Што такое каардынатна-вымяральная машына?

Акаардынатна-вымяральная машынаКІМ (КІМ) — гэта прылада, якая вымярае геаметрыю фізічных аб'ектаў шляхам выяўлення асобных кропак на паверхні аб'екта з дапамогай зонда. У КІМ выкарыстоўваюцца розныя тыпы зондаў, у тым ліку механічныя, аптычныя, лазерныя і зонды белага святла. У залежнасці ад машыны, становішча зонда можа кіравацца ўручную аператарам або камп'ютарам. КІМ звычайна вызначаюць становішча зонда з пункту гледжання яго зрушэння адносна апорнай пазіцыі ў трохмернай дэкартавай сістэме каардынат (г.зн., з восямі XYZ). Акрамя перамяшчэння зонда па восях X, Y і Z, многія машыны таксама дазваляюць кіраваць вуглом зонда, каб дазволіць вымярэнне паверхняў, якія інакш былі б недаступныя.

Тыповая трохмерная «моставая» КІМ дазваляе рухаць зонд па трох восях, X, Y і Z, якія артаганальныя адна адной у трохмернай дэкартавай сістэме каардынат. Кожная вось мае датчык, які кантралюе становішча зонда на гэтай восі, звычайна з мікраметровай дакладнасцю. Калі зонд датыкаецца (або іншым чынам выяўляе) пэўнае месца на аб'екце, машына выбарачна вымярае тры датчыкі становішча, такім чынам вымяраючы месцазнаходжанне адной кропкі на паверхні аб'екта, а таксама трохмерны вектар зробленых вымярэнняў. Гэты працэс паўтараецца па меры неабходнасці, перамяшчаючы зонд кожны раз, каб стварыць «воблака кропак», якое апісвае цікавыя ўчасткі паверхні.

КІМ звычайна выкарыстоўваюцца ў вытворчых і зборачных працэсах для праверкі дэталі або вузла на адпаведнасць праектным задумам. У такіх выпадках ствараюцца воблакі кропак, якія аналізуюцца з дапамогай алгарытмаў рэгрэсіі для пабудовы элементаў. Гэтыя кропкі збіраюцца з дапамогай зонда, які пазіцыянуецца ўручную аператарам або аўтаматычна праз прамое камп'ютэрнае кіраванне (DCC). КІМ DCC можна праграмаваць для паўторнага вымярэння аднолькавых дэталяў; такім чынам, аўтаматызаваная КІМ з'яўляецца спецыялізаванай формай прамысловага робата.

Запчасткі

Каардынатна-вымяральныя машыны складаюцца з трох асноўных кампанентаў:

• Асноўная канструкцыя, якая ўключае тры восі руху. Матэрыял, які выкарыстоўваўся для вырабу рухомай рамы, змяняўся на працягу многіх гадоў. У ранніх КІМ выкарыстоўваліся граніт і сталь. Сёння ўсе буйныя вытворцы КІМ вырабляюць рамы з алюмініевага сплаву або некаторых вытворных, а таксама выкарыстоўваюць кераміку для павышэння калянасці восі Z для сканавання. Няшмат вытворцаў КІМ сёння ўсё яшчэ вырабляюць КІМ з гранітнай рамай з-за патрабаванняў рынку да паляпшэння дынамікі метралогіі і ўсё большай тэндэнцыі ўсталёўваць КІМ па-за лабараторыяй якасці. Як правіла, толькі невялікія аб'ёмы вытворчасці КІМ і айчынныя вытворцы ў Кітаі і Індыі ўсё яшчэ вырабляюць гранітную КІМ з-за нізкатэхналагічнага падыходу і лёгкага ўваходу ў вытворчасць рам КІМ. Усё большая тэндэнцыя да сканавання таксама патрабуе большай жорсткасці восі Z КІМ, і былі ўведзены новыя матэрыялы, такія як кераміка і карбід крэмнію.
• Сістэма зондавання
• Сістэма збору і апрацоўкі дадзеных — звычайна ўключае ў сябе кантролер машыны, настольны камп'ютар і праграмнае забеспячэнне.

Даступнасць

Гэтыя машыны могуць быць асобнастаячымі, ручнымі і партатыўнымі.

Дакладнасць

Дакладнасць каардынатна-вымяральных машын звычайна задаецца як каэфіцыент нявызначанасці ў залежнасці ад адлегласці. Для КІМ з датчыкам гэта звязана з паўтаральнасцю зонда і дакладнасцю лінейных шкал. Тыповая паўтаральнасць зонда можа прыводзіць да вымярэнняў у межах 0,001 мм або 0,00005 цалі (палова дзесятай) па ўсім аб'ёме вымярэння. Для 3-, 3+2 і 5-восевых машын зонды рэгулярна калібруюцца з выкарыстаннем адсочваемых эталонаў, а рух машыны правяраецца з дапамогай калібровак для забеспячэння дакладнасці.

Канкрэтныя дэталі

Корпус машыны

Першая КІМ была распрацавана кампаніяй Ferranti з Шатландыі ў 1950-х гадах у выніку непасрэднай патрэбы вымярэння дакладных кампанентаў у сваёй ваеннай прадукцыі, хоць гэтая машына мела толькі 2 восі. Першыя 3-восевыя мадэлі пачалі з'яўляцца ў 1960-х гадах (DEA Італія), а камп'ютэрнае кіраванне дэбютавала ў пачатку 1970-х гадоў, але першая дзеючая КІМ была распрацавана і выпушчана ў продаж кампаніяй Browne & Sharpe ў Мельбурне, Англія. (Leitz Германія пасля выпусціла фіксаваную канструкцыю машыны з рухомым сталом.)

У сучасных машынах надбудова партальнай формы мае дзве апоры і часта называецца мостам. Яна свабодна рухаецца ўздоўж гранітнага стала, прычым адна апора (часта называецца ўнутранай апорай) ідзе па накіроўвалай рэйцы, прымацаванай да аднаго боку гранітнага стала. Процілеглая апора (часта знешняя апора) проста абапіраецца на гранітны стол, паўтараючы контур вертыкальнай паверхні. Паветраныя падшыпнікі з'яўляюцца абраным метадам забеспячэння руху без трэння. У іх сціснутае паветра прапускаецца праз шэраг вельмі маленькіх адтулін у плоскай паверхні апоры, каб забяспечыць гладкую, але кантраляваную паветраную падушку, на якой КІМ можа рухацца амаль без трэння, што можна кампенсаваць праграмным забеспячэннем. Рух моста або партальнай машыны ўздоўж гранітнага стала ўтварае адну вось плоскасці XY. Мост партальнай машыны змяшчае карэтку, якая перамяшчаецца паміж унутранай і знешняй апорамі і ўтварае іншую гарызантальную вось X або Y. Трэцяя вось руху (вось Z) забяспечваецца даданнем вертыкальнай пінолі або шпіндзеля, які рухаецца ўверх і ўніз праз цэнтр карэткі. Сенсарны зонд утварае датчык на канцы пінолі. Рух восяў X, Y і Z цалкам апісвае дыяпазон вымярэнняў. Дадатковыя паваротныя сталы можна выкарыстоўваць для паляпшэння доступу вымяральнага зонда да складаных дэталяў. Паваротны стол у якасці чацвёртай прываднай восі не паляпшае вымяральныя памеры, якія застаюцца трохмернымі, але забяспечвае пэўную гнуткасць. Некаторыя сэнсарныя зонды самі па сабе з'яўляюцца прываднымі паваротнымі прыладамі, наканечнік якіх можа паварочвацца вертыкальна больш чым на 180 градусаў і на поўны паварот на 360 градусаў.

КІМ цяпер таксама даступныя ў розных іншых формах. Да іх адносяцца маніпулятары КІМ, якія выкарыстоўваюць вуглавыя вымярэнні, зробленыя ў месцах суставаў маніпулятара, для вылічэння становішча наканечніка стылуса, і могуць быць абсталяваны зондамі для лазернага сканавання і аптычнай візуалізацыі. КІМ з такімі маніпулятарамі часта выкарыстоўваюцца там, дзе іх партатыўнасць з'яўляецца перавагай перад традыцыйнымі КІМ з нерухомым станком - захоўваючы вымераныя месцы, праграмнае забеспячэнне таксама дазваляе перамяшчаць сам вымяральны маніпулятар і яго вымяральны аб'ём вакол дэталі, якая падлягае вымярэнню падчас працэдуры вымярэння. Паколькі маніпулятары КІМ імітуюць гнуткасць чалавечай рукі, яны таксама часта могуць дасягаць унутраных частак складаных дэталяў, якія нельга было б вымераць з дапамогай стандартнага трохвосевага станка.

Механічны зонд

На пачатку існавання каардынатных вымярэнняў (КІМ) механічныя зонды ўстаўляліся ў спецыяльны трымальнік на канцы пінолі. Вельмі распаўсюджаны зонд вырабляўся шляхам прыпайвання цвёрдага шарыка да канца вала. Гэта было ідэальна для вымярэння цэлага шэрагу плоскіх, цыліндрычных або сферычных паверхняў. Іншыя зонды шліфаваліся да пэўных формаў, напрыклад, квадрантных, каб мець магчымасць вымярэння спецыяльных элементаў. Гэтыя зонды фізічна ўтрымліваліся каля апрацоўванай дэталі, а іх становішча ў прасторы счытвалася з 3-восевага лічбавага індыкатара (ЦІІ) або, у больш прасунутых сістэмах, запісвалася ў камп'ютар з дапамогай педалі або падобнай прылады. Вымярэнні, зробленыя гэтым кантактным метадам, часта былі ненадзейнымі, бо станкі перамяшчаліся ўручную, і кожны аператар станка прыкладаў розную сілу ціску на зонд або выкарыстоўваў розныя метады вымярэння.

Далейшым развіццём стала даданне рухавікоў для кіравання кожнай воссю. Аператарам больш не трэба было фізічна дакранацца да машыны, а можна было кіраваць кожнай воссю з дапамогай ручнога пульта з джойсцікамі гэтак жа, як і ў сучасных дыстанцыйна кіраваных аўтамабілях. Дакладнасць вымярэнняў значна палепшылася з вынаходніцтвам электроннага сэнсарнага зонда. Піянерам гэтай новай прылады зонда быў Дэвід Мак-Мёртры, які пасля заснаваў тое, што цяпер называецца Renishaw plc. Нягледзячы на ​​тое, што зонд усё яшчэ быў кантактнай прыладай, ён меў спружыністы сталёвы (пазней рубінавы) стылус. Калі зонд дакранаўся паверхні дэталі, стылус адхіляўся і адначасова адпраўляў інфармацыю аб каардынатах X, Y, Z на камп'ютар. Памылкі вымярэння, выкліканыя асобнымі аператарамі, сталі меншымі, і была створана глеба для ўкаранення аперацый з ЧПУ і развіцця КІМ.

Аптычныя зонды — гэта лінзавыя ПЗС-сістэмы, якія рухаюцца гэтак жа, як і механічныя, і накіроўваюцца на кропку цікавасці, а не дакранаюцца да матэрыялу. Захопленая выява паверхні будзе заключана ў межах вымяральнага акна, пакуль рэшта не стане дастатковай для кантрасту паміж чорнымі і белымі зонамі. Крывую падзелу можна разлічыць да кропкі, якая з'яўляецца патрэбнай кропкай вымярэння ў прасторы. Гарызантальная інфармацыя на ПЗС-матрыцы — гэта 2D (XY), а вертыкальнае становішча — гэта становішча ўсёй зондавай сістэмы на Z-прывадзе стойкі (або іншым кампаненце прылады).

Сістэмы сканіруючых зондаў

Існуюць новыя мадэлі з зондамі, якія перамяшчаюцца па паверхні кропак адбору дэталі праз зададзеныя інтэрвалы, вядомыя як сканіруючыя зонды. Гэты метад кантролю КІМ часта больш дакладны, чым звычайны метад з дакрананнем, і ў большасці выпадкаў хутчэйшы.

Наступнае пакаленне сканавання, вядомае як бескантактавае сканаванне, якое ўключае ў сябе высакахуткасную лазерную трыянгуляцыю адной кропкі, лазернае лінейнае сканаванне і сканаванне белым святлом, развіваецца вельмі хутка. Гэты метад выкарыстоўвае альбо лазерныя прамяні, альбо белае святло, якія праецыруюцца на паверхню дэталі. Затым можна зняць шмат тысяч кропак і выкарыстоўваць іх не толькі для праверкі памеру і становішча, але і для стварэння трохмернага малюнка дэталі. Гэтыя «дадзеныя воблака кропак» затым можна перанесці ў праграмнае забеспячэнне САПР для стварэння працоўнай трохмернай мадэлі дэталі. Гэтыя аптычныя сканеры часта выкарыстоўваюцца на мяккіх або далікатных дэталях або для палягчэння зваротнага інжынірынгу.

Мікраметралагічныя зонды

Сістэмы зондавання для мікрамаштабных метралагічных прымяненняў — яшчэ адна новая вобласць. Існуе некалькі камерцыйна даступных каардынатна-вымяральных машын (КІМ) з інтэграваным мікразондам, некалькі спецыялізаваных сістэм у дзяржаўных лабараторыях і мноства метралагічных платформаў, распрацаваных універсітэтамі, для мікрамаштабнай метралогіі. Нягледзячы на ​​тое, што гэтыя машыны з'яўляюцца добрымі, а ў многіх выпадках і выдатнымі метралагічнымі платформамі з нанаметрычнымі маштабамі, іх асноўным абмежаваннем з'яўляецца надзейны, трывалы і магутны мікра/наназонд.^{[патрэбна цытата]}Праблемы тэхналогій мікрамаштабнага зондавання ўключаюць неабходнасць зонда з высокім каэфіцыентам падоўжнага вымярэння, які дазваляе дасягаць глыбокіх, вузкіх дэталяў з нізкімі кантактнымі сіламі, каб не пашкодзіць паверхню, і з высокай дакладнасцю (нанаметровы ўзровень).^{[патрэбна цытата]}Акрамя таго, мікрамаштабныя зонды ўспрымальныя да ўмоў навакольнага асяроддзя, такіх як вільготнасць, і ўзаемадзеянне з паверхнямі, напрыклад, счапленне (выкліканае адгезіяй, меніскам і/або сіламі Ван-дэр-Ваальса, сярод іншага).^{[патрэбна цытата]}

Тэхналогіі для дасягнення мікрамаштабнага зондавання ўключаюць у сябе паменшаныя версіі класічных зондаў CMM, аптычныя зонды і зонд стаячай хвалі, сярод іншага. Аднак сучасныя аптычныя тэхналогіі не могуць быць дастаткова маштабаванымі для вымярэння глыбокіх, вузкіх дэталяў, а аптычнае разрозненне абмежавана даўжынёй хвалі святла. Рэнтгенаўская тамаграфія дае выяву дэталі, але не дае прасочваемай метралагічнай інфармацыі.

Фізічныя прынцыпы

Можна выкарыстоўваць аптычныя зонды і/або лазерныя зонды (па магчымасці ў камбінацыі), якія ператвараюць КІМ у вымяральныя мікраскопы або мультысенсарныя вымяральныя машыны. Сістэмы праекцыі з кірам, сістэмы трыянгуляцыі тэадалітаў або лазерныя дыстанцыйныя і трыянгуляцыйныя сістэмы не называюцца вымяральнымі машынамі, але вынік вымярэння адзін і той жа: прасторавая кропка. Лазерныя зонды выкарыстоўваюцца для вызначэння адлегласці паміж паверхняй і кропкай адліку на канцы кінематычнага ланцуга (г.зн.: у канцы кампанента Z-прывада). Пры гэтым можа выкарыстоўвацца інтэрфераметрычная функцыя, змяненне фокусу, адхіленне святла або прынцып зацянення прамяня.

Партатыўныя каардынатна-вымяральныя машыны

У той час як традыцыйныя КІМ выкарыстоўваюць зонд, які рухаецца па трох дэкартавых восях для вымярэння фізічных характарыстык аб'екта, партатыўныя КІМ выкарыстоўваюць альбо шарнірныя рычагі, альбо, у выпадку аптычных КІМ, сістэмы сканавання без рычагоў, якія выкарыстоўваюць метады аптычнай трыянгуляцыі і забяспечваюць поўную свабоду перамяшчэння вакол аб'екта.

Партатыўныя КІМ з шарнірнымі маніпулятарамі маюць шэсць ці сем восяў, абсталяваных паваротнымі энкодэрамі замест лінейных восяў. Партатыўныя маніпулятары лёгкія (звычайна менш за 20 фунтаў) і могуць быць перанесены і выкарыстаны практычна ў любым месцы. Аднак аптычныя КІМ усё часцей выкарыстоўваюцца ў прамысловасці. Распрацаваныя з кампактнымі лінейнымі або матрычнымі камерамі (напрыклад, Microsoft Kinect), аптычныя КІМ меншыя за партатыўныя КІМ з маніпулятарамі, не маюць правадоў і дазваляюць карыстальнікам лёгка праводзіць 3D-вымярэнні ўсіх тыпаў аб'ектаў, размешчаных практычна ў любым месцы.

Пэўныя неперэрвацыйныя прымяненні, такія як зваротнае праектаванне, хуткае прататыпаванне і маштабная праверка дэталяў усіх памераў, ідэальна падыходзяць для партатыўных КІМ. Перавагі партатыўных КІМ шматгранныя. Карыстальнікі маюць магчымасць праводзіць 3D-вымярэнні ўсіх тыпаў дэталяў і ў самых аддаленых/цяжкадаступных месцах. Яны простыя ў выкарыстанні і не патрабуюць кантраляванага асяроддзя для правядзення дакладных вымярэнняў. Больш за тое, партатыўныя КІМ, як правіла, каштуюць танней, чым традыцыйныя КІМ.

Недахопам партатыўных КІМ з'яўляецца ручное кіраванне (для іх выкарыстання заўсёды патрабуецца чалавек). Акрамя таго, іх агульная дакладнасць можа быць некалькі меншай, чым у КІМ маставога тыпу, і яны менш падыходзяць для некаторых ужыванняў.

Мультысенсарныя вымяральныя машыны

Традыцыйная тэхналогія КІМ з выкарыстаннем сэнсарных зондаў сёння часта спалучаецца з іншымі вымяральнымі тэхналогіямі. Гэта ўключае лазерныя, відэа- або светлавыя датчыкі для забеспячэння таго, што вядома як мультысенсарнае вымярэнне.