Координаталық өлшеуіш машина дегеніміз не?

Акоордината өлшеу машинасы(CMM) - зондпен нысан бетіндегі дискретті нүктелерді сезу арқылы физикалық нысандардың геометриясын өлшейтін құрылғы. CMM-де механикалық, оптикалық, лазерлік және ақ жарық сияқты әртүрлі зондтар қолданылады. Құрылғыға байланысты зондтың орнын оператор қолмен басқаруы мүмкін немесе компьютермен басқарылуы мүмкін. CMM әдетте зондтың орнын үш өлшемді декарттық координаттар жүйесіндегі (яғни, XYZ осьтерімен) тірек орнынан ығысуы тұрғысынан көрсетеді. Зондты X, Y және Z осьтері бойымен жылжытумен қатар, көптеген машиналар зонд бұрышын басқаша қол жеткізу мүмкін емес беттерді өлшеуге мүмкіндік беру үшін басқаруға мүмкіндік береді.

Әдеттегі 3D «көпір» CMM зондтың үш өлшемді декарттық координаттар жүйесінде бір-біріне ортогональды болып табылатын X, Y және Z үш ось бойымен қозғалуына мүмкіндік береді. Әрбір осьте зондтың сол осьтегі орнын әдетте микрометрлік дәлдікпен бақылайтын сенсор бар. Зонд нысандағы белгілі бір орынға тигенде (немесе басқаша анықтағанда), машина үш позиция сенсорынан үлгі алады, осылайша нысан бетіндегі бір нүктенің орнын, сондай-ақ алынған өлшеудің 3 өлшемді векторын өлшейді. Бұл процесс қажет болған жағдайда қайталанады, зондты әр жолы жылжытып, қызығушылық тудыратын бет аймақтарын сипаттайтын «нүкте бұлтын» жасайды.

CMM-дердің кең таралған қолданылуы өндіріс және құрастыру процестерінде бөлшекті немесе құрастырманы жобалау мақсатына сәйкес тексеру болып табылады. Мұндай қолданбаларда нүктелік бұлттар жасалады, олар ерекшеліктерді құру үшін регрессиялық алгоритмдер арқылы талданады. Бұл нүктелер оператор қолмен орналастыратын зондты пайдалану арқылы немесе тікелей компьютерлік басқару (DCC) арқылы автоматты түрде жиналады. DCC CMM-дерін бірдей бөлшектерді бірнеше рет өлшеуге бағдарламалауға болады; осылайша автоматтандырылған CMM - өнеркәсіптік роботтың мамандандырылған түрі.

Бөлшектер

Координаталық өлшеуіш машиналар үш негізгі бөліктен тұрады:

• Қозғалыстың үш осін қамтитын негізгі құрылым. Қозғалыс қаңқасын жасау үшін қолданылатын материал жылдар бойы өзгеріп отырды. Алғашқы CMM-дерде гранит пен болат қолданылған. Бүгінгі таңда барлық ірі CMM өндірушілері алюминий қорытпасынан немесе кез келген туындыдан қаңқалар жасайды және сканерлеу қолданбалары үшін Z осінің қаттылығын арттыру үшін керамиканы пайдаланады. Бүгінгі таңда CMM құрылысшыларының аз бөлігі метрология динамикасын жақсартуға және CMM-ді сапа зертханасынан тыс орнату үрдісінің артуына байланысты гранит қаңқалы CMM шығарады. Әдетте, Қытай мен Үндістандағы аз көлемді CMM құрылысшылары мен отандық өндірушілер ғана төмен технологиялық тәсілге және CMM қаңқасын құрастырушы болуға оңай кіруге байланысты гранит CMM шығарады. Сканерлеуге деген үрдістің артуы CMM Z осінің қаттырақ болуын талап етеді және керамика мен кремний карбиді сияқты жаңа материалдар енгізілді.
• Зондтау жүйесі
• Деректерді жинау және азайту жүйесі — әдетте машина контроллерін, үстел үсті компьютерін және қолданбалы бағдарламалық жасақтаманы қамтиды.

Қолжетімділік

Бұл машиналар жеке тұрған, қолмен ұсталатын және портативті болуы мүмкін.

Дәлдік

Координаталық өлшеу машиналарының дәлдігі әдетте қашықтыққа байланысты функция ретінде белгісіздік факторы ретінде беріледі. Сенсорлық зондты пайдаланатын CMM үшін бұл зондтың қайталануына және сызықтық масштабтардың дәлдігіне қатысты. Әдеттегі зондтың қайталануы бүкіл өлшеу көлемі бойынша 0,001 мм немесе 0,00005 дюйм (оннан бір бөлігі) аралығында өлшеулерге әкелуі мүмкін. 3, 3+2 және 5 осьті машиналар үшін зондтар бақыланатын стандарттарды пайдаланып үнемі калибрленеді және дәлдікті қамтамасыз ету үшін машинаның қозғалысы өлшеуіштерді пайдаланып тексеріледі.

Нақты бөлшектер

Машина корпусы

Алғашқы CMM 1950 жылдары Шотландияның Ferranti компаниясымен әскери өнімдеріндегі дәлдік компоненттерін өлшеу қажеттілігінің нәтижесінде жасалды, дегенмен бұл машинада тек 2 ось болды. Алғашқы 3 осьті модельдер 1960 жылдары пайда бола бастады (Италияның DEA) және компьютерлік басқару 1970 жылдардың басында пайда болды, бірақ алғашқы жұмыс істейтін CMM Англияның Мельбурн қаласында Browne & Sharpe компаниясымен әзірленіп, сатылымға шығарылды. (Leitz Германия кейіннен қозғалмалы үстелі бар бекітілген машина құрылымын шығарды.)

Қазіргі заманғы машиналарда гантри типті үстіңгі құрылымның екі аяғы бар және ол көбінесе көпір деп аталады. Бұл гранит үстелінің бойымен бір аяғымен (көбінесе ішкі аяқ деп аталады) гранит үстелінің бір жағына бекітілген бағыттаушы рельс бойымен еркін қозғалады. Қарама-қарсы аяқ (көбінесе сыртқы аяқ) тік бет контуры бойымен гранит үстелінде орналасқан. Ауа мойынтіректер үйкеліссіз қозғалуды қамтамасыз етудің таңдалған әдісі болып табылады. Бұларда сығылған ауа тегіс мойынтірек бетіндегі бірқатар өте кішкентай тесіктер арқылы мәжбүрленеді, бұл CMM бағдарламалық жасақтама арқылы өтелетін үйкеліссіз қозғала алатын тегіс, бірақ бақыланатын ауа жастығын қамтамасыз етеді. Көпірдің немесе гантридің гранит үстелі бойымен қозғалысы XY жазықтығының бір осін құрайды. Гантри көпірінде ішкі және сыртқы аяқтардың арасында өтетін және басқа X немесе Y көлденең осін құрайтын арба бар. Үшінші қозғалыс осі (Z осі) арбаның ортасынан жоғары және төмен қозғалатын тік қауырсын немесе шпиндельді қосу арқылы қамтамасыз етіледі. Сенсорлық зонд қауырсынның ұшындағы сенсорлық құрылғыны құрайды. X, Y және Z осьтерінің қозғалысы өлшеу қабығын толығымен сипаттайды. Өлшеу зондының күрделі дайындамаларға жақындауын жақсарту үшін қосымша айналмалы үстелдерді пайдалануға болады. Төртінші жетек осі ретіндегі айналмалы үстел өлшеу өлшемдерін жақсартпайды, олар 3D болып қалады, бірақ белгілі бір дәрежеде икемділік береді. Кейбір сенсорлық зондтардың өздері зонд ұшы 180 градустан астам тігінен және толық 360 градус айналу арқылы бұрыла алатын айналмалы құрылғылар болып табылады.

CMM-дер қазір басқа да әртүрлі формаларда қолжетімді. Оларға стилус ұшының орнын есептеу үшін қолдың буындарында алынған бұрыштық өлшеулерді пайдаланатын CMM қолдары кіреді және лазерлік сканерлеу және оптикалық бейнелеу үшін зондтармен жабдықталуы мүмкін. Мұндай қол CMM-дері көбінесе дәстүрлі бекітілген төсек CMM-деріне қарағанда портативтілігі артықшылығы бар жерлерде қолданылады - өлшенген орындарды сақтау арқылы бағдарламалау бағдарламалық жасақтамасы өлшеу қолының өзін және оның өлшеу көлемін өлшеу процедурасы кезінде өлшенетін бөліктің айналасында жылжытуға мүмкіндік береді. CMM қолдары адам қолының икемділігін имитациялайтындықтан, олар көбінесе стандартты үш осьті машинаны пайдаланып зондтау мүмкін емес күрделі бөлшектердің ішіне жете алады.

Механикалық зонд

Координаталық өлшеудің (КӨӨ) алғашқы кезеңдерінде механикалық зондтар қауырсынның ұшындағы арнайы ұстағышқа орнатылды. Қатты шарды біліктің ұшына дәнекерлеу арқылы өте кең таралған зонд жасалды. Бұл жалпақ бетті, цилиндрлік немесе сфералық беттерді өлшеу үшін өте қолайлы болды. Басқа зондтар арнайы ерекшеліктерді өлшеуге мүмкіндік беру үшін белгілі бір пішіндерге, мысалы, квадрантқа дейін ұнтақталған. Бұл зондтар кеңістіктегі позиция 3 осьті сандық оқудан (DRO) оқылатын, ал дамыған жүйелерде аяқ қосқышы немесе ұқсас құрылғы арқылы компьютерге енгізілетін, дайындамаға физикалық түрде бекітілген. Бұл байланыс әдісімен жүргізілген өлшеулер көбінесе сенімсіз болды, себебі машиналар қолмен қозғалатын және әрбір машина операторы зондқа әртүрлі қысым жасайтын немесе өлшеу үшін әртүрлі әдістерді қолданатын.

Әр осьті басқаруға арналған қозғалтқыштардың қосылуы одан әрі даму болды. Операторлар енді машинаға физикалық түрде тиюдің қажеті болмады, бірақ әр осьті қазіргі заманғы қашықтан басқарылатын көліктердегідей джойстиктері бар қол қорабын пайдаланып басқара алды. Электронды сенсорлық триггерлік зондтың ойлап табылуымен өлшеу дәлдігі мен дәлдігі айтарлықтай жақсарды. Бұл жаңа зонд құрылғысының пионері кейіннен қазіргі Renishaw plc компаниясын құрған Дэвид МакМертри болды. Әлі де байланыс құрылғысы болғанымен, зондта серіппелі болат шар (кейінірек лағыл шар) стилусы болды. Зонд компоненттің бетіне тиген кезде, стилус ауытқып, бір уақытта X, Y, Z координата ақпаратын компьютерге жіберді. Жеке операторлардың өлшеу қателіктері азайды және CNC операцияларын енгізу және CMM-дердің жетілуі үшін жағдай жасалды.

Оптикалық зондтар - механикалық зондтар сияқты қозғалатын және материалға тиюдің орнына қызығушылық нүктесіне бағытталған линза-CCD жүйелері. Беттің түсірілген кескіні қалдық қара және ақ аймақтар арасындағы контрастқа жеткілікті болғанша өлшеу терезесінің шекараларында орналасады. Бөлу қисығын кеңістіктегі қажетті өлшеу нүктесі болып табылатын нүктеге дейін есептеуге болады. CCD-дегі көлденең ақпарат 2D (XY), ал тік орналасу - стендтің Z-жетегіндегі (немесе басқа құрылғы компонентіндегі) толық зондтау жүйесінің орналасуы.

Сканерлеуші ​​зонд жүйелері

Бөлшектің беті бойымен белгілі бір аралықта нүктелерді алып жүретін зондтары бар жаңа модельдер бар, олар сканерлеу зондтары деп аталады. CMM тексерудің бұл әдісі дәстүрлі сенсорлық зонд әдісіне қарағанда дәлірек және көп жағдайда жылдамырақ.

Келесі буын сканерлеу, яғни жоғары жылдамдықты лазерлік бір нүктелі триангуляцияны, лазерлік сызықтық сканерлеуді және ақ жарықты сканерлеуді қамтитын байланыссыз сканерлеу өте тез дамып келеді. Бұл әдіс бөлшектің бетіне проекцияланатын лазерлік сәулелерді немесе ақ жарықты пайдаланады. Содан кейін мыңдаған нүктелерді алып, оларды тек өлшемі мен орнын тексеру үшін ғана емес, сонымен қатар бөлшектің 3D кескінін жасау үшін де пайдалануға болады. Содан кейін бұл «нүктелік бұлт деректерін» бөлшектің жұмыс істейтін 3D моделін жасау үшін CAD бағдарламалық жасақтамасына беруге болады. Бұл оптикалық сканерлер көбінесе жұмсақ немесе нәзік бөлшектерде немесе кері инженерияны жеңілдету үшін қолданылады.

Микрометрологиялық зондтар

Микромасштабты метрология қолданбаларына арналған зондтау жүйелері тағы бір жаңа сала болып табылады. Жүйеге микрозонд интеграцияланған бірнеше коммерциялық қолжетімді координаталық өлшеу машиналары (CMM), үкіметтік зертханалардағы бірнеше мамандандырылған жүйелер және микромасштабты метрологияға арналған университеттер жасаған метрология платформалары бар. Бұл машиналар жақсы және көп жағдайда нанометриялық масштабтары бар тамаша метрология платформалары болғанымен, олардың негізгі шектеуі - сенімді, берік, қабілетті микро/нанозонд.^{[дәйексөз қажет]}Микромасштабты зондтау технологияларының қиындықтарына бетіне зақым келтірмеу үшін төмен жанасу күштерімен терең, тар элементтерге қол жеткізу мүмкіндігін беретін және жоғары дәлдікпен (нанометрлік деңгей) жоғары арақатынасты зондқа қажеттілік жатады.^{[дәйексөз қажет]}Сонымен қатар, микромасштабты зондтар ылғалдылық және беттік өзара әрекеттесулер сияқты қоршаған орта жағдайларына, мысалы, жабысуға (адгезия, мениск және/немесе Ван-дер-Ваальс күштерінен туындаған) сезімтал.^{[дәйексөз қажет]}

Микромасштабты зондтауға қол жеткізу технологияларына классикалық CMM зондтарының кішірейтілген нұсқасы, оптикалық зондтар және басқаларымен қатар тік толқынды зонд кіреді. Дегенмен, қазіргі оптикалық технологияларды терең, тар ерекшелікті өлшеу үшін жеткілікті түрде кішірейту мүмкін емес, ал оптикалық ажыратымдылық жарықтың толқын ұзындығымен шектеледі. Рентгендік бейнелеу ерекшеліктің суретін береді, бірақ бақыланатын метрология туралы ақпарат бермейді.

Физикалық принциптер

Оптикалық зондтарды және/немесе лазерлік зондтарды (мүмкін болса, бірге) пайдалануға болады, олар CMM-ді өлшеу микроскоптарына немесе көп сенсорлы өлшеу машиналарына өзгертеді. Шеткі проекциялық жүйелер, теодолиттік триангуляция жүйелері немесе лазерлік қашықтық және триангуляция жүйелері өлшеу машиналары деп аталмайды, бірақ өлшеу нәтижесі бірдей: кеңістік нүктесі. Лазерлік зондтар кинематикалық тізбектің соңындағы бет пен тірек нүктесі арасындағы қашықтықты анықтау үшін қолданылады (яғни: Z-жетек компонентінің соңы). Бұл интерферометриялық функцияны, фокустың өзгеруін, жарықтың ауытқуын немесе сәуленің көлеңкелеу принципін пайдалана алады.

Портативті координата өлшеу машиналары

Дәстүрлі CMM нысанның физикалық сипаттамаларын өлшеу үшін үш декарттық ось бойынша қозғалатын зондты пайдаланса, портативті CMM-лер буынды иіндерді немесе оптикалық CMM жағдайында оптикалық триангуляция әдістерін қолданатын және нысанның айналасында толық қозғалыс еркіндігін қамтамасыз ететін иінсіз сканерлеу жүйелерін пайдаланады.

Буын тәрізді иінтіректері бар портативті CMM-дерде сызықтық осьтердің орнына айналмалы кодтағыштармен жабдықталған алты немесе жеті ось бар. Портативті иінтіректері жеңіл (әдетте 20 фунттан аз) және оларды кез келген жерге алып жүруге және пайдалануға болады. Дегенмен, оптикалық CMM-дер салада барған сайын қолданылуда. Ықшам сызықтық немесе матрицалық массив камераларымен (мысалы, Microsoft Kinect) жасалған оптикалық CMM-дер иінтіректері бар портативті CMM-дерге қарағанда кішірек, сымдары жоқ және пайдаланушыларға кез келген жерде орналасқан барлық нысандардың 3D өлшемдерін оңай алуға мүмкіндік береді.

Кері инженерия, жылдам прототиптеу және барлық өлшемдегі бөлшектерді кең көлемді тексеру сияқты кейбір қайталанбайтын қолданбалар портативті CMM-дерге өте қолайлы. Портативті CMM-дердің артықшылықтары көп қырлы. Пайдаланушылар барлық бөлшектер түрлерінің 3D өлшемдерін және ең шалғай/қиын жерлерде алуға икемді. Оларды пайдалану оңай және дәл өлшеу жүргізу үшін бақыланатын ортаны қажет етпейді. Сонымен қатар, портативті CMM-дер дәстүрлі CMM-дерге қарағанда арзанырақ болады.

Портативті CMM-дердің табиғи компромисстері - қолмен басқару (оларды пайдалану үшін әрқашан адам қажет). Сонымен қатар, олардың жалпы дәлдігі көпір типті CMM-ге қарағанда біршама төмен болуы мүмкін және кейбір қолданбалар үшін онша қолайлы емес.

Көп сенсорлы өлшеуіш машиналар

Сенсорлық зондтарды қолданатын дәстүрлі CMM технологиясы бүгінде басқа өлшеу технологияларымен жиі біріктіріледі. Бұған мультисенсорлық өлшеу деп аталатын нәрсені қамтамасыз ету үшін лазерлік, бейне немесе ақ жарық сенсорлары кіреді.