מהי מכונת מדידת קואורדינטות?

אמכונת מדידת קואורדינטות(CMM) הוא מכשיר שמודד את הגיאומטריה של עצמים פיזיים על ידי חישת נקודות בדידות על פני העצם באמצעות בדיקה.סוגים שונים של בדיקות משמשים ב-CMM, כולל אור מכאני, אופטי, לייזר ולבן.בהתאם למכונה, מיקום הבדיקה עשוי להיות נשלט ידנית על ידי מפעיל או שהוא עשוי להיות נשלט על ידי מחשב.CMMs מציינים בדרך כלל את מיקום הבדיקה במונחים של תזוזה ממיקום ייחוס במערכת קואורדינטות קרטזיאנית תלת מימדית (כלומר, עם צירי XYZ).בנוסף להזזת הגשושית לאורך צירי X, Y ו-Z, מכונות רבות מאפשרות גם לשלוט בזווית הגשושית כדי לאפשר מדידה של משטחים שאחרת לא יהיה ניתן להגיע אליהם.

ה-CMM התלת מימדי האופייני ל"גשר" מאפשר תנועת בדיקה לאורך שלושה צירים, X, Y ו-Z, שהם אורתוגונלים זה לזה במערכת קואורדינטות קרטזית תלת מימדית.לכל ציר יש חיישן המנטר את מיקום הגשוש על הציר הזה, בדרך כלל בדיוק מיקרומטר.כאשר הגשושית נוגעת (או מזהה אחרת) מיקום מסוים על העצם, המכונה דוגמת את שלושת חיישני המיקום, ובכך מודדת את מיקומה של נקודה אחת על פני העצם, כמו גם את הווקטור התלת מימדי של המדידה שנלקחה.תהליך זה חוזר על עצמו לפי הצורך, תוך הזזת הגשושית בכל פעם, כדי לייצר "ענן נקודתי" המתאר את שטחי השטח המעניינים.

שימוש נפוץ ב-CMMs הוא בתהליכי ייצור והרכבה כדי לבדוק חלק או מכלול מול כוונת התכנון.ביישומים כאלה נוצרים ענני נקודות אשר מנותחים באמצעות אלגוריתמי רגרסיה לבניית תכונות.נקודות אלו נאספות באמצעות בדיקה הממוקמת באופן ידני על ידי מפעיל או אוטומטית באמצעות שליטה ישירה במחשב (DCC).ניתן לתכנת DCC CMM למדוד שוב ושוב חלקים זהים;לפיכך, CMM אוטומטי הוא צורה מיוחדת של רובוט תעשייתי.

חלקים

מכונות למדידת קואורדינטות כוללות שלושה מרכיבים עיקריים:

• המבנה הראשי 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 ומשתמשים גם בקרמיקה כדי להגביר את הקשיחות של ציר Z עבור יישומי סריקה.מעט בוני CMM כיום עדיין מייצרים CMM של מסגרת גרניט עקב דרישת השוק לדינמיקה מטרולוגית משופרת ומגמה גוברת להתקין CMM מחוץ למעבדת האיכות.בדרך כלל רק בוני CMM בנפח נמוך ויצרנים מקומיים בסין ובהודו עדיין מייצרים CMM מגרניט בשל גישת טכנולוגיה נמוכה וכניסה קלה להפוך לבונה מסגרות CMM.המגמה ההולכת וגוברת לקראת סריקה מחייבת גם את ציר CMM Z להיות נוקשה יותר וחומרים חדשים הוצגו כמו קרמיקה וסיליקון קרביד.
• מערכת גישושים
• מערכת איסוף וצמצום נתונים - כוללת בדרך כלל בקר מכונה, מחשב שולחני ותוכנת יישום.

זמינות

מכונות אלו יכולות להיות עצמאיות, כף יד וניידות.

דיוק

הדיוק של מכונות מדידת קואורדינטות נתון בדרך כלל כגורם אי ודאות כפונקציה על פני מרחק.עבור CMM המשתמש בבדיקת מגע, זה מתייחס לחזרתיות של הגשש ולדיוק הסולמות הליניאריים.חזרה טיפוסית של בדיקה יכולה לגרום למדידות בטווח של .001 מ"מ או 0.00005 אינץ' (חצי עשירית) על פני כל נפח המדידה.עבור מכונות 3, 3+2 ו-5 צירים, בדיקות מכוילות באופן שגרתי באמצעות תקנים הניתנים למעקב ותנועת המכונה מאומתת באמצעות מדידים כדי להבטיח דיוק.

חלקים ספציפיים

גוף מכונה

ה-CMM הראשון פותח על ידי חברת Ferranti מסקוטלנד בשנות ה-50 כתוצאה מצורך ישיר למדידת רכיבים מדויקים במוצרים הצבאיים שלהם, אם כי למכונה זו היו רק 2 צירים.דגמי 3 הצירים הראשונים החלו להופיע בשנות ה-60 (DEA של איטליה) ובקרת מחשב הופיעה לראשונה בתחילת שנות ה-70, אך ה-CMM העובד הראשון פותח והוצע למכירה על ידי Browne & Sharpe במלבורן, אנגליה.(ליץ גרמניה ייצרה לאחר מכן מבנה מכונה קבוע עם שולחן נע.

במכונות מודרניות, למבנה העל מסוג הגאנטרי יש שתי רגליים ולעיתים נקרא גשר.זה נע בחופשיות לאורך שולחן הגרניט עם רגל אחת (המכונה לעתים קרובות הרגל הפנימית) בעקבות מסילת הדרכה המחוברת לצד אחד של שולחן הגרניט.הרגל הנגדית (לעיתים קרובות רגל חיצונית) פשוט מונחת על שולחן הגרניט בעקבות קו המתאר האנכי של פני השטח.מיסבי אוויר הם השיטה הנבחרת להבטחת נסיעה ללא חיכוך.באלו, אוויר דחוס נאלץ דרך סדרה של חורים קטנים מאוד במשטח נושא שטוח כדי לספק כרית אוויר חלקה אך מבוקרת שעליה ה-CMM יכול לנוע בצורה כמעט ללא חיכוך שניתן לפצות עליה באמצעות תוכנה.התנועה של הגשר או השער לאורך שולחן הגרניט יוצרת ציר אחד של מישור XY.הגשר של הגנטר מכיל כרכרה אשר חוצה בין הרגליים הפנימיות והחיצוניות ויוצרות את הציר האופקי X או Y האחר.ציר התנועה השלישי (ציר Z) מסופק על ידי תוספת של קולמוס אנכי או ציר אשר נע מעלה ומטה דרך מרכז הכרכרה.בדיקת המגע יוצר את מכשיר החישה בקצה הנוצה.התנועה של צירי X, Y ו-Z מתארת ​​במלואה את מעטפת המדידה.ניתן להשתמש בשולחנות סיבוביים אופציונליים כדי לשפר את יכולת הנגישות של בדיקת המדידה לחלקי עבודה מסובכים.השולחן הסיבובי כציר הנעה רביעי אינו משפר את ממדי המדידה, שנותרו בתלת מימד, אך הוא מספק מידה של גמישות.חלק מחושי המגע הם בעצמם מכשירים סיבוביים עם קצה הגשש מסוגל להסתובב אנכית לאורך יותר מ-180 מעלות ובאמצעות סיבוב מלא של 360 מעלות.

CMMs זמינים כעת גם במגוון צורות אחרות.אלה כוללות זרועות CMM המשתמשות במדידות זוויתיות שנלקחו במפרקי הזרוע כדי לחשב את מיקום קצה החרט, וניתן להצטייד בהן בבדיקות לסריקת לייזר והדמיה אופטית.לעתים קרובות נעשה שימוש ב-CMM של זרועות כאלה כאשר הניידות שלהם מהווה יתרון על פני CMMs מסורתיות למיטה קבועה- על ידי אחסון מיקומים נמדדים, תוכנת התכנות מאפשרת גם להזיז את זרוע המדידה עצמה, ואת נפח המדידה שלה, סביב החלק הנמדד במהלך שגרת מדידה.מכיוון שזרועות CMM מחקות את הגמישות של זרוע אנושית, הן גם מסוגלות לעתים קרובות להגיע אל החלק הפנימי של חלקים מורכבים שלא ניתן היה לחקור אותם באמצעות מכונה סטנדרטית עם שלושה צירים.

בדיקה מכנית

בימים הראשונים של מדידת קואורדינטות (CMM), בדיקות מכניות הותאמו למחזיק מיוחד בקצה הנוצה.בדיקה נפוצה מאוד נוצרה על ידי הלחמת כדור קשיח לקצה הפיר.זה היה אידיאלי למדידת מגוון שלם של משטחים שטוחים, גליליים או כדוריים.בדיקות אחרות נטחנו לצורות ספציפיות, למשל ברביע, כדי לאפשר מדידה של תכונות מיוחדות.בדיקות אלו הוחזקו פיזית כנגד חומר העבודה כאשר המיקום בחלל נקרא מקריאת 3 צירים דיגיטלית (DRO) או, במערכות מתקדמות יותר, הוכנס למחשב באמצעות מתג רגליים או מכשיר דומה.מדידות שנלקחו בשיטת מגע זו היו לעתים קרובות לא אמינות שכן מכונות הועברו ביד וכל מפעיל מכונה הפעיל כמויות שונות של לחץ על הגשש או אימץ טכניקות שונות למדידה.

התפתחות נוספת הייתה הוספת מנועים להנעת כל ציר.המפעילים כבר לא היו צריכים לגעת פיזית במכונה, אלא יכלו להניע כל ציר באמצעות ארגז יד עם ג'ויסטיקים, בדיוק כמו במכוניות מודרניות שנשלטות מרחוק.דיוק ודיוק המדידה השתפרו בצורה דרמטית עם המצאת הבדיקה האלקטרונית להדק המגע.החלוץ של מכשיר הבדיקה החדש הזה היה דייוויד מקמורטרי שהקים לאחר מכן את מה שנקרא כיום Renishaw plc.למרות שעדיין היה התקן מגע, לבדיקה היה חרט קפיצי כדור פלדה (לימים כדור אודם).כאשר הגשושית נגעה בפני השטח של הרכיב, החרט סטה ובו זמנית שלח את מידע הקואורדינטות X,Y,Z למחשב.שגיאות מדידה שנגרמו על ידי מפעילים בודדים פחתו והוכן השלב להכנסת פעולות CNC ולהתבגרות של CMMs.

בדיקות אופטיות הן מערכות עדשות-CCD, המוזזות כמו המכניות, ומכוונות לנקודת העניין, במקום לגעת בחומר.התמונה המצולמת של פני השטח תהיה סגורה בגבולות של חלון מדידה, עד שהשאריות מספיקות לניגוד בין אזורים שחורים ללבנים.ניתן לחשב את עקומת החלוקה לנקודה, שהיא נקודת המדידה הרצויה במרחב.המידע האופקי ב-CCD הוא 2D (XY) והמיקום האנכי הוא המיקום של מערכת החיטוט השלמה על כונן ה-Z המעמד (או רכיב אחר של התקן).

סריקת מערכות בדיקה

ישנם דגמים חדשים יותר שיש להם בדיקות שנגררות לאורך פני החלק ולוקחות נקודות במרווחי זמן מוגדרים, המכונה בדיקות סריקה.שיטה זו של בדיקת CMM היא לרוב מדויקת יותר משיטת בדיקה קונבנציונלית ולרוב גם מהירה יותר.

הדור הבא של סריקה, הידוע בשם סריקה ללא מגע, הכולל טריאנגולציית לייזר חד-נקודתית במהירות גבוהה, סריקת קווי לייזר וסריקת אור לבן, מתקדם במהירות רבה.שיטה זו משתמשת בקרני לייזר או באור לבן המוקרן על פני החלק.לאחר מכן ניתן לקחת אלפים רבים של נקודות ולהשתמש בהם לא רק כדי לבדוק גודל ומיקום, אלא גם כדי ליצור תמונה תלת מימדית של החלק.לאחר מכן ניתן להעביר את "נתוני הנקודה-ענן" לתוכנת CAD כדי ליצור מודל תלת-ממדי עובד של החלק.סורקים אופטיים אלה משמשים לעתים קרובות בחלקים רכים או עדינים או כדי להקל על הנדסה לאחור.

בדיקות מיקרומטרולוגיה

מערכות בדיקה ליישומי מטרולוגיה בקנה מידה מיקרו הן תחום מתפתח נוסף.ישנן מספר מכונות מדידת קואורדינטות (CMM) זמינות מסחריות הכוללות מיקרו-גשושית משולבת במערכת, מספר מערכות מיוחדות במעבדות ממשלתיות, וכל מספר פלטפורמות מטרולוגיה שנבנו באוניברסיטה למטרולוגיה בקנה מידה מיקרו.למרות שהמכונות הללו טובות ובמקרים רבים פלטפורמות מטרולוגיה מצוינות עם קנה מידה ננומטרי, המגבלה העיקרית שלהן היא בדיקה אמינה, חזקה ובעלת יכולת מיקרו/ננו.^{[נדרש ציטוט]}האתגרים עבור טכנולוגיות בדיקה בקנה מידה מיקרו כוללים את הצורך בבדיקה גבוהה ביחס גובה-רוחב המעניק את היכולת לגשת למאפיינים עמוקים וצרים עם כוחות מגע נמוכים כדי לא לפגוע במשטח ובדיוק גבוה (רמת ננומטר).^{[נדרש ציטוט]}בנוסף, בדיקות בקנה מידה מיקרו רגישות לתנאי סביבה כגון לחות ואינטראקציות פני השטח כגון הידבקות (הנגרמת על ידי הידבקות, מניסקוס ו/או כוחות ואן דר ואלס בין היתר).^{[נדרש ציטוט]}

טכנולוגיות להשגת בדיקה בקנה מידה מיקרו כוללות גרסה מוקטנת של בדיקות CMM קלאסיות, בדיקות אופטיות ובדיקה של גל עומד בין היתר.עם זאת, הטכנולוגיות האופטיות הנוכחיות לא ניתנות לקנה מידה קטן מספיק כדי למדוד תכונה עמוקה וצרה, והרזולוציה האופטית מוגבלת על ידי אורך הגל של האור.הדמיית רנטגן מספקת תמונה של התכונה אך אין מידע מטרולוגי הניתן למעקב.

עקרונות פיזיים

ניתן להשתמש בבדיקות אופטיות ו/או בדיקות לייזר (אם אפשר בשילוב), אשר משנים CMMs למיקרוסקופים מדידה או מכונות מדידה מרובות חיישנים.מערכות הקרנת שוליים, מערכות משולש תאודוליט או מערכות מרוחקות וטריאנגולציה לייזר אינן נקראות מכונות מדידה, אך תוצאת המדידה זהה: נקודת רווח.בדיקות לייזר משמשות לזיהוי המרחק בין פני השטח לנקודת הייחוס בקצה השרשרת הקינמטית (כלומר: קצה רכיב כונן Z).זה יכול להשתמש בפונקציה אינטרפרומטרית, וריאציה של מיקוד, סטיית אור או עקרון הצללת אלומה.

מכונות ניידות למדידת קואורדינטות

בעוד ש-CMM מסורתיים משתמשים בבדיקה הנעה על שלושה צירים קרטזיניים כדי למדוד את המאפיינים הפיזיים של אובייקט, CMMs ניידים משתמשים בזרועות מפרקיות או, במקרה של CMMs אופטיים, מערכות סריקה ללא זרוע המשתמשות בשיטות משולש אופטיות ומאפשרות חופש תנועה מוחלט סביב האובייקט.

ל-CMM ניידים עם זרועות מפרקיות יש שישה או שבעה צירים המצוידים במקודדים סיבוביים, במקום בצירים ליניאריים.זרועות ניידות הן קלות משקל (בדרך כלל פחות מ-20 פאונד) וניתן לשאת אותן ולהשתמש בהן כמעט בכל מקום.עם זאת, משתמשים ב-CMM אופטיים יותר ויותר בתעשייה.מעוצבים עם מצלמות ליניאריות או מטריצות קומפקטיות (כמו Microsoft Kinect), CMMs אופטיים קטנים יותר מ-CMMs ניידים עם זרועות, ללא חוטים ומאפשרים למשתמשים לבצע מדידות תלת-ממד בקלות של כל סוגי העצמים הממוקמים כמעט בכל מקום.

יישומים מסוימים שאינם חוזרים על עצמם כגון הנדסה לאחור, יצירת אב טיפוס מהיר ובדיקה בקנה מידה גדול של חלקים בכל הגדלים מתאימים באופן אידיאלי עבור CMMs ניידים.היתרונות של CMMs ניידים הם רבים.למשתמשים יש את הגמישות בביצוע מדידות תלת מימד של כל סוגי החלקים ובמקומות 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.

הפשרות המובנות של CMMs ניידים הן הפעלה ידנית (הם תמיד דורשים מאדם להשתמש בהם).בנוסף, הדיוק הכולל שלהם יכול להיות מעט פחות מדויק מזה של CMM מסוג גשר והוא פחות מתאים ליישומים מסוימים.

מכונות מדידה מולטי חיישנים

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