Co je to měřicí stroj souřadnic?

Asouřadnice měřicí stroje(CMM) je zařízení, které měří geometrii fyzických objektů snímání diskrétních bodů na povrchu objektu s sondou. V CMMS se používají různé typy sond, včetně mechanického, optického, laserového a bílého světla. V závislosti na stroji může být poloha sondy ručně ovládána operátorem nebo může být kontrolována počítačem. CMMS obvykle specifikuje polohu sondy z hlediska jejího posunu z referenční polohy v trojrozměrném kartézském souřadnicovém systému (tj. S osy XYZ). Kromě přesunu sondy podél os x, y a z os, mnoho strojů také umožňuje kontrolovat úhel sondy, aby umožnil měření povrchů, které by jinak byly nedosažitelné.

Typický 3D „most“ CMM umožňuje pohyb sondy podél tří os, x, y a z, které jsou navzájem ortogonální v trojrozměrném karteziánském souřadném systému. Každá osa má senzor, který monitoruje polohu sondy na této ose, obvykle s přesností mikrometru. Když sonda kontaktuje (nebo jinak detekuje) konkrétní umístění na objektu, stroj vzorkuje tři snímače polohy, čímž měří umístění jednoho bodu na povrchu objektu, jakož i trojrozměrný vektor provedeného měření. Tento proces se podle potřeby opakuje a pokaždé přesune sondu, aby vytvořil „bodový cloud“, který popisuje povrchové oblasti zájmu.

Běžné použití CMMS je ve výrobních a montážních procesech pro testování části nebo sestavení proti záměru návrhu. V takových aplikacích jsou generovány bodové mraky, které jsou analyzovány prostřednictvím regresních algoritmů pro konstrukci funkcí. Tyto body jsou shromažďovány pomocí sondy, která je umístěna ručně operátorem nebo automaticky prostřednictvím přímého ovládání počítače (DCC). DCC CMMS lze naprogramovat tak, aby opakovaně měřilo identické části; Automatizovaná CMM je tedy specializovaná forma průmyslového robota.

Díly

Koordinované měřicí stroje zahrnují tři hlavní komponenty:

• Hlavní struktura, která zahrnuje tři osy pohybu. Materiál použitý k konstrukci pohyblivého rámce se v průběhu let lišil. Žula a ocel byly použity v raných CMM. Dnes všichni hlavní výrobci CMM staví rámečky z slitiny hliníku nebo nějakého derivátu a také používají keramiku ke zvýšení tuhosti osy Z pro skenovací aplikace. Jen málo stavitelů CMM dnes stále vyrábí žulový rám CMM kvůli požadavku na trh pro zlepšení metrologické dynamiky a rostoucího trendu pro instalaci CMM mimo kvalitní laboratoř. Obvykle pouze stavitelé CMM s nízkým objemem a domácí výrobci v Číně a Indii stále vyrábějí žulovou CMM kvůli přístupu s nízkým technologickým a snadným vstupem, aby se stali tvůrcem snímků CMM. Rostoucí trend směřující ke skenování také vyžaduje, aby byla osa CMM z tužší a byly zavedeny nové materiály, jako je keramický a křemíkový karbid.
• Sondovací systém
• Systém sběru a redukce dat - Obvykle zahrnuje řadič strojů, stolní počítač a aplikační software.

Dostupnost

Tyto stroje mohou být volně stojící, ruční a přenosné.

Přesnost

Přesnost strojů na měření souřadnic se obvykle uvádí jako faktor nejistoty jako funkce nad vzdáleností. Pro CMM pomocí dotykové sondy se to týká opakovatelnosti sondy a přesností lineárních měřítek. Typická opakovatelnost sondy může mít za následek měření uvnitř 0,001 mm nebo 0,00005 palce (půl desetiny) za celý objem měření. Pro 3, 3+2 a 5 a 5 osa jsou sondy rutinně kalibrovány pomocí sledovatelných standardů a pohyb stroje je ověřen pomocí měřidel, aby se zajistila přesnost.

Konkrétní části

Strojové tělo

První CMM byla vyvinuta Skotskou společností Ferranti v 50. letech 20. století v důsledku přímé potřeby měřit přesné komponenty ve svých vojenských výrobcích, ačkoli tento stroj měl pouze 2 osy. První 3-osmí modely se začaly objevovat v 60. letech (DEA Itálie) a počítačová kontrola debutovala na začátku 70. let, ale první pracovní CMM byl vyvinut a prodán společností Browne & Sharpe v Anglii Melbourne. (Leitz Německo následně vytvořilo pevnou strukturu stroje s pohyblivým stolem.

V moderních strojích má superstruktura portálového typu dvě nohy a často se nazývá most. To se volně pohybuje podél žulového stolu s jednou nohou (často označovanou jako vnitřní noha) po vodicí kolejnici připojené k jedné straně žulového stolu. Opačná noha (často vnější noha) jednoduše spočívá na žulovém stole po svislém povrchovém obrysu. Letecká ložiska jsou zvolenou metodou pro zajištění bez tření. V nich je stlačený vzduch přinucen řadou velmi malých děr v plochém ložisku, aby poskytoval hladký, ale kontrolovaný vzduchový polštář, na kterém se CMM může pohybovat téměř bez tření, který lze kompenzovat prostřednictvím softwaru. Pohyb mostu nebo portálu podél žulového stolu tvoří jednu osu roviny xy. Most s portálovou obsahuje kočár, který prochází mezi vnitřními a vnějšími nohama a tvoří druhou vodorovnou osu X nebo Y. Třetí osa pohybu (z osy z) je zajištěna přidáním svislého brku nebo vřetena, která se pohybuje nahoru a dolů středem vozíku. Dotyková sonda tvoří snímací zařízení na konci brku. Pohyb osma a os X a Z plně popisuje měřicí obálku. Volitelné otočné tabulky lze použít ke zvýšení přístupnosti měřicí sondy na komplikované obrobky. Rotační stůl jako osa čtvrté pohony nezvyšuje rozměry měření, které zůstávají 3D, ale poskytuje určitý stupeň flexibility. Některé dotykové sondy jsou samy o sobě napájená rotační zařízení se špičkou sondy schopné svisle otočit přes více než 180 stupňů a skrz plnou 360 stupňovou rotaci.

CMMS jsou nyní k dispozici také v různých formách. Patří sem ramena CMM, která používají úhlová měření provedená v kloubech ramene pro výpočet polohy špičky stylusu a mohou být vybaveny sondami pro skenování laseru a optické zobrazování. Takové CMM ARM se často používají tam, kde je jejich přenositelnost výhodou oproti tradičním CMMS s pevným postelí- ukládáním naměřených míst, programovací software také umožňuje přesunout samotné měřicí rameno a jeho objem měření kolem části, která má být měřena během měřicího rutiny. Protože ramena CMM napodobují flexibilitu lidského paže, jsou také často schopny dosáhnout vnitřků složitých částí, které nemohly být sondovány pomocí standardního třírového stroje.

Mechanická sonda

V prvních dnech měření souřadnice (CMM) byly mechanické sondy na konci brku namontovány do speciálního držáku. Velmi běžná sonda byla vytvořena párováním tvrdé koule na konec šachty. To bylo ideální pro měření celé řady ploché, válcové nebo sférické povrchy. Jiné sondy byly pozemky na specifické tvary, například kvadrant, aby se umožnilo měření speciálních prvků. Tyto sondy byly fyzicky drženy proti obrobku, přičemž pozice ve vesmíru byla čtena z 3-osnového digitálního odečtu (DRO) nebo v pokročilejších systémech, přihlášena do počítače pomocí nožního spínače nebo podobného zařízení. Měření provedená touto kontaktní metodou byla často nespolehlivá, protože stroje byly pohybovány ručně a každý operátor stroje aplikoval různé množství tlaku na sondu nebo přijala odlišné techniky pro měření.

Dalším vývojem bylo přidání motorů pro řízení každé osy. Provozovatelé se již nemuseli fyzicky dotýkat stroje, ale mohli řídit každou osu pomocí ručního políčka s joysticks téměř stejným způsobem jako u moderních dálkově ovládaných automobilů. Přesnost měření a přesnost se dramaticky zlepšila pomocí vynálezu elektronické dotykové spouštěcí sondy. Průkopníkem tohoto nového zařízení sondy byl David McMurtry, který následně vytvořil to, co je nyní Renishaw Plc. Přestože je sonda stále kontaktním zařízením, měla sondu stylus ocelovou kouli (později Ruby Ball). Když se sonda dotkla povrchu komponenty, stylus odklonil a současně poslal informace o souřadnitě X, Y, Z do počítače. Chyby měření způsobené jednotlivými operátory se staly méně a fáze byla stanovena pro zavedení operací CNC a příchodu věku CMMS.

Optické sondy jsou systémy čočky-CCD, které se pohybují jako mechanické a jsou zaměřeny na místo zájmu, místo toho, aby se dotkli materiálu. Zachycený obraz povrchu bude uzavřen v hranicích měřicího okna, dokud zbytek není dostatečný k kontrastu mezi černé a bílé zóny. Dělící se křivka může být vypočtena na bod, což je hledající bod měření v prostoru. Horizontální informace o CCD jsou 2d (xy) a vertikální poloha je polohou kompletního sondového systému na stánku Z-drive (nebo jiná komponenta zařízení).

Skenovací systémy sondy

Existují novější modely, které mají sondy, které se táhnou podél povrchu součásti, které zaujímají body ve stanovených intervalech, známé jako skenovací sondy. Tato metoda inspekce CMM je často přesnější než konvenční metoda dotykového sboru a také nejčastěji rychlejší.

Příští generace skenování, známá jako nekontaktní skenování, které zahrnuje triangulaci s vysokou rychlostí laseru, skenování laserových linek a skenování bílého světla, postupuje velmi rychle. Tato metoda používá buď laserové paprsky nebo bílé světlo, které se promítají proti povrchu části. Mnoho tisíc bodů pak lze vzít a použít nejen ke kontrole velikosti a polohy, ale také k vytvoření 3D obrázku části. Tato „data point-cloud“ pak lze převést do softwaru CAD a vytvořit funkční 3D model součásti. Tyto optické skenery se často používají na měkkých nebo jemných částech nebo usnadňují reverzní inženýrství.

Mikrometrologické sondy

Další rozvíjející se oblast jsou sondovací systémy pro metrologické aplikace pro mikroskopické metrologie. Existuje několik komerčně dostupných koordinovaných měřicích strojů (CMM), které mají mikroprobe integrovaný do systému, několik speciálních systémů ve vládních laboratořích a libovolný počet metrologických platforem na univerzitě pro metrologii mikroskopických. Ačkoli jsou tyto stroje dobré a v mnoha případech jsou vynikajícími metrologickými platformami s nanometrickými měřítky, jejich primárním omezením je spolehlivá, robustní a schopná mikro/nano sonda.^{[potřebná citace]}Výzvy pro technologie sondy mikroskopických sondů zahrnují potřebu vysoké sondy poměru stran, která umožňuje přístup k hlubokým, úzkým rysům s nízkými kontaktními silami, aby nepoškodil povrch a vysokou přesnost (úroveň nanometru).^{[potřebná citace]}Kromě toho jsou mikroskopické sondy náchylné k podmínkám prostředí, jako je vlhkost a povrchové interakce, jako je stažení (způsobené adhezí, meniskusem a/nebo van der Waalsovým silami).^{[potřebná citace]}

Technologie k dosažení sondy mikroskopických sondů zahrnují mimo jiné zmenšenou verzi klasických sond CMM, optických sond a sonda stálé vlny. Současné optické technologie však nelze dostatečně malé, aby měřily hluboký, úzký rys a optické rozlišení je omezeno vlnovou délkou světla. Rentgenové zobrazování poskytuje obrázek funkce, ale žádné sledovatelné informace o metrologii.

Fyzické principy

Optické sondy a/nebo laserové sondy lze použít (pokud je to možné v kombinaci), které mění CMMS na měření mikroskopů nebo měřicích strojů na více senzorů. Fringeovy projekční systémy, theodolitové triangulační systémy nebo laserové vzdálené a triangulační systémy se nazývají měřicí stroje, ale výsledek měření je stejný: prostorový bod. Laserové sondy se používají k detekci vzdálenosti mezi povrchem a referenčním bodem na konci kinematického řetězce (tj. Konec složky z pohonu). To může použít interferometrickou funkci, změnu zaostření, vychýlení světla nebo princip stínování paprsku.

Přenosné stroje na měření souřadnic

Zatímco tradiční CMM používají sondu, která se pohybuje na třech karteziánských osách k měření fyzických charakteristik objektu, přenosné CMM používají buď artikulovaná ramena, nebo, v případě optických CMMS, skenovací systémy bez paží, které používají optické triangulační metody a umožňují celkovou svobodu pohybu kolem objektu.

Přenosné CMM s kloubovými rameny mají šest nebo sedm os, které jsou vybaveny rotačními kodéry, místo lineárních os. Přenosné paže jsou lehké (obvykle méně než 20 liber) a lze je přenášet a používat téměř kdekoli. Optické CMM se však v tomto odvětví stále častěji používají. Optické CMM jsou navrženy s kompaktními lineárními nebo maticovými kamerami (jako Microsoft Kinect), jsou menší než přenosné CMM s rameny, nemají žádné dráty a umožňují uživatelům snadno provádět 3D měření všech typů objektů umístěných téměř kdekoli.

Některé nerepetitivní aplikace, jako je reverzní inženýrství, rychlé prototypování a rozsáhlá kontrola částí všech velikostí, jsou ideální pro přenosné CMM. Výhody přenosných CMM jsou vícenásobné. Uživatelé mají flexibilitu při provádění 3D měření všech typů částí a na nejodlehlejších/nejobtížnějších místech. Snadno se používají a nevyžadují kontrolované prostředí, aby bylo možné provést přesná měření. Přenosné CMM navíc mají tendenci stát méně než tradiční CMM.

Inherentní kompromisy přenosných CMM jsou manuální provoz (vždy vyžadují, aby je člověk použil). Kromě toho může být jejich celková přesnost poněkud méně přesná než přesnost typu mostu CMM a je pro některé aplikace méně vhodná.

Multisenzorské měření strojů

Tradiční technologie CMM využívající dotykové sondy je dnes často kombinována s jinou technologií měření. To zahrnuje laserové, video nebo senzory bílého světla, které poskytují to, co se nazývá měření multisenzorů.