Was ist die Koordinatenmessmaschine?

AKoordinatenmessmaschine(CMM) ist ein Gerät, das die Geometrie physikalischer Objekte misst, indem diskrete Punkte auf der Oberfläche des Objekts mit einer Sonde erfasst werden. Verschiedene Arten von Sonden werden in CMMs verwendet, einschließlich mechanischer, optischer, laser und weißes Licht. Abhängig von der Maschine kann die Sondenposition von einem Bediener manuell gesteuert oder computergesteuert werden. CMMs geben typischerweise die Position einer Sonde in Bezug auf ihre Verschiebung von einer Referenzposition in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem (dh mit XYZ-Achsen) an. Zusätzlich zum Verschieben der Sonde entlang der X-, Y- und Z -Achsen ermöglichen viele Maschinen auch, dass der Sondenwinkel gesteuert werden kann, um die Messung von Oberflächen zu ermöglichen, die ansonsten nicht erreichbar wären.

Das typische 3D-Brücken-CMM ermöglicht die Sondenbewegung entlang von drei Achsen, x, y und z, die in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem orthogonal zueinander sind. Jede Achse hat einen Sensor, der die Position der Sonde auf dieser Achse überwacht, typischerweise mit der Mikrometer -Präzision. Wenn die Sondenkontakte (oder anderweitig erfasst) eine bestimmte Position auf dem Objekt, messen die Maschine die drei Positionssensoren, wodurch die Position eines Punktes auf der Oberfläche des Objekts sowie der dreidimensionale Vektor der ergriffenen Messung gemessen wird. Dieser Vorgang wird nach Bedarf wiederholt, die Sonde jedes Mal bewegt, um eine „Punktwolke“ zu erzeugen, die die interessierenden Oberflächen beschreibt.

Eine häufige Verwendung von CMMs erfolgt in Herstellungs- und Montageprozessen, um einen Teil oder eine Baugruppe gegen die Konstruktionsabsicht zu testen. In solchen Anwendungen werden Punktwolken erzeugt, die über Regressionsalgorithmen für den Bau von Merkmalen analysiert werden. Diese Punkte werden unter Verwendung einer Sonde verwendet, die von einem Bediener oder automatisch über Direct Computer Control (DCC) manuell positioniert wird. DCC -CMMs können so programmiert werden, dass identische Teile wiederholt messen. Somit ist ein automatisiertes CMM eine spezielle Form des Industrieroboters.

Teile

Zu den Koordinatenmessmaschinen gehören drei Hauptkomponenten:

• Die Hauptstruktur, die drei Bewegungsachsen enthält. Das zum Bau des sich bewegende Rahmen verwendete Material ist im Laufe der Jahre variiert. Granit und Stahl wurden in den frühen CMMs verwendet. Heutzutage bauen alle wichtigen CMM -Hersteller Frames aus Aluminiumlegierung oder einem Derivat und verwenden auch Keramik, um die Steifheit der Z -Achse für Scananwendungen zu erhöhen. Nur wenige CMM -Bauherren produzieren heute noch Granitrahmen -CMM, da die Marktdynamik verbessert wird und den Trend zur Installation von CMM außerhalb des Qualitätslabors zunimmt. In der Regel produzieren nur CMM -Bauherren und inländische Hersteller von CMM in China und Indien den CMM für Granit -CMM für den Granit und einen einfachen Zugang zum CMM -Rahmenbuilder. Der zunehmende Trend zum Scannen erfordert auch, dass die CMM -Z -Achse steifer ist und neue Materialien wie Keramik und Siliziumcarbid eingeführt wurden.
• Prüfsystem
• Datenerfassung und Reduktionssystem - Enthält in der Regel einen Maschinencontroller, ein Desktop -Computer und eine Anwendungssoftware.

Verfügbarkeit

Diese Maschinen können freistehend, handheld und tragbar sein.

Genauigkeit

Die Genauigkeit von Koordinatenmessmaschinen wird typischerweise als Unsicherheitsfaktor als Funktion über den Abstand angegeben. Bei einem CMM unter Verwendung einer Touchsonde bezieht sich dies auf die Wiederholbarkeit der Sonde und die Genauigkeit der linearen Skalen. Die typische Wiederholbarkeitsfähigkeit der Sonden kann zu Messungen von innerhalb von 0,001 mm oder 0,00005 Zoll (ein halbes Zehntel) über das gesamte Messvolumen führen. Für 3-, 3+2- und 5 -Achsen -Maschinen werden die Sonden routinemäßig unter Verwendung zurückverfolgbarer Standards kalibriert und die Maschinenbewegung unter Verwendung von Messgeräten verifiziert, um die Genauigkeit sicherzustellen.

Spezifische Teile

Maschinenkörper

Das erste CMM wurde in den 1950er Jahren von der Ferranti Company of Scotland als Ergebnis einer direkten Notwendigkeit entwickelt, Präzisionskomponenten in ihren militärischen Produkten zu messen, obwohl diese Maschine nur 2 Achsen hatte. Die ersten 3-Achsen-Modelle erschienen in den 1960er Jahren (DEA von Italien) und die Computerkontrolle debütierte in den frühen 1970er Jahren, aber das erste funktionierende CMM wurde entwickelt und von Browne & Sharpe in Melbourne, England, zum Verkauf angeboten. (Leitz Deutschland erzeugte anschließend eine feste Maschinenstruktur mit sich bewegender Tabelle.

In modernen Maschinen hat der Aufbautenstruktur vom Typ Gantry zwei Beine und wird oft als Brücke bezeichnet. Dies bewegt sich frei entlang des Granittischs mit einem Bein (oft als inneres Bein bezeichnet) nach einer Führungsschiene, die an einer Seite des Granittisches befestigt ist. Das gegenüberliegende Bein (oft außerhalb des Beines) liegt einfach auf dem Granittisch nach der vertikalen Oberflächenkontur. Luftlager sind die ausgewählte Methode zur Gewährleistung von Reibungsreisen. In diesen wird Druckluft durch eine Reihe sehr kleiner Löcher in einer flachen Lagerfläche gezwungen, um ein glattes, aber kontrolliertes Luftkissen zu liefern, auf dem sich das CMM in nahezu reibungsloser Weise bewegen kann, die durch Software kompensiert werden kann. Die Bewegung der Brücke oder Garde entlang des Granittisches bildet eine Achse der XY -Ebene. Die Brücke der Garderie enthält einen Wagen, der zwischen den Innen- und Außenbeinen durchquert und die andere x- oder y horizontale Achse bildet. Die dritte Bewegungsachse (Z -Achse) wird durch Zugabe einer vertikalen Feder oder einer Spindel bereitgestellt, die sich durch die Mitte des Wagens nach oben und unten bewegt. Die Berührungssonde bildet das Erfassungsgerät am Ende der Feder. Die Bewegung der x-, y- und z -Achsen beschreibt die Messhülle vollständig. Optionale Rotationstabellen können verwendet werden, um die Annäherbarkeit der Messsonde für komplizierte Werkstücke zu verbessern. Der Rotationstisch als vierte Antriebsachse verbessert nicht die Messabmessungen, die 3D verbleiben, aber ein gewisses Maß an Flexibilität. Einige Touch -Sonden sind selbst angetrieben, wobei die Sondenspitze in der Lage ist, vertikal durch mehr als 180 Grad und durch eine volle 360 ​​-Grad -Rotation zu schwenken.

CMMs sind jetzt auch in verschiedenen anderen Formen erhältlich. Dazu gehören CMM -Arme, bei denen an den Fugen des Arms an den Fugen des Arms angenommenen Winkelmessungen verwendet werden, um die Position der Stiftspitze zu berechnen, und können mit Sonden für Laser -Scan- und optische Bildgebung ausgestattet werden. Solche ARM-CMMs werden häufig verwendet, wenn ihre Tragbarkeit gegenüber herkömmlichen CMMs mit festem Bett von einem herkömmlichen festen Bett ist. Durch das Speichern von gemessenen Standorten ermöglicht die Programmiersoftware auch das Verschieben des Messarms selbst und sein Messvolumen, das während einer Messroutine gemessen wird. Da CMM -Arme die Flexibilität eines menschlichen Arms imitieren, können sie häufig auch die Innenseiten komplexer Teile erreichen, die mit einer Standardmaschine mit drei Achsen nicht untersucht werden konnten.

Mechanische Sonde

In den frühen Tagen der Koordinatenmessung (CMM) wurden mechanische Sonden am Ende der Feder in einen speziellen Inhaber eingebaut. Eine sehr häufige Sonde wurde durchgeführt, indem ein harter Ball bis zum Ende eines Schafts gelötet wurde. Dies war ideal für die Messung einer ganzen Reihe von flachen, zylindrischen oder kugelförmigen Oberflächen. Andere Sonden waren zu bestimmten Formen, beispielsweise einem Quadranten, gemahlen, um die Messung von Besonderheiten zu ermöglichen. Diese Sonden wurden physisch gegen das Werkstück gehalten, wobei die Position im Weltraum aus einer digitalen 3-Achsen-digitalen Anzeige (DRO) oder in fortgeschritteneren Systemen durch einen Fußschalter oder ein ähnliches Gerät auf einem Computer angemeldet wurde. Die von dieser Kontaktmethode durchgeführten Messungen waren häufig unzuverlässig, da die Maschinen von Hand bewegt wurden und jeder Maschinenbetreiber unterschiedliche Druckmengen auf die Sonde oder angewandte unterschiedliche Techniken für die Messung angewendet hatte.

Eine weitere Entwicklung war die Zugabe von Motoren für das Fahren jeder Achse. Die Bediener mussten die Maschine nicht mehr physisch berühren, sondern konnten jede Achse mit einem Handkasten mit Joysticks ähnlich wie bei modernen ferngesteuerten Autos fahren. Die Messgenauigkeit und Präzision verbesserten sich durch die Erfindung der elektronischen Touch -Trigger -Sonde dramatisch. Der Pionier dieses neuen Sondengeräts war David McMurtry, der anschließend das, was heute Renishaw Plc ist, bildete. Obwohl immer noch ein Kontaktgerät, hatte die Sonde einen federbelasteten Stahlkugel (später Rubinkugel). Als die Sonde die Oberfläche der Komponente berührte, wurde der Stift abgelenkt und gleichzeitig die Koordinaten von X, Y, Z an den Computer gesendet. Messfehler, die durch einzelne Betreiber verursacht wurden, wurden weniger und die Stadium wurde für die Einführung von CNC -Operationen und zum Kommen von CMMs eingestellt.

Optische Sonden sind Linsen-CCD-Systeme, die wie die mechanischen bewegt werden und auf den Punkt des Interesses abzielen, anstatt das Material zu berühren. Das erfasste Bild der Oberfläche wird in die Grenzen eines Messfensters eingeschlossen, bis der Rückstand ausreicht, um zwischen Schwarz -Weiß -Zonen zu kontrastieren. Die Trennkurve kann bis zu einem Punkt berechnet werden, der den gewünschten Messpunkt im Raum ist. Die horizontalen Informationen auf dem CCD sind 2D (XY) und die vertikale Position ist die Position des vollständigen Prüfsystems am Stand Z-Drive (oder anderer Gerätekomponente).

Scan -Sondensysteme

Es gibt neuere Modelle, die Sonden haben, die in festgelegten Intervallen, die als Scan -Sonden bezeichnet werden, auf der Oberfläche des Teils ziehen. Diese Methode der CMM-Inspektion ist oft genauer als die herkömmliche Touch-Probe-Methode und auch schneller.

Die nächste Generation von Scannen, die als nicht -kontaktes Scannen bezeichnet wird und die Triangulation mit Hochgeschwindigkeits -Laser -Einzelpunkten, Laserlinienscanning und weißes Lichtscanning umfasst, geht sehr schnell voran. Diese Methode verwendet entweder Laserstrahlen oder weißes Licht, die gegen die Oberfläche des Teils projiziert werden. Anschließend können viele Tausende von Punkten genommen und nicht nur verwendet werden, um die Größe und Position zu überprüfen, sondern auch ein 3D -Bild des Teils zu erstellen. Diese „Punkt-Cloud-Daten“ kann dann an CAD-Software übertragen werden, um ein funktionierendes 3D-Modell des Teils zu erstellen. Diese optischen Scanner werden häufig an weichen oder empfindlichen Teilen oder zur Erleichterung der Reverse Engineering verwendet.

Mikrometrologische Sonden

Prüfsysteme für mikroskalige Metrologieanwendungen sind ein weiterer aufstrebender Bereich. Es gibt mehrere im Handel erhältliche Koordinatenmessgeräte (CMM), die in das System, mehrere Spezialsysteme in staatlichen Labors und eine beliebige Anzahl von Universitätsmetrologieplattformen für mikroskalige Metrologie integriert sind. Obwohl diese Maschinen gut und in vielen Fällen ausgezeichnete Metrologieplattformen mit nanometrischen Skalen sind, ist ihre Hauptbeschränkung eine zuverlässige, robuste, fähige Mikro-/Nano -Sonde.^{[Zitat benötigt]}Zu den Herausforderungen für mikroskalige Prüftechnologien gehören die Notwendigkeit einer hohen Seitenverhältnis -Sonde, die die Möglichkeit gibt, auf tiefe, enge Merkmale mit niedrigen Kontaktkräften zuzugreifen, um die Oberfläche und die hohe Präzision nicht zu beschädigen (Nanometer -Niveau).^{[Zitat benötigt]}Zusätzlich sind mikroskalige Sonden anfällig für Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit und Oberflächenwechselwirkungen wie Striktion (verursacht durch Adhäsion, Meniskus und/oder Van der Waals).^{[Zitat benötigt]}

Zu den Technologien zur Erzielung mikroskaliger Prüfung gehören unter anderem eine skalierte Down -Version klassischer CMM -Sonden, optische Sonden und eine stehende Wellensonde. Aktuelle optische Technologien können jedoch nicht klein genug skaliert werden, um das tiefe, enge Merkmal zu messen, und die optische Auflösung wird durch die Wellenlänge des Lichts begrenzt. Die Röntgenbildgebung bietet ein Bild der Funktion, aber keine nachvollziehbaren Metrologieinformationen.

Physikalische Prinzipien

Optische Sonden und/oder Lasersonden können verwendet werden (wenn möglich in Kombination), die CMMs in Messung von Mikroskopen oder Multi-Sensor-Messmaschinen ändern. Randprojektionssysteme, theodolitische Triangulationssysteme oder Laser -Fern- und Triangulationssysteme werden nicht als Messgeräte bezeichnet, sondern das Messergebnis ist das gleiche: ein Raumpunkt. Lasersonden werden verwendet, um den Abstand zwischen der Oberfläche und dem Referenzpunkt am Ende der kinematischen Kette (dh Ende der Z-Drive-Komponente) zu erkennen. Dies kann eine interferometrische Funktion, Fokusvariation, Lichtablenkung oder ein Strahlschattierungsprinzip verwenden.

Tragbare Koordinaten-Messmaschinen

Während herkömmliche CMMs eine Sonde verwenden, die sich auf drei kartesischen Achsen bewegt, um die physikalischen Eigenschaften eines Objekts zu messen, verwenden tragbare CMMs entweder artikulierte Arme oder im Fall von optischen CMMs armfreie Abtastsysteme, die optische Triangulationsmethoden verwenden und die Gesamtfreiheit der Bewegung um das Objekt um das Objekt ermöglichen.

Tragbare CMMs mit artikulierten Armen haben sechs oder sieben Achsen, die mit Rotationscodierern anstelle von linearen Achsen ausgestattet sind. Tragbare Arme sind leicht (typischerweise weniger als 20 Pfund) und können fast überall getragen und verwendet werden. In der Branche werden jedoch zunehmend optische CMMs verwendet. Die optischen CMMs sind mit kompakten linearen oder Matrix -Array -Kameras (wie dem Microsoft -Kinect) entwickelt und sind kleiner als tragbare CMMs mit Armen, ohne Drähte und ermöglichen es den Benutzern, 3D -Messungen aller Arten von Objekten, die fast überall lokalisiert sind, problemlos durchzuführen.

Bestimmte nicht repetitive Anwendungen wie Reverse Engineering, schnelles Prototyping und groß angelegte Inspektion von Teilen aller Größen eignen sich ideal für tragbare CMMs. Die Vorteile von tragbaren CMMs sind mehrfach. Benutzer haben die Flexibilität bei der Durchführung von 3D -Messungen aller Arten von Teilen und an den am weitesten am weitesten entfernten Standorten. Sie sind einfach zu bedienen und benötigen keine kontrollierte Umgebung, um genaue Messungen durchzuführen. Darüber hinaus kosten tragbare CMMs weniger als herkömmliche CMMs.

Die inhärenten Kompromisse tragbaren CMMs sind manueller Betrieb (es erfordern immer, dass ein Mensch sie benutzt). Darüber hinaus kann ihre allgemeine Genauigkeit etwas weniger genau sein als die eines CMM von Brückenstyp und für einige Anwendungen weniger geeignet.

Multisensor-Messungsmaschinen

Die herkömmliche CMM -Technologie, die Touch -Sonden verwendet, wird heute häufig mit anderen Messtechnologie kombiniert. Dies schließt Laser-, Video- oder weiße Lichtsensoren ein, um eine sogenannte Multisensor -Messung bereitzustellen.