Koordinatna mjerna mašina

Koordinatna mjerna mašina (engleski: Coordinate-measuring machine, CMM) jeste uređaj za mjerenje fizikalnih geometrijskih karakteristika objekata. Ova mašina može biti ručno kontrolirana od strane operatera ili računarski. Mjerenja su definisana sondom prihvaćenom sa tri pomične ose ove mašine. Sonde mogu biti mehaničke, optičke, laserske, sa bijelim svjetlom itd. Mašina koja vrši očitavanja u šest stepeni slobode kretanja, te prikazuje ova očitanja u matematičkom obliku, također se naziva koordinatna mjerna mašina (CMM).

Primjer CMM

Primjer CMM

Opis

Tipična tromostna "bridge" koordinatna mjerna mašina se sastoji iz tri ose: X, Y i Z. Ove ose su međusobno okomite, u smislu Dekartovog trodimenzionalnog koordinatnog sistema. Svaka osa ima sistem skale koji ukazuje na lokaciju osa. Mašina očitava ulazne podatke prilikom dodirivanja sonde i objekta, po nadzoru operatera ili programera. Mašina zatim koristi X, Y, Z koordinate svake od ovih tačaka da opiše veličinu i poziciju sa mikrometarskom preciznošću, po podrazumijevanoj vrijednosti.

Koordinatna mjerna mašina je također uređaj korišten u proizvodnji i procesima spajanja prilikom testiranja dijelova ili sklopova u cilju dobijanja zahtjevanih proizvoda. Preciznim snimanjem X, Y i Z koordinata ciljanog objekta generiraju se tačke, a kasnije se to može analizirati preko regresionog algoritma sa mogućnošću konstrukcije. Ove tačke su uzete korištenjem sonde koja je ručno podešena od strane operatera ili automatski preko direktne računarske kontrole (engleski: DCC). DCC CMM-ovi mogu biti programirani da uzastopno mjere jednake dijelove, s tim da je CMM posebni oblik industrijskog robota.

Tehničke karakteristike

Dijelovi

Koordinatna mjerna mašina sadrži tri glavne komponente:

• Glavna struktura koja sadrži tri ose pomjeranja. Materijal koji se koristi za konstrukciju pomjerajućeg okvira se mijenjao vremenom. Granit i čelik su korišteni u ranijim varijantama mašine. Danas, svi veći CMM proizvođači prave okvire od legure aluminija ili nekog derivata i također koriste keramiku radi povećanja krutosti Z-ose za programe skeniranja. Nekoliko CMM proizvođača danas koriste granitne okvire CMM-a zbog zahjeva tržišta za poboljšanom metrološkom dinamikom i povećanjem trenda za instaliranjem CMM-a izvan laboratorije kvaliteta. Obično samo mali broj CMM proizvođača i domaćih proizvođača u Kini i Indiji još uvijek proizvode granitne CMM zbog niske tehnologije pristupa i lahkog ulaska na tržište, te postajanjem CMM proizvođačima okvirova. Sve veći trend skeniranja također zahtjeva da CMM Z-ose budu tvrđe i uvedeni novi materijali, kao što su keramika i silicij karbid.
• Sistem sondi
• Prikupljanje podataka i sistem redukcije - obično uključuje softverske mašine upravljačkog sklopa, desktop računara i aplikacije.

Podjela

Ove mašine mogu biti slobodnostojeće, ručne i prijenosne.

Dijelovi

Tijelo mašine

Prva CMM je razvijena od strane Ferranti Company of Scotland u 1950. kao rezultat direktne potrebe za mjerenje preciznosti komponenti u njihovim vojnim proizvodima, iako je samo ova mašina imala 2 ose. Prvi modeli sa 3-ose počeli da se pojavljuju u 1960. (DEA Italija), a upravljanje računarom je počelo u ranim 1970-im (Sheffield SAD). Leitz Njemačka naknadno proizvodi fiksnu strukturu mašina sa pokretnim stolom.

Kod modernih mašina, tip portalne superstrukture ima dvije noge i često se naziva most. Kreće se slobodno duž granitnog stola sa jednom nogom (često se naziva "unutar nogu") prateći vođice priključen na jednoj strani stola granita. Suprotna noga (često se naziva "van nogu") jednostavno stoji na granitnoj tablici prateći vertikalnu površinu konture. Zračni ležajevi su odabrana metoda za osiguravanje trenja slobodnog kretanja. Kod njih je komprimirani zrak prisiljen kroz niz veoma malih rupa u ravnu površinu ležišta pružiti glatki, ali pod kontrolom, zračni jastuk na kojem se CMM može kretati u bezotpornom načinu. Kretanje mosta ili pokretnog postolja duž granitnog stola formira jednu osu XY ravni. Most od pokretnog postolja sadrži kočiju koja prolazi između unutrašnjih i vanjskih nogu i formira druge X ili Y horizontalne ose. Treća osa kretanja (Z osa) obezbeđuje dodavanje vertikalnog pera ili osovine koja se kreće gore/dolje kroz centar kočije. Dodirna sonda formira uređaj za očitavanje na kraju pipka. Kretanje u X, Y i Z osama u potpunosti opisuje mjerni koverat. Izborne rotacione tablice se mogu koristiti za poboljšanje pristupačnosti mjerne sonde na složenije komade. Okretni sto kao četvrta osa diska ne poboljšava mjerenje dimenzija, koje ostaju 3D, ali poboljšava stepen savitljivosti. Neke dodirne sonde su i same pogon rotacionih uređaja sa mjernim vrhom sa mogućnosti da se okreću vertikalno do 90 stepeni i rotiraju za 360 stepeni.

Kao i tradicionalne troosne mašine (prema slikama iznad), CMM-ovi su sada također dostupni u drugim oblicima. Ovo uključuje CMM ruke koje koriste ugaono mjerenje uzeto kao mješavina ruku koje računaju poziciju igle. Takve ručne CMM mašine se obično koriste gdje je njihova portabilnost u prednosti u odnosu na tradicionalne nepokretne mašine. Zbog toga što CMM ruke imitiraju fleksibilnost ljudskih ruku, također su često u mogućnosti da pristupe unutrašnjosti kompleksnih dijelova koji ne bi mogli biti dosegnuti sondom standardne troosne mašine.

Mehaničke sonde

U počecima koordinatnih mjerenja, mehaničke sonde su se stavljale u specijalni držač na kraju pipka. Vrlo česta sonda je pravljena lemljenjem tvrde kugle na kraju osovine. Ovo je bilo idealno za mjerenja čitavog spektra ravnih, cilindričnih i sfernih površina. Ostale sonde su bile osnova za posebne oblike, naprimjer kvadrat, kako bi se omogućilo mjerenje posebnih osobina. Ove sonde su bile fizički držane naspram radnog predmeta s položajem u prostoru koji se čita troosnim digitalnim mjeračem (DRO) ili, u više naprednih sistema, koji su prijavljeni na računar pomoću nožnog prekidača ili sličnog uređaja. Mjerenja preuzeta ovom kontaktnom metodom su često nepouzdana kako su mašine bile pomicane rukom i kako je svaki operater mašine primjenjivao različite količine pritiska na sondu ili koristio različite tehnike mjerenja.

Dalji razvoj je bio dodatak motora za vožnju svake ose. Operatori više nisu morali da fizički dodiruju mašinu, ali bi mogli voziti svaku osu koristeći handbox sa džojsticima u znatno istom načinu kao i kod modernih auta na daljinsko upravljanje. Mjerna tačnost i preciznost su dramatično poboljšani otkrićem elektronske dodirno-prekidne sonde. Pionir ove nove sonde je bio David McMurtry koji je naknadno formirao ono što je danas Renishaw PLC. Iako samo kontaktni uređaj, sonda je imala čeličnu loptu nategnutu oprugom (kasnije rubinska lopta) sa iglom za zapisivanje. Kako je sonda dodirivala površinu komponente, igla je skretala i istovremeno slala X, Y, Z informacije koordinata na računar. Mjerne greške izazvane zasebnim operaterima su postale u manjeg obima, a faza je bila postavljena za uvođenje CNC operacija i zavladavanje CMM-ova.

Motorizovana automatizirana glava sonde sa elektronskim dodirnim okidačem sonde

Optičke sonde su objektiv-CCD-sistema, koje se premještaju poput mehaničkih, te ciljaju na dio od interesa umjesto dodirivanja materijala. Snimljena slika površine će biti zatvorena u granicama mjernog prozora, sve dok je ostatak adekvatan da razlikuje kontrast između crne i bijele zone. Dijeljena krivulja se može izračunati na neku tačku, što je željeno mjerno mjesto u prostoru. Horizontalna informacija na CCD je 2D (XY ravan), a verzikalna pozicija je pozicija čitavog sistema sondi na postolju Z-pogona (ili drugoj komponenti uređaja).

Novi sistemi sondi

Postoje novi modeli koji imaju sonde koje se pomiću duž površine dijela uzimajući tačke na posebnim intervalima, a poznate su kao ispitne sonde. Ova metoda CMM ispitivanja je obično preciznija od konvencionalne dodirne metode sondi, te u većini slučajeva i brža.

Sljedeća generacija ispitivanja, poznata kao beskontaktno ispitivanje uključuje visokobrzinske laserske triangulacije u jednoj tački, lasersko linijsko ispitivanje, i skeniranje sa bijelim svjetlom, napreduje veoma brzo. Ova metoda koristi ili lasersko svjetlo ili bijelo svjetlo koje se projicira nasuprot površine predmeta. Više hiljada tački može biti uzeto i iskorišteno ne samo da se provjeri veličina i pozicija, nego i da se kreira 3D slika dijela također. Ovi "tačkasti-oblak podaci" mogu biti premješteni u CAD softver da kreiraju radni 3D model dijela. Ovi optički ispitivači/skeneri često se koriste na mehkim ili delikatnim dijelovima, ili da olakšaju reverzno inženjerstvo.

Mikrometrološke sonde

Sistemi sondi za mikroskopsku metrologiju su slijedeće područje napredovanja. Postoji nekoliko komercijalno dostupnih koordinatnih mjernih mašina (CMM) koje imaju mikrosondu integrisanu u sistem, nekoliko specijalnih sistema u laboratorijama vlade, a i na nemalom broju univerziteta je ugrađena metrološka platforma za mikroskopsku metrologiju.

Tehnologije za dobijanje mikroskopskih sondi uključuje umanjenu verziju klasičnih CMM sondi, optičkih sondi i talasnih stojećih sondi između ostalih. Ipak, trenutne optičke tehnologije ne mogu biti umanjene dovoljno da mjere duboke, uske karakteristike, te je optička rezolucija ograničena talasnom dužinom svjetlosti. X-zračno snimanje omogućava sliku osobine, ali ne i sljedivu metrološku informaciju.

Fizikalni principi

Optičke i/ili laserske sonde mogu biti upotrebljavane (po mogućnosti i u kombinaciji), što mijenja CMM iz mjernog mikroskopa u multisenzorski mjerni uređaj. Projekcija rubnih sistema, theodolite triangualcioni sistem ili laserski udaljen i triangulacioni sistem se ne nazivaju mjernim mašinama, ali mjerni rezultat je isti - prostorna tačka. Laserske sonde se koriste za određivanje udaljenosti između površine i referentne tačke na kraju kinematskog lanca (npr. kraj Z-pomične komponente). One mogu koristiti interferometrijsku metodu, fokusnu varijaciju, svjetlosni otklon ili princip sjenčenja snopa.

Prijenosne koordinatne mjerne mašine

Prijenosne (portabilne) koordinatne mjerne mašine su različite od "tradicionalnih CMM mašina" u tome da su najčešće oblika zglobnih ruku. Ove ruke imaju šest ili sedam rotacionih osa sa rotacionim koderima umjesto linerarnih osa. Portabilne ruke su lahke (obično teške do 9 kg /20 pounds/) i mogu biti pomjerane i korištene skoro svugdje. Sastavni dogovori za prijenosni CMM su ručni rad (uvijek zahtjeva operatera za korištenje), a ukupna preciznost je nešto manja nego kod mostnog tipa CMM. Određene neponavljajuće aplikacije kao što su inverzno inženjerstvo, brza izrada prototipova i velikoobimna inspekcija niskozapreminskih dijelova su idealni za prijenosne CMM mašine.

Višesenzorske mjerne mašine

Tradicionalna CMM tehnologija koja koristi dodirne sonde je danas često kombinirana sa ostalim mjernim tehnologijama. Ovo uključuje laser, video ili bijelu svjetlost da omogući ono što je poznato kao višesenzorsko (multisenzorsko) mjerenje.

Također pogledajte

• Univerzalna mjerna mašina

Vanjski linkovi

• Metrologija (pdf)