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 kontrol edilebilir veya bilgisayar tarafından kontrol edilebilir. CMM'ler tipik olarak bir probun konumunu üç boyutlu Kartezyen koordinat sistemindeki (yani XYZ eksenleriyle) bir referans konumundan yer değiştirmesi açısından belirtir. Probu X, Y ve Z eksenleri boyunca hareket ettirmeye ek olarak, birçok makine ayrıca aksi takdirde ulaşılamayacak yüzeylerin ölçülmesine izin vermek için prob açısının kontrol edilmesine de olanak tanır.

Tipik 3D "köprü" CMM, üç boyutlu Kartezyen koordinat sisteminde birbirine dik olan X, Y ve Z olmak üzere üç eksen boyunca prob hareketine izin verir. Her eksen, genellikle mikron hassasiyetinde, probun o eksendeki konumunu izleyen bir sensöre sahiptir. Prob nesne üzerinde belirli bir konumla temas ettiğinde (veya başka bir şekilde algıladığında), makine üç konum sensörünü örnekler, böylece nesnenin yüzeyindeki bir noktanın konumunu ve alınan ölçümün 3 boyutlu vektörünü ölçer. Bu işlem gerektiği şekilde tekrarlanır, her seferinde prob hareket ettirilerek ilgi duyulan yüzey alanlarını tanımlayan bir "nokta bulutu" üretilir.

CMM'lerin yaygın bir kullanımı, bir parçayı veya montajı tasarım amacına göre test etmek için üretim ve montaj süreçlerindedir. 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'leri, 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 çerçeveyi oluşturmak için kullanılan malzeme yıllar içinde değişmiştir. İlk CMM'lerde granit ve çelik kullanılmıştır. Günümüzde tüm büyük CMM üreticileri çerçeveleri alüminyum alaşımından veya bir türevinden üretmektedir ve ayrıca tarama uygulamaları için Z ekseninin sertliğini artırmak için seramik kullanmaktadır. Günümüzde birkaç CMM üreticisi, gelişmiş metroloji dinamikleri için pazar gereksinimi ve CMM'yi kalite laboratuvarının dışına kurma eğiliminin artması nedeniyle hala granit çerçeveli CMM üretmektedir. Genellikle sadece düşük hacimli CMM üreticileri ve Çin ve Hindistan'daki yerel üreticiler, düşük teknoloji yaklaşımı ve CMM çerçeve üreticisi olma kolay girişi nedeniyle hala granit CMM üretmektedir. Taramaya yönelik artan eğilim ayrıca CMM Z ekseninin daha sert olmasını gerektirir ve seramik ve silisyum karbür gibi yeni malzemeler tanıtılmıştır.
• Sondalama sistemi
• Veri toplama ve azaltma sistemi — genellikle bir makine kontrolörü, masaüstü bilgisayar ve uygulama yazılımından oluşur.

Kullanılabilirlik

Bu makineler ayakta durabilen, elde taşınabilen ve taşınabilir olabilir.

Kesinlik

Koordinat ölçüm makinelerinin doğruluğu genellikle mesafeye bağlı bir fonksiyon olarak 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 .001 mm veya .00005 inç (yarım onda biri) içindeki ölçümlerle sonuçlanabilir. 3, 3+2 ve 5 eksenli makineler için problar rutin olarak izlenebilir standartlar kullanılarak kalibre edilir ve doğruluğu sağlamak için makine hareketi göstergeler kullanılarak doğrulanır.

Belirli parçalar

Makine gövdesi

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

Modern makinelerde, gantry tipi üst yapı iki bacağa sahiptir ve genellikle köprü olarak adlandırılır. Bu, granit tablanın bir tarafına tutturulmuş bir kılavuz rayını takip eden bir bacak (genellikle iç bacak olarak adlandırılır) ile granit tabla boyunca serbestçe hareket eder. Karşı bacak (genellikle dış bacak) dikey yüzey konturunu takip ederek granit tablanın üzerinde durur. Hava yatakları, sürtünmesiz hareket sağlamak için seçilen yöntemdir. Bunlarda, sıkıştırılmış hava, CMM'nin neredeyse sürtünmesiz bir şekilde hareket edebileceği ve yazılım aracılığıyla telafi edilebilen pürüzsüz ancak kontrollü bir hava yastığı sağlamak için düz bir yatak yüzeyindeki bir dizi çok küçük delikten zorlanır. Köprünün veya gantry'nin granit tabla boyunca hareketi, XY düzleminin bir eksenini oluşturur. Gantry'nin köprüsü, iç ve dış bacaklar 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 tüy veya milin eklenmesiyle sağlanır. Dokunmatik prob, tüyün ucundaki algılama cihazını oluşturur. X, Y ve Z eksenlerinin hareketi ölçüm zarfını tam olarak tanımlar. Ölçüm probunun karmaşık iş parçalarına yaklaşılabilirliğini artırmak için isteğe bağlı döner tablalar kullanılabilir. Dördüncü tahrik ekseni olarak döner tabla, 3B olarak kalan ölçüm boyutlarını artırmaz, ancak bir miktar esneklik sağlar. Bazı dokunmatik problar, prob ucu 180 dereceden fazla ve tam 360 derece dönüşle dikey olarak dönebilen, kendileri güçlendirilmiş döner cihazlardır.

CMM'ler artık çeşitli diğer formlarda da mevcuttur. Bunlara, iğne ucunun konumunu hesaplamak için kolun eklemlerinde alınan açısal ölçümleri kullanan ve lazer tarama ve optik görüntüleme için problarla donatılabilen CMM kolları dahildir. Bu tür kol CMM'leri genellikle taşınabilirliğinin geleneksel sabit yataklı CMM'lere göre bir avantaj olduğu yerlerde kullanılır - ölçülen yerleri depolayarak, programlama yazılımı ayrıca ölçüm kolunun kendisini ve ölçüm hacmini bir ölçüm rutini sırasında ölçülecek parçanın etrafında hareket ettirmeye olanak tanır. CMM kolları bir insan kolunun esnekliğini taklit ettiğinden, genellikle standart üç eksenli bir makine kullanılarak problanamayan karmaşık parçaların iç kısımlarına da ulaşabilirler.

Mekanik sondaj

Koordinat ölçümünün (CMM) ilk günlerinde, mekanik problar, tüyün ucundaki özel bir tutucuya takılırdı. Çok yaygın bir prob, bir şaftın ucuna sert bir bilye lehimlenerek yapılırdı. Bu, düz yüzlü, silindirik veya küresel yüzeylerin tüm aralığını ölçmek için idealdi. Diğer problar, özel özelliklerin ölçülmesini sağlamak için örneğin bir kadran gibi belirli şekillere taşlanırdı. Bu problar, iş parçasına fiziksel olarak tutulurdu ve uzaydaki konum, 3 eksenli bir dijital okumadan (DRO) okunurdu veya daha gelişmiş sistemlerde, bir ayak anahtarı veya benzeri bir cihaz aracılığıyla bir bilgisayara kaydedilirdi. Bu temas yöntemiyle alınan ölçümler, makineler elle hareket ettirildiği ve her makine operatörü proba farklı miktarlarda basınç uyguladığı veya ölçüm için farklı teknikler benimsediği için genellikle güvenilir değildi.

Daha ileri bir gelişme ise her bir ekseni sürmek için motorların eklenmesiydi. Operatörlerin artık makineye fiziksel olarak dokunması gerekmiyordu, 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 şu anda Renishaw plc olarak bilinen şirketi kuran David McMurtry'di. Hala bir temas cihazı olmasına rağmen, prob yaylı çelik bilyeli (daha sonra yakut bilyeli) bir prob ucuna sahipti. Prob bileşenin yüzeyine dokunduğunda prob sapıyor ve aynı anda X, Y, Z koordinat bilgilerini bilgisayara gönderiyordu. Bireysel operatörlerin neden olduğu ölçüm hataları azaldı ve CNC işlemlerinin tanıtımı ve CMM'lerin reşit olması için ortam hazırlandı.

Optik problar, mekanik problar gibi hareket ettirilen ve malzemeye dokunmak yerine ilgi noktasına yöneltilen lens-CCD sistemleridir. Yüzeyin yakalanan görüntüsü, kalıntı siyah ve beyaz bölgeler arasında kontrast oluşturmaya yetecek kadar olana kadar bir ölçüm penceresinin sınırları içine alınacaktır. Bölme eğrisi, uzayda istenen ölçüm noktası olan bir noktaya kadar hesaplanabilir. CCD'deki yatay bilgi 2D'dir (XY) ve dikey konum, stand Z sürücüsündeki (veya diğer cihaz bileşenindeki) tam prob sisteminin konumudur.

Tarama sondaj sistemleri

Parçanın yüzeyi boyunca belirli aralıklarla noktalar alarak sürüklenen problara sahip daha yeni modeller vardır, bunlara tarama probları denir. Bu CMM inceleme yöntemi genellikle geleneksel dokunmatik prob yönteminden daha doğrudur 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 çok hızlı bir şekilde ilerliyor. Bu yöntem, parçanın yüzeyine yansıtılan lazer ışınları veya beyaz ışık kullanır. Daha sonra binlerce nokta alınabilir ve yalnızca boyutu 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 sondaj sistemleri bir diğer yeni ortaya çıkan alandır. Sisteme entegre edilmiş bir mikroprobu olan ticari olarak temin edilebilen birkaç koordinat ölçüm makinesi (CMM), hükümet laboratuvarlarında birkaç özel sistem ve mikro ölçekli metroloji için üniversite tarafından inşa edilmiş çok sayıda metroloji platformu bulunmaktadır. Bu makineler iyi ve çoğu durumda nanometrik ölçeklere sahip mükemmel metroloji platformları olsa da, birincil sınırlamaları güvenilir, sağlam ve yetenekli bir mikro/nano prob olmasıdır.^{[alıntı gerekli]}Mikro ölçekli sondaj teknolojilerindeki zorluklar arasında, yüzeye zarar vermeyecek şekilde düşük temas kuvvetleriyle derin ve dar özelliklere erişme 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 ölçekli sondaj elde etmek için kullanılan teknolojiler arasında klasik CMM problarının küçültülmüş versiyonları, optik problar ve diğerlerinin yanı sıra bir duran dalga probu bulunur. Ancak, mevcut optik teknolojiler derin, dar özelliği ölçmek için yeterince küçük ölçeklenemez ve optik çözünürlük ışığın dalga boyuyla sınırlıdır. X-ışını görüntüleme özelliğin bir resmini sağlar ancak izlenebilir metroloji bilgisi sağlamaz.

Fiziksel prensipler

Optik problar ve/veya lazer problar kullanılabilir (mümkünse birlikte), bunlar CMM'leri ölçüm mikroskoplarına veya çok sensörlü ölçüm makinelerine dönüştürür. Saçak projeksiyon sistemleri, teodolit üçgenleme sistemleri veya lazer uzak ve üçgenleme sistemleri ölçüm makineleri olarak adlandırılmaz, ancak ölçüm sonucu aynıdır: bir uzay noktası. Lazer problar, yüzey ile kinematik zincirin sonundaki referans noktası arasındaki mesafeyi tespit etmek için kullanılır (yani: Z-sürücü bileşeninin sonu). Bu, bir interferometrik fonksiyon, odak değişimi, ışık sapması veya bir ışın gölgeleme ilkesi 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 durumunda 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 20 pound'dan daha az) ve neredeyse her yere taşınabilir ve 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, kablo içermez ve kullanıcıların neredeyse her yerde bulunan her türlü nesnenin 3B ölçümlerini kolayca almasını sağlar.

Tersine mühendislik, hızlı prototipleme ve her boyuttaki parçaların büyük ölçekli denetimi gibi belirli tekrarlanmayan uygulamalar taşınabilir CMM'ler için idealdir. Taşınabilir CMM'lerin faydaları çok yönlüdür. Kullanıcılar her türlü parçanın 3B ölçümlerini en uzak/zor yerlerde alma esnekliğine sahiptir. Kullanımı kolaydır ve doğru ölçümler almak için kontrollü bir ortama ihtiyaç duymazlar. Ayrıca taşınabilir CMM'ler geleneksel CMM'lerden daha az maliyetli olma eğilimindedir.

Taşınabilir CMM'lerin içsel dezavantajları manuel işletimdir (bunları kullanmak için her zaman bir insana ihtiyaç duyarlar). Ayrıca, genel doğrulukları bir köprü tipi CMM'den biraz daha az doğru olabilir ve bazı uygulamalar için daha az uygundur.

Çoklu sensörlü ölçüm makineleri

Dokunmatik problar kullanan geleneksel CMM teknolojisi günümüzde sıklıkla diğer ölçüm teknolojileriyle birleştirilir. Bu, çok sensörlü ölçüm olarak bilinen şeyi sağlamak için lazer, video veya beyaz ışık sensörlerini içerir.