Что такое координатный измерительный аппарат?

Акоординировать измерительную машину(CMM) - это устройство, которое измеряет геометрию физических объектов, ощущая дискретные точки на поверхности объекта с помощью зонда. Различные типы зондов используются в CMM, включая механический, оптический, лазерный и белый свет. В зависимости от машины положение зонда может управлять оператором вручную или она может управлять компьютером. CMMS обычно указывает позицию зонда с точки зрения его смещения из эталонной позиции в трехмерной декартовой системе координат (то есть с осями XYZ). В дополнение к перемещению зонда вдоль осей x, y и z, многие машины также позволяют контролировать угол зонда, чтобы позволить измерение поверхностей, которые в противном случае были бы недостижимыми.

Типичный трехмерный «мост» CMM позволяет двигаться вдоль трех оси: x, y и z, которые являются ортогональными друг другу в трехмерной картевой системе координат. Каждая ось имеет датчик, который контролирует положение зонда на этой оси, обычно с точностью микрометра. Когда зонд контактирует (или иным образом обнаруживает) определенное местоположение на объекте, машина пробует три датчика положения, тем самым измеряя местоположение одной точки на поверхности объекта, а также трехмерный вектор взятого измерения. Этот процесс повторяется по мере необходимости, каждый раз перемещая зонд, чтобы создавать «точечное облако», которое описывает интересующую площадь поверхности.

Распространенное использование CMMS - процессы производства и сборки для проверки детали или сборки с намерением проектирования. В таких приложениях генерируются точечные облака, которые анализируются с помощью алгоритмов регрессии для построения функций. Эти точки собираются с использованием зонда, который расположен вручную оператором или автоматически через прямое управление компьютером (DCC). CMM DCC могут быть запрограммированы, чтобы многократно измерить идентичные части; Таким образом, автоматизированный CMM является специализированной формой промышленного робота.

Части

Координатные машины включают три основных компонента:

• Основная структура, которая включает в себя три оси движения. Материал, используемый для построения движущейся рамки, варьировался за эти годы. Гранит и сталь использовались в ранних CMM. Сегодня все основные производители CMM строят рамы из алюминиевого сплава или какой -то производной, а также используют керамику для повышения жесткости оси Z для применения сканирования. Немногие строители CMM сегодня по -прежнему производят гранитную раму CMM из -за рыночных требований для улучшения динамики метрологии и увеличения тенденции установки CMM за пределами качественной лаборатории. Как правило, только строители CMM с низким объемом и отечественные производители в Китае и Индии по -прежнему производят гранит CMM из -за низкого технологического подхода и легкого входа, чтобы стать строителем каркаса CMM. Увеличение тенденции к сканированию также требует, чтобы ось CMM Z была более жесткой, а новые материалы были введены, такие как керамический и кремниевый карбид.
• Зондирующая система
• Система сбора и сокращения данных - обычно включает в себя контроллер машины, настольный компьютер и программное обеспечение для приложений.

Доступность

Эти машины могут быть отдельно стоящими, портативными и портативными.

Точность

Точность машин измерения координат обычно определяется в качестве коэффициента неопределенности в качестве функции на расстоянии. Для CMM с использованием сенсорного зонда это относится к повторяемости зонда и точности линейных шкал. Типичная повторяемость зонда может привести к измерениям в пределах 0,001 мм или 0,00005 дюйма (половина десятого) по всему объему измерения. Для 3, 3+2 и 5 машин оси зонды обычно откалибруются с использованием отслеживаемых стандартов, а движение машины проверяется с использованием датчиков для обеспечения точности.

Конкретные части

Машино -корпус

Первый CMM был разработан компанией Ferranti Scotland в 1950 -х годах в результате прямой необходимости измерить точные компоненты в их военной продукции, хотя у этой машины было только 2 оси. Первые 3-осевые модели начали появляться в 1960-х годах (DEA из Италии), а компьютерный контроль дебютировал в начале 1970-х годов, но первый рабочий CMM был разработан и поставлен в продажу Browne & Sharpe в Мельбурне, Англия. (Лейтц Германия впоследствии создала фиксированную машинную структуру с перемещением таблицы.

В современных машинах надстройка гантрии имеет две ноги и часто называют мостом. Это свободно движется вдоль гранитного стола с одной ногой (часто называемой внутренней ногой) после направляющей рельсы, прикрепленной к одной стороне гранитного стола. Противоположная нога (часто наружная нога) просто опирается на гранитную таблицу после вертикальной поверхности контура. Воздушные подшипники - это выбранный метод для обеспечения путешествий без трения. В них сжатый воздух вынужден через серию очень маленьких отверстий на плоской поверхности подшипника, чтобы обеспечить гладкую, но контролируемую воздушную подушку, на которой CMM может перемещаться почти без трения, которую можно компенсировать через программное обеспечение. Движение моста или гантри вдоль гранитного стола образует одну ось плоскости XY. Мост GANTER содержит карету, которая проходит между внутренней и внешними ногами и образует другую горизонтальную ось X или Y. Третья ось движения (ось z) обеспечивается добавлением вертикального перо или шпинделя, который движется вверх и вниз по центру перевозки. Прикосновение датчика образует чувствительное устройство на конце перо. Движение осей x, y и z полностью описывает измерительную оболочку. Дополнительные вращающиеся таблицы могут быть использованы для повышения приблизительности измерительного зонда к сложным заготовкам. Таблица вращения как четвертая ось привода не улучшает измеренные размеры, которые остаются 3D, но обеспечивает определенную степень гибкости. Некоторые касательные зонды сами представляют собой питательные вращающиеся устройства с наконечником зонда, способным вращаться вертикально через более чем 180 градусов и через полное вращение на 360 градусов.

CMM теперь также доступны во множестве других форм. К ним относятся руки CMM, которые используют угловые измерения, проведенные в суставах руки для расчета положения наконечника стилуса, и могут быть оснащены зондами для лазерного сканирования и оптической визуализации. Такие CMM ARM часто используются там, где их портативность является преимуществом по сравнению с традиционными CMMS с непосредственным слоем. Благодаря хранению измеренных местоположений, программное обеспечение для программирования также позволяет перемещать саму измерительный руку и его объем измерения вокруг части, которая будет измерена во время подпрограммы измерения. Поскольку руки CMM имитируют гибкость человеческой руки, они также часто могут достигать внутренних внутренних ситуаций сложных частей, которые нельзя исследовать с использованием стандартной трехосиной машины.

Механический зонд

В первые дни измерения координат (CMM) механические зонды были установлены в специальном держателе на конце перо. Очень распространенный зонд был сделан путем пайки твердого мяча до конца вала. Это было идеально для измерения целого диапазона плоской поверхности, цилиндрической или сферической поверхности. Другие зонды были основаны на определенных формах, например, квадрантом, чтобы обеспечить измерение специальных функций. Эти зонды физически удерживались против заготовки, а позиция в космосе читается из 3-осевой цифровой считывания (DRO) или, в более продвинутых системах, регистрируя в компьютере с помощью пешеходного переключателя или аналогичного устройства. Измерения, проведенные этим методом контакта, часто были ненадежными, так как машины перемещались вручную, и каждый оператор машины применял различные количества давления на зонд или принятые различные методы для измерения.

Дальнейшим развитием было добавление двигателей для вождения каждой оси. Операторам больше не нужно было физически касаться машины, но могли управлять каждой осью, используя ручную коробку с джойстиками почти так же, как и у современных автомобилей с дистанционным управлением. Точность измерения и точность значительно улучшились с изобретением электронного сенсорного триггерного зонда. Пионером этого нового устройства для зонда стал Дэвид МакМертри, который впоследствии сформировал то, что сейчас является Renishaw Plc. Несмотря на то, что датчик по-прежнему был контактным устройством, имел стилус стального шарика с пружиной (более поздний рубиновый мяч). Когда зонд коснулся поверхности компонента, стилус отклонил и одновременно отправил информацию о X, Y, Z координат на компьютер. Ошибки измерения, вызванные отдельными операторами, стали меньше, и стадия была установлена ​​для введения операций с ЧПУ и возраста ЦММ.

Оптические зонды представляют собой линзу-CCD-символы, которые перемещаются как механические и направлены на интересующую точку, а не касаются материала. Захваченное изображение поверхности будет заключено в границах измерительного окна, пока остаток не будет достаточным для контраста между черными и белыми зонами. Разделительная кривая может быть рассчитана до точки, которая является разыскивающей точкой измерения в пространстве. Горизонтальная информация на ПЗС составляет 2D (XY), а вертикальная позиция-это положение полной системы зондирования на Z-приводе (или другого компонента устройства).

Сканирующие системы зондов

Существуют новые модели, которые имеют зонды, которые тянут вдоль поверхности детали, принимая точки с указанными интервалами, известные как сканирующие зонды. Этот метод проверки CMM часто более точен, чем обычный метод сенсорного зондирования, а также в большинстве случаев быстрее.

Следующее поколение сканирования, известное как бесконтактное сканирование, которое включает в себя высокоскоростную лазерную триангуляцию, лазерную линию, сканирование и сканирование белого света, продвигается очень быстро. Этот метод использует лазерные лучи или белый свет, которые проецируются на поверхность детали. Многие тысячи очков можно принять и использовать не только для проверки размера и позиции, но и для создания 3D -изображения детали. Эти «данные точечного облака» могут затем быть переданы в программное обеспечение CAD для создания рабочей 3D-модели детали. Эти оптические сканеры часто используются на мягких или тонких частях или для облегчения обратной машины.

Микрометрология зонды

Системы зондирования для микромасштабных метрологических приложений являются еще одной новой областью. Существует несколько коммерчески доступных координатных измерительных машин (CMM), которые имеют микропроб, интегрированный в систему, несколько специальных систем в государственных лабораториях, и любое количество университетских метрологических платформ для микромасштабной метрологии. Хотя эти машины хороши, и во многих случаях отличные метрологические платформы с нанометрическими масштабами, их основным ограничением является надежный, надежный, способный микро/нано -зонд.^{[Цитация необходима]}Проблемы для микромасштабных зондирующих технологий включают необходимость в датчике с высоким соотношением сторон, дающего возможность получить доступ к глубокому, узким функциям с низкими контактными силами, чтобы не повредить поверхность и высокую точность (уровень нанометра).^{[Цитация необходима]}Кроме того, микромасштабные зонды восприимчивы к условиям окружающей среды, таким как влажность и поверхностные взаимодействия, такие как жара (вызванная адгезией, мениска и/или сил Ван -дер -Ваальса).^{[Цитация необходима]}

Технологии для достижения микромасштабного зондирования включают в себя масштабированную версию классических зондов CMM, оптических зондов и зонда стоячей волны. Тем не менее, текущие оптические технологии не могут быть масштабированы достаточно малыми, чтобы измерить глубокую, узкую особенность, а оптическое разрешение ограничено длиной волны света. Рентгеновская визуализация дает изображение функции, но не прослеживаемой межмонтажной информации.

Физические принципы

Можно использовать оптические зонды и/или лазерные зонды (если возможно в комбинации), которые изменяют ЦММ на измерение микроскопов или мультисенсорных измерительных машин. Системы проекции Fringe, системы теодолита триангуляции или лазерные отдаленные и триангуляционные системы не называются измерительными машинами, но результат измерения одинаково: пространственная точка. Лазерные зонды используются для обнаружения расстояния между поверхностью и контрольной точкой на конце кинематической цепи (то есть: конец компонента Z-Drive). Это может использовать интерферометрическую функцию, изменение фокуса, отклонение света или принцип затенения луча.

Портативные координатные машины

В то время как традиционные ЦММ используют зонд, который перемещается по трем декартовым осям для измерения физических характеристик объекта, портативные ЦММ используют либо сочлененные руки, либо, в случае оптических ЦММ, систем сканирования без рук, которые используют методы оптической триангуляции и обеспечивают полную свободу движения вокруг объекта.

Портативные ЦММ с сочлененными руками имеют шесть или семь осей, которые оснащены вращающимися кодерами, вместо линейных оси. Портативные рычаги легки (обычно менее 20 фунтов) и могут быть перенесены и используются почти в любом месте. Тем не менее, оптические CMMS все чаще используются в отрасли. Разработанные с компактными линейными или матричными матричными камерами (например, Microsoft Kinect), оптические CMM меньше, чем портативные CMM с руками, не имеют проводов и позволяют пользователям легко проводить 3D измерения всех типов объектов, расположенных практически где угодно.

Некоторые неконтеровывающие приложения, такие как обратное инженер, быстрое прототипирование и крупномасштабная проверка частей всех размеров, идеально подходят для портативных ЦММ. Преимущества портативных CMMS являются многоцелевыми. Пользователи обладают гибкостью в прохождении трехмерных измерений всех типов частей и в самых удаленных/сложных местах. Они просты в использовании и не требуют контролируемой среды для проведения точных измерений. Более того, портативные ЦММ имеют тенденцию стоить меньше, чем традиционные ЦММ.

Врученные компромиссы портативных CMM являются ручной работой (они всегда требуют, чтобы человек использовал их). Кроме того, их общая точность может быть несколько менее точной, чем тона CMM типа моста и менее подходит для некоторых применений.

Машины измерения мультисенсора

Традиционная технология CMM с использованием сенсорных зондов сегодня часто сочетается с другими технологиями измерения. Это включает в себя лазерные, видео или белые световые датчики, чтобы обеспечить так называемое измерение мультисенсора.