Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Измерения координат машины (КИМ) представляет собой устройство , которое измеряет геометрию физических объектов путем измерения дискретных точек на поверхности объекта с помощью зонда. В КИМ используются различные типы датчиков, включая механические, оптические, лазерные и датчики белого света. В зависимости от машины положение датчика может управляться вручную оператором или управляться компьютером. КИМ обычно определяют положение зонда в терминах его смещения от исходного положения в трехмерной декартовой системе координат (т. Е. С осями XYZ). В дополнение к перемещению зонда по осям X, Y и Z, многие машины также позволяют управлять углом зонда для измерения поверхностей, которые в противном случае были бы недоступны.

Координатно-измерительная машина
Координатно-измерительная машина

Описание [ править ]

Типичная трехмерная «мостовая» КИМ позволяет перемещать датчик по трем осям X, Y и Z, которые ортогональны друг другу в трехмерной декартовой системе координат. На каждой оси есть датчик, который отслеживает положение зонда на этой оси, обычно с точностью до микрометра . Когда зонд соприкасается (или иным образом обнаруживает) конкретное место на объекте, машина производит замеры с трех датчиков положения, таким образом измеряя положение одной точки на поверхности объекта, а также трехмерный вектор выполненного измерения. Этот процесс повторяется по мере необходимости, каждый раз перемещая зонд, чтобы создать «облако точек», которое описывает интересующие участки поверхности.

Обычно КИМ используются в процессах производства и сборки для проверки детали или сборки на предмет соответствия замыслу проекта. В таких приложениях создаются облака точек, которые анализируются с помощью алгоритмов регрессии для построения объектов. Эти точки собираются с помощью датчика, который устанавливается вручную оператором или автоматически с помощью прямого компьютерного управления (DCC). КИМ DCC можно запрограммировать на многократное измерение идентичных деталей; Таким образом, автоматизированная КИМ - это специализированная форма промышленного робота .

Технические факты [ править ]

Части [ править ]

Координатно-измерительные машины включают в себя три основных компонента:

  • Основная конструкция, включающая три оси движения. Материал, из которого изготовлена ​​подвижная рама, менялся с годами. Гранит и сталь использовались в ранних CMM. Сегодня все основные производители КИМ изготавливают рамы из алюминиевого сплава или его производных, а также используют керамику для увеличения жесткости оси Z при сканировании. Немногие производители КИМ сегодня все еще производят КИМ с гранитной рамой из-за требований рынка к улучшенной метрологической динамике и растущей тенденции к установке КИМ вне лаборатории качества. Как правило, только мелкосерийные производители КИМ и отечественные производители в Китае и Индии по-прежнему производят гранитную КИМ из-за низкотехнологичного подхода и легкости входа, чтобы стать производителем каркасов КИМ.Растущая тенденция к сканированию также требует, чтобы ось Z КИМ была более жесткой, и были введены новые материалы, такие как керамика и карбид кремния.
  • Система зондирования
  • Система сбора и обработки данных - обычно включает в себя контроллер машины, настольный компьютер и прикладное программное обеспечение.

Доступность [ править ]

Эти машины могут быть отдельно стоящими, портативными и переносными.

Точность [ править ]

Точность координатно-измерительных машин обычно выражается как коэффициент неопределенности в зависимости от расстояния. Для КИМ с измерительным щупом это относится к воспроизводимости щупа и точности линейных шкал. Типичная повторяемость датчика может привести к измерениям в пределах 0,001 мм или 0,00005 дюйма (половина десятой) по всему объему измерения. Для станков с 3, 3 + 2 и 5 осями датчики обычно калибруются с использованием прослеживаемых стандартов, а движение станка проверяется с помощью датчиков для обеспечения точности.

Конкретные части [ править ]

Корпус машины [ править ]

Первая КИМ была разработана компанией Ferranti в Шотландии в 1950-х годах [1] в результате прямой потребности в измерении прецизионных компонентов в ее продукции военного назначения, хотя эта машина имела только 2 оси. Первые 3-осевые модели начали появляться в 1960-х (DEA в Италии), а компьютерное управление дебютировало в начале 1970-х, но первая рабочая КИМ была разработана и выставлена ​​на продажу компанией Browne & Sharpe в Мельбурне, Англия. (Leitz Germany впоследствии произвела стационарную конструкцию станка с подвижным столом. [ Ссылка ]

В современных машинах надстройка портального типа имеет две опоры и часто называется мостом. Он свободно перемещается по гранитному столу, при этом одна ножка (часто называемая внутренней ножкой) следует за направляющей, прикрепленной к одной стороне гранитного стола. Противоположная ножка (часто внешняя) просто опирается на гранитный стол, следуя вертикальному контуру поверхности. Воздушные подшипникиявляются выбранным методом обеспечения движения без трения. В них сжатый воздух пропускается через серию очень маленьких отверстий на плоской опорной поверхности, чтобы обеспечить гладкую, но контролируемую воздушную подушку, по которой КИМ может перемещаться без трения. Движение моста или портала по гранитному столу образует одну ось плоскости XY. Мост портала содержит каретку, которая перемещается между внутренней и внешней стойками и образует другую горизонтальную ось X или Y. Третья ось движения (ось Z) обеспечивается добавлением вертикального пиноли или шпинделя, который перемещается вверх и вниз через центр каретки. Измерительный щуп образует чувствительное устройство на конце пиноли. Движение осей X, Y и Z полностью описывает диапазон измерения.Дополнительные поворотные столы могут использоваться для повышения доступности измерительного зонда к сложным деталям. Поворотный стол в качестве четвертой приводной оси не увеличивает размеры измерения, которые остаются трехмерными, но обеспечивает определенную гибкость. Некоторые контактные щупы сами по себе являются вращающимися устройствами с приводом, наконечник щупа может поворачиваться вертикально на 90 градусов и на полное вращение на 360 градусов.

Наряду с традиционными трехосевыми станками (как на фото выше), КИМ теперь доступны во множестве других форм. К ним относятся руки КИМ, которые используют угловые измерения, сделанные в суставах руки, для расчета положения кончика иглы. Такие КИМ с манипулятором часто используются там, где их портативность является преимуществом по сравнению с традиционными КИМ с неподвижным слоем. Поскольку руки КИМ имитируют гибкость руки человека, они также часто могут достигать внутренних частей сложных деталей, которые невозможно исследовать с помощью стандартного трехосевого станка.

Механический зонд [ править ]

На заре координатных измерений (КИМ) механические датчики помещались в специальный держатель на конце пиноли. Очень распространенный зонд изготавливали путем припаивания твердого шарика к концу вала. Это было идеально для измерения всего диапазона плоских, цилиндрических или сферических поверхностей. Другие зонды были отшлифованы до определенной формы, например, квадранта, чтобы можно было измерять особые характеристики. Эти датчики физически прижимались к заготовке, при этом положение в пространстве считывалось с 3-осевого цифрового считывающего устройства (DRO) или, в более продвинутых системах, регистрировалось в компьютере с помощью ножного переключателя или аналогичного устройства.Измерения, проводимые этим контактным методом, часто были ненадежными, поскольку машины перемещались вручную, и каждый оператор машины прикладывал разное давление к датчику или использовал разные методы измерения.[ необходима цитата ]

Дальнейшим развитием было добавление двигателей для привода каждой оси. Операторам больше не нужно было физически прикасаться к машине, они могли управлять каждой осью с помощью ручного ящика с джойстиками почти так же, как в современных автомобилях с дистанционным управлением. Точность измерения и прецизионность резко повысились с изобретением электронного датчика касания. Первопроходцем в области создания этого нового зонда был Дэвид Макмертри , впоследствии основавший компанию Renishaw plc . [2]Хотя зонд по-прежнему является контактным устройством, он имел иглу с подпружиненным стальным шариком (позже - рубиновым шариком). Когда зонд коснулся поверхности компонента, стилус отклонился и одновременно отправил информацию о координатах X, Y, Z на компьютер. Ошибок измерения, вызванных отдельными операторами, стало меньше, и была подготовлена ​​почва для внедрения операций с ЧПУ и совершенствования КИМ.

Моторизованная автоматическая головка пробника с электронным датчиком касания

Оптические датчики представляют собой системы линз-ПЗС, которые перемещаются, как механические, и нацелены на интересующую точку, а не касаются материала. Захваченное изображение поверхности будет заключено в границы измерительного окна до тех пор, пока остаток не станет достаточным для контраста между черной и белой зонами. Разделительную кривую можно рассчитать до точки, которая является желаемой точкой измерения в пространстве. Горизонтальная информация на ПЗС-матрице представлена ​​в 2D (XY), а вертикальное положение - это положение всей измерительной системы на Z-приводе стойки (или другом компоненте устройства).

Новые системы зондирования [ править ]

Существуют более новые модели, у которых есть зонды, которые перемещаются по поверхности детали, фиксируя точки с заданными интервалами, известные как сканирующие зонды. Этот метод контроля КИМ часто более точен, чем традиционный метод контактного щупа, и в большинстве случаев также быстрее.

Следующее поколение сканирования, известное как бесконтактное сканирование, которое включает в себя высокоскоростную лазерную одноточечную триангуляцию, [3] лазерное линейное сканирование [4] и сканирование в белом свете [5] , развивается очень быстро. В этом методе используются либо лазерные лучи, либо белый свет, которые проецируются на поверхность детали. Затем можно взять тысячи точек и использовать их не только для проверки размера и положения, но и для создания трехмерного изображения детали. Затем эти «данные облака точек» можно передать в программное обеспечение САПР для создания рабочей 3D-модели детали. Эти оптические сканеры часто используются для обработки мягких или хрупких деталей или для облегчения обратного проектирования .

Микрометрологические зонды

Еще одна развивающаяся область - измерительные системы для микромасштабных метрологических приложений. [6] [7] Есть несколько коммерчески доступных координатно-измерительных машин (КИМ), которые имеют микрозонд, интегрированный в систему, несколько специализированных систем в государственных лабораториях и любое количество метрологических платформ, созданных университетами для микромасштабной метрологии. Хотя эти машины являются хорошими и во многих случаях превосходными метрологическими платформами с нанометрическими масштабами, их основным ограничением является надежный, прочный, способный микро / нанозонд. [ необходима цитата ] Проблемы, связанные с технологиями микромасштабного зондирования, включают потребность в зонде с высоким соотношением сторон, дающим возможность доступа к глубоким узким элементам с низкими контактными силами, чтобы не повредить поверхность и с высокой точностью (уровень нанометров). [ необходима цитата ] Кроме того, микромасштабные зонды чувствительны к условиям окружающей среды, таким как влажность и поверхностные взаимодействия, такие как трение (вызванное , среди прочего, адгезией , мениском и / или силами Ван-дер-Ваальса ). [ необходима цитата ]

Технологии для достижения Microscale зондирующего включаюта уменьшенной версии классических зондов ШХ, оптических датчиков, а также стоячей волна зонд [8] среди других. Однако современные оптические технологии не могут быть достаточно малы для измерения глубоких узких пространственных объектов, а оптическое разрешение ограничено длиной волны света. Рентгеновское изображение дает представление о функции, но не дает прослеживаемой метрологической информации.

Физические принципы

Могут использоваться оптические зонды и / или лазерные зонды (если возможно, в комбинации), которые заменяют КИМ на измерительные микроскопы или многосенсорные измерительные машины. Системы проекции бахромы, триангуляционные системы теодолита или лазерные дальномеры и триангуляционные системы не называются измерительными машинами, но результат измерения один и тот же: космическая точка. Лазерные датчики используются для определения расстояния между поверхностью и опорной точкой на конце кинематической цепи (то есть: конец компонента Z-привода). Это может использовать интерферометрическую функцию, изменение фокуса , отклонение света или принцип затенения луча.

Переносные координатно-измерительные машины [ править ]

В то время как в традиционных КИМ для измерения физических характеристик объекта используется датчик, который перемещается по трем декартовым осям, в портативных КИМ используются либо шарнирные манипуляторы, либо, в случае оптических КИМ, системы сканирования без рукавов, которые используют методы оптической триангуляции и обеспечивают полную свободу движений. вокруг объекта.

Переносные КИМ с шарнирно-сочлененными рычагами имеют шесть или семь осей, которые оснащены датчиками вращения, вместо линейных осей. Портативные руки легкие (обычно менее 20 фунтов), их можно носить и использовать практически где угодно. Однако в промышленности все чаще используются оптические КИМ. Разработанные с компактными линейными или матричными камерами (такими как Microsoft Kinect), оптические КИМ меньше портативных КИМ с кронштейнами, не имеют проводов и позволяют пользователям легко выполнять трехмерные измерения всех типов объектов, расположенных практически в любом месте.

Некоторые неповторяющиеся приложения, такие как обратное проектирование , быстрое прототипирование и крупномасштабный контроль деталей всех размеров, идеально подходят для портативных КИМ. Преимущества портативных КИМ многочисленны. Пользователи могут выполнять трехмерные измерения всех типов деталей в самых удаленных и труднодоступных местах. Они просты в использовании и не требуют контролируемой среды для проведения точных измерений. Более того, портативные КИМ, как правило, дешевле традиционных КИМ.

Неотъемлемым недостатком портативных КИМ является ручное управление (для их использования всегда требуется человек). Кроме того, их общая точность может быть несколько менее точной, чем у КИМ мостового типа, и она менее подходит для некоторых приложений.

Мультисенсорные измерительные машины [ править ]

Традиционная технология КИМ с использованием контактных щупов сегодня часто сочетается с другими измерительными технологиями. Сюда входят лазерные, видеодатчики или датчики белого света, обеспечивающие так называемое мультисенсорное измерение. [9]

Стандартизация [ править ]

Для проверки производительности координатно-измерительной машины доступна серия ISO 10360. Эта серия стандартов определяет характеристики измерительной системы и погрешность измерения длины:

  • P Форма : отклонение щупа при измерении формы шара
  • P Размер : отклонение щупа при измерении размера сферы
  • E Uni : отклонение измерительной длины на сферах от одного направления
  • E Bi : отклонение измерительной длины на сферах слева и справа

Серия ISO 10360 состоит из следующих частей:

  • ISO 10360-1 Геометрические характеристики изделий (GPS) - Приемочные и повторные испытания для координатно-измерительных машин (КИМ) - Часть 1: Словарь
  • ISO 10360-2 Геометрические характеристики изделий (GPS) - Приемочные и повторные испытания для координатно-измерительных машин (КИМ) - Часть 2: КИМ, используемые для измерения линейных размеров
  • ISO 10360-7 Геометрические характеристики изделия (GPS) - Приемочные и повторные испытания для координатно-измерительных машин (КИМ) - Часть 7: КИМ, оборудованные системами измерения изображений
  • ISO 10360-8 Геометрические характеристики изделия (GPS) - Приемочные и повторные испытания для систем измерения координат (CMS) - Часть 8: КИМ с оптическими датчиками расстояния

См. Также [ править ]

  • Универсальная измерительная машина
  • 3D сканер

Ссылки [ править ]

  1. ^ «История координатно-измерительной машины - пятьдесят лет истории КИМ, ведущей к революции в измерениях», COORD3 Metrology. Архивировано 8 сентября 2013 г. в Wayback Machine . Доступ 23 августа 2013 г.
  2. ^ Renishaw: Биография
  3. ^ "WIZprobe Kit" . nextec-wiz.com. Архивировано из оригинала на 2010-11-01 . Проверено 26 июня 2010 .
  4. ^ «Лазерные сканеры» . HexagonMetrology.us . Проверено 23 апреля 2013 .
  5. ^ "Хроматический белый свет (CWS)" . HexagonMetrology.us . Проверено 23 апреля 2013 .
  6. ^ Хансен HN; Карнейро К .; Haitjema H .; Де Шиффр Л. (2006). «Размерная микро- и нано-метрология». CIRP Annals, 55-2, 721–743. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  7. ^ Weckenmann A .; Peggs G .; Хоффманн Дж. (2006). «Измерительные системы для размерной микро- и нанометрологии». Измерительная наука и технология . Измер. Sci. Technol. 17, 504–509. 17 (3): 504. Bibcode : 2006MeScT..17..504W . DOI : 10.1088 / 0957-0233 / 17/3 / S08 .
  8. ^ МБ Бауза; Р. Дж. Хоккен; С. Т. Смит; SC Woody (2005). «Разработка виртуального наконечника зонда с применением микромасштабных функций с высоким соотношением сторон» . Rev. Sci Instrum, 76 (9) 095112. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  9. ^ «Мультисенсорная технология OGP» . www.ogpnet.com . Проверено 10 января 2017 .[ постоянная мертвая ссылка ]