Что такое координатно-измерительная машина?

Акоординатно-измерительная машина(КИМ) — это устройство, которое измеряет геометрию физических объектов путем зондирования дискретных точек на поверхности объекта с помощью зонда. В КИМ используются различные типы зондов, включая механические, оптические, лазерные и с белым светом. В зависимости от машины положение зонда может контролироваться вручную оператором или компьютером. КИМ обычно определяют положение зонда в терминах его смещения от исходного 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 зонда, чтобы обеспечить измерение поверхностей, которые в противном случае были бы недостижимы.

Типичная 3D «мостовая» КИМ позволяет зонду перемещаться по трем осям X, Y и Z, которые ортогональны друг другу в трехмерной декартовой системе координат. Каждая ось имеет датчик, который отслеживает положение зонда на этой оси, как правило, с точностью до микрометра. Когда зонд касается (или иным образом обнаруживает) определенного места на объекте, машина производит выборку трех датчиков положения, таким образом измеряя местоположение одной точки на поверхности объекта, а также трехмерный вектор выполненного измерения. Этот процесс повторяется по мере необходимости, перемещая зонд каждый раз, чтобы создать «облако точек», которое описывает интересующие области поверхности.

КИМ обычно используются в процессах производства и сборки для проверки детали или сборки на соответствие замыслу проекта. В таких приложениях генерируются 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 является специализированной формой промышленного робота.

Части

Координатно-измерительные машины включают в себя три основных компонента:

• Основная структура, которая включает три оси движения. Материал, используемый для создания подвижной рамы, менялся на протяжении многих лет. Гранит и сталь использовались в ранних КИМ. Сегодня все основные производители КИМ изготавливают рамы из алюминиевого сплава или некоторых производных, а также используют керамику для увеличения жесткости оси Z для сканирования. Немногие производители КИМ сегодня все еще производят КИМ с гранитной рамой из-за требований рынка к улучшенной динамике метрологии и растущей тенденции устанавливать КИМ за пределами лаборатории качества. Обычно только производители КИМ с небольшим объемом производства и отечественные производители в Китае и Индии все еще производят КИМ из гранита из-за низкого технологического подхода и легкого 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 задается как фактор неопределенности как функция от расстояния. Для КИМ, использующей контактный датчик, это относится к повторяемости датчика и точности линейных шкал. Типичная повторяемость датчика может привести к измерениям в пределах 0,001 мм или 0,00005 дюйма (половина десятой) по всему объему измерения. Для 3-, 3+2- и 5-осевых машин датчики регулярно калибруются с использованием прослеживаемых стандартов, а движение машины проверяется с использованием датчиков для обеспечения точности.

Конкретные части

Корпус машины

Первая КИМ была разработана компанией Ferranti Company of Scotland в 1950-х годах в результате прямой необходимости измерения точных компонентов в их военной продукции, хотя эта машина имела только 2 оси. Первые 3-осевые модели начали появляться в 1960-х годах (DEA of Italy), а компьютерное управление дебютировало в начале 1970-х годов, но первая рабочая КИМ была разработана и выпущена в продажу компанией Browne & Sharpe в Мельбурне, Англия. (Leitz Germany впоследствии выпустила фиксированную конструкцию машины с подвижным столом.

В современных машинах надстройка портального типа имеет две ноги и часто называется мостом. Она свободно перемещается вдоль гранитного стола с одной ногой (часто называемой внутренней ногой) по направляющему рельсу, прикрепленному к одной стороне гранитного стола. Противоположная нога (часто внешняя нога) просто опирается на гранитный стол, следуя вертикальному контуру поверхности. Воздушные подшипники являются выбранным методом для обеспечения свободного от трения перемещения. В них сжатый воздух нагнетается через ряд очень маленьких отверстий в плоской опорной поверхности, чтобы обеспечить плавную, но контролируемую воздушную подушку, на которой КИМ может перемещаться практически без трения, что можно компенсировать с помощью программного обеспечения. Движение моста или портала вдоль гранитного стола образует одну ось плоскости XY. Мост портала содержит каретку, которая перемещается между внутренней и внешней ногами и образует другую горизонтальную ось X или Y. Третья ось движения (ось Z) обеспечивается добавлением вертикальной пиноли или шпинделя, которая перемещается вверх и вниз через центр каретки. Датчик касания образует чувствительное устройство на конце пиноли. Движение осей X, Y и Z полностью описывает измерительную оболочку. Дополнительные поворотные столы могут использоваться для улучшения доступности измерительного датчика к сложным заготовкам. Поворотный стол как четвертая приводная ось не улучшает измерения размеров, которые остаются трехмерными, но он обеспечивает определенную степень гибкости. Некоторые датчики касания сами по себе являются приводными поворотными устройствами с наконечником датчика, способным поворачиваться вертикально более чем на 180 градусов и на полные 360 градусов.

КИМ теперь также доступны в различных других формах. Они включают в себя руки КИМ, которые используют угловые измерения, полученные в суставах руки, для расчета положения кончика стилуса, и могут быть оснащены зондами для лазерного сканирования и оптической визуализации. Такие руки КИМ часто используются там, где их портативность является преимуществом по сравнению с традиционными КИМ с фиксированной станиной — сохраняя измеренные местоположения, программное обеспечение для программирования также позволяет перемещать саму измерительную руку и ее измерительный объем вокруг детали, подлежащей измерению, во время процедуры измерения. Поскольку руки КИМ имитируют гибкость человеческой руки, они также часто способны достигать внутренних частей сложных деталей, которые невозможно исследовать с помощью стандартной трехкоординатной машины.

Механический зонд

На заре координатных измерений (КИМ) механические зонды устанавливались в специальный держатель на конце пиноли. Очень распространенный зонд изготавливался путем припаивания твердого шарика к концу вала. Это было идеально для измерения целого ряда плоских поверхностей, цилиндрических или сферических поверхностей. Другие зонды шлифовались до определенной формы, например, квадранта, чтобы обеспечить измерение специальных характеристик. Эти зонды физически удерживались напротив заготовки, а положение в пространстве считывалось с 3-осевого цифрового считывающего устройства (DRO) или, в более продвинутых системах, регистрировалось в компьютере с помощью ножного переключателя или аналогичного устройства. Измерения, выполненные этим контактным методом, часто были ненадежными, поскольку машины перемещались вручную, и каждый оператор машины прикладывал разное давление к зонду или использовал разные методы измерения.

Дальнейшим развитием стало добавление двигателей для управления каждой осью. Операторам больше не нужно было физически прикасаться к машине, они могли управлять каждой осью с помощью пульта управления с джойстиками, как в современных машинах с дистанционным управлением. Точность и достоверность измерений значительно возросли с изобретением электронного контактного триггерного датчика. Пионером этого нового устройства для измерения был Дэвид Макмертри, который впоследствии основал то, что сейчас называется Renishaw plc. Хотя датчик все еще был контактным устройством, он имел подпружиненный стальной шарик (позже рубиновый шарик) для стилуса. Когда датчик касался поверхности детали, стилус отклонялся и одновременно отправлял информацию о координатах X, Y, Z на компьютер. Ошибок измерения, вызванных отдельными операторами, стало меньше, и была подготовлена ​​почва для внедрения операций с ЧПУ и наступления эры КИМ.

Оптические зонды представляют собой системы линз-ПЗС, которые перемещаются подобно механическим и направлены на интересующую точку, а не касаются материала. Захваченное изображение поверхности будет заключено в границы измерительного окна, пока остаток не станет адекватным 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 является 2D (XY), а вертикальное положение является положением полной системы зондирования на Z-приводе стойки (или другом компоненте устройства).

Системы сканирующих зондов

Существуют более новые модели, которые имеют зонды, которые тянутся вдоль поверхности детали, беря точки через определенные интервалы, известные как сканирующие зонды. Этот метод проверки КИМ часто точнее, чем обычный метод касания зондом, и в большинстве случаев быстрее.

Следующее поколение сканирования, известное как бесконтактное сканирование, которое включает высокоскоростную лазерную одноточечную триангуляцию, лазерное линейное сканирование и сканирование белым светом, развивается очень быстро. Этот метод использует либо лазерные лучи, либо белый свет, которые проецируются на поверхность детали. Затем можно взять много тысяч точек и использовать их не только для проверки размера и положения, но и для создания трехмерного изображения детали. Затем эти «данные облака точек» можно перенести в программное обеспечение САПР для создания рабочей трехмерной модели детали. Эти оптические сканеры часто используются на мягких или деликатных деталях или для упрощения обратного проектирования.

Микрометрологические зонды

Системы зондирования для микромасштабных метрологических приложений являются еще одной развивающейся областью. Существует несколько коммерчески доступных координатно-измерительных машин (КИМ), которые имеют встроенный в систему микрозонд, несколько специализированных систем в государственных лабораториях и любое количество университетских метрологических платформ для микромасштабной метрологии. Хотя эти машины являются хорошими и во многих случаях превосходными метрологическими платформами с нанометрическими шкалами, их основным ограничением является надежный, прочный, способный микро/нанозонд.^{[необходима ссылка]}К проблемам технологий микрозондирования относится необходимость использования зонда с высоким соотношением сторон, что позволит получить 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, среди прочего, адгезией, мениском и/или силами Ван-дер-Ваальса).^{[необходима ссылка]}

Технологии для достижения микромасштабного зондирования включают в себя уменьшенную версию классических зондов КИМ, оптические зонды и зонд стоячей волны среди прочих. Однако современные оптические технологии не могут быть масштабированы достаточно мало для измерения глубоких, узких объектов, а оптическое разрешение ограничено длиной волны света. Рентгеновское изображение дает изображение объекта, но не прослеживаемую метрологическую информацию.

Физические принципы

Можно использовать оптические зонды и/или лазерные зонды (если возможно, в сочетании), которые превращают КИМ в измерительные микроскопы или многосенсорные измерительные машины. Системы проекции полос, системы триангуляции теодолита или лазерные дистанционные и триангуляционные системы не называются измерительными машинами, но результат измерения тот же: точка пространства. Лазерные зонды используются для определения расстояния между поверхностью и опорной точкой на конце кинематической цепи (т. е.: конец компонента привода Z). Это может использовать интерферометрическую функцию, 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, системы сканирования без манипулятора, которые используют методы оптической триангуляции и обеспечивают полную свободу перемещения вокруг объекта.

Портативные КИМ с шарнирными руками имеют шесть или семь осей, которые оснащены вращающимися энкодерами вместо линейных осей. Портативные руки легкие (обычно менее 20 фунтов) и могут переноситься и использоваться практически в любом месте. Однако оптические КИМ все чаще используются в отрасли. Разработанные с компактными линейными или матричными камерами (например, Microsoft Kinect), оптические КИМ меньше портативных КИМ с руками, не имеют проводов и позволяют пользователям легко проводить 3D-измерения всех типов объектов, расположенных практически в любом месте.

Определенные неповторяющиеся приложения, такие как обратное проектирование, быстрое прототипирование и крупномасштабная проверка деталей всех размеров, идеально подходят для портативных КИМ. Преимущества портативных КИМ многочисленны. Пользователи имеют гибкость в проведении 3D-измерений всех типов деталей и в самых удаленных/труднодоступных местах. Они просты в использовании и не требуют контролируемой среды для проведения точных измерений. Более того, портативные КИМ, как правило, стоят дешевле традиционных КИМ.

Неотъемлемым недостатком портативных КИМ является необходимость ручного управления (для их использования всегда требуется человек). Кроме того, их общая точность может быть несколько ниже, чем у КИМ мостового типа, и они менее пригодны для некоторых применений.

Мультисенсорно-измерительные машины

Традиционная технология КИМ с использованием контактных датчиков сегодня часто сочетается с другими измерительными технологиями. Сюда входят лазерные, видеодатчики или датчики белого света, чтобы обеспечить так называемое мультисенсорное измерение.