Что такое координатно-измерительная машина?

Акоординатно-измерительная машина(CMM) — это устройство, которое измеряет геометрию физических объектов путем измерения дискретных точек на поверхности объекта с помощью зонда.В КИМ используются различные типы датчиков, в том числе механические, оптические, лазерные и датчики белого света.В зависимости от машины положение датчика может контролироваться оператором вручную или с помощью компьютера.КИМ обычно определяют положение датчика с точки зрения его смещения от исходного положения в трехмерной декартовой системе координат (т. е. с осями XYZ).Помимо перемещения датчика по осям X, Y и Z, многие машины также позволяют контролировать угол датчика, чтобы обеспечить измерение поверхностей, которые в противном случае были бы недоступны.

Типичная трехмерная «мостовая» КИМ позволяет перемещать датчик по трем осям X, Y и Z, которые ортогональны друг другу в трехмерной декартовой системе координат.Каждая ось имеет датчик, который контролирует положение датчика на этой оси, обычно с точностью до микрометра.Когда зонд контактирует (или иным образом обнаруживает) определенное место на объекте, машина производит выборку данных с трех датчиков положения, измеряя таким образом местоположение одной точки на поверхности объекта, а также трехмерный вектор выполненного измерения.Этот процесс повторяется по мере необходимости, каждый раз перемещая зонд для создания «облака точек», описывающего интересующие области поверхности.

КИМ обычно используются в процессах производства и сборки для проверки детали или сборки на соответствие проектному замыслу.В таких приложениях генерируются облака точек, которые анализируются с помощью алгоритмов регрессии для построения объектов.Эти точки собираются с помощью датчика, который позиционируется оператором вручную или автоматически с помощью прямого компьютерного управления (DCC).КИМ DCC можно запрограммировать на многократное измерение идентичных деталей;таким образом, автоматизированная КИМ представляет собой специализированную форму промышленного робота.

Части

Координатно-измерительные машины включают в себя три основных компонента:

• Основная конструкция, включающая три оси движения.Материал, используемый для изготовления движущейся рамы, менялся с годами.Гранит и сталь использовались в первых ШМ.Сегодня все основные производители КИМ изготавливают рамы из алюминиевого сплава или его производных, а также используют керамику для увеличения жесткости оси Z при сканировании.Сегодня немногие производители КИМ по-прежнему производят КИМ с гранитной рамой из-за требований рынка к улучшенным метрологическим характеристикам и растущей тенденции к установке КИМ за пределами лаборатории контроля качества.Обычно только мелкие производители ШМ и отечественные производители в Китае и Индии по-прежнему производят гранитный ШМ из-за низкого технологического подхода и легкого входа на рынок, чтобы стать изготовителем каркасов ШМ.Растущая тенденция к сканированию также требует, чтобы ось Z КИМ была более жесткой, и были внедрены 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 портативными.

Точность

Точность координатно-измерительных машин обычно задается как коэффициент неопределенности как функция от расстояния.Для КИМ, использующих контактный датчик, это относится к повторяемости датчика и точности линейных шкал.Типичная повторяемость зонда может привести к измерениям в пределах 0,001 мм или 0,00005 дюйма (половина десятой) по всему объему измерения.Для станков с 3, 3+2 и 5 осями датчики регулярно калибруются с использованием отслеживаемых стандартов, а движение машины проверяется с помощью датчиков для обеспечения точности.

Конкретные части

Корпус машины

Первая КИМ была разработана шотландской компанией Ferranti в 1950-х годах в результате непосредственной необходимости измерения прецизионных компонентов в их военной продукции, хотя эта машина имела только 2 оси.Первые 3-осные модели начали появляться в 1960-х годах (DEA в Италии), а компьютерное управление дебютировало в начале 1970-х, но первая работающая КИМ была разработана и выставлена ​​на продажу компанией Browne & Sharpe в Мельбурне, Англия.(Впоследствии компания Leitz Germany произвела стационарную конструкцию станка с подвижным столом.

В современных машинах надстройка портального типа имеет две опоры и часто называется мостом.Он свободно перемещается вдоль гранитного стола, при этом одна ножка (часто называемая внутренней) следует по направляющей, прикрепленной к одной стороне гранитного стола.Противоположная нога (часто внешняя) просто опирается на гранитный стол, повторяя контур вертикальной поверхности.Пневматические подшипники являются выбранным методом обеспечения движения без трения.В них сжатый воздух пропускается через ряд очень маленьких отверстий в плоской опорной поверхности, чтобы создать плавную, но контролируемую воздушную подушку, на которой КИМ может перемещаться почти 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 внутренними и внешними опорами и образует другую горизонтальную ось X или Y.Третья ось движения (ось Z) обеспечивается добавлением вертикальной пиноли или шпинделя, который перемещается вверх и вниз через центр каретки.Сенсорный датчик образует чувствительное устройство на конце пиноли.Движение осей X, Y и Z полностью описывает диапазон измерения.Дополнительные поворотные столы можно использовать для улучшения доступа измерительного преобразователя к сложным заготовкам.Поворотный стол в качестве четвертой приводной оси не увеличивает размеры измерения, которые остаются трехмерными, но обеспечивает определенную гибкость.Некоторые сенсорные щупы сами по себе представляют собой вращающиеся устройства с приводом, кончик щупа может поворачиваться вертикально более чем на 180 градусов и поворачиваться на полные 360 градусов.

ШМ теперь также доступны во множестве других форм.К ним относятся манипуляторы КИМ, которые используют угловые измерения, полученные в суставах манипулятора, для расчета положения кончика щупа и могут быть оснащены датчиками для лазерного сканирования и оптического формирования изображений.Такие КИМ с манипулятором часто используются там, где их портативность является преимуществом по сравнению с традиционными КИМ с фиксированной платформой: сохраняя места измерений, программное обеспечение для программирования 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 могут достичь внутренних частей сложных деталей, которые невозможно измерить с помощью стандартного трехосного станка.

Механический зонд

На заре координатных измерений (КИМ) механические датчики помещались в специальный держатель на конце пиноли.Очень распространенный зонд изготавливался путем припаивания твердого шарика к концу вала.Это было идеально для измерения широкого спектра плоских, цилиндрических или сферических поверхностей.Другим зондам придавалась определенная форма, например квадрант, чтобы можно было измерять особые характеристики.Эти датчики физически прижимались к заготовке, а положение в пространстве считывалось с 3-осевого цифрового считывателя (DRO) или, в более продвинутых системах, регистрировалось в компьютере с помощью ножного переключателя или аналогичного устройства.Измерения, проводимые этим контактным методом, часто были ненадежными, поскольку машины перемещались вручную, и каждый оператор станка прикладывал различное давление к датчику или применял разные методы измерения.

Дальнейшим развитием стало добавление двигателей для привода каждой оси.Операторам больше не нужно было физически прикасаться к машине, они могли управлять каждой осью с помощью ручного ящика с джойстиками почти так же, как в современных автомобилях с дистанционным управлением.Точность и точность измерений значительно улучшились с изобретением электронного сенсорного триггерного датчика.Первооткрывателем этого нового зондового устройства был Дэвид МакМёртри, который впоследствии основал компанию, которая сейчас называется Renishaw plc.Хотя зонд по-прежнему оставался контактным устройством, он имел подпружиненный иглу из стального шарика (позже рубинового шарика).Когда зонд коснулся поверхности компонента, игла отклонилась и одновременно отправила информацию о координатах X, Y, Z на компьютер.Ошибок измерения, вызванных отдельными операторами, стало меньше, и были созданы условия для внедрения операций с ЧПУ и наступления эпохи КИМ.

Оптические датчики представляют собой системы линз-CCD, которые перемещаются, как механические, и направлены 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 черной и белой зонами.Разделительную кривую можно рассчитать до точки, которая является желаемой точкой измерения в пространстве.Горизонтальная информация на ПЗС-матрице имеет формат 2D (XY), а вертикальная позиция — это положение всей измерительной системы на Z-приводе стойки (или другом компоненте устройства).

Сканирующие зондовые системы

Существуют более новые модели, в которых есть датчики, которые тянутся по поверхности детали, беря точки через заданные интервалы, называемые сканирующими датчиками.Этот метод контроля КИМ зачастую более точен, чем традиционный метод контактного щупа, а также в большинстве случаев быстрее.

Следующее поколение сканирования, известное как бесконтактное сканирование, которое включает в себя высокоскоростную лазерную триангуляцию по одной точке, лазерное линейное сканирование и сканирование белым светом, развивается очень быстро.В этом методе используются лазерные лучи или белый свет, которые проецируются на поверхность детали.Затем можно взять многие тысячи точек и использовать их не только для проверки размера и положения, но и для создания трехмерного изображения детали.Эти «данные облака точек» затем можно передать в программное обеспечение САПР для создания рабочей 3D-модели детали.Эти оптические сканеры часто используются для проверки мягких или деликатных деталей или для облегчения обратного проектирования.

Микрометрологические зонды

Еще одной развивающейся областью являются измерительные системы для микромасштабных метрологических приложений.Существует несколько коммерчески доступных координатно-измерительных машин (КИМ), в систему которых встроен микрозонд, несколько специализированных систем в государственных лабораториях и любое количество университетских метрологических платформ для микромасштабной метрологии.Хотя эти машины являются хорошими, а во многих случаях превосходными метрологическими платформами с нанометрическими масштабами, их основным ограничением является надежный, прочный и функциональный микро/нанозонд.^{[нужна цитата]}Проблемы микромасштабных технологий зондирования включают необходимость в зонде с большим удлинением, обеспечивающем доступ к глубоким, узким элементам с низкими контактными силами, чтобы не повредить поверхность, и с высокой точностью (нанометровый уровень).^{[нужна цитата]}Кроме того, микромасштабные зонды чувствительны к условиям окружающей среды, таким как влажность и поверхностные взаимодействия, такие как прилипание (вызванное, среди прочего, адгезией, мениском и/или силами Ван-дер-Ваальса).^{[нужна цитата]}

Технологии для микромасштабного зондирования включают, среди прочего, уменьшенные версии классических зондов КИМ, оптических зондов и зонда стоячей волны.Однако современные оптические технологии не могут быть достаточно масштабированы для измерения глубоких и узких объектов, а оптическое разрешение ограничено длиной волны света.Рентгеновское изображение дает представление об объекте, но не дает прослеживаемой метрологической информации.

Физические принципы

Можно использовать оптические датчики и/или лазерные датчики (если возможно, в комбинации), которые заменяют КИМ измерительными микроскопами или многосенсорными измерительными машинами.Системы проекции краев, теодолитные триангуляционные системы или лазерные дальнометрические и триангуляционные системы не называются измерительными машинами, но результат измерения один и тот же: точка пространства.Лазерные датчики используются для определения расстояния между поверхностью и контрольной точкой на конце кинематической цепи (т. е. конце компонента Z-привода).При этом может использоваться интерферометрическая функция, изменение фокуса, отклонение света или принцип затенения луча.

Переносные координатно-измерительные машины

В то время как в традиционных КИМ для измерения физических характеристик объекта используется датчик, который перемещается по трем декартовым осям, в портативных КИМ используются либо шарнирно-сочлененные манипуляторы, либо, в случае оптических КИМ, системы сканирования без рук, которые используют методы оптической триангуляции и обеспечивают полную свободу перемещения. вокруг объекта.

Портативные КИМ с шарнирными рычагами имеют шесть или семь осей, оснащенных поворотными энкодерами вместо линейных осей.Портативные манипуляторы легкие (обычно менее 20 фунтов), их можно носить с собой и использовать практически где угодно.Однако оптические КИМ все чаще используются в промышленности.Оптические КИМ, разработанные с использованием компактных линейных или матричных камер (таких как Microsoft Kinect), меньше портативных КИМ с кронштейнами, не имеют проводов и позволяют пользователям легко проводить трехмерные измерения всех типов объектов, расположенных практически в любом месте.

Некоторые неповторяющиеся приложения, такие как обратное проектирование, быстрое прототипирование и крупномасштабный контроль деталей всех размеров, идеально подходят для портативных КИМ.Преимущества портативных КИМ многочисленны.Пользователи имеют возможность проводить 3D-измерения всех типов деталей в самых отдаленных/труднодоступных местах.Они просты в использовании и не требуют контролируемой среды для проведения точных измерений.Более того, портативные КИМ, как правило, стоят дешевле, чем традиционные КИМ.

Неотъемлемым недостатком портативных КИМ является ручное управление (их всегда требует человек).Кроме того, их общая точность может быть несколько менее точной, чем у КИМ мостового типа, и они менее подходят для некоторых применений.

Мультисенсорно-измерительные машины

Традиционная технология КИМ с использованием контактных датчиков сегодня часто комбинируется с другими технологиями измерения.Сюда входят лазерные, видеодатчики или датчики белого света, обеспечивающие так называемые мультисенсорные измерения.