Wat is 'n koördinaatmeetmasjien?

'nkoördinaatmeetmasjien(CMM) is 'n toestel wat die geometrie van fisiese voorwerpe meet deur diskrete punte op die oppervlak van die voorwerp met 'n sonde te waarneem. Verskeie tipes sondes word in CMM's gebruik, insluitend meganiese, optiese, laser- en witlig. Afhangende van die masjien, kan die sondeposisie handmatig deur 'n operateur beheer word of dit kan rekenaarbeheer word. CMM's spesifiseer tipies 'n sonde se posisie in terme van sy verplasing vanaf 'n verwysingsposisie in 'n driedimensionele Cartesiese koördinaatstelsel (d.w.s. met XYZ-asse). Benewens die beweging van die sonde langs die X-, Y- en Z-asse, laat baie masjiene ook toe dat die sondehoek beheer word om meting van oppervlaktes moontlik te maak wat andersins onbereikbaar sou wees.

Die tipiese 3D-"brug"-CMM laat die beweging van die sonde langs drie asse, X, Y en Z, toe, wat ortogonaal tot mekaar is in 'n driedimensionele Cartesiese koördinaatstelsel. Elke as het 'n sensor wat die posisie van die sonde op daardie as monitor, tipies met mikrometer-presisie. Wanneer die sonde 'n spesifieke plek op die voorwerp raak (of andersins opspoor), monster die masjien die drie posisiesensors, en meet sodoende die ligging van een punt op die voorwerp se oppervlak, sowel as die 3-dimensionele vektor van die meting wat geneem is. Hierdie proses word herhaal soos nodig, en beweeg die sonde elke keer om 'n "puntwolk" te produseer wat die oppervlakareas van belang beskryf.

'n Algemene gebruik van CMM's is in vervaardigings- en monteringsprosesse om 'n onderdeel of samestelling teen die ontwerpbedoeling te toets. In sulke toepassings word puntwolke gegenereer wat via regressie-algoritmes vir die konstruksie van kenmerke geanaliseer word. Hierdie punte word versamel deur 'n sonde te gebruik wat handmatig deur 'n operateur of outomaties via Direkte Rekenaarbeheer (DCC) geposisioneer word. DCC CMM's kan geprogrammeer word om herhaaldelik identiese dele te meet; dus is 'n outomatiese CMM 'n gespesialiseerde vorm van industriële robot.

Onderdele

Koördinaatmeetmasjiene sluit drie hoofkomponente in:

• Die hoofstruktuur wat drie bewegingsasse insluit. Die materiaal wat gebruik is om die bewegende raam te konstrueer, het oor die jare gewissel. Graniet en staal is in die vroeë CMM's gebruik. Vandag bou al die groot CMM-vervaardigers rame van aluminiumlegering of 'n afgeleide daarvan en gebruik ook keramiek om die styfheid van die Z-as vir skanderingstoepassings te verhoog. Min CMM-bouers vervaardig vandag steeds granietraam-CMM as gevolg van die markvereiste vir verbeterde metrologiedinamika en die toenemende neiging om CMM buite die kwaliteitslaboratorium te installeer. Tipies vervaardig slegs lae-volume CMM-bouers en plaaslike vervaardigers in China en Indië steeds graniet-CMM as gevolg van die lae-tegnologie-benadering en maklike toegang om 'n CMM-raambouer te word. Die toenemende neiging tot skandering vereis ook dat die CMM Z-as stywer moet wees en nuwe materiale soos keramiek en silikonkarbied is bekendgestel.
• Peilstelsel
• Data-insamelings- en reduksiestelsel — sluit tipies 'n masjienbeheerder, tafelrekenaar en toepassingsprogrammatuur in.

Beskikbaarheid

Hierdie masjiene kan vrystaande, handgedrewe en draagbaar wees.

Akkuraatheid

Die akkuraatheid van koördinaatmeetmasjiene word tipies as 'n onsekerheidsfaktor as 'n funksie oor afstand gegee. Vir 'n CMM wat 'n raakprobe gebruik, hou dit verband met die herhaalbaarheid van die probe en die akkuraatheid van die lineêre skale. Tipiese probe-herhaalbaarheid kan lei tot metings van binne .001 mm of .00005 duim ('n halwe tiende) oor die hele meetvolume. Vir 3-, 3+2- en 5-as-masjiene word probes roetinegewys gekalibreer met behulp van naspeurbare standaarde en die masjienbeweging word geverifieer met behulp van meters om akkuraatheid te verseker.

Spesifieke dele

Masjienliggaam

Die eerste CMM is in die 1950's deur die Ferranti-maatskappy van Skotland ontwikkel as gevolg van 'n direkte behoefte om presisiekomponente in hul militêre produkte te meet, alhoewel hierdie masjien slegs 2 asse gehad het. Die eerste 3-as-modelle het in die 1960's begin verskyn (DEA van Italië) en rekenaarbeheer het in die vroeë 1970's gedebuteer, maar die eerste werkende CMM is ontwikkel en te koop aangebied deur Browne & Sharpe in Melbourne, Engeland. (Leitz Duitsland het daarna 'n vaste masjienstruktuur met bewegende tafel vervaardig.)

In moderne masjiene het die portaaltipe-superstruktuur twee bene en word dit dikwels 'n brug genoem. Dit beweeg vrylik langs die graniettafel met een been (dikwels die binnebeen genoem) wat 'n geleierspoor volg wat aan die een kant van die graniettafel geheg is. Die teenoorgestelde been (dikwels die buitebeen) rus eenvoudig op die graniettafel en volg die vertikale oppervlakkontoer. Luglaers is die gekose metode om wrywingsvrye beweging te verseker. Hierin word saamgeperste lug deur 'n reeks baie klein gaatjies in 'n plat laeroppervlak gedwing om 'n gladde, maar beheerde lugkussing te bied waarop die CMM op 'n byna wrywinglose manier kan beweeg, wat deur sagteware gekompenseer kan word. Die beweging van die brug of portaal langs die graniettafel vorm een ​​as van die XY-vlak. Die brug van die portaal bevat 'n slee wat tussen die binne- en buitebene beweeg en die ander X- of Y-horisontale as vorm. Die derde bewegingsas (Z-as) word voorsien deur die byvoeging van 'n vertikale pen of spil wat op en af ​​deur die middel van die slee beweeg. Die raaksonde vorm die sensor aan die einde van die pen. Die beweging van die X-, Y- en Z-asse beskryf die meetomvang volledig. Opsionele draaitafels kan gebruik word om die toeganklikheid van die meetsonde tot ingewikkelde werkstukke te verbeter. Die draaitafel as 'n vierde aandryfas verbeter nie die meetdimensies nie, wat 3D bly, maar dit bied wel 'n mate van buigsaamheid. Sommige raaksondes is self aangedrewe roterende toestelle met die sondepunt wat vertikaal deur meer as 180 grade en deur 'n volle 360 ​​grade rotasie kan draai.

CMM's is nou ook in 'n verskeidenheid ander vorme beskikbaar. Dit sluit in CMM-arms wat hoekmetings by die gewrigte van die arm gebruik om die posisie van die styluspunt te bereken, en kan toegerus word met probes vir laserskandering en optiese beeldvorming. Sulke arm-CMM's word dikwels gebruik waar hul draagbaarheid 'n voordeel is bo tradisionele vastebed-CMM's - deur gemete liggings te stoor, laat programmeringsagteware ook toe om die meetarm self, en sy meetvolume, rondom die onderdeel wat gemeet moet word tydens 'n meetroetine te beweeg. Omdat CMM-arms die buigsaamheid van 'n menslike arm naboots, kan hulle ook dikwels die binnekant van komplekse onderdele bereik wat nie met 'n standaard drie-as-masjien gepeuter kan word nie.

Meganiese sonde

In die vroeë dae van koördinaatmeting (CMM) is meganiese probes in 'n spesiale houer aan die punt van die pen gepas. 'n Baie algemene probe is gemaak deur 'n harde bal aan die punt van 'n as te soldeer. Dit was ideaal vir die meting van 'n hele reeks platvlak-, silindriese of sferiese oppervlaktes. Ander probes is tot spesifieke vorms geslyp, byvoorbeeld 'n kwadrant, om die meting van spesiale kenmerke moontlik te maak. Hierdie probes is fisies teen die werkstuk gehou, met die posisie in die ruimte wat vanaf 'n 3-as digitale uitlesing (DRO) gelees is, of, in meer gevorderde stelsels, deur middel van 'n voetskakelaar of soortgelyke toestel in 'n rekenaar aangeteken is. Metings wat deur hierdie kontakmetode geneem is, was dikwels onbetroubaar, aangesien masjiene met die hand beweeg is en elke masjienoperateur verskillende hoeveelhede druk op die probe toegepas het of verskillende tegnieke vir die meting aangeneem het.

'n Verdere ontwikkeling was die byvoeging van motors om elke as aan te dryf. Operateurs hoef nie meer fisies aan die masjien te raak nie, maar kon elke as aandryf met behulp van 'n handboks met joysticks op dieselfde manier as met moderne afstandbeheerde motors. Meetnauwkeurigheid en presisie het dramaties verbeter met die uitvinding van die elektroniese aanraak-sneller-sonde. Die pionier van hierdie nuwe sonde-toestel was David McMurtry, wat later gestig het wat nou Renishaw plc is. Alhoewel dit steeds 'n kontaktoestel was, het die sonde 'n veerbelaaide staalbal (later robynbal) stylus gehad. Soos die sonde die oppervlak van die komponent geraak het, het die stylus afgebuig en gelyktydig die X, Y, Z-koördinaatinligting na die rekenaar gestuur. Meetfoute wat deur individuele operateurs veroorsaak is, het minder geword en die verhoog was gereed vir die bekendstelling van CNC-bewerkings en die volwassenwording van CMM's.

Optiese probes is lens-CCD-stelsels wat soos die meganiese probes beweeg word en op die punt van belang gerig is, in plaas daarvan om die materiaal aan te raak. Die vasgelegde beeld van die oppervlak sal binne die grense van 'n meetvenster ingesluit word totdat die residu voldoende is om tussen swart en wit sones te kontrasteer. Die verdeelkromme kan bereken word tot 'n punt wat die verlangde meetpunt in die ruimte is. Die horisontale inligting op die CCD is 2D (XY) en die vertikale posisie is die posisie van die volledige probestelsel op die staander Z-aandrywer (of ander toestelkomponent).

Skandeersondestelsels

Daar is nuwer modelle met probes wat met spesifieke tussenposes langs die oppervlak van die onderdeel se meetpunte sleep, bekend as skanderingprobes. Hierdie metode van CMM-inspeksie is dikwels meer akkuraat as die konvensionele raakprobe-metode en meestal ook vinniger.

Die volgende generasie skandering, bekend as kontaklose skandering, wat hoëspoed-laser-enkelpunt-triangulasie, laserlyn-skandering en witlig-skandering insluit, vorder baie vinnig. Hierdie metode gebruik óf laserstrale óf witlig wat teen die oppervlak van die onderdeel geprojekteer word. Duisende punte kan dan geneem en gebruik word, nie net om grootte en posisie te kontroleer nie, maar ook om 'n 3D-beeld van die onderdeel te skep. Hierdie "puntwolkdata" kan dan na CAD-sagteware oorgedra word om 'n werkende 3D-model van die onderdeel te skep. Hierdie optiese skandeerders word dikwels op sagte of delikate onderdele gebruik of om omgekeerde ingenieurswese te vergemaklik.

Mikrometrologie-sondes

Peilingstelsels vir mikroskaal-metrologietoepassings is nog 'n opkomende gebied. Daar is verskeie kommersieel beskikbare koördinaatmeetmasjiene (CMM) wat 'n mikrosonde in die stelsel geïntegreer het, verskeie spesialiteitstelsels by regeringslaboratoriums, en 'n aantal universiteitsgeboude metrologieplatforms vir mikroskaal-metrologie. Alhoewel hierdie masjiene goeie en in baie gevalle uitstekende metrologieplatforms met nanometriese skale is, is hul primêre beperking 'n betroubare, robuuste, bekwame mikro-/nano-sonde.^{[aanhaling benodig]}Uitdagings vir mikroskaal-peilingstegnologieë sluit in die behoefte aan 'n hoë-aspekverhouding-peiler wat die vermoë bied om toegang tot diep, smal kenmerke met lae kontakkragte te verkry om nie die oppervlak te beskadig nie, en hoë presisie (nanometervlak).^{[aanhaling benodig]}Daarbenewens is mikroskaalse probes vatbaar vir omgewingstoestande soos humiditeit en oppervlakinteraksies soos stiksie (veroorsaak deur adhesie, meniskus en/of Van der Waals-kragte onder andere).^{[aanhaling benodig]}

Tegnologieë om mikroskaal-sondersoeke te bereik, sluit in afgeskaalde weergawes van klassieke CMM-sondes, optiese sondes en 'n staande golfsonde, onder andere. Huidige optiese tegnologieë kan egter nie klein genoeg geskaal word om diep, nou kenmerke te meet nie, en optiese resolusie word beperk deur die golflengte van lig. X-straalbeelding verskaf 'n beeld van die kenmerk, maar geen naspeurbare metrologie-inligting nie.

Fisiese beginsels

Optiese probes en/of laserprobes kan gebruik word (indien moontlik in kombinasie), wat CMM's in meetmikroskope of multisensor-meetmasjiene verander. Randprojeksiestelsels, teodoliet-triangulasiestelsels of laser-afstand- en triangulasiestelsels word nie meetmasjiene genoem nie, maar die meetresultaat is dieselfde: 'n ruimtepunt. Laserprobes word gebruik om die afstand tussen die oppervlak en die verwysingspunt aan die einde van die kinematiese ketting (d.w.s.: einde van die Z-aandrywingskomponent) op te spoor. Dit kan 'n interferometriese funksie, fokusvariasie, ligdefleksie of 'n straalskadubeginsel gebruik.

Draagbare koördinaatmeetmasjiene

Terwyl tradisionele CMM's 'n sonde gebruik wat op drie Cartesiese asse beweeg om 'n voorwerp se fisiese eienskappe te meet, gebruik draagbare CMM's óf geartikuleerde arms óf, in die geval van optiese CMM's, armvrye skanderingstelsels wat optiese triangulasiemetodes gebruik en totale bewegingsvryheid rondom die voorwerp moontlik maak.

Draagbare CMM's met geartikuleerde arms het ses of sewe asse wat toegerus is met roterende enkodeerders, in plaas van lineêre asse. Draagbare arms is liggewig (gewoonlik minder as 20 pond) en kan amper enige plek gedra en gebruik word. Optiese CMM's word egter toenemend in die bedryf gebruik. Ontwerp met kompakte lineêre of matrikskameras (soos die Microsoft Kinect), is optiese CMM's kleiner as draagbare CMM's met arms, het geen drade nie, en stel gebruikers in staat om maklik 3D-metings van alle soorte voorwerpe wat amper enige plek geleë is, te neem.

Sekere nie-herhalende toepassings soos omgekeerde ingenieurswese, vinnige prototipering en grootskaalse inspeksie van onderdele van alle groottes is ideaal geskik vir draagbare CMM's. Die voordele van draagbare CMM's is veelvuldig. Gebruikers het die buigsaamheid om 3D-metings van alle soorte onderdele en in die mees afgeleë/moeilike plekke te neem. Hulle is maklik om te gebruik en benodig nie 'n beheerde omgewing om akkurate metings te neem nie. Boonop is draagbare CMM's geneig om minder te kos as tradisionele CMM's.

Die inherente nadele van draagbare CMM's is handmatige werking (hulle vereis altyd 'n mens om hulle te gebruik). Boonop kan hul algehele akkuraatheid ietwat minder akkuraat wees as dié van 'n brugtipe CMM en is minder geskik vir sommige toepassings.

Multisensor-meetmasjiene

Tradisionele CMM-tegnologie wat raakprobes gebruik, word vandag dikwels gekombineer met ander meettegnologie. Dit sluit laser-, video- of witligsensors in om te verskaf wat bekend staan ​​as multisensormeting.