Kio estas koordinata mezurmaŝino?

Akoordinata mezurmaŝino(CMM) estas aparato kiu mezuras la geometrion de fizikaj objektoj per sentado de diskretaj punktoj sur la surfaco de la objekto per sondilo. Diversaj specoj de sondiloj estas uzataj en CMM-oj, inkluzive de mekanikaj, optikaj, laseraj kaj blankaj lumo. Depende de la maŝino, la pozicio de la sondilo povas esti mane kontrolata de funkciigisto aŭ ĝi povas esti komputile kontrolata. CMM-oj tipe specifas la pozicion de sondilo laŭ ĝia delokiĝo de referenca pozicio en tridimensia kartezia koordinatsistemo (t.e., kun XYZ-aksoj). Aldone al movado de la sondilo laŭ la X, Y kaj Z-aksoj, multaj maŝinoj ankaŭ permesas kontroli la angulon de la sondilo por ebligi mezuradon de surfacoj kiuj alie estus neatingeblaj.

La tipa 3D "ponta" CMM permesas movadon de la sondilo laŭ tri aksoj, X, Y kaj Z, kiuj estas ortaj unu al la alia en tridimensia kartezia koordinatsistemo. Ĉiu akso havas sensilon, kiu monitoras la pozicion de la sondilo sur tiu akso, tipe kun mikrometra precizeco. Kiam la sondilo kontaktas (aŭ alie detektas) specifan lokon sur la objekto, la maŝino provas la tri poziciajn sensilojn, tiel mezurante la lokon de unu punkto sur la surfaco de la objekto, same kiel la 3-dimensian vektoron de la prenita mezurado. Ĉi tiu procezo estas ripetata laŭbezone, movante la sondilon ĉiufoje, por produkti "punktan nubon", kiu priskribas la surfacareojn de intereso.

Ofta uzo de CMM-oj estas en fabrikadaj kaj muntaj procezoj por testi parton aŭ muntadon kontraŭ la dezajna intenco. En tiaj aplikoj, punktonuboj estas generitaj, kiuj estas analizitaj per regresaj algoritmoj por la konstruado de trajtoj. Ĉi tiuj punktoj estas kolektitaj per sondilo, kiu estas poziciigita mane de funkciigisto aŭ aŭtomate per Rekta Komputila Kontrolo (DCC). DCC-CMM-oj povas esti programitaj por plurfoje mezuri identajn partojn; tial aŭtomatigita CMM estas specialigita formo de industria roboto.

Partoj

Koordinat-mezuraj maŝinoj inkluzivas tri ĉefajn komponantojn:

• La ĉefa strukturo, kiu inkluzivas tri movajn aksojn. La materialo uzata por konstrui la movantan kadron variis tra la jaroj. Granito kaj ŝtalo estis uzataj en la fruaj CMM-oj. Hodiaŭ ĉiuj gravaj CMM-fabrikistoj konstruas kadrojn el aluminia alojo aŭ iu derivaĵo kaj ankaŭ uzas ceramikon por pliigi la rigidecon de la Z-akso por skanadaj aplikoj. Malmultaj CMM-konstruistoj hodiaŭ ankoraŭ fabrikas granitajn CMM-ojn kun kadro pro la merkata postulo por plibonigita metrologia dinamiko kaj kreskanta tendenco instali CMM-ojn ekster la kvalita laboratorio. Tipe nur malaltvolumenaj CMM-konstruistoj kaj hejmaj fabrikantoj en Ĉinio kaj Barato ankoraŭ fabrikas granitajn CMM-ojn pro malalt-teknologia aliro kaj facila eniro por iĝi CMM-kadrokonstruisto. La kreskanta tendenco al skanado ankaŭ postulas, ke la Z-akso de la CMM estu pli rigida, kaj novaj materialoj estis enkondukitaj, kiel ceramiko kaj siliciokarbido.
• Sonda sistemo
• Sistemo por datenkolektado kaj reduktado — tipe inkluzivas maŝinregilon, tablokomputilon kaj aplikaĵsoftvaron.

Havebleco

Ĉi tiuj maŝinoj povas esti memstaraj, porteblaj kaj manteneblaj.

Precizeco

La precizeco de koordinatmezurmaŝinoj estas tipe donita kiel necertecfaktoro kiel funkcio super distanco. Por CMM uzanta tuŝsondadon, ĉi tio rilatas al la ripeteblo de la sondilo kaj la precizeco de la liniaj skaloj. Tipa sonda ripeteblo povas rezultigi mezuradojn ene de 0,001 mm aŭ 0,00005 coloj (duona dekono) super la tuta mezurvolumeno. Por 3-, 3+2- kaj 5-aksaj maŝinoj, sondiloj estas rutine kalibritaj uzante spureblajn normojn kaj la maŝinmovado estas kontrolita uzante mezurilojn por certigi precizecon.

Specifaj partoj

Maŝinkorpo

La unua CMM estis evoluigita de la firmao Ferranti de Skotlando en la 1950-aj jaroj kiel rezulto de rekta bezono mezuri precizajn komponantojn en siaj militaj produktoj, kvankam ĉi tiu maŝino havis nur 2 aksojn. La unuaj 3-aksaj modeloj komencis aperi en la 1960-aj jaroj (DEA de Italio) kaj komputila kontrolo debutis en la fruaj 1970-aj jaroj, sed la unua funkcianta CMM estis evoluigita kaj vendita de Browne & Sharpe en Melburno, Anglio. (Leitz Germanio poste produktis fiksan maŝinstrukturon kun movebla tablo.)

En modernaj maŝinoj, la gantry-tipa superstrukturo havas du krurojn kaj ofte nomiĝas ponto. Ĝi moviĝas libere laŭlonge de la granita tablo, kun unu kruro (ofte nomata la interna kruro) sekvanta gvidrelon fiksitan al unu flanko de la granita tablo. La kontraŭa kruro (ofte ekstera kruro) simple ripozas sur la granita tablo sekvante la vertikalan surfacan konturon. Aerlagroj estas la elektita metodo por certigi senfrikcian moviĝadon. En ĉi tiuj, premaero estas devigita tra serio de tre malgrandaj truoj en plata lagrosurfaco por provizi glatan sed kontrolitan aerkusenon, sur kiu la CMM povas moviĝi preskaŭ senfrikcie, kio povas esti kompensita per programaro. La movado de la ponto aŭ gantry laŭlonge de la granita tablo formas unu akson de la XY-ebeno. La ponto de la gantry enhavas kaleŝon, kiu trairas inter la internaj kaj eksteraj kruroj kaj formas la alian X aŭ Y horizontalan akson. La tria movakso (Z-akso) estas provizita per la aldono de vertikala plumo aŭ spindelo, kiu moviĝas supren kaj malsupren tra la centro de la kaleŝo. La tuŝsondilo formas la sensilon ĉe la fino de la plumo. La movado de la aksoj X, Y kaj Z plene priskribas la mezuran koverton. Laŭvolaj rotaciaj tabloj povas esti uzataj por plibonigi la alireblecon de la mezursondilo al komplikaj laborpecoj. La rotacia tablo kiel kvara mova akso ne plibonigas la mezurdimensiojn, kiuj restas 3D, sed ĝi provizas gradon da fleksebleco. Kelkaj tuŝsondiloj estas mem elektraj rotaciaj aparatoj, kies sondilpinto kapablas turniĝi vertikale pli ol 180 gradojn kaj plenan 360-gradan rotacion.

CMM-oj nun ankaŭ haveblas en diversaj aliaj formoj. Tiuj inkluzivas CMM-brakojn, kiuj uzas angulajn mezuradojn prenitajn ĉe la artikoj de la brako por kalkuli la pozicion de la grifelopinto, kaj povas esti ekipitaj per sondiloj por lasera skanado kaj optika bildigo. Tiaj brakaj CMM-oj ofte estas uzataj kie ilia porteblo estas avantaĝo super tradiciaj fiks-lititaj CMM-oj - per stokado de mezuritaj lokoj, programado ankaŭ permesas movi la mezurbrakon mem, kaj ĝian mezurvolumenon, ĉirkaŭ la mezurota parto dum mezurrutino. Ĉar CMM-brakoj imitas la flekseblecon de homa brako, ili ankaŭ ofte kapablas atingi la internon de kompleksaj partoj, kiujn ne povus sondi per norma tri-aksa maŝino.

Mekanika sondilo

En la fruaj tagoj de koordinata mezurado (KMM), mekanikaj sondiloj estis muntitaj en specialan tenilon ĉe la fino de la plumo. Tre ofta sondilo estis farita per lutado de malmola globeto al la fino de ŝafto. Ĉi tio estis ideala por mezuri tutan gamon da plataj, cilindraj aŭ sferaj surfacoj. Aliaj sondiloj estis muelitaj al specifaj formoj, ekzemple kvadranto, por ebligi mezuradon de specialaj trajtoj. Ĉi tiuj sondiloj estis fizike tenataj kontraŭ la laborpeco, kaj la pozicio en la spaco estis legata de 3-aksa cifereca legilo (DRO) aŭ, en pli progresintaj sistemoj, registrita en komputilon per piedŝaltilo aŭ simila aparato. Mezuradoj faritaj per ĉi tiu kontakta metodo ofte estis nefidindaj, ĉar maŝinoj estis movataj permane kaj ĉiu maŝinfunkciigisto aplikis malsamajn kvantojn da premo sur la sondilon aŭ adoptis malsamajn teknikojn por la mezurado.

Plia evoluo estis la aldono de motoroj por funkciigi ĉiun akson. Operatoroj jam ne devis fizike tuŝi la maŝinon, sed povis funkciigi ĉiun akson uzante mankeston kun stirstangoj tre simile al modernaj teleregataj aŭtoj. La precizeco kaj precizeco de mezurado pliboniĝis draste per la invento de la elektronika tuŝellasilo. La pioniro de ĉi tiu nova sondilo estis David McMurtry, kiu poste formis tion, kio nun estas Renishaw plc. Kvankam ankoraŭ kontakta aparato, la sondilo havis risort-ŝarĝitan ŝtalgloban (poste rubengloban) grifelon. Kiam la sondilo tuŝis la surfacon de la komponanto, la grifelo deviiĝis kaj samtempe sendis la informojn pri la X, Y, Z koordinatoj al la komputilo. Mezurararoj kaŭzitaj de individuaj operatoroj malpliiĝis kaj la scenejo estis preta por la enkonduko de CNC-operacioj kaj la plenaĝiĝo de CMM-oj.

Optikaj sondiloj estas lenso-CCD-sistemoj, kiuj estas movataj kiel la mekanikaj, kaj estas direktitaj al la interesa punkto, anstataŭ tuŝi la materialon. La kaptita bildo de la surfaco estos enfermita en la limoj de mezurfenestro, ĝis la restaĵo adekvatas por kontrasti inter nigraj kaj blankaj zonoj. La dividanta kurbo povas esti kalkulita ĝis punkto, kiu estas la dezirata mezurpunkto en la spaco. La horizontala informo sur la CCD estas 2D (XY) kaj la vertikala pozicio estas la pozicio de la kompleta sondsistemo sur la stativo Z-movilo (aŭ alia aparatkomponento).

Skanantaj sondsistemoj

Ekzistas pli novaj modeloj kun sondiloj, kiuj trenas laŭ la surfaco de la parto, prenante punktojn je specifaj intervaloj, konataj kiel skanaj sondiloj. Ĉi tiu metodo de CMM-inspektado ofte estas pli preciza ol la konvencia tuŝ-sondila metodo kaj plejofte ankaŭ pli rapida.

La sekva generacio de skanado, konata kiel senkontakta skanado, kiu inkluzivas altrapidan laseran unupunktan trianguladon, laseran linioskanadon kaj blankan lumskanadon, progresas tre rapide. Ĉi tiu metodo uzas aŭ laserajn radiojn aŭ blankan lumon, kiuj estas projekciitaj kontraŭ la surfacon de la parto. Multaj miloj da punktoj povas esti prenitaj kaj uzataj ne nur por kontroli grandecon kaj pozicion, sed ankaŭ por krei 3D-bildon de la parto. Ĉi tiuj "punktnubaj datumoj" povas esti transdonitaj al CAD-programaro por krei funkcian 3D-modelon de la parto. Ĉi tiuj optikaj skaniloj ofte estas uzataj sur molaj aŭ delikataj partoj aŭ por faciligi inversan inĝenieradon.

Mikrometrologiaj sondiloj

Sondaj sistemoj por mikroskalaj metrologiaj aplikoj estas alia emerĝanta areo. Ekzistas pluraj komerce haveblaj koordinataj mezurmaŝinoj (CMM), kiuj havas mikrosondilon integritan en la sistemon, pluraj specialaj sistemoj ĉe registaraj laboratorioj, kaj multaj universitate konstruitaj metrologiaj platformoj por mikroskala metrologio. Kvankam ĉi tiuj maŝinoj estas bonaj kaj en multaj kazoj bonegaj metrologiaj platformoj kun nanometriaj skaloj, ilia ĉefa limigo estas fidinda, fortika, kapabla mikro/nanosondilo.^{[citaĵo bezonata]}Defioj por mikroskalaj sondaj teknologioj inkluzivas la bezonon de sondilo kun alta bildformato, kiu ebligas aliri profundajn, mallarĝajn ecojn kun malaltaj kontaktofortoj por ne difekti la surfacon kaj kun alta precizeco (nanometra nivelo).^{[citaĵo bezonata]}Plie, mikroskalaj sondiloj estas sentemaj al mediaj kondiĉoj kiel humideco kaj surfacaj interagoj kiel frotado (kaŭzita de adhero, menisko, kaj/aŭ fortoj de Van der Waals inter aliaj).^{[citaĵo bezonata]}

Teknologioj por atingi mikroskalan sondadon inkluzivas malpligrandigitajn versiojn de klasikaj CMM-sondiloj, optikajn sondilojn, kaj starantan ondan sondilon inter aliaj. Tamen, nunaj optikaj teknologioj ne povas esti skalitaj sufiĉe malgrande por mezuri profundajn, mallarĝajn trajtojn, kaj optika rezolucio estas limigita per la ondolongo de lumo. Rentgenfota bildigo provizas bildon de la trajto sed neniujn spureblajn metrologiajn informojn.

Fizikaj principoj

Optikaj sondiloj kaj/aŭ laseraj sondiloj povas esti uzataj (se eble kombine), kiuj ŝanĝas CMM-ojn al mezurmikroskopoj aŭ plursensilaj mezurmaŝinoj. Randaj projekciaj sistemoj, teodolitaj triangulaj sistemoj aŭ laseraj distanc- kaj triangulaj sistemoj ne nomiĝas mezurmaŝinoj, sed la mezurrezulto estas la sama: spaca punkto. Laseraj sondiloj estas uzataj por detekti la distancon inter la surfaco kaj la referenca punkto ĉe la fino de la kinematika ĉeno (t.e.: fino de la Z-stira komponanto). Tio povas uzi interferometrian funkcion, fokusan varion, lumdeklinon aŭ principon de ombrado de radio.

Porteblaj koordinatmezuraj maŝinoj

Dum tradiciaj CMM-oj uzas sondilon, kiu moviĝas laŭ tri karteziaj aksoj por mezuri la fizikajn karakterizaĵojn de objekto, porteblaj CMM-oj uzas aŭ artikajn brakojn aŭ, en la kazo de optikaj CMM-oj, senbrakajn skanadsistemojn, kiuj uzas optikajn trianguladajn metodojn kaj ebligas totalan moviĝliberecon ĉirkaŭ la objekto.

Porteblaj CMM-oj kun artikaj brakoj havas ses aŭ sep aksojn, kiuj estas ekipitaj per rotaciaj kodiloj, anstataŭ liniaj aksoj. Porteblaj brakoj estas malpezaj (tipe malpli ol 20 funtoj) kaj povas esti portitaj kaj uzataj preskaŭ ie ajn. Tamen, optikaj CMM-oj estas pli kaj pli uzataj en la industrio. Dizajnitaj per kompaktaj liniaj aŭ matricaj aro-fotiloj (kiel la Microsoft Kinect), optikaj CMM-oj estas pli malgrandaj ol porteblaj CMM-oj kun brakoj, ne havas dratojn, kaj ebligas al uzantoj facile fari 3D-mezuradojn de ĉiaj specoj de objektoj situantaj preskaŭ ie ajn.

Certaj neripetemaj aplikoj kiel inversa inĝenierado, rapida prototipado kaj grandskala inspektado de partoj de ĉiuj grandecoj estas ideale taŭgaj por porteblaj CMM-oj. La avantaĝoj de porteblaj CMM-oj estas multflankaj. Uzantoj havas la flekseblecon fari 3D-mezuradojn de ĉiuj specoj de partoj kaj en la plej malproksimaj/malfacilaj lokoj. Ili estas facile uzeblaj kaj ne postulas kontrolitan medion por fari precizajn mezuradojn. Krome, porteblaj CMM-oj emas kosti malpli ol tradiciaj CMM-oj.

La enecaj malavantaĝoj de porteblaj CMM-oj estas mana funkciigo (ili ĉiam postulas homon por uzi ilin). Krome, ilia ĝenerala precizeco povas esti iom malpli preciza ol tiu de pont-tipa CMM kaj estas malpli taŭga por iuj aplikoj.

Multisensor-mezurantaj maŝinoj

Tradicia CMM-teknologio uzanta tuŝosendilojn hodiaŭ ofte kombiniĝas kun aliaj mezurteknologioj. Tio inkluzivas laserajn, video- aŭ blankajn lumsensilojn por provizi tion, kio estas konata kiel plursensila mezurado.