Vad är en koordinatmätningsmaskin?

Enkoordinatmätningsmaskin(CMM) är en anordning som mäter geometrin hos fysiska objekt genom att känna av diskreta punkter på objektets yta med en sond. Olika typer av sonder används i CMM:er, inklusive mekaniska, optiska, laser- och vitt ljussonder. Beroende på maskinen kan sondens position styras manuellt av en operatör eller så kan den vara datorstyrd. CMM:er anger vanligtvis en sonds position i termer av dess förskjutning från en referensposition i ett tredimensionellt kartesiskt koordinatsystem (dvs. med XYZ-axlar). Förutom att flytta sonden längs X-, Y- och Z-axlarna tillåter många maskiner också att sondvinkeln styrs för att möjliggöra mätning av ytor som annars skulle vara oåtkomliga.

Den typiska 3D-"brygg"-CMM:n tillåter probrörelse längs tre axlar, X, Y och Z, vilka är ortogonala mot varandra i ett tredimensionellt kartesiskt koordinatsystem. Varje axel har en sensor som övervakar probens position på den axeln, vanligtvis med mikrometerprecision. När proben kontaktar (eller på annat sätt detekterar) en viss plats på objektet, samplar maskinen de tre positionssensorerna och mäter därmed platsen för en punkt på objektets yta, såväl som den tredimensionella vektorn för den utförda mätningen. Denna process upprepas vid behov, och proben flyttas varje gång, för att producera ett "punktmoln" som beskriver de ytområden som är av intresse.

En vanlig användning av koordinatmätmaskiner är i tillverknings- och monteringsprocesser för att testa en del eller enhet mot designens syfte. I sådana tillämpningar genereras punktmoln som analyseras via regressionsalgoritmer för konstruktion av funktioner. Dessa punkter samlas in med hjälp av en sond som positioneras manuellt av en operatör eller automatiskt via direkt datorstyrning (DCC). DCC-koordinatmätmaskiner kan programmeras för att upprepade gånger mäta identiska delar; således är en automatiserad koordinatmätmaskin en specialiserad form av industrirobot.

Delar

Koordinatmätningsmaskiner består av tre huvudkomponenter:

• Huvudstrukturen inkluderar tre rörelseaxlar. Materialet som används för att konstruera den rörliga ramen har varierat över åren. Granit och stål användes i de tidiga CMM:erna. Idag bygger alla större CMM-tillverkare ramar av aluminiumlegering eller någon derivatlegering och använder även keramik för att öka Z-axelns styvhet för skanningsapplikationer. Få CMM-tillverkare tillverkar fortfarande CMM med granitram idag på grund av marknadens krav på förbättrad metrologidynamik och en ökande trend att installera CMM utanför kvalitetslaboratoriet. Vanligtvis tillverkar endast CMM-tillverkare i lågvolym och inhemska tillverkare i Kina och Indien fortfarande granit-CMM på grund av lågteknologiskt tillvägagångssätt och det enkla inträdet för att bli en CMM-ramtillverkare. Den ökande trenden mot skanning kräver också att CMM:ns Z-axel är styvare och nya material har introducerats, såsom keramik och kiselkarbid.
• Sondsystem
• Datainsamlings- och reduktionssystem — inkluderar vanligtvis en maskinstyrenhet, stationär dator och applikationsprogramvara.

Tillgänglighet

Dessa maskiner kan vara fristående, handhållna och bärbara.

Noggrannhet

Noggrannheten hos koordinatmätmaskiner anges vanligtvis som en osäkerhetsfaktor som en funktion över avstånd. För en CMM som använder en touchprob relaterar detta till probens repeterbarhet och noggrannheten hos de linjära skalorna. Typisk probrepeterbarhet kan resultera i mätningar inom 0,001 mm eller 0,00005 tum (en halv tiondel) över hela mätvolymen. För 3-, 3+2- och 5-axliga maskiner kalibreras proberna rutinmässigt med hjälp av spårbara standarder och maskinrörelsen verifieras med hjälp av mätare för att säkerställa noggrannhet.

Specifika delar

Maskinkropp

Den första CMM:n utvecklades av Ferranti Company i Skottland på 1950-talet som ett resultat av ett direkt behov av att mäta precisionskomponenter i deras militära produkter, även om denna maskin bara hade två axlar. De första 3-axliga modellerna började dyka upp på 1960-talet (DEA i Italien) och datorstyrning debuterade i början av 1970-talet, men den första fungerande CMM:n utvecklades och såldes av Browne & Sharpe i Melbourne, England. (Leitz i Tyskland producerade därefter en fast maskinstruktur med rörligt bord.)

I moderna maskiner har den portalliknande överbyggnaden två ben och kallas ofta en brygga. Denna rör sig fritt längs granitbordet med ett ben (ofta kallat innerbenet) som följer en styrskena fäst på ena sidan av granitbordet. Det motsatta benet (ofta ytterbenet) vilar helt enkelt på granitbordet och följer den vertikala ytkonturen. Luftlager är den valda metoden för att säkerställa friktionsfri rörelse. I dessa tvingas tryckluft genom en serie mycket små hål i en plan lageryta för att ge en jämn men kontrollerad luftkudde på vilken CMM:n kan röra sig på ett nästan friktionsfritt sätt, vilket kan kompenseras för genom programvara. Bryggans eller portalens rörelse längs granitbordet bildar en axel i XY-planet. Portalens brygga innehåller en vagn som rör sig mellan inner- och ytterbenen och bildar den andra horisontella X- eller Y-axeln. Den tredje rörelseaxeln (Z-axeln) tillhandahålls genom tillägg av en vertikal pinn eller spindel som rör sig upp och ner genom mitten av vagnen. Touchsonden bildar avkänningsenheten på änden av pinnan. Rörelsen hos X-, Y- och Z-axlarna beskriver mätområdet fullt ut. Valfria roterande bord kan användas för att förbättra mätprobens tillgänglighet för komplicerade arbetsstycken. Det roterande bordet som en fjärde drivaxel förbättrar inte mätdimensionerna, som förblir 3D, men det ger en viss grad av flexibilitet. Vissa kontaktprober är själva motordrivna roterande enheter där probspetsen kan vridas vertikalt mer än 180 grader och genom en full 360-graders rotation.

CMM:er finns nu även tillgängliga i en mängd andra former. Dessa inkluderar CMM-armar som använder vinkelmätningar tagna vid armens leder för att beräkna positionen för pennans spets, och kan utrustas med sonder för laserskanning och optisk avbildning. Sådana arm-CMM:er används ofta där deras portabilitet är en fördel jämfört med traditionella fastbädds-CMM:er – genom att lagra mätpunkter tillåter programmeringsprogramvaran också att själva mätarmen, och dess mätvolym, flyttas runt den del som ska mätas under en mätrutin. Eftersom CMM-armar imiterar flexibiliteten hos en mänsklig arm kan de också ofta nå insidan av komplexa delar som inte skulle kunna sonderas med en vanlig treaxlig maskin.

Mekanisk sond

I koordinatmätningens (CMM) tidiga dagar monterades mekaniska sonder i en speciell hållare på änden av pinnhålet. En mycket vanlig sond tillverkades genom att löda fast en hård kula på änden av en axel. Detta var idealiskt för att mäta en mängd olika plana, cylindriska eller sfäriska ytor. Andra sonder slipades till specifika former, till exempel en kvadrant, för att möjliggöra mätning av speciella egenskaper. Dessa sonder hölls fysiskt mot arbetsstycket och positionen i rymden avlästes från en 3-axlig digital avläsning (DRO) eller, i mer avancerade system, loggades in i en dator med hjälp av en fotpedal eller liknande anordning. Mätningar som gjordes med denna kontaktmetod var ofta otillförlitliga eftersom maskinerna flyttades för hand och varje maskinoperatör applicerade olika mängder tryck på sonden eller använde olika tekniker för mätningen.

En ytterligare utveckling var tillägget av motorer för att driva varje axel. Operatörerna behövde inte längre fysiskt röra maskinen utan kunde styra varje axel med hjälp av en handenhet med joysticks på ungefär samma sätt som med moderna fjärrstyrda bilar. Mätnoggrannheten och precisionen förbättrades dramatiskt med uppfinningen av den elektroniska touch-trigger-proben. Pionjären bakom denna nya probanordning var David McMurtry som senare bildade det som nu är Renishaw plc. Även om proben fortfarande var en kontaktanordning, hade den en fjäderbelastad stålkula (senare rubinkula). När proben rörde vid komponentens yta böjdes pennan av och skickade samtidigt X-, Y- och Z-koordinatinformationen till datorn. Mätfel orsakade av enskilda operatörer blev färre och scenen var beredd för introduktionen av CNC-operationer och CMM:ernas mognadsfas.

Optiska sonder är lins-CCD-system, som rör sig precis som de mekaniska, och riktas mot den aktuella punkten istället för att vidröra materialet. Den tagna bilden av ytan kommer att omges av kanterna på ett mätfönster, tills restmaterialet är tillräckligt för att kontrastera mellan svarta och vita zoner. Delningskurvan kan beräknas till en punkt, som är den önskade mätpunkten i rymden. Den horisontella informationen på CCD:n är 2D (XY) och den vertikala positionen är positionen för hela sonderingssystemet på stativets Z-drive (eller annan enhetskomponent).

Skannande probsystem

Det finns nyare modeller med sonder som släpar längs ytan på detaljens mätpunkter med specificerade intervall, så kallade skanningssonder. Denna metod för CMM-inspektion är ofta mer exakt än den konventionella touch-prob-metoden och oftast snabbare också.

Nästa generations skanning, känd som kontaktlös skanning, som inkluderar höghastighetslaserpunktstriangulering, laserlinjeskanning och vitt ljus-skanning, utvecklas mycket snabbt. Denna metod använder antingen laserstrålar eller vitt ljus som projiceras mot delens yta. Många tusen punkter kan sedan tas och användas inte bara för att kontrollera storlek och position, utan även för att skapa en 3D-bild av delen. Denna "punktmolnsdata" kan sedan överföras till CAD-programvara för att skapa en fungerande 3D-modell av delen. Dessa optiska skannrar används ofta på mjuka eller ömtåliga delar eller för att underlätta reverse engineering.

Mikrometrologisonder

Probsystem för mikroskaliga mätmetoder är ett annat framväxande område. Det finns flera kommersiellt tillgängliga koordinatmätmaskiner (CMM) som har en mikrosond integrerad i systemet, flera specialsystem vid statliga laboratorier och ett antal universitetsbyggda mätplattformar för mikroskalig mätteknik. Även om dessa maskiner är bra och i många fall utmärkta mätplattformar med nanometriska skalor, är deras primära begränsning en pålitlig, robust och kapabel mikro-/nanoprob.^{[hänvisning behövs]}Utmaningar för mikroskaliga probtekniker inkluderar behovet av en prob med högt aspektförhållande som ger möjlighet att komma åt djupa, smala strukturer med låga kontaktkrafter för att inte skada ytan och med hög precision (nanometernivå).^{[hänvisning behövs]}Dessutom är mikroskaliga sonder känsliga för miljöförhållanden som fuktighet och ytinteraktioner såsom stiktion (orsakad av vidhäftning, menisk och/eller Van der Waals-krafter bland annat).^{[hänvisning behövs]}

Tekniker för att uppnå mikroskalig sondering inkluderar bland annat nedskalade versioner av klassiska CMM-sonder, optiska sonder och en ståendevågssond. Nuvarande optiska tekniker kan dock inte skalas tillräckligt små för att mäta djupa, smala objekt, och den optiska upplösningen begränsas av ljusets våglängd. Röntgenavbildning ger en bild av objektet men ingen spårbar metrologisk information.

Fysiska principer

Optiska sonder och/eller lasersonder kan användas (om möjligt i kombination), vilket omvandlar CMM:er till mätmikroskop eller multisensormätmaskiner. Fransprojektionssystem, teodolittrianguleringssystem eller laseravstånds- och trianguleringssystem kallas inte mätmaskiner, men mätresultatet är detsamma: en rymdpunkt. Lasersonder används för att detektera avståndet mellan ytan och referenspunkten i änden av den kinematiska kedjan (dvs.: änden av Z-drivkomponenten). Detta kan använda en interferometrisk funktion, fokusvariation, ljusavböjning eller en strålskuggningsprincip.

Bärbara koordinatmätningsmaskiner

Medan traditionella koordinatmätmaskiner använder en sond som rör sig längs tre kartesiska axlar för att mäta ett objekts fysiska egenskaper, använder bärbara koordinatmätmaskiner antingen ledade armar eller, när det gäller optiska koordinatmätmaskiner, armfria skanningssystem som använder optiska trianguleringsmetoder och möjliggör total rörelsefrihet runt objektet.

Bärbara CMM:er med ledade armar har sex eller sju axlar som är utrustade med roterande kodare, istället för linjära axlar. Bärbara armar är lätta (vanligtvis mindre än 9 kg) och kan bäras och användas nästan var som helst. Optiska CMM:er används dock alltmer inom industrin. Optiska CMM:er är designade med kompakta linjära kameror eller matriskameror (som Microsoft Kinect), är mindre än bärbara CMM:er med armar, har inga kablar och gör det möjligt för användare att enkelt göra 3D-mätningar av alla typer av objekt som finns nästan var som helst.

Vissa icke-repetitiva tillämpningar som reverse engineering, rapid prototyping och storskalig inspektion av delar av alla storlekar är idealiska för bärbara koordinatmätmaskiner. Fördelarna med bärbara koordinatmätmaskiner är mångfaldiga. Användare har flexibiliteten att göra 3D-mätningar av alla typer av delar och på de mest avlägsna/svåra platserna. De är enkla att använda och kräver inte en kontrollerad miljö för att göra noggranna mätningar. Dessutom tenderar bärbara koordinatmätmaskiner att kosta mindre än traditionella koordinatmätmaskiner.

De inneboende nackdelarna med bärbara koordinatmätmaskiner är manuell drift (de kräver alltid en människa för att använda dem). Dessutom kan deras totala noggrannhet vara något mindre exakt än för en bryggliknande koordinatmätmaskin och är mindre lämplig för vissa tillämpningar.

Multisensormätmaskiner

Traditionell CMM-teknik med beröringsprober kombineras idag ofta med annan mätteknik. Detta inkluderar laser-, video- eller vita ljussensorer för att tillhandahålla det som kallas multisensormätning.