دستگاه اندازه گیری مختصات چیست؟

آدستگاه اندازه گیری مختصات(CMM) دستگاهی است که هندسه اجسام فیزیکی را با سنجش نقاط گسسته روی سطح جسم با یک پروب اندازه گیری می کند.انواع مختلفی از پروب ها در CMM ها استفاده می شود، از جمله نور مکانیکی، نوری، لیزری و نور سفید.بسته به دستگاه، موقعیت پروب ممکن است به صورت دستی توسط اپراتور کنترل شود یا ممکن است توسط کامپیوتر کنترل شود.CMM ها معمولاً موقعیت یک کاوشگر را بر حسب جابجایی آن از یک موقعیت مرجع در یک سیستم مختصات دکارتی سه بعدی (یعنی با محورهای XYZ) مشخص می کنند.علاوه بر حرکت کاوشگر در امتداد محورهای X، Y و Z، بسیاری از ماشین‌ها همچنین اجازه می‌دهند که زاویه پروب کنترل شود تا سطوحی را که در غیر این صورت غیرقابل دسترس هستند اندازه‌گیری کنند.

CMM معمولی "پل" سه بعدی امکان حرکت پروب را در امتداد سه محور X، Y و Z می دهد که در یک سیستم مختصات دکارتی سه بعدی متعامد به یکدیگر هستند.هر محور دارای سنسوری است که موقعیت کاوشگر را در آن محور، معمولاً با دقت میکرومتر، نظارت می کند.هنگامی که کاوشگر با یک مکان خاص روی جسم تماس می گیرد (یا به طور دیگری تشخیص می دهد)، دستگاه از سه حسگر موقعیت نمونه برداری می کند، بنابراین مکان یک نقطه از سطح جسم، و همچنین بردار 3 بعدی اندازه گیری گرفته شده را اندازه گیری می کند.این فرآیند در صورت لزوم تکرار می شود و هر بار کاوشگر را حرکت می دهد تا یک "ابر نقطه ای" تولید شود که مناطق سطح مورد نظر را توصیف می کند.

استفاده رایج از CMM در فرآیندهای تولید و مونتاژ برای آزمایش یک قطعه یا مجموعه در برابر هدف طراحی است.در چنین کاربردهایی، ابرهای نقطه ای تولید می شوند که از طریق الگوریتم های رگرسیون برای ساخت ویژگی ها تجزیه و تحلیل می شوند.این نقاط با استفاده از یک کاوشگر جمع آوری می شوند که به صورت دستی توسط اپراتور یا به طور خودکار از طریق کنترل مستقیم کامپیوتر (DCC) قرار می گیرد.CMM های DCC را می توان برای اندازه گیری مکرر قطعات یکسان برنامه ریزی کرد.بنابراین یک CMM خودکار شکل تخصصی ربات صنعتی است.

قطعات

ماشین های اندازه گیری مختصات شامل سه جزء اصلی هستند:

• ساختار اصلی که شامل سه محور حرکتی است.مواد مورد استفاده برای ساخت قاب متحرک در طول سال ها متفاوت بوده است.در CMMهای اولیه از گرانیت و فولاد استفاده می شد.امروزه تمام سازندگان اصلی CMM قاب هایی را از آلیاژ آلومینیوم یا برخی مشتقات می سازند و همچنین از سرامیک برای افزایش سفتی محور Z برای برنامه های اسکن استفاده می کنند.امروزه تعداد کمی از سازندگان CMM به دلیل نیاز بازار برای بهبود دینامیک اندازه‌شناسی و افزایش روند نصب CMM در خارج از آزمایشگاه کیفیت، هنوز CMM قاب گرانیتی را تولید می‌کنند.معمولا فقط سازندگان CMM کم حجم و تولیدکنندگان داخلی در چین و هند به دلیل رویکرد فناوری پایین و ورود آسان برای تبدیل شدن به یک قاب ساز CMM، هنوز هم CMM گرانیتی تولید می کنند.روند رو به افزایش به سمت اسکن همچنین مستلزم آن است که محور CMM Z سفت تر باشد و مواد جدیدی مانند سرامیک و کاربید سیلیکون معرفی شده اند.
• سیستم کاوشگر
• سیستم جمع آوری و کاهش داده ها - معمولاً شامل یک کنترل کننده ماشین، رایانه رومیزی و نرم افزار کاربردی است.

دسترسی

این ماشین ها می توانند بصورت آزاد، دستی و قابل حمل باشند.

دقت

دقت ماشین‌های اندازه‌گیری مختصات معمولاً به عنوان یک عامل عدم قطعیت به عنوان تابعی در فاصله داده می‌شود.برای یک CMM با استفاده از یک پروب لمسی، این به تکرارپذیری پروب و دقت مقیاس های خطی مربوط می شود.تکرارپذیری پروب معمولی می‌تواند منجر به اندازه‌گیری‌هایی در 0.001 میلی‌متر یا 0.00005 اینچ (نیم دهم) در کل حجم اندازه‌گیری شود.برای ماشین‌های 3، 3+2 و 5 محور، 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 ماشین

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

در ماشین‌های مدرن، روبنای دروازه‌ای دارای دو پایه است و اغلب پل نامیده می‌شود.این حرکت آزادانه در امتداد میز گرانیتی با یک پایه (اغلب به عنوان پایه داخلی) به دنبال یک ریل راهنمای متصل به یک طرف میز گرانیتی حرکت می کند.پایه مقابل (اغلب پای بیرونی) به سادگی بر روی میز گرانیتی قرار می گیرد که از کانتور سطح عمودی پیروی می کند.بلبرینگ های هوا روش انتخابی برای اطمینان از سفر بدون اصطکاک هستند.در اینها، هوای فشرده از طریق یک سری سوراخ‌های بسیار کوچک در سطح بلبرینگ صاف وارد می‌شود تا یک بالشتک هوای صاف اما کنترل‌شده فراهم کند که CMM می‌تواند به روشی تقریباً بدون اصطکاک حرکت کند که می‌تواند از طریق نرم‌افزار جبران شود.حرکت پل یا دروازه در امتداد میز گرانیتی یک محور از صفحه XY را تشکیل می دهد.پل دروازه شامل کالسکه ای است که بین پاهای داخلی و خارجی عبور می کند و محور افقی X یا Y دیگر را تشکیل می دهد.محور سوم حرکت (محور Z) با افزودن یک قلاب یا دوک عمودی که در مرکز کالسکه به بالا و پایین حرکت می کند، ایجاد می شود.کاوشگر لمسی دستگاه حسگر را در انتهای قیچی تشکیل می دهد.حرکت محورهای X، Y و Z به طور کامل پاکت اندازه گیری را توصیف می کند.میزهای چرخشی اختیاری را می توان برای افزایش قابلیت دسترسی کاوشگر اندازه گیری به قطعات کار پیچیده استفاده کرد.میز دوار به عنوان یک محور محرک چهارم، ابعاد اندازه گیری را که به صورت سه بعدی باقی می مانند، افزایش نمی دهد، اما درجه ای از انعطاف پذیری را فراهم می کند.برخی از کاوشگرهای لمسی خود دستگاه‌های چرخشی هستند که نوک آن می‌تواند به صورت عمودی بیش از 180 درجه و از طریق چرخش کامل 360 درجه بچرخد.

CMM ها در حال حاضر به اشکال مختلف دیگری نیز در دسترس هستند.اینها شامل بازوهای CMM هستند که از اندازه‌گیری‌های زاویه‌ای در مفاصل بازو برای محاسبه موقعیت نوک قلم استفاده می‌کنند و می‌توانند با پروب‌هایی برای اسکن لیزری و تصویربرداری نوری مجهز شوند.چنین CMMهای بازویی اغلب در جایی استفاده می‌شوند که قابلیت حمل آن‌ها نسبت به CMM‌های تخت ثابت سنتی یک مزیت است- با ذخیره مکان‌های اندازه‌گیری شده، نرم‌افزار برنامه‌نویسی همچنین اجازه می‌دهد تا بازوی اندازه‌گیری و حجم اندازه‌گیری آن را در اطراف قسمتی که در طول یک روال اندازه‌گیری اندازه‌گیری می‌شود، حرکت دهد.از آنجایی که بازوهای CMM انعطاف پذیری بازوی انسان را تقلید می کنند، اغلب می توانند به داخل قطعات پیچیده ای برسند که با استفاده از یک ماشین استاندارد سه محوره قابل کاوش نیستند.

کاوشگر مکانیکی

در روزهای اولیه اندازه‌گیری مختصات (CMM)، کاوشگرهای مکانیکی در یک نگهدارنده مخصوص در انتهای قیچی نصب می‌شدند.یک کاوشگر بسیار رایج با لحیم کردن یک توپ سخت به انتهای یک شفت ساخته شد.این برای اندازه گیری طیف وسیعی از سطوح صاف، استوانه ای یا کروی ایده آل بود.سایر کاوشگرها به شکل های خاصی مانند یک ربع آسیاب شدند تا بتوان ویژگی های خاص را اندازه گیری کرد.این کاوشگرها به طور فیزیکی در برابر قطعه کار نگه داشته می شدند، در حالی که موقعیت در فضا از یک بازخوان دیجیتال 3 محوره (DRO) خوانده می شد یا در سیستم های پیشرفته تر، با استفاده از یک سوئیچ پا یا دستگاه مشابه به رایانه وارد می شدند.اندازه‌گیری‌های انجام‌شده با این روش تماسی اغلب غیرقابل اعتماد بودند، زیرا ماشین‌ها با دست جابه‌جا می‌شدند و هر اپراتور ماشین مقادیر متفاوتی فشار را روی پروب اعمال می‌کرد یا تکنیک‌های متفاوتی را برای اندازه‌گیری اتخاذ می‌کرد.

پیشرفت بیشتر اضافه شدن موتورهایی برای حرکت در هر محور بود.اپراتورها دیگر مجبور نبودند دستگاه را به صورت فیزیکی لمس کنند، اما می‌توانستند هر محور را با استفاده از جعبه دستی با جوی استیک به همان روشی که ماشین‌های کنترل‌شده از راه دور مدرن انجام می‌دهند، برانند.دقت و دقت اندازه گیری با اختراع پروب ماشه لمسی الکترونیکی به طور چشمگیری بهبود یافت.پیشگام این دستگاه کاوشگر جدید دیوید مک مورتری بود که متعاقباً شرکت Renishaw فعلی را تشکیل داد.اگرچه این کاوشگر هنوز یک دستگاه تماسی بود، اما یک قلم توپ فولادی فنری (که بعداً توپ یاقوتی بود) داشت.همانطور که کاوشگر سطح قطعه را لمس کرد، قلم منحرف شد و همزمان اطلاعات مختصات X,Y,Z را به کامپیوتر ارسال کرد.خطاهای اندازه گیری ناشی از تک تک اپراتورها کمتر شد و زمینه برای معرفی عملیات CNC و سن بلوغ CMM ها فراهم شد.

کاوشگرهای نوری، سیستم‌های عدسی-CCD هستند که مانند سیستم‌های مکانیکی حرکت می‌کنند و به جای لمس مواد، در نقطه مورد نظر هدف قرار می‌گیرند.تصویر گرفته شده از سطح در مرزهای یک پنجره اندازه گیری محصور می شود، تا زمانی که باقیمانده برای کنتراست بین مناطق سیاه و سفید کافی باشد.منحنی تقسیم را می توان به یک نقطه محاسبه کرد که نقطه اندازه گیری مورد نظر در فضا است.اطلاعات افقی روی CCD 2D (XY) است و موقعیت عمودی موقعیت سیستم کاوش کامل روی پایه Z-drive (یا سایر اجزای دستگاه) است.

سیستم های کاوشگر اسکن

مدل‌های جدیدتری وجود دارند که دارای پروب‌هایی هستند که در امتداد سطح نقاط قطعه‌گیر در فواصل زمانی مشخص کشیده می‌شوند، که به عنوان پروب‌های اسکن شناخته می‌شوند.این روش بازرسی CMM اغلب دقیق تر از روش معمولی پروب لمسی و در اکثر مواقع سریعتر است.

نسل بعدی اسکن، معروف به اسکن بدون تماس، که شامل مثلث‌سازی تک نقطه‌ای لیزری با سرعت بالا، اسکن خط لیزری و اسکن نور سفید است، بسیار سریع در حال پیشرفت است.در این روش از پرتوهای لیزر یا نور سفید که بر روی سطح قطعه پخش می شود استفاده می شود.سپس هزاران نقطه را می توان گرفت و نه تنها برای بررسی اندازه و موقعیت، بلکه برای ایجاد یک تصویر سه بعدی از قطعه نیز استفاده کرد.سپس این «داده‌های ابری نقطه‌ای» را می‌توان به نرم‌افزار CAD برای ایجاد یک مدل سه‌بعدی کاری از قطعه منتقل کرد.این اسکنرهای نوری اغلب بر روی قطعات نرم یا ظریف یا برای تسهیل مهندسی معکوس استفاده می شوند.

کاوشگرهای میکرومترولوژی

سیستم‌های کاوشگر برای کاربردهای اندازه‌شناسی ریزمقیاس یکی دیگر از حوزه‌های نوظهور است.چندین ماشین اندازه‌گیری مختصات (CMM) در دسترس تجاری وجود دارد که دارای یک میکروپروب ادغام شده در سیستم، چندین سیستم تخصصی در آزمایشگاه‌های دولتی، و هر تعداد پلت‌فرم اندازه‌شناسی ساخته‌شده توسط دانشگاه برای اندازه‌گیری در مقیاس کوچک هستند.اگرچه این ماشین‌ها پلتفرم‌های اندازه‌شناسی خوب و در بسیاری از موارد عالی با مقیاس‌های نانومتریک هستند، محدودیت اصلی آنها یک کاوشگر میکرو/نانو قابل اعتماد، قوی و با قابلیت است.^{[استناد مورد نیاز است]}چالش‌های فناوری‌های کاوشگر در مقیاس میکرو شامل نیاز به یک کاوشگر با نسبت تصویر بالا است که توانایی دسترسی به ویژگی‌های عمیق و باریک با نیروهای تماس کم را دارد تا به سطح و دقت بالا (سطح نانومتری) آسیب وارد نشود.^{[استناد مورد نیاز است]}علاوه بر این، کاوشگرهای ریزمقیاس به شرایط محیطی مانند رطوبت و فعل و انفعالات سطحی مانند چسبندگی (ناشی از چسبندگی، منیسک، و/یا نیروهای واندروالس) حساس هستند.^{[استناد مورد نیاز است]}

فن آوری هایی برای دستیابی به کاوشگر در مقیاس میکرو شامل نسخه کوچک شده پروب های CMM کلاسیک، پروب های نوری و پروب موج ایستاده در میان سایر موارد است.با این حال، فناوری‌های نوری کنونی را نمی‌توان برای اندازه‌گیری ویژگی‌های عمیق و باریک به اندازه کافی کوچک کرد و وضوح نوری با طول موج نور محدود می‌شود.تصویربرداری اشعه ایکس تصویری از این ویژگی را ارائه می دهد اما اطلاعات اندازه گیری قابل ردیابی ندارد.

اصول فیزیکی

می توان از پروب های نوری و/یا پروب های لیزری (در صورت امکان به صورت ترکیبی) استفاده کرد که CMM ها را به میکروسکوپ های اندازه گیری یا ماشین های اندازه گیری چند سنسوری تغییر می دهند.سیستم‌های پرتاب‌کن حاشیه‌ای، سیستم‌های مثلث‌سازی تئودولیت یا سیستم‌های دور و مثلث لیزری، ماشین‌های اندازه‌گیری نامیده نمی‌شوند، اما نتیجه اندازه‌گیری یکسان است: یک نقطه فضایی.کاوشگرهای لیزری برای تشخیص فاصله بین سطح و نقطه مرجع در انتهای زنجیره سینماتیکی (یعنی انتهای جزء Z-drive) استفاده می‌شوند.این می تواند از یک تابع تداخل سنجی، تغییر فوکوس، انحراف نور یا یک اصل سایه پرتو استفاده کند.

دستگاه های اندازه گیری مختصات قابل حمل

در حالی که CMM های سنتی از یک کاوشگر استفاده می کنند که روی سه محور دکارتی حرکت می کند تا ویژگی های فیزیکی یک جسم را اندازه گیری کند، CMM های قابل حمل از بازوهای مفصلی یا در مورد CMM های نوری از سیستم های اسکن بدون بازو استفاده می کنند که از روش های مثلث سازی نوری استفاده می کنند و آزادی کامل حرکت را امکان پذیر می کنند. اطراف جسم

CMM های قابل حمل با بازوهای مفصلی دارای شش یا هفت محور هستند که به جای محورهای خطی به رمزگذارهای چرخشی مجهز هستند.بازوهای قابل حمل سبک وزن هستند (معمولاً کمتر از 20 پوند) و تقریباً در همه جا قابل حمل و استفاده هستند.با این حال، CMM های نوری به طور فزاینده ای در صنعت استفاده می شوند.CMM های نوری که با دوربین های فشرده خطی یا آرایه ماتریسی (مانند مایکروسافت کینکت) طراحی شده اند، کوچکتر از CMM های قابل حمل با بازو هستند، فاقد سیم هستند و کاربران را قادر می سازند تا به راحتی اندازه گیری های سه بعدی انواع اشیاء را که تقریباً در هر مکانی قرار دارند انجام دهند.

برخی از برنامه های غیر تکراری مانند مهندسی معکوس، نمونه سازی سریع و بازرسی در مقیاس بزرگ از قطعات در هر اندازه برای CMM های قابل حمل مناسب هستند.مزایای CMM های قابل حمل چند برابر است.کاربران در اندازه گیری سه بعدی انواع قطعات و در دورافتاده ترین/سخت ترین مکان ها انعطاف پذیری دارند.استفاده از آنها آسان است و برای اندازه گیری دقیق نیازی به محیط کنترل شده ندارند.علاوه بر این، CMM های قابل حمل نسبت به CMM های سنتی هزینه کمتری دارند.

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

ماشین های اندازه گیری چند سنسوری

فناوری سنتی CMM با استفاده از پروب های لمسی امروزه اغلب با سایر فناوری های اندازه گیری ترکیب می شود.این شامل حسگرهای لیزری، ویدئویی یا نور سفید برای ارائه چیزی است که به عنوان اندازه گیری چند حسگر شناخته می شود.