Apakah mesin pengukur koordinat?

Amesin pengukur koordinat(CMM) ialah peranti yang mengukur geometri objek fizikal dengan mengesan titik diskret pada permukaan objek dengan prob. Pelbagai jenis prob digunakan dalam CMM, termasuk mekanikal, optik, laser dan cahaya putih. Bergantung pada mesin, kedudukan prob boleh dikawal secara manual oleh pengendali atau ia mungkin dikawal oleh komputer. CMM biasanya menentukan kedudukan prob dari segi anjakannya dari kedudukan rujukan dalam sistem koordinat Cartesian tiga dimensi (iaitu, dengan paksi XYZ). Selain menggerakkan prob di sepanjang paksi X, Y dan Z, banyak mesin juga membenarkan sudut prob dikawal untuk membolehkan pengukuran permukaan yang sebaliknya tidak dapat dicapai.

CMM "jambatan" 3D yang tipikal membolehkan pergerakan prob di sepanjang tiga paksi, X, Y dan Z, yang ortogon antara satu sama lain dalam sistem koordinat Cartesian tiga dimensi. Setiap paksi mempunyai sensor yang memantau kedudukan prob pada paksi tersebut, biasanya dengan ketepatan mikrometer. Apabila prob menyentuh (atau mengesan) lokasi tertentu pada objek, mesin akan mengambil sampel tiga sensor kedudukan, sekali gus mengukur lokasi satu titik pada permukaan objek, serta vektor 3 dimensi pengukuran yang diambil. Proses ini diulangi mengikut keperluan, menggerakkan prob setiap kali, untuk menghasilkan "awan titik" yang menggambarkan kawasan permukaan yang diminati.

Kegunaan umum CMM adalah dalam proses pembuatan dan pemasangan untuk menguji bahagian atau pemasangan terhadap tujuan reka bentuk. Dalam aplikasi sedemikian, awan titik dijana yang dianalisis melalui algoritma regresi untuk pembinaan ciri. Titik-titik ini dikumpulkan dengan menggunakan prob yang diletakkan secara manual oleh operator atau secara automatik melalui Kawalan Komputer Langsung (DCC). CMM DCC boleh diprogramkan untuk mengukur bahagian yang sama berulang kali; oleh itu, CMM automatik ialah satu bentuk robot perindustrian khusus.

Bahagian

Mesin pengukur koordinat merangkumi tiga komponen utama:

• Struktur utama yang merangkumi tiga paksi gerakan. Bahan yang digunakan untuk membina rangka bergerak telah berubah-ubah selama bertahun-tahun. Granit dan keluli telah digunakan dalam CMM awal. Hari ini, semua pengeluar CMM utama membina rangka daripada aloi aluminium atau beberapa terbitan dan juga menggunakan seramik untuk meningkatkan kekakuan paksi Z untuk aplikasi pengimbasan. Beberapa pembina CMM hari ini masih mengeluarkan CMM rangka granit disebabkan oleh keperluan pasaran untuk dinamik metrologi yang lebih baik dan trend yang semakin meningkat untuk memasang CMM di luar makmal kualiti. Biasanya hanya pembina CMM volum rendah dan pengeluar domestik di China dan India masih mengeluarkan CMM granit disebabkan oleh pendekatan teknologi rendah dan kemasukan mudah untuk menjadi pembina rangka CMM. Trend yang semakin meningkat ke arah pengimbasan juga memerlukan paksi Z CMM menjadi lebih tegar dan bahan baharu telah diperkenalkan seperti seramik dan silikon karbida.
• Sistem probing
• Sistem pengumpulan dan pengurangan data — biasanya merangkumi pengawal mesin, komputer meja dan perisian aplikasi.

Ketersediaan

Mesin-mesin ini boleh berdiri sendiri, dipegang tangan dan mudah alih.

Ketepatan

Ketepatan mesin pengukuran koordinat biasanya diberikan sebagai faktor ketidakpastian sebagai fungsi terhadap jarak. Bagi CMM yang menggunakan prob sentuh, ini berkaitan dengan kebolehulangan prob dan ketepatan skala linear. Kebolehulangan prob biasa boleh menghasilkan pengukuran dalam lingkungan .001mm atau .00005 inci (separuh persepuluh) terhadap keseluruhan isipadu pengukuran. Bagi mesin 3, 3+2 dan 5 paksi, prob dikalibrasi secara rutin menggunakan piawaian yang boleh dikesan dan pergerakan mesin disahkan menggunakan tolok untuk memastikan ketepatan.

Bahagian tertentu

Badan mesin

CMM pertama telah dibangunkan oleh Syarikat Ferranti dari Scotland pada tahun 1950-an hasil daripada keperluan langsung untuk mengukur komponen ketepatan dalam produk ketenteraan mereka, walaupun mesin ini hanya mempunyai 2 paksi. Model 3 paksi pertama mula muncul pada tahun 1960-an (DEA dari Itali) dan kawalan komputer muncul pada awal 1970-an tetapi CMM pertama yang berfungsi telah dibangunkan dan dijual oleh Browne & Sharpe di Melbourne, England. (Leitz Jerman kemudiannya menghasilkan struktur mesin tetap dengan meja bergerak.

Dalam mesin moden, struktur atas jenis gantri mempunyai dua kaki dan sering dipanggil jambatan. Ini bergerak bebas di sepanjang meja granit dengan satu kaki (sering dirujuk sebagai kaki dalam) mengikut rel panduan yang dipasang pada satu sisi meja granit. Kaki yang bertentangan (selalunya kaki luar) hanya terletak di atas meja granit mengikut kontur permukaan menegak. Galas udara adalah kaedah yang dipilih untuk memastikan pergerakan bebas geseran. Dalam hal ini, udara termampat dipaksa melalui satu siri lubang yang sangat kecil pada permukaan galas rata untuk menyediakan kusyen udara yang licin tetapi terkawal di mana CMM boleh bergerak dengan cara yang hampir tanpa geseran yang boleh dikompensasikan melalui perisian. Pergerakan jambatan atau gantri di sepanjang meja granit membentuk satu paksi satah XY. Jambatan gantri mengandungi pengangkutan yang melintasi antara kaki dalam dan luar dan membentuk paksi mendatar X atau Y yang lain. Paksi pergerakan ketiga (paksi Z) disediakan dengan penambahan bulu atau gelendong menegak yang bergerak ke atas dan ke bawah melalui tengah pengangkutan. Probe sentuh membentuk peranti pengesan di hujung bulu. Pergerakan paksi X, Y dan Z menggambarkan sepenuhnya sampul pengukuran. Meja putar pilihan boleh digunakan untuk meningkatkan kebolehdekatan prob pengukuran kepada bahan kerja yang rumit. Meja putar sebagai paksi pemacu keempat tidak meningkatkan dimensi pengukuran, yang kekal 3D, tetapi ia memberikan tahap fleksibiliti. Sesetengah prob sentuh itu sendiri merupakan peranti putar berkuasa dengan hujung prob yang boleh berpusing secara menegak melalui lebih daripada 180 darjah dan melalui putaran penuh 360 darjah.

CMM kini juga boleh didapati dalam pelbagai bentuk lain. Ini termasuk lengan CMM yang menggunakan ukuran sudut yang diambil pada sendi lengan untuk mengira kedudukan hujung stylus, dan boleh dilengkapi dengan prob untuk pengimbasan laser dan pengimejan optik. CMM lengan sedemikian sering digunakan di mana kemudahalihannya merupakan kelebihan berbanding CMM katil tetap tradisional - dengan menyimpan lokasi yang diukur, perisian pengaturcaraan juga membolehkan menggerakkan lengan pengukur itu sendiri, dan isipadu pengukurannya, di sekitar bahagian yang hendak diukur semasa rutin pengukuran. Oleh kerana lengan CMM meniru fleksibiliti lengan manusia, ia juga selalunya dapat mencapai bahagian dalam bahagian kompleks yang tidak dapat diprobe menggunakan mesin tiga paksi standard.

Probe mekanikal

Pada awal pengukuran koordinat (CMM), prob mekanikal dipasang pada pemegang khas di hujung bulu ayam. Prob yang sangat biasa dibuat dengan memateri bola keras ke hujung aci. Ini sesuai untuk mengukur pelbagai permukaan rata, silinder atau sfera. Prob lain digiling kepada bentuk tertentu, contohnya kuadran, untuk membolehkan pengukuran ciri khas. Prob ini dipegang secara fizikal pada benda kerja dengan kedudukan dalam ruang dibaca daripada bacaan digital 3 paksi (DRO) atau, dalam sistem yang lebih canggih, dilog masuk ke komputer melalui suis kaki atau peranti yang serupa. Pengukuran yang diambil melalui kaedah sentuhan ini selalunya tidak boleh dipercayai kerana mesin digerakkan dengan tangan dan setiap pengendali mesin mengenakan jumlah tekanan yang berbeza pada prob atau menggunakan teknik yang berbeza untuk pengukuran.

Satu lagi perkembangan ialah penambahan motor untuk memacu setiap paksi. Pengendali tidak lagi perlu menyentuh mesin secara fizikal tetapi boleh memacu setiap paksi menggunakan kotak tangan dengan kayu bedik dengan cara yang hampir sama seperti kereta kawalan jauh moden. Ketepatan dan ketepatan pengukuran meningkat secara mendadak dengan penciptaan prob pencetus sentuh elektronik. Perintis peranti prob baharu ini ialah David McMurtry yang kemudiannya membentuk apa yang kini dikenali sebagai Renishaw plc. Walaupun masih merupakan peranti sentuh, prob tersebut mempunyai stylus bola keluli bermuatan pegas (kemudian bola delima). Apabila prob menyentuh permukaan komponen, stylus akan terpesong dan serentak menghantar maklumat koordinat X,Y,Z ke komputer. Ralat pengukuran yang disebabkan oleh pengendali individu menjadi lebih sedikit dan pentas telah disediakan untuk pengenalan operasi CNC dan kemunculan CMM.

Prob optik ialah sistem kanta-CCD, yang digerakkan seperti sistem mekanikal, dan dihalakan ke titik yang diminati, bukannya menyentuh bahan. Imej permukaan yang ditangkap akan diliputi dalam sempadan tetingkap pengukur, sehingga sisa mencukupi untuk membezakan antara zon hitam dan putih. Lengkung pembahagi boleh dikira ke satu titik, iaitu titik pengukur yang dikehendaki dalam ruang. Maklumat mendatar pada CCD ialah 2D (XY) dan kedudukan menegak ialah kedudukan sistem probing lengkap pada penyangga pemacu-Z (atau komponen peranti lain).

Sistem prob pengimbasan

Terdapat model yang lebih baharu yang mempunyai prob yang menyeret di sepanjang permukaan titik pengambilan bahagian pada selang masa tertentu, yang dikenali sebagai prob pengimbasan. Kaedah pemeriksaan CMM ini selalunya lebih tepat daripada kaedah prob sentuh konvensional dan selalunya lebih pantas juga.

Generasi pengimbasan seterusnya, yang dikenali sebagai pengimbasan bukan sentuhan, yang merangkumi triangulasi titik tunggal laser berkelajuan tinggi, pengimbasan garisan laser dan pengimbasan cahaya putih, sedang berkembang dengan sangat pantas. Kaedah ini menggunakan sama ada pancaran laser atau cahaya putih yang diunjurkan pada permukaan bahagian. Beribu-ribu titik kemudiannya boleh diambil dan digunakan bukan sahaja untuk memeriksa saiz dan kedudukan, tetapi juga untuk mencipta imej 3D bahagian tersebut. "Data awan titik" ini kemudiannya boleh dipindahkan ke perisian CAD untuk mencipta model 3D bahagian yang berfungsi. Pengimbas optik ini sering digunakan pada bahagian yang lembut atau halus atau untuk memudahkan kejuruteraan terbalik.

Prob mikrometrologi

Sistem probing untuk aplikasi metrologi mikroskala merupakan satu lagi bidang yang sedang muncul. Terdapat beberapa mesin pengukur koordinat (CMM) yang tersedia secara komersial yang mempunyai mikroprob yang disepadukan ke dalam sistem, beberapa sistem khusus di makmal kerajaan dan sebarang platform metrologi binaan universiti untuk metrologi mikroskala. Walaupun mesin ini bagus dan dalam banyak kes platform metrologi yang sangat baik dengan skala nanometrik, batasan utamanya ialah prob mikro/nano yang andal, teguh dan berkebolehan.^{[petikan diperlukan]}Cabaran untuk teknologi probing skala mikro termasuk keperluan untuk prob nisbah aspek yang tinggi yang memberikan keupayaan untuk mengakses ciri-ciri yang dalam dan sempit dengan daya sentuhan yang rendah supaya tidak merosakkan permukaan dan ketepatan yang tinggi (tahap nanometer).^{[petikan diperlukan]}Selain itu, prob mikroskala mudah terdedah kepada keadaan persekitaran seperti kelembapan dan interaksi permukaan seperti geseran (disebabkan oleh lekatan, meniskus dan/atau daya Van der Waals antara lain).^{[petikan diperlukan]}

Teknologi untuk mencapai probing skala mikro termasuk versi prob CMM klasik yang dikecilkan, prob optik dan prob gelombang berdiri antara lain. Walau bagaimanapun, teknologi optik semasa tidak boleh diskalakan cukup kecil untuk mengukur ciri yang dalam dan sempit, dan resolusi optik dihadkan oleh panjang gelombang cahaya. Pengimejan sinar-X memberikan gambaran ciri tersebut tetapi tiada maklumat metrologi yang boleh dikesan.

Prinsip fizikal

Prob optik dan/atau prob laser boleh digunakan (jika boleh digabungkan), yang mengubah CMM kepada mikroskop pengukur atau mesin pengukur berbilang sensor. Sistem unjuran pinggir, sistem triangulasi teodolit atau sistem penjauhan laser dan triangulasi tidak dipanggil mesin pengukur, tetapi hasil pengukurannya adalah sama: titik ruang. Prob laser digunakan untuk mengesan jarak antara permukaan dan titik rujukan pada hujung rantai kinematik (iaitu: hujung komponen pemacu-Z). Ini boleh menggunakan fungsi interferometri, variasi fokus, pesongan cahaya atau prinsip pembayangan pancaran.

Mesin pengukur koordinat mudah alih

Manakala CMM tradisional menggunakan prob yang bergerak pada tiga paksi Cartesian untuk mengukur ciri fizikal objek, CMM mudah alih menggunakan sama ada lengan artikulasi atau, dalam kes CMM optik, sistem pengimbasan bebas lengan yang menggunakan kaedah triangulasi optik dan membolehkan kebebasan pergerakan sepenuhnya di sekitar objek.

CMM mudah alih dengan lengan artikulasi mempunyai enam atau tujuh paksi yang dilengkapi dengan pengekod putar, bukannya paksi linear. Lengan mudah alih adalah ringan (biasanya kurang daripada 20 paun) dan boleh dibawa dan digunakan hampir di mana-mana sahaja. Walau bagaimanapun, CMM optik semakin banyak digunakan dalam industri. Direka bentuk dengan kamera linear atau tatasusunan matriks yang padat (seperti Microsoft Kinect), CMM optik adalah lebih kecil daripada CMM mudah alih dengan lengan, tidak mempunyai wayar dan membolehkan pengguna mengambil ukuran 3D dengan mudah bagi semua jenis objek yang terletak hampir di mana-mana sahaja.

Aplikasi tertentu yang tidak berulang seperti kejuruteraan terbalik, prototaip pantas dan pemeriksaan berskala besar untuk semua saiz bahagian sangat sesuai untuk CMM mudah alih. Manfaat CMM mudah alih adalah pelbagai. Pengguna mempunyai fleksibiliti dalam mengambil ukuran 3D untuk semua jenis bahagian dan di lokasi yang paling terpencil/sukar. Ia mudah digunakan dan tidak memerlukan persekitaran terkawal untuk mengambil ukuran yang tepat. Selain itu, CMM mudah alih cenderung lebih murah daripada CMM tradisional.

Kelebihan CMM mudah alih yang sedia ada adalah operasi manual (ia sentiasa memerlukan manusia untuk menggunakannya). Di samping itu, ketepatan keseluruhannya mungkin agak kurang tepat berbanding CMM jenis jambatan dan kurang sesuai untuk sesetengah aplikasi.

Mesin pengukur berbilang sensor

Teknologi CMM tradisional yang menggunakan prob sentuh pada masa kini sering digabungkan dengan teknologi pengukuran lain. Ini termasuk sensor laser, video atau cahaya putih untuk menyediakan apa yang dikenali sebagai pengukuran berbilang sensor.