Koordinat ölçüm makinesi nedir?

Akoordinat ölçüm makinesi(CMM), bir prob ile nesnenin yüzeyindeki ayrı noktaları algılayarak fiziksel nesnelerin geometrisini ölçen bir cihazdır. CMM'lerde mekanik, optik, lazer ve beyaz ışık dahil olmak üzere çeşitli prob tipleri kullanılır. Makineye bağlı olarak, prob konumu bir operatör tarafından manuel olarak veya bilgisayar kontrollü olarak kontrol edilebilir. CMM'ler genellikle bir probun konumunu, üç boyutlu bir Kartezyen koordinat sistemindeki (yani XYZ eksenleriyle) bir referans konumundan uzaklığı cinsinden belirtir. Probu X, Y ve Z eksenleri boyunca hareket ettirmenin yanı sıra, birçok makine prob açısının kontrol edilmesine de olanak tanıyarak aksi takdirde ulaşılamayacak yüzeylerin ölçülmesine olanak tanır.

Tipik bir 3B "köprü" CMM, probun üç boyutlu bir Kartezyen koordinat sisteminde birbirine dik olan X, Y ve Z eksenleri boyunca hareket etmesini sağlar. Her eksende, probun o eksendeki konumunu genellikle mikrometre hassasiyetinde izleyen bir sensör bulunur. Prob, nesne üzerinde belirli bir konuma temas ettiğinde (veya başka bir şekilde tespit ettiğinde), cihaz üç konum sensörünü örnekleyerek nesnenin yüzeyindeki bir noktanın konumunu ve alınan ölçümün 3 boyutlu vektörünü ölçer. Bu işlem, ilgili yüzey alanlarını tanımlayan bir "nokta bulutu" oluşturmak için prob her seferinde hareket ettirilerek gerektiği kadar tekrarlanır.

CMM'lerin yaygın bir kullanımı, üretim ve montaj süreçlerinde bir parçayı veya montajı tasarım amacına göre test etmektir. Bu tür uygulamalarda, özelliklerin oluşturulması için regresyon algoritmaları aracılığıyla analiz edilen nokta bulutları oluşturulur. Bu noktalar, bir operatör tarafından manuel olarak veya Doğrudan Bilgisayar Kontrolü (DCC) aracılığıyla otomatik olarak konumlandırılan bir prob kullanılarak toplanır. DCC CMM'ler, aynı parçaları tekrar tekrar ölçmek üzere programlanabilir; bu nedenle otomatik bir CMM, endüstriyel robotun özel bir biçimidir.

Parçalar

Koordinat ölçme makineleri üç ana bileşenden oluşur:

• Üç hareket eksenini içeren ana yapı. Hareketli çerçevenin yapımında kullanılan malzeme yıllar içinde değişmiştir. İlk CMM'lerde granit ve çelik kullanılmıştır. Günümüzde tüm büyük CMM üreticileri, çerçevelerini alüminyum alaşımından veya bir türevinden üretmekte ve ayrıca tarama uygulamalarında Z ekseninin sertliğini artırmak için seramik kullanmaktadır. Günümüzde, gelişmiş metroloji dinamiklerine yönelik pazar talebi ve kalite laboratuvarı dışında CMM kurulumuna yönelik artan eğilim nedeniyle, birkaç CMM üreticisi hâlâ granit çerçeveli CMM üretmektedir. Genellikle yalnızca düşük hacimli CMM üreticileri ve Çin ve Hindistan'daki yerli üreticiler, düşük teknoloji yaklaşımı ve CMM çerçeve üreticisi olma kolay girişi nedeniyle granit CMM üretmektedir. Taramaya yönelik artan eğilim, CMM Z ekseninin daha sert olmasını da gerektirmekte ve seramik ve silisyum karbür gibi yeni malzemeler piyasaya sürülmüştür.
• Sondalama sistemi
• Veri toplama ve azaltma sistemi — genellikle bir makine kontrolörü, masaüstü bilgisayar ve uygulama yazılımını içerir.

Kullanılabilirlik

Bu makineler ayakta durabilen, elde taşınabilen ve taşınabilir olabilir.

Kesinlik

Koordinat ölçüm makinelerinin doğruluğu genellikle mesafeye bağlı bir belirsizlik faktörü olarak verilir. Dokunmatik prob kullanan bir CMM için bu, probun tekrarlanabilirliği ve doğrusal ölçeklerin doğruluğu ile ilgilidir. Tipik prob tekrarlanabilirliği, tüm ölçüm hacmi boyunca 0,001 mm veya 0,00005 inç (onda biri) içinde ölçümlerle sonuçlanabilir. 3, 3+2 ve 5 eksenli makinelerde, problar izlenebilir standartlar kullanılarak rutin olarak kalibre edilir ve doğruluğu sağlamak için makine hareketi göstergeler kullanılarak doğrulanır.

Belirli parçalar

Makine gövdesi

İlk CMM, 1950'lerde İskoçyalı Ferranti Şirketi tarafından, askeri ürünlerindeki hassas bileşenleri ölçme ihtiyacının doğrudan bir sonucu olarak geliştirildi; ancak bu makinenin yalnızca 2 ekseni vardı. İlk 3 eksenli modeller 1960'larda (İtalya'nın DEA'sı) ortaya çıktı ve bilgisayar kontrolü 1970'lerin başında başladı, ancak ilk çalışan CMM, İngiltere, Melbourne'deki Browne & Sharpe tarafından geliştirilip satışa sunuldu. (Leitz Almanya daha sonra hareketli tablalı sabit bir makine yapısı üretti.)

Modern makinelerde, portal tipi üstyapının iki ayağı vardır ve genellikle köprü olarak adlandırılır. Bu üstyapı, granit tabla üzerinde serbestçe hareket eder; bir ayağı (genellikle iç ayak olarak adlandırılır) granit tablanın bir tarafına bağlı bir kılavuz rayı takip eder. Karşı ayak (genellikle dış ayak), dikey yüzey konturunu takip ederek granit tabla üzerinde durur. Sürtünmesiz hareket sağlamak için hava yatakları tercih edilir. Bunlarda, basınçlı hava, düz bir yatak yüzeyindeki bir dizi çok küçük delikten geçirilerek, CMM'nin neredeyse sürtünmesiz bir şekilde hareket edebileceği ve yazılım aracılığıyla telafi edilebilen pürüzsüz ancak kontrollü bir hava yastığı oluşturulur. Köprünün veya portalın granit tabla boyunca hareketi, XY düzleminin bir eksenini oluşturur. Portalın köprüsü, iç ve dış ayaklar arasında hareket eden ve diğer X veya Y yatay eksenini oluşturan bir taşıyıcı içerir. Üçüncü hareket ekseni (Z ekseni), taşıyıcının merkezinden yukarı ve aşağı hareket eden dikey bir mil veya milin eklenmesiyle sağlanır. Dokunmatik prob, iğne ucunun ucundaki algılama cihazını oluşturur. X, Y ve Z eksenlerinin hareketi, ölçüm aralığını tam olarak tanımlar. Ölçüm probunun karmaşık iş parçalarına daha kolay ulaşmasını sağlamak için isteğe bağlı döner tablalar kullanılabilir. Dördüncü tahrik ekseni olarak kullanılan döner tabla, 3B olarak kalan ölçüm boyutlarını geliştirmez, ancak bir miktar esneklik sağlar. Bazı dokunmatik problar, prob ucu 180 dereceden fazla dikey dönüş ve 360 derece tam dönüş yapabilen, tahrikli döner cihazlardır.

CMM'ler artık çeşitli başka formlarda da mevcuttur. Bunlar arasında, iğne ucunun konumunu hesaplamak için kolun eklem yerlerinden alınan açısal ölçümleri kullanan ve lazer tarama ve optik görüntüleme için problarla donatılabilen CMM kolları da yer alır. Bu tür kollu CMM'ler genellikle taşınabilirliklerinin geleneksel sabit yataklı CMM'lere göre avantaj sağladığı durumlarda kullanılır; ölçülen konumları kaydeden programlama yazılımı, ölçüm rutini sırasında ölçüm kolunun ve ölçüm hacminin ölçülecek parça etrafında hareket ettirilmesine de olanak tanır. CMM kolları insan kolunun esnekliğini taklit ettiği için, standart üç eksenli bir makine kullanılarak ölçülemeyen karmaşık parçaların iç kısımlarına da ulaşabilirler.

Mekanik prob

Koordinat ölçümünün (CMM) ilk zamanlarında, mekanik problar, kalemin ucundaki özel bir tutucuya takılırdı. Çok yaygın bir prob, bir şaftın ucuna sert bir bilye lehimlenerek yapılırdı. Bu, düz yüzeyli, silindirik veya küresel yüzeylerin tamamını ölçmek için idealdi. Diğer problar, özel özelliklerin ölçülmesini sağlamak için örneğin bir kadran gibi belirli şekillere taşlanırdı. Bu problar, iş parçasına fiziksel olarak tutulur ve uzaydaki konum 3 eksenli bir dijital okuma cihazından (DRO) okunur veya daha gelişmiş sistemlerde bir ayak pedalı veya benzeri bir cihaz aracılığıyla bir bilgisayara kaydedilirdi. Bu temas yöntemiyle alınan ölçümler genellikle güvenilir değildi çünkü makineler elle hareket ettiriliyordu ve her makine operatörü proba farklı miktarlarda basınç uyguluyor veya ölçüm için farklı teknikler kullanıyordu.

Daha ileri bir gelişme ise her bir ekseni sürmek için motorların eklenmesiydi. Operatörlerin artık makineye fiziksel olarak dokunmasına gerek yoktu, bunun yerine her bir ekseni, tıpkı modern uzaktan kumandalı arabalarda olduğu gibi, joystick'li bir el kutusu kullanarak sürebiliyorlardı. Ölçüm doğruluğu ve hassasiyeti, elektronik dokunmatik tetiklemeli probun icadıyla önemli ölçüde arttı. Bu yeni prob cihazının öncüsü, daha sonra Renishaw plc'yi kuran David McMurtry'di. Hâlâ bir temas cihazı olmasına rağmen, probun yaylı çelik bilyeli (daha sonra yakut bilyeli) bir ucu vardı. Prob bileşenin yüzeyine değdiğinde prob sapıyor ve aynı anda X, Y, Z koordinat bilgilerini bilgisayara gönderiyordu. Bireysel operatörlerden kaynaklanan ölçüm hataları azaldı ve CNC işlemlerinin tanıtımı ve CMM'lerin reşit olması için ortam hazırlandı.

Optik problar, mekanik problar gibi hareket eden ve malzemeye temas etmek yerine ilgi noktasına yönlendirilen lens-CCD sistemleridir. Yüzeyin yakalanan görüntüsü, siyah ve beyaz bölgeler arasında kontrast oluşturacak kadar bir kalıntı oluşana kadar bir ölçüm penceresinin sınırları içinde kalır. Bölme eğrisi, uzayda istenen ölçüm noktası olan bir noktaya kadar hesaplanabilir. CCD üzerindeki yatay bilgi 2B (XY) ve dikey konum, tüm prob sisteminin Z-sürücüsü (veya diğer cihaz bileşeni) üzerindeki konumudur.

Tarama prob sistemleri

Parçanın yüzeyi boyunca belirli aralıklarla noktalar alarak ilerleyen problara sahip daha yeni modeller de mevcuttur. Bunlara tarama probları denir. Bu CMM muayene yöntemi genellikle geleneksel dokunmatik prob yönteminden daha hassas ve çoğu zaman daha hızlıdır.

Yüksek hızlı lazer tek nokta üçgenleme, lazer çizgi tarama ve beyaz ışık taramasını içeren, temassız tarama olarak bilinen yeni nesil tarama yöntemleri hızla gelişiyor. Bu yöntem, parçanın yüzeyine yansıtılan lazer ışınları veya beyaz ışık kullanır. Binlerce nokta alınıp yalnızca boyut ve konumu kontrol etmek için değil, aynı zamanda parçanın 3B görüntüsünü oluşturmak için de kullanılabilir. Bu "nokta bulutu verileri" daha sonra parçanın çalışan bir 3B modelini oluşturmak için CAD yazılımına aktarılabilir. Bu optik tarayıcılar genellikle yumuşak veya hassas parçalarda veya tersine mühendisliği kolaylaştırmak için kullanılır.

Mikrometroloji probları

Mikro ölçekli metroloji uygulamaları için prob sistemleri de gelişmekte olan bir diğer alandır. Sisteme entegre bir mikroprob bulunan ticari olarak satılan birkaç koordinat ölçüm cihazı (CMM), devlet laboratuvarlarında çeşitli özel sistemler ve mikro ölçekli metroloji için üniversiteler tarafından inşa edilmiş çok sayıda metroloji platformu bulunmaktadır. Bu cihazlar nanometrik ölçeklerde iyi ve çoğu durumda mükemmel metroloji platformları olsa da, temel sınırlamaları güvenilir, sağlam ve yetenekli bir mikro/nano proba sahip olmalarıdır.^{[alıntı gerekli]}Mikro ölçekli sondaj teknolojilerindeki zorluklar arasında, yüzeye zarar vermeyecek şekilde düşük temas kuvvetleriyle derin ve dar özelliklere erişim yeteneği ve yüksek hassasiyet (nanometre düzeyinde) sağlayan yüksek en boy oranlı bir sondaja duyulan ihtiyaç yer almaktadır.^{[alıntı gerekli]}Ayrıca mikro ölçekli problar, nem ve yapışma (yapışma, menisküs ve/veya Van der Waals kuvvetleri gibi) gibi yüzey etkileşimleri gibi çevresel koşullara karşı hassastır.^{[alıntı gerekli]}

Mikro ölçekte ölçüm elde etmeyi sağlayan teknolojiler arasında klasik CMM problarının küçültülmüş versiyonları, optik problar ve sabit dalga probu gibi teknolojiler yer almaktadır. Ancak, mevcut optik teknolojiler derin ve dar bir özelliği ölçebilecek kadar küçük ölçeklerde ölçeklenememektedir ve optik çözünürlük, ışığın dalga boyuyla sınırlıdır. X-ışını görüntüleme, özelliğin bir görüntüsünü sağlar, ancak izlenebilir bir metroloji bilgisi sunmaz.

Fiziksel prensipler

Optik problar ve/veya lazer problar (mümkünse birlikte) kullanılabilir ve bu da CMM'leri ölçüm mikroskoplarına veya çok sensörlü ölçüm makinelerine dönüştürür. Saçak izdüşüm sistemleri, teodolit üçgenleme sistemleri veya lazer mesafe ve üçgenleme sistemleri ölçüm makinesi olarak adlandırılmaz, ancak ölçüm sonucu aynıdır: bir uzay noktası. Lazer problar, yüzey ile kinematik zincirin ucundaki (yani Z-sürücü bileşeninin ucu) referans noktası arasındaki mesafeyi tespit etmek için kullanılır. Bu, bir interferometrik fonksiyon, odak değişimi, ışık sapması veya ışın gölgeleme prensibini kullanabilir.

Taşınabilir koordinat ölçüm makineleri

Geleneksel CMM'ler bir nesnenin fiziksel özelliklerini ölçmek için üç Kartezyen ekseninde hareket eden bir prob kullanırken, taşınabilir CMM'ler eklemli kollar veya optik CMM'ler söz konusu olduğunda optik üçgenleme yöntemlerini kullanan ve nesnenin etrafında tam hareket özgürlüğü sağlayan kolsuz tarama sistemleri kullanır.

Eklemli kollara sahip taşınabilir CMM'ler, doğrusal eksenler yerine döner kodlayıcılarla donatılmış altı veya yedi eksene sahiptir. Taşınabilir kollar hafiftir (genellikle 9 kg'dan az) ve neredeyse her yere taşınıp kullanılabilir. Ancak, optik CMM'ler endüstride giderek daha fazla kullanılmaktadır. Kompakt doğrusal veya matris dizili kameralarla (Microsoft Kinect gibi) tasarlanan optik CMM'ler, kollu taşınabilir CMM'lerden daha küçüktür, kablosuzdur ve kullanıcıların neredeyse her yerde bulunan her türlü nesnenin 3B ölçümlerini kolayca almasını sağlar.

Tersine mühendislik, hızlı prototipleme ve her boyuttaki parçanın büyük ölçekli muayenesi gibi belirli tekrarsız uygulamalar taşınabilir CMM'ler için idealdir. Taşınabilir CMM'lerin avantajları çok yönlüdür. Kullanıcılar, her türlü parçanın 3B ölçümlerini en uzak/zorlu konumlarda bile alma esnekliğine sahiptir. Kullanımları kolaydır ve doğru ölçümler almak için kontrollü bir ortama ihtiyaç duymazlar. Ayrıca, taşınabilir CMM'ler genellikle geleneksel CMM'lerden daha düşük maliyetlidir.

Taşınabilir CMM'lerin temel dezavantajı, manuel çalıştırılmalarıdır (kullanımları için her zaman bir insana ihtiyaç duyarlar). Ayrıca, genel doğrulukları köprü tipi bir CMM'den biraz daha düşük olabilir ve bazı uygulamalar için daha az uygundur.

Çok sensörlü ölçüm makineleri

Dokunmatik problar kullanan geleneksel CMM teknolojisi, günümüzde genellikle lazer, video veya beyaz ışık sensörleri gibi diğer ölçüm teknolojileriyle birleştirilerek çoklu sensör ölçümü olarak bilinen bir yöntem sunmaktadır.