מהי מכונת מדידה קואורדינטית?

אתיאום מכונת מדידה(CMM) הוא מכשיר המודד את הגיאומטריה של אובייקטים פיזיים על ידי חישת נקודות נפרדות על פני האובייקט באמצעות בדיקה. סוגים שונים של בדיקות משמשות ב- CMMs, כולל אור מכני, אופטי, לייזר ולבן. בהתאם למכונה, מיקום הבדיקה עשוי לשלוט ידנית על ידי מפעיל או שהוא עשוי להיות מבוקר למחשבים. CMMS בדרך כלל מציין את מיקום הבדיקה מבחינת העקירה שלו ממיקום התייחסות במערכת קואורדינטות קרטזית תלת מימדית (כלומר, עם צירי XYZ). בנוסף להעברת הבדיקה לאורך צירי ה- X, Y ו- Z, מכונות רבות מאפשרות גם לשלוט על זווית הבדיקה כדי לאפשר מדידה של משטחים שאחרים לא ניתן יהיה להשיג.

CMM "גשר" התלת-ממדי הטיפוסי מאפשר תנועת בדיקה לאורך שלושה צירים, x, y ו- z, שהם אורתוגונליים זה לזה במערכת קואורדינטות קרטזיות תלת מימדיות. לכל ציר יש חיישן המפקח על מיקום הגשוש בציר זה, בדרך כלל עם דיוק מיקרומטר. כאשר הבדיקה מתקשרת (או מגלה אחרת) מיקום מסוים באובייקט, המכונה מדגמת את שלושת חיישני המיקום, ובכך מודדת את מיקום נקודה אחת על פני האובייקט, כמו גם את הווקטור התלת מימדי של המדידה שנלקחה. תהליך זה חוזר על עצמו כנדרש, הזזת הבדיקה בכל פעם, לייצר "ענן נקודה" המתאר את תחומי השטח המעניינים.

שימוש נפוץ ב- CMMS הוא בתהליכי ייצור והרכבה לבדיקת חלק או הרכבה כנגד כוונת העיצוב. ביישומים כאלה נוצרים ענני נקודה המנותחים באמצעות אלגוריתמי רגרסיה לבניית תכונות. נקודות אלה נאספות באמצעות בדיקה הממוקמת באופן ידני על ידי מפעיל או אוטומטית באמצעות בקרת מחשב ישיר (DCC). ניתן לתכנת DCC CMMS כדי 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 לאורך השנים. גרניט ופלדה שימשו ב- CMM המוקדמים. כיום כל יצרני ה- CMM הגדולים בונים מסגרות מסגסוגת אלומיניום או נגזרת כלשהי ומשתמשים גם בקרמיקה כדי להגביר את קשיחות ציר ה- Z ליישומי סריקה. מעטים בוני CMM כיום עדיין מייצרים מסגרת גרניט CMM בגלל דרישת השוק לשיפור הדינמיקה המטרולוגית והגברת המגמה להתקנת CMM מחוץ למעבדת האיכות. בדרך כלל רק בוני CMM בנפח נמוך ויצרנים מקומיים בסין ובהודו עדיין מייצרים גרניט CMM בגלל גישה טכנולוגית נמוכה וכניסה קלה כדי להפוך לבניית מסגרת CMM. המגמה ההולכת וגוברת לסריקה מחייבת גם את ציר CMM Z להיות נוקשה יותר והוכנסו חומרים חדשים כמו קרמיקה וסיליקון קרביד.
• מערכת בדיקה
• מערכת איסוף והפחתת נתונים - כוללת בדרך כלל בקר מכונה, מחשב שולחני ותוכנת יישומים.

זְמִינוּת

מכונות אלה יכולות להיות עומדות חופשיות, כף יד ונייד.

דִיוּק

הדיוק של מכונות המדידה של קואורדינטות ניתן בדרך כלל כגורם אי וודאות כפונקציה על פני מרחק. עבור CMM באמצעות בדיקת מגע, זה קשור לחוזרות הדירות של הגשש ולדיוק הסולמות הליניאריים. יכולת חוזרת בדיקה אופיינית עלולה לגרום למדידות של .001 מ"מ או .00005 אינץ '(חצי עשירית) על כל נפח המדידה. עבור מכונות 3, 3+2 ו- 5 AXIS, בדיקות מכוילות באופן שגרתי באמצעות סטנדרטים הניתנים לעקוב ותנועת המכונה מאומתת באמצעות מדדים כדי להבטיח דיוק.

חלקים ספציפיים

גוף מכונה

ה- CMM הראשון פותח על ידי חברת פרנטי מסקוטלנד בשנות החמישים כתוצאה מצורך ישיר למדוד רכיבי דיוק במוצריהם הצבאיים, אם כי למכונה זו היו רק 2 צירים. הדגמים הראשונים של 3 צירים החלו להופיע בשנות השישים (DEA של איטליה) ובקרת המחשבים עלו לראשונה בתחילת שנות השבעים, אך ה- CMM הראשון העובד פותח והוצב על ידי Browne & Sharpe במלבורן, אנגליה. (לייץ גרמניה ייצרה לאחר מכן מבנה מכונה קבוע עם שולחן נע.

במכונות מודרניות, מבנה העל מסוג Gantry יש שתי רגליים והיא נקראת לעתים קרובות גשר. זה נע בחופשיות לאורך שולחן הגרניט עם רגל אחת (המכונה לעתים קרובות הרגל הפנימית) בעקבות מעקה מדריך המחובר לצד אחד של שולחן הגרניט. הרגל הנגדית (לרוב חיצונית רגל) פשוט מונחת על שולחן הגרניט בעקבות קווי המתאר של פני השטח. מיסבי אוויר הם השיטה שנבחרה להבטיח נסיעות חופשיות לחיכוך. באלה, אוויר דחוס נאלץ דרך סדרה של חורים קטנים מאוד במשטח מיסב שטוח כדי לספק כרית אוויר חלק אך מבוקרת עליה CMM יכול לנוע באופן כמעט חסר חיכוך שניתן לפצות עליו באמצעות תוכנה. תנועת הגשר או הגנטרי לאורך שולחן הגרניט יוצרת ציר אחד של מטוס ה- XY. גשר הגנטרי מכיל עגלה שחוצה בין הרגליים הפנימיות והחיצוניות ויוצרת את הציר האופקי X או Y האחרות. ציר התנועה השלישי (ציר Z) מסופק על ידי תוספת של קוויל או ציר אנכיים הנעים למעלה ולמטה דרך מרכז הכרכרה. בדיקת המגע יוצרת את מכשיר החישה בקצה הרעש. תנועת צירי X, Y ו- Z מתארת ​​באופן מלא את מעטפת המדידה. ניתן להשתמש בטבלאות סיבוב אופציונליות כדי לשפר את הנגישות של בדיקת המדידה ליצירות עבודה מורכבות. הטבלה הסיבובית כציר כונן רביעי אינה משפרת את מידות המדידה, שנשארות תלת מימד, אך היא מספקת מידה של גמישות. יש בדיקות מגע הן עצמן מכשירי סיבוב מופעלים עם קצה הבדיקה המסוגל להסתובב אנכית דרך יותר מ -180 מעלות ובאמצעות סיבוב מלא של 360 מעלות.

CMMs זמינים כעת גם במגוון צורות אחרות. אלה כוללים זרועות CMM המשתמשות במדידות זוויתיות שנלקחו במפרקי הזרוע כדי לחשב את מיקום קצה החרט, ויכולים להתאים לבדיקות לסריקת לייזר והדמיה אופטית. לעתים קרובות משתמשים ב- CMMs בזרוע כזו כאשר הניידות שלהם היא יתרון על פני CMMs מיטה קבועה מסורתית- על ידי אחסון מיקומים מדודים, תוכנת תכנות מאפשרת גם להזיז את זרוע המדידה עצמה, ונפח המדידה שלה, סביב החלק שיש למדוד במהלך שגרת מדידה. מכיוון שזרועות CMM מחקות את הגמישות של זרוע אנושית, הם גם יכולים לרוב להגיע לפנים של חלקים מורכבים שלא ניתן היה לחקור אותם באמצעות מכונת שלוש ציר רגילה.

בדיקה מכנית

בימים הראשונים של מדידת קואורדינטות (CMM) הותאמו בדיקות מכניות למחזיק מיוחד בסוף הקוויל. בדיקה נפוצה מאוד נעשתה על ידי הלחמת כדור קשה לקצה הפיר. זה היה אידיאלי למדידת מגוון שלם של פנים שטוחים, משטחים גליליים או כדוריים. בדיקות אחרות היו קרקעיות לצורות ספציפיות, למשל ריבוע, כדי לאפשר מדידה של תכונות מיוחדות. בדיקות אלה הוחזקו פיזית כנגד חומר העבודה כאשר המיקום בחלל נקרא מתוך קריאה דיגיטלית של 3 צירים (DRO) או, במערכות מתקדמות יותר, מחוברות למחשב באמצעות מכשיר רגל או מכשיר דומה. מדידות שננקטו בשיטת מגע זו לא היו אמינות לרוב מכיוון שמכונות הועברו ביד וכל מפעיל מכונה יישם כמויות שונות של לחץ על הגשש או טכניקות שונות למדידה.

התפתחות נוספת הייתה תוספת של מנועים לנהיגה בכל ציר. מפעילים כבר לא נאלצו לגעת במכונה פיזית אלא יכלו להניע כל ציר באמצעות תיבת יד עם ג'ויסטיק באותה צורה כמו עם מכוניות מודרניות בשלט מרחוק. דיוק המדידה ודיוק השתפרו באופן דרמטי עם המצאת בדיקת המגע האלקטרוני. החלוץ של מכשיר הבדיקה החדש הזה היה דייוויד מקמורטרי שהקים לאחר מכן את מה שכיום הוא Renishaw PLC. אף על פי שעדיין מכשיר מגע, הבדיקה היה בעל חרט פלדה עמוס קפיץ (מאוחר יותר כדור אודם). כאשר הבדיקה נגעה לפני השטח של הרכיב, הסטיילוס הוסטה ובו זמנית שלחה את המידע X, Y, Z למחשב. שגיאות מדידה שנגרמו על ידי מפעילים בודדים הפכו פחות והבמה נקבעה להכנסת פעולות CNC ולבואו של גיל CMMs.

בדיקות אופטיות הן מערכות עדשות-CCD, המועברות כמו מכניות, ומכוונות לנקודת העניין, במקום לגעת בחומר. תמונת השטח שנלכדה תסגור בגבולות חלון מדידה, עד שהשאריות מתאימות לניגודיות בין אזורים בשחור לבן. ניתן לחשב את עקומת ההפרדה לנקודה, שהיא נקודת המדידה המבוקשת במרחב. המידע האופקי ב- CCD הוא 2D (XY) והמיקום האנכי הוא מיקום מערכת הבדיקה המלאה בכונן Z (או רכיב מכשיר אחר).

סריקת מערכות בדיקות

ישנם דגמים חדשים יותר שיש להם בדיקות הגוררות על פני השטח של החלק שלקח נקודות במרווחים מוגדרים, המכונה בדיקות סריקה. שיטה זו של בדיקת CMM היא לרוב מדויקת יותר משיטת בדיקת המגע המקובלת וגם לרוב מהירה יותר.

הדור הבא של הסריקה, המכונה סריקה ללא קשר, הכולל משולש נקודה בודדת לייזר במהירות גבוהה, סריקת קו לייזר וסריקת אור לבן, מתקדם מהר מאוד. שיטה זו משתמשת בקורות לייזר או באור לבן המוקרן כנגד פני החלק. לאחר מכן ניתן לקחת אלפי נקודות רבות ולהשתמש בהן לא רק כדי לבדוק את הגודל והמיקום, אלא גם כדי ליצור תמונת תלת מימד של החלק. לאחר מכן ניתן להעביר "נתוני ענן נקודה" זה לתוכנת CAD כדי ליצור מודל תלת מימד עובד של החלק. סורקים אופטיים אלה משמשים לרוב על חלקים רכים או עדינים או כדי להקל על הנדסת רוורס.

בדיקות מיקרומטראולוגיה

מערכות בדיקה ליישומי מטרולוגיה מיקרוסקופית הן תחום מתפתח נוסף. ישנן מספר מכונות מדידה קואורדינטיות זמינות מסחרית (CMM) שיש בהן מיקרו-פרוב המשולב במערכת, מספר מערכות מיוחדות במעבדות ממשלתיות, וכל מספר של פלטפורמות מטרולוגיה שנבנו באוניברסיטה למטרולוגיה מיקרוסקופית. למרות שמכונות אלה טובות ובמקרים רבים פלטפורמות מטרולוגיה מצוינות עם סולמות ננומטריים, המגבלה העיקרית שלהן היא בדיקת מיקרו/ננו אמינה, חזקה ומסוגלת.^{[ציטוט צריך]}האתגרים לטכנולוגיות בדיקה מיקרוסקופיות כוללים את הצורך בבדיקת יחס רוחב רוחב גבוה המעניקה את היכולת לגשת לתכונות עמוקות וצרות עם כוחות מגע נמוכים כדי לא לפגוע במשטח ובדיוק גבוה (רמת ננומטר).^{[ציטוט צריך]}בנוסף בדיקות מיקרו -סולם רגישות לתנאים סביבתיים כמו לחות ואינטראקציות פני השטח כמו סגירה (הנגרמת כתוצאה מדבקה, מניסקוס ו/או כוחות ואן דר וואלס בין היתר).^{[ציטוט צריך]}

טכנולוגיות להשגת בדיקות מיקרוסקופיות כוללות גרסת קנה מידה של בדיקות CMM קלאסיות, בדיקות אופטיות ובדיקת גל עומד בין היתר. עם זאת, טכנולוגיות אופטיות נוכחיות לא ניתן לקפוץ קטנות מספיק כדי למדוד תכונה עמוקה, צרה, והרזולוציה האופטית מוגבלת על ידי אורך הגל של האור. הדמיית רנטגן מספקת תמונה של התכונה אך ללא מידע על מטרולוגיה הניתנת לעקוב.

עקרונות פיזיים

ניתן להשתמש בבדיקות אופטיות ו/או בדיקות לייזר (במידת האפשר בשילוב), המשנות CMMs למדידת מיקרוסקופים או מכונות מדידה מרובות חיישנים. מערכות הקרנת שוליים, מערכות משולש תיאודוליט או מערכות מרוחקות בלייזר ומערכות משולש אינן נקראות מכונות מדידה, אך תוצאת המדידה זהה: נקודת חלל. בדיקות לייזר משמשות לגילוי המרחק בין פני השטח לנקודת ההתייחסות בקצה השרשרת הקינמטית (כלומר: סוף רכיב הכונן Z). זה יכול להשתמש בפונקציה אינטרפרומטרית, וריאציה של מיקוד, סטיה אור או עקרון צללי קרן.

מכונות מדידת קואורדינטות ניידות

בעוד ש- CMMs מסורתיים משתמשים בבדיקה הנעה על שלושה צירים קרטזיים כדי למדוד את המאפיינים הפיזיים של האובייקט, CMMs ניידים משתמשים בזרועות מנוסחות או, במקרה של CMMs אופטי, מערכות סריקה נטולות זרועות המשתמשות בשיטות משולש אופטיות ומאפשרות חופש תנועה מוחלט סביב האובייקט.

CMMs ניידים עם זרועות מפרק יש שישה או שבעה צירים המצוידים במקודדים סיבוביים, במקום צירים לינאריים. זרועות ניידות הן קלות (בדרך כלל פחות מ 20 פאונד) וניתן לשאתן ולהשתמש בהן כמעט בכל מקום. עם זאת, CMMs אופטיים משמשים יותר ויותר בענף. CMMs אופטיים קטנים יותר מ- CMMs ניידים עם זרועות, מעוצבים עם מצלמות מערך ליניאריות או מטריצות קומפקטיות (כמו Microsoft Kinect), קטנות יותר מ- CMMs ניידים עם זרועות, ולא מאפשרים למשתמשים לבצע מדידות תלת -ממדיות של כל סוגי האובייקטים הנמצאים כמעט בכל מקום.

יישומים מסוימים לא-ניתוחים כמו הנדסת רוורס, אבות-טיפוס מהיר ובדיקה בקנה מידה גדול של חלקים מכל הגדלים מתאימים באופן אידיאלי ל- CMMs ניידים. היתרונות של CMMs ניידים הם רב -גוניים. למשתמשים יש את הגמישות בקיום מדידות תלת מימד של כל סוגי החלקים ובמיקומים המרוחקים/הקשים ביותר. הם קלים לשימוש ואינם דורשים סביבה מבוקרת כדי לבצע מדידות מדויקות. יתר על כן, CMMs ניידים נוטים לעלות פחות מ- CMMs מסורתיים.

הסחר המובנה של CMMs ניידים הם פעולה ידנית (הם תמיד דורשים אנושי להשתמש בהם). בנוסף, הדיוק הכללי שלהם יכול להיות מעט פחות מדויק מזה של CMM מסוג גשר והוא פחות מתאים ליישומים מסוימים.

מכונות מדידת רב-חיישן

טכנולוגיית CMM מסורתית באמצעות בדיקות מגע משולבות כיום לרוב עם טכנולוגיית מדידה אחרת. זה כולל חיישני לייזר, וידאו או אור לבן כדי לספק את מה שמכונה מדידת רב -חיישנים.