Hvad er koordinatmåler?

ENKoordinering af målemaskine(CMM) er en enhed, der måler geometrien af ​​fysiske genstande ved at føle diskrete punkter på overfladen af ​​objektet med en sonde. Forskellige typer sonder bruges i CMM'er, herunder mekaniske, optiske, laser og hvidt lys. Afhængig af maskinen kan sondepositionen styres manuelt af en operatør, eller den kan være computerstyret. CMMS specificerer typisk en sondens position med hensyn til dens forskydning fra en referenceposition i et tredimensionelt kartesisk koordinatsystem (dvs. med XYZ-akser). Ud over at flytte sonden langs X-, Y- og Z -akserne tillader mange maskiner også sondevinklen at blive kontrolleret for at tillade måling af overflader, der ellers ville være uopnåelig.

Den typiske 3D “Bridge” CMM tillader sondebevægelse langs tre akser, X, Y og Z, som er ortogonale for hinanden i et tredimensionelt kartesisk koordinatsystem. Hver akse har en sensor, der overvåger sondens placering på den akse, typisk med mikrometer præcision. Når sonden kontakter (eller på anden måde registrerer) 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 for den foretagne måling. Denne proces gentages efter behov og bevæger sonden hver gang for at producere en "punktsky", der beskriver overfladeområderne af interesse.

En almindelig brug af CMM'er er i fremstillings- og monteringsprocesser til at teste en del eller samling mod designintentionen. I sådanne applikationer genereres punktskyer, der analyseres via regressionsalgoritmer til konstruktion af funktioner. Disse punkter indsamles ved hjælp af en sonde, der er placeret manuelt af en operatør eller automatisk via direkte computerkontrol (DCC). DCC CMMS kan programmeres til gentagne gange at måle identiske dele; Således er en automatiseret CMM en specialiseret form for industriel robot.

Dele

Koordinatmåler inkluderer tre hovedkomponenter:

• Hovedstrukturen, der inkluderer tre bevægelsesakser. Det materiale, der bruges 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 fra aluminiumslegering eller et derivat og bruger også keramik til at øge stivheden af ​​Z -aksen til scanningsprogrammer. Få CMM -bygherrer i dag fremstiller stadig granitramme CMM på grund af markedskrav for forbedret metrologidynamik og stigende tendens til at installere CMM uden for kvalitetslaboratoriet. Typisk er det kun CMM -bygherrer og indenlandske producenter af lavt volumen i Kina og Indien, der stadig fremstiller granit -CMM på grund af lav teknologiletode og let adgang til at blive en CMM -rammebygger. Den stigende tendens mod scanning kræver også, at CMM Z -aksen er stivere, og nye materialer er blevet introduceret, såsom keramisk og siliciumcarbid.
• Sonderingssystem
• Dataindsamling og reduktionssystem - inkluderer typisk en maskincontroller, desktop computer- og applikationssoftware.

Tilgængelighed

Disse maskiner kan være fritstående, håndholdt og bærbare.

Nøjagtighed

Nøjagtigheden af ​​koordinatmålingsmaskiner gives typisk som en usikkerhedsfaktor som en funktion over afstand. For en CMM ved hjælp af en berøringssonde vedrører dette gentageligheden af ​​sonden og nøjagtigheden af ​​de lineære skalaer. Typisk sonde -gentagelighed kan resultere i målinger af inden for 0,001 mm eller 0,00005 tommer (en halv tiendedel) over hele målevolumenet. For 3, 3+2 og 5 akse maskiner kalibreres sonder rutinemæssigt ved hjælp af sporbare standarder, og maskinbevægelsen verificeres ved hjælp af målere for at sikre nøjagtighed.

Specifikke dele

Maskinkrop

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, skønt denne maskine kun havde 2 akser. De første 3-akset modeller begyndte at optræde i 1960'erne (DEA of Italy) og computerkontrol debuterede i de tidlige 1970'ere, men den første arbejdende CMM blev udviklet og salg af Browne & Sharpe i Melbourne, England. (Leitz Tyskland producerede derefter en fast maskinstruktur med bevægelig bord.

I moderne maskiner har overbygningen af ​​land-typen to ben og kaldes ofte en bro. Dette bevæger sig frit langs granitbordet med det ene ben (ofte benævnt det indvendige ben) efter en guidebane fastgjort til den ene side af granitbordet. Det modsatte ben (ofte uden for benet) hviler simpelthen på granitbordet efter den lodrette overfladekontur. Luftlejer er den valgte metode til at sikre friktionsfri rejse. I disse tvinges komprimeret luft gennem en række meget små huller i en fladlejeoverflade for at give en glat, men kontrolleret luftpude, som CMM kan bevæge sig på en næsten friktionsfri måde, der kan kompenseres for gennem software. Bevægelsen af ​​broen eller gantry langs granitbordet danner en akse af XY -planet. Broen på landskabet indeholder en vogn, der krydser mellem indersiden og udvendige ben og danner den anden x eller y vandrette akse. Den tredje bevægelsesakse (Z -akse) leveres ved tilsætning af en lodret quill eller spindel, der bevæger sig op og ned gennem midten af ​​vognen. Berøringssonden danner sensorenheden i slutningen af ​​spidsen. Bevægelsen af ​​X-, Y- og Z -akserne beskriver fuldt målekonvolutten. Valgfrit roterende tabeller kan bruges til at forbedre målingen af ​​måleproben til komplicerede arbejdsemner. Rotationstabellen som en fjerde drivakse forbedrer ikke målingsdimensionerne, som forbliver 3D, men det giver en grad af fleksibilitet. Nogle berøringsprober er i sig selv drevne roterende enheder med sonde -spidsen, der er 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 inkluderer CMM -arme, der bruger vinkelmålinger, der er foretaget ved leddene på armen for at beregne placeringen af ​​stylusspidsen, og kan være udstyret med sonder til laserskanning og optisk billeddannelse. Sådanne ARM CMM'er bruges ofte, hvor deres bærbarhed er en fordel i forhold til traditionel fast seng CMMS- ved at opbevare målte placeringer, programmeringssoftware tillader også at bevæge selve målearmen og dens målevolumen, omkring den del, der skal måles under en måleutine. Fordi CMM -arme efterligner fleksibiliteten i en menneskelig arm, er de også ofte i stand til at nå indersiden af ​​komplekse dele, som ikke kunne undersøges ved hjælp af en standard tre akse -maskine.

Mekanisk sonde

I de tidlige dage af koordinatmåling (CMM) blev mekaniske sonder monteret i en speciel indehaver på enden af ​​spidsen. En meget almindelig sonde blev lavet ved at lodde en hård kugle til enden af ​​en skaft. Dette var ideelt til måling af en hel række flade ansigt, cylindriske eller sfæriske overflader. Andre sonder blev malet til specifikke former, for eksempel en kvadrant, for at muliggøre måling af specielle funktioner. Disse sonder blev fysisk holdt mod emnet med positionen i rummet, der blev læst fra en 3-akset digital aflæsning (DRO) eller, i mere avancerede systemer, blev logget på en computer ved hjælp af en fodkontakt eller lignende enhed. Målinger, der blev foretaget ved denne kontaktmetode, var ofte upålidelige, da maskiner blev flyttet med hånden, og hver maskinoperatør anvendte forskellige mængder tryk på sonden eller vedtaget forskellige teknikker til måling.

En videre udvikling var tilføjelsen af ​​motorer til kørsel af hver akse. Operatører var ikke længere nødt til at røre ved maskinen fysisk, men kunne køre hver akse ved hjælp af en håndkasse med joysticks på omtrent samme måde som med moderne fjernstyrede biler. Målnøjagtighed og præcision forbedrede sig dramatisk med opfindelsen af ​​den elektroniske berøringsudløserprobe. Pioneren for denne nye sondeenhed var David McMurtry, der efterfølgende dannede det, der nu er Renishaw Plc. Selvom den stadig var en kontaktindretning, havde sonden en fjederbelastet stålkugle (senere Ruby Ball) stylus. Da sonden rørte ved overfladen af ​​komponenten, sendte stylus afbøjet og sendte samtidig X-, Z -koordinatinformationen til computeren. Målingsfejl forårsaget af individuelle operatører blev færre, og scenen blev indstillet til introduktion af CNC -operationer og CMMS's kommende alder.

Optiske sonder er objektiv-CCD-systemer, der flyttes som de mekaniske, og er rettet mod interessepunktet i stedet for at røre ved materialet. Det indfangede billede af overfladen vil være lukket i grænserne af et målevindue, indtil resten er tilstrækkelig til at kontrastere mellem sorte og hvide zoner. Opdelingskurven 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 placeringen af ​​det komplette sonderingssystem på stativet Z-Drive (eller anden enhedskomponent).

Scanningsprobesystemer

Der er nyere modeller, der har sonder, der trækker langs overfladen af ​​den del, der tager point med specificerede intervaller, kendt som scanningsprober. Denne metode til CMM-inspektion er ofte mere nøjagtig end den konventionelle berørings-sonde-metode og de fleste gange hurtigere.

Den næste generation af scanning, kendt som ikke -kontakt -scanning, der inkluderer højhastigheds laser -enkeltpunktstriangulering, laserlinjescanning og hvidlysskanning, går meget hurtigt. Denne metode bruger enten laserstråler eller hvidt lys, der projiceres mod overfladen af ​​delen. Mange tusinder af point kan derefter tages og bruges ikke kun til at kontrollere størrelse og position, men også til at skabe et 3D -billede af delen. Denne "point-cloud-data" kan derefter overføres til CAD-software for at oprette en fungerende 3D-model af delen. Disse optiske scannere bruges ofte på bløde eller delikate dele eller til at lette reverse engineering.

Mikrometrologiske sonder

Undersøgelsessystemer til mikroskala -metrologiapplikationer er et andet voksende område. Der er flere kommercielt tilgængelige koordinatmålingsmaskiner (CMM), der har en mikroprobe integreret i systemet, flere specialsystemer på regeringslaboratorier og ethvert antal universitetsopbyggede 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, dygtig mikro/nano -sonde.^{[citation nødvendigt]}Udfordringer til mikroskala -sonderingsteknologier inkluderer behovet for en høj aspektforholdsprobe, der giver mulighed for at få adgang til dybe, smalle funktioner med lave kontaktstyrker for ikke at skade overfladen og høj præcision (nanometerniveau).^{[citation nødvendigt]}Derudover er mikroskalaprober modtagelige for miljøforhold såsom fugtighed og overfladeinteraktioner såsom stiktion (forårsaget af vedhæftning, menisk og/eller van der Waals kræfter blandt andre).^{[citation nødvendigt]}

Teknologier til at opnå mikroskala -sondering inkluderer nedskaleret version af klassiske CMM -prober, optiske sonder og en stående bølgeprobe blandt andre. Imidlertid kan de nuværende optiske teknologier ikke skaleres små nok til at måle dyb, smal funktion, og optisk opløsning er begrænset af bølgelængden af ​​lys. Røntgenbillede giver et billede af funktionen, men ingen sporbar metrologioplysninger.

Fysiske principper

Optiske sonder og/eller laserprober kan bruges (hvis muligt i kombination), som ændrer CMM'er til måling af mikroskoper eller multisensor-målemaskiner. Fringe -projektionssystemer, teodolittrianguleringssystemer eller laserfjern 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. ende af Z-drive-komponenten). Dette kan bruge en interferometrisk funktion, fokusvariation, lysafbøjning eller et stråle -skyggeprincip.

Bærbare koordinatmålingsmaskiner

Mens traditionelle CMM'er bruger en sonde, der bevæger sig på tre kartesiske akser til at måle et objekts fysiske egenskaber, bruger bærbare CMM'er enten artikulerede arme eller, i tilfælde af optiske CMM'er, ARM-fri scanningssystemer, der bruger optiske trianguleringsmetoder og muliggør total bevægelsesfrihed omkring objektet.

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

Visse ikke-gentagne applikationer såsom omvendt teknik, hurtig prototype og storstilet inspektion af dele af alle størrelser er ideelt egnet til bærbare CMM'er. Fordelene ved bærbare CMM'er er multifold. Brugere har fleksibiliteten i at tage 3D -målinger af alle typer dele og på de mest fjerntliggende/vanskelige placeringer. De er lette 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 drift (de kræver altid et menneske for at bruge dem). Derudover kan deres samlede nøjagtighed være noget mindre nøjagtige end en brodeltype CMM og er mindre velegnet til nogle applikationer.

Multisensor-målingsmaskiner

Traditionel CMM -teknologi ved hjælp af berøringsprober er i dag ofte kombineret med anden målingsteknologi. Dette inkluderer laser-, video- eller hvide lyssensorer til at tilvejebringe det, der er kendt som multisensor -måling.