Mi az a koordináta mérőgép?

Akoordináta mérőgép(CMM) egy olyan eszköz, amely a fizikai objektumok geometriáját méri úgy, hogy egy szondával érzékeli az objektum felületén lévő diszkrét pontokat.A CMM-ekben különféle típusú szondákat használnak, beleértve a mechanikus, optikai, lézeres és fehér fényt.A géptől függően a szonda helyzetét manuálisan vezérelheti a kezelő vagy számítógéppel.A CMM-ek jellemzően egy háromdimenziós derékszögű koordinátarendszerben (azaz XYZ tengelyekkel) határozzák meg a szonda helyzetét a referenciapozíciótól való elmozdulása alapján.Azon túl, hogy a szondát az X, Y és Z tengelyek mentén mozgatják, sok gép lehetővé teszi a szonda szögének szabályozását is, hogy lehetővé váljon olyan felületek mérése, amelyek egyébként elérhetetlenek lennének.

A tipikus 3D „híd” CMM lehetővé teszi a szonda mozgását három tengely, X, Y és Z tengely mentén, amelyek egymásra merőlegesek egy háromdimenziós derékszögű koordinátarendszerben.Mindegyik tengelyhez tartozik egy érzékelő, amely jellemzően mikrométeres pontossággal figyeli a szonda helyzetét az adott tengelyen.Amikor a szonda érintkezik (vagy más módon észlel) egy adott helyet az objektumon, a gép mintát vesz a három helyzetérzékelőből, így megméri az objektum felületén egy pont helyét, valamint a mérés háromdimenziós vektorát.Ezt a folyamatot szükség szerint megismételjük, minden alkalommal mozgatva a szondát, hogy egy „pontfelhőt” hozzunk létre, amely leírja a vizsgált felületeket.

A CMM-eket gyakran használják a gyártási és összeszerelési folyamatokban, hogy egy alkatrészt vagy összeállítást teszteljenek a tervezési szándékkal szemben.Az ilyen alkalmazásokban pontfelhők jönnek létre, amelyeket regressziós algoritmusok segítségével elemeznek a jellemzők felépítéséhez.Ezeket a pontokat egy szonda segítségével gyűjtik össze, amelyet a kezelő kézzel pozícionál, vagy automatikusan a közvetlen számítógépes vezérlésen (DCC) keresztül.A DCC CMM-ek programozhatók azonos alkatrészek ismételt mérésére;így az automatizált CMM az ipari robotok speciális formája.

Alkatrészek

A koordináta-mérő gépek három fő összetevőből állnak:

• A fő szerkezet, amely három mozgástengelyt tartalmaz.A mozgókeret felépítéséhez használt anyag az évek során változott.A korai CMM-ekben gránitot és acélt használtak.Manapság az összes nagy CMM-gyártó alumíniumötvözetből vagy valamilyen származékból készít kereteket, és kerámiát is használ a Z tengely merevségének növelésére a szkennelési alkalmazásokhoz.Ma még kevés CMM-építő gyárt gránitvázas CMM-eket a jobb metrológiai dinamika iránti piaci igények és a CMM minőségi laboratóriumon kívüli telepítésének növekvő tendenciája miatt.Jellemzően csak a kis mennyiségben működő CMM-építők és a hazai gyártók Kínában és Indiában továbbra is gyártanak gránit CMM-eket az alacsony technológiai megközelítésnek és az egyszerű belépésnek köszönhetően, hogy CMM-vázgyártóvá váljanak.A szkennelés egyre növekvő tendenciája azt is megköveteli, hogy a CMM Z tengely merevebb legyen, és új anyagok kerültek bevezetésre, például kerámia és szilícium-karbid.
• Tapintó rendszer
• Adatgyűjtő és -csökkentési rendszer – jellemzően gépvezérlőt, asztali számítógépet és alkalmazásszoftvert tartalmaz.

Elérhetőség

Ezek a gépek lehetnek szabadon állók, kézi és hordozhatóak.

Pontosság

A koordinátamérő gépek pontosságát jellemzően bizonytalansági tényezőként adják meg a távolság függvényében.Tapintót használó CMM esetén ez a tapintó ismételhetőségére és a lineáris skálák pontosságára vonatkozik.A tipikus szonda ismételhetősége 0,001 mm-en vagy 0,00005 hüvelyken (fél tizeden) belüli méréseket eredményezhet a teljes mérési térfogaton.A 3, 3+2 és 5 tengelyes gépeknél a szondákat rutinszerűen kalibrálják nyomon követhető szabványok segítségével, és a gép mozgását mérőeszközökkel ellenőrzik a pontosság biztosítása érdekében.

Konkrét alkatrészek

Gép test

Az első CMM-et a Ferranti Company of Scotland fejlesztette ki az 1950-es években annak eredményeként, hogy katonai termékeikben precíziós alkatrészeket kellett mérni, bár ennek a gépnek csak 2 tengelye volt.Az első 3 tengelyes modellek az 1960-as években kezdtek megjelenni (Olaszország DEA), a számítógépes vezérlés pedig az 1970-es évek elején debütált, de az első működő CMM-et a Browne & Sharpe fejlesztette ki és helyezte forgalomba Melbourne-ben, Angliában.(A Leitz Németország ezt követően rögzített gépszerkezetet gyártott mozgó asztallal.

A modern gépekben a portál típusú felépítménynek két lába van, és gyakran hídnak nevezik.Ez szabadon mozog a gránit asztal egyik lábával (gyakran belső lábnak nevezik) a gránitasztal egyik oldalához rögzített vezetősínt követve.A szemközti láb (gyakran külső láb) egyszerűen a gránitasztalon fekszik, követve a függőleges felületi kontúrt.A légcsapágyak a választott módszer a súrlódásmentes mozgás biztosítására.Ezekben a sűrített levegőt egy sor nagyon kis lyukon keresztül nyomják át egy lapos csapágyfelületen, hogy sima, de szabályozott légpárnát hozzon létre, amelyen a CMM szinte súrlódásmentesen tud mozogni, ami szoftverrel kompenzálható.A híd vagy portál mozgása a gránitasztal mentén az XY sík egyik tengelyét alkotja.A portál hídja egy kocsit tartalmaz, amely a belső és a külső lábak között halad át, és a másik X vagy Y vízszintes tengelyt alkotja.A harmadik mozgástengelyt (Z tengely) egy függőleges toll vagy orsó biztosítja, amely fel-le mozog a kocsi közepén.A tapintó képezi az érzékelő eszközt a toll végén.Az X, Y és Z tengely mozgása teljes mértékben leírja a mérési burkológörbét.Az opcionális forgóasztalok segítségével javítható a mérőszonda megközelíthetősége bonyolult munkadarabokhoz.A forgóasztal, mint negyedik hajtótengely nem növeli a mérési méreteket, amelyek 3D-ben maradnak, de bizonyos fokú rugalmasságot biztosít.Egyes tapintófejek önmagukban is meghajtású forgóeszközök, amelyeknek a szonda hegye képes függőlegesen több mint 180 fokkal elforgatni, és teljes 360 fokos elforgatással.

A CMM-ek ma már számos más formában is elérhetők.Ide tartoznak a CMM karok, amelyek a kar ízületeinél mért szögméréseket használnak a toll hegyének helyzetének kiszámításához, és felszerelhetők szondákkal a lézeres szkenneléshez és az optikai képalkotáshoz.Az ilyen karú CMM-eket gyakran használják, ahol hordozhatóságuk előnyt jelent a hagyományos rögzített ágyas CMM-ekkel szemben – a mért helyek tárolásával a programozószoftver lehetővé teszi magának a mérőkarnak és annak mérési térfogatának mozgatását is a mérendő alkatrész körül a mérési rutin során.Mivel a CMM karok az emberi karok rugalmasságát utánozzák, gyakran képesek olyan összetett alkatrészek belsejét is elérni, amelyeket nem lehet egy szabványos háromtengelyes géppel megszondázni.

Mechanikus szonda

A koordináta mérés (CMM) kezdeti napjaiban a mechanikus szondákat egy speciális tartóba illesztették a toll végén.Egy nagyon elterjedt szondát kemény golyó forrasztásával készítettek egy tengely végére.Ez ideális volt sík felületek, hengeres vagy gömb alakú felületek egész sorának mérésére.Más szondákat meghatározott formákká, például kvadránssá köszörültek, hogy lehetővé tegyék a speciális jellemzők mérését.Ezeket a szondákat fizikailag a munkadarabhoz tartották úgy, hogy a térbeli pozíciót egy 3-tengelyes digitális kiolvasóból (DRO) olvasták le, vagy fejlettebb rendszerekben lábkapcsolóval vagy hasonló eszközzel bejelentkeztek a számítógépbe.Az ezzel az érintkezési módszerrel végzett mérések gyakran megbízhatatlanok voltak, mivel a gépeket kézzel mozgatták, és minden gépkezelő más-más nyomást gyakorolt ​​a szondára, vagy más-más technikát alkalmazott a méréshez.

A további fejlesztés az egyes tengelyek meghajtására szolgáló motorok hozzáadása volt.A kezelőknek már nem kellett fizikailag hozzányúlniuk a géphez, hanem az egyes tengelyeket a joystickokkal ellátott kézidoboz segítségével hajthatták meg, ugyanúgy, mint a modern távirányítós autók esetében.A mérési pontosság és precizitás drámaian javult az elektronikus trigger szonda feltalálásával.Ennek az új szondaeszköznek az úttörője David McMurtry volt, aki később megalakította a mai Renishaw plc-t.Bár még mindig érintkező eszköz, a szondának volt egy rugós acélgolyós (később rubingolyós) ceruzája.Ahogy a szonda megérintette az alkatrész felületét, az érintőceruza elhajlott és egyidejűleg elküldte az X,Y,Z koordináta információt a számítógépnek.Csökkent az egyes kezelők által okozott mérési hibák, és a CNC-műveletek bevezetése és a CMM-ek nagykorúvá válásának előkészülete állt.

Az optikai szondák lencse-CCD-rendszerek, amelyeket a mechanikushoz hasonlóan mozgatnak, és nem az anyag érintését, hanem az érdekes pontot célozzák meg.A felvett felületképet egy mérőablak határai közé zárjuk, amíg a maradék megfelelő kontrasztot képez a fekete-fehér zónák között.Az osztógörbe egy pontra számítható, amely a térben a kívánt mérési pont.A CCD-n lévő vízszintes információ 2D (XY), a függőleges helyzet pedig a teljes tapintórendszer helyzete a Z-meghajtón (vagy más eszközkomponensen).

Pásztázó szondarendszerek

Vannak újabb modellek, amelyek szondákkal rendelkeznek, amelyek meghatározott időközönként húzódnak végig az alkatrész felületén, amelyek pontokat vesznek fel, ezeket pásztázó szondáknak nevezik.Ez a CMM vizsgálati módszer gyakran pontosabb, mint a hagyományos tapintó módszer, és legtöbbször gyorsabb is.

A szkennelés következő generációja, az érintésmentes szkennelés, amely nagy sebességű lézeres egypontos háromszögelést, lézeres vonalszkennelést és fehér fény szkennelést foglal magában, nagyon gyorsan fejlődik.Ez a módszer lézersugarat vagy fehér fényt használ, amelyet az alkatrész felületére vetítenek.Így sok ezer pont vehető, és nem csak a méret és pozíció ellenőrzésére használható, hanem az alkatrész 3D-s képének elkészítésére is.Ezek a „pontfelhő adatok” ezután átvihetők a CAD szoftverbe, hogy létrehozzák az alkatrész működő 3D-s modelljét.Ezeket az optikai szkennereket gyakran használják puha vagy kényes részeken, vagy a visszafejtés megkönnyítésére.

Mikrometrológiai szondák

Egy másik feltörekvő terület a mikroméretű metrológiai alkalmazásokhoz használható szondázási rendszerek.Számos kereskedelmi forgalomban kapható koordináta mérőgép (CMM), amely mikroszondát integrált a rendszerbe, számos speciális rendszer a kormányzati laboratóriumokban, és tetszőleges számú egyetemi építésű metrológiai platform a mikroméretű metrológiához.Bár ezek a gépek jó és sok esetben kiváló metrológiai platformok nanométeres skálákkal, elsődleges korlátjuk egy megbízható, robusztus, alkalmas mikro/nano szonda.^{[idézet szükséges]}A mikroméretű szondázási technológiák kihívásai közé tartozik a nagy oldalarányú szonda szükségessége, amely lehetővé teszi a mély, keskeny elemek elérését alacsony érintkezési erőkkel, hogy ne károsítsa a felületet, és nagy pontossággal (nanométer szint).^{[idézet szükséges]}Ezenkívül a mikroméretű szondák érzékenyek a környezeti feltételekre, például a nedvességre és a felületi kölcsönhatásokra, például a tapadásra (amit többek között adhézió, meniszkusz és/vagy Van der Waals erők okoznak).^{[idézet szükséges]}

A mikroméretű szondázáshoz szükséges technológiák közé tartozik többek között a klasszikus CMM szondák kicsinyített változata, az optikai szondák és az állóhullámú szondák.A jelenlegi optikai technológiák azonban nem méretezhetők elég kicsire a mély, keskeny jellemzők méréséhez, és az optikai felbontást a fény hullámhossza korlátozza.A röntgensugaras képalkotás képet ad a funkcióról, de nem nyomon követhető metrológiai információkat.

Fizikai elvek

Optikai szondák és/vagy lézerszondák használhatók (ha lehetséges kombinálva), amelyek a CMM-eket mérőmikroszkópokra vagy többszenzoros mérőgépekre változtatják.A peremvetítő rendszereket, a teodolit háromszögelési rendszereket vagy a lézeres táv- és háromszögelési rendszereket nem nevezik mérőgépeknek, de a mérési eredmény ugyanaz: egy térpont.A lézerszondákat a felület és a kinematikai lánc végén található referenciapont (azaz a Z-meghajtó komponens vége) közötti távolság kimutatására használják.Ez használhat interferometrikus funkciót, fókuszváltoztatást, fényeltérítést vagy sugárárnyékolási elvet.

Hordozható koordináta-mérő gépek

Míg a hagyományos CMM-ek három derékszögű tengelyen mozgó szondát használnak az objektum fizikai jellemzőinek mérésére, a hordozható CMM-ek vagy csuklós karokat, vagy optikai CMM-ek esetében kar nélküli letapogató rendszereket használnak, amelyek optikai háromszögelési módszereket alkalmaznak és teljes mozgásszabadságot tesznek lehetővé. a tárgy körül.

A csuklós karokkal rendelkező hordozható CMM-eknek hat vagy hét tengelyük van, amelyek lineáris tengelyek helyett forgó jeladókkal vannak felszerelve.A hordozható karok könnyűek (általában kevesebb, mint 20 font), és szinte bárhol hordozhatók és használhatók.Az iparban azonban egyre gyakrabban használják az optikai CMM-eket.A kompakt lineáris vagy mátrix tömb kamerákkal (mint például a Microsoft Kinect) tervezett optikai CMM-ek kisebbek, mint a hordozható, karral ellátott CMM-ek, nincsenek vezetékek, és lehetővé teszik a felhasználók számára, hogy könnyedén 3D méréseket végezzenek minden típusú objektumról, amelyek szinte bárhol elhelyezkednek.

Bizonyos nem ismétlődő alkalmazások, mint például a visszafejtés, a gyors prototípus-készítés és a különböző méretű alkatrészek nagyléptékű vizsgálata, ideálisak a hordozható CMM-ekhez.A hordozható CMM-ek előnyei sokrétűek.A felhasználók rugalmasan végezhetnek 3D méréseket minden típusú alkatrészről és a legtávolabbi/legnehezebb helyeken.Könnyen használhatóak, és nem igényelnek ellenőrzött környezetet a pontos mérésekhez.Ezenkívül a hordozható CMM-ek általában olcsóbbak, mint a hagyományos CMM-ek.

A hordozható CMM-ek velejárója a kézi működtetés (a használatukhoz mindig ember szükséges).Ezen túlmenően általános pontosságuk valamivel kevésbé pontos, mint a híd típusú CMM-eké, és bizonyos alkalmazásokhoz kevésbé alkalmas.

Multiszenzoros mérőgépek

A tapintókat használó hagyományos CMM technológiát manapság gyakran kombinálják más mérési technológiával.Ez magában foglalja a lézer-, video- vagy fehér fényérzékelőket, amelyek az úgynevezett multiszenzoros mérést biztosítják.