Vad är koordinatmätningsmaskin?

Enmätmaskin(CMM) är en anordning som mäter geometri för fysiska föremål genom att avkänna diskreta punkter på ytan på objektet med en sond. Olika typer av sonder används i CMMS, inklusive mekaniska, optiska, laser och vitt ljus. Beroende på maskinen kan sondpositionen manuellt styras av en operatör eller den kan vara datorstyrd. CMMS specificerar vanligtvis en sondens position när det gäller 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 sondvinkeln att styras för att möjliggöra mätning av ytor som annars skulle vara oåtkomliga.

Den typiska 3D-bron "CMM tillåter sondrörelse längs tre axlar, x, y och z, som är ortogonala för varandra i ett tredimensionellt kartesiskt koordinatsystem. Varje axel har en sensor som övervakar sondens position på den axeln, vanligtvis med mikrometer precision. När sonden kontakter (eller på annat sätt upptäcker) en viss plats på objektet, provar maskinen de tre positionssensorerna och mäter således platsen för en punkt på objektets yta, såväl som den 3-dimensionella vektorn för mätningen. Denna process upprepas vid behov, flyttar sonden varje gång för att producera ett "punktmoln" som beskriver ytområdena av intresse.

En vanlig användning av CMMS är i tillverknings- och monteringsprocesser för att testa en del eller montering mot designintentionen. I sådana applikationer genereras punktmoln som analyseras via regressionsalgoritmer för konstruktion av funktioner. Dessa punkter samlas in genom att använda en sond som är placerad manuellt av en operatör eller automatiskt via direkt datorkontroll (DCC). DCC CMMS kan programmeras för att upprepade gånger mäta identiska delar; Således är en automatiserad CMM en specialiserad form av industrirobot.

Delar

Koordinatmätningsmaskiner inkluderar tre huvudkomponenter:

• Huvudstrukturen som innehåller tre rörelsesser. Materialet som användes för att konstruera den rörliga ramen har varierat under åren. Granit och stål användes i de tidiga CMM: erna. Idag bygger alla större CMM -tillverkare ramar från aluminiumlegering eller något derivat och använder också keramik för att öka styvheten hos Z -axeln för skanningsapplikationer. Få CMM -byggare tillverkar idag fortfarande granitram CMM på grund av marknadskrav för förbättrad metrologidynamik och ökande trend för att installera CMM utanför kvalitetslaboratoriet. Vanligtvis tillverkar endast CMM -byggare med låg volym och inhemska tillverkare i Kina och Indien fortfarande granit CMM på grund av låg teknikstrategi och enkel inträde för att bli en CMM -rambyggare. Den ökande trenden mot skanning kräver också att CMM Z -axeln är styvare och nya material har införts såsom keramik och kiselkarbid.
• Sondsystem
• Datainsamlings- och reduktionssystem - inkluderar vanligtvis en maskinkontroll, stationär dator och applikationsprogramvara.

Tillgänglighet

Dessa maskiner kan vara fristående, handhållna och bärbara.

Noggrannhet

Noggrannheten för koordinatmätningsmaskiner ges vanligtvis som en osäkerhetsfaktor som en funktion över avstånd. För en CMM med hjälp av en beröringssond, hänför sig detta till sonens repeterbarhet och noggrannheten hos de linjära skalorna. Typisk sond repeterbarhet kan resultera i mätningar av inom 0,001 mm eller .00005 tum (en halv tiondel) över hela mätvolymen. För 3, 3+2 och 5 axelmaskiner kalibreras probs rutinmässigt med hjälp av spårbara standarder och maskinrörelsen verifieras med hjälp av mätare för att säkerställa noggrannhet.

Specifika delar

Maskinkropp

Den första CMM 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 2 axlar. De första 3-axliga modellerna började dyka upp på 1960-talet (DEA i Italien) och datorkontroll debuterade i början av 1970-talet men den första arbetande CMM utvecklades och säljs av Browne & Sharpe i Melbourne, England. (Leitz Germany producerade därefter en fast maskinstruktur med flyttbord.

I moderna maskiner har överbyggnaden av gantry-typen två ben och kallas ofta en bro. Detta rör sig fritt längs granittabellen med ett ben (ofta kallat innerbenet) efter en styrskena fäst vid 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 resor. I dessa tvingas tryckluft genom en serie mycket små hål i en platt lageryta för att ge en slät men kontrollerad luftkudde på vilken CMM kan röra sig på ett nästan friktionslöst sätt som kan kompenseras genom programvara. Bridge eller granitiska rörelse längs granitbordet bildar en axel på XY -planet. Gantry -bron innehåller en vagn som går mellan insidan och utsidan och bildar den andra x eller y horisontella axeln. Den tredje rörelssaxeln (Z -axeln) tillhandahålls genom tillsats av en vertikal quill eller spindel som rör sig upp och ner genom vagnens mitt. Touch -sonden bildar avkänningsanordningen i slutet av quill. Rörelsen av X-, Y- och Z -axlarna beskriver helt mäthöljet. Valfria roterande tabeller kan användas för att förbättra mätsonden för komplicerade arbetsstycken. Rotarytabellen som en fjärde enhetsaxel förbättrar inte mätdimensionerna, som förblir 3D, men det ger en grad av flexibilitet. Vissa beröringsprober är själva drivna roterande enheter med sondspetsen som kan svängas vertikalt genom mer än 180 grader och genom en full 360 -graders rotation.

CMMS finns nu också i en mängd andra former. Dessa inkluderar CMM -armar som använder vinkelmätningar som tagits vid armarna för att beräkna stylusspetsens läge och kan utrustas med sonder för laserskanning och optisk avbildning. Sådana arm CMM: er används ofta där deras portabilitet är en fördel jämfört med traditionell fast bädd CMMS- genom att lagra uppmätta platser, programmeringsprogramvara tillåter också 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 ofta nå insidan av komplexa delar som inte kunde undersökas med hjälp av en standard tre axelmaskin.

Mekanisk sond

Under de tidiga dagarna med koordinatmätning (CMM) monterades mekaniska sonder i en speciell hållare i slutet av quill. En mycket vanlig sond gjordes genom att löda en hård boll till slutet av en axel. Detta var idealiskt för att mäta en hel rad platt ansikte, cylindriska eller sfäriska ytor. Andra sonder maldes till specifika former, till exempel en kvadrant, för att möjliggöra mätning av specialfunktioner. Dessa sonder hölls fysiskt mot arbetsstycket med positionen i rymden som lästes från en 3-axlig digital avläsning (DRO) eller, i mer avancerade system, som är inloggade på en dator med hjälp av en fotswitch eller liknande enhet. Mätningar som tagits av denna kontaktmetod var ofta opålitliga eftersom maskiner flyttades för hand och varje maskinoperatör använde olika mängder tryck på sonden eller antagna olika tekniker för mätningen.

En vidareutveckling var tillägget av motorer för att driva varje axel. Operatörer var inte längre tvungna att fysiskt röra maskinen men kunde köra varje axel med en handlåda med joysticks på ungefär samma sätt som med moderna fjärrstyrda bilar. Mätnoggrannhet och precision förbättrades dramatiskt med uppfinningen av den elektroniska beröringssonden. Pionjären med denna nya sondenhet var David McMurtry som därefter bildade det som nu är Renishaw PLC. Även om det fortfarande var en kontaktanordning, hade sonden en fjäderbelastad stålkula (senare Ruby Ball) Stylus. När sonden berörde ytan på komponenten avböjde stylus och skickade samtidigt X, Y, Z -koordinatinformationen till datorn. Mätningsfel orsakade av enskilda operatörer blev färre och scenen sattes för införandet av CNC -operationer och CMM: s kommande ålder.

Optiska sonder är lins-CCD-system, som flyttas som de mekaniska och riktar sig till intressepunkten istället för att beröra materialet. Den fångade bilden av ytan kommer att vara innesluten i gränserna till ett mätfönster, tills återstoden är tillräcklig för kontrast mellan svarta och vita zoner. Divideringskurvan kan beräknas till en punkt, vilket är den önskade mätpunkten i rymden. Den horisontella informationen på CCD är 2D (XY) och den vertikala positionen är positionen för det kompletta sondsystemet på stativ Z-drive (eller annan enhetskomponent).

Skanningssystem

Det finns nyare modeller som har sonder som drar längs ytan på delen och tar punkter med specifika intervall, känd som skanningssonder. Denna metod för CMM-inspektion är ofta mer exakt än den konventionella beröringss-sondmetoden och de flesta gånger snabbare också.

Nästa generation av skanning, känd som icke -kontaktskanning, som inkluderar höghastighetslaser enkelpunkt triangulering, laserlinjescanning och vit ljusskanning, går mycket snabbt. Denna metod använder antingen laserstrålar eller vitt ljus som projiceras mot delen av delen. Många tusentals punkter kan sedan tas och användas inte bara för att kontrollera storlek och position, utan också för att skapa en 3D -bild av delen. Denna "punkt-molndata" kan sedan överföras till CAD-programvara för att skapa en fungerande 3D-modell av delen. Dessa optiska skannrar används ofta på mjuka eller känsliga delar eller för att underlätta omvänd teknik.

Mikrometrologisonder

Probingsystem för mikroskala metrologiska applikationer är ett annat framväxande område. Det finns flera kommersiellt tillgängliga koordinatmätmaskiner (CMM) som har en mikroprobe integrerad i systemet, flera specialsystem vid statliga laboratorier och valfritt antal universitetsbyggda metrologifattformar för mikroskala metrologi. Även om dessa maskiner är bra och i många fall utmärkta metrologifattformar med nanometriska skalor, är deras primära begränsning en pålitlig, robust, kapabel mikro/nano -sond.^{[Citation behövs]}Utmaningar för mikroskala sondteknologier inkluderar behovet av en sond med högt aspektförhållande som ger förmågan att komma åt djupa, smala funktioner med låga kontaktkrafter för att inte skada ytan och hög precision (nanometernivå).^{[Citation behövs]}Dessutom är mikroskalasonder mottagliga för miljöförhållanden såsom fuktighet och ytinteraktioner såsom stikt (orsakad av vidhäftning, menisk och/eller van der Waals -krafter bland andra).^{[Citation behövs]}

Teknologier för att uppnå mikroskala sond inkluderar nedskalad version av klassiska CMM -prober, optiska sonder och en stående vågsond bland andra. Aktuella optiska tekniker kan emellertid inte skalas tillräckligt små för att mäta djup, smal funktion och optisk upplösning begränsas av ljusets våglängd. Röntgenavbildning ger en bild av funktionen men ingen spårbar metrologiinformation.

Fysiska principer

Optiska sonder och/eller laserprober kan användas (om möjligt i kombination), som ändrar CMM till mätning av mikroskop eller multisensor mätmaskiner. Fringe -projektionssystem, teodolit trianguleringssystem eller laseravlägsna och trianguleringssystem kallas inte mätmaskiner, men mätresultatet är detsamma: en rymdpunkt. Laserprober används för att detektera avståndet mellan ytan och referenspunkten i slutet av den kinematiska kedjan (dvs. slutet av Z-drive-komponenten). Detta kan använda en interferometrisk funktion, fokusvariation, lätt avböjning eller en strålskuggningsprincip.

Bärbara koordinatmätningsmaskiner

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 artikulerade armar eller, i fallet med optiska CMM: er, armfria skanningssystem som använder optiska trianguleringsmetoder och möjliggör total rörelsefrihet runt objektet.

Bärbara CMM 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 20 pund) och kan bäras och används nästan var som helst. Men optiska CMM: er används alltmer i branschen. Optiska CMM är designade med kompakta linjära eller matris arraykameror (som Microsoft Kinect), och har mindre än bärbara CMM med armar, har inga ledningar och gör det möjligt för användare att enkelt ta 3D -mätningar av alla typer av objekt som finns nästan var som helst.

Vissa icke-repetitiva applikationer som omvänd teknik, snabb prototypning och storskalig inspektion av delar av alla storlekar är idealiska för bärbara CMM: er. Fördelarna med bärbara CMM: er är multifold. Användare har flexibilitet när de tar 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 exakta mätningar. Dessutom tenderar bärbara CMM: er att kosta mindre än traditionella CMM: er.

De inneboende avvägningarna av bärbara CMM: er är manuell drift (de kräver alltid att en människa använder dem). Dessutom kan deras övergripande noggrannhet vara något mindre exakt än för en Bridge -typ CMM och är mindre lämplig för vissa applikationer.

Multisensor-mätningsmaskiner

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