Wat is een coördinatenmeetmachine?

Acoördinaten meetmachine(CMM) 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 mechanisch, optisch, laser en wit licht.Afhankelijk van de machine kan de sondepositie handmatig worden bestuurd door een operator of kan deze computergestuurd zijn.CMM's specificeren doorgaans de positie van een taster in termen van zijn verplaatsing ten opzichte van een referentiepositie in een driedimensionaal Cartesisch coördinatensysteem (dwz met XYZ-assen).Naast het verplaatsen van de taster langs de X-, Y- en Z-assen, kunnen bij veel machines ook de tasterhoek worden geregeld, zodat oppervlakken kunnen worden gemeten die anders onbereikbaar zouden zijn.

De typische 3D “brug” CMM maakt sondebeweging mogelijk langs drie assen, X, Y en Z, die orthogonaal ten opzichte van elkaar staan ​​in een driedimensionaal Cartesisch coördinatensysteem.Elke as heeft een sensor die de positie van de sonde op die as bewaakt, meestal met micrometerprecisie.Wanneer de sonde een bepaalde locatie op het object raakt (of anderszins detecteert), bemonstert de machine de drie positiesensoren, waardoor de locatie van één punt op het oppervlak van het object wordt gemeten, evenals de driedimensionale vector van de uitgevoerde meting.Dit proces wordt indien nodig herhaald, waarbij de sonde elke keer wordt verplaatst, om een ​​“puntenwolk” te produceren die de betreffende oppervlaktegebieden beschrijft.

CMM's worden veel gebruikt in productie- en assemblageprocessen om een ​​onderdeel of samenstel te testen tegen de ontwerpbedoeling.In dergelijke toepassingen worden puntenwolken gegenereerd die via regressie-algoritmen worden geanalyseerd voor de constructie van kenmerken.Deze punten worden verzameld met behulp van een sonde die handmatig wordt gepositioneerd door een operator 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 omvatten drie hoofdcomponenten:

• De hoofdstructuur die drie bewegingsassen omvat.Het materiaal dat is gebruikt om het bewegende frame te construeren, is door de jaren heen gevarieerd.Graniet en staal werden gebruikt in de vroege CMM's.Tegenwoordig bouwen alle grote CMM-fabrikanten frames van een aluminiumlegering of een afgeleide daarvan en gebruiken ze ook keramiek om de stijfheid van de Z-as voor scantoepassingen te vergroten.Er zijn tegenwoordig nog maar weinig CMM-bouwers die CMM's met granieten frames produceren vanwege de marktbehoefte aan verbeterde metrologische dynamiek en de toenemende trend om CMM buiten het kwaliteitslaboratorium te installeren.Normaal gesproken produceren alleen CMM-bouwers met een laag volume en binnenlandse fabrikanten in China en India nog steeds granieten CMM vanwege de lage technologische aanpak en de gemakkelijke toegang om CMM-framebouwer te worden.De toenemende trend naar scannen vereist ook dat de CMM Z-as stijver is en dat er nieuwe materialen zijn geïntroduceerd zoals keramiek en siliciumcarbide.
• Sondesysteem
• Systeem voor gegevensverzameling en -reductie – omvat doorgaans een machinecontroller, desktopcomputer en applicatiesoftware.

Beschikbaarheid

Deze machines kunnen vrijstaand, handbediend en draagbaar zijn.

Nauwkeurigheid

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

Specifieke onderdelen

Machinelichaam

De eerste CMM werd in de jaren vijftig ontwikkeld door de Ferranti Company uit Schotland als resultaat van een directe behoefte om precisiecomponenten in hun militaire producten te meten, hoewel deze machine slechts twee assen had.De eerste 3-assige modellen verschenen in de jaren zestig (DEA in Italië) en de computerbesturing debuteerde begin jaren zeventig, maar de eerste werkende CMM werd ontwikkeld en op de markt gebracht door Browne & Sharpe in Melbourne, Engeland.(Leitz Duitsland produceerde vervolgens een vaste machineconstructie met bewegende tafel.

Bij moderne machines heeft de bovenbouw van het portaaltype twee poten en wordt deze vaak een brug genoemd.Deze beweegt vrij langs de granieten tafel met één poot (vaak de binnenpoot genoemd) en volgt een geleiderail die aan één kant van de granieten tafel is bevestigd.Het andere been (vaak het buitenbeen) rust eenvoudigweg op de granieten tafel en volgt de verticale oppervlaktecontour.Luchtlagers zijn de gekozen methode om wrijvingsvrij reizen te garanderen.Hierin wordt perslucht door een reeks zeer kleine gaatjes in een plat lageroppervlak geperst om een ​​soepel maar gecontroleerd luchtkussen te creëren waarop de CMM op een vrijwel wrijvingsloze manier kan bewegen, wat kan worden gecompenseerd door middel van software.De beweging van de brug of het portaal langs de granieten tafel vormt één as van het XY-vlak.De brug van het portaal bevat een wagen die tussen de binnen- en buitenpoten loopt en de andere horizontale X- of Y-as vormt.De derde bewegingsas (Z-as) wordt verzorgd door de toevoeging van een verticale veer of spil die op en neer beweegt door het midden van de wagen.De tastsonde vormt het sensorapparaat aan het uiteinde van de schacht.De beweging van de X-, Y- en Z-assen beschrijft volledig het meetbereik.Optionele draaitafels kunnen worden gebruikt om de toegankelijkheid van de meetsonde voor gecompliceerde werkstukken te vergroten.De draaitafel als vierde aandrijfas vergroot de meetafmetingen, die 3D blijven, niet, maar zorgt wel voor een zekere mate van flexibiliteit.Sommige tastsondes zijn zelf aangedreven roterende apparaten, waarbij de tasterpunt meer dan 180 graden verticaal kan draaien en een volledige rotatie van 360 graden kan maken.

CMM's zijn nu ook in allerlei andere vormen verkrijgbaar.Deze omvatten CMM-armen die hoekmetingen bij de gewrichten van de arm gebruiken om de positie van de styluspunt te berekenen, en kunnen worden uitgerust met sondes voor laserscanning en optische beeldvorming.Dergelijke arm-CMM's worden vaak gebruikt wanneer hun draagbaarheid een voordeel is ten opzichte van traditionele CMM's met een vast bed. Door gemeten locaties op te slaan, maakt programmeersoftware het ook mogelijk om de meetarm zelf en het meetvolume ervan rond het te meten onderdeel te bewegen tijdens een meetroutine.Omdat CMM-armen de flexibiliteit van een menselijke arm imiteren, zijn ze vaak ook in staat om de binnenkant van complexe onderdelen te bereiken die niet met een standaard drie-assige machine kunnen worden afgetast.

Mechanische sonde

In de begindagen van de coördinatenmeting (CMM) werden mechanische sondes in een speciale houder aan het uiteinde van de veer gemonteerd.Een veel voorkomende sonde werd gemaakt door een harde bal aan het uiteinde van een schacht te solderen.Dit was ideaal voor het meten van een hele reeks platte, cilindrische of bolvormige oppervlakken.Andere sondes werden tot specifieke vormen geslepen, bijvoorbeeld een kwadrant, om het meten van speciale kenmerken mogelijk te maken.Deze sondes werden fysiek tegen het werkstuk gehouden, waarbij de positie in de ruimte werd afgelezen vanaf een 3-assige digitale uitlezing (DRO) of, in meer geavanceerde systemen, werd ingelogd op een computer door middel van een voetschakelaar of een soortgelijk apparaat.Metingen die via deze contactmethode werden uitgevoerd, waren vaak onbetrouwbaar omdat machines met de hand werden verplaatst en elke machinebediener verschillende hoeveelheden druk op de sonde uitoefende of verschillende technieken voor de meting toepaste.

Een verdere ontwikkeling was de toevoeging van motoren voor het aandrijven van elke as.Operators hoefden de machine niet langer fysiek aan te raken, maar konden elke as besturen met behulp van een handbox met joysticks, op vrijwel dezelfde manier als bij moderne op afstand bestuurbare auto's.De meetnauwkeurigheid en -precisie zijn dramatisch verbeterd met de uitvinding van de elektronische schakelende meettaster.De pionier van dit nieuwe sondeapparaat was David McMurtry, die vervolgens het huidige Renishaw plc oprichtte.Hoewel het nog steeds een contactapparaat was, had de sonde een veerbelaste stalen kogel (later robijnrode bal) stylus.Toen de sonde het oppervlak van het onderdeel raakte, week de stylus af en stuurde tegelijkertijd de X-, Y-, Z-coördinaatinformatie naar de computer.Meetfouten veroorzaakt door individuele operators werden minder en de weg was vrij voor de introductie van CNC-bewerkingen en de volwassenheid van CMM's.

Optische sondes zijn lens-CCD-systemen, die net als de mechanische worden bewogen en op het interessante punt zijn gericht, in plaats van het materiaal aan te raken.Het vastgelegde beeld van het oppervlak wordt ingesloten in de randen van een meetvenster, totdat het residu voldoende is om het contrast tussen zwarte en witte zones te contrasteren.De deelcurve kan worden berekend tot een punt, het gewenste meetpunt in de ruimte.De horizontale informatie op de CCD is 2D (XY) en de verticale positie is de positie van het complete tastsysteem op de Z-drive standaard (of een ander apparaatonderdeel).

Sondesystemen scannen

Er zijn nieuwere modellen met tasters die met gespecificeerde intervallen langs het oppervlak van het onderdeel slepen en punten nemen, ook wel scanning probes genoemd.Deze methode van CMM-inspectie is vaak nauwkeuriger dan de conventionele tastmethode en meestal ook sneller.

De volgende generatie scannen, bekend als contactloos scannen, waaronder snelle laser-single-point-triangulatie, laserlijnscannen en witlichtscannen, vordert zeer snel.Deze methode maakt gebruik van laserstralen of wit licht die op het oppervlak van het onderdeel worden geprojecteerd.Er kunnen dan vele duizenden punten worden genomen en gebruikt, niet alleen om de grootte en positie te controleren, maar ook om een ​​3D-afbeelding van het onderdeel te maken.Deze “puntenwolkgegevens” kunnen vervolgens worden overgebracht naar CAD-software om een ​​werkend 3D-model van het onderdeel te creëren.Deze optische scanners worden vaak gebruikt op zachte of delicate onderdelen of om reverse engineering te vergemakkelijken.

Micrometrologische sondes

Sondeersystemen voor metrologietoepassingen op microschaal zijn een ander opkomend gebied.Er zijn verschillende in de handel verkrijgbare coördinatenmeetmachines (CMM) waarin een microsonde in het systeem is geïntegreerd, verschillende speciale systemen in overheidslaboratoria en een willekeurig aantal door de universiteit gebouwde metrologieplatforms voor metrologie op microschaal.Hoewel deze machines goede en in veel gevallen uitstekende metrologieplatforms met nanometrische schaal zijn, is hun voornaamste beperking een betrouwbare, robuuste en capabele micro/nano-sonde.^{[citaat nodig]}Uitdagingen voor sondeertechnologieën op microschaal zijn onder meer de behoefte aan een sonde met een hoge aspectverhouding die de mogelijkheid biedt om toegang te krijgen tot diepe, smalle kenmerken met lage contactkrachten om het oppervlak niet te beschadigen en hoge precisie (nanometerniveau).^{[citaat nodig]}Bovendien zijn sondes op microschaal gevoelig voor omgevingscondities zoals vochtigheid en oppervlakte-interacties zoals stictie (onder andere veroorzaakt door adhesie, meniscus en/of Van der Waals-krachten).^{[citaat nodig]}

Technologieën voor het bereiken van microschaalsondes omvatten onder meer een verkleinde versie van klassieke CMM-sondes, optische sondes en een staande golfsonde.De huidige optische technologieën kunnen echter niet klein genoeg worden geschaald om diepe, smalle kenmerken te meten, en de optische resolutie wordt beperkt door de golflengte van het licht.Röntgenfoto's geven een beeld van het kenmerk, maar geen traceerbare metrologische informatie.

Fysieke principes

Er kan gebruik worden gemaakt van optische tasters en/of lasersondes (indien mogelijk in combinatie), die CMM’s veranderen in meetmicroscopen of multi-sensor meetmachines.Randprojectiesystemen, theodoliettriangulatiesystemen of laserafstands- en triangulatiesystemen worden geen meetmachines genoemd, maar het meetresultaat is hetzelfde: een ruimtepunt.Lasersondes worden gebruikt om de afstand tussen het oppervlak en het referentiepunt aan het uiteinde van de kinematische keten (dwz: uiteinde van de Z-drive-component) te detecteren.Hierbij kan gebruik worden gemaakt van een interferometrische functie, focusvariatie, lichtafbuiging of een bundelschaduwprincipe.

Draagbare coördinatenmeetmachines

Terwijl traditionele CMM's een sonde gebruiken die langs drie cartesiaanse assen beweegt om de fysieke kenmerken van een object te meten, gebruiken draagbare CMM's gelede armen of, in het geval van optische CMM's, armvrije scansystemen die optische triangulatiemethoden gebruiken en totale bewegingsvrijheid mogelijk maken. rondom het voorwerp.

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 20 kilo) en kunnen vrijwel overal worden gedragen en gebruikt.Optische CMM's worden echter steeds vaker in de industrie gebruikt.Ontworpen met compacte lineaire of matrix-arraycamera's (zoals de Microsoft Kinect), zijn optische CMM's kleiner dan draagbare CMM's met armen, bevatten ze geen draden en kunnen gebruikers eenvoudig 3D-metingen uitvoeren van alle soorten objecten die zich vrijwel overal bevinden.

Bepaalde niet-repetitieve toepassingen zoals reverse engineering, rapid prototyping en grootschalige inspectie van onderdelen van elk formaat 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 en op de meest afgelegen/moeilijke locaties.Ze zijn gemakkelijk te gebruiken 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 handmatige bediening (er is altijd een mens nodig om ze te gebruiken).Bovendien kan hun algehele nauwkeurigheid iets minder nauwkeurig zijn dan die van een CMM van het brugtype en is deze voor sommige toepassingen minder geschikt.

Multisensor-meetmachines

Traditionele CMM-technologie met behulp van tastsystemen wordt tegenwoordig vaak gecombineerd met andere meettechnologie.Dit omvat laser-, video- of witlichtsensoren om zogenaamde multisensormetingen mogelijk te maken.