دقت CMM قبل از تماس پروب با قطعه آغاز می‌شود: نقش گرانیت در ماشین‌های اندازه‌گیری مختصات

در بخش‌های کنترل کیفیت در سراسر جهان، دستگاه اندازه‌گیری مختصات (CMM) جایگاه مهمی را اشغال می‌کند. هنگامی که یک قطعه هوافضای ماشینکاری شده نیاز به تأیید با نقشه مهندسی خود دارد، هنگامی که یک مجموعه چرخ‌دنده دقیق باید قبل از مونتاژ بررسی شود، هنگامی که یک ایمپلنت پزشکی قبل از استفاده در یک عمل جراحی نیاز به گواهینامه ابعادی دارد - CMM معمولاً داور نهایی است. اندازه‌گیری‌های آن دارای اعتبار فنی است که بر تصمیمات مؤثر بر ایمنی، عملکرد و مسئولیت تجاری تأثیر می‌گذارد.

با این حال، با وجود تمام قطعات الکترونیکی پیچیده، ترازوهای دقیق و نرم‌افزارهای پیچیده‌ای که یک CMM مدرن را تشکیل می‌دهند، پایه و اساس دقت دستگاه یک تکه سنگ است. درک دلیل آن - و درک آنچه وقتی آن سنگ از کیفیت کافی برخوردار نیست اتفاق می‌افتد - نکته‌ای اساسی را در مورد چگونگی دستیابی به دقت اندازه‌گیری در سیستم‌های فیزیکی آشکار می‌کند.

CMM چه چیزهایی را اندازه‌گیری می‌کند و چگونه کار می‌کند؟

یک دستگاه اندازه‌گیری مختصات، مختصات سه‌بعدی نقاط روی یک جسم فیزیکی را اندازه‌گیری می‌کند. این دستگاه این کار را با قرار دادن یک پروب حسگر در تماس با (یا در صورت استفاده از پروب‌های اسکن غیرتماسی نزدیک به) سطح قطعه مورد اندازه‌گیری، ثبت موقعیت XYZ هر نقطه تماس و محاسبه ویژگی‌های هندسی (صفحات، استوانه‌ها، مخروط‌ها، سطوح با فرم آزاد) که به بهترین وجه با ابر نقاط اندازه‌گیری شده مطابقت دارند، انجام می‌دهد.

دقت این فرآیند به عوامل متعددی بستگی دارد که به عنوان یک سیستم با هم کار می‌کنند:

• دقت سه محور خطی دستگاه (میزان حرکت آنها در خطوط مستقیم و دقت اندازه‌گیری موقعیت آنها توسط انکودرهای خطی)
• دقت و تکرارپذیری سیستم پروب (میزان پایداری تحریک در نقطه تماس و میزان دقت انحراف آن از نقطه خواندن مقیاس مشخص می‌شود)
• پایداری حرارتی سازه دستگاه (برای جلوگیری از انبساط دیفرانسیلی بین اجزای مختلف)
• کیفیت سطح مرجع مبنا (سطح صافی که تمام اندازه‌گیری‌های محور Z از آن سرچشمه می‌گیرد و هندسه دستگاه نسبت به آن تعیین می‌شود)

این عامل آخر - سطح مرجع مبنا - صفحه سطح گرانیتی است که CMM روی آن ساخته شده است. در اکثر طرح‌های CMM، صفحه سطح گرانیتی فقط یک میز غیرفعال نیست که دستگاه روی آن قرار می‌گیرد. این یک بخش فعال از سیستم اندازه‌گیری است. مبدا مقیاس محور Z CMM نسبت به این سطح تعریف می‌شود؛ راهنماهای محورهای افقی دستگاه روی این سطح نصب شده‌اند و مستقیم بودن خود را از آن می‌گیرند؛ قطعه مورد اندازه‌گیری روی این سطح (یا روی یک فیکسچر نصب شده روی آن) قرار دارد. هرگونه خطایی در صافی یا پایداری ابعادی بلندمدت صفحه گرانیتی مستقیماً به مختصاتی که CMM گزارش می‌دهد، منتقل می‌شود.

صفحه سطح گرانیتی به عنوان Datum Zero

در مترولوژی کلاسیک، یک نقطه مرجع، یک ویژگی (نقطه، محور یا صفحه) از نظر تئوری دقیق است که اندازه‌گیری‌ها از آن انجام می‌شود. در دنیای فیزیکی یک CMM، صفحه مرجع، سطح بالایی صفحه گرانیتی است.

وقتی یک تولیدکننده CMM دستگاه جدیدی را کالیبره می‌کند، از سطح میز گرانیتی به عنوان مرجعی برای ایجاد سیستم مختصات داخلی دستگاه استفاده می‌کند. به طور خاص:

• سطح میز، صفحه XY سیستم مختصات دستگاه را تعریف می‌کند.
• محور عمودی پل یا گانتری CMM (Z) به این صفحه نسبت داده شده است.
• میزان صاف بودن محورهای افقی (X و Y) نسبت به شکل واقعی سطح میز اندازه‌گیری و اصلاح می‌شود.

این کالیبراسیون به عنوان یک جدول جبران هندسی در کنترل‌کننده CMM ذخیره می‌شود. هنگامی که دستگاه قطعه‌ای را اندازه‌گیری می‌کند، این جبران‌های ذخیره شده، خطاهای سیستماتیک در حرکت دستگاه را اصلاح می‌کنند - خطاهایی که در زمان کالیبراسیون نسبت به سطح گرانیت اندازه‌گیری و مشخص شده‌اند.

اگر صفحه سطح گرانیت متعاقباً تغییر شکل دهد - از طریق سایش، گرادیان حرارتی یا کاهش تنش‌های داخلی - جدول جبران خسارت دیگر هندسه دستگاه را به درستی توصیف نمی‌کند. به نظر می‌رسد CMM به طور عادی کار می‌کند (حرکت می‌کند، پروب فعال می‌شود، اندازه‌گیری‌ها گزارش می‌شوند) اما اندازه‌گیری‌ها حاوی خطاهای سیستماتیک هستند که با بدتر شدن وضعیت گرانیت افزایش می‌یابند. این خطاها به ویژه موذیانه هستند زیرا تصادفی نیستند - آنها از نظر مکانی همبستگی دارند و به عنوان سوگیری‌های سیستماتیک در مناطقی از جدول که خطای فرم ایجاد شده است، ظاهر می‌شوند.

انتخاب گرید برای کاربردهای CMM

هر کاربرد CMM به درجه یکسانی از ... نیاز ندارد.صفحه سطح گرانیتیاما انتخاب باید بر اساس الزامات عدم قطعیت اندازه‌گیری کاربرد انجام شود، نه بر اساس قیمت خرید میز.

آزمایشگاه‌های کالیبراسیون و CMM های مرجع

CMM هایی که به عنوان ماشین‌های مرجع - کالیبره کردن سایر CMM ها، تأیید مصنوعات مرجع یا به عنوان تکیه‌گاه قابلیت ردیابی برای یک سیستم اندازه‌گیری - استفاده می‌شوند، معمولاً به درجه 00 (درجه آزمایشگاهی طبق DIN 876) یا درجه آزمایشگاهی طبق ASME B89.3.7 نیاز دارند. این‌ها صفحات سطحی با بالاترین درجه هستند که به صورت تجاری تولید می‌شوند و تلرانس‌های صافی در محدوده میکرومتر تک رقمی پایین در کل سطح میز دارند.

در این سطح، سطح میز گرانیتی نیز باید به صورت دوره‌ای مجدداً تأیید صلاحیت و تأیید شود و اندازه‌گیری‌ها قابل ردیابی به استانداردهای ملی باشند. فاصله زمانی تأیید صلاحیت مجدد به شدت استفاده و اهمیت اندازه‌گیری‌ها بستگی دارد، اما معمولاً سالانه یا دوسالانه است.

CMM های بازرسی کف تولید

CMM های مورد استفاده در بازرسی تولید - تأیید اینکه قطعات ماشینکاری شده قبل از مونتاژ با مشخصات ابعادی مطابقت دارند - معمولاً با صفحات سطحی درجه 0 یا درجه 1 کار می‌کنند. الزامات عدم قطعیت اندازه‌گیری برای بازرسی تولید نسبت به کار کالیبراسیون آسان‌تر است و به همین ترتیب، الزامات صافی روی میز گرانیت نیز سختگیرانه‌تر است.

با این حال، «آرام‌تر» هنوز هم باید در چارچوب تلرانس‌های قطعه‌ای که بررسی می‌شوند، درک شود. اگر از یک CMM تولیدی برای تأیید ویژگی‌هایی با تلرانس‌های ۱۰ تا ۲۰ میکرومتر استفاده می‌شود، یک صفحه سطحی درجه ۱ (با صافی در محدوده ۵ تا ۱۰ میکرومتر روی یک میز متوسط) مناسب است. استفاده از یک صفحه سطحی درجه ۲ یا درجه کارگاهی برای این کاربرد، خطر ایجاد خطای فرم میز را به همراه دارد که بخش قابل توجهی از کل عدم قطعیت اندازه‌گیری را تشکیل می‌دهد.

CMM های کوچک برای الکترونیک و اپتیک دقیق

در بخش‌های تولید قطعات الکترونیکی و اپتیک دقیق، از CMM های کوچک برای اندازه‌گیری ویژگی‌هایی در سطح میکرومتر و زیرمیکرومتر روی اجزایی مانند محفظه‌های کانکتور، پایه‌های نوری و بدنه‌های دوربین با ماشینکاری دقیق استفاده می‌شود. این کاربردها به صفحات سطحی درجه ۰۰ - و در برخی موارد، میزهای گرانیتی با کنترل دمای فعال - برای دستیابی به عدم قطعیت‌های اندازه‌گیری مورد نیاز نیاز دارند.

حالت‌های رایج خرابی: وقتی کیفیت گرانیت ناکافی است، چه مشکلی پیش می‌آید؟

عواقب تعیین یا پذیرش گرانیت با کیفیت نامناسب در CMM در چندین حالت خرابی مشخص آشکار می‌شود:

جابجایی سیستماتیک موقعیت مکانی در مناطق پرمصرف

مرکز میز CMM و مناطقی که مستقیماً زیر موقعیت‌های معمول فیکسچر قرار دارند، بیشترین تراکم تماس پروب و بیشترین تعداد چرخه‌های بارگذاری قطعه را تجربه می‌کنند. با گذشت زمان، این نواحی می‌توانند دچار سایش قابل اندازه‌گیری شوند و تقعر کمی ایجاد کنند. یک میز گرانیتی درجه 0 یا درجه 00 خوش‌ساخت، که از مواد متراکم و سخت ساخته شده است، به طور مؤثر در برابر این سایش مقاومت می‌کند. سنگ با کیفیت پایین‌تر - به ویژه مرمر یا گرانیت خاکستری با چگالی کم - به طور قابل توجهی نرم‌تر است و الگوهای سایش را سریع‌تر ایجاد می‌کند.

در محیط‌های تولیدی که یک محل خاص از فیکسچر هزاران بار در ماه استفاده می‌شود، این سایش می‌تواند تا حدی انباشته شود که در عرض یک تا دو سال بر دقت اندازه‌گیری تأثیر بگذارد. علائم آن به صورت بایاس مثبت یا منفی سیستماتیک در مختصات Z قطعات اندازه‌گیری شده در محل سایش ظاهر می‌شود - بایاسی که ممکن است بلافاصله به عنوان مشکل سایش میز تشخیص داده نشود.

اعوجاج حرارتی ناشی از تماس با کف

میزهای گرانیتی CMM در محیط‌های تولیدی اغلب مستقیماً روی کف کارخانه‌هایی قرار می‌گیرند که گرادیان دما را تجربه می‌کنند - به‌ویژه نزدیک دیوارهای بیرونی، درهای اسکله بارگیری یا نزدیک تجهیزات فرآیند تولید گرما. اگر میز گرانیتی در تماس حرارتی نزدیک با کف غیر یکنواخت باشد، گرما به طور ناهموار از طریق میز جریان می‌یابد و یک گرادیان حرارتی ایجاد می‌کند که سطح میز را تحریف می‌کند.

گرانیت متراکم ممتاز (مانند گرانیت سیاه با چگالی بالا) رسانایی حرارتی و ضریب انبساط حرارتی پایین‌تری نسبت به گرانیت خاکستری معمولی دارد، به این معنی که هم به اختلالات حرارتی کندتر پاسخ می‌دهد و هم در صورت وجود گرادیان دما، کمتر دچار اعوجاج می‌شود. ثابت زمانی حرارتی یک میز گرانیتی ضخیم و متراکم نسبتاً طولانی است - ساعت‌ها طول می‌کشد تا اثر کامل یک اختلال حرارتی ظاهر شود - اما پس از ایجاد اعوجاج، پس از حذف منبع حرارتی، برای مدت زمان مشابه طولانی باقی می‌ماند.

روش استاندارد کاهش، جداسازی مناسب میز گرانیتی CMM از کف - با استفاده از پایه‌های عایق ارتعاش که عایق حرارتی را نیز فراهم می‌کنند - و قرار دادن CMM در یک منطقه با پایداری حرارتی و دور از منابع حرارتی و دیوارهای خارجی است.

خزش و سستی در سنگ‌های با سن ناکافی

گرانیتی که قبل از ماشینکاری دقیق به اندازه کافی پیرسازی و تنش‌زدایی نشده است، ممکن است پس از تحویل به آرامی به حالت اولیه خود ادامه دهد و باعث شود سطح ماشینکاری شده در طول ماه‌ها از فرم مشخص شده خود خارج شود. این فرآیند معمولاً کند است و در مواد فرآوری شده خوب، نرخ رانش کمتر از یک میکرومتر در سال ایجاد می‌کند - اما در زمینه الزامات دقت زیر میکرونی CMM، حتی این رانش آهسته در طول عمر مفید چند ساله تجهیزات دقیق قابل توجه است.

راه حل مناسب، بررسی دقیق مواد اولیه توسط سازنده صفحات سطحی، از جمله حداقل دوره‌های پیری برای مواد خام قبل از شروع پردازش دقیق است. تولیدکننده‌ای که این مرحله را برای کاهش زمان تولید نادیده می‌گیرد، محصولی را می‌فروشد که در زمان تحویل مطابق با استانداردها به نظر می‌رسد اما در طول سرویس‌دهی دچار افت کیفیت می‌شود.

نگهداری میزهای گرانیتی CMM در حال سرویس

مانند تمام تجهیزات اندازه‌گیری دقیق، صفحات سطح گرانیتی CMM نیاز به نگهداری دوره‌ای و تأیید مجدد دارند تا تأیید شود که همچنان به صافی مشخص شده خود می‌رسند. بهترین شیوه‌ها برای نگهداری جداول CMM گرانیتی عبارتند از:

نظارت و مستندسازی دما - ثبت گزارش دمای محیط روی میز، روند تغییرات را مشخص می‌کند و به مرتبط کردن ناهنجاری‌های اندازه‌گیری با رویدادهای حرارتی کمک می‌کند.

تمیز کردن منظم - سطح باید به صورت دوره‌ای با پاک‌کننده‌های مناسب (با pH خنثی، غیر ساینده) تمیز شود تا براده‌ها، بقایای مایع خنک‌کننده و ذرات ساینده که می‌توانند باعث آسیب به سطح شوند، از بین بروند. سطوح هرگز نباید با مواد ساینده تمیز شوند.

تأیید مجدد صافی به صورت دوره‌ای - صافی باید در مقایسه با گواهینامه اصلی مجدداً اندازه‌گیری شود تا هرگونه رانش یا سایش تشخیص داده شود. روش و ابزار اندازه‌گیری باید مستند و قابل ردیابی با همان استانداردهای گواهینامه اصلی باشد.

جابجایی دقیق وسایل سنگین - وسایل یا قطعات سنگین باید به آرامی روی سطح گرانیت قرار داده شوند و در نقاط متعادل پشتیبانی شوند تا از بارگذاری نقطه‌ای که می‌تواند لبه‌ها را لب‌پر کند یا باعث تمرکز تنش موضعی شود، جلوگیری شود.

تعمیر لب پریدگی و آسیب - لب پریدگی‌ها و نواحی آسیب دیده باید مستندسازی و ارزیابی شوند. لب پریدگی‌های جزئی در نواحی غیر بحرانی اگر خارج از ناحیه کاری پروب باشند، ممکن است بر دقت دستگاه تأثیر نگذارند. لب پریدگی‌ها در نواحی اندازه‌گیری پر استفاده باید در برابر بودجه خطای دستگاه ارزیابی شوند تا مشخص شود که آیا نیاز به دوباره پر کردن یا تعویض وجود دارد یا خیر.

جدول گرانیت به عنوان بخشی از بودجه عدم قطعیت اندازه‌گیری

استاندارد بین‌المللی ISO 10360 که بر آزمایش عملکرد CMM حاکم است، نحوه تعیین و بیان دقت اندازه‌گیری حجمی CMM را مشخص می‌کند. این استاندارد بین دقت حجمی بیان شده توسط CMM و کل عدم قطعیت اندازه‌گیری قابل اجرا برای یک کار اندازه‌گیری خاص تمایز قائل می‌شود.

عدم قطعیت کل اندازه‌گیری برای اندازه‌گیری CMM شامل موارد زیر است:

• دقت حجمی CMM (از آزمایش ISO 10360)
• خطاهای مربوط به صلاحیت کاوشگر
• اثرات بستن و فیکسچرینگ قطعات
• اثرات دما بر قطعه و دستگاه
• خطای فرم سطح میز گرانیتی

این آخرین مورد - خطای فرم میز گرانیت - اغلب از تحلیل‌های عدم قطعیت ساده‌شده، به‌ویژه در محیط‌های تولیدی که تمرکز بر زمان چرخه هر قطعه است تا تحلیل عدم قطعیت، حذف می‌شود. حذف آن منجر به عدم قطعیت‌های اندازه‌گیری بیان‌شده‌ای می‌شود که خوش‌بینانه هستند؛ نتایج اندازه‌گیری واقعی شامل یک مؤلفه خطای اضافی است که در نظر گرفته نشده است.

یک بودجه‌بندی عدم قطعیت اندازه‌گیری کامل و دقیق - همانطور که توسط ISO/IEC 17025 برای آزمایشگاه‌های کالیبراسیون معتبر و به عنوان یک روش مهندسی خوب برای هر کاربرد اندازه‌گیری حیاتی الزامی شده است - باید سهم سطح میز گرانیتی را نیز در نظر بگیرد. این امر مستلزم دانستن صافی واقعی میز (از کالیبراسیون اخیر) و تخمین چگونگی نگاشت آن خطای صافی بر اندازه‌گیری‌های انجام شده است.

نتیجه‌گیری: مبنایی که همه چیز به آن وابسته است

یک CMM یک سیستم اندازه‌گیری است و مانند تمام سیستم‌های اندازه‌گیری، دقت آن در نهایت توسط دقت مرجع آن محدود می‌شود. صفحه سطح گرانیتی آن مرجع است - برای محور Z، برای صفحه XY، برای ثابت کردن قطعات و برای کالیبراسیون کل نقشه خطای هندسی دستگاه.

سرمایه‌گذاری مناسب در کیفیت این مرجع - تعیین گرید صحیح، تأیید کیفیت مواد، حفظ صحیح آن و تأیید مجدد دوره‌ای آن - سربار نیست. این پایه و اساس یکپارچگی اندازه‌گیری است. و یکپارچگی اندازه‌گیری، در صنایعی از هوافضا گرفته تا دستگاه‌های پزشکی و تولید نیمه‌هادی‌ها، پایه و اساس کیفیت محصول و ایمنی کاربر است.