Hvad er en koordinatmålemaskine?

ENkoordinatmålemaskine(CMM) er en enhed, der måler geometrien af ​​fysiske objekter ved at registrere diskrete punkter på objektets overflade med en sonde. Forskellige typer sonder anvendes i CMM'er, herunder mekaniske, optiske, laser- og hvidt lys-sonder. 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 styres for at muliggøre måling af overflader, der ellers ville være utilgængelige.

Den typiske 3D "bro" CMM tillader probebevægelse 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 probens position på den akse, typisk med mikrometerpræcision. Når proben berører (eller på anden måde registrerer) en bestemt placering på objektet, sampler maskinen de tre positionssensorer og måler dermed placeringen af ​​et punkt på objektets overflade samt den 3-dimensionelle vektor for den foretagne måling. Denne proces gentages efter behov, hvor proben bevæges hver gang, for at producere en "punktsky", der beskriver de interessante overfladeområder.

En almindelig anvendelse af CMM'er er i fremstillings- og monteringsprocesser til 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 hjælp af 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 til at konstruere den bevægelige ramme, har varieret gennem årene. Granit og stål blev brugt i de tidlige CMM'er. I dag bygger alle større CMM-producenter rammer af aluminiumslegering eller et derivat og bruger også keramik til at øge Z-aksens stivhed til scanningsapplikationer. Få CMM-byggere fremstiller i dag stadig granitramme-CMM'er på grund af markedets krav om forbedret metrologidynamik og en stigende tendens til at installere CMM'er uden for kvalitetslaboratoriet. Typisk er det kun lavvolumen-CMM-byggere og indenlandske producenter i Kina og Indien, der stadig fremstiller granit-CMM'er på grund af lavteknologisk tilgang og nem adgang til at blive CMM-rammebygger. Den stigende tendens til scanning kræver også, at CMM'ens Z-akse er stivere, og nye materialer er blevet introduceret, såsom keramik og siliciumcarbid.
• Probesystem
• Dataindsamlings- og reduktionssystem — omfatter typisk en maskinstyring, stationær computer og applikationssoftware.

Tilgængelighed

Disse maskiner kan være fritstående, håndholdte og bærbare.

Nøjagtighed

Nøjagtigheden af ​​koordinatmålemaskiner er typisk angivet som en usikkerhedsfaktor som en funktion over afstand. For en CMM, der bruger en berøringsprobe, relaterer dette sig til probens repeterbarhed og nøjagtigheden af ​​de lineære skalaer. Typisk probe-repeterbarhed kan resultere i målinger inden for 0,001 mm eller 0,00005 tommer (en halv tiendedel) over hele målevolumenet. For 3-, 3+2- og 5-aksede maskiner kalibreres prober 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 i Skotland i 1950'erne som følge af et direkte behov for at måle præcisionskomponenter i deres militære produkter, selvom denne maskine kun havde 2 akser. De første 3-aksede modeller begyndte at dukke op i 1960'erne (DEA i Italien), 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 portaltypen overbygning to ben og kaldes ofte en bro. Denne bevæger sig frit langs granitbordet med det ene ben (ofte omtalt som det indvendige ben) efter en føringsskinne fastgjort til den ene side af granitbordet. Det modsatte ben (ofte det ydre ben) hviler simpelthen på granitbordet og følger den lodrette overfladekontur. Luftlejer er den valgte metode til at sikre friktionsfri bevægelse. I disse presses trykluft gennem en række meget små huller i en flad lejeoverflade for at give en jævn, men kontrolleret luftpude, som CMM'en kan bevæge sig på en næsten friktionsfri måde, hvilket kan kompenseres for via software. Broens eller portalens bevægelse langs granitbordet danner en akse i XY-planet. Portalens bro indeholder en slæde, der bevæger sig mellem det indvendige og ydre ben og danner den anden X- eller Y-vandrette akse. Den tredje bevægelsesakse (Z-aksen) tilvejebringes ved tilføjelse af en lodret pinol eller spindel, der bevæger sig op og ned gennem midten af ​​slæden. Berøringssonden danner følerenheden på enden af ​​pinolen. Bevægelsen af ​​X-, Y- og Z-akserne beskriver fuldt ud måleområdet. Valgfrie roterende borde kan bruges til at forbedre målesondens tilgængelighed til komplicerede emner. Rotationsbordet som en fjerde drivakse forbedrer ikke måledimensionerne, som forbliver 3D, men det giver en vis grad af fleksibilitet. Nogle berøringsprober er i sig selv motordrevne roterende enheder, hvor probespidsen kan drejes lodret mere end 180 grader og gennem en fuld 360 graders rotation.

CMM'er fås nu også i en række andre former. Disse omfatter CMM-arme, der bruger vinkelmålinger taget ved armens led til at beregne positionen af ​​pennens spids, og som kan udstyres med sonder 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 leje - ved at lagre 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, der ikke kunne undersøges med en standard treakset maskine.

Mekanisk sonde

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

En yderligere udvikling var tilføjelsen af ​​motorer til at drive hver akse. Operatørerne behøvede ikke længere fysisk at røre maskinen, men kunne styre hver akse ved hjælp af en håndbetjening med joysticks på stort set samme måde som med moderne fjernstyrede biler. Målenøjagtigheden og præcisionen blev dramatisk forbedret med opfindelsen af ​​den elektroniske berøringssensor. Pioneren bag denne nye sensorenhed var David McMurtry, som efterfølgende dannede det, der nu er Renishaw plc. Selvom sonden stadig var en kontaktenhed, havde den en fjederbelastet stålkuglepen (senere rubinkugle). Når sonden rørte ved komponentens overflade, afbøjede pennen sig og sendte samtidig X-, Y- og Z-koordinatinformationen til computeren. Målefejl forårsaget af individuelle operatører blev færre, og scenen var sat for introduktionen af ​​CNC-operationer og CMM'ernes voksende alder.

Optiske sonder er linse-CCD-systemer, der bevæges ligesom de mekaniske og er rettet mod interessepunktet i stedet for at berøre materialet. Det optagne billede af overfladen vil blive omsluttet af rammerne af et målevindue, indtil restmaterialet er tilstrækkeligt til at skabe kontrast 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).

Scanningssondesystemer

Der findes nyere modeller med sonder, der trækker langs overfladen af ​​emneoptagelsespunkterne med bestemte intervaller, kendt som scanningsprober. Denne metode til CMM-inspektion er ofte mere præcis end den konventionelle touch-probe-metode og oftest også hurtigere.

Den næste generation af scanning, kendt som kontaktløs scanning, som omfatter højhastighedslaser-enkeltpunktstriangulering, laserlinjescanning og hvidlysscanning, udvikler sig meget hurtigt. Denne metode bruger enten laserstråler eller hvidt lys, der projiceres mod emnets overflade. 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 emnet. Disse "punktskydata" kan derefter overføres til CAD-software for at skabe en fungerende 3D-model af emnet. Disse optiske scannere bruges ofte på bløde eller sarte dele eller til at lette reverse engineering.

Mikrometrologiprober

Probesystemer til mikroskala-metrologiapplikationer er et andet nyt område. Der findes adskillige kommercielt tilgængelige koordinatmålemaskiner (CMM), der har en mikroprobe integreret i systemet, adskillige specialsystemer på offentlige laboratorier og et utal af 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 og kapabel mikro-/nanoprobe.^{[kildehenvisning nødvendig]}Udfordringerne 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).^{[kildehenvisning nødvendig]}Derudover er mikroskalasonder modtagelige for miljøforhold såsom fugtighed og overfladeinteraktioner såsom stiktion (forårsaget af adhæsion, menisk og/eller Van der Waals-kræfter blandt andre).^{[kildehenvisning nødvendig]}

Teknologier til at opnå mikroskala-sondering omfatter blandt andet nedskalerede versioner af klassiske CMM-sonder, optiske sonder og en stående bølgesonde. Imidlertid kan nuværende optiske teknologier ikke skaleres lille nok til at måle dybe, smalle elementer, og den optiske opløsning er begrænset af lysets bølgelængde. Røntgenbilleddannelse giver et billede af elementerne, men ingen sporbar metrologisk information.

Fysiske principper

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

Bærbare koordinatmålemaskiner

Hvor traditionelle CMM'er bruger en sonde, der bevæger sig langs tre kartesiske akser, til at måle et objekts fysiske egenskaber, bruger bærbare CMM'er enten leddelte arme eller, i tilfælde af optiske CMM'er, armfri scanningssystemer, der bruger optiske trianguleringsmetoder og muliggør total bevægelsesfrihed omkring objektet.

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 9 kg) og kan bæres og bruges næsten overalt. Optiske CMM'er bliver dog i stigende grad brugt i branchen. 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 brugerne nemt at foretage 3D-målinger af alle typer objekter, der er placeret næsten overalt.

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

Den iboende ulempe ved bærbare CMM'er er manuel betjening (de kræver altid et menneske for at bruge dem). Derudover kan deres samlede nøjagtighed være noget mindre præcis end en bro-type CMM og er mindre egnet til visse anvendelser.

Multisensor-målemaskiner

Traditionel CMM-teknologi, der bruger berøringsprober, kombineres i dag ofte med anden måleteknologi. Dette inkluderer laser-, video- eller hvidlyssensorer for at levere det, der kaldes multisensormåling.