دستگاه اندازه گیری مختصات چیست؟

الفدستگاه اندازه‌گیری مختصات(CMM) دستگاهی است که هندسه اشیاء فیزیکی را با حس کردن نقاط گسسته روی سطح جسم با یک کاوشگر اندازه‌گیری می‌کند. انواع مختلفی از کاوشگرها در CMMها استفاده می‌شوند، از جمله مکانیکی، نوری، لیزری و نور سفید. بسته به دستگاه، موقعیت کاوشگر ممکن است به صورت دستی توسط اپراتور کنترل شود یا ممکن است توسط کامپیوتر کنترل شود. CMMها معمولاً موقعیت کاوشگر را بر اساس جابجایی آن از یک موقعیت مرجع در یک سیستم مختصات دکارتی سه‌بعدی (یعنی با محورهای XYZ) مشخص می‌کنند. بسیاری از دستگاه‌ها علاوه بر حرکت کاوشگر در امتداد محورهای X، Y و Z، امکان کنترل زاویه کاوشگر را نیز فراهم می‌کنند تا اندازه‌گیری سطوحی که در غیر این صورت غیرقابل دسترس هستند، امکان‌پذیر شود.

CMM سه بعدی "پل" معمولی امکان حرکت پروب را در امتداد سه محور X، Y و Z فراهم می‌کند که در یک سیستم مختصات دکارتی سه بعدی نسبت به یکدیگر عمود هستند. هر محور دارای یک حسگر است که موقعیت پروب را روی آن محور، معمولاً با دقت میکرومتر، رصد می‌کند. هنگامی که پروب با یک مکان خاص روی جسم تماس پیدا می‌کند (یا آن را تشخیص می‌دهد)، دستگاه از سه حسگر موقعیت نمونه‌برداری می‌کند و بدین ترتیب مکان یک نقطه روی سطح جسم و همچنین بردار سه‌بعدی اندازه‌گیری انجام شده را اندازه‌گیری می‌کند. این فرآیند در صورت لزوم تکرار می‌شود و هر بار پروب را حرکت می‌دهد تا یک "ابر نقطه‌ای" ایجاد شود که نواحی سطحی مورد نظر را توصیف می‌کند.

یکی از کاربردهای رایج CMMها در فرآیندهای تولید و مونتاژ برای آزمایش یک قطعه یا مجموعه در مقایسه با هدف طراحی است. در چنین کاربردهایی، ابرهای نقطه‌ای ایجاد می‌شوند که از طریق الگوریتم‌های رگرسیون برای ساخت ویژگی‌ها تجزیه و تحلیل می‌شوند. این نقاط با استفاده از یک کاوشگر که به صورت دستی توسط اپراتور یا به طور خودکار از طریق کنترل مستقیم کامپیوتر (DCC) قرار می‌گیرد، جمع‌آوری می‌شوند. CMMهای DCC را می‌توان برای اندازه‌گیری مکرر قطعات یکسان برنامه‌ریزی کرد. بنابراین، یک CMM خودکار نوعی ربات صنعتی تخصصی است.

قطعات

دستگاه‌های اندازه‌گیری مختصات شامل سه جزء اصلی هستند:

• ساختار اصلی که شامل سه محور حرکتی است. مواد مورد استفاده برای ساخت قاب متحرک در طول سال‌ها تغییر کرده است. در CMM های اولیه از گرانیت و فولاد استفاده می‌شد. امروزه همه تولیدکنندگان اصلی CMM قاب‌هایی از آلیاژ آلومینیوم یا برخی مشتقات آن می‌سازند و همچنین از سرامیک برای افزایش سختی محور Z برای کاربردهای اسکن استفاده می‌کنند. امروزه تعداد کمی از سازندگان CMM به دلیل نیاز بازار به دینامیک مترولوژی بهبود یافته و روند رو به افزایش نصب CMM در خارج از آزمایشگاه کیفیت، هنوز CMM با قاب گرانیتی تولید می‌کنند. معمولاً فقط سازندگان CMM با حجم کم و تولیدکنندگان داخلی در چین و هند به دلیل رویکرد فناوری پایین و ورود آسان برای تبدیل شدن به سازنده قاب CMM، هنوز CMM گرانیتی تولید می‌کنند. روند رو به رشد به سمت اسکن همچنین مستلزم آن است که محور Z CMM سفت‌تر شود و مواد جدیدی مانند سرامیک و کاربید سیلیکون معرفی شده‌اند.
• سیستم کاوش
• سیستم جمع‌آوری و کاهش داده‌ها - معمولاً شامل یک کنترلر دستگاه، کامپیوتر رومیزی و نرم‌افزار کاربردی است.

در دسترس بودن

این دستگاه‌ها می‌توانند به صورت ایستاده، دستی و قابل حمل باشند.

دقت

دقت دستگاه‌های اندازه‌گیری مختصات معمولاً به صورت یک ضریب عدم قطعیت به عنوان تابعی از فاصله ارائه می‌شود. برای یک CMM که از یک پروب لمسی استفاده می‌کند، این مربوط به تکرارپذیری پروب و دقت مقیاس‌های خطی است. تکرارپذیری معمول پروب می‌تواند منجر به اندازه‌گیری‌هایی با دقت 0.001 میلی‌متر یا 0.00005 اینچ (نصف یک دهم) در کل حجم اندازه‌گیری شود. برای دستگاه‌های 3، 3+2 و 5 محوره، پروب‌ها به طور معمول با استفاده از استانداردهای قابل ردیابی کالیبره می‌شوند و حرکت دستگاه با استفاده از گیج‌ها برای اطمینان از دقت تأیید می‌شود.

قطعات خاص

بدنه دستگاه

اولین CMM توسط شرکت Ferranti اسکاتلند در دهه 1950 در نتیجه نیاز مستقیم به اندازه‌گیری اجزای دقیق در محصولات نظامی آنها توسعه داده شد، اگرچه این دستگاه فقط 2 محور داشت. اولین مدل‌های 3 محوره در دهه 1960 (DEA ایتالیا) ظاهر شدند و کنترل کامپیوتری در اوایل دهه 1970 آغاز شد، اما اولین CMM کاربردی توسط Browne & Sharpe در ملبورن انگلستان توسعه داده و به فروش رسید. (شرکت Leitz آلمان متعاقباً یک ساختار ماشین ثابت با میز متحرک تولید کرد.)

در ماشین‌های مدرن، روسازه نوع گانتری دارای دو پایه است و اغلب پل نامیده می‌شود. این پایه آزادانه در امتداد میز گرانیتی حرکت می‌کند و یک پایه (که اغلب به عنوان پایه داخلی شناخته می‌شود) از یک ریل راهنما که به یک طرف میز گرانیتی متصل است، پیروی می‌کند. پایه مخالف (که اغلب پایه خارجی است) به سادگی روی میز گرانیتی و در امتداد خط تراز عمودی قرار می‌گیرد. یاتاقان‌های هوایی روش انتخابی برای اطمینان از حرکت بدون اصطکاک هستند. در این یاتاقان‌ها، هوای فشرده از طریق مجموعه‌ای از سوراخ‌های بسیار کوچک در یک سطح یاتاقان مسطح، فشار داده می‌شود تا یک بالشتک هوای صاف اما کنترل‌شده ایجاد شود که CMM می‌تواند روی آن به روشی تقریباً بدون اصطکاک حرکت کند که می‌تواند از طریق نرم‌افزار جبران شود. حرکت پل یا گانتری در امتداد میز گرانیتی، یکی از محورهای صفحه XY را تشکیل می‌دهد. پل گانتری شامل یک کالسکه است که بین پایه‌های داخلی و خارجی حرکت می‌کند و محور افقی دیگر X یا Y را تشکیل می‌دهد. محور سوم حرکت (محور Z) با اضافه کردن یک تیغه یا اسپیندل عمودی که از مرکز کالسکه به بالا و پایین حرکت می‌کند، فراهم می‌شود. پروب لمسی، دستگاه حسگر را در انتهای ماسوره تشکیل می‌دهد. حرکت محورهای X، Y و Z به طور کامل محدوده اندازه‌گیری را توصیف می‌کند. می‌توان از میزهای چرخشی اختیاری برای افزایش دسترسی پروب اندازه‌گیری به قطعات کار پیچیده استفاده کرد. میز چرخشی به عنوان محور محرک چهارم، ابعاد اندازه‌گیری را که همچنان سه‌بعدی باقی می‌مانند، افزایش نمی‌دهد، اما درجه‌ای از انعطاف‌پذیری را فراهم می‌کند. برخی از پروب‌های لمسی، خود دستگاه‌های چرخشی برقی هستند که نوک پروب قادر به چرخش عمودی بیش از ۱۸۰ درجه و چرخش کامل ۳۶۰ درجه است.

CMM ها اکنون در اشکال متنوع دیگری نیز موجود هستند. این اشکال شامل بازوهای CMM هستند که از اندازه‌گیری‌های زاویه‌ای گرفته شده در مفاصل بازو برای محاسبه موقعیت نوک قلم استفاده می‌کنند و می‌توانند به پروب‌هایی برای اسکن لیزری و تصویربرداری نوری مجهز شوند. چنین CMM های بازویی اغلب در مواردی استفاده می‌شوند که قابلیت حمل آنها نسبت به CMM های بستر ثابت سنتی یک مزیت محسوب می‌شود - با ذخیره مکان‌های اندازه‌گیری شده، نرم‌افزار برنامه‌نویسی همچنین امکان حرکت خود بازوی اندازه‌گیری و حجم اندازه‌گیری آن را در اطراف قطعه مورد نظر در طول یک روال اندازه‌گیری فراهم می‌کند. از آنجا که بازوهای CMM از انعطاف‌پذیری بازوی انسان تقلید می‌کنند، اغلب قادر به دستیابی به داخل قطعات پیچیده‌ای هستند که نمی‌توان با استفاده از یک دستگاه سه محوره استاندارد آنها را بررسی کرد.

پروب مکانیکی

در روزهای اولیه اندازه‌گیری مختصات (CMM)، پروب‌های مکانیکی در یک نگهدارنده مخصوص در انتهای ماسوره قرار می‌گرفتند. یک پروب بسیار رایج با لحیم کردن یک توپ سخت به انتهای یک شفت ساخته می‌شد. این روش برای اندازه‌گیری طیف وسیعی از سطوح صاف، استوانه‌ای یا کروی ایده‌آل بود. پروب‌های دیگر به شکل‌های خاصی، به عنوان مثال یک ربع، سنگ‌زنی می‌شدند تا اندازه‌گیری ویژگی‌های خاص امکان‌پذیر شود. این پروب‌ها به صورت فیزیکی در مقابل قطعه کار نگه داشته می‌شدند و موقعیت در فضا از یک قرائتگر دیجیتال سه محوره (DRO) خوانده می‌شد یا در سیستم‌های پیشرفته‌تر، به وسیله یک سوئیچ پایی یا دستگاه مشابه به کامپیوتر وارد می‌شد. اندازه‌گیری‌های انجام شده با این روش تماسی اغلب غیرقابل اعتماد بودند زیرا ماشین‌ها با دست حرکت می‌کردند و هر اپراتور ماشین مقادیر متفاوتی از فشار را بر پروب اعمال می‌کرد یا تکنیک‌های متفاوتی را برای اندازه‌گیری اتخاذ می‌کرد.

پیشرفت بیشتر، اضافه شدن موتور برای به حرکت درآوردن هر محور بود. اپراتورها دیگر مجبور نبودند دستگاه را به صورت فیزیکی لمس کنند، بلکه می‌توانستند هر محور را با استفاده از یک جعبه دستی با جوی‌استیک، تقریباً به همان روشی که در ماشین‌های کنترل از راه دور مدرن استفاده می‌شود، به حرکت درآورند. دقت و صحت اندازه‌گیری با اختراع پروب ماشه لمسی الکترونیکی به طرز چشمگیری بهبود یافت. پیشگام این دستگاه پروب جدید، دیوید مک‌مورتری بود که متعاقباً آنچه را که اکنون Renishaw plc نامیده می‌شود، تشکیل داد. اگرچه این پروب هنوز یک دستگاه تماسی بود، اما یک قلم گوی فولادی فنری (بعدها گوی یاقوتی) داشت. با تماس پروب با سطح قطعه، قلم منحرف می‌شد و همزمان اطلاعات مختصات X، Y، Z را به رایانه ارسال می‌کرد. خطاهای اندازه‌گیری ناشی از اپراتورهای فردی کمتر شد و زمینه برای معرفی عملیات CNC و ظهور CMMها فراهم شد.

پروب‌های نوری، سیستم‌های لنز-CCD هستند که مانند پروب‌های مکانیکی حرکت می‌کنند و به جای لمس ماده، به سمت نقطه مورد نظر هدف‌گیری می‌شوند. تصویر گرفته شده از سطح در مرزهای یک پنجره اندازه‌گیری محصور می‌شود تا زمانی که باقیمانده برای کنتراست بین مناطق سیاه و سفید کافی باشد. منحنی تقسیم را می‌توان تا یک نقطه محاسبه کرد که همان نقطه اندازه‌گیری مورد نظر در فضا است. اطلاعات افقی روی CCD دوبعدی (XY) است و موقعیت عمودی، موقعیت کل سیستم پروب روی پایه Z-drive (یا سایر اجزای دستگاه) است.

سیستم‌های پروب اسکن

مدل‌های جدیدتری وجود دارند که دارای پروب‌هایی هستند که در امتداد سطح قطعه کشیده می‌شوند و در فواصل مشخص نقطه‌گذاری می‌کنند و به عنوان پروب‌های روبشی شناخته می‌شوند. این روش بازرسی CMM اغلب دقیق‌تر از روش پروب لمسی مرسوم و در بیشتر مواقع سریع‌تر نیز هست.

نسل بعدی اسکن، که به عنوان اسکن غیرتماسی شناخته می‌شود، که شامل مثلث‌بندی تک نقطه‌ای لیزری پرسرعت، اسکن خطی لیزری و اسکن نور سفید است، به سرعت در حال پیشرفت است. این روش از پرتوهای لیزر یا نور سفید که بر روی سطح قطعه تابانده می‌شوند، استفاده می‌کند. سپس می‌توان هزاران نقطه را برداشت و نه تنها برای بررسی اندازه و موقعیت، بلکه برای ایجاد یک تصویر سه‌بعدی از قطعه نیز استفاده کرد. این «داده‌های ابر نقاط» سپس می‌توانند به نرم‌افزار CAD منتقل شوند تا یک مدل سه‌بعدی کاربردی از قطعه ایجاد شود. این اسکنرهای نوری اغلب روی قطعات نرم یا ظریف یا برای تسهیل مهندسی معکوس استفاده می‌شوند.

پروب‌های میکرومترولوژی

سیستم‌های کاوشگر برای کاربردهای مترولوژی در مقیاس میکرو، یکی دیگر از حوزه‌های نوظهور هستند. چندین دستگاه اندازه‌گیری مختصات (CMM) تجاری موجود است که دارای یک میکروکاوشگر یکپارچه در سیستم هستند، چندین سیستم تخصصی در آزمایشگاه‌های دولتی و تعدادی پلتفرم مترولوژی ساخته شده در دانشگاه برای مترولوژی در مقیاس میکرو. اگرچه این ماشین‌ها پلتفرم‌های مترولوژی خوب و در بسیاری از موارد عالی با مقیاس‌های نانومتری هستند، اما محدودیت اصلی آنها یک میکرو/نانو کاوشگر قابل اعتماد، قوی و توانمند است.^{[استناد مورد نیاز]}چالش‌های فناوری‌های کاوش در مقیاس میکرو شامل نیاز به یک کاوشگر با نسبت ابعاد بالا است که امکان دسترسی به ویژگی‌های عمیق و باریک را با نیروهای تماسی کم فراهم می‌کند تا به سطح آسیبی نرسد و دقت بالایی (در سطح نانومتر) داشته باشد.^{[استناد مورد نیاز]}علاوه بر این، پروب‌های میکرومقیاس در برابر شرایط محیطی مانند رطوبت و برهمکنش‌های سطحی مانند اصطکاک (ناشی از چسبندگی، هلالی شدن و/یا نیروهای واندروالس و غیره) حساس هستند.^{[استناد مورد نیاز]}

فناوری‌هایی که برای دستیابی به کاوش در مقیاس میکرو استفاده می‌شوند شامل نسخه کوچک‌شده‌ای از کاوشگرهای CMM کلاسیک، کاوشگرهای نوری و یک کاوشگر موج ایستاده در میان سایر موارد هستند. با این حال، فناوری‌های نوری فعلی را نمی‌توان به اندازه کافی کوچک کرد تا ویژگی‌های عمیق و باریک را اندازه‌گیری کنند و وضوح نوری محدود به طول موج نور است. تصویربرداری با اشعه ایکس تصویری از ویژگی ارائه می‌دهد اما هیچ اطلاعات مترولوژی قابل ردیابی ندارد.

اصول فیزیکی

می‌توان از پروب‌های نوری و/یا پروب‌های لیزری (در صورت امکان به صورت ترکیبی) استفاده کرد که CMMها را به میکروسکوپ‌های اندازه‌گیری یا ماشین‌های اندازه‌گیری چند حسگری تبدیل می‌کند. سیستم‌های تصویرسازی حاشیه‌ای، سیستم‌های مثلث‌بندی تئودولیت یا سیستم‌های فاصله لیزری و مثلث‌بندی، ماشین‌های اندازه‌گیری نامیده نمی‌شوند، اما نتیجه اندازه‌گیری یکسان است: یک نقطه فضایی. از پروب‌های لیزری برای تشخیص فاصله بین سطح و نقطه مرجع در انتهای زنجیره سینماتیکی (یعنی: انتهای مؤلفه درایو Z) استفاده می‌شود. این می‌تواند از یک تابع تداخل‌سنجی، تغییر فوکوس، انحراف نور یا اصل سایه پرتو استفاده کند.

دستگاه‌های اندازه‌گیری مختصات قابل حمل

در حالی که CMM های سنتی از یک پروب که روی سه محور دکارتی حرکت می‌کند برای اندازه‌گیری ویژگی‌های فیزیکی یک جسم استفاده می‌کنند، CMM های قابل حمل یا از بازوهای مفصلی یا در مورد CMM های نوری، از سیستم‌های اسکن بدون بازو استفاده می‌کنند که از روش‌های مثلث‌بندی نوری استفاده می‌کنند و آزادی کامل حرکت در اطراف جسم را ممکن می‌سازند.

CMM های قابل حمل با بازوهای مفصلی دارای شش یا هفت محور هستند که به جای محورهای خطی، به رمزگذارهای چرخشی مجهز شده‌اند. بازوهای قابل حمل سبک هستند (معمولاً کمتر از 20 پوند) و تقریباً در هر مکانی قابل حمل و استفاده هستند. با این حال، CMM های نوری به طور فزاینده‌ای در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرند. CMM های نوری که با دوربین‌های خطی یا آرایه ماتریسی فشرده (مانند مایکروسافت کینکت) طراحی شده‌اند، کوچکتر از CMM های قابل حمل با بازوها هستند، بدون سیم هستند و کاربران را قادر می‌سازند تا به راحتی اندازه‌گیری‌های سه‌بعدی از انواع اشیاء واقع در تقریباً هر مکانی را انجام دهند.

برخی از کاربردهای غیرتکراری مانند مهندسی معکوس، نمونه‌سازی سریع و بازرسی در مقیاس بزرگ قطعات در هر اندازه، برای CMM های قابل حمل ایده‌آل هستند. مزایای CMM های قابل حمل چند برابر است. کاربران در انجام اندازه‌گیری‌های سه‌بعدی از انواع قطعات و در دورافتاده‌ترین/دشوارترین مکان‌ها، انعطاف‌پذیری دارند. استفاده از آنها آسان است و برای انجام اندازه‌گیری‌های دقیق نیازی به محیط کنترل‌شده ندارند. علاوه بر این، CMM های قابل حمل معمولاً هزینه کمتری نسبت به CMM های سنتی دارند.

معایب ذاتی CMM های قابل حمل، عملکرد دستی آنهاست (آنها همیشه به یک انسان برای استفاده از آنها نیاز دارند). علاوه بر این، دقت کلی آنها می‌تواند تا حدودی کمتر از CMM نوع پل باشد و برای برخی از کاربردها کمتر مناسب است.

دستگاه‌های اندازه‌گیری چند حسگره

فناوری سنتی CMM که از پروب‌های لمسی استفاده می‌کند، امروزه اغلب با سایر فناوری‌های اندازه‌گیری ترکیب می‌شود. این شامل حسگرهای لیزری، ویدئویی یا نور سفید می‌شود تا چیزی را که به عنوان اندازه‌گیری چند حسگری شناخته می‌شود، ارائه دهد.