Что такое координатно-измерительная машина?

Акоординатно-измерительная машинаКоординатно-измерительная машина (КИМ) — это устройство, измеряющее геометрию физических объектов путем определения дискретных точек на поверхности объекта с помощью зонда. В КИМ используются различные типы зондов, включая механические, оптические, лазерные и зонды белого света. В зависимости от машины, положение зонда может контролироваться вручную оператором или компьютером. КИМ обычно определяют положение зонда в виде его смещения относительно опорного положения в трехмерной декартовой системе координат (т.е. с осями XYZ). Помимо перемещения зонда вдоль осей X, Y и Z, многие машины также позволяют контролировать угол наклона зонда, что позволяет измерять поверхности, которые в противном случае были бы недоступны.

Типичная 3D-координатно-измерительная машина с «мостом» позволяет перемещать щуп вдоль трех осей, X, Y и Z, которые ортогональны друг другу в трехмерной декартовой системе координат. Каждая ось имеет датчик, который контролирует положение щупа на этой оси, как правило, с микрометровой точностью. Когда щуп касается (или иным образом обнаруживает) определенную точку на объекте, машина считывает показания трех датчиков положения, измеряя таким образом местоположение одной точки на поверхности объекта, а также трехмерный вектор полученного измерения. Этот процесс повторяется по мере необходимости, каждый раз перемещая щуп, для создания «облака точек», описывающего интересующие участки поверхности.

Одно из распространенных применений координатно-измерительных машин (КИМ) — это тестирование деталей или узлов на соответствие проектным требованиям в производственных и сборочных процессах. В таких приложениях генерируются облака точек, которые анализируются с помощью алгоритмов регрессии для построения элементов конструкции. Эти точки собираются с помощью зонда, который позиционируется вручную оператором или автоматически с помощью прямого компьютерного управления (DCC). КИМ с DCC могут быть запрограммированы на многократное измерение идентичных деталей; таким образом, автоматизированная КИМ представляет собой специализированную форму промышленного робота.

Детали

Координатно-измерительные машины состоят из трех основных компонентов:

• Основная конструкция 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 повышения жесткости оси Z для сканирующих приложений. Некоторые производители КИМ до сих пор выпускают КИМ с гранитной рамой из-за рыночных требований к улучшенной метрологической динамике и растущей тенденции к установке КИМ вне лабораторий контроля качества. Как правило, гранитные КИМ до сих пор производят только производители небольших партий КИМ и отечественные производители в Китае и Индии из-за низкого уровня технологий и простоты выхода на рынок в качестве производителя рам для КИМ. Растущая тенденция к сканированию также требует большей жесткости оси Z КИМ, и были внедрены новые материалы, такие как керамика и карбид кремния.
• Зондирующая система
• Система сбора и обработки данных — как правило, включает в себя контроллер станка, настольный компьютер и прикладное программное обеспечение.

Доступность

Эти устройства могут быть стационарными, ручными и портативными.

Точность

Точность координатно-измерительных машин обычно выражается в виде коэффициента неопределенности в зависимости от расстояния. Для КИМ с контактным щупом это связано с повторяемостью щупа и точностью линейных шкал. Типичная повторяемость щупа может обеспечивать измерения в пределах 0,001 мм или 0,00005 дюйма (половина десятой) по всему объему измерения. Для 3-, 3+2- и 5-осевых машин щупы регулярно калибруются с использованием прослеживаемых стандартов, а перемещение машины проверяется с помощью измерительных приборов для обеспечения точности.

Конкретные части

Корпус машины

Первая координатно-измерительная машина (КИМ) была разработана шотландской компанией Ferranti в 1950-х годах в связи с непосредственной необходимостью измерения прецизионных компонентов в их военной продукции, хотя эта машина имела всего две оси. Первые трехосевые модели начали появляться в 1960-х годах (итальянская компания DEA), а компьютерное управление дебютировало в начале 1970-х годов, но первая работающая КИМ была разработана и выпущена в продажу компанией Browne & Sharpe в Мельбурне, Англия. (Впоследствии немецкая компания Leitz выпустила машину с неподвижной конструкцией и подвижным столом.)

В современных станках портальная конструкция имеет две опоры и часто называется мостом. Она свободно перемещается вдоль гранитного стола, при этом одна опора (часто называемая внутренней) следует по направляющей, прикрепленной к одной стороне гранитного стола. Противоположная опора (часто внешняя) просто опирается на гранитный стол, следуя вертикальному контуру поверхности. Для обеспечения беспрепятственного перемещения используются воздушные подшипники. В них сжатый воздух подается через ряд очень маленьких отверстий в плоской опорной поверхности, создавая гладкую, но контролируемую воздушную подушку, по которой КИМ может перемещаться практически без трения, которое может быть компенсировано 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 вертикального шпинделя, который перемещается вверх и вниз через центр каретки. Контактный щуп образует чувствительное устройство на конце шпинделя. Перемещение по осям X, Y и Z полностью описывает измерительную зону. Для повышения доступности измерительного щупа к сложным заготовкам можно использовать дополнительные поворотные столы. Поворотный стол в качестве четвертой оси привода не увеличивает измерительные размеры, которые остаются трехмерными, но обеспечивает определенную гибкость. Некоторые контактные щупы сами по себе являются устройствами с электроприводом и вращающимся наконечником, способным поворачиваться вертикально более чем на 180 градусов и вращаться на 360 градусов.

В настоящее время координатно-измерительные машины (КИМ) выпускаются в различных других вариантах. К ним относятся КИМ-манипуляторы, использующие угловые измерения, проводимые в шарнирах манипулятора, для расчета положения наконечника щупа, и которые могут быть оснащены щупами для лазерного сканирования и оптической визуализации. Такие КИМ-манипуляторы часто используются там, где их портативность является преимуществом по сравнению с традиционными КИМ с неподвижным столом — благодаря сохранению измеренных координат, программное обеспечение также позволяет перемещать сам измерительный манипулятор и его измерительный объем вокруг измеряемой детали во время процедуры измерения. Поскольку манипуляторы КИМ имитируют гибкость человеческой руки, они также часто способны достигать внутренних частей сложных деталей, которые невозможно исследовать с помощью стандартного трехкоординатного станка.

Механический зонд

На заре развития координатно-измерительных машин (КИМ) механические щупы устанавливались в специальный держатель на конце шпинделя. Очень распространенным щупом было щуп, изготовленный путем припаивания твердого шарика к концу вала. Он идеально подходил для измерения широкого спектра плоских, цилиндрических или сферических поверхностей. Другие щупы затачивались до определенной формы, например, в виде квадранта, для измерения специальных элементов. Эти щупы физически прижимались к заготовке, а их положение в пространстве считывалось с 3-осевого цифрового индикатора (DRO) или, в более совершенных системах, регистрировалось в компьютере с помощью ножного переключателя или аналогичного устройства. Измерения, выполненные этим контактным методом, часто были ненадежными, поскольку станки перемещались вручную, и каждый оператор станка прикладывал разное давление на щуп или использовал разные методы измерения.

Дальнейшим усовершенствованием 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, подобно современным радиоуправляемым автомобилям. Точность и прецизионность измерений значительно улучшились с изобретением электронного контактного щупа. Пионером этого нового устройства был Дэвид Макмертри, который впоследствии основал компанию, ныне известную как Renishaw plc. Хотя это по-прежнему было контактное устройство, щуп имел подпружиненный стальной шарик (позже рубиновый шарик) в качестве стилуса. При касании щупом поверхности детали стилус отклонялся и одновременно передавал информацию о координатах X, Y, Z на компьютер. Ошибки измерений, вызванные действиями отдельных операторов, уменьшились, и были созданы условия для внедрения станков с ЧПУ и становления координатно-измерительных машин (КИМ).

Оптические зонды представляют собой системы линз и ПЗС-матриц, которые перемещаются подобно механическим и направляются на интересующую точку, а не касаются материала. Захваченное изображение поверхности будет заключено в границы измерительного окна до тех пор, пока остаток не станет достаточным для контраста между черными и белыми зонами. Разделительная кривая может быть рассчитана до точки, которая является желаемой точкой измерения в пространстве. Горизонтальная информация на ПЗС-матрице представлена ​​в 2D (XY), а вертикальное положение — это положение всей зондирующей системы на оси Z штатива (или другом компоненте устройства).

Системы сканирующих зондов

Существуют более новые модели, оснащенные щупами, которые перемещаются по поверхности детали, отмеряя точки через заданные интервалы, — так называемые сканирующие щупы. Этот метод контроля с помощью координатно-измерительной машины часто точнее, чем традиционный метод контактного щупа, и в большинстве случаев быстрее.

Следующее поколение сканирования, известное как бесконтактное сканирование, включающее высокоскоростную лазерную триангуляцию по одной точке, лазерное линейное сканирование и сканирование белым светом, развивается очень быстро. Этот метод использует либо лазерные лучи, либо белый свет, проецируемые на поверхность детали. Затем можно получить тысячи точек, которые используются не только для проверки размера и положения, но и для создания трехмерного изображения детали. Эти «данные облака точек» затем могут быть переданы в программное обеспечение CAD для создания рабочей трехмерной модели детали. Эти оптические сканеры часто используются для сканирования мягких или хрупких деталей или для облегчения обратного проектирования.

Микрометрологические зонды

Еще одной перспективной областью являются зондирующие системы для микромасштабной метрологии. Существует несколько коммерчески доступных координатно-измерительных машин (КИМ) со встроенным микрозондом, ряд специализированных систем в государственных лабораториях, а также множество созданных в университетах метрологических платформ для микромасштабной метрологии. Хотя эти машины являются хорошими, а во многих случаях и превосходными метрологическими платформами с нанометровыми масштабами, их основным ограничением является наличие надежного, прочного и функционального микро/нанозонда.^{[требуется ссылка]}К проблемам, возникающим при разработке технологий микромасштабного зондирования, относятся необходимость в зонде с высоким соотношением сторон, обеспечивающем доступ к глубоким и узким элементам с низкими контактными усилиями, чтобы не повредить поверхность, а также высокая точность (нанометровый уровень).^{[требуется ссылка]}Кроме того, микроскопические зонды подвержены воздействию условий окружающей среды, таких как влажность, и поверхностных взаимодействий, например, залипания (вызванного адгезией, мениском и/или силами Ван дер Ваальса и другими).^{[требуется ссылка]}

Технологии для достижения микроскопического зондирования включают в себя уменьшенные версии классических зондов координатно-измерительных машин, оптические зонды и зонд со стоячей волной, среди прочих. Однако современные оптические технологии не позволяют масштабировать изображение до достаточно малых размеров для измерения глубоких, узких элементов, а оптическое разрешение ограничено длиной волны света. Рентгеновская визуализация дает изображение элемента, но не предоставляет прослеживаемой метрологической информации.

Физические принципы

Для измерения расстояния могут использоваться оптические и/или лазерные зонды (по возможности в комбинации), что превращает координатно-измерительные машины в измерительные микроскопы или многосенсорные измерительные машины. Системы проекции полос, системы триангуляции теодолитов или лазерные системы дальнего измерения и триангуляции не называются измерительными машинами, но результат измерения тот же: пространственная точка. Лазерные зонды используются для определения расстояния между поверхностью и опорной точкой на конце кинематической цепи (т. е. конце компонента, приводимого по оси Z). Для этого может использоваться интерферометрическая функция, изменение фокуса, отклонение света или принцип затенения луча.

Портативные координатно-измерительные машины

В то время как традиционные координатно-измерительные машины (КИМ) используют зонд, перемещающийся по трем декартовым осям для измерения физических характеристик объекта, портативные КИМ используют либо шарнирные манипуляторы, либо, в случае оптических КИМ, системы сканирования без манипуляторов, использующие методы оптической триангуляции и обеспечивающие полную свободу перемещения вокруг объекта.

Портативные координатно-измерительные машины с шарнирными манипуляторами имеют шесть или семь осей, оснащенных поворотными энкодерами, вместо линейных осей. Портативные манипуляторы легкие (обычно менее 9 кг) и могут переноситься и использоваться практически где угодно. Однако в промышленности все чаще используются оптические координатно-измерительные машины. Разработанные с использованием компактных линейных или матричных камер (например, Microsoft Kinect), оптические координатно-измерительные машины меньше портативных координатно-измерительных машин с манипуляторами, не имеют проводов и позволяют пользователям легко выполнять 3D-измерения всех типов объектов, расположенных практически в любом месте.

Для некоторых нетипичных задач, таких как обратное проектирование, быстрое прототипирование и крупномасштабный контроль деталей всех размеров, идеально подходят портативные координатно-измерительные машины (КИМ). Преимущества портативных КИМ многочисленны. Пользователи получают возможность проводить 3D-измерения всех типов деталей даже в самых удаленных/труднодоступных местах. Они просты в использовании и не требуют контролируемой среды для получения точных измерений. Кроме того, портативные КИМ, как правило, стоят дешевле, чем традиционные КИМ.

Неизбежными недостатками портативных координатно-измерительных машин являются ручное управление (они всегда требуют присутствия человека). Кроме того, их общая точность может быть несколько ниже, чем у мостовых координатно-измерительных машин, и они менее подходят для некоторых применений.

Многосенсорные измерительные машины

Традиционная технология координатно-измерительных машин (КИМ) с использованием контактных щупов сегодня часто сочетается с другими технологиями измерения. Это включает лазерные, видеодатчики или датчики белого света для обеспечения так называемого многосенсорного измерения.