Co je souřadnicový měřicí stroj?

Asouřadnicový měřicí stroj(CMM) je zařízení, které měří geometrii fyzických objektů snímáním diskrétních bodů na povrchu objektu pomocí sondy.V CMM se používají různé typy sond, včetně mechanického, optického, laserového a bílého světla.V závislosti na stroji může být poloha sondy řízena ručně operátorem nebo může být řízena počítačem.Souřadnicové měřicí stroje typicky specifikují polohu sondy z hlediska jejího posunutí z referenční polohy v trojrozměrném kartézském souřadnicovém systému (tj. s osami XYZ).Kromě pohybu sondy podél os X, Y a Z mnoho strojů také umožňuje řídit úhel sondy, aby bylo možné měřit povrchy, které by jinak byly nedosažitelné.

Typický 3D „mostový“ CMM umožňuje pohyb sondy podél tří os X, Y a Z, které jsou navzájem ortogonální v trojrozměrném kartézském souřadnicovém systému.Každá osa má senzor, který monitoruje polohu sondy na této ose, obvykle s mikrometrickou přesností.Když se sonda dotkne (nebo jinak detekuje) konkrétní místo na objektu, stroj odebere vzorky ze tří polohových senzorů, čímž změří polohu jednoho bodu na povrchu objektu a také trojrozměrný vektor provedeného měření.Tento proces se opakuje podle potřeby, pokaždé se sondou pohybuje, aby se vytvořil „mrak bodů“, který popisuje povrchové oblasti zájmu.

Běžné použití souřadnicových měřicích strojů je ve výrobních a montážních procesech k testování součásti nebo sestavy proti záměru návrhu.V takových aplikacích se generují mračna bodů, která jsou analyzována pomocí regresních algoritmů pro konstrukci prvků.Tyto body jsou shromažďovány pomocí sondy, která je umístěna ručně operátorem nebo automaticky prostřednictvím přímého ovládání počítačem (DCC).DCC CMM lze naprogramovat tak, aby opakovaně měřila identické díly;automatizovaný CMM je tedy specializovanou formou průmyslového robota.

Díly

Souřadnicové měřicí stroje obsahují tři hlavní součásti:

• Hlavní konstrukce, která zahrnuje tři osy pohybu.Materiál použitý na konstrukci pohyblivého rámu se v průběhu let měnil.V raných CMM se používala žula a ocel.Dnes všichni hlavní výrobci souřadnicových měřicích strojů vyrábějí rámy z hliníkové slitiny nebo nějakého derivátu a také používají keramiku ke 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 zlepšenou dynamiku metrologie a rostoucímu trendu instalovat souřadnicové měřicí stroje mimo laboratoř kvality.Typicky pouze výrobci souřadnicových měřicích strojů s malým objemem a domácí výrobci v Číně a Indii stále vyrábějí žulové souřadnicové měřicí stroje, a to z důvodu nízkého technologického přístupu a snadného přístupu k tomu, aby se stali výrobci rámů souřadnicových měřicích strojů.Rostoucí trend ke skenování také vyžaduje, aby osa Z CMM byla tužší a byly zavedeny nové materiály, jako je keramika a karbid křemíku.
• Sondovací systém
• Systém sběru a redukce 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 jako funkce na vzdálenosti.U souřadnicového měřicího stroje používajícího dotykovou sondu se to týká opakovatelnosti sondy a přesnosti lineárních měřítek.Typická opakovatelnost sondy může vést k měření v rozmezí 0,001 mm nebo 0,00005 palce (půl desetiny) v celém objemu měření.U strojů se 3, 3+2 a 5 osami se sondy běžně kalibrují pomocí sledovatelných standardů a pohyb stroje se ověřuje pomocí měřidel, aby byla zajištěna přesnost.

Konkrétní díly

Tělo stroje

První CMM vyvinula společnost Ferranti Company of Scotland v 50. letech 20. století jako výsledek přímé potřeby měřit přesné součástky ve svých vojenských produktech, ačkoli tento stroj měl pouze 2 osy.První 3osé modely se začaly objevovat v 60. letech 20. století (DEA v Itálii) a počítačové řízení debutovalo na počátku 70. let, ale první funkční souřadnicový měřicí stroj byl vyvinut a uveden do prodeje společností Browne & Sharpe v Melbourne v Anglii.(Leitz Germany následně vyrobil pevnou konstrukci stroje s pohyblivým stolem.

U moderních strojů má portálová nástavba dvě nohy a často se jí říká most.To se volně pohybuje po žulovém stole s jednou nohou (často označovanou jako vnitřní noha) po vodicí kolejnici připevněné k jedné straně žulového stolu.Opačná noha (často vnější noha) jednoduše spočívá na žulovém stole po svislém obrysu povrchu.Vzduchová ložiska jsou zvolenou metodou pro zajištění pohybu bez tření.V nich je stlačený vzduch protlačován řadou velmi malých otvorů v plochém ložiskovém povrchu, aby se vytvořil hladký, ale řízený vzduchový polštář, na kterém se CMM může pohybovat téměř bez tření, což lze kompenzovat pomocí softwaru.Pohyb mostu nebo gantry po žulovém stole tvoří jednu osu roviny XY.Most portálu obsahuje vozík, který se pohybuje mezi vnitřní a vnější nohou a tvoří další horizontální osu X nebo Y.Třetí osa pohybu (osa Z) je zajištěna přidáním vertikální 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 obálku měření.Volitelné otočné stoly mohou být použity pro zlepšení přístupnosti měřicí sondy ke komplikovaným obrobkům.Otočný stůl jako čtvrtá hnací osa nezlepšuje rozměry měření, které zůstávají 3D, ale poskytuje určitou míru flexibility.Některé dotykové sondy jsou samy o sobě poháněná rotační zařízení s hrotem sondy, který se může svisle otáčet o více než 180 stupňů a otáčet se o plných 360 stupňů.

Souřadnicové měřicí stroje jsou nyní dostupné také v řadě dalších forem.Patří mezi ně ramena souřadnicových měřicích strojů, která používají úhlová měření odebraná v kloubech ramene k výpočtu polohy hrotu doteku a mohou být vybavena sondami pro laserové skenování a optické zobrazování.Takové souřadnicové měřicí stroje s ramenem se často používají tam, kde je jejich přenositelnost výhodou oproti tradičním souřadnicovým měřicím strojům s pevným lůžkem – díky ukládání naměřených míst umožňuje programovací software také pohybovat samotným měřicím ramenem a jeho měřicím objemem kolem součásti, která má být měřena během rutiny měření.Protože ramena souřadnicových měřicích strojů napodobují flexibilitu lidské paže, jsou také často schopna dosáhnout vnitřku složitých součástí, které nelze snímat pomocí standardního tříosého stroje.

Mechanická sonda

V počátcích souřadnicového měření (CMM) byly mechanické sondy namontovány do speciálního držáku na konci pinoly.Velmi běžná sonda byla vyrobena připájením tvrdé kuličky na konec hřídele.To bylo ideální pro měření celé řady plochých ploch, válcových nebo kulových ploch.Jiné sondy byly vybroušeny do specifických tvarů, například kvadrantu, aby bylo možné měřit speciální prvky.Tyto sondy byly fyzicky drženy proti obrobku, přičemž poloha v prostoru byla odečítána z 3osého digitálního odečtu (DRO) nebo v pokročilejších systémech byla přihlášena do počítače pomocí nožního spínače nebo podobného zařízení.Měření prováděná touto kontaktní metodou byla často nespolehlivá, protože stroje se pohybovaly ručně a každý strojník vyvíjel na sondu různé množství tlaku nebo používal různé techniky měření.

Dalším vývojem bylo přidání motorů pro pohon každé osy.Operátoři se již nemuseli fyzicky dotýkat stroje, ale mohli řídit každou osu pomocí ručního boxu s joysticky téměř stejným způsobem jako u moderních dálkově ovládaných vozů.Přesnost a přesnost měření se dramaticky zlepšila s vynálezem elektronické dotykové spouštěcí sondy.Průkopníkem tohoto nového sondového zařízení byl David McMurtry, který následně vytvořil to, co je nyní Renishaw plc.Přestože se stále jednalo o kontaktní zařízení, sonda měla pero s pružinovou ocelovou kuličkou (později rubínovou kuličkou).Když se sonda dotkla povrchu součásti, stylus se vychýlil a současně odeslal informace o souřadnicích X, Y, Z do počítače.Chyby měření způsobené jednotlivými operátory se zmenšily a byla připravena fáze pro zavádění CNC operací a stárnutí souřadnicových měřicích strojů.

Optické sondy jsou čočky-CCD-systémy, které se pohybují jako ty mechanické a míří na místo zájmu, místo aby se dotýkaly materiálu.Zachycený obraz povrchu bude uzavřen v okrajích měřícího okénka, dokud nebude zbytek adekvátní kontrastu mezi černými a bílými zónami.Dělící křivku lze vypočítat do bodu, který je požadovaným měřicím bodem v prostoru.Horizontální informace na CCD je 2D (XY) a vertikální poloha je poloha kompletního snímacího systému na stojanu Z-pohon (nebo jiné součásti zařízení).

Systémy skenovacích sond

Existují novější modely, které mají sondy, které se táhnou po povrchu součásti v určených intervalech, známé jako skenovací sondy.Tato metoda kontroly CMM je často přesnější než konvenční metoda dotykové sondy a většinou také rychlejší.

Další generace skenování, známá jako bezkontaktní skenování, která zahrnuje vysokorychlostní laserovou jednobodovou triangulaci, laserové skenování čar a skenování v bílém světle, se velmi rychle rozvíjí.Tato metoda využívá buď laserové paprsky nebo bílé světlo, které je promítáno proti povrchu součásti.Mnoho tisíc bodů pak lze vzít a použít nejen ke kontrole velikosti a polohy, ale také k vytvoření 3D obrazu součásti.Tato „data z mračna bodů“ lze poté přenést do softwaru CAD a vytvořit funkční 3D model součásti.Tyto optické skenery se často používají na měkkých nebo jemných částech nebo k usnadnění reverzního inženýrství.

Mikrometrologické sondy

Další nově vznikající oblastí jsou snímací systémy pro aplikace mikrometrologie.Existuje několik komerčně dostupných souřadnicových měřicích strojů (CMM), které mají mikrosondu integrovanou do systému, několik speciálních systémů ve vládních laboratořích a libovolný počet univerzitních metrologických platforem pro mikrometrologii.Přestože jsou tyto stroje dobrými a v mnoha případech vynikajícími metrologickými platformami s nanometrickými stupnicemi, jejich primárním omezením je spolehlivá, robustní a schopná mikro/nano sonda.^{[Citace je zapotřebí]}Výzvy pro technologie snímání v mikroměřítku zahrnují potřebu sondy s vysokým poměrem stran, která umožňuje přístup k hlubokým, úzkým prvkům s nízkými kontaktními silami, aby nedošlo k poškození povrchu, a vysokou přesností (úroveň nanometrů).^{[Citace je zapotřebí]}Sondy v mikroměřítku 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 je zapotřebí]}

Mezi technologie pro dosažení mikroměřítek sondy patří zmenšené verze klasických CMM sond, optické sondy a sondy se stojatou vlnou.Současné optické technologie však nemohou být dostatečně malé pro měření hlubokých, úzkých rysů a optické rozlišení je omezeno vlnovou délkou světla.Rentgenové zobrazení poskytuje obrázek funkce, ale žádné sledovatelné metrologické informace.

Fyzikální principy

Lze použít optické sondy a/nebo laserové sondy (pokud možno v kombinaci), které mění souřadnicové měřicí stroje na měřicí mikroskopy nebo multisenzorové měřicí stroje.Systémy okrajové projekce, teodolitové triangulační systémy nebo laserové vzdálené a triangulační systémy se nenazývají měřicí stroje, ale výsledek měření je stejný: vesmírný bod.Laserové sondy se používají k detekci vzdálenosti mezi povrchem a referenčním bodem na konci kinematického řetězce (tj.: na konci komponenty Z-drive).To může využívat interferometrickou funkci, změnu ohniska, vychylování světla nebo princip stínění paprsku.

Přenosné souřadnicové měřicí stroje

Zatímco tradiční souřadnicové měřicí stroje používají k měření fyzikálních vlastností objektu sondu, která se pohybuje po třech kartézských osách, 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 úplnou svobodu pohybu. kolem objektu.

Přenosné souřadnicové měřicí stroje s kloubovými rameny mají místo lineárních os šest nebo sedm os, které jsou vybaveny rotačními kodéry.Přenosné paže jsou lehké (obvykle méně než 20 liber) a lze je nosit 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, neobsahují žádné dráty a umožňují uživatelům snadno provádět 3D měření všech typů objektů umístěných téměř kdekoli.

Pro přenosné souřadnicové měřicí stroje se ideálně hodí určité neopakovatelné aplikace, jako je reverzní inženýrství, rychlé prototypování a rozsáhlá kontrola dílů všech velikostí.Výhody přenosných CMM jsou mnohostranné.Uživatelé mají flexibilitu při provádění 3D měření všech typů dílů a na nejvzdálenějších/obtížných místech.Snadno se používají a pro přesná měření nevyžadují kontrolované prostředí.Navíc přenosné souřadnicové měřicí stroje obvykle stojí méně než tradiční souřadnicové měřicí stroje.

Neodmyslitelným kompromisem přenosných souřadnicových měřicích strojů je ruční ovládání (k jejich použití je vždy zapotřebí člověka).Navíc jejich celková přesnost může být poněkud méně přesná než u můstkového typu CMM a je méně vhodná pro některé aplikace.

Multisenzorové měřicí stroje

Tradiční technologie CMM využívající dotykové sondy je dnes často kombinována s jinou měřicí technikou.To zahrnuje laserové, video senzory nebo senzory bílého světla, které poskytují to, co je známé jako multisenzorové měření.