Wat is een coördinatenmeetmachine?

Acoördinaten meetmachineEen CMM (coördinatenmeetmachine) is een apparaat dat de geometrie van fysieke objecten meet door discrete punten op het oppervlak van het object te detecteren met een meetsonde. Er worden verschillende soorten meetsondes gebruikt in CMM's, waaronder mechanische, optische, laser- en witlichtsondes. Afhankelijk van de machine kan de positie van de meetsonde handmatig door een operator worden geregeld of computergestuurd zijn. CMM's specificeren de positie van een meetsonde doorgaans in termen van de verplaatsing ten opzichte van een referentiepositie in een driedimensionaal cartesiaans coördinatensysteem (d.w.z. met XYZ-assen). Naast het bewegen van de meetsonde langs de X-, Y- en Z-assen, maken veel machines het ook mogelijk om de hoek van de meetsonde te regelen, waardoor oppervlakken kunnen worden gemeten die anders onbereikbaar zouden zijn.

De typische 3D-CMM met brugfunctie maakt beweging van de meetsonde mogelijk langs drie assen: X, Y en Z. Deze assen staan ​​loodrecht op elkaar in een driedimensionaal cartesisch coördinatensysteem. Elke as heeft een sensor die de positie van de meetsonde op die as meet, meestal met een nauwkeurigheid van een micrometer. Wanneer de meetsonde een bepaalde locatie op het object raakt (of detecteert), registreert de machine de positie van de drie sensoren. Zo wordt de locatie van één punt op het oppervlak van het object gemeten, evenals de driedimensionale vector van de uitgevoerde meting. Dit proces wordt indien nodig herhaald, waarbij de meetsonde telkens wordt verplaatst, om een ​​puntenwolk te genereren die de te meten oppervlaktegebieden beschrijft.

Een veelvoorkomend gebruik van CMM's is in productie- en assemblageprocessen om een ​​onderdeel of assemblage te testen aan de hand van het ontwerp. In dergelijke toepassingen worden puntenwolken gegenereerd die via regressiealgoritmen worden geanalyseerd om kenmerken te construeren. Deze punten worden verzameld met behulp van een meetsonde die handmatig door een operator wordt gepositioneerd of automatisch via Direct Computer Control (DCC). DCC CMM's kunnen worden geprogrammeerd om herhaaldelijk identieke onderdelen te meten; een geautomatiseerde CMM is dus een gespecialiseerde vorm van industriële robot.

Onderdelen

Coördinatenmeetmachines bestaan ​​uit drie hoofdonderdelen:

• De hoofdstructuur omvat drie bewegingsassen. Het materiaal dat gebruikt wordt voor de constructie van het bewegende frame 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 aluminiumlegering of een afgeleide daarvan en gebruiken ze ook keramiek om de stijfheid van de Z-as te vergroten voor scantoepassingen. Weinig CMM-bouwers produceren tegenwoordig nog CMM's met een granieten frame vanwege de marktvraag naar verbeterde meetdynamiek en de toenemende trend om CMM's buiten het kwaliteitslaboratorium te installeren. Doorgaans produceren alleen kleine CMM-bouwers en binnenlandse fabrikanten in China en India nog steeds CMM's met een granieten frame vanwege de eenvoudige technologie en de gemakkelijke toegang tot de markt voor CMM-framebouw. ​​De toenemende trend naar scannen vereist ook een stijvere Z-as voor de CMM, en daarom zijn er nieuwe materialen geïntroduceerd, zoals keramiek en siliciumcarbide.
• Meetsysteem
• Een systeem voor gegevensverzameling en -verwerking omvat doorgaans een machinecontroller, een desktopcomputer en applicatiesoftware.

Beschikbaarheid

Deze apparaten kunnen vrijstaand, handzaam en draagbaar zijn.

Nauwkeurigheid

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

Specifieke onderdelen

Machinebehuizing

De eerste CMM werd in de jaren 50 ontwikkeld door het Schotse bedrijf Ferranti, als gevolg van de directe behoefte om precisieonderdelen in hun militaire producten te meten. Deze machine had echter slechts twee assen. De eerste drie-assige modellen verschenen in de jaren 60 (DEA uit Italië) en computerbesturing deed zijn intrede 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 machine met een vaste structuur en een beweegbare tafel.)

Bij moderne machines heeft de portaalconstructie 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 zijde van de tafel is bevestigd. De tegenoverliggende poot (vaak de buitenpoot) rust eenvoudig op de granieten tafel en volgt de verticale contouren van het oppervlak. Luchtlagers zijn de gekozen methode om wrijvingsloze beweging te garanderen. Hierbij wordt perslucht door een reeks zeer kleine gaatjes in een vlak lageroppervlak geperst, waardoor een soepel maar gecontroleerd luchtkussen ontstaat waarop de CMM vrijwel wrijvingsloos kan bewegen. Deze wrijving kan via software worden gecompenseerd. De beweging van de brug of portaalconstructie over de granieten tafel vormt één as in het XY-vlak. De brug van de portaalconstructie bevat een slede die tussen de binnen- en buitenpoot beweegt en de andere horizontale X- of Y-as vormt. De derde bewegingsas (Z-as) wordt gevormd door een verticale spindel die op en neer beweegt door het midden van de slede. De taster vormt het meetinstrument aan het uiteinde van de meetpen. De beweging van de X-, Y- en Z-assen beschrijft het meetbereik volledig. Optionele draaitafels kunnen worden gebruikt om de meetsonde beter toegankelijk te maken voor complexe werkstukken. De draaitafel als vierde aandrijfas vergroot de meetafmetingen niet, die driedimensionaal blijven, maar biedt wel een zekere mate van flexibiliteit. Sommige tasters zijn zelf aangedreven roterende apparaten waarbij de punt van de taster verticaal meer dan 180 graden en 360 graden kan draaien.

CMM's zijn nu ook verkrijgbaar in diverse andere uitvoeringen. Denk bijvoorbeeld aan CMM-armen die hoekmetingen bij de gewrichten gebruiken om de positie van de stylus te berekenen. Deze armen kunnen worden uitgerust met probes 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 gemeten locaties op te slaan, maakt programmeersoftware het mogelijk om de meetarm zelf, inclusief het meetvolume, tijdens een meetprocedure 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 drie-assige machine te meten zijn.

Mechanische sonde

In de beginjaren van coördinatenmeetmachines (CMM) werden mechanische meetsondes in een speciale houder aan het uiteinde van de spindel gemonteerd. Een veelgebruikte sonde werd gemaakt door een harde kogel aan het uiteinde van een as te solderen. Deze was ideaal voor het meten van een breed scala aan vlakke, cilindrische of bolvormige oppervlakken. Andere sondes werden in specifieke vormen geslepen, bijvoorbeeld een kwadrant, om het meten van bijzondere kenmerken mogelijk te maken. Deze sondes werden fysiek tegen het werkstuk gedrukt, waarbij de positie in de ruimte werd afgelezen van een 3-assige digitale uitlezing (DRO) of, in meer geavanceerde systemen, werd vastgelegd in een computer met behulp van een voetschakelaar of een soortgelijk apparaat. Metingen met deze contactmethode waren vaak onbetrouwbaar, omdat machines handmatig werden verplaatst en elke machineoperator een andere druk op de sonde uitoefende of verschillende meettechnieken hanteerde.

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 bedienen met een handbediening met joysticks, vergelijkbaar met moderne radiografisch bestuurbare auto's. De meetnauwkeurigheid en precisie verbeterden aanzienlijk met de uitvinding van de elektronische taster. De pionier van dit nieuwe apparaat was David McMurtry, die later het huidige Renishaw plc oprichtte. Hoewel het nog steeds een contactapparaat was, had de taster een veerbelaste stalen kogel (later een robijnrode kogel) als stylus. Zodra de taster het oppervlak van het onderdeel raakte, boog de stylus af en verstuurde 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 meetprobes zijn lens-CCD-systemen die, net als mechanische probes, worden bewogen en op het te meten punt worden gericht in plaats van het materiaal aan te raken. Het vastgelegde beeld van het oppervlak wordt binnen de randen van een meetvenster weergegeven, totdat er voldoende contrast is tussen zwarte en witte zones. De scheidingscurve kan worden berekend tot een punt, dat 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 meetsysteem op de Z-aandrijving van de statief (of een ander apparaatonderdeel).

Scanning probesystemen

Er zijn nieuwere modellen met meetprobes die over het oppervlak van het werkstuk bewegen en op vooraf bepaalde intervallen meetpunten vastleggen. Deze methode van CMM-inspectie is vaak nauwkeuriger dan de conventionele methode met tastprobes en meestal ook sneller.

De volgende generatie scantechnieken, bekend als contactloos scannen, waaronder snelle laser-éénpuntstriangulatie, laserlijnscanning en witlichtscanning, ontwikkelt zich razendsnel. Bij deze methode worden laserstralen of wit licht op het oppervlak van het onderdeel geprojecteerd. Duizenden punten kunnen vervolgens worden vastgelegd, die niet alleen worden gebruikt om de grootte en positie te controleren, maar ook om een ​​3D-beeld van het onderdeel te creëren. Deze "puntenwolkdata" kunnen vervolgens worden overgezet naar CAD-software om een ​​werkend 3D-model van het onderdeel te maken. Deze optische scanners worden vaak gebruikt voor zachte of delicate onderdelen of om reverse engineering te vergemakkelijken.

Micrometrische sondes

Meetsystemen voor micrometrologie vormen een ander opkomend gebied. Er zijn diverse commercieel verkrijgbare coördinatenmeetmachines (CMM's) met een geïntegreerde microsonde, verschillende gespecialiseerde systemen in overheidslaboratoria en talloze door universiteiten gebouwde meetplatformen voor micrometrologie. Hoewel deze machines goede en in veel gevallen uitstekende meetplatformen zijn met nanometrische schalen, is hun voornaamste beperking een betrouwbare, robuuste en capabele micro-/nanosonde.^{[bronvermelding vereist]}Uitdagingen voor micro-sondeertechnologieën zijn onder meer de behoefte aan een sonde met een hoge aspectverhouding, die het mogelijk maakt om diepe, smalle structuren te bereiken met lage contactkrachten om het oppervlak niet te beschadigen, en een hoge precisie (nanometerniveau).^{[bronvermelding vereist]}Daarnaast zijn micro-sondes gevoelig voor omgevingsfactoren zoals vochtigheid en oppervlakte-interacties zoals adhesie (veroorzaakt door adhesie, meniscus- en/of Van der Waals-krachten, onder andere).^{[bronvermelding vereist]}

Technologieën voor het meten van structuren op microschaal omvatten onder andere verkleinde versies van klassieke CMM-sondes, optische sondes en een staande-golfsonde. De huidige optische technologieën kunnen echter niet klein genoeg worden gemaakt om diepe, smalle structuren te meten, en de optische resolutie wordt beperkt door de golflengte van het licht. Röntgenbeeldvorming levert een afbeelding van de structuur, maar geen traceerbare meetinformatie.

Fysische principes

Optische en/of laserprobes kunnen worden gebruikt (indien mogelijk in combinatie), waardoor CMM's veranderen in meetmicroscopen of multisensor-meetmachines. Franjeprojectiesystemen, theodoliettriangulatiesystemen of laser-afstands- en triangulatiesystemen worden geen meetmachines genoemd, maar het meetresultaat is hetzelfde: een punt in de ruimte. Laserprobes 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-aandrijving) te detecteren. Dit kan gebruikmaken van een interferometrische functie, focusvariatie, lichtafbuiging of een straalschaduwprincipe.

Draagbare coördinatenmeetmachines

Waar traditionele CMM's een sonde gebruiken die langs drie Cartesiaanse assen beweegt om de fysieke eigenschappen van een object te meten, gebruiken draagbare CMM's ofwel gelede armen of, in het geval van optische CMM's, armloze scansystemen die gebruikmaken van optische triangulatiemethoden en volledige bewegingsvrijheid rond het object mogelijk maken.

Draagbare CMM's met gelede armen hebben zes of zeven assen die zijn uitgerust met roterende encoders in plaats van lineaire assen. Draagbare armen zijn licht van gewicht (doorgaans minder dan 9 kg) en kunnen vrijwel overal worden meegenomen en gebruikt. Optische CMM's worden echter steeds vaker in de industrie gebruikt. Ontworpen met compacte lineaire of matrixcamera's (zoals de Microsoft Kinect), zijn optische CMM's kleiner dan draagbare CMM's met armen, hebben geen kabels en stellen gebruikers in staat om eenvoudig 3D-metingen uit te voeren van allerlei 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 van alle soorten onderdelen, zelfs op de meest afgelegen/moeilijk bereikbare locaties. Ze zijn gebruiksvriendelijk en vereisen geen gecontroleerde omgeving voor nauwkeurige metingen. Bovendien zijn draagbare CMM's doorgaans goedkoper dan traditionele CMM's.

De nadelen van draagbare CMM's zijn onder andere de handmatige bediening (ze vereisen altijd een mens om ze te gebruiken). Bovendien kan hun algehele nauwkeurigheid iets lager zijn dan die van een brug-CMM, waardoor ze minder geschikt zijn voor sommige toepassingen.

Multisensor-meetmachines

De traditionele CMM-technologie met tastprobes wordt tegenwoordig vaak gecombineerd met andere meettechnologieën. Denk hierbij aan laser-, video- of witlichtsensoren, om zo te komen tot wat bekend staat als multisensormeting.