Координатно-измерительные машины: принципы работы и применение.

Введение

Устройство для измерения геометрии объектов

Координатно-измерительная машина (CMM) – это устройство, предназначенное для измерения геометрии физических объектов путем определения дискретных точек на их поверхности с помощью зонда. В CMM используются различные типы зондов, наиболее распространенными являются механические и лазерные датчики, хотя существуют также оптические и датчики белого света. В зависимости от конструкции машины, положение зонда может управляться оператором вручную или компьютером. CMM обычно задают положение зонда как его смещение от опорной точки в трехмерной декартовой системе координат (то есть по осям XYZ). Помимо перемещения зонда по осям X, Y и Z, многие машины также позволяют контролировать угол наклона зонда для измерения поверхностей, которые иначе были бы недоступны.

Описание

Типичная 3D координатно-измерительная машина (КИМ) типа "мост" обеспечивает перемещение щупа по трем осям – X, Y и Z, которые ортогональны друг другу в трехмерной декартовой системе координат. Каждая ось оснащена датчиком, контролирующим положение щупа на этой оси с типичной точностью порядка микрон. Когда щуп контактирует (или иным образом обнаруживает) определенное место на объекте, машина снимает показания датчиков положения осей, тем самым измеряя положение одной точки на поверхности объекта, а также трехмерный вектор выполненного измерения. Этот процесс повторяется по мере необходимости, с каждым перемещением щупа, для создания "облака точек", описывающего интересующие области поверхности. Измерение точек может производиться вручную оператором, автоматически посредством прямого цифрового управления (ПЦУ/DCC) или автоматически с использованием программных скриптов; таким образом, автоматизированная КИМ является специализированной формой промышленного робота. КИМ обычно используются в процессах производства и сборки для проверки соответствия детали или сборки проектным требованиям. Измеренные точки могут быть использованы для проверки расстояний между элементами. Они также могут быть использованы для построения геометрических элементов, таких как цилиндры и плоскости, для геометрического допущения и контроля (GD&T), что позволяет оценить такие параметры, как круглость, плоскостность и перпендикулярность.

Доступность

Эти машины доступны в стационарном или переносном исполнении.

Точность

Точность координатно-измерительных машин обычно указывается в виде коэффициента неопределенности, зависящего от расстояния. Для КИМ, использующего тактильный зонд, это связано с повторяемостью зонда и точностью линейных шкал. Типичная повторяемость зонда позволяет получать измерения в пределах одного микрона или 0,00005 дюйма (половина тысячной доли дюйма) по всему объему измерений. Для машин с 3, 3+2 и 5 осями зонды регулярно калибруются с использованием эталонных стандартов, а движение машины проверяется с помощью калибровочных инструментов для обеспечения точности.

Корпус машины

Первый CMM был разработан компанией Ferranti в Шотландии в 1950-х годах в связи с прямой необходимостью измерения прецизионных компонентов в их военной продукции, хотя эта машина имела только 2 оси. Первые модели с тремя осями начали появляться в 1960-х годах (произведенные компаниями DEA в Италии и LK в Великобритании), а компьютерное управление дебютировало в начале 1970-х годов, но первый рабочий CMM был разработан и поступил в продажу компанией Browne & Sharpe в Мельбурне, Англия. Впоследствии Leitz Germany выпустила машину с фиксированной конструкцией и подвижным столом. В современных машинах надстройка типа портала имеет две опоры и часто называется мостом. Он свободно перемещается по гранитному столу, при этом одна опора (часто называемая внутренней опорой) следует по направляющей, прикрепленной к одной стороне гранитной плиты. Противоположная опора (часто внешняя опора) просто опирается на гранитный стол, повторяя вертикальный контур поверхности. Для обеспечения беспрепятственного движения выбраны воздушные подшипники. В них сжатый воздух подается через ряд очень маленьких отверстий в плоской подшипниковой поверхности, создавая гладкую, но контролируемую воздушную подушку, на которой CMM может двигаться практически без трения, что можно компенсировать с помощью программного обеспечения. Перемещение моста или портала вдоль гранитной плиты формирует одну из осей плоскости XY. Мост портала содержит каретку, которая перемещается между внутренней и внешней опорами и формирует другую горизонтальную ось. Третья ось движения (ось Z) обеспечивается вертикальным направляющим валом или шпинделем, который движется вверх и вниз по центру каретки. Тактильный зонд является чувствительным элементом на конце направляющего вала. Перемещение осей X, Y и Z полностью определяет измерительный объем. Для улучшения доступа измерительного зонда к сложным деталям можно использовать дополнительные поворотные столы. Поворотный стол в качестве четвертой оси привода не увеличивает точность измерений, которые остаются трехмерными, но обеспечивает дополнительную гибкость. Некоторые тактильные зонды сами по себе являются вращающимися устройствами, наконечник которых может поворачиваться вертикально более чем на 180° и совершать полный оборот на 360°. В настоящее время CMM также доступны в различных других формах. К ним относятся CMM-манипуляторы, которые используют угловые измерения, полученные в сочленениях манипулятора, для расчета положения наконечника стилуса и могут быть оснащены зондами для лазерного сканирования и оптической визуализации. Такие CMM-манипуляторы часто используются там, где их портативность является преимуществом по сравнению с традиционными CMM с фиксированным основанием: путем сохранения координат измерений, программное обеспечение также позволяет перемещать сам измерительный манипулятор и его измерительный объем вокруг измеряемой детали во время процедуры измерения. Поскольку CMM-манипуляторы имитируют гибкость человеческой руки, они также часто могут достигать внутренних поверхностей сложных деталей, которые невозможно прощупать с помощью стандартной трехкоординатной машины.

The first CMM was developed by the Ferranti Company of Scotland in the 1950s as the result of a direct need to measure precision components in their military products, although this machine only had 2 axes. The first 3 axis models began appearing in the 1960s (made by DEA of Italy and LK of the UK), and computer control debuted in the early 1970s, but the first working CMM was developed and put on sale by Browne & Sharpe in Melbourne, England. Leitz Germany subsequently produced a fixed machine structure with moving table. In modern machines, the gantry type superstructure has two legs and is often called a bridge. This moves freely along the granite table with one leg (often referred to as the inside leg) following a guide rail attached to one side of the granite table. The opposite leg (often outside leg) simply rests on the granite table following the vertical surface contour. Air bearings are the chosen method for ensuring friction free travel. In these, compressed air is forced through a series of very small holes in a flat bearing surface to provide a smooth but controlled air cushion on which the CMM can move in a nearly frictionless manner which can be compensated for through software. The movement of the bridge or gantry along the granite table forms one axis of the XY plane. The bridge of the gantry contains a carriage which traverses between the inside and outside legs and forms the other horizontal axis. The third axis of movement (Z axis) is provided by the addition of a vertical quill or spindle which moves up and down through the center of the carriage. The touch probe forms the sensing device on the end of the quill. The movement of the X, Y, and Z axes fully describes the measuring envelope. Optional rotary tables can be used to enhance the approachability of the measuring probe to complicated workpieces. The rotary table as a fourth drive axis does not enhance the measuring dimensions, which remain 3D, but it does provide a degree of flexibility. Some touch probes are themselves powered rotary devices with the probe tip able to swivel vertically through more than 180° and through a full 360° rotation. CMMs are now also available in a variety of other forms. These include CMM arms that use angular measurements taken at the joints of the arm to calculate the position of the stylus tip, and can be outfitted with probes for laser scanning and optical imaging. Such arm CMMs are often used where their portability is an advantage over traditional fixed bed CMMs: by storing measured locations, programming software also allows moving the measuring arm itself, and its measurement volume, around the part to be measured during a measurement routine. Because CMM arms imitate the flexibility of a human arm, they are also often able to reach the insides of complex parts that could not be probed using a standard three axis machine.

Механический зонд

В первые дни измерений координат механические зонды устанавливались в специальный держатель на конце шпинделя. Очень распространенный зонд изготавливался путем припаивания твердого шара к концу вала. Это было идеально для измерения широкого спектра плоских, цилиндрических или сферических поверхностей. Другие зонды шлифовались до определенных форм, например, в виде четверти окружности, для измерения специальных элементов. Эти зонды физически прижимались к заготовке, а положение в пространстве считывалось с трехосевого цифрового индикатора (DRO) или, в более продвинутых системах, регистрировалось в компьютере с помощью ножной педали или аналогичного устройства. Измерения, выполненные этим контактным методом, часто были ненадежными, поскольку станки перемещались вручную, и каждый оператор оказывал разное давление на зонд или использовал различные методы измерения. Дальнейшим развитием стало добавление двигателей для привода каждой оси. Операторам больше не требовалось физически касаться станка, но они могли управлять каждой осью с помощью ручного пульта с джойстиками, примерно как в современных радиоуправляемых автомобилях. Точность и прецизионность измерений значительно улучшились с изобретением электронного зонда с тактильным датчиком. Пионером этого нового зонда был Дэвид Макмертри, который впоследствии основал компанию Renishaw plc. Хотя это все еще контактное устройство, зонд имел пружинный стальной (позже рубиновый) шарик-стилус. При касании зондом поверхности детали стилус отклонялся и одновременно передавал информацию о координатах X, Y, Z в компьютер. Ошибки измерений, вызванные индивидуальными операторами, стали реже, и была создана основа для внедрения станков с ЧПУ и развития координатно-измерительных машин (КИМ). Оптические зонды представляют собой системы линз и ПЗС-матриц, которые перемещаются как механические, и направляются на интересующую точку, а не касаются материала. Полученное изображение поверхности помещается в границы измерительного окна до тех пор, пока контраст между светлыми и темными участками не станет достаточным. Разделительная кривая может быть вычислена до точки, которая является требуемой точкой измерения в пространстве. Горизонтальная информация с ПЗС-матрицы является двухмерной (XY), а вертикальное положение – положением всей системы зондирования на Z-приводе (или другом компоненте устройства).

In the early days of coordinate measurement, mechanical probes were fitted into a special holder on the end of the quill. A very common probe was made by soldering a hard ball to the end of a shaft. This was ideal for measuring a whole range of flat face, cylindrical, or spherical surfaces. Other probes were ground to specific shapes, for example a quadrant, to enable measurement of special features. These probes were physically held against the workpiece with the position in space being read from a 3 axis digital readout (DRO) or, in more advanced systems, being logged into a computer by means of a footswitch or similar device. Measurements taken by this contact method were often unreliable as machines were moved by hand and each machine operator applied different amounts of pressure on the probe or adopted differing techniques for the measurement. A further development was the addition of motors for driving each axis. Operators no longer had to physically touch the machine but could drive each axis using a handbox with joysticks in much the same way as with modern remote controlled cars. Measurement accuracy and precision improved dramatically with the invention of the electronic touch trigger probe. The pioneer of this new probe device was David McMurtry who subsequently formed what is now Renishaw plc. Although still a contact device, the probe had a spring loaded steel ball (later ruby ball) stylus. As the probe touched the surface of the component, the stylus deflected and simultaneously sent the X,Y,Z coordinate information to the computer. Measurement errors caused by individual operators became fewer, and the stage was set for the introduction of CNC operations and the coming of age of CMMs. Optical probes are lens and CCD systems, which are moved like the mechanical ones, and are aimed at the point of interest, instead of touching the material. The captured image of the surface will be enclosed in the borders of a measuring window, until the residue is adequate to contrast between black and white zones. The dividing curve can be calculated to a point, which is the wanted measuring point in space. The horizontal information on the CCD is 2D (XY) and the vertical position is the position of the complete probing system on the stand Z drive (or other device component).

Портативные координатомерные аппараты

В то время как традиционные координатно-измерительные машины (КИМ) используют зонд, движущийся по трем декартовым осям для измерения физических характеристик объекта, портативные КИМ используют либо шарнирные манипуляторы, либо, в случае оптических КИМ, бесконтактные системы сканирования, использующие методы оптической триангуляции и обеспечивающие полную свободу движения вокруг объекта. Портативные КИМ с шарнирными манипуляторами имеют шесть или семь осей, оснащенных поворотными энкодерами, вместо линейных осей. Шарнирные манипуляторы легкие (обычно менее 9 кг) и могут быть перенесены и использованы практически в любом месте. Однако оптические КИМ все чаще применяются в промышленности. Оптические КИМ, разработанные с использованием компактных линейных или матричных камер (например, Microsoft Kinect), меньше портативных КИМ с манипуляторами, не имеют проводов и позволяют пользователям легко выполнять 3D-измерения объектов любого типа практически в любом месте. Определенные уникальные задачи, такие как обратная разработка, быстрое прототипирование и масштабный контроль деталей всех размеров, идеально подходят для портативных КИМ. Преимущества портативных КИМ многообразны. Пользователи получают возможность выполнять 3D-измерения деталей любого типа в самых труднодоступных и сложных местах. Они просты в использовании и не требуют контролируемой среды для получения точных результатов. Более того, портативные КИМ, как правило, дешевле традиционных КИМ. К существенным ограничениям портативных КИМ относится необходимость ручного управления (они всегда требуют оператора). Кроме того, их общая точность может быть несколько ниже, чем у КИМ мостового типа, что делает их менее подходящими для некоторых применений.

Машины для измерения с использованием множественных датчиков

Традиционная технология КИМ с использованием тактильных зондов сегодня часто комбинируется с другими методами измерений. Это включает в себя лазерные, видео- и датчики белого света для реализации так называемого мультисенсорного измерения.