Máy đo tọa độ (CMM)

Máy đo tọa độ (CMM) là một thiết bị đo hình học của các vật thể bằng cách cảm nhận các điểm rời rạc trên bề mặt của vật thể bằng đầu dò. Các loại đầu dò khác nhau được sử dụng trong CMM, bao gồm ánh sáng cơ học, quang học, laser và ánh sáng trắng. Tùy thuộc vào máy, vị trí đầu dò có thể được điều khiển thủ công bởi người vận hành hoặc nó có thể được điều khiển bằng máy tính. CMM thường chỉ định vị trí của đầu dò theo sự dịch chuyển của nó từ vị trí tham chiếu trong hệ tọa độ Cartesian ba chiều (nghĩa là với các trục XYZ). Ngoài việc di chuyển đầu dò dọc theo trục X, Y và Z, nhiều máy còn cho phép điều khiển góc đầu dò để cho phép đo các bề mặt mà không thể truy cập được.

Mô tả

CMM “cầu” 3D điển hình cho phép di chuyển đầu dò dọc theo ba trục, X, Y và Z, trực giao với nhau trong hệ tọa độ Cartesian ba chiều. Mỗi trục có một cảm biến theo dõi vị trí của đầu dò trên trục đó, thường là với độ chính xác micromet . Khi đầu dò tiếp xúc (hoặc phát hiện khác) một vị trí cụ thể trên đối tượng, máy sẽ lấy mẫu ba cảm biến vị trí, do đó đo vị trí của một điểm trên bề mặt của đối tượng. Quá trình này được lặp lại khi cần thiết, di chuyển đầu dò mỗi lần, để tạo ra một “đám mây điểm” mô tả các khu vực bề mặt quan tâm.

Việc sử dụng phổ biến các CMM là trong các quy trình sản xuất và lắp ráp để kiểm tra một bộ phận hoặc lắp ráp theo ý đồ thiết kế. Trong các ứng dụng như vậy, các đám mây điểm được tạo ra được phân tích thông qua các thuật toán hồi quy để xây dựng các tính năng. Những điểm này được thu thập bằng cách sử dụng đầu dò được định vị thủ công bởi người vận hành hoặc tự động thông qua Điều khiển máy tính trực tiếp (DCC). Các CMM DCC có thể được lập trình để đo nhiều lần các phần giống hệt nhau; do đó, CMM tự động là một dạng robot công nghiệp chuyên dụng.

Thông tin kỹ thuật

Bộ phận

Máy đo tọa độ bao gồm ba thành phần chính:

• Cấu trúc chính bao gồm ba trục chuyển động. Vật liệu được sử dụng để xây dựng khung di chuyển đã thay đổi qua nhiều năm. Đá granit và thép đã được sử dụng trong những năm đầu của CMM. Ngày nay, tất cả các nhà sản xuất CMM lớn đều xây dựng các khung từ hợp kim nhôm hoặc một số dẫn xuất và cũng sử dụng gốm để tăng độ cứng của trục Z cho các ứng dụng quét. Ngày nay, rất ít nhà xây dựng CMM vẫn sản xuất CMM khung đá granit do yêu cầu của thị trường đối với động lực đo lường được cải thiện và xu hướng gia tăng để cài đặt CMM bên ngoài phòng thí nghiệm chất lượng. Thông thường chỉ có các nhà xây dựng CMM khối lượng thấp và các nhà sản xuất trong nước ở Trung Quốc và Ấn Độ vẫn đang sản xuất CMM granit do cách tiếp cận công nghệ thấp và dễ dàng trở thành một nhà xây dựng khung CMM.
• Hệ thống thăm dò
• Hệ thống thu thập và giảm dữ liệu – thường bao gồm bộ điều khiển máy, máy tính để bàn và phần mềm ứng dụng.

Tính năng sẵn có

Những máy này có thể ở dạng cố định, hoặc cầm tay.

Bộ phận cụ thể

Thân máy

CMM đầu tiên được phát triển bởi Công ty Ferranti của Scotland vào những năm 1950 [1] do nhu cầu trực tiếp để đo các thành phần chính xác trong các sản phẩm quân sự của họ, mặc dù máy này chỉ có 2 trục. Các mô hình 3 trục đầu tiên bắt đầu xuất hiện vào những năm 1960 (DEA của Ý) và điều khiển máy tính đã ra mắt vào đầu những năm 1970 (Sheffield của Hoa Kỳ). Leitz Đức sau đó đã sản xuất một cấu trúc máy cố định với bàn di chuyển.

Trong các máy móc hiện đại, cấu trúc thượng tầng kiểu giàn có hai chân và thường được gọi là cầu. Điều này di chuyển tự do dọc theo bàn đá granit bằng một chân (thường được gọi là chân bên trong) theo một đường ray dẫn hướng được gắn vào một bên của bàn đá granit. Chân đối diện (thường là chân ngoài) chỉ đơn giản nằm trên bàn đá granit theo đường viền bề mặt thẳng đứng. Vòng bi không khí là phương pháp được lựa chọn để đảm bảo ma sát. Trong đó, khí nén được buộc qua một loạt các lỗ rất nhỏ trên bề mặt ổ trục phẳng để tạo ra một đệm khí mịn nhưng được kiểm soát mà CMM có thể di chuyển một cách không ma sát. Chuyển động của cầu hoặc cổng dọc theo bàn đá granit tạo thành một trục của mặt phẳng XY. Cầu của giàn chứa một bánh xe di chuyển giữa hai chân bên trong và bên ngoài và tạo thành trục ngang X hoặc Y khác. Trục chuyển động thứ ba (trục Z) được cung cấp bằng cách thêm một trục dọc hoặc trục chính di chuyển lên và xuống qua tâm của bánh xe. Đầu dò cảm ứng tạo thành thiết bị cảm biến ở phần cuối của đầu dò. Chuyển động của các trục X, Y và Z mô tả đầy đủ đường bao đo. Các bảng quay tùy chọn có thể được sử dụng để tăng cường khả năng tiếp cận của đầu đo đến các phôi phức tạp. Bảng quay như một trục ổ đĩa thứ tư không tăng cường kích thước đo, vẫn duy trì 3D, nhưng nó cung cấp một mức độ linh hoạt. Một số đầu dò cảm ứng là thiết bị quay được cung cấp năng lượng với đầu dò có thể xoay theo chiều dọc 90 độ và xoay hoàn toàn 360 độ.

Cũng như các máy ba trục truyền thống (như hình trên), CMM hiện cũng có sẵn ở nhiều dạng khác nhau. Chúng bao gồm các cánh tay CMM sử dụng các phép đo góc được lấy tại các khớp của cánh tay để tính toán vị trí của đầu bút stylus. Các CMM cánh tay như vậy thường được sử dụng với tính di động của chúng là một lợi thế so với các CMM đế cố định truyền thống. Vì cánh tay CMM bắt chước tính linh hoạt của cánh tay người, chúng cũng thường có thể chạm tới bên trong các bộ phận phức tạp không thể được sử dụng bằng máy ba trục tiêu chuẩn.

Đầu dò cơ khí

Trong những ngày đầu của phép đo tọa độ, các đầu dò cơ học được lắp vào một giá đỡ đặc biệt ở phần cuối của bút lông. Một đầu dò rất phổ biến đã được thực hiện bằng cách hàn một quả bóng cứng vào cuối trục. Điều này là lý tưởng để đo toàn bộ các bề mặt phẳng, hình trụ hoặc hình cầu. Các đầu dò khác được nối với các hình dạng cụ thể, ví dụ góc phần tư, để cho phép đo các tính năng đặc biệt. Các đầu dò này được giữ vật lý chống lại phôi với vị trí trong không gian được đọc từ đầu đọc kỹ thuật số 3 trục (DRO) hoặc, trong các hệ thống tiên tiến hơn, được đăng nhập vào máy tính bằng phương tiện chân hoặc thiết bị tương tự. Các phép đo được thực hiện bằng phương pháp tiếp xúc này thường không đáng tin cậy vì máy được di chuyển bằng tay và mỗi người vận hành máy áp dụng các mức áp suất khác nhau lên đầu dò hoặc áp dụng các kỹ thuật khác nhau cho phép đo.[ cần dẫn nguồn ]

Một sự phát triển hơn nữa là việc bổ sung các động cơ để lái từng trục. Người vận hành không còn phải chạm vào máy một cách vật lý mà có thể lái từng trục bằng cách sử dụng hộp điều khiển bằng cần điều khiển theo cách tương tự như với những chiếc xe điều khiển từ xa hiện đại. Đo lường chính xác và độ chính xác được cải thiện đáng kể với việc phát minh ra đầu dò cảm ứng kích hoạt điện tử. Người tiên phong của thiết bị thăm dò mới này là David McMurtry , người sau đó đã thành lập nên ngày nay Renishaw plc . [2]Mặc dù vẫn là một thiết bị tiếp xúc, đầu dò có bút bi bằng thép lò xo (sau này là ruby ​​ball). Khi đầu dò chạm vào bề mặt của thành phần, bút stylus bị lệch và đồng thời gửi thông tin tọa độ XY, Z đến máy tính. Các lỗi đo lường gây ra bởi các nhà khai thác riêng lẻ trở nên ít hơn và giai đoạn được đặt ra cho việc giới thiệu các hoạt động CNC và tuổi CMM sắp tới.

Đầu dò tự động cơ giới với đầu dò kích hoạt cảm ứng điện tử

Đầu dò quang là các hệ thống thấu kính-CCD, được di chuyển giống như các cơ khí, và nhằm vào điểm quan tâm, thay vì chạm vào vật liệu. Hình ảnh được chụp của bề mặt sẽ được đặt trong viền của cửa sổ đo, cho đến khi dư lượng đủ để tương phản giữa các vùng đen và trắng. Đường cong phân chia có thể được tính đến một điểm, là điểm đo mong muốn trong không gian. Thông tin theo chiều ngang trên CCD là 2D (XY) và vị trí dọc là vị trí của hệ thống thăm dò hoàn chỉnh trên ổ Z đứng (hoặc thành phần thiết bị khác).

Hệ thống thăm dò mới

Có những mô hình mới hơn có các đầu dò kéo dọc theo bề mặt của bộ phận lấy điểm theo các khoảng thời gian xác định, được gọi là đầu dò quét. Phương pháp kiểm tra CMM này thường chính xác hơn phương pháp thăm dò cảm ứng thông thường và cũng nhanh nhất nhiều lần.

Thế hệ quét tiếp theo, được gọi là quét không tiếp xúc, bao gồm tam giác điểm laser tốc độ cao , quét đường laser [3] , [4] và quét ánh sáng trắng, [5] đang tiến rất nhanh. Phương pháp này sử dụng chùm tia laser hoặc ánh sáng trắng chiếu vào bề mặt của bộ phận. Nhiều ngàn điểm sau đó có thể được lấy và sử dụng không chỉ để kiểm tra kích thước và vị trí, mà còn để tạo ra hình ảnh 3D của bộ phận. “Dữ liệu đám mây điểm” này sau đó có thể được chuyển sang phần mềm CAD để tạo mô hình 3D hoạt động của bộ phận. Các máy quét quang học này thường được sử dụng trên các bộ phận mềm hoặc tinh tế hoặc để tạo điều kiện cho kỹ thuật đảo ngược.

Đầu dò vi mô

Các hệ thống tìm kiếm cho các ứng dụng đo lường vi mô là một lĩnh vực mới nổi khác. Có một số thương mại có sẵn phối hợp đo máy (CMM) có một vi thám tích hợp vào hệ thống, một số hệ thống đặc biệt tại các phòng thí nghiệm của chính phủ, và bất kỳ số lượng các nền tảng đo lường trường đại học xây dựng cho đo lường micro. Mặc dù các máy này là tốt và trong nhiều trường hợp, các nền tảng đo lường tuyệt vời với quy mô nanomet, giới hạn chính của chúng là đầu dò micro / nano đáng tin cậy, mạnh mẽ, có khả năng. Những thách thức đối với các công nghệ thăm dò vi mô bao gồm sự cần thiết của đầu dò tỷ lệ khung hình cao cho khả năng truy cập các tính năng hẹp, sâu với lực tiếp xúc thấp để không làm hỏng bề mặt và độ chính xác cao (mức nanomet). Ngoài ra, các đầu dò siêu nhỏ dễ bị ảnh hưởng bởi các điều kiện môi trường như độ ẩm và các tương tác bề mặt như ma sát (gây ra bởi sự bám dính, sụn và / hoặc lực Van der Waals).

Các công nghệ để đạt được đầu dò siêu nhỏ bao gồm phiên bản thu nhỏ của đầu dò CMM cổ điển, đầu dò quang học và đầu dò sóng đứng trong số các loại khác. Tuy nhiên, các công nghệ quang học hiện tại không thể được thu nhỏ đủ nhỏ để đo tính năng sâu, hẹp và độ phân giải quang bị giới hạn bởi bước sóng ánh sáng. Hình ảnh X-quang cung cấp một hình ảnh của tính năng nhưng không có thông tin đo lường có thể theo dõi.

Nguyên lý vật lý

Có thể sử dụng đầu dò quang và / hoặc đầu dò laser (nếu có thể kết hợp), điều này thay đổi CMM thành kính hiển vi hoặc máy đo đa cảm biến. Các hệ thống chiếu rìa, hệ thống tam giác kinh vĩ hoặc hệ thống từ xa và tam giác laser không được gọi là máy đo, nhưng kết quả đo là như nhau: một điểm không gian. Đầu dò laser được sử dụng để phát hiện khoảng cách giữa bề mặt và điểm tham chiếu ở cuối chuỗi động học (nghĩa là: đầu của thành phần ổ Z). Điều này có thể sử dụng chức năng giao thoa kế, biến đổi tiêu cự, độ lệch ánh sáng hoặc nguyên lý bóng chùm.

Máy đo tọa độ cầm tay

Trong khi các CMM truyền thống sử dụng đầu dò di chuyển trên ba trục Cartesian để đo các đặc điểm vật lý của vật thể, thì các CMM di động sử dụng cánh tay có khớp nối hoặc trong trường hợp CMM quang học, hệ thống quét sử dụng phương pháp tam giác quang và cho phép tự do di chuyển xung quanh đối tượng.

CMM cầm tay có cánh tay khớp nối có sáu hoặc bảy trục được trang bị bộ mã hóa quay, thay vì trục tuyến tính. Cánh tay di động rất nhẹ (thường dưới 20 pounds) và có thể mang đi và sử dụng gần như bất cứ nơi nào. Tuy nhiên, CMM quang đang ngày càng được sử dụng trong ngành. Được thiết kế với các camera tuyến tính hoặc ma trận nhỏ gọn (như Microsoft Kinect), các CMM quang nhỏ hơn các CMM di động có tay, không có dây và cho phép người dùng dễ dàng đo 3D mọi loại đối tượng ở hầu hết mọi nơi.

Một số ứng dụng không phổ biến như kỹ thuật đảo ngược, tạo mẫu nhanh và kiểm tra quy mô lớn các bộ phận thuộc mọi kích cỡ đều phù hợp lý tưởng cho các CMM di động. Lợi ích của CMM di động là đa dạng. Người dùng có thể linh hoạt thực hiện các phép đo 3D của tất cả các loại bộ phận và ở những vị trí xa nhất / khó khăn nhất. Chúng rất dễ sử dụng và không yêu cầu môi trường được kiểm soát để thực hiện các phép đo chính xác. Hơn nữa, CMM di động có xu hướng chi phí ít hơn so với CMM truyền thống.

Sự đánh đổi vốn có của các CMM di động là hoạt động thủ công (chúng luôn yêu cầu con người sử dụng chúng). Ngoài ra, độ chính xác tổng thể của chúng có thể kém chính xác hơn so với CMM loại cầu và ít phù hợp với một số ứng dụng.

Máy đo đa năng

Công nghệ CMM truyền thống sử dụng đầu dò cảm ứng ngày nay thường được kết hợp với công nghệ đo lường khác. Điều này bao gồm các cảm biến laser, video hoặc ánh sáng trắng để cung cấp những gì được gọi là phép đo đa cảm biến.

Tiêu chuẩn hóa

Để xác minh hiệu suất của máy đo tọa độ, sê-ri ISO 10360 có sẵn. Chuỗi tiêu chuẩn này xác định các đặc điểm của hệ thống thăm dò và lỗi đo chiều dài:

• P Form : thăm dò độ lệch khi đo hình dạng của một hình cầu
• P Size : thăm dò độ lệch khi đo kích thước của một hình cầu
• E Uni : độ lệch của chiều dài đo trên các mặt cầu từ một hướng
• E Bi : độ lệch của chiều dài đo trên các mặt cầu từ trái và phải