Шта је координатна мерна машина?

Акоординатна мерна машина(ЦММ) је уређај који мери геометрију физичких објеката детектовањем дискретних тачака на површини објекта помоћу сонде. У ЦММ-овима се користе различите врсте сонди, укључујући механичке, оптичке, ласерске и сонди са белом светлошћу. У зависности од машине, положај сонде може ручно контролисати оператер или може бити контролисан рачунаром. ЦММ-ови обично одређују положај сонде у смислу њеног померања од референтног положаја у тродимензионалном картезијанском координатном систему (тј. са XYZ оса). Поред померања сонде дуж X, Y и Z оса, многе машине такође омогућавају контролу угла сонде како би се омогућило мерење површина које би иначе биле недоступне.

Типична 3Д „мостна“ ЦММ машина омогућава кретање сонде дуж три осе, X, Y и Z, које су једна на другу ортогоналне у тродимензионалном картезијанском координатном систему. Свака оса има сензор који прати положај сонде на тој оси, обично са микрометарском прецизношћу. Када сонда додирне (или на други начин детектује) одређену локацију на објекту, машина узоркује три сензора положаја, чиме мери локацију једне тачке на површини објекта, као и тродимензионални вектор извршеног мерења. Овај процес се понавља по потреби, померајући сонду сваки пут, да би се добио „облак тачака“ који описује површине од интереса.

Уобичајена употреба ЦММ-ова је у процесима производње и монтаже за тестирање дела или склопа у односу на намеру пројектовања. У таквим применама, генеришу се облаци тачака који се анализирају помоћу регресионих алгоритама за конструкцију карактеристика. Ове тачке се прикупљају помоћу сонде коју ручно позиционира оператер или аутоматски путем директног рачунарског управљања (ДЦЦ). ДЦЦ ЦММ-ови се могу програмирати да више пута мере идентичне делове; стога је аутоматизовани ЦММ специјализовани облик индустријског робота.

Делови

Координатно-мерне машине садрже три главне компоненте:

• Главна структура која укључује три осе кретања. Материјал који се користи за израду покретног рама мењао се током година. Гранит и челик су коришћени у раним ЦММ-овима. Данас сви главни произвођачи ЦММ-ова праве раме од легуре алуминијума или неког деривата, а такође користе и керамику како би повећали крутост Z осе за примене скенирања. Мало произвођача ЦММ-ова данас и даље производи ЦММ са гранитним рамом због захтева тржишта за побољшаном метролошком динамиком и све већег тренда инсталирања ЦММ-а ван лабораторије за квалитет. Типично, само произвођачи ЦММ-ова малог обима и домаћи произвођачи у Кини и Индији и даље производе гранитне ЦММ због приступа ниске технологије и лаког уласка у производњу рамова ЦММ-а. Растући тренд скенирања такође захтева да Z оса ЦММ-а буде чвршћа, а уведени су и нови материјали као што су керамика и силицијум карбид.
• Систем за испитивање
• Систем за прикупљање и обраду података — обично укључује контролер машине, десктоп рачунар и апликативни софтвер.

Доступност

Ове машине могу бити самостојеће, ручне и преносиве.

Тачност

Тачност координатних машина за мерење се обично даје као фактор несигурности у зависности од удаљености. За ЦММ који користи додирну сонду, ово се односи на поновљивост сонде и тачност линеарних скала. Типична поновљивост сонде може резултирати мерењима унутар 0,001 мм или 0,00005 инча (пола десетине) преко целе запремине мерења. За машине са 3, 3+2 и 5 оса, сонде се рутински калибришу коришћењем следљивих стандарда, а кретање машине се верификује помоћу мерача како би се осигурала тачност.

Одређени делови

Тело машине

Прву ЦММ развила је компанија Феранти из Шкотске 1950-их година као резултат директне потребе за мерењем прецизних компоненти у својим војним производима, иако је ова машина имала само 2 осе. Први модели са 3 осе почели су да се појављују 1960-их (DEA из Италије), а рачунарско управљање је дебитовало почетком 1970-их, али је прву радну ЦММ развила и ставила у продају компанија Браун и Шарп у Мелбурну, у Енглеској. (Лајц Немачка је потом произвела фиксну структуру машине са покретним столом.)

У модерним машинама, надградња типа портала има две ноге и често се назива мост. Она се слободно креће дуж гранитног стола са једном ногом (често називаном унутрашњом ногом) пратећи вођицу причвршћену за једну страну гранитног стола. Супротна нога (често спољашња нога) једноставно лежи на гранитном столу пратећи контуру вертикалне површине. Ваздушни лежајеви су изабрана метода за обезбеђивање кретања без трења. Код њих се компримовани ваздух пробија кроз низ веома малих рупа у равној површини лежаја како би се обезбедио глатки, али контролисани ваздушни јастук на којем се ЦММ може кретати готово без трења, што се може компензовати софтвером. Кретање моста или портала дуж гранитног стола формира једну осу XY равни. Мост портала садржи колица која се крећу између унутрашњих и спољашњих ногу и формирају другу X или Y хоризонталну осу. Трећа оса кретања (Z оса) је обезбеђена додавањем вертикалне пиноле или вретена које се креће горе-доле кроз центар колица. Сонда за додир формира сензорски уређај на крају пиноле. Кретање X, Y и Z оса у потпуности описује мерну облогу. Опциони ротациони столови могу се користити за побољшање приступачности мерне сонде компликованим радним предметима. Ротациони сто као четврта погонска оса не побољшава димензије мерења, које остају тродимензионалне, али пружа известан степен флексибилности. Неке додирне сонде су саме по себи ротациони уређаји са погоном, чији се врх сонде може вертикално окретати за више од 180 степени и за пуних 360 степени ротације.

Комерцијалне мери (CMM) су сада доступне и у разним другим облицима. То укључује CMM руке које користе угаона мерења направљена на зглобовима руке за израчунавање положаја врха писаљке и могу бити опремљене сондама за ласерско скенирање и оптичко снимање. Такве CMM руке се често користе тамо где је њихова преносивост предност у односу на традиционалне CMM машине са фиксним креветом - чувањем измерених локација, софтвер за програмирање такође омогућава померање саме мерне руке и њене запремине мерења око дела који се мери током рутине мерења. Пошто CMM руке имитирају флексибилност људске руке, оне су такође често у стању да досегну унутрашњост сложених делова који се не могу мерити помоћу стандардне машине са три осе.

Механичка сонда

У раним данима координатног мерења (ЦММ), механичке сонде су биле постављене у посебан држач на крају пиноле. Веома уобичајена сонда је направљена лемљењем тврде кугле на крај вратила. Ово је било идеално за мерење читавог низа равних, цилиндричних или сферних површина. Друге сонде су брушене у одређене облике, на пример квадрант, како би се омогућило мерење посебних карактеристика. Ове сонде су физички држане уз радни предмет, а положај у простору се очитавао са троосног дигиталног очитавача (ДРО) или, у напреднијим системима, уносио се у рачунар помоћу ножног прекидача или сличног уређаја. Мерења извршена овом контактном методом често су била непоуздана јер су се машине померале ручно и сваки оператер машине је примењивао различите количине притиска на сонду или је усвајао различите технике за мерење.

Даљи развој био је додавање мотора за покретање сваке осе. Оператори више нису морали физички да додирују машину, већ су могли да управљају сваком осом користећи ручну кутију са џојстицима на сличан начин као код модерних аутомобила са даљинским управљањем. Тачност и прецизност мерења драматично су се побољшале изумом електронске сонде са додирним окидачем. Пионир овог новог уређаја за сонду био је Дејвид Мекмартри, који је касније основао оно што је сада Renishaw plc. Иако је и даље био контактни уређај, сонда је имала оловку од челичне куглице (касније рубинске куглице) са опругом. Када је сонда додирнула површину компоненте, оловка се скретала и истовремено слала информације о координатама X, Y и Z рачунару. Грешке у мерењу које су изазвали појединачни оператери постале су мање и постављена је сцена за увођење CNC операција и долазак ЦММ-а.

Оптичке сонде су системи сочива и CCD-а, који се померају попут механичких и усмерени су ка тачки интереса, уместо да додирују материјал. Снимљена слика површине биће затворена у границама мерног прозора, све док остатак не буде довољан да контрастира између црних и белих зона. Крива поделе може се израчунати до тачке, која је жељена тачка мерења у простору. Хоризонталне информације на CCD-у су 2D (XY), а вертикални положај је положај комплетног система за мерење на постољу, Z-погону (или другој компоненти уређаја).

Системи скенирајуће сонде

Постоје новији модели који имају сонде које се вуку дуж површине тачака узимања дела у одређеним интервалима, познате као сонде за скенирање. Ова метода контроле ЦММ-ом је често прецизнија од конвенционалне методе додирне сонде и најчешће је бржа.

Следећа генерација скенирања, позната као бесконтактно скенирање, која укључује брзу ласерску триангулацију једне тачке, скенирање ласерских линија и скенирање белом светлошћу, напредује веома брзо. Ова метода користи или ласерске зраке или белу светлост које се пројектују на површину дела. Хиљаде тачака се затим могу узети и користити не само за проверу величине и положаја, већ и за креирање 3Д слике дела. Ови „подаци о облаку тачака“ се затим могу пренети у CAD софтвер да би се креирао радни 3Д модел дела. Ови оптички скенери се често користе на меким или осетљивим деловима или за олакшавање реверзног инжењеринга.

Микрометролошке сонде

Системи за мерење за микроскопске метролошке примене су још једно ново подручје. Постоји неколико комерцијално доступних координатних мерних машина (CMM) које имају микросонду интегрисану у систем, неколико специјализованих система у владиним лабораторијама и велики број универзитетских метролошких платформи за микроскопску метрологију. Иако су ове машине добре, а у многим случајевима и одличне метролошке платформе са нанометарским размерама, њихово главно ограничење је поуздана, робусна и способна микро/нано сонда.^{[потребан је цитат]}Изазови за технологије микроскопског сондирања укључују потребу за сондом високог односа ширине и висине која омогућава приступ дубоким, уским карактеристикама са малим контактним силама како се не би оштетила површина и високом прецизношћу (нанометарски ниво).^{[потребан је цитат]}Поред тога, микроскопске сонде су подложне условима околине као што су влажност и површинске интеракције као што је лепљење (узроковано адхезијом, менискусом и/или Ван дер Валсовим силама, између осталог).^{[потребан је цитат]}

Технологије за постизање микроскопског сондирања укључују умањене верзије класичних CMM сонди, оптичких сонди и сонде са стојећим таласом, између осталог. Међутим, тренутне оптичке технологије не могу се довољно смањити да би се измериле дубоке, уске карактеристике, а оптичка резолуција је ограничена таласном дужином светлости. Рендгенско снимање пружа слику карактеристике, али не и следиве метролошке информације.

Физички принципи

Могу се користити оптичке сонде и/или ласерске сонде (ако је могуће у комбинацији), што мења ЦММ-ове у мерне микроскопе или вишесензорске мерне машине. Системи за пројекцију ресица, теодолитни системи за триангулацију или ласерски системи за дистанцирање и триангулацију се не називају мерним машинама, али је резултат мерења исти: просторна тачка. Ласерске сонде се користе за детекцију растојања између површине и референтне тачке на крају кинематичког ланца (тј. крај Z-погонске компоненте). Ово може користити интерферометријску функцију, варијацију фокуса, скретање светлости или принцип сенчења снопа.

Преносне машине за мерење координата

Док традиционални ЦММ-ови користе сонду која се креће дуж три картезијанске осе за мерење физичких карактеристика објекта, преносиви ЦММ-ови користе или зглобне руке или, у случају оптичких ЦММ-ова, системе за скенирање без руке који користе методе оптичке триангулације и омогућавају потпуну слободу кретања око објекта.

Преносиви ЦММ-ови са зглобним рукама имају шест или седам оса које су опремљене ротационим енкодерима, уместо линеарних оса. Преносиви кракови су лагани (обично мањи од 9 килограма) и могу се носити и користити скоро свуда. Међутим, оптички ЦММ-ови се све више користе у индустрији. Дизајнирани са компактним линеарним или матричним камерама (као што је Microsoft Kinect), оптички ЦММ-ови су мањи од преносивих ЦММ-ова са рукама, немају жице и омогућавају корисницима да лако врше 3Д мерења свих врста објеката који се налазе скоро свуда.

Одређене једнократне примене као што су реверзни инжењеринг, брза израда прототипова и инспекција делова свих величина на великим размерама идеално су погодне за преносиве ЦММ-ове. Предности преносивих ЦММ-ова су вишеструке. Корисници имају флексибилност у вршењу 3Д мерења свих врста делова и на најудаљенијим/најтежим локацијама. Једноставни су за употребу и не захтевају контролисано окружење за прецизна мерења. Штавише, преносиви ЦММ-ови обично коштају мање од традиционалних ЦММ-ова.

Инхерентни недостаци преносивих ЦММ-ова су ручни рад (увек је потребан човек да би их користили). Поред тога, њихова укупна тачност може бити нешто мање прецизна од ЦММ-а мостовног типа и мање је погодна за неке примене.

Мултисензорске мерне машине

Традиционална ЦММ технологија која користи додирне сонде данас се често комбинује са другим технологијама мерења. То укључује ласерске, видео или сензоре беле светлости како би се обезбедило оно што је познато као мултисензорско мерење.