Wat is een coördinatenmeetmachine?

AcoördinatenmeetmachineEen CMM (Current Control System) is een apparaat dat de geometrie van fysieke objecten meet door met een sonde discrete punten op het oppervlak van het object te detecteren. In CMM's worden verschillende soorten sondes gebruikt, waaronder mechanische, optische, laser- en witlichtsondes. Afhankelijk van de machine kan de sondepositie handmatig door een operator of computergestuurd worden ingesteld. CMM's specificeren de positie van een sonde doorgaans in termen van de verplaatsing ten opzichte van een referentiepositie in een driedimensionaal cartesisch coördinatensysteem (d.w.z. met XYZ-assen). Naast het verplaatsen van de sonde langs de X-, Y- en Z-as, maken veel machines ook het regelen van de sondehoek mogelijk, zodat metingen mogelijk zijn aan oppervlakken die anders onbereikbaar zouden zijn.

De typische 3D "brug" CMM maakt beweging van de taster langs drie assen mogelijk, X, Y en Z, die loodrecht op elkaar staan ​​in een driedimensionaal cartesisch coördinatensysteem. Elke as heeft een sensor die de positie van de taster op die as bewaakt, meestal met micrometerprecisie. Wanneer de taster een bepaalde locatie op het object raakt (of anderszins detecteert), bemonstert de machine de drie positiesensoren en meet zo de locatie van één punt op het oppervlak van het object, evenals de driedimensionale vector van de uitgevoerde meting. Dit proces wordt indien nodig herhaald, waarbij de taster telkens wordt verplaatst, om een ​​"puntenwolk" te produceren die de relevante oppervlakken beschrijft.

CMM's worden vaak gebruikt in productie- en assemblageprocessen om een ​​onderdeel of assemblage te testen op basis van het ontwerpdoel. In dergelijke toepassingen worden puntenwolken gegenereerd die via regressiealgoritmen worden geanalyseerd voor de constructie van kenmerken. Deze punten worden verzameld met behulp van een taster die handmatig door een operator of automatisch via Direct Computer Control (DCC) wordt gepositioneerd. DCC-CMM's kunnen worden geprogrammeerd om herhaaldelijk identieke onderdelen te meten; een geautomatiseerde CMM is daarom een ​​gespecialiseerde vorm van industriële robot.

Onderdelen

Coördinatenmeetmachines bestaan ​​uit drie hoofdonderdelen:

• De hoofdstructuur, die drie bewegingsassen omvat, is in de loop der jaren gevarieerd. Graniet en staal werden gebruikt in de eerste CMM's. Tegenwoordig bouwen alle grote CMM-fabrikanten frames van aluminiumlegeringen of een afgeleide daarvan, en gebruiken ze ook keramiek om de stijfheid van de Z-as te verhogen voor scantoepassingen. Slechts weinig CMM-bouwers produceren nog CMM's met een granieten frame vanwege de marktvraag naar verbeterde metrologische dynamiek en de toenemende trend om CMM's buiten het kwaliteitslaboratorium te installeren. Doorgaans produceren alleen CMM-bouwers met een kleine oplage en binnenlandse fabrikanten in China en India nog steeds CMM's met een granieten frame vanwege de lage technologie-aanpak en de gemakkelijke toegang tot CMM-framebouwers. De toenemende trend naar scannen vereist ook dat de Z-as van de CMM stijver wordt en er zijn nieuwe materialen geïntroduceerd, zoals keramiek en siliciumcarbide.
• Meetsysteem
• Gegevensverzamelings- en -reductiesysteem — omvat doorgaans een machinecontroller, desktopcomputer en applicatiesoftware.

Beschikbaarheid

Deze machines kunnen vrijstaand, handzaam en draagbaar zijn.

Nauwkeurigheid

De nauwkeurigheid van coördinatenmeetmachines wordt doorgaans weergegeven als een onzekerheidsfactor als functie van de afstand. Voor een CMM met een meettaster heeft dit betrekking op de herhaalbaarheid van de taster en de nauwkeurigheid van de lineaire schalen. De typische herhaalbaarheid van de taster kan resulteren in metingen binnen 0,001 mm of 0,00005 inch (een halve tiende) over het gehele meetvolume. Voor 3-, 3+2- en 5-assige machines worden tasters routinematig gekalibreerd met behulp van traceerbare standaarden en wordt de machinebeweging geverifieerd met behulp van meters om de nauwkeurigheid te garanderen.

Specifieke onderdelen

Machinelichaam

De eerste CMM werd in de jaren 50 ontwikkeld door de Schotse firma Ferranti als gevolg van de directe behoefte om precisiecomponenten in hun militaire producten te meten, hoewel deze machine slechts twee assen had. De eerste modellen met drie assen verschenen in de jaren 60 (DEA in Italië) en computerbesturing maakte zijn debuut begin jaren 70, maar de eerste werkende CMM werd ontwikkeld en op de markt gebracht door Browne & Sharpe in Melbourne, Engeland. (Leitz Duitsland produceerde later een vaste machinestructuur met bewegende tafel.)

In moderne machines heeft de bovenbouw van het portaaltype twee poten en wordt vaak een brug genoemd. Deze beweegt vrij over de granieten tafel, waarbij één poot (vaak de binnenpoot genoemd) een geleiderail volgt die aan één kant van de granieten tafel is bevestigd. De tegenoverliggende poot (vaak de buitenpoot) rust eenvoudigweg op de granieten tafel en volgt de verticale oppervlaktecontour. Luchtlagers zijn de gekozen methode om wrijvingsvrije verplaatsing te garanderen. Hierbij wordt perslucht door een reeks zeer kleine gaatjes in een vlak lageroppervlak geperst om een ​​soepel maar gecontroleerd luchtkussen te creëren waarop de CMM vrijwel wrijvingsloos kan bewegen, wat softwarematig kan worden gecompenseerd. De beweging van de brug of het portaal over de granieten tafel vormt één as van het XY-vlak. De brug van het portaal bevat een wagen die tussen de binnen- en buitenpoten beweegt en de andere horizontale X- of Y-as vormt. De derde bewegingsas (Z-as) wordt gevormd door de toevoeging van een verticale pen of spindel die op en neer beweegt door het midden van de wagen. De meettaster vormt de sensor aan het uiteinde van de pen. De beweging van de X-, Y- en Z-as beschrijft het meetbereik volledig. Optionele draaitafels kunnen worden gebruikt om de bereikbaarheid van de meettaster voor complexe werkstukken te verbeteren. De draaitafel als vierde aandrijfas verbetert de meetafmetingen niet, die 3D blijven, maar biedt wel een zekere mate van flexibiliteit. Sommige meettasters zijn zelf aangedreven roterende apparaten waarbij de tasterpunt verticaal meer dan 180 graden kan draaien en 360 graden kan roteren.

CMM's zijn nu ook verkrijgbaar in diverse andere vormen. Denk hierbij aan CMM-armen die hoekmetingen uitvoeren bij de gewrichten van de arm om de positie van de styluspunt te berekenen. Deze armen kunnen worden uitgerust met tasters voor laserscanning en optische beeldvorming. Dergelijke arm-CMM's worden vaak gebruikt waar hun draagbaarheid een voordeel is ten opzichte van traditionele CMM's met een vast bed. Door de meetlocaties op te slaan, maakt programmeersoftware het ook mogelijk om de meetarm zelf, en het meetvolume, tijdens een meetroutine rond het te meten onderdeel te bewegen. Omdat CMM-armen de flexibiliteit van een menselijke arm nabootsen, kunnen ze vaak ook de binnenkant van complexe onderdelen bereiken die niet met een standaard drieassige machine kunnen worden gemeten.

Mechanische sonde

In de begindagen van coördinatenmeting (CMM) werden mechanische tasters in een speciale houder aan het uiteinde van de pen gemonteerd. Een veelgebruikte taster werd gemaakt door een harde bal aan het uiteinde van een schacht te solderen. Dit was ideaal voor het meten van een breed scala aan vlakke, cilindrische of bolvormige oppervlakken. Andere tasters werden geslepen tot specifieke vormen, bijvoorbeeld een kwadrant, om het meten van speciale kenmerken mogelijk te maken. Deze tasters werden fysiek tegen het werkstuk gehouden, waarbij de positie in de ruimte werd afgelezen van een 3-assige digitale uitlezing (DRO) of, in geavanceerdere systemen, werd geregistreerd in een computer met behulp van een voetschakelaar of een vergelijkbaar apparaat. Metingen uitgevoerd met deze contactmethode waren vaak onbetrouwbaar, omdat machines met de hand werden verplaatst en elke machinebediener verschillende druk op de taster uitoefende of verschillende meettechnieken gebruikte.

Een verdere ontwikkeling was de toevoeging van motoren voor de aandrijving van elke as. Operators hoefden de machine niet langer fysiek aan te raken, maar konden elke as aandrijven met een handbox met joysticks, net zoals bij moderne, op afstand bestuurbare auto's. De meetnauwkeurigheid en precisie verbeterden aanzienlijk met de uitvinding van de elektronische schakelende taster. De pionier van dit nieuwe tasterapparaat was David McMurtry, die later Renishaw plc. oprichtte. Hoewel de taster nog steeds een contactapparaat was, had hij een stalen kogel (later een robijnrode kogel) met veermechanisme. Wanneer de taster het oppervlak van het onderdeel raakte, boog de stylus af en stuurde tegelijkertijd de X-, Y- en Z-coördinaten naar de computer. Meetfouten veroorzaakt door individuele operators namen af ​​en de weg was vrijgemaakt voor de introductie van CNC-bewerkingen en de opkomst van CMM's.

Optische tasters zijn lens-CCD-systemen die net als mechanische tasters worden bewogen en gericht zijn op het te onderzoeken punt, in plaats van het materiaal te raken. Het opgenomen beeld van het oppervlak wordt ingesloten binnen de randen van een meetvenster, totdat het residu voldoende contrast geeft tussen zwarte en witte zones. De deelcurve kan worden berekend tot een punt, wat het gewenste meetpunt in de ruimte is. De horizontale informatie op de CCD is 2D (XY) en de verticale positie is de positie van het complete tastersysteem op de Z-drive van het statief (of een ander onderdeel van het apparaat).

Scannende probesystemen

Er zijn nieuwere modellen met tasters die over het oppervlak van het onderdeel slepen en op specifieke intervallen punten vastleggen, zogenaamde scannende tasters. Deze methode van CMM-inspectie is vaak nauwkeuriger dan de conventionele tastermethode en meestal ook sneller.

De volgende generatie scanning, bekend als contactloos scannen, waaronder snelle laser single point triangulatie, laserlijnscanning en witlichtscanning, ontwikkelt zich razendsnel. Deze methode maakt gebruik van laserstralen of wit licht die op het oppervlak van het onderdeel worden geprojecteerd. Vervolgens kunnen duizenden punten worden gemeten en gebruikt om niet alleen de grootte en positie te controleren, maar ook om een ​​3D-afbeelding van het onderdeel te maken. Deze "puntenwolkdata" kan vervolgens worden overgezet naar CAD-software om een ​​werkend 3D-model van het onderdeel te maken. Deze optische scanners worden vaak gebruikt op zachte of delicate onderdelen of om reverse engineering te vergemakkelijken.

Micrometrologie-sondes

Meetsystemen voor microschaalmetrologietoepassingen zijn een ander opkomend gebied. Er zijn verschillende commercieel verkrijgbare coördinatenmeetmachines (CMM's) met een geïntegreerde microsonde, diverse speciale systemen in overheidslaboratoria en talloze door universiteiten gebouwde metrologieplatforms voor microschaalmetrologie. Hoewel deze machines goede en in veel gevallen uitstekende metrologieplatforms zijn met nanometrische schalen, is hun belangrijkste beperking een betrouwbare, robuuste en capabele micro-/nanosonde.^{[bronvermelding nodig]}Uitdagingen voor microscopische meettechnologieën zijn onder meer de behoefte aan een sonde met een hoge aspectverhouding waarmee diepe, smalle structuren bereikt kunnen worden met lage contactkrachten, zodat het oppervlak niet beschadigd raakt, en met een hoge precisie (nanometerniveau).^{[bronvermelding nodig]}Bovendien zijn microscopische probes gevoelig voor omgevingsomstandigheden zoals vochtigheid en oppervlakte-interacties zoals stictie (veroorzaakt door onder andere adhesie, meniscus en/of Van der Waals-krachten).^{[bronvermelding nodig]}

Technologieën voor microscopisch onderzoek omvatten onder andere een verkleinde versie van klassieke CMM-probes, optische probes en een staandegolfprobe. Huidige optische technologieën kunnen echter niet klein genoeg worden opgeschaald om diepe, smalle kenmerken te meten, en de optische resolutie wordt beperkt door de golflengte van het licht. Röntgenbeeldvorming levert een beeld van het kenmerk, maar geen traceerbare metrologische informatie.

Fysische principes

Optische tasters en/of lasertasters kunnen worden gebruikt (indien mogelijk in combinatie), waardoor CMM's veranderen in meetmicroscopen of multisensor-meetmachines. Fringeprojectiesystemen, theodoliettriangulatiesystemen of laser-afstands- en triangulatiesystemen worden geen meetmachines genoemd, maar het meetresultaat is hetzelfde: een ruimtepunt. Lasertasters worden gebruikt om de afstand tussen het oppervlak en het referentiepunt aan het einde van de kinematische keten (d.w.z. het einde van de Z-drive component) te bepalen. Dit kan gebruikmaken van een interferometrische functie, focusvariatie, lichtafbuiging of een principe van bundelschaduwing.

Draagbare coördinatenmeetmachines

Traditionele CMM's maken gebruik van een sonde die over drie cartesiaanse assen beweegt om de fysieke kenmerken van een object te meten. Draagbare CMM's maken daarentegen gebruik van gelede armen of, in het geval van optische CMM's, van scansystemen zonder armen die gebruikmaken van optische triangulatiemethoden en een totale bewegingsvrijheid rond het object mogelijk maken.

Draagbare CMM's met scharnierende armen hebben zes of zeven assen die zijn uitgerust met roterende encoders in plaats van lineaire assen. Draagbare armen zijn lichtgewicht (doorgaans minder dan 9 kg) en kunnen vrijwel overal worden gedragen en gebruikt. Optische CMM's worden echter steeds vaker in de industrie gebruikt. Ze zijn ontworpen met compacte lineaire of matrixcamera's (zoals de Microsoft Kinect), zijn kleiner dan draagbare CMM's met armen, hebben geen kabels en stellen gebruikers in staat om eenvoudig 3D-metingen uit te voeren aan allerlei soorten objecten, vrijwel overal.

Bepaalde niet-repetitieve toepassingen, zoals reverse engineering, rapid prototyping en grootschalige inspectie van onderdelen van alle formaten, zijn bij uitstek geschikt voor draagbare CMM's. De voordelen van draagbare CMM's zijn talrijk. Gebruikers hebben de flexibiliteit om 3D-metingen uit te voeren aan alle soorten onderdelen, zelfs op de meest afgelegen/moeilijke locaties. Ze zijn gebruiksvriendelijk en vereisen geen gecontroleerde omgeving om nauwkeurige metingen uit te voeren. Bovendien zijn draagbare CMM's doorgaans goedkoper dan traditionele CMM's.

De inherente nadelen van draagbare CMM's zijn de handmatige bediening (er is altijd een mens nodig om ze te bedienen). Bovendien kan hun algehele nauwkeurigheid iets minder nauwkeurig zijn dan die van een brug-CMM en zijn ze minder geschikt voor sommige toepassingen.

Multisensor-meetmachines

Traditionele CMM-technologie met tasters wordt tegenwoordig vaak gecombineerd met andere meettechnieken, zoals laser-, video- of witlichtsensoren, voor zogenaamde multisensormetingen.