Ի՞նչ է կոորդինատների չափման մեքենան։

Ակոորդինատների չափման մեքենա(CMM) սարք է, որը չափում է ֆիզիկական օբյեկտների երկրաչափությունը՝ զոնդի միջոցով օբյեկտի մակերեսի վրա առանձին կետեր զգալով: CMM-ներում օգտագործվում են տարբեր տեսակի զոնդեր, այդ թվում՝ մեխանիկական, օպտիկական, լազերային և սպիտակ լույս: Կախված մեքենայից՝ զոնդի դիրքը կարող է ձեռքով կառավարվել օպերատորի կողմից կամ համակարգչային կառավարմամբ: CMM-ները սովորաբար նշում են զոնդի դիրքը՝ եռաչափ կարտեզյան կոորդինատային համակարգում (այսինքն՝ XYZ առանցքներով) հղման դիրքից դրա տեղաշարժի տեսանկյունից: Բացի զոնդը X, Y և Z առանցքներով տեղաշարժելուց, շատ մեքենաներ նաև թույլ են տալիս կառավարել զոնդի անկյունը՝ թույլ տալով չափել այն մակերեսները, որոնք այլապես անհասանելի կլինեին:

Տիպիկ 3D «կամրջային» CMM-ը թույլ է տալիս զոնդի շարժումը երեք առանցքներով՝ X, Y և Z, որոնք ուղղանկյուն են միմյանց նկատմամբ եռաչափ կարտեզյան կոորդինատային համակարգում: Յուրաքանչյուր առանցք ունի սենսոր, որը վերահսկում է զոնդի դիրքը այդ առանցքի վրա, սովորաբար միկրոմետրային ճշգրտությամբ: Երբ զոնդը շփվում է (կամ այլ կերպ հայտնաբերում) օբյեկտի վրա որոշակի տեղանքի հետ, մեքենան նմուշառում է երեք դիրքի սենսորները՝ այդպիսով չափելով օբյեկտի մակերեսի վրա մեկ կետի դիրքը, ինչպես նաև կատարված չափման եռաչափ վեկտորը: Այս գործընթացը կրկնվում է անհրաժեշտության դեպքում՝ ամեն անգամ տեղաշարժելով զոնդը՝ «կետային ամպ» ստանալու համար, որը նկարագրում է հետաքրքրության մակերևույթները:

CMM-ների տարածված կիրառումը արտադրության և հավաքման գործընթացներում է՝ մասը կամ հավաքվածքը նախագծային մտադրությանը համապատասխան ստուգելու համար: Նման կիրառություններում ստեղծվում են կետային ամպեր, որոնք վերլուծվում են ռեգրեսիոն ալգորիթմների միջոցով՝ հատկանիշների կառուցման համար: Այս կետերը հավաքվում են զոնդի միջոցով, որը տեղադրվում է ձեռքով օպերատորի կողմից կամ ավտոմատ կերպով՝ ուղղակի համակարգչային կառավարման (DCC) միջոցով: DCC CMM-ները կարող են ծրագրավորվել նույնական մասերը բազմիցս չափելու համար. հետևաբար, ավտոմատացված CMM-ը արդյունաբերական ռոբոտի մասնագիտացված տեսակ է:

Մասեր

Կոորդինատների չափման մեքենաները ներառում են երեք հիմնական բաղադրիչ՝

• Հիմնական կառուցվածքը, որը ներառում է շարժման երեք առանցքներ: Շարժական շրջանակը կառուցելու համար օգտագործվող նյութը տարիների ընթացքում փոփոխվել է: Վաղ CMM-ներում օգտագործվել են գրանիտը և պողպատը: Այսօր CMM-ի բոլոր խոշոր արտադրողները շրջանակները կառուցում են ալյումինե համաձուլվածքից կամ որևէ ածանցյալից, ինչպես նաև օգտագործում են կերամիկա՝ Z առանցքի կոշտությունը մեծացնելու համար սկանավորման կիրառությունների համար: Այսօր CMM-ի մի քանի կառուցողներ դեռևս արտադրում են գրանիտե շրջանակով CMM՝ չափագիտության դինամիկայի բարելավման շուկայի պահանջարկի և որակի լաբորատորիայից դուրս CMM տեղադրելու աճող միտման պատճառով: Սովորաբար միայն փոքր ծավալի CMM կառուցողները և տեղական արտադրողները Չինաստանում և Հնդկաստանում դեռևս արտադրում են գրանիտե CMM՝ ցածր տեխնոլոգիական մոտեցման և CMM շրջանակի կառուցող դառնալու հեշտ մուտքի պատճառով: Սկանավորման աճող միտումը նաև պահանջում է, որ CMM Z առանցքը լինի ավելի կոշտ, և ներդրվել են նոր նյութեր, ինչպիսիք են կերամիկան և սիլիցիումի կարբիդը:
• Զոնդավորման համակարգ
• Տվյալների հավաքագրման և կրճատման համակարգ — սովորաբար ներառում է մեքենայի կառավարիչ, սեղանադիր համակարգիչ և կիրառական ծրագրակազմ։

Հասանելիություն

Այս մեքենաները կարող են լինել ինքնուրույն կանգնած, ձեռքի և շարժական։

Ճշգրտություն

Կոորդինատային չափման մեքենաների ճշգրտությունը սովորաբար տրվում է որպես անորոշության գործակից՝ որպես հեռավորության ֆունկցիա: Սենսորային զոնդ օգտագործող CMM-ի համար սա վերաբերում է զոնդի կրկնելիությանը և գծային մասշտաբների ճշգրտությանը: Զոնդի տիպիկ կրկնելիությունը կարող է հանգեցնել 0.001 մմ կամ 0.00005 դյույմ (կես տասներորդ) սահմաններում չափումների ամբողջ չափման ծավալի վրա: 3, 3+2 և 5 առանցքային մեքենաների համար զոնդերը պարբերաբար կարգավորվում են հետևելի ստանդարտներով, և մեքենայի շարժումը ստուգվում է չափիչների միջոցով՝ ճշգրտությունն ապահովելու համար:

Հատուկ մասեր

Մեքենայի կորպուս

Առաջին CMM-ը մշակվել է Շոտլանդիայի Ferranti ընկերության կողմից 1950-ական թվականներին՝ իրենց ռազմական արտադրանքի մեջ ճշգրիտ բաղադրիչներ չափելու ուղղակի անհրաժեշտության արդյունքում, չնայած այս մեքենան ուներ միայն 2 առանցք։ Առաջին 3-առանցքային մոդելները սկսեցին հայտնվել 1960-ական թվականներին (Իտալիայի DEA), իսկ համակարգչային կառավարումը դեբյուտեց 1970-ականների սկզբին, բայց առաջին աշխատող CMM-ը մշակվել և վաճառքի է հանվել Browne & Sharpe-ի կողմից Մելբուռնում, Անգլիա։ (Հետագայում Leitz Germany-ն արտադրեց մեքենայի անշարժ կառուցվածք՝ շարժական սեղանով։)

Ժամանակակից մեքենաներում դարպասային տիպի գերկառուցվածքն ունի երկու ոտք և հաճախ անվանում են կամուրջ։ Այն ազատորեն շարժվում է գրանիտե սեղանի երկայնքով՝ մեկ ոտքը (հաճախ անվանում են ներքին ոտք) հետևելով գրանիտե սեղանի մի կողմին ամրացված ուղեցույց ռելսին։ Հակառակ ոտքը (հաճախ արտաքին ոտքը) պարզապես հենվում է գրանիտե սեղանի վրա՝ հետևելով ուղղահայաց մակերեսի ուրվագծին։ Օդային կրողները ընտրված մեթոդն են՝ շփումից զերծ շարժումն ապահովելու համար։ Այս մեքենաներում սեղմված օդը մղվում է հարթ կրող մակերեսի վրա գտնվող շատ փոքր անցքերի շարքով՝ ապահովելու համար հարթ, բայց կառավարվող օդային բարձ, որի վրա CMM-ն կարող է շարժվել գրեթե շփումից զերծ եղանակով, որը կարող է փոխհատուցվել ծրագրային ապահովման միջոցով։ Կամրջի կամ դարպասի շարժումը գրանիտե սեղանի երկայնքով կազմում է XY հարթության մեկ առանցք։ Դարպասի կամուրջը պարունակում է սայլակ, որը հատում է ներքին և արտաքին ոտքերի միջև և կազմում է մյուս X կամ Y հորիզոնական առանցքը։ Շարժման երրորդ առանցքը (Z առանցք) ապահովվում է ուղղահայաց փետուրի կամ իլիկի ավելացմամբ, որը շարժվում է սայլակի կենտրոնով վերև և ներքև։ Հպման զոնդը կազմում է փետուրի ծայրին գտնվող զգայուն սարքը։ X, Y և Z առանցքների շարժումը լիովին նկարագրում է չափման շրջանակը: Լրացուցիչ պտտվող սեղանները կարող են օգտագործվել չափիչ զոնդի բարդ աշխատանքային մասերին մոտենալու հարմարությունը բարելավելու համար: Պտտվող սեղանը որպես չորրորդ շարժիչ առանցք չի բարելավում չափման չափերը, որոնք մնում են եռաչափ, բայց ապահովում է որոշակի ճկունություն: Որոշ սենսորային զոնդեր իրենք հզորությամբ պտտվող սարքեր են, որոնց զոնդի ծայրը կարող է ուղղահայաց պտտվել ավելի քան 180 աստիճանով և կատարել ամբողջական 360 աստիճան պտույտ:

CMM-ները այժմ հասանելի են նաև մի շարք այլ ձևերով: Դրանք ներառում են CMM բազուկներ, որոնք օգտագործում են բազկի հոդերի վրա կատարված անկյունային չափումները՝ գրիչի ծայրի դիրքը հաշվարկելու համար, և կարող են հագեցած լինել լազերային սկանավորման և օպտիկական պատկերման համար նախատեսված զոնդերով: Նման CMM բազուկները հաճախ օգտագործվում են այն դեպքերում, երբ դրանց փոխադրելիությունը առավելություն է ավանդական ֆիքսված հիմքով CMM-ների համեմատ. չափված դիրքերը պահպանելով, ծրագրավորման ծրագիրը նաև թույլ է տալիս չափիչ բազուկը և դրա չափման ծավալը տեղաշարժել չափվող մասի շուրջը՝ չափման գործընթացի ընթացքում: Քանի որ CMM բազուկները ընդօրինակում են մարդու բազկի ճկունությունը, դրանք նաև հաճախ կարողանում են հասնել բարդ մասերի ներքին մասին, որոնք չէին կարող զոնդավորվել ստանդարտ եռառանցքային մեքենայով:

Մեխանիկական զոնդ

Կոորդինատների չափման (ԿՉՉ) վաղ շրջանում մեխանիկական զոնդերը տեղադրվում էին փետուրի ծայրին գտնվող հատուկ պահիչի մեջ: Շատ տարածված զոնդը պատրաստվում էր առանցքի ծայրին կոշտ գնդիկ զոդելով: Սա իդեալական էր հարթ մակերեսի, գլանաձև կամ գնդաձև մակերեսների ամբողջ շրջանակը չափելու համար: Այլ զոնդերը հղկվում էին որոշակի ձևերի, օրինակ՝ քառորդների, որպեսզի հնարավոր լիներ չափել հատուկ առանձնահատկությունները: Այս զոնդերը ֆիզիկապես ամրացվում էին աշխատանքային մասի վրա, որտեղ տարածության մեջ դիրքը կարդացվում էր 3-առանցքային թվային ընթերցիչից (DRO) կամ, ավելի առաջադեմ համակարգերում, գրանցվում էր համակարգչի մեջ ոտնաանջատիչի կամ նմանատիպ սարքի միջոցով: Այս շփման մեթոդով կատարված չափումները հաճախ անվստահելի էին, քանի որ մեքենաները շարժվում էին ձեռքով, և յուրաքանչյուր մեքենայի օպերատոր տարբեր քանակությամբ ճնշում էր գործադրում զոնդի վրա կամ կիրառում էր չափման տարբեր մեթոդներ:

Հետագա զարգացումը յուրաքանչյուր առանցքը շարժելու համար շարժիչների ավելացումն էր: Օպերատորները այլևս ֆիզիկապես դիպչելու կարիք չունեին մեքենային, այլ կարող էին շարժել յուրաքանչյուր առանցքը՝ օգտագործելով ջոյսթիքերով ձեռքի տուփ, ինչպես ժամանակակից հեռակառավարվող մեքենաների դեպքում: Չափման ճշգրտությունը և ճշգրտությունը զգալիորեն բարելավվեցին էլեկտրոնային հպումային ձգանման զոնդի գյուտով: Այս նոր զոնդի սարքի ռահվիրա Դեյվիդ ՄաքՄերթրին էր, որը հետագայում հիմնադրեց այն, ինչ այժմ Renishaw plc-ն է: Չնայած դեռևս կոնտակտային սարք էր, զոնդն ուներ զսպանակավոր պողպատե գնդիկավոր (ավելի ուշ՝ ռուբինե գնդիկ) գրիչ: Երբ զոնդը դիպչում էր բաղադրիչի մակերեսին, գրիչը շեղվում էր և միաժամանակ X, Y, Z կոորդինատների տեղեկատվությունը ուղարկում համակարգչին: Առանձին օպերատորների կողմից առաջացած չափման սխալները նվազեցին, և հողը պատրաստվեց CNC գործողությունների ներդրման և CMM-ների հասունացման համար:

Օպտիկական զոնդերը ոսպնյակ-CCD համակարգեր են, որոնք շարժվում են ինչպես մեխանիկականները և ուղղված են հետաքրքրության կետին, այլ ոչ թե նյութին դիպչելուն։ Մակերեսի ստացված պատկերը կտեղադրվի չափիչ պատուհանի սահմաններում, մինչև մնացորդը բավարար լինի սև և սպիտակ գոտիների միջև հակադրությունը ստեղծելու համար։ Բաժանարար կորը կարող է հաշվարկվել մինչև կետ, որը տարածության մեջ ցանկալի չափման կետն է։ CCD-ի վրա հորիզոնական տեղեկատվությունը 2D (XY) է, իսկ ուղղահայաց դիրքը՝ ամբողջական զոնդավորման համակարգի դիրքը Z-drive հենարանի (կամ սարքի այլ բաղադրիչի) վրա։

Սկանավորող զոնդային համակարգեր

Կան ավելի նոր մոդելներ, որոնք ունեն զոնդեր, որոնք քաշվում են մասի մակերեսով՝ որոշակի ժամանակահատվածներում կետեր վերցնելով, որոնք հայտնի են որպես սկանավորող զոնդեր: CMM ստուգման այս մեթոդը հաճախ ավելի ճշգրիտ է, քան ավանդական դիպչող զոնդի մեթոդը և շատ դեպքերում նաև ավելի արագ:

Սկանավորման հաջորդ սերունդը, որը հայտնի է որպես անհպում սկանավորում, որը ներառում է բարձր արագությամբ լազերային միակետային եռանկյունացում, լազերային գծային սկանավորում և սպիտակ լույսի սկանավորում, շատ արագ զարգանում է: Այս մեթոդը օգտագործում է կամ լազերային ճառագայթներ, կամ սպիտակ լույս, որոնք պրոյեկտվում են մասի մակերեսին: Այնուհետև կարելի է վերցնել հազարավոր կետեր և օգտագործել ոչ միայն չափը և դիրքը ստուգելու, այլև մասի եռաչափ պատկեր ստեղծելու համար: Այս «կետային ամպի տվյալները» կարող են փոխանցվել CAD ծրագրին՝ մասի աշխատանքային եռաչափ մոդել ստեղծելու համար: Այս օպտիկական սկաներները հաճախ օգտագործվում են փափուկ կամ նուրբ մասերի վրա կամ հակադարձ ինժեներիան հեշտացնելու համար:

Միկրոմետրոլոգիական զոնդեր

Միկրոմասշտաբային չափագիտության կիրառությունների համար զոնդավորման համակարգերը մեկ այլ զարգացող ոլորտ են: Կան մի քանի առևտրային առումով մատչելի կոորդինատային չափման մեքենաներ (CMM), որոնք ունեն համակարգում ինտեգրված միկրոզոնդ, մի քանի մասնագիտացված համակարգեր կառավարական լաբորատորիաներում և բազմաթիվ համալսարանական չափագիտական հարթակներ միկրոմասշտաբային չափագիտության համար: Չնայած այս մեքենաները լավ և շատ դեպքերում գերազանց չափագիտական հարթակներ են նանոմետրիկ մասշտաբներով, դրանց հիմնական սահմանափակումը հուսալի, ամուր և կարող միկրո/նանո զոնդն է:^{[հղումը անհրաժեշտ է]}Միկրոմասշտաբային զոնդավորման տեխնոլոգիաների մարտահրավերներից է բարձր ասպեկտային հարաբերակցությամբ զոնդի անհրաժեշտությունը, որը հնարավորություն կտա մուտք գործել խորը, նեղ օբյեկտներ ցածր շփման ուժերով՝ մակերեսը չվնասելու և բարձր ճշգրտությամբ (նանոմետրային մակարդակով):^{[հղումը անհրաժեշտ է]}Բացի այդ, միկրոմասշտաբի զոնդերը զգայուն են շրջակա միջավայրի պայմանների նկատմամբ, ինչպիսիք են խոնավությունը և մակերևութային փոխազդեցությունները, ինչպիսիք են կպչունությունը (պայմանավորված կպչունության, մենիսկի և/կամ Վան դեր Վալսի ուժերի, ի թիվս այլոց):^{[հղումը անհրաժեշտ է]}

Միկրոմասշտաբային զոնդավորման տեխնոլոգիաները ներառում են դասական CMM զոնդերի փոքրացված տարբերակը, օպտիկական զոնդերը և կանգնած ալիքի զոնդը, ի թիվս այլոց: Այնուամենայնիվ, ներկայիս օպտիկական տեխնոլոգիաները չեն կարող բավականաչափ փոքրացվել խորը, նեղ առանձնահատկությունները չափելու համար, և օպտիկական լուծաչափը սահմանափակվում է լույսի ալիքի երկարությամբ: Ռենտգենյան պատկերումը տալիս է առանձնահատկության պատկերը, բայց ոչ հետևելի չափագիտական տեղեկատվություն:

Ֆիզիկական սկզբունքներ

Կարող են օգտագործվել օպտիկական և/կամ լազերային զոնդեր (եթե հնարավոր է համատեղ), որոնք CMM-ները փոխակերպում են չափիչ մանրադիտակների կամ բազմասենսորային չափիչ մեքենաների: Եզրային պրոյեկցիոն համակարգերը, թեոդոլիտային եռանկյունացման համակարգերը կամ լազերային հեռավոր և եռանկյունացման համակարգերը չեն կոչվում չափիչ մեքենաներ, բայց չափման արդյունքը նույնն է՝ տարածական կետ: Լազերային զոնդերը օգտագործվում են կինեմատիկ շղթայի ծայրին (այսինքն՝ Z-շարժիչի բաղադրիչի ծայրին) գտնվող մակերևույթի և հենակետի միջև հեռավորությունը հայտնաբերելու համար: Սա կարող է օգտագործել ինտերֆերոմետրիկ ֆունկցիա, ֆոկուսի փոփոխություն, լույսի շեղում կամ ճառագայթի ստվերման սկզբունք:

Փոխադրելի կոորդինատների չափման մեքենաներ

Մինչդեռ ավանդական CMM-ները օգտագործում են զոնդ, որը շարժվում է երեք կարտեզյան առանցքների շուրջ՝ օբյեկտի ֆիզիկական բնութագրերը չափելու համար, դյուրակիր CMM-ները օգտագործում են կա՛մ հոդակապավոր ձեռքեր, կա՛մ, օպտիկական CMM-ների դեպքում, ձեռքերից զուրկ սկանավորման համակարգեր, որոնք օգտագործում են օպտիկական եռանկյունացման մեթոդներ և հնարավորություն են տալիս օբյեկտի շուրջ շարժման լիակատար ազատություն:

Հոդակապավոր թևերով դյուրակիր CMM-ները ունեն վեց կամ յոթ առանցքներ, որոնք հագեցած են պտտվող կոդավորիչներով՝ գծային առանցքների փոխարեն: Դյուրակիր թևերը թեթև են (սովորաբար 20 ֆունտից պակաս) և կարող են տեղափոխվել և օգտագործվել գրեթե ամենուր: Այնուամենայնիվ, օպտիկական CMM-ները ավելի ու ավելի են օգտագործվում արդյունաբերության մեջ: Նախագծված լինելով կոմպակտ գծային կամ մատրիցային զանգվածային տեսախցիկներով (ինչպիսին է Microsoft Kinect-ը), օպտիկական CMM-ները ավելի փոքր են, քան թևերով դյուրակիր CMM-ները, չունեն լարեր և թույլ են տալիս օգտատերերին հեշտությամբ կատարել գրեթե ամենուրեք գտնվող բոլոր տեսակի օբյեկտների եռաչափ չափումներ:

Որոշակի չկրկնվող կիրառություններ, ինչպիսիք են հակադարձ ինժեներիան, արագ նախատիպավորումը և բոլոր չափերի մասերի լայնածավալ ստուգումը, իդեալականորեն հարմար են փոխադրելի CMM-ների համար: Փոխադրելի CMM-ների առավելությունները բազմակողմանի են: Օգտատերերը ճկունություն ունեն բոլոր տեսակի մասերի եռաչափ չափումներ կատարելու և ամենահեռավոր/դժվար վայրերում: Դրանք հեշտ են օգտագործման համար և չեն պահանջում վերահսկվող միջավայր՝ ճշգրիտ չափումներ կատարելու համար: Ավելին, փոխադրելի CMM-ները սովորաբար ավելի էժան են, քան ավանդական CMM-ները:

Փոխադրելի CMM-ների բնորոշ թերությունը ձեռքով շահագործումն է (դրանք միշտ պահանջում են մարդու մասնակցություն դրանց օգտագործման համար): Բացի այդ, դրանց ընդհանուր ճշգրտությունը կարող է որոշ չափով պակաս ճշգրիտ լինել, քան կամրջային տիպի CMM-ինը, և ավելի քիչ հարմար է որոշ կիրառությունների համար:

Բազմասենսորային չափիչ մեքենաներ

Սենսորային զոնդեր օգտագործող ավանդական CMM տեխնոլոգիան այսօր հաճախ համակցվում է այլ չափման տեխնոլոգիաների հետ: Սա ներառում է լազերային, տեսա կամ սպիտակ լույսի սենսորներ՝ ապահովելու համար այսպես կոչված բազմասենսորային չափում: