Koordinat ölçüm makinesi nedir?

Akoordinat ölçme makinesi(CMM), bir prob ile nesnenin yüzeyindeki ayrık noktaları algılayarak fiziksel nesnelerin geometrisini ölçen bir cihazdır. CMM'lerde mekanik, optik, lazer ve beyaz ışık dahil olmak üzere çeşitli prob türleri kullanılır. Makineye bağlı olarak, prob pozisyonu bir operatör tarafından manuel olarak kontrol edilebilir veya bilgisayar kontrollü olabilir. CMM'ler tipik olarak bir probun pozisyonunu, üç boyutlu bir Kartezyen koordinat sisteminde (yani XYZ eksenleriyle) bir referans pozisyonundan olan yer değiştirmesi cinsinden belirtir. Probun X, Y ve Z eksenleri boyunca hareket ettirilmesine ek olarak, birçok makine, aksi takdirde ulaşılamayan yüzeylerin ölçülmesine olanak sağlamak için prob açısının kontrol edilmesine de izin verir.

Tipik bir 3D "köprü" CMM, probun üç eksen boyunca (X, Y ve Z) hareket etmesine olanak tanır; bu eksenler üç boyutlu bir Kartezyen koordinat sisteminde birbirine diktir. Her eksende, genellikle mikrometre hassasiyetinde, probun o eksen üzerindeki konumunu izleyen bir sensör bulunur. Prob, nesne üzerindeki belirli bir noktaya temas ettiğinde (veya başka bir şekilde algıladığında), makine üç konum sensöründen örnek alır ve böylece nesnenin yüzeyindeki bir noktanın konumunu ve alınan ölçümün 3 boyutlu vektörünü ölçer. Bu işlem, prob her seferinde hareket ettirilerek gerektiği kadar tekrarlanır ve böylece ilgilenilen yüzey alanlarını tanımlayan bir "nokta bulutu" oluşturulur.

CMM'lerin yaygın kullanım alanlarından biri, bir parçanın veya montajın tasarım amacına uygunluğunu test etmek için imalat ve montaj süreçleridir. Bu tür uygulamalarda, özelliklerin oluşturulması için regresyon algoritmalarıyla analiz edilen nokta bulutları oluşturulur. Bu noktalar, bir operatör tarafından manuel olarak veya Doğrudan Bilgisayar Kontrolü (DCC) yoluyla otomatik olarak konumlandırılan bir prob kullanılarak toplanır. DCC CMM'ler, aynı parçaları tekrar tekrar ölçmek üzere programlanabilir; bu nedenle otomatik bir CMM, özel bir endüstriyel robot türüdür.

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 kullanılıyordu. Bugün tüm büyük CMM üreticileri çerçeveleri alüminyum alaşımından veya türevlerinden üretmekte ve tarama uygulamaları için Z ekseninin sertliğini artırmak amacıyla seramik de kullanmaktadır. Günümüzde az sayıda CMM üreticisi, gelişmiş metroloji dinamiklerine yönelik pazar gereksinimi ve CMM'lerin kalite laboratuvarı dışında kurulmasına yönelik artan eğilim nedeniyle granit çerçeveli CMM üretmeye devam etmektedir. Genellikle sadece düşük hacimli CMM üreticileri ve Çin ve Hindistan'daki yerli üreticiler, düşük teknoloji yaklaşımı ve CMM çerçeve üreticisi olmanın kolay olması nedeniyle granit çerçeveli CMM üretmeye devam etmektedir. Tarama eğiliminin artması, CMM Z ekseninin daha sert olmasını da gerektirmekte ve seramik ve silisyum karbür gibi yeni malzemeler kullanılmaya başlanmıştır.
• Sondalama sistemi
• Veri toplama ve azaltma sistemi — tipik olarak bir makine kontrol ünitesi, masaüstü bilgisayar ve uygulama yazılımı içerir.

Müsaitlik

Bu makineler bağımsız, elde taşınabilir ve portatif 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 yarım) içinde ölçümler sağlayabilir. 3, 3+2 ve 5 eksenli makineler için, problar izlenebilir standartlar kullanılarak düzenli olarak kalibre edilir ve makine hareketinin doğruluğunu sağlamak için ölçüm cihazları kullanılarak doğrulanır.

Belirli parçalar

Makine gövdesi

İlk CMM (Koordinat Ölçer), 1950'lerde İskoçya'daki Ferranti Şirketi tarafından, askeri ürünlerindeki hassas parçaları ölçme ihtiyacından doğmuştur, ancak bu makine sadece 2 eksenliydi. İlk 3 eksenli modeller 1960'larda (İtalya'daki DEA) ortaya çıkmaya başladı ve bilgisayar kontrolü 1970'lerin başında kullanılmaya başlandı, ancak ilk çalışan CMM, İngiltere'nin Melbourne şehrindeki Browne & Sharpe tarafından geliştirilip satışa sunuldu. (Daha sonra Almanya'daki Leitz, hareketli tablalı sabit bir makine yapısı üretti.)

Modern makinelerde, portal tipi üst yapı iki ayağa sahiptir ve genellikle köprü olarak adlandırılır. Bu yapı, granit masa üzerinde serbestçe hareket eder; bir ayağı (genellikle iç ayak olarak adlandırılır) granit masanın bir tarafına bağlı bir kılavuz rayı takip eder. Karşı ayak (genellikle dış ayak) ise granit masanın dikey yüzey konturunu takip ederek masanın üzerinde durur. Sürtünmesiz hareket sağlamak için hava yatakları tercih edilen yöntemdir. Bunlarda, sıkıştırılmış hava, düz bir yatak yüzeyindeki bir dizi çok küçük delikten geçirilerek, CMM'nin neredeyse sürtünmesiz bir şekilde hareket edebileceği pürüzsüz ancak kontrollü bir hava yastığı oluşturulur ve bu durum yazılım aracılığıyla telafi edilebilir. Köprünün veya portalın granit masa üzerindeki 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 şaftın eklenmesiyle sağlanır. Dokunmatik prob, milin ucundaki algılama cihazını oluşturur. X, Y ve Z eksenlerinin hareketi, ölçüm zarfını tam olarak tanımlar. İsteğe bağlı döner tablalar, ölçüm probunun karmaşık iş parçalarına erişilebilirliğini artırmak için kullanılabilir. Dördüncü bir tahrik ekseni olarak döner tabla, ölçüm boyutlarını (3 boyutlu kalır) artırmaz, ancak bir dereceye kadar esneklik sağlar. Bazı dokunmatik problar, prob ucunun dikey olarak 180 dereceden fazla ve tam 360 derece dönebilmesini sağlayan, kendi kendine çalışan döner cihazlardır.

CMM'ler artık çeşitli başka biçimlerde de mevcuttur. Bunlar arasında, kolun eklemlerinde alınan açısal ölçümleri kullanarak prob ucunun konumunu hesaplayan ve lazer tarama ve optik görüntüleme için problarla donatılabilen CMM kolları da bulunmaktadır. Bu tür kollu CMM'ler, taşınabilirliklerinin geleneksel sabit yataklı CMM'lere göre avantaj sağladığı yerlerde sıklıkla kullanılır; ölçülen konumları kaydederek, programlama yazılımı, ölçüm rutini sırasında ölçüm kolunun kendisini ve ölçüm hacmini ölçülecek parça etrafında hareket ettirmeye de olanak tanır. CMM kolları insan kolunun esnekliğini taklit ettiğinden, standart üç eksenli bir makine kullanılarak prob edilemeyen karmaşık parçaların iç kısımlarına da ulaşabilirler.

Mekanik prob

Koordinat ölçümünün (CMM) ilk dönemlerinde, mekanik problar milin ucundaki özel bir tutucuya takılıyordu. Çok yaygın bir prob, bir şaftın ucuna sert bir top lehimlenerek yapılıyordu. Bu, düz yüzey, silindirik veya küresel yüzeylerin tamamını ölçmek için idealdi. Diğer problar, örneğin bir kadran gibi, özel özelliklerin ölçülmesini sağlamak için belirli şekillere göre işleniyordu. Bu problar, iş parçasına fiziksel olarak tutuluyor ve uzaydaki konumları 3 eksenli dijital bir göstergeden (DRO) okunuyor veya daha gelişmiş sistemlerde, bir ayak pedalı veya benzeri bir cihaz aracılığıyla bilgisayara kaydediliyordu. Bu temas yöntemiyle alınan ölçümler genellikle güvenilir değildi, çünkü makineler elle hareket ettiriliyor ve her makine operatörü proba farklı miktarda basınç uyguluyor veya ölçüm için farklı teknikler benimsiyordu.

Daha sonraki bir gelişme, her ekseni sürmek için motorların eklenmesiydi. Operatörler artık makineye fiziksel olarak dokunmak zorunda kalmıyor, modern uzaktan kumandalı arabalarda olduğu gibi joystick'li bir el kutusu kullanarak her ekseni sürebiliyorlardı. Elektronik dokunmatik tetikleme probunun icadıyla ölçüm doğruluğu ve hassasiyeti önemli ölçüde arttı. Bu yeni prob cihazının öncüsü, daha sonra günümüzde Renishaw plc olarak bilinen şirketi kuran David McMurtry idi. Hala temaslı bir cihaz olmasına rağmen, probun yaylı çelik bilyeli (daha sonra yakut bilyeli) bir ucu vardı. Prob bileşenin yüzeyine dokunduğunda, uç sapıyor ve aynı anda X, Y, Z koordinat bilgilerini bilgisayara gönderiyordu. Bireysel operatörlerden kaynaklanan ölçüm hataları azaldı ve CNC işlemlerinin tanıtılması ve CMM'lerin olgunlaşması için zemin hazırlandı.

Optik problar, mekanik olanlar gibi hareket ettirilen ve malzemeye dokunmak yerine ilgi noktasına yönlendirilen lens-CCD sistemleridir. Yüzeyin yakalanan görüntüsü, siyah ve beyaz bölgeler arasında kontrast oluşturacak kadar kalıntı kalana kadar bir ölçüm penceresinin sınırları içine alınır. Bölme eğrisi, uzayda istenen ölçüm noktası olan bir noktaya kadar hesaplanabilir. CCD üzerindeki yatay bilgi 2 boyutludur (XY) ve dikey konum, tüm prob sisteminin Z ekseni sürücüsü (veya diğer cihaz bileşeni) üzerindeki konumudur.

Tarama probu sistemleri

Yeni modellerde, parçanın yüzeyinde belirli aralıklarla noktalar alan ve tarama probları olarak bilinen problar bulunur. Bu CMM inceleme yöntemi, geleneksel dokunma probu yöntemine göre genellikle daha doğrudur ve çoğu zaman daha hızlıdır.

Temassız tarama olarak bilinen ve yüksek hızlı lazer tek nokta üçgenleme, lazer çizgi tarama ve beyaz ışık tarama gibi yöntemleri içeren yeni nesil tarama teknolojisi çok hızlı bir şekilde ilerliyor. Bu yöntem, parçanın yüzeyine yansıtılan lazer ışınları veya beyaz ışık kullanır. Daha sonra binlerce nokta alınabilir ve bu noktalar sadece boyut ve konum kontrolü için değil, aynı zamanda parçanın 3 boyutlu bir görüntüsünü oluşturmak için de kullanılabilir. Bu "nokta bulutu verileri" daha sonra CAD yazılımına aktarılarak parçanın çalışan bir 3 boyutlu modeli oluşturulabilir. 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 edilmiş bir mikroprob içeren çeşitli ticari koordinat ölçüm makineleri (CMM), devlet laboratuvarlarında çeşitli özel sistemler ve mikro ölçekli metroloji için üniversiteler tarafından geliştirilmiş çok sayıda metroloji platformu bulunmaktadır. Bu makineler nanometrik ölçeklerde iyi ve birçok durumda mükemmel metroloji platformları olsa da, temel sınırlamaları güvenilir, sağlam ve yetenekli bir mikro/nano prob eksikliğidir.^{[Kaynak gösterilmesi gerekiyor]}Mikro ölçekli sondalama teknolojileri için zorluklar arasında, yüzeye zarar vermemek için düşük temas kuvvetleriyle derin ve dar özelliklere erişebilme yeteneği sağlayan yüksek en boy oranına sahip bir sondaya duyulan ihtiyaç ve yüksek hassasiyet (nanometre seviyesi) yer almaktadır.^{[Kaynak gösterilmesi gerekiyor]}Ek olarak, mikro ölçekli problar nem gibi çevresel koşullara ve yapışma, menisküs ve/veya Van der Waals kuvvetleri gibi yüzey etkileşimlerine karşı hassastır.^{[Kaynak gösterilmesi gerekiyor]}

Mikro ölçekli incelemeyi mümkün kılan teknolojiler arasında klasik CMM problarının küçültülmüş versiyonları, optik problar ve durağan dalga probu gibi yöntemler yer almaktadır. Bununla birlikte, mevcut optik teknolojiler derin ve dar özellikleri ölçmek için yeterince küçük ölçeklendirilememekte ve optik çözünürlük ışığın dalga boyuyla sınırlıdır. X-ışını görüntüleme, özelliğin bir resmini sağlar ancak izlenebilir metroloji bilgisi vermez.

Fiziksel prensipler

Optik problar ve/veya lazer problar (mümkünse birlikte) kullanılarak CMM'ler ölçüm mikroskoplarına veya çok sensörlü ölçüm makinelerine dönüştürülebilir. Saçak projeksiyon sistemleri, teodolit üçgenleme sistemleri veya lazer uzaklık ve üçgenleme sistemleri ölçüm makinesi olarak adlandırılmaz, ancak ölçüm sonucu aynıdır: bir uzay noktası. Lazer problar, yüzey ile kinematik zincirin ucundaki referans noktası (yani Z-tahrik bileşeninin ucu) arasındaki mesafeyi tespit etmek için kullanılır. Bu, interferometrik bir fonksiyon, odak varyasyonu, ışık sapması veya ışın gölgeleme prensibi kullanılarak yapılabilir.

Taşınabilir koordinat ölçme makineleri

Geleneksel CMM'ler, bir nesnenin fiziksel özelliklerini ölçmek için üç Kartezyen eksen üzerinde hareket eden bir prob kullanırken, taşınabilir CMM'ler ya mafsallı kollar ya da optik CMM'lerde olduğu gibi, optik üçgenleme yöntemlerini kullanan ve nesne etrafında tam hareket özgürlüğü sağlayan kolsuz tarama sistemleri kullanır.

Mafsallı 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 yerde taşınabilir ve kullanılabilir. Bununla birlikte, 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 tür nesnenin 3 boyutlu ölçümlerini kolayca almalarını sağlar.

Tersine mühendislik, hızlı prototipleme ve her boyuttaki parçaların büyük ölçekli denetimi gibi tekrarlanmayan bazı uygulamalar, taşınabilir CMM'ler için idealdir. Taşınabilir CMM'lerin avantajları çok yönlüdür. Kullanıcılar, her tür parçanın ve en uzak/zorlu yerlerde 3 boyutlu ölçümlerini alma esnekliğine sahiptir. Kullanımı kolaydır ve doğru ölçümler almak için kontrollü bir ortama ihtiyaç duymazlar. Dahası, taşınabilir CMM'ler geleneksel CMM'lerden daha ucuz olma eğilimindedir.

Taşınabilir CMM'lerin doğasında var olan dezavantajlar, manuel kullanım gerektirmeleridir (her zaman bir insan tarafından kullanılmaları gerekir). Ayrıca, genel doğrulukları köprü tipi CMM'lere göre biraz daha düşük olabilir ve bazı uygulamalar için daha az uygundur.

Çoklu sensörlü ölçüm makineleri

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