Koordinat ölçüm makinesi - Coordinate-measuring machine

Bir koordinat ölçme makinesi (CMM) bir cihazdır ölçen bir sonda ile objenin yüzeyi üzerinde ayrı ayrı noktaları algılama fiziksel nesneleri geometrisi. CMM'lerde mekanik, optik, lazer ve beyaz ışık dahil olmak üzere çeşitli prob türleri kullanılır. Makineye bağlı olarak, prob konumu bir operatör tarafından manuel olarak kontrol edilebilir veya bilgisayar kontrollü olabilir. CMM'ler tipik olarak, üç boyutlu bir Kartezyen koordinat sisteminde (yani, XYZ eksenleriyle) bir referans konumundan yer değiştirmesi açısından bir sondanın konumunu belirtir. Probu X, Y ve Z eksenleri boyunca hareket ettirmeye ek olarak, birçok makine, aksi takdirde ulaşılamayacak yüzeylerin ölçülmesine izin vermek için prob açısının kontrol edilmesini de sağlar.

Koordinat ölçüm makinesi
Koordinat ölçüm makinesi

Tanım

Tipik 3D "köprü" CMM, üç boyutlu bir Kartezyen koordinat sisteminde birbirine dik olan üç eksen, X, Y ve Z boyunca prob hareketine izin verir. Her eksende, probun o eksen üzerindeki konumunu tipik olarak mikrometre hassasiyetinde izleyen bir sensör bulunur . Prob nesne üzerinde belirli bir konumla temas ettiğinde (veya başka bir şekilde tespit ettiğinde), makine üç konum sensörünü örnekler, böylece nesnenin yüzeyindeki bir noktanın konumunu ve ayrıca alınan ölçümün 3 boyutlu vektörünü ölçer. Bu işlem, ilgilenilen yüzey alanlarını tanımlayan bir "nokta bulutu" üretmek için sondayı her seferinde hareket ettirerek gerektiği kadar tekrarlanır.

CMM'lerin yaygın bir kullanımı, bir parçayı veya montajı tasarım amacına göre test etmek için üretim ve montaj süreçlerindedir. Bu tür uygulamalarda, özelliklerin oluşturulması için regresyon algoritmaları ile analiz edilen nokta bulutları oluşturulur . Bu noktalar, bir operatör tarafından manuel olarak veya Doğrudan Bilgisayar Kontrolü (DCC) aracılığıyla otomatik olarak konumlandırılan bir sonda kullanılarak toplanır. DCC CMM'ler, aynı parçaları tekrar tekrar ölçmek için programlanabilir; bu nedenle otomatikleştirilmiş bir CMM, endüstriyel robotun özel bir şeklidir .

Teknik gerçekler

Parçalar

Koordinat ölçüm makineleri üç ana bileşen içerir:

  • Üç hareket ekseni içeren ana yapı. Hareketli çerçeveyi oluşturmak için kullanılan malzeme yıllar içinde değişiklik göstermiştir. Erken CMM'lerde granit ve çelik kullanıldı. Günümüzde tüm büyük CMM üreticileri, alüminyum alaşımından veya bazı türevlerinden çerçeveler üretiyor ve ayrıca tarama uygulamaları için Z ekseninin sertliğini artırmak için seramik kullanıyor. Gelişmiş metroloji dinamikleri için pazar gereksinimi ve CMM'yi kalite laboratuvarının dışına kurma eğiliminin artması nedeniyle, günümüzde az sayıda CMM üreticisi hala granit çerçeve CMM üretmektedir. Tipik olarak, Çin ve Hindistan'daki düşük hacimli CMM üreticileri ve yerli üreticiler, düşük teknoloji yaklaşımı ve bir CMM çerçeve üreticisi olmak için kolay giriş nedeniyle hala granit CMM üretmektedir. Taramaya yönelik artan eğilim aynı zamanda CMM Z ekseninin daha sert olmasını gerektiriyor ve seramik ve silisyum karbür gibi yeni malzemeler piyasaya sürüldü.
  • Sondalama sistemi
  • Veri toplama ve azaltma sistemi — tipik olarak bir makine kontrolörü, masaüstü bilgisayar ve uygulama yazılımı içerir.

kullanılabilirlik

Bu makineler bağımsız, el tipi ve taşınabilir olabilir.

Kesinlik

Koordinat ölçüm makinelerinin doğruluğu, tipik olarak, mesafeye göre bir fonksiyon olarak bir belirsizlik faktörü olarak verilir. Bir temaslı prob kullanan bir CMM için bu, probun tekrarlanabilirliği ve lineer ölçeklerin doğruluğu ile ilgilidir. Tipik prob tekrarlanabilirliği, tüm ölçüm hacmi boyunca .001 mm veya .00005 inç (onda biri) içinde ölçümlerle sonuçlanabilir. 3, 3+2 ve 5 eksenli makineler için, problar izlenebilir standartlar kullanılarak rutin olarak kalibre edilir ve doğruluğu sağlamak için makine hareketi göstergeler kullanılarak doğrulanır.

Belirli parçalar

makine gövdesi

İlk CMM, 1950'lerde İskoçya'daki Ferranti Şirketi tarafından, bu makinenin yalnızca 2 ekseni olmasına rağmen, askeri ürünlerindeki hassas bileşenlerin doğrudan ölçülmesi ihtiyacının bir sonucu olarak geliştirildi. İlk 3 eksenli modeller 1960'larda (İtalya'nın DEA'sı) ortaya çıkmaya başladı ve bilgisayar kontrolü 1970'lerin başında piyasaya sürüldü, ancak ilk çalışan CMM, Melbourne, İngiltere'de Browne & Sharpe tarafından geliştirildi ve satışa sunuldu. (Leitz Almanya daha sonra hareketli tablalı sabit bir makine yapısı üretti.

Modern makinelerde, portal tipi üst yapının iki ayağı vardır ve genellikle köprü olarak adlandırılır. Bu, granit masanın bir tarafına bağlı bir kılavuz rayı takip eden bir ayak (genellikle iç ayak olarak anılır) ile granit masa boyunca serbestçe hareket eder. Karşı ayak (genellikle dış ayak), dikey yüzey konturunu izleyerek granit masanın üzerinde durur. Hava yatakları , sürtünmesiz hareket sağlamak için seçilen yöntemdir. Bunlarda, sıkıştırılmış hava, CMM'nin yazılım aracılığıyla telafi edilebilecek neredeyse sürtünmesiz bir şekilde hareket edebildiği pürüzsüz ancak kontrollü bir hava yastığı sağlamak için düz bir yatak yüzeyindeki bir dizi çok küçük delikten geçirilir. Köprünün veya portalın granit masa boyunca hareketi, XY düzleminin bir eksenini oluşturur. Portalın köprüsü, iç ve dış ayaklar arasında geçen ve diğer X veya Y yatay eksenini oluşturan bir araba içerir. Üçüncü hareket ekseni (Z ekseni), arabanın ortasından yukarı ve aşağı hareket eden dikey bir tüy veya milin eklenmesiyle sağlanır. Dokunma sistemi, tüy ucunun ucundaki algılama cihazını oluşturur. X, Y ve Z eksenlerinin hareketi, ölçüm zarfını tam olarak tanımlar. Opsiyonel döner tablalar, ölçüm probunun karmaşık iş parçalarına yaklaşmasını artırmak için kullanılabilir. Dördüncü bir tahrik ekseni olarak döner tabla, 3 boyutlu kalan ölçüm boyutlarını geliştirmez, ancak bir dereceye kadar esneklik sağlar. Bazı dokunmatik problar, prob ucu 180 dereceden fazla dikey olarak ve tam 360 derecelik bir dönüşle dönebilen, kendi kendilerine çalışan döner cihazlardır.

CMM'ler artık çeşitli başka biçimlerde de mevcuttur. Bunlar, kalem ucunun konumunu hesaplamak için kolun eklemlerinden alınan açısal ölçümleri kullanan ve lazer tarama ve optik görüntüleme için problarla donatılabilen CMM kollarını içerir. Bu tür kol CMM'leri, taşınabilirliklerinin geleneksel sabit yataklı CMM'lere göre bir avantaj olduğu yerlerde sıklıkla kullanılır - ölçülen konumları depolayarak, programlama yazılımı ayrıca bir ölçüm rutini sırasında ölçülecek parçanın etrafında ölçüm kolunun ve ölçüm hacminin hareket etmesine izin verir. CMM kolları bir insan kolunun esnekliğini taklit ettiğinden, genellikle standart bir üç eksenli makine kullanılarak problanamayan karmaşık parçaların iç kısımlarına da ulaşabilirler.

Mekanik sonda

Koordinat ölçümünün (CMM) ilk günlerinde, mekanik problar, tüy ucunun ucundaki özel bir tutucuya yerleştirildi. Bir milin ucuna sert bir bilye lehimlenerek çok yaygın bir sonda yapılmıştır. Bu, çok çeşitli düz yüzey, silindirik veya küresel yüzeyleri ölçmek için idealdi. Diğer sondalar, özel özelliklerin ölçülmesini sağlamak için örneğin bir kadran gibi belirli şekillere taşlanmıştır. Bu sondalar, uzaydaki konum 3 eksenli bir dijital okumadan (DRO) okunarak veya daha gelişmiş sistemlerde bir ayak pedalı veya benzer bir cihaz aracılığıyla bir bilgisayara girilerek fiziksel olarak iş parçasına karşı tutuldu. Makineler elle hareket ettirildiğinden ve her makine operatörü prob üzerine farklı miktarlarda basınç uyguladığından veya ölçüm için farklı teknikler benimsediğinden, bu temas yöntemiyle alınan ölçümler genellikle güvenilmezdi.

Bir başka gelişme, her bir ekseni sürmek için motorların eklenmesiydi. Operatörler artık makineye fiziksel olarak dokunmak zorunda değillerdi, ancak modern uzaktan kumandalı arabalarda olduğu gibi joystick'li bir el kutusu kullanarak her bir ekseni çalıştırabilirlerdi. Elektronik temas tetiklemeli probun icadı ile ölçüm doğruluğu ve hassasiyeti önemli ölçüde iyileştirildi. Bu yeni prob cihazının öncüsü, sonradan şimdiki Renishaw plc'yi oluşturan David McMurtry idi . Hala bir temas cihazı olmasına rağmen, probun yay yüklü bir çelik bilyesi (daha sonra yakut bilye) kalemi vardı. Prob, bileşenin yüzeyine dokunduğunda, ekran kalemi saptı ve aynı anda bilgisayara X,Y,Z koordinat bilgilerini gönderdi. Bireysel operatörlerin neden olduğu ölçüm hataları azaldı ve CNC operasyonlarının tanıtılması ve CMM'lerin çağının gelmesi için aşama hazırlandı.

Elektronik temas tetiklemeli problu motorlu otomatik prob kafası

Optik problar, mekanik problar gibi hareket eden ve malzemeye dokunmak yerine ilgilenilen noktaya yönelik lens-CCD sistemleridir. Yüzeyin yakalanan görüntüsü, kalıntı siyah ve beyaz bölgeler arasında kontrast oluşturmaya yeterli olana kadar bir ölçüm penceresinin sınırları içine alınacaktır. Bölme eğrisi, uzayda istenen ölçüm noktası olan bir noktaya kadar hesaplanabilir. CCD üzerindeki yatay bilgi 2B'dir (XY) ve dikey konum, stant Z sürücüsündeki (veya diğer cihaz bileşenindeki) komple problama sisteminin konumudur.

Yeni problama sistemleri

Tarama probları olarak bilinen, belirli aralıklarla noktalar alarak parçanın yüzeyi boyunca sürüklenen problara sahip daha yeni modeller vardır. Bu CMM inceleme yöntemi, genellikle geleneksel dokunmatik prob yönteminden daha doğrudur ve çoğu zaman daha hızlıdır.

Temassız tarama olarak bilinen ve yüksek hızlı lazer tek nokta nirengi, lazer çizgi tarama ve beyaz ışık taramayı içeren yeni nesil tarama çok hızlı ilerliyor. Bu yöntem, parçanın yüzeyine yansıtılan lazer ışınları veya beyaz ışık kullanır. Daha sonra binlerce nokta alınabilir ve yalnızca boyut ve konumu kontrol etmek için değil, aynı zamanda parçanın 3D görüntüsünü oluşturmak için de kullanılabilir. Bu "nokta bulutu verileri" daha sonra parçanın çalışan bir 3D modelini oluşturmak için CAD yazılımına aktarılabilir. Bu optik tarayıcılar genellikle yumuşak veya hassas parçalar üzerinde veya tersine mühendisliği kolaylaştırmak için kullanılır .

Mikrometroloji probları

Mikro ölçekli metroloji uygulamaları için problama sistemleri, gelişmekte olan başka bir alandır. Sisteme entegre edilmiş bir mikro sondaya, devlet laboratuvarlarında çeşitli özel sistemlere ve mikro ölçekli metroloji için üniversite yapımı herhangi bir sayıda metroloji platformuna sahip, ticari olarak temin edilebilen birkaç koordinat ölçüm makinesi (CMM) vardır. Bu makineler iyi olmalarına ve çoğu durumda nanometrik ölçeklere sahip mükemmel metroloji platformlarına sahip olmalarına rağmen, birincil sınırlamaları güvenilir, sağlam, yetenekli bir mikro/nano sondadır. Mikro ölçekli problama teknolojilerinin zorlukları arasında, yüzeye zarar vermemek için düşük temas kuvvetleri ve yüksek hassasiyet (nanometre seviyesi) ile derin, dar özelliklere erişim yeteneği veren yüksek en-boy oranlı bir proba duyulan ihtiyaç yer alır. Ek olarak mikro ölçekli problar, nem ve yapışma gibi yüzey etkileşimleri gibi çevresel koşullara karşı hassastır ( diğerlerinin yanı sıra yapışma , menisküs ve/veya Van der Waals kuvvetlerinin neden olduğu).

Mikro ölçekli problama elde etmek için kullanılan teknolojiler arasında klasik CMM problarının küçültülmüş versiyonu, optik problar ve diğerlerinin yanı sıra duran dalga probları bulunur . Bununla birlikte, mevcut optik teknolojiler, derin, dar özellikleri ölçmek için yeterince küçük ölçeklenemez ve optik çözünürlük, ışığın dalga boyu ile sınırlıdır. X-ray görüntüleme özelliğin bir resmini sağlar ancak izlenebilir metroloji bilgisi sağlamaz.

Fiziksel ilkeler

CMM'leri ölçüm mikroskoplarına veya çok sensörlü ölçüm makinelerine dönüştüren optik problar ve/veya lazer problar (mümkünse kombinasyon halinde) kullanılabilir. Fringe projeksiyon sistemleri, teodolit nirengi sistemleri veya lazer uzak ve nirengi sistemleri ölçüm makineleri olarak adlandırılmaz, ancak ölçüm sonucu aynıdır: bir uzay noktası. Lazer problar, yüzey ile kinematik zincirin sonundaki referans noktası arasındaki mesafeyi tespit etmek için kullanılır (yani: Z tahrik bileşeninin sonu). Bu, bir interferometrik fonksiyon, odak değişimi , ışık sapması veya bir ışın gölgeleme ilkesi kullanabilir.

Taşınabilir koordinat ölçüm makineleri

Geleneksel CMM'ler bir nesnenin fiziksel özelliklerini ölçmek için üç Kartezyen eksen üzerinde hareket eden bir prob kullanırken, taşınabilir CMM'ler ya eklemli kollar ya da optik CMM'ler söz konusu olduğunda, optik üçgenleme yöntemlerini kullanan ve tam hareket özgürlüğü sağlayan kolsuz tarama sistemleri kullanır. nesnenin etrafında.

Mafsallı kollu portatif CMM'ler, lineer eksenler yerine döner kodlayıcılarla donatılmış altı veya yedi eksene sahiptir. Taşınabilir kollar hafiftir (tipik olarak 20 pounddan daha azdır) ve neredeyse her yerde taşınabilir ve kullanılabilir. Bununla birlikte, optik CMM'ler endüstride giderek daha fazla kullanılmaktadır. Kompakt lineer veya matris dizi kameralarla (Microsoft Kinect gibi) tasarlanan optik CMM'ler, kollu taşınabilir CMM'lerden daha küçüktür, kablo içermez ve kullanıcıların hemen hemen her yerde bulunan her tür nesnenin 3D ölçümlerini kolayca almalarını sağlar.

Tersine mühendislik , hızlı prototip oluşturma ve her boyuttaki parçanın büyük ölçekli denetimi gibi belirli tekrar etmeyen uygulamalar , taşınabilir CMM'ler için idealdir. Taşınabilir CMM'lerin faydaları çok yönlüdür. Kullanıcılar, her tür parçanın 3D ölçümlerini ve en uzak/zor konumlarda alma esnekliğine sahiptir. Kullanımları kolaydır ve doğru ölçümler almak için kontrollü bir ortam gerektirmezler. Ayrıca, taşınabilir CMM'ler geleneksel CMM'lerden daha düşük maliyetli olma eğilimindedir.

Taşınabilir CMM'lerin doğasında var olan ödünleşimler manuel işlemdir (bunları kullanmak için her zaman bir insan gerekir). Ek olarak, bunların genel doğruluğu, köprü tipi CMM'den biraz daha az doğru olabilir ve bazı uygulamalar için daha az uygundur.

Çok sensörlü ölçüm makineleri

Dokunma problarını kullanan geleneksel CMM teknolojisi, günümüzde genellikle diğer ölçüm teknolojileriyle birleştirilir. Bu, çoklu sensör ölçümü olarak bilinen şeyi sağlamak için lazer, video veya beyaz ışık sensörlerini içerir.

Standardizasyon

Bir koordinat ölçüm makinesinin performansını doğrulamak için ISO 10360 serisi mevcuttur. Bu standartlar serisi, sondalama sisteminin özelliklerini ve uzunluk ölçüm hatasını tanımlar:

  • P Formu : bir kürenin formunu ölçerken problama sapması
  • P Size : bir kürenin boyutunu ölçerken problama sapması
  • E Uni : bir yönden küreler üzerinde ölçüm uzunluğunun sapması
  • E Bi : kürelerde ölçüm uzunluğunun soldan ve sağdan sapması

ISO 10360 serisi aşağıdaki bölümlerden oluşur:

  • ISO 10360-1 Geometrik ürün spesifikasyonları (GPS) -- Koordinat ölçüm makineleri (CMM) için kabul ve yeniden doğrulama testleri -- Bölüm 1: Sözlük
  • ISO 10360-2 Geometrik ürün spesifikasyonları (GPS) -- Koordinat ölçüm makineleri (CMM) için kabul ve yeniden doğrulama testleri -- Bölüm 2: Doğrusal boyutları ölçmek için kullanılan CMM'ler
  • ISO 10360-7 Geometrik ürün spesifikasyonları (GPS) -- Koordinat ölçüm makineleri (CMM) için kabul ve yeniden doğrulama testleri -- Bölüm 7: Görüntüleme problama sistemleriyle donatılmış CMM'ler
  • ISO 10360-8 Geometrik ürün spesifikasyonları (GPS) -- Koordinat ölçüm sistemleri (CMS) için kabul ve yeniden doğrulama testleri -- Bölüm 8: Optik mesafe sensörlü CMM'ler

Ayrıca bakınız

Referanslar