Vad är koordinatmätmaskin?

Akoordinatmätmaskin(CMM) är en enhet som mäter fysiska objekts geometri genom att känna av diskreta punkter på objektets yta med en sond.Olika typer av sonder används i CMM, inklusive mekaniskt, optiskt, laser och vitt ljus.Beroende på maskinen kan sondpositionen styras manuellt av en operatör eller den kan vara datorstyrd.CMM specificerar vanligtvis en sonds position i termer av dess förskjutning från en referensposition i ett tredimensionellt kartesiskt koordinatsystem (dvs med XYZ-axlar).Förutom att förflytta sonden längs X-, Y- och Z-axlarna tillåter många maskiner även att sondens vinkel kontrolleras för att möjliggöra mätning av ytor som annars skulle vara oåtkomliga.

Den typiska 3D "bryggan" CMM tillåter sondrörelse längs tre axlar, X, Y och Z, som är ortogonala mot varandra i ett tredimensionellt kartesiskt koordinatsystem.Varje axel har en sensor som övervakar sondens position på den axeln, vanligtvis med mikrometerprecision.När sonden kommer i kontakt med (eller på annat sätt upptäcker) en viss plats på objektet, samplar maskinen de tre positionssensorerna och mäter således platsen för en punkt på objektets yta, såväl som den 3-dimensionella vektorn för mätningen som tagits.Denna process upprepas vid behov och rör sonden varje gång för att producera ett "punktmoln" som beskriver ytområdena av intresse.

En vanlig användning av CMM är i tillverknings- och monteringsprocesser för att testa en del eller montering mot designens syfte.I sådana applikationer genereras punktmoln som analyseras via regressionsalgoritmer för konstruktion av funktioner.Dessa punkter samlas in med hjälp av en sond som placeras manuellt av en operatör eller automatiskt via Direct Computer Control (DCC).DCC CMM kan programmeras för att upprepade gånger mäta identiska delar;Således är en automatiserad CMM en specialiserad form av industrirobot.

Delar

Koordinatmätmaskiner inkluderar tre huvudkomponenter:

• Huvudstrukturen som inkluderar tre rörelseaxlar.Materialet som används för att konstruera den rörliga ramen har varierat under åren.Granit och stål användes i de tidiga CMM.Idag bygger alla de stora CMM-tillverkarna ramar av aluminiumlegering eller något derivat och använder även keramik för att öka Z-axelns styvhet för skanningstillämpningar.Få CMM-byggare tillverkar fortfarande CMM med granitram på grund av marknadens krav på förbättrad metrologidynamik och ökande trend att installera CMM utanför kvalitetslabbet.Vanligtvis tillverkar bara lågvolym-CMM-byggare och inhemska tillverkare i Kina och Indien fortfarande granit-CMM på grund av lågteknologiskt tillvägagångssätt och lätt inträde för att bli en CMM-rambyggare.Den ökande trenden mot scanning kräver också att CMM Z-axeln är styvare och nya material har introducerats som keramik och kiselkarbid.
• Sondsystem
• Datainsamlings- och minskningssystem — inkluderar vanligtvis en maskinstyrning, stationär dator och applikationsprogramvara.

Tillgänglighet

Dessa maskiner kan vara fristående, handhållna och bärbara.

Noggrannhet

Noggrannheten hos koordinatmätmaskiner ges vanligtvis som en osäkerhetsfaktor som en funktion över avstånd.För en CMM som använder en touch-probe, 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 sonder rutinmässigt med hjälp av spårbara standarder och maskinens rörelse verifieras med hjälp av mätare för att säkerställa noggrannhet.

Specifika delar

Maskinkropp

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

I moderna maskiner har överbyggnaden av portaltyp två ben och kallas ofta en bro.Detta rör sig fritt längs granitbordet med ett ben (ofta kallat det inre benet) efter en styrskena fäst på ena sidan av granitbordet.Det motsatta benet (ofta utanför benet) vilar helt enkelt på granitbordet efter 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 kan röra sig på ett nästan friktionsfritt sätt som kan kompenseras för genom mjukvara.Brons eller portalens rörelse längs granitbordet bildar en axel i XY-planet.Portalens brygga innehåller en vagn som går mellan de inre och yttre benen och bildar den andra horisontella X- eller Y-axeln.Den tredje rörelseaxeln (Z-axeln) tillhandahålls genom tillägget av en vertikal pinne eller spindel som rör sig upp och ner genom mitten av vagnen.Touchproben bildar avkänningsanordningen på änden av fjäderpennan.Rörelsen för X-, Y- och Z-axlarna beskriver mätomslaget till fullo.Valfria roterande bord kan användas för att förbättra mätprobens tillgänglighet till komplicerade arbetsstycken.Det roterande bordet som en fjärde drivaxel förbättrar inte mätmåtten, som förblir 3D, men det ger en viss grad av flexibilitet.Vissa touchprober är själva drivna roterande enheter med sondens spets som kan svängas vertikalt genom mer än 180 grader och genom en hel 360 graders rotation.

CMM finns nu även i en mängd andra former.Dessa inkluderar CMM-armar som använder vinkelmätningar tagna vid armens leder för att beräkna läget för pennspetsen, och kan utrustas med sonder för laserskanning och optisk bild.Sådana arm-CMM:er används ofta där deras portabilitet är en fördel jämfört med traditionella fastbädds-CMMs - genom att lagra uppmätta platser, programmeringsprogramvara gör det också möjligt att flytta själva mätarmen och dess mätvolym 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 kunde sonderas med en vanlig treaxlig maskin.

Mekanisk sond

Under de första dagarna av koordinatmätning (CMM), monterades mekaniska sonder i en speciell hållare på änden av fjäderpennan.En mycket vanlig sond gjordes genom att löda en hård kula i änden av en axel.Detta var idealiskt för att mäta en hel rad plana ytor, cylindriska eller sfäriska ytor.Andra sonder maldes till specifika former, till exempel en kvadrant, för att möjliggöra mätning av speciella egenskaper.Dessa sonder hölls fysiskt mot arbetsstycket med positionen i rymden avläst från en 3-axlig digital avläsning (DRO) eller, i mer avancerade system, loggades in i en dator med hjälp av en fotkontakt eller liknande anordning.Mätningar som gjordes med denna kontaktmetod var ofta opålitliga eftersom maskiner flyttades för hand och varje maskinoperatör applicerade olika tryck på sonden eller använde olika tekniker för mätningen.

En vidareutveckling var tillägget av motorer för att driva varje axel.Operatörerna behövde inte längre röra maskinen fysiskt utan kunde köra varje axel med hjälp av en handlåda med joysticks på ungefär samma sätt som med moderna fjärrstyrda bilar.Mätnoggrannheten och precisionen förbättrades dramatiskt med uppfinningen av den elektroniska avtryckarproben.Pionjären för denna nya sondanordning var David McMurtry som sedan bildade det som nu är Renishaw plc.Även om den fortfarande var en kontaktanordning hade sonden en fjäderbelastad stålkula (senare rubinkula) penna.När sonden berörde ytan på komponenten avböjde pennan och skickade samtidigt X,Y,Z-koordinatinformationen till datorn.Mätfel som orsakats av enskilda operatörer blev färre och scenen var redo för införandet av CNC-operationer och CMMs åldrande.

Optiska sonder är lins-CCD-system, som flyttas som de mekaniska, och är riktade mot platsen av intresse, istället för att röra vid materialet.Den tagna bilden av ytan kommer att vara innesluten i gränserna för ett mätfönster, tills återstoden är tillräcklig 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-enhet (eller annan enhetskomponent).

Scanning av sondsystem

Det finns nyare modeller som har sonder som släpar längs delens yta och tar punkter med specificerade intervall, så kallade skanningssonder.Denna metod för CMM-inspektion är ofta mer exakt än den konventionella touch-probe-metoden och de flesta gånger snabbare också.

Nästa generation av skanning, känd som kontaktfri skanning, som inkluderar höghastighetslaser enpunktstriangulering, laserlinjeskanning och skanning av vitt ljus, går mycket snabbt framåt.Denna metod använder antingen laserstrålar eller vitt ljus som projiceras mot delens yta.Många tusen poäng kan sedan tas och användas inte bara för att kontrollera storlek och position, utan för att skapa en 3D-bild av delen också.Denna "punktmolndata" 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.

Mikrometrologiska sonder

Sondsystem för mikroskala metrologiapplikationer är ett annat framväxande område.Det finns flera kommersiellt tillgängliga koordinatmätmaskiner (CMM) som har en mikrosond integrerad i systemet, flera specialsystem på statliga laboratorier och valfritt antal universitetsbyggda metrologiplattformar för mikroskalig metrologi.Även om dessa maskiner är bra och i många fall utmärkta metrologiplattformar med nanometriska skalor, är deras primära begränsning en pålitlig, robust, kapabel mikro/nano-sond.^{[citat behövs]}Utmaningar för sonderingsteknologier i mikroskala inkluderar behovet av en sond med högt bildförhållande som ger möjlighet att komma åt djupa, smala detaljer med låga kontaktkrafter för att inte skada ytan och hög precision (nanometernivå).^{[citat behövs]}Dessutom är mikroskaliga sönder mottagliga för miljöförhållanden såsom fukt och ytinteraktioner såsom stickion (orsakad av vidhäftning, menisk och/eller Van der Waals-krafter bland annat).^{[citat behövs]}

Teknik för att uppnå mikroskalig sondering inkluderar förminskad version av klassiska CMM-sonder, optiska prober och en stående vågsond bland andra.Men nuvarande optiska teknologier kan inte skalas tillräckligt små för att mäta djupa, smala egenskaper, och den optiska upplösningen begränsas av ljusets våglängd.Röntgenbild ger en bild av funktionen men ingen spårbar metrologiinformation.

Fysiska principer

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

Bärbara koordinatmätmaskiner

Medan traditionella CMM:er använder en sond som rör sig på tre kartesiska axlar för att mäta ett objekts fysiska egenskaper, använder bärbara CMM:er antingen ledade armar eller, i fallet med optiska CMM:er, armfria skanningssystem som använder optiska trianguleringsmetoder och möjliggör total rörelsefrihet runt föremålet.

Bärbara CMM:er med ledade armar har sex eller sju axlar som är utrustade med roterande pulsgivare, istället för linjära axlar.Bärbara armar är lätta (vanligtvis mindre än 20 pund) och kan bäras och användas nästan var som helst.Men optiska CMM används i allt större utsträckning i branschen.Designade med kompakta linjär- eller matriskameror (som Microsoft Kinect), är optiska CMM:er 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 applikationer som reverse engineering, snabb prototypframställning och storskalig inspektion av delar av alla storlekar är idealiska för bärbara CMM.Fördelarna med bärbara CMM:er är mångfaldiga.Användare har flexibiliteten att göra 3D-mätningar av alla typer av delar och på de mest avlägsna/svåra platserna.De är lätta att använda och kräver ingen kontrollerad miljö för att göra exakta mätningar.Dessutom tenderar bärbara CMM:er att kosta mindre än traditionella CMM:er.

De inneboende avvägningarna med bärbara CMM:er är manuell drift (de kräver alltid att en människa använder dem).Dessutom kan deras totala noggrannhet vara något mindre exakt än den för en bryggtyp CMM och är mindre lämplig för vissa tillämpningar.

Multisensor-mätmaskiner

Traditionell CMM-teknik med touchprober kombineras idag ofta med annan mätteknik.Detta inkluderar laser-, video- eller vitljussensorer för att ge vad som kallas multisensormätning.