når sonden kontakter (eller på anden måde detekterer) et bestemt sted på objektet, prøver maskinen de tre positionssensorer, og måler således placeringen af ​​et punkt på objektets overflade, såvel som den 3-dimensionelle vektor af målingen.Denne proces gentages efter behov, idet sonden flyttes hver gang, for at producere en "punktsky", som beskriver overfladeområderne af interesse.

En almindelig brug af CMM'er er i fremstillings- og monteringsprocesser for at teste en del eller samling i forhold til designhensigten.I sådanne applikationer genereres punktskyer, som analyseres via regressionsalgoritmer til konstruktion af funktioner.Disse punkter indsamles ved at bruge en sonde, der placeres manuelt af en operatør eller automatisk via Direct Computer Control (DCC).DCC CMM'er kan programmeres til gentagne gange at måle identiske dele;således er en automatiseret CMM en specialiseret form for industrirobot.

Dele

Koordinatmålemaskiner omfatter tre hovedkomponenter:

• Hovedstrukturen, som omfatter tre bevægelsesakser.Materialet, der er brugt til at konstruere den bevægelige ramme, har varieret gennem årene.Granit og stål blev brugt i de tidlige CMM'er.I dag bygger alle de store CMM-producenter rammer af aluminiumslegering eller et eller andet derivat og bruger også keramik til at øge stivheden af ​​Z-aksen til scanningsapplikationer.Få CMM-byggere fremstiller i dag stadig granitramme CMM på grund af markedets krav om forbedret metrologidynamik og stigende tendens til at installere CMM uden for kvalitetslaboratoriet.Typisk er det kun lavvolumen CMM-byggere og indenlandske producenter i Kina og Indien, der stadig fremstiller granit-CMM på grund af lavteknologisk tilgang og nem adgang til at blive en CMM-rammebygger.Den stigende tendens til scanning kræver også, at CMM Z-aksen er stivere, og nye materialer er blevet introduceret såsom keramik og siliciumcarbid.
• Sonderende system
• Dataindsamlings- og reduktionssystem — omfatter typisk en maskincontroller, stationær computer og applikationssoftware.

Tilgængelighed

Disse maskiner kan være fritstående, håndholdte og bærbare.

Nøjagtighed

Nøjagtigheden af ​​koordinatmålemaskiner er typisk angivet som en usikkerhedsfaktor som funktion over afstand.For en CMM, der anvender en berøringsprobe, vedrører dette probens repeterbarhed og nøjagtigheden af ​​de lineære skalaer.Typisk probe repeterbarhed kan resultere i målinger inden for 0,001 mm eller 0,00005 tomme (en halv tiendedel) over hele målevolumenet.For 3-, 3+2- og 5-aksede maskiner kalibreres sonder rutinemæssigt ved hjælp af sporbare standarder, og maskinens bevægelse verificeres ved hjælp af målere for at sikre nøjagtighed.

Specifikke dele

Maskinens krop

Den første CMM blev udviklet af Ferranti Company of Scotland i 1950'erne som et resultat af et direkte behov for at måle præcisionskomponenter i deres militære produkter, selvom denne maskine kun havde 2 akser.De første 3-akse modeller begyndte at dukke op i 1960'erne (DEA of Italy) og computerstyring debuterede i begyndelsen af ​​1970'erne, men den første fungerende CMM blev udviklet og sat til salg af Browne & Sharpe i Melbourne, England.(Leitz Tyskland producerede efterfølgende en fast maskinstruktur med bevægeligt bord.

I moderne maskiner har overbygningen af ​​portaltypen to ben og kaldes ofte en bro.Dette bevæger sig frit langs granitbordet med det ene ben (ofte omtalt som det indvendige ben) efter en styreskinne fastgjort til den ene side af granitbordet.Det modsatte ben (ofte udvendigt ben) hviler ganske enkelt på granitbordet efter den lodrette overfladekontur.Luftlejer er den valgte metode til at sikre friktionsfri vandring.I disse tvinges trykluft gennem en række meget små huller i en flad lejeflade for at give en glat, men kontrolleret luftpude, hvorpå CMM'en kan bevæge sig på en næsten friktionsfri måde, som kan kompenseres for gennem software.Bevægelsen af ​​broen eller portalen langs granitbordet danner en akse af XY-planet.Broen på portalen indeholder en vogn, der krydser mellem de indvendige og udvendige ben og danner den anden vandrette X- eller Y-akse.Den tredje bevægelsesakse (Z-aksen) er tilvejebragt ved tilføjelsen af ​​en lodret fjerpindel eller spindel, som bevæger sig op og ned gennem midten af ​​vognen.Berøringssonden danner føleanordningen på enden af ​​fjerpen.Bevægelsen af ​​X-, Y- og Z-akserne beskriver fuldt ud målekurven.Valgfrie drejeborde kan bruges til at forbedre tilgængeligheden af ​​målesonden til komplicerede emner.Rotationsbordet som en fjerde drivakse forbedrer ikke måledimensionerne, som forbliver 3D, men det giver en vis fleksibilitet.Nogle berøringsprober er selv drevne roterende enheder med sondespidsen i stand til at dreje lodret gennem mere end 180 grader og gennem en fuld 360 graders rotation.

CMM'er er nu også tilgængelige i en række andre former.Disse omfatter CMM-arme, der bruger vinkelmålinger taget ved leddene af armen til at beregne pennespidsens position og kan udstyres med prober til laserscanning og optisk billeddannelse.Sådanne arm-CMM'er bruges ofte, hvor deres bærbarhed er en fordel i forhold til traditionelle CMM'er med fast seng - ved at gemme målte steder, tillader programmeringssoftware også at flytte selve målearmen og dens målevolumen rundt om den del, der skal måles under en målerutine.Fordi CMM-arme imiterer fleksibiliteten af ​​en menneskelig arm, er de også ofte i stand til at nå indersiden af ​​komplekse dele, som ikke kunne sonderes ved hjælp af en standard tre-akset maskine.

Mekanisk sonde

I de tidlige dage med koordinatmåling (CMM) blev mekaniske sonder monteret i en speciel holder på enden af ​​fjerpen.En meget almindelig sonde blev lavet ved at lodde en hård kugle til enden af ​​en aksel.Dette var ideelt til måling af en lang række flade overflader, cylindriske eller sfæriske overflader.Andre sonder blev slebet til bestemte former, for eksempel en kvadrant, for at muliggøre måling af specielle funktioner.Disse sonder blev fysisk holdt mod emnet, hvor positionen i rummet blev aflæst fra en 3-akset digital udlæsning (DRO) eller, i mere avancerede systemer, blev logget ind på en computer ved hjælp af en fodkontakt eller lignende enhed.Målinger taget med denne kontaktmetode var ofte upålidelige, da maskiner blev flyttet med hånden, og hver maskinoperatør påførte forskellige mængder tryk på sonden eller anvendte forskellige teknikker til målingen.

En videreudvikling var tilføjelsen af ​​motorer til at drive hver akse.Operatørerne behøvede ikke længere fysisk at røre ved maskinen, men kunne køre hver akse ved hjælp af en håndkasse med joystick på nogenlunde samme måde som med moderne fjernstyrede biler.Målenøjagtighed og præcision blev dramatisk forbedret med opfindelsen af ​​den elektroniske touch trigger probe.Pioneren bag denne nye sondeanordning var David McMurtry, som efterfølgende dannede det, der nu er Renishaw plc.Selvom det stadig var en kontaktanordning, havde sonden en fjederbelastet stålkugle (senere rubinkugle) stylus.Da sonden rørte ved overfladen af ​​komponenten, bøjede pennen sig og sendte samtidig X,Y,Z-koordinatinformationen til computeren.Målefejl forårsaget af individuelle operatører blev færre, og scenen var sat til introduktionen af ​​CNC-operationer og CMM'ernes voksende alder.

Optiske sonder er linse-CCD-systemer, der bevæges ligesom de mekaniske, og er rettet mod det interessante punkt i stedet for at røre ved materialet.Det opfangede billede af overfladen vil være indesluttet i grænserne af et målevindue, indtil resten er tilstrækkelig til at kontrastere mellem sorte og hvide zoner.Delingskurven kan beregnes til et punkt, som er det ønskede målepunkt i rummet.Den vandrette information på CCD'en er 2D (XY), og den lodrette position er positionen af ​​det komplette sonderingssystem på stativets Z-drev (eller anden enhedskomponent).

Scanning af sondesystemer

Der er nyere modeller, der har prober, der trækker langs overfladen af ​​delen og tager punkter med bestemte intervaller, kendt som scanningsonder.Denne metode til CMM-inspektion er ofte mere nøjagtig end den konventionelle touch-probe-metode og de fleste gange også hurtigere.

Den næste generation af scanning, kendt som berøringsfri scanning, som omfatter højhastighedslaser-enkeltpunktstriangulering, laserlinjescanning og scanning af hvidt lys, går meget hurtigt frem.Denne metode bruger enten laserstråler eller hvidt lys, der projiceres mod overfladen af ​​delen.Mange tusinde punkter kan derefter tages og bruges ikke kun til at kontrollere størrelse og position, men også til at skabe et 3D-billede af delen.Disse "punktsky-data" kan derefter overføres til CAD-software for at skabe en fungerende 3D-model af delen.Disse optiske scannere bruges ofte på bløde eller sarte dele eller for at lette reverse engineering.

Mikrometrologiske sonder

Probing systemer til mikroskala metrologi applikationer er et andet fremvoksende område.Der er adskillige kommercielt tilgængelige koordinatmålemaskiner (CMM), der har en mikrosonde integreret i systemet, adskillige specialsystemer på offentlige laboratorier og et vilkårligt antal universitetsbyggede metrologiplatforme til mikroskala metrologi.Selvom disse maskiner er gode og i mange tilfælde fremragende metrologiplatforme med nanometriske skalaer, er deres primære begrænsning en pålidelig, robust, kapabel mikro/nano-sonde.^{[citat nødvendig]}Udfordringer for mikroskala sonderingsteknologier omfatter behovet for en sonde med højt aspektforhold, der giver mulighed for at få adgang til dybe, smalle funktioner med lave kontaktkræfter for ikke at beskadige overfladen og høj præcision (nanometerniveau).^{[citat nødvendig]}Derudover er mikroskalaprober modtagelige for miljømæssige forhold såsom fugtighed og overfladeinteraktioner såsom stiktion (forårsaget af blandt andet adhæsion, menisk og/eller Van der Waals-kræfter).^{[citat nødvendig]}

Teknologier til at opnå mikroskala sondering omfatter nedskaleret version af klassiske CMM-prober, optiske prober og en stående bølgesonde blandt andre.De nuværende optiske teknologier kan dog ikke skaleres lille nok til at måle dybe, smalle funktioner, og den optiske opløsning er begrænset af lysets bølgelængde.Røntgenbilleder giver et billede af funktionen, men ingen sporbar metrologiinformation.

Fysiske principper

Optiske prober og/eller laserprober kan anvendes (hvis muligt i kombination), som ændrer CMM'er til målemikroskoper eller multisensor-målemaskiner.Frynseprojektionssystemer, teodolittrianguleringssystemer eller fjern- og trianguleringssystemer kaldes ikke målemaskiner, men måleresultatet er det samme: et rumpunkt.Laserprober bruges til at detektere afstanden mellem overfladen og referencepunktet på enden af ​​den kinematiske kæde (dvs. enden af ​​Z-drevkomponenten).Dette kan bruge en interferometrisk funktion, fokusvariation, lysafbøjning eller et stråleskyggeprincip.

Bærbare koordinat-målemaskiner

Mens traditionelle CMM'er bruger en sonde, der bevæger sig på tre kartesiske akser for at måle et objekts fysiske karakteristika, bruger bærbare CMM'er enten leddelte arme eller, i tilfælde af optiske CMM'er, armfrie scanningssystemer, der bruger optiske trianguleringsmetoder og muliggør total bevægelsesfrihed omkring genstanden.

Bærbare CMM'er med leddelte arme har seks eller syv akser, der er udstyret med roterende encodere i stedet for lineære akser.Bærbare arme er lette (typisk mindre end 20 pund) og kan bæres og bruges næsten overalt.Imidlertid bliver optiske CMM'er i stigende grad brugt i industrien.Designet med kompakte lineære eller matrix array-kameraer (som Microsoft Kinect), er optiske CMM'er mindre end bærbare CMM'er med arme, har ingen ledninger og gør det muligt for brugere nemt at tage 3D-målinger af alle typer objekter, der er placeret næsten hvor som helst.

Visse ikke-repetitive applikationer såsom reverse engineering, hurtig prototyping og storstilet inspektion af dele af alle størrelser er ideelt egnet til bærbare CMM'er.Fordelene ved bærbare CMM'er er mangedobbelte.Brugere har fleksibiliteten til at tage 3D-målinger af alle typer dele og på de mest fjerntliggende/svære steder.De er nemme at bruge og kræver ikke et kontrolleret miljø for at tage nøjagtige målinger.Desuden har bærbare CMM'er en tendens til at koste mindre end traditionelle CMM'er.

De iboende afvejninger af bærbare CMM'er er manuel betjening (de kræver altid et menneske til at bruge dem).Derudover kan deres samlede nøjagtighed være noget mindre nøjagtig end for en brotype CMM og er mindre egnet til nogle applikationer.

Multisensor-målemaskiner

Traditionel CMM-teknologi ved hjælp af berøringsprober kombineres i dag ofte med anden måleteknologi.Dette inkluderer laser-, video- eller hvidlyssensorer til at levere det, der er kendt som multisensormåling.