Co je to souřadnicový měřicí stroj?

Asouřadnicový měřicí strojSMS (CMM) je zařízení, které měří geometrii fyzických objektů snímáním diskrétních bodů na povrchu objektu pomocí sondy. V SMS se používají různé typy sond, včetně mechanických, optických, laserových a sond s bílým světlem. V závislosti na stroji může být poloha sondy ručně ovládána operátorem nebo může být řízena počítačem. SMS obvykle specifikují polohu sondy z hlediska jejího posunutí od referenční polohy v trojrozměrném kartézském souřadnicovém systému (tj. s osami XYZ). Kromě pohybu sondy podél os X, Y a Z mnoho strojů také umožňuje řízení úhlu sondy, což umožňuje měření povrchů, které by jinak byly nedosažitelné.

Typický 3D „můstkový“ souřadnicový měřicí stroj (CMM) umožňuje pohyb sondy podél tří os, X, Y a Z, které jsou navzájem kolmé v trojrozměrném kartézském souřadnicovém systému. Každá osa má senzor, který monitoruje polohu sondy na dané ose, obvykle s mikrometrovou přesností. Když se sonda dotkne (nebo jinak detekuje) určitého místa na objektu, stroj vzorkuje údaje ze tří senzorů polohy, čímž změří polohu jednoho bodu na povrchu objektu a také trojrozměrný vektor provedeného měření. Tento proces se v případě potřeby opakuje, přičemž se sonda pokaždé pohybuje, čímž se vytvoří „mračno bodů“, které popisuje sledované povrchové oblasti.

Souřadnicové měřicí stroje (SMM) se běžně používají ve výrobních a montážních procesech k testování dílu nebo sestavy v porovnání s konstrukčním záměrem. V takových aplikacích se generují mračna bodů, která se analyzují pomocí regresních algoritmů pro konstrukci prvků. Tyto body se shromažďují pomocí sondy, kterou ručně umisťuje operátor nebo automaticky pomocí přímého počítačového řízení (DCC). Souřadnicové měřicí stroje DCC lze naprogramovat tak, aby opakovaně měřily identické díly; automatizovaný souřadnicový měřicí stroj je tedy specializovanou formou průmyslového robota.

Díly

Souřadnicové měřicí stroje se skládají ze tří hlavních komponent:

• Hlavní konstrukce, která zahrnuje tři osy pohybu. Materiál použitý ke konstrukci pohyblivého rámu se v průběhu let měnil. V raných souřadnicových měřicích strojích (SMM) se používala žula a ocel. Dnes všichni hlavní výrobci souřadnicových měřicích strojů (SMM) vyrábějí rámy ze slitiny hliníku nebo jejích derivátů a také používají keramiku pro zvýšení tuhosti osy Z pro skenovací aplikace. Jen málo výrobců souřadnicových měřicích strojů dnes stále vyrábí souřadnicové měřicí stroje s žulovým rámem kvůli požadavkům trhu na zlepšení metrologické dynamiky a rostoucímu trendu instalace souřadnicových měřicích strojů mimo laboratoř kvality. Obvykle pouze maloobjemoví výrobci souřadnicových měřicích strojů a domácí výrobci v Číně a Indii stále vyrábějí žulové souřadnicové měřicí stroje kvůli nízkotechnologickému přístupu a snadnému vstupu na trh s rámy souřadnicových měřicích strojů. Rostoucí trend skenování také vyžaduje, aby osa Z souřadnicových měřicích strojů byla tužší, a byly zavedeny nové materiály, jako je keramika a karbid křemíku.
• Sondovací systém
• Systém pro sběr a redukci dat – obvykle zahrnuje řídicí jednotku stroje, stolní počítač a aplikační software.

Dostupnost

Tyto stroje mohou být volně stojící, ruční a přenosné.

Přesnost

Přesnost souřadnicových měřicích strojů se obvykle udává jako faktor nejistoty v závislosti na vzdálenosti. U souřadnicového měřicího stroje (CMM) používajícího dotykovou sondu se to týká opakovatelnosti sondy a přesnosti lineárních měřítek. Typická opakovatelnost sondy může vést k měřením v rozmezí 0,001 mm nebo 0,00005 palce (půl desetiny) v celém měřeném objemu. U 3, 3+2 a 5osých strojů se sondy rutinně kalibrují pomocí sledovatelných standardů a pohyb stroje se ověřuje pomocí měřidel, aby se zajistila přesnost.

Specifické části

Tělo stroje

První souřadnicový měřicí stroj (CMM) vyvinula skotská společnost Ferranti Company v 50. letech 20. století v důsledku přímé potřeby měřit přesné součástky ve svých vojenských produktech, ačkoli tento stroj měl pouze 2 osy. První tříosé modely se začaly objevovat v 60. letech 20. století (italská DEA) a počítačové řízení debutovalo na začátku 70. let, ale první funkční CMM vyvinula a uvedla do prodeje společnost Browne & Sharpe v Melbourne v Anglii. (Společnost Leitz Německo následně vyrobila pevnou konstrukci stroje s pohyblivým stolem.)

V moderních strojích má portálová nástavba dvě nohy a často se jí říká most. Ta se volně pohybuje po žulovém stole, přičemž jedna noha (často označovaná jako vnitřní noha) sleduje vodicí lištu připevněnou k jedné straně žulového stolu. Protilehlá noha (často vnější noha) jednoduše spočívá na žulovém stole a sleduje svislý obrys povrchu. Pro zajištění pohybu bez tření jsou zvolenou metodou vzduchová ložiska. V nich je stlačený vzduch protlačován řadou velmi malých otvorů v plochém ložiskovém povrchu, čímž vzniká hladký, ale kontrolovaný vzduchový polštář, na kterém se souřadnicový měřicí stroj může pohybovat téměř bez tření, což lze kompenzovat softwarově. Pohyb mostu nebo portálu po žulovém stole tvoří jednu osu roviny XY. Můstek portálu obsahuje vozík, který se pohybuje mezi vnitřní a vnější nohou a tvoří druhou horizontální osu X nebo Y. Třetí osa pohybu (osa Z) je zajištěna přidáním svislé pinoly nebo vřetena, které se pohybuje nahoru a dolů středem vozíku. Dotyková sonda tvoří snímací zařízení na konci pinoly. Pohyb os X, Y a Z plně popisuje měřicí obálku. Volitelné otočné stoly lze použít ke zlepšení přístupnosti měřicí sondy ke složitým obrobkům. Otočný stůl jako čtvrtá hnací osa sice nezlepšuje měřené rozměry, které zůstávají 3D, ale poskytuje určitou flexibilitu. Některé dotykové sondy jsou samy o sobě poháněná rotační zařízení, jejichž hrot se může vertikálně otočit o více než 180 stupňů a otočit o plných 360 stupňů.

Souřadnicové měřicí stroje (SMM) jsou nyní k dispozici i v řadě dalších forem. Patří mezi ně ramena souřadnicových měřicích strojů (CMM), která využívají úhlová měření provedená v kloubech ramene k výpočtu polohy hrotu doteku a mohou být vybavena sondami pro laserové skenování a optické zobrazování. Takové ramenové souřadnicové měřicí stroje se často používají tam, kde je jejich přenosnost výhodou oproti tradičním souřadnicovým měřicím strojům s pevným ložem – programovací software umožňuje také pohyb samotného měřicího ramene a jeho měřeného objemu kolem měřeného dílu během měřicí rutiny díky ukládání naměřených poloh. Protože ramena souřadnicových měřicích strojů napodobují flexibilitu lidské paže, jsou také často schopna dosáhnout vnitřků složitých součástí, které by nebylo možné snímat pomocí standardního tříosého stroje.

Mechanická sonda

V počátcích souřadnicového měření (CMM) se mechanické sondy upevňovaly do speciálního držáku na konci pinoly. Velmi běžná sonda se vyráběla připájením tvrdé kuličky na konec hřídele. To bylo ideální pro měření celé řady plochých, válcových nebo kulových povrchů. Jiné sondy se brousily do specifických tvarů, například do kvadrantu, aby bylo možné měřit speciální prvky. Tyto sondy se fyzicky přidržovaly k obrobku a jejich poloha v prostoru se odečítala z tříosého digitálního odečtu (DRO) nebo, v pokročilejších systémech, se do počítače zaznamenávala pomocí nožního spínače nebo podobného zařízení. Měření prováděná touto kontaktní metodou byla často nespolehlivá, protože stroje se pohybovaly ručně a každý operátor stroje vyvíjel na sondu různý tlak nebo používal pro měření různé techniky.

Dalším vývojem bylo přidání motorů pro pohon každé osy. Obsluha se již nemusela fyzicky dotýkat stroje, ale mohla každou osu ovládat pomocí ručního ovladače s joysticky, podobně jako u moderních dálkově ovládaných aut. Přesnost a preciznost měření se dramaticky zlepšily s vynálezem elektronické dotykové spouštěcí sondy. Průkopníkem tohoto nového sondovacího zařízení byl David McMurtry, který následně založil společnost, která je dnes známá jako Renishaw plc. Ačkoli se sonda stále jednalo o kontaktní zařízení, měla pružinový ocelový (později rubínový) dotek. Jakmile se sonda dotkla povrchu součásti, dotek se vychýlil a současně odeslal informace o souřadnicích X, Y a Z do počítače. Chyby měření způsobené jednotlivými obsluhami se snížily a byla připravena půda pro zavedení CNC operací a nástup souřadnicových měřicích strojů (SMM).

Optické sondy jsou čočkové CCD systémy, které se pohybují stejně jako mechanické a jsou zaměřeny na bod zájmu, místo aby se dotýkaly materiálu. Zachycený obraz povrchu bude uzavřen v hranicích měřicího okna, dokud zbytek nebude dostatečný pro kontrast mezi černými a bílými zónami. Dělicí křivku lze vypočítat do bodu, který je požadovaným měřicím bodem v prostoru. Horizontální informace na CCD je 2D (XY) a vertikální poloha je poloha celého snímacího systému na Z-pohonu stojanu (nebo jiné součásti zařízení).

Systémy skenovacích sond

Existují novější modely, které mají sondy, jež se v určených intervalech pohybují po povrchu bodů odběru dílů, známé jako skenovací sondy. Tato metoda kontroly na souřadnicovém měřicím stroji (CMM) je často přesnější než konvenční metoda dotykové sondy a většinou i rychlejší.

Další generace skenování, známá jako bezkontaktní skenování, která zahrnuje vysokorychlostní laserovou triangulaci jednotlivých bodů, laserové čárové skenování a skenování bílým světlem, se velmi rychle rozvíjí. Tato metoda využívá buď laserové paprsky, nebo bílé světlo, které jsou promítány na povrch součásti. Poté lze nasnímat tisíce bodů a použít je nejen ke kontrole velikosti a polohy, ale také k vytvoření 3D obrazu součásti. Tato „data z mračna bodů“ lze poté přenést do CAD softwaru a vytvořit tak funkční 3D model součásti. Tyto optické skenery se často používají na měkkých nebo jemných součástech nebo k usnadnění reverzního inženýrství.

Mikrometrologické sondy

Další rozvíjející se oblastí jsou snímací systémy pro mikroskopické metrologické aplikace. Existuje několik komerčně dostupných souřadnicových měřicích strojů (CMM), které mají mikrosondu integrovanou v systému, několik specializovaných systémů ve vládních laboratořích a řada univerzitních metrologických platforem pro mikroskopickou metrologii. Ačkoli jsou tyto stroje dobrými a v mnoha případech vynikajícími metrologickými platformami s nanometrickým měřítkem, jejich hlavním omezením je spolehlivá, robustní a schopná mikro/nano sonda.^{[citace nutná]}Mezi výzvy pro technologie mikroskopického snímání patří potřeba sondy s vysokým poměrem stran, která umožňuje přístup k hlubokým a úzkým prvkům s nízkými kontaktními silami, aby nedošlo k poškození povrchu, a s vysokou přesností (nanometrová úroveň).^{[citace nutná]}Mikroskopické sondy jsou navíc citlivé na podmínky prostředí, jako je vlhkost, a povrchové interakce, jako je tření (způsobené mimo jiné adhezí, meniskem a/nebo Van der Waalsovými silami).^{[citace nutná]}

Technologie pro dosažení mikroskopického snímání zahrnují mimo jiné zmenšené verze klasických sond pro souřadnicové měřicí stroje (CMM), optické sondy a sondy se stojatými vlnami. Současné optické technologie však nelze zmenšit natolik, aby bylo možné měřit hluboké a úzké prvky, a optické rozlišení je omezeno vlnovou délkou světla. Rentgenové zobrazování poskytuje obraz prvku, ale žádné sledovatelné metrologické informace.

Fyzikální principy

Lze použít optické sondy a/nebo laserové sondy (pokud je to možné v kombinaci), které mění souřadnicové měřicí stroje (SMM) na měřicí mikroskopy nebo multisenzorové měřicí stroje. Systémy pro projekci s proužky, teodolitové triangulační systémy nebo laserové distanční a triangulační systémy se nenazývají měřicími stroji, ale výsledek měření je stejný: prostorový bod. Laserové sondy se používají k detekci vzdálenosti mezi povrchem a referenčním bodem na konci kinematického řetězce (tj. na konci komponenty pohonu Z). K tomu lze využít interferometrickou funkci, změnu zaostření, vychýlení světla nebo princip stínování paprsku.

Přenosné souřadnicové měřicí stroje

Zatímco tradiční souřadnicové měřicí stroje (SMM) používají sondu, která se pohybuje po třech kartézských osách k měření fyzikálních vlastností objektu, přenosné souřadnicové měřicí stroje používají buď kloubová ramena, nebo v případě optických souřadnicových měřicích strojů bezramenné skenovací systémy, které využívají metody optické triangulace a umožňují naprostou volnost pohybu kolem objektu.

Přenosné souřadnicové měřicí stroje (SMM) s kloubovými rameny mají šest nebo sedm os, které jsou vybaveny rotačními enkodéry, namísto lineárních os. Přenosná ramena jsou lehká (obvykle méně než 20 liber) a lze je přenášet a používat téměř kdekoli. V průmyslu se však stále častěji používají optické souřadnicové měřicí stroje. Optické souřadnicové měřicí stroje, navržené s kompaktními lineárními nebo maticovými kamerami (jako je Microsoft Kinect), jsou menší než přenosné souřadnicové měřicí stroje s rameny, nemají žádné kabely a umožňují uživatelům snadno provádět 3D měření všech typů objektů umístěných téměř kdekoli.

Některé jednorázové aplikace, jako je reverzní inženýrství, rychlé prototypování a kontrola dílů všech velikostí ve velkém měřítku, jsou ideální pro přenosné souřadnicové měřicí stroje (CMM). Výhody přenosných souřadnicových měřicích strojů (CMM) jsou mnohonásobné. Uživatelé mají flexibilitu při provádění 3D měření všech typů dílů a na nejodlehlejších/nejobtížnějších místech. Jsou snadno použitelné a pro provádění přesných měření nevyžadují kontrolované prostředí. Navíc přenosné CMM bývají levnější než tradiční CMM.

Nedílnou nevýhodou přenosných souřadnicových měřicích strojů (CMM) je ruční ovládání (vždy vyžadují obsluhu člověka). Navíc jejich celková přesnost může být poněkud nižší než u mostových CMM a pro některé aplikace je méně vhodná.

Multisenzorové měřicí stroje

Tradiční technologie souřadnicových měřicích strojů (SMM) využívající dotykové sondy se dnes často kombinuje s dalšími měřicími technologiemi. Patří sem laserové, video nebo světelné senzory, které umožňují tzv. multisenzorové měření.