Что такое координатно-измерительная машина?

Акоординатно-измерительная машинаКИМ (КИМ) — это устройство, измеряющее геометрию физических объектов путём измерения отдельных точек на поверхности объекта с помощью зонда. В КИМ используются различные типы зондов, включая механические, оптические, лазерные и датчики белого света. В зависимости от модели машины, положение зонда может контролироваться оператором вручную или компьютером. КИМ обычно определяют положение зонда через его смещение относительно исходного положения в трёхмерной декартовой системе координат (то есть по осям XYZ). Помимо перемещения зонда по осям X, Y и Z, многие машины также позволяют управлять углом наклона зонда, что позволяет проводить измерения на поверхностях, которые в противном случае были бы недоступны.

Типичная трёхмерная КИМ типа «мост» позволяет перемещать зонд вдоль трёх осей: X, Y и Z, ортогональных друг другу в трёхмерной декартовой системе координат. Каждая ось оснащена датчиком, который отслеживает положение зонда на этой оси, как правило, с микрометрической точностью. Когда зонд касается (или иным образом обнаруживает) определённого места на объекте, машина считывает данные с трёх датчиков положения, измеряя таким образом местоположение одной точки на поверхности объекта, а также трёхмерный вектор полученного измерения. Этот процесс повторяется по мере необходимости, каждый раз перемещая зонд, для создания «облака точек», описывающего интересующие участки поверхности.

КИМ обычно применяются в процессах производства и сборки для проверки деталей или узлов на соответствие проектному замыслу. В таких случаях создаются облака точек, которые анализируются с помощью регрессионных алгоритмов для построения характеристик. Эти точки собираются с помощью зонда, который позиционируется вручную оператором или автоматически с помощью прямого компьютерного управления (DCC). КИМ DCC можно запрограммировать на многократное измерение идентичных деталей; таким образом, автоматизированная КИМ представляет собой специализированный тип промышленного робота.

Части

Координатно-измерительные машины включают в себя три основных компонента:

• Основная структура, которая включает три оси движения. Материал, используемый для изготовления подвижной рамы, менялся на протяжении многих лет. В ранних КИМ использовались гранит и сталь. Сегодня все основные производители КИМ изготавливают рамы из алюминиевого сплава или его производных, а также используют керамику для увеличения жесткости оси Z для сканирования. Немногие производители КИМ сегодня все еще изготавливают КИМ с гранитной рамой из-за рыночного спроса на улучшенную динамическую метрологию и растущей тенденции устанавливать КИМ за пределами лаборатории качества. Как правило, только производители КИМ с небольшим объемом производства и отечественные производители в Китае и Индии все еще изготавливают гранитные КИМ из-за низкого технологического подхода и легкости входа, чтобы стать производителем рам КИМ. Растущая тенденция к сканированию также требует, чтобы ось Z КИМ была более жесткой, и были введены новые материалы, такие как керамика и карбид кремния.
• Система зондирования
• Система сбора и обработки данных — обычно включает в себя контроллер машины, настольный компьютер и прикладное программное обеспечение.

Доступность

Эти машины могут быть отдельно стоящими, ручными и переносными.

Точность

Точность координатно-измерительных машин обычно определяется как фактор неопределенности, зависящий от расстояния. Для КИМ, использующей контактный датчик, это связано с повторяемостью показаний датчика и точностью линейных шкал. Типичная повторяемость показаний датчика может составлять 0,001 мм или 0,00005 дюйма (0,00005 дюйма) во всем измеряемом объеме. Для 3-, 3+2- и 5-координатных машин датчики регулярно калибруются с использованием прослеживаемых эталонов, а перемещение машины проверяется с помощью измерительных приборов для обеспечения точности.

Конкретные детали

Корпус машины

Первая КИМ была разработана шотландской компанией Ferranti в 1950-х годах в ответ на потребность в измерении прецизионных компонентов военной продукции, хотя этот станок имел только две оси. Первые трёхосные модели появились в 1960-х годах (DEA, Италия), а компьютерное управление дебютировало в начале 1970-х годов. Однако первая рабочая КИМ была разработана и поступила в продажу компанией Browne & Sharpe в Мельбурне, Англия. (Немецкая компания Leitz впоследствии выпустила станок стационарной конструкции с подвижным столом.)

В современных станках надстройка портального типа имеет две опоры и часто называется мостом. Она свободно перемещается вдоль гранитного стола, при этом одна опора (часто называемая внутренней опорой) движется по направляющей, прикрепленной к одной стороне гранитного стола. Противоположная опора (часто внешняя опора) просто опирается на гранитный стол, следуя контуру вертикальной поверхности. Для обеспечения свободного хода без трения используются воздушные подшипники. В них сжатый воздух прокачивается через ряд очень маленьких отверстий в плоской опорной поверхности, создавая плавную, но контролируемую воздушную подушку, на которой КИМ может перемещаться практически без трения, компенсируемого программным обеспечением. Перемещение моста или портала вдоль гранитного стола образует одну ось плоскости XY. Мост портала содержит каретку, которая перемещается между внутренней и внешней опорами и образует другую горизонтальную ось X или Y. Третья ось перемещения (ось Z) обеспечивается добавлением вертикальной пиноли или шпинделя, перемещающегося вверх и вниз через центр каретки. Измерительный щуп образует чувствительное устройство на конце пиноли. Перемещение по осям X, Y и Z полностью описывает область измерения. Для улучшения доступа измерительного щупа к сложным заготовкам можно использовать дополнительные поворотные столы. Поворотный стол в качестве четвёртой приводной оси не расширяет возможности измерения, сохраняя трёхмерность, но обеспечивает определённую гибкость. Некоторые измерительные щупы сами по себе представляют собой приводные поворотные устройства с наконечником щупа, способным поворачиваться по вертикали более чем на 180 градусов и на 360 градусов.

В настоящее время доступны и другие модели КИМ. К ним относятся КИМ-манипуляторы, которые используют угловые измерения, полученные в суставах, для расчета положения кончика щупа и могут быть оснащены датчиками для лазерного сканирования и оптической визуализации. Такие КИМ-манипуляторы часто используются там, где их портативность является преимуществом по сравнению с традиционными КИМ со стационарной станиной: благодаря сохранению измеренных значений, программное обеспечение также позволяет перемещать саму измерительную руку и её измерительный объём вокруг измеряемой детали во время процедуры измерения. Поскольку КИМ-манипуляторы имитируют гибкость человеческой руки, они часто способны достигать внутренних поверхностей сложных деталей, которые невозможно измерить с помощью стандартного трёхкоординатного станка.

Механический зонд

На заре координатных измерений (КИМ) механические щупы устанавливались в специальный держатель на конце пиноли. Очень распространённый щуп изготавливался путём припаивания твёрдого шарика к концу вала. Это было идеально для измерения широкого спектра плоских, цилиндрических или сферических поверхностей. Другие щупы шлифовались до определённой формы, например, квадранта, для измерения особых характеристик. Эти щупы физически прижимались к заготовке, а их положение в пространстве считывалось с трёхкоординатного цифрового считывающего устройства (УЦИ) или, в более продвинутых системах, вводилось в компьютер с помощью ножного переключателя или аналогичного устройства. Измерения, выполненные этим контактным методом, часто были неточными, поскольку станки перемещались вручную, и каждый оператор станка прикладывал разное давление к щупу или использовал разные методы измерения.

Дальнейшим развитием стало добавление двигателей для привода каждой оси. Операторам больше не нужно было физически прикасаться к станку, они могли управлять каждой осью с помощью пульта управления с джойстиками, во многом так же, как в современных машинах с дистанционным управлением. Точность измерений значительно возросла с изобретением электронного контактного датчика. Пионером этого нового датчика был Дэвид Макмертри, который впоследствии основал то, что сейчас называется Renishaw plc. Хотя датчик все еще был контактным устройством, он имел щуп со стальным шариком (позже рубиновым шариком) с пружинным подпружиниванием. Когда датчик касался поверхности детали, щуп отклонялся и одновременно передавал информацию о координатах X, Y, Z в компьютер. Ошибки измерений, вызванные отдельными операторами, стали меньше, и была подготовлена почва для внедрения операций с ЧПУ и наступления эры КИМ.

Оптические зонды представляют собой системы линз и ПЗС-матриц, которые перемещаются подобно механическим и наводятся на исследуемую точку, а не касаются материала. Полученное изображение поверхности будет заключено в границы измерительного окна до тех пор, пока остаток не станет достаточным для обеспечения контраста между чёрными и белыми зонами. Разделительная кривая может быть рассчитана до точки, которая и будет искомой точкой измерения в пространстве. Горизонтальная информация на ПЗС-матрице представлена в двухмерном виде (XY), а вертикальное положение соответствует положению всей системы зондирования на приводе Z штатива (или другом компоненте устройства).

Системы сканирующих зондов

В новых моделях КИМ используются датчики, которые перемещаются по поверхности детали, снимая точки через определённые интервалы. Эти датчики называются сканирующими. Этот метод контроля КИМ зачастую точнее традиционного метода контактного зондирования и, как правило, быстрее.

Новое поколение сканирования, известное как бесконтактное, которое включает в себя высокоскоростную лазерную триангуляцию по одной точке, лазерное линейное сканирование и сканирование белым светом, стремительно развивается. Этот метод использует лазерные лучи или белый свет, проецируемые на поверхность детали. Затем можно получить тысячи точек и использовать их не только для проверки размера и положения, но и для создания трёхмерного изображения детали. Эти данные в виде «облака точек» затем можно перенести в САПР для создания рабочей трёхмерной модели детали. Эти оптические сканеры часто используются для обработки мягких или хрупких деталей, а также для упрощения обратного проектирования.

Микрометрологические зонды

Системы зондирования для микромасштабной метрологии – ещё одно перспективное направление. Существует несколько коммерчески доступных координатно-измерительных машин (КИМ) со встроенным микрозондом, несколько специализированных систем в государственных лабораториях и множество университетских метрологических платформ для микромасштабной метрологии. Хотя эти машины являются хорошими, а во многих случаях и превосходными, метрологическими платформами с нанометрическим диапазоном, их основным ограничением является надёжность, прочность и функциональность микро/нанозонда.^{[необходима ссылка]}К проблемам технологий микрозондирования относится необходимость использования зонда с высоким соотношением сторон, позволяющего получать доступ к глубоким, узким элементам с малыми контактными усилиями, чтобы не повредить поверхность, и с высокой точностью (уровень нанометра).^{[необходима ссылка]}Кроме того, микромасштабные зонды восприимчивы к условиям окружающей среды, таким как влажность и поверхностные взаимодействия, такие как прилипание (вызванное адгезией, мениском и/или силами Ван-дер-Ваальса, среди прочих).^{[необходима ссылка]}

Технологии микромасштабного зондирования включают в себя уменьшенные версии классических зондов КИМ, оптические зонды и зонды стоячей волны, среди прочих. Однако современные оптические технологии не позволяют масштабировать их настолько, чтобы измерять глубокие и узкие объекты, а оптическое разрешение ограничено длиной волны света. Рентгеновская визуализация позволяет получить изображение объекта, но не предоставляет прослеживаемой метрологической информации.

Физические принципы

Могут использоваться оптические и/или лазерные зонды (по возможности в комбинации), что превращает КИМ в измерительные микроскопы или многосенсорные измерительные машины. Системы проекционных полос, теодолитные триангуляционные системы или лазерные дистанционные и триангуляционные системы не называются измерительными машинами, но результат измерения один и тот же: точка в пространстве. Лазерные зонды используются для определения расстояния между поверхностью и опорной точкой на конце кинематической цепи (то есть на конце компонента привода оси Z). При этом может использоваться интерферометрическая функция, изменение фокуса, отклонение света или принцип затенения луча.

Переносные координатно-измерительные машины

В то время как традиционные КИМ используют зонд, который перемещается по трем декартовым осям для измерения физических характеристик объекта, портативные КИМ используют либо шарнирные манипуляторы, либо, в случае оптических КИМ, сканирующие системы без манипуляторов, которые используют методы оптической триангуляции и обеспечивают полную свободу перемещения вокруг объекта.

Портативные КИМ с шарнирными руками имеют шесть или семь осей, оснащенных поворотными энкодерами вместо линейных. Портативные руки легкие (обычно менее 9 кг) и могут переноситься и использоваться практически где угодно. Однако оптические КИМ все чаще используются в отрасли. Оптические КИМ, оснащенные компактными линейными или матричными камерами (например, Microsoft Kinect), меньше портативных КИМ с руками, не имеют проводов и позволяют пользователям легко проводить 3D-измерения любых объектов, расположенных практически в любом месте.

Некоторые неповторяющиеся задачи, такие как обратная разработка, быстрое прототипирование и крупномасштабный контроль деталей любых размеров, идеально подходят для портативных КИМ. Преимущества портативных КИМ многочисленны. Пользователи получают возможность проводить 3D-измерения любых типов деталей в самых удалённых и труднодоступных местах. Они просты в использовании и не требуют контролируемой среды для проведения точных измерений. Кроме того, портативные КИМ, как правило, стоят дешевле традиционных КИМ.

Неизбежным недостатком портативных КИМ является необходимость ручного управления (для их использования всегда требуется присутствие человека). Кроме того, их общая точность может быть несколько ниже, чем у мостовых КИМ, и они менее подходят для некоторых применений.

Мультисенсорные измерительные машины

Традиционная технология КИМ с использованием контактных датчиков сегодня часто комбинируется с другими измерительными технологиями, включая лазерные, видеодатчики или датчики белого света, что позволяет реализовать так называемые мультисенсорные измерения.