מהי מכונת מדידת קואורדינטות?

אמכונת מדידת קואורדינטות(CMM) הוא מכשיר המודד את הגיאומטריה של עצמים פיזיים על ידי חישת נקודות נפרדות על פני השטח של העצם באמצעות גלאי. סוגים שונים של גלאים משמשים ב-CMMs, כולל גלאים מכניים, אופטיים, לייזר ואור לבן. בהתאם למכונה, מיקום הגלאי עשוי להיות נשלט ידנית על ידי מפעיל או שהוא עשוי להיות נשלט על ידי מחשב. CMMs בדרך כלל מציינים את מיקום הגלאי במונחים של תזוזה שלו ממיקום ייחוס במערכת קואורדינטות קרטזית תלת-ממדית (כלומר, עם צירי XYZ). בנוסף להזזת הגלאי לאורך צירי X, Y ו-Z, מכונות רבות מאפשרות גם שליטה בזווית הגלאי כדי לאפשר מדידה של משטחים שאחרת לא היו ניתנים להשגה.

מכונת CMM תלת-ממדית טיפוסית מסוג "גשר" מאפשרת תנועת גלאי לאורך שלושה צירים, X, Y ו-Z, אשר אורתוגונליים זה לזה במערכת קואורדינטות קרטזית תלת-ממדית. לכל ציר יש חיישן המנטר את מיקום הגלילית על ציר זה, בדרך כלל בדיוק מיקרומטר. כאשר הגלילית נוגעת (או מזהה בדרך אחרת) במיקום מסוים על האובייקט, המכונה דוגמת את שלושת חיישני המיקום, ובכך מודדת את מיקום נקודה אחת על פני האובייקט, כמו גם את הווקטור התלת-ממדי של המדידה שנלקחה. תהליך זה חוזר על עצמו לפי הצורך, תוך הזזת הגלילית בכל פעם, כדי לייצר "ענן נקודות" המתאר את שטחי הפנים המעניינים.

שימוש נפוץ במערכות CMM הוא בתהליכי ייצור והרכבה לבדיקת חלק או מכלול מול כוונת התכנון. ביישומים כאלה, נוצרים ענני נקודות אשר מנותחים באמצעות אלגוריתמי רגרסיה לבניית מאפיינים. נקודות אלו נאספות באמצעות גלאי הממוקם ידנית על ידי מפעיל או באופן אוטומטי באמצעות בקרת מחשב ישירה (DCC). ניתן לתכנת מערכות CMM DCC למדוד שוב ושוב חלקים זהים; לפיכך, CMM אוטומטי הוא סוג מיוחד של רובוט תעשייתי.

חלקים

מכונות מדידת קואורדינטות כוללות שלושה רכיבים עיקריים:

• המבנה העיקרי הכולל שלושה צירי תנועה. החומר המשמש לבניית המסגרת הנעה השתנה במהלך השנים. גרניט ופלדה שימשו ב-CMM המוקדמים. כיום כל יצרני ה-CMM הגדולים בונים מסגרות מסגסוגת אלומיניום או נגזרת כלשהי, וגם משתמשים בקרמיקה כדי להגביר את קשיחות ציר ה-Z עבור יישומי סריקה. מעט בוני CMM כיום עדיין מייצרים CMM עם מסגרות גרניט עקב דרישת השוק לשיפור הדינמיקה המטרולוגית והמגמה הגוברת להתקין CMM מחוץ למעבדת האיכות. בדרך כלל, רק בוני CMM בנפח נמוך ויצרנים מקומיים בסין ובהודו עדיין מייצרים CMM עם מסגרות גרניט עקב גישת הטכנולוגיה הנמוכה והכניסה הקלה לבוני מסגרות CMM. המגמה הגוברת לסריקה דורשת גם את ציר ה-Z של CMM להיות קשיח יותר, וחומרים חדשים הוצגו כגון קרמיקה וסיליקון קרביד.
• מערכת בדיקה
• מערכת איסוף וצמצום נתונים - כוללת בדרך כלל בקר מכונה, מחשב שולחני ותוכנת יישומים.

זְמִינוּת

מכונות אלה יכולות להיות עומדות באופן עצמאי, ניידות וניידות.

דִיוּק

הדיוק של מכונות מדידת קואורדינטות ניתן בדרך כלל כגורם אי-ודאות כפונקציה על פני מרחק. עבור CMM המשתמש בפרוב מגע, זה קשור לחזרתיות של הפרוב ולדיוקן של קני המידה הליניאריים. חזרתיות אופיינית של הפרוב יכולה לגרום למדידות של 0.001 מ"מ או 0.00005 אינץ' (חצי עשירית) על פני כל נפח המדידה. עבור מכונות 3, 3+2 ו-5 צירים, הפרובים מכוילים באופן שגרתי באמצעות סטנדרטים הניתנים למעקב ותנועת המכונה מאומתת באמצעות מדידים כדי להבטיח דיוק.

חלקים ספציפיים

גוף המכונה

מכונת המדידה הממוחשבת הראשונה פותחה על ידי חברת פרנטי מסקוטלנד בשנות ה-50 כתוצאה מצורך ישיר למדוד רכיבים מדויקים במוצרים הצבאיים שלה, למרות שלמכונה זו היו רק 2 צירים. הדגמים הראשונים בעלי 3 צירים החלו להופיע בשנות ה-60 (DEA של איטליה) ובקרת מחשב הופיעה לראשונה בתחילת שנות ה-70, אך מכונת המדידה הממוחשבת הראשונה שעבדה פותחה והוצע למכירה על ידי Browne & Sharpe במלבורן, אנגליה. (Leitz גרמניה ייצרה לאחר מכן מבנה מכונה קבוע עם שולחן נע).

במכונות מודרניות, למבנה העל מסוג גשר יש שתי רגליים והוא נקרא לעתים קרובות גשר. גשר זה נע בחופשיות לאורך שולחן הגרניט כאשר רגל אחת (המכונה לעתים קרובות רגל פנימית) עוקבת אחר מסילה מובילה המחוברת לצד אחד של שולחן הגרניט. הרגל הנגדית (לעתים קרובות רגל חיצונית) פשוט נשענת על שולחן הגרניט ועוקבת אחר קווי המתאר האנכיים של המשטח. מיסבי אוויר הם השיטה הנבחרת להבטחת תנועה ללא חיכוך. במסבים אלה, אוויר דחוס נדחק דרך סדרה של חורים קטנים מאוד במשטח מיסב שטוח כדי לספק כרית אוויר חלקה אך מבוקרת שעליה ה-CMM יכול לנוע בצורה כמעט ללא חיכוך, שניתן לפצות עליה באמצעות תוכנה. תנועת הגשר או הגשר לאורך שולחן הגרניט יוצרת ציר אחד של מישור XY. גשר הגשר מכיל גררה העוברת בין הרגליים הפנימיות והחיצוניות ויוצרת את הציר האופקי השני X או Y. ציר התנועה השלישי (ציר Z) מסופק על ידי הוספת ציר אנכי או ציר הנעים למעלה ולמטה דרך מרכז הגררה. חיישן המגע יוצר את התקן החישה בקצה הציר. תנועת צירי X, Y ו-Z מתארת ​​באופן מלא את מעטפת המדידה. ניתן להשתמש בשולחנות סיבוביים אופציונליים כדי לשפר את נגישות חיישן המדידה לחלקי עבודה מורכבים. שולחן הסיבוב כציר הנעה רביעי אינו משפר את ממדי המדידה, שנשארים תלת-ממדיים, אך הוא מספק מידה מסוימת של גמישות. חלק ממיידי המגע הם בעצמם מכשירים סיבוביים מופעלים, כאשר קצה המדידה מסוגל להסתובב אנכית ביותר מ-180 מעלות ולבצע סיבוב מלא של 360 מעלות.

כיום מערכות CMM זמינות גם במגוון צורות אחרות. אלה כוללות זרועות CMM המשתמשות במדידות זוויתיות הנלקחות במפרקי הזרוע כדי לחשב את מיקום קצה הסטיילוס, וניתן לצייד אותן בגשושים לסריקת לייזר והדמיה אופטית. מערכות CMM כאלה משמשות לעתים קרובות במקרים בהם ניידותן מהווה יתרון על פני מערכות CMM מסורתיות בעלות מצע קבוע - על ידי אחסון מיקומים שנמדדו, תוכנת תכנות מאפשרת גם להזיז את זרוע המדידה עצמה, ואת נפח המדידה שלה, סביב החלק המיועד למדידה במהלך שגרת מדידה. מכיוון שזרועות CMM מחקות את הגמישות של זרוע אנושית, הן מסוגלות לעתים קרובות גם להגיע לחלקים הפנימיים של חלקים מורכבים שלא ניתן היה לחקור באמצעות מכונה סטנדרטית בעלת שלושה צירים.

גשש מכני

בימים הראשונים של מדידת הקואורדינטות (CMM), גלאים מכניים הורכבו במחזיק מיוחד בקצה הקולמוס. גלאי נפוץ מאוד נוצר על ידי הלחמת כדור קשיח לקצה הציר. זה היה אידיאלי למדידת מגוון רחב של משטחים שטוחים, גליליים או כדוריים. גלאים אחרים הוטחנו לצורות ספציפיות, למשל רביע, כדי לאפשר מדידה של מאפיינים מיוחדים. גלאים אלה הוחזקו פיזית כנגד חומר העבודה כאשר המיקום במרחב נקרא ממדפסת דיגיטלית תלת צירית (DRO) או, במערכות מתקדמות יותר, נרשם במחשב באמצעות מתג רגל או מכשיר דומה. מדידות שבוצעו בשיטת מגע זו היו לעתים קרובות לא אמינות מכיוון שהמכונות הוזזו ידנית וכל מפעיל מכונה הפעיל כמויות שונות של לחץ על הגלאי או אימץ טכניקות שונות למדידה.

פיתוח נוסף היה הוספת מנועים להנעת כל ציר. מפעילים לא היו צריכים עוד לגעת פיזית במכונה, אלא יכלו להניע כל ציר באמצעות קופסת יד עם ג'ויסטיקים, בדומה לאופן שבו משתמשים במכוניות מודרניות הנשלטות מרחוק. דיוק המדידה השתפרו באופן דרמטי עם המצאת גשש המגע האלקטרוני. חלוץ מכשיר הגשש החדש הזה היה דיוויד מק'מורטרי, אשר לאחר מכן הקים את מה שכיום היא Renishaw plc. למרות שעדיין היה מכשיר מגע, גשש המכונה עטוף בעט כדור פלדה טעון קפיץ (מאוחר יותר כדור אודם). כאשר גשש המכונה נגע בפני השטח של הרכיב, עט המכונה סטה ושלח בו זמנית את מידע הקואורדינטות X, Y, Z למחשב. שגיאות המדידה שנגרמו על ידי מפעילים בודדים הפכו פחותות והבמה הוכנה להכנסת פעולות CNC ולהתבגרות של מכונות CMM.

גלאים אופטיים הם מערכות CCD בעלות עדשה, אשר מוזזות כמו גלאים מכניים, ומכוונות לנקודת העניין, במקום לגעת בחומר. התמונה המצולמת של המשטח תוגדר בגבולות חלון מדידה, עד שהשארית מספיקה כדי ליצור ניגודיות בין אזורים שחורים ולבנים. ניתן לחשב את עקומת החלוקה לנקודה, שהיא נקודת המדידה הרצויה במרחב. המידע האופקי ב-CCD הוא דו-ממדי (XY) והמיקום האנכי הוא מיקום מערכת הגלאים המלאה על גבי מעמד Z-drive (או רכיב אחר של המכשיר).

מערכות גשוש סריקה

ישנם דגמים חדשים יותר הכוללים גלאים (probes) הנגררים לאורך פני השטח של נקודות האיסוף של החלק במרווחים מוגדרים, המכונים גלאי סריקה. שיטה זו של בדיקת CMM לרוב מדויקת יותר משיטת גלאי המגע הקונבנציונלית, ולרוב גם מהירה יותר.

הדור הבא של הסריקה, המכונה סריקה ללא מגע, הכוללת טריאנגולציה של נקודה בודדת בלייזר במהירות גבוהה, סריקת קווי לייזר וסריקת אור לבן, מתקדמת במהירות רבה. שיטה זו משתמשת בקרני לייזר או באור לבן המוקרנים על פני החלק. לאחר מכן ניתן לקחת אלפי נקודות ולהשתמש בהן לא רק כדי לבדוק גודל ומיקום, אלא גם כדי ליצור תמונה תלת-ממדית של החלק. לאחר מכן ניתן להעביר את "נתוני ענן הנקודות" הללו לתוכנת CAD כדי ליצור מודל תלת-ממדי עובד של החלק. סורקים אופטיים אלה משמשים לעתים קרובות על חלקים רכים או עדינים או כדי להקל על הנדסה הפוכה.

גששי מיקרומטרולוגיה

מערכות בדיקה עבור יישומי מטרולוגיה בקנה מידה מיקרוסקופי הן תחום מתפתח נוסף. ישנן מספר מכונות מדידה קואורדינטות (CMM) זמינות מסחרית הכוללות מיקרו-גשש משולב במערכת, מספר מערכות מיוחדות במעבדות ממשלתיות, ומספר רב של פלטפורמות מטרולוגיה אוניברסיטאיות עבור מטרולוגיה בקנה מידה מיקרוסקופי. למרות שמכונות אלו הן פלטפורמות מטרולוגיה טובות ובמקרים רבים מצוינות עם קני מידה ננומטריים, המגבלה העיקרית שלהן היא מיקרו/ננו-גשש אמין, חזק ובעל יכולת גבוהה.^{[נדרש ציטוט]}האתגרים בפני טכנולוגיות בדיקה בקנה מידה מיקרוסקופי כוללים את הצורך בבדיקה בעלת יחס גובה-רוחב גבוה, המאפשרת גישה לתכונות עמוקות וצרות עם כוחות מגע נמוכים כדי לא לפגוע במשטח, ודיוק גבוה (ברמת ננומטרי).^{[נדרש ציטוט]}בנוסף, גלאים בקנה מידה מיקרוסקופי רגישות לתנאים סביבתיים כגון לחות ואינטראקציות פני שטח כגון הידבקות (הנגרמת על ידי הידבקות, מניסקוס ו/או כוחות ואן דר ואלס בין היתר).^{[נדרש ציטוט]}

טכנולוגיות להשגת בדיקה בקנה מידה מיקרוסקופי כוללות גרסה מצומצמת של בדיקות CMM קלאסיות, בדיקות אופטיות ובדיקה בעלת גל עומד, בין היתר. עם זאת, טכנולוגיות אופטיות נוכחיות אינן ניתנות לקנה מידה קטן מספיק כדי למדוד מאפיינים עמוקים וצרים, והרזולוציה האופטית מוגבלת על ידי אורך הגל של האור. הדמיית קרני רנטגן מספקת תמונה של המאפיינים אך אינה מספקת מידע מטרולוגי שניתן לעקוב אחריהם.

עקרונות פיזיקליים

ניתן להשתמש בחרובים אופטיים ו/או בחרובים לייזר (אם אפשר בשילוב), אשר הופכים את מכונות CMM למיקרוסקופי מדידה או מכונות מדידה מרובות חיישנים. מערכות הקרנת שוליים, מערכות טריאנגולציה של תיאודוליט או מערכות טריאנגולציה ומרחק בלייזר אינן נקראות מכונות מדידה, אך תוצאת המדידה זהה: נקודת מרחב. חרובים לייזר משמשים לגילוי המרחק בין המשטח לנקודת הייחוס בקצה השרשרת הקינמטית (כלומר: קצה רכיב הנעת Z). ניתן להשתמש בכך בפונקציה אינטרפרומטרית, וריאציה של מיקוד, הסטה של ​​אור או עקרון הצללת קרן.

מכונות ניידות למדידת קואורדינטות

בעוד שמכונות CMM מסורתיות משתמשות בפרוביק הנע על שלושה צירים קרטזיים כדי למדוד את המאפיינים הפיזיים של אובייקט, מכונות CMM ניידות משתמשות בזרועות מפרקיות או, במקרה של CMM אופטיות, במערכות סריקה ללא זרועות המשתמשות בשיטות טריאנגולציה אופטיות ומאפשרות חופש תנועה מוחלט סביב האובייקט.

למכונות CMM ניידות עם זרועות מפרקיות יש שישה או שבעה צירים המצוידים במקודדים סיבוביים, במקום צירים ליניאריים. זרועות ניידות הן קלות משקל (בדרך כלל פחות מ-20 פאונד) וניתן לשאת אותן ולהשתמש בהן כמעט בכל מקום. עם זאת, מכונות CMM אופטיות נמצאות בשימוש הולך וגובר בתעשייה. מכונות CMM אופטיות, שתוכננו עם מצלמות קומפקטיות ליניאריות או מערך מטריצות (כמו Microsoft Kinect), הן קטנות יותר ממכונות CMM ניידות עם זרועות, ללא חוטים ומאפשרות למשתמשים לבצע בקלות מדידות תלת-ממדיות של כל סוגי האובייקטים הממוקמים כמעט בכל מקום.

יישומים מסוימים שאינם חוזרים על עצמם, כגון הנדסה הפוכה, ייצור אב טיפוס מהיר ובדיקה בקנה מידה גדול של חלקים בכל הגדלים, מתאימים באופן אידיאלי למכונות CMM ניידות. היתרונות של מכונות CMM ניידות הן רבות. למשתמשים יש גמישות בביצוע מדידות תלת-ממדיות של כל סוגי החלקים ובמיקומים המרוחקים/קשים ביותר. הן קלות לשימוש ואינן דורשות סביבה מבוקרת כדי לבצע מדידות מדויקות. יתר על כן, מכונות CMM ניידות נוטות לעלות פחות ממכונות CMM מסורתיות.

החיסרון הטמון במערכות CMM ניידות הוא הפעלה ידנית (הן תמיד דורשות אדם כדי להשתמש בהן). בנוסף, הדיוק הכולל שלהן יכול להיות מעט פחות מדויק מזה של מערכות CMM מסוג גשר והוא פחות מתאים ליישומים מסוימים.

מכונות מדידה רב-חיישניות

טכנולוגיית CMM מסורתית המשתמשת ב-PROBE TOuch (מגע-חיישנים) משולבת כיום לעתים קרובות עם טכנולוגיות מדידה אחרות. זה כולל חיישני לייזר, וידאו או אור לבן כדי לספק את מה שמכונה מדידה רב-חיישנית.