Mi az a koordináta mérőgép?

Egykoordináta mérőgépA koordináta-mérőgép (CMM) egy olyan eszköz, amely fizikai tárgyak geometriáját méri a tárgy felületén lévő diszkrét pontok szondával történő érzékelésével. A CMM-ekben különféle típusú szondákat használnak, beleértve a mechanikus, optikai, lézeres és fehér fényű szondákat. A géptől függően a szonda pozícióját manuálisan vezérelheti a kezelő, vagy számítógép vezérelheti. A CMM-ek jellemzően a szonda pozícióját egy háromdimenziós derékszögű koordinátarendszerben (azaz az XYZ tengelyekkel) egy referenciaponttól való elmozdulása alapján határozzák meg. A szonda X, Y és Z tengelyek mentén történő mozgatása mellett számos gép lehetővé teszi a szonda szögének szabályozását is, így olyan felületek mérése is lehetséges, amelyek egyébként elérhetetlenek lennének.

A tipikus 3D-s „híd” koordináta-mérőgép (CMM) lehetővé teszi a mérőfej mozgását három tengely, X, Y és Z mentén, amelyek egymásra merőlegesek egy háromdimenziós derékszögű koordinátarendszerben. Minden tengelyhez tartozik egy érzékelő, amely figyeli a mérőfej helyzetét az adott tengelyen, jellemzően mikrométeres pontossággal. Amikor a mérőfej hozzáér (vagy más módon érzékel) egy adott ponthoz a tárgyon, a gép mintát vesz a három helyzetérzékelőről, így megméri a tárgy felületén lévő egy pont helyét, valamint a mérés háromdimenziós vektorát. Ezt a folyamatot szükség szerint megismétlik, minden alkalommal mozgatva a mérőfejet, hogy egy „pontfelhőt” hozzanak létre, amely leírja az érdeklődésre számot tartó felületeket.

A koordináta-mérő gépek (CMM) gyakori felhasználási területe a gyártási és összeszerelési folyamatok, ahol egy alkatrészt vagy összeállítást tesztelnek a tervezési szándékkal szemben. Ilyen alkalmazásokban pontfelhőket generálnak, amelyeket regressziós algoritmusok segítségével elemeznek a jellemzők létrehozásához. Ezeket a pontokat egy szonda segítségével gyűjtik össze, amelyet a kezelő manuálisan vagy automatikusan pozicionál a közvetlen számítógépes vezérlés (DCC) segítségével. A DCC koordináta-mérő gépek programozhatók azonos alkatrészek ismételt mérésére; így az automatizált koordináta-mérő gép az ipari robotok egy speciális formája.

Alkatrészek

A koordináta-mérőgépek három fő részből állnak:

• A fő szerkezet három mozgástengelyt foglal magában. A mozgó keret építéséhez használt anyag az évek során változott. A korai koordináta-mérőgépekben gránitot és acélt használtak. Manapság minden nagyobb koordináta-mérőgép gyártó alumíniumötvözetből vagy valamilyen származékból készít kereteket, és kerámiát is használ a Z tengely merevségének növelésére szkennelési alkalmazásokhoz. Ma már kevés koordináta-mérőgép gyártó gyárt gránit keretes koordináta-mérőgépet a jobb metrológiai dinamika iránti piaci igény és a koordináta-mérőgépek minőségbiztosítási laboratóriumon kívüli telepítésének növekvő trendje miatt. Jellemzően csak a kis volumenű koordináta-mérőgép gyártók és a kínai és indiai hazai gyártók gyártanak gránit koordináta-mérőgépeket az alacsony technológiai megközelítés és a koordináta-mérőgép keretgyártóvá válás könnyű bevezetése miatt. A szkennelés felé irányuló növekvő trend azt is megköveteli, hogy a koordináta-mérőgép Z tengelye merevebb legyen, és új anyagok, például kerámia és szilícium-karbid jelentek meg.
• Szondázó rendszer
• Adatgyűjtő és -feldolgozó rendszer – jellemzően gépvezérlőt, asztali számítógépet és alkalmazásszoftvert tartalmaz.

Elérhetőség

Ezek a gépek lehetnek szabadon állóak, kéziek és hordozhatóak.

Pontosság

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

Specifikus alkatrészek

Géptest

Az első koordináta-mérőgépet (CMM) a skót Ferranti Company fejlesztette ki az 1950-es években, mivel közvetlenül igényelte a katonai termékeik precíziós alkatrészeinek mérését, bár ennek a gépnek csak 2 tengelye volt. Az első 3 tengelyes modellek az 1960-as években kezdtek megjelenni (az olasz DEA), a számítógépes vezérlés pedig az 1970-es évek elején debütált, de az első működő koordináta-mérőgépet a Browne & Sharpe fejlesztette ki és forgalmazta Melbourne-ben, Angliában. (A Leitz Germany ezt követően egy rögzített gépszerkezetet gyártott mozgó asztallal.)

A modern gépekben a portál típusú felépítmény két lábbal rendelkezik, és gyakran hídnak nevezik. Ez szabadon mozog a gránitasztalon, az egyik láb (gyakran belső lábnak is nevezik) egy, a gránitasztal egyik oldalához rögzített vezetősínt követve. Az ellenkező láb (gyakran külső láb) egyszerűen a gránitasztalon nyugszik, követve a függőleges felület kontúrját. A légcsapágyak a választott módszer a súrlódásmentes mozgás biztosítására. Ezekben a sűrített levegőt egy sor nagyon apró lyukon keresztülpréselik egy sík csapágyfelületen, hogy sima, de szabályozott légpárnát hozzon létre, amelyen a koordináta-mérőgép közel súrlódásmentes módon mozoghat, ami szoftveresen kompenzálható. A híd vagy portál mozgása a gránitasztalon az XY sík egyik tengelyét alkotja. A portál hídja egy kocsit tartalmaz, amely a belső és külső lábak között halad, és a másik X vagy Y vízszintes tengelyt alkotja. A mozgás harmadik tengelyét (Z tengely) egy függőleges penge vagy orsó hozzáadása biztosítja, amely fel és le mozog a kocsi közepén keresztül. A tapintó képezi az érzékelő eszközt a penge végén. Az X, Y és Z tengelyek mozgása teljes mértékben leírja a mérési burkológörbét. Opcionális körasztalok használhatók a mérőtapintó megközelíthetőségének javítására bonyolult munkadarabokhoz. A körasztal, mint negyedik hajtótengely, nem javítja a mérési méreteket, amelyek továbbra is 3D-sek maradnak, de bizonyos fokú rugalmasságot biztosít. Egyes tapintófejek maguk is motoros forgóeszközök, amelyeknél a tapintócsúcs több mint 180 fokban képes függőlegesen elfordulni, és teljes 360 fokos elfordulást végezni.

A koordináta-mérőgépek (CMM) ma már számos más formában is kaphatók. Ilyenek például a CMM karok, amelyek a kar ízületeinél mért szögmérések alapján számítják ki a tapintócsúcs helyzetét, és felszerelhetők lézerszkenneléshez és optikai képalkotáshoz szükséges mérőfejekkel. Az ilyen karos CMM-eket gyakran ott használják, ahol hordozhatóságuk előnyt jelent a hagyományos fix ágyas CMM-ekkel szemben – a mért helyek tárolásával a programozószoftver lehetővé teszi magának a mérőkarnak és annak mérési térfogatának mozgatását a mérendő alkatrész körül a mérési rutin során. Mivel a CMM karok az emberi kar rugalmasságát utánozzák, gyakran képesek elérni olyan összetett alkatrészek belsejét is, amelyeket egy hagyományos háromtengelyes géppel nem lehetne megmérni.

Mechanikus szonda

A koordinátamérés (CMM) korai napjaiban a mechanikus mérőtapintókat a szár végén lévő speciális tartóba illesztették. Egy nagyon gyakori mérőtapintót úgy készítettek, hogy egy kemény golyót forrasztottak a tengely végére. Ez ideális volt sík, hengeres vagy gömb alakú felületek teljes skálájának mérésére. Más mérőtapintókat speciális formára, például kvadránsra köszörültek, hogy lehetővé tegyék a speciális jellemzők mérését. Ezeket a mérőtapintókat fizikailag a munkadarabhoz szorították, a térbeli pozíciót pedig egy 3 tengelyes digitális kijelzőről (DRO) olvasták le, vagy fejlettebb rendszerekben lábkapcsolóval vagy hasonló eszközzel rögzítették egy számítógépbe. Az ezzel az érintkezési módszerrel végzett mérések gyakran megbízhatatlanok voltak, mivel a gépeket kézzel mozgatták, és minden gépkezelő eltérő nyomást gyakorolt ​​a mérőtapintóra, vagy eltérő technikákat alkalmazott a méréshez.

További fejlesztés volt a motorok hozzáadása az egyes tengelyek meghajtásához. A kezelőknek már nem kellett fizikailag megérinteniük a gépet, hanem minden tengelyt joystickokkal ellátott kézidobozzal is meg tudtak hajtani, ugyanúgy, mint a modern távirányítású autóknál. A mérési pontosság és a precizitás drámaian javult az elektronikus tapintó mérőfej feltalálásával. Ennek az új mérőfejes eszköznek az úttörője David McMurtry volt, aki később megalapította a mai Renishaw plc-t. Bár továbbra is érintkező eszköz volt, a mérőfej rugós acélgolyóval (később rubingolyóval) ellátott tapintófejjel rendelkezett. Ahogy a mérőfej megérintette az alkatrész felületét, a tapintófej eltérült, és egyidejűleg elküldte az X, Y, Z koordinátainformációkat a számítógépnek. Az egyes kezelők által okozott mérési hibák csökkentek, és ez előkészítette a terepet a CNC-műveletek bevezetéséhez és a koordináta-mérőgépek (CMM) korának eljöveteléhez.

Az optikai szondák lencse-CCD rendszerek, amelyeket a mechanikusakhoz hasonlóan mozgatnak, és a vizsgált pontra irányítanak, ahelyett, hogy az anyagot érintenék. A felület rögzített képét a mérőablak határai zárják be, amíg a maradék megfelelő kontrasztot nem mutat a fekete és fehér zónák között. Az osztógörbe egy pontra kiszámítható, amely a kívánt mérési pont a térben. A CCD vízszintes információja 2D (XY), a függőleges helyzet pedig a teljes szondázó rendszer helyzete az állvány Z-meghajtóján (vagy más eszközkomponensen).

Szkennelő szondás rendszerek

Léteznek újabb modellek, amelyek olyan mérőfejekkel rendelkeznek, amelyek meghatározott időközönként végighúzzák magukat a munkadarab-felvételi pontok felületén, ezeket pásztázó mérőfejeknek nevezik. Ez a koordináta-mérőgépes ellenőrzési módszer gyakran pontosabb, mint a hagyományos tapintós módszer, és legtöbbször gyorsabb is.

A szkennelés következő generációja, az úgynevezett érintésmentes szkennelés, amely magában foglalja a nagysebességű lézeres egypontos háromszögelést, a lézervonal-szkennelést és a fehér fényű szkennelést, nagyon gyorsan fejlődik. Ez a módszer lézersugarakat vagy fehér fényt használ, amelyeket az alkatrész felületére vetítenek. Ezután több ezer pont rögzíthető, és nemcsak a méret és a pozíció ellenőrzésére, hanem az alkatrész 3D-s képének létrehozására is felhasználható. Ez a „pontfelhő-adat” ezután CAD szoftverbe vihető át, hogy létrehozza az alkatrész működő 3D-s modelljét. Ezeket az optikai szkennereket gyakran használják puha vagy kényes alkatrészeken, vagy a visszafejtés megkönnyítésére.

Mikrometrológiai szondák

A mikroskálájú metrológiai alkalmazásokhoz használt mérőrendszerek egy másik feltörekvő terület. Számos kereskedelmi forgalomban kapható koordináta mérőgép (CMM) létezik, amelyekbe integrált mikroszonda található, számos speciális rendszer létezik kormányzati laboratóriumokban, és számos egyetemi építésű metrológiai platform is létezik mikroskálájú metrológiához. Bár ezek a gépek jók, és sok esetben kiválóak nanometrikus skálájú metrológiai platformok, elsődleges korlátjuk a megbízható, robusztus és nagy teljesítményű mikro/nano szonda hiánya.^{[hivatkozás szükséges]}A mikroskálájú szondázási technológiák kihívásai közé tartozik a nagy képarányú szonda iránti igény, amely lehetővé teszi a mély, keskeny jellemzők elérését alacsony érintkezési erővel, a felület károsodásának elkerülése és a nagy pontosság (nanométeres szint) mellett.^{[hivatkozás szükséges]}Ezenkívül a mikroméretű szondák érzékenyek a környezeti feltételekre, például a páratartalomra és a felületi kölcsönhatásokra, például a tapadásra (többek között tapadás, meniszkusz és/vagy Van der Waals-erők okozta).^{[hivatkozás szükséges]}

A mikroszkopikus szondázást lehetővé tevő technológiák közé tartoznak többek között a klasszikus CMM szondák kicsinyített változatai, optikai szondák és állóhullámú szonda. A jelenlegi optikai technológiák azonban nem méretezhetők elég kicsire ahhoz, hogy mély, keskeny jellemzőket mérjenek, és az optikai felbontást a fény hullámhossza korlátozza. A röntgenképalkotás ugyan képet ad a jellemzőről, de nem nyújt nyomon követhető metrológiai információkat.

Fizikai alapelvek

Optikai és/vagy lézeres szondák használhatók (lehetőség szerint kombinálva), amelyek a koordináta-mérőgépeket mérőmikroszkópokká vagy többszenzoros mérőgépekké változtatják. A peremvetítő rendszereket, a teodolit háromszögelési rendszereket vagy a lézeres távmérő és háromszögelési rendszereket nem nevezik mérőgépeknek, de a mérési eredmény ugyanaz: egy térbeli pont. A lézeres szondákat a felület és a kinematikai lánc végén (azaz a Z-meghajtó komponens végén) lévő referenciapont közötti távolság mérésére használják. Ez interferometrikus függvényt, fókuszvariációt, fényeltérítést vagy nyalábárnyékolási elvet használhat.

Hordozható koordináta-mérőgépek

Míg a hagyományos koordináta-mérőgépek (CMM) egy három derékszögű tengelyen mozgó mérőfejet használnak a tárgy fizikai jellemzőinek mérésére, a hordozható CMM-ek vagy csuklós karokat, vagy – optikai CMM-ek esetében – kar nélküli szkennelő rendszereket használnak, amelyek optikai háromszögelési módszereket alkalmaznak, és lehetővé teszik a tárgy körüli teljes mozgásszabadságot.

A csuklós karokkal ellátott hordozható koordináta-mérőgépek hat vagy hét tengellyel rendelkeznek, amelyek forgójeladókkal vannak felszerelve lineáris tengelyek helyett. A hordozható karok könnyűek (jellemzően kevesebb, mint 9 kg), és szinte bárhol hordozhatók és használhatók. Az optikai koordináta-mérőgépek azonban egyre inkább elterjednek az iparban. A kompakt lineáris vagy mátrixtömbös kamerákkal (mint például a Microsoft Kinect) tervezett optikai koordináta-mérőgépek kisebbek, mint a karokkal ellátott hordozható koordináta-mérőgépek, nem rendelkeznek vezetékekkel, és lehetővé teszik a felhasználók számára, hogy szinte bárhol könnyen elvégezzék a 3D-s méréseket mindenféle tárgyról.

Bizonyos nem ismétlődő alkalmazások, mint például a visszafejtés, a gyors prototípusgyártás és minden méretű alkatrész nagyméretű vizsgálata, ideálisak a hordozható koordináta-mérőgépek (CMM) számára. A hordozható koordináta-mérőgépek (CMM) előnyei sokrétűek. A felhasználók rugalmasan végezhetnek 3D-s méréseket mindenféle alkatrészről, a legtávolabbi/nehezebben megközelíthető helyeken is. Könnyen használhatóak, és nem igényelnek szabályozott környezetet a pontos mérések elvégzéséhez. Ezenkívül a hordozható koordináta-mérőgépek általában olcsóbbak, mint a hagyományos koordináta-mérőgépek.

A hordozható koordináta-mérőgépek velejáró hátránya a kézi működtetés (használatukhoz mindig emberre van szükség). Ezenkívül az általános pontosságuk némileg kevésbé pontos lehet, mint a híd típusú koordináta-mérőgépeké, és bizonyos alkalmazásokhoz kevésbé alkalmasak.

Többszenzoros mérőgépek

A hagyományos, tapintófejeket használó koordináta-mérőgépek (CMM) technológiáját ma már gyakran más mérési technológiákkal kombinálják. Ilyenek például a lézer-, video- vagy fehérfény-érzékelők, amelyek az úgynevezett többszenzoros mérést biztosítják.