เครื่องวัดพิกัดคืออะไร?

กเครื่องวัดพิกัด(CMM) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้วัดรูปทรงเรขาคณิตของวัตถุทางกายภาพโดยการตรวจจับจุดแยกบนพื้นผิวของวัตถุด้วยโพรบมีการใช้โพรบหลายประเภทใน CMM รวมถึงแบบกลไก ออปติคอล เลเซอร์ และแสงสีขาวตำแหน่งโพรบอาจควบคุมด้วยตนเองโดยผู้ปฏิบัติงาน หรืออาจควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับเครื่องจักรโดยทั่วไป CMM จะระบุตำแหน่งของโพรบในแง่ของการกระจัดจากตำแหน่งอ้างอิงในระบบพิกัดคาร์ทีเซียนสามมิติ (เช่น ด้วยแกน XYZ)นอกจากการเคลื่อนโพรบไปตามแกน X, Y และ Z แล้ว เครื่องจักรจำนวนมากยังอนุญาตให้ควบคุมมุมของโพรบเพื่อให้สามารถวัดพื้นผิวที่ไม่สามารถเข้าถึงได้

CMM แบบ "บริดจ์" 3 มิติทั่วไปช่วยให้โพรบเคลื่อนที่ไปตามแกนสามแกน X, Y และ Z ซึ่งตั้งฉากกันในระบบพิกัดคาร์ทีเซียนสามมิติแต่ละแกนมีเซ็นเซอร์ที่ตรวจสอบตำแหน่งของโพรบบนแกนนั้น โดยทั่วไปจะมีความแม่นยำระดับไมโครมิเตอร์เมื่อโพรบสัมผัส (หรือตรวจจับ) ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งบนวัตถุ เครื่องจะสุ่มตัวอย่างเซ็นเซอร์ตำแหน่งทั้งสาม ดังนั้นการวัดตำแหน่งของจุดหนึ่งบนพื้นผิวของวัตถุ รวมถึงเวกเตอร์ 3 มิติของการวัดที่ดำเนินการกระบวนการนี้ทำซ้ำตามความจำเป็น โดยขยับโพรบทุกครั้ง เพื่อสร้าง "พอยต์คลาวด์" ซึ่งอธิบายพื้นที่ผิวที่สนใจ

การใช้งานทั่วไปของ CMM คือในกระบวนการผลิตและการประกอบเพื่อทดสอบชิ้นส่วนหรือการประกอบกับจุดประสงค์การออกแบบในแอปพลิเคชันดังกล่าว จะมีการสร้างพอยต์คลาวด์ซึ่งวิเคราะห์ผ่านอัลกอริธึมการถดถอยเพื่อสร้างคุณสมบัติจุดเหล่านี้จะถูกรวบรวมโดยใช้โพรบที่ผู้ปฏิบัติงานกำหนดตำแหน่งด้วยตนเองหรือโดยอัตโนมัติผ่านระบบควบคุมคอมพิวเตอร์โดยตรง (DCC)สามารถตั้งโปรแกรม DCC CMM ให้วัดชิ้นส่วนที่เหมือนกันซ้ำๆ ได้ดังนั้น CMM อัตโนมัติจึงเป็นรูปแบบเฉพาะของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม

อะไหล่

เครื่องวัดพิกัดประกอบด้วยองค์ประกอบหลักสามส่วน:

• โครงสร้างหลักซึ่งประกอบด้วยแกนการเคลื่อนที่สามแกนวัสดุที่ใช้สร้างโครงแบบเคลื่อนย้ายได้แตกต่างกันไปในแต่ละปีหินแกรนิตและเหล็กถูกนำมาใช้ใน CMM ยุคแรกในปัจจุบัน ผู้ผลิต CMM รายใหญ่ทุกรายสร้างเฟรมจากอะลูมิเนียมอัลลอยด์หรืออนุพันธ์บางส่วน และยังใช้เซรามิกเพื่อเพิ่มความแข็งของแกน Z สำหรับการสแกนอีกด้วยผู้สร้าง CMM ไม่กี่รายในปัจจุบันยังคงผลิต CMM เฟรมหินแกรนิต เนื่องจากความต้องการของตลาดสำหรับการเปลี่ยนแปลงด้านมาตรวิทยาที่ดีขึ้น และแนวโน้มที่เพิ่มขึ้นในการติดตั้ง CMM นอกห้องปฏิบัติการคุณภาพโดยทั่วไปแล้ว เฉพาะผู้สร้าง CMM ปริมาณต่ำและผู้ผลิตในประเทศในจีนและอินเดียเท่านั้นที่ยังคงผลิตหินแกรนิต CMM เนื่องจากแนวทางเทคโนโลยีต่ำและง่ายต่อการกลายเป็นผู้สร้างเฟรม CMMแนวโน้มการสแกนที่เพิ่มขึ้นยังกำหนดให้แกน CMM Z มีความแข็งมากขึ้น และมีการนำวัสดุใหม่ๆ มาใช้ เช่น เซรามิกและซิลิคอนคาร์ไบด์
• ระบบการตรวจวัด
• ระบบรวบรวมและลดข้อมูล — โดยทั่วไปจะประกอบด้วยตัวควบคุมเครื่องจักร คอมพิวเตอร์เดสก์ท็อป และแอพพลิเคชั่นซอฟต์แวร์

ความพร้อมใช้งาน

เครื่องจักรเหล่านี้สามารถตั้งได้อย่างอิสระ พกพาสะดวก และพกพาได้

ความแม่นยำ

ความแม่นยำของเครื่องวัดพิกัดมักจะถูกกำหนดเป็นปัจจัยความไม่แน่นอนเป็นฟังก์ชันเหนือระยะทางสำหรับ CMM ที่ใช้โพรบแบบสัมผัส จะสัมพันธ์กับความสามารถในการทำซ้ำของโพรบและความแม่นยำของสเกลเชิงเส้นความสามารถในการทำซ้ำของโพรบโดยทั่วไปอาจส่งผลให้มีการวัดภายใน .001 มม. หรือ .00005 นิ้ว (ครึ่งในสิบ) ของปริมาตรการวัดทั้งหมดสำหรับเครื่องจักร 3, 3+2 และ 5 แกน โพรบจะได้รับการสอบเทียบเป็นประจำโดยใช้มาตรฐานที่ตรวจสอบย้อนกลับได้ และการเคลื่อนไหวของเครื่องจักรจะได้รับการตรวจสอบโดยใช้เกจเพื่อให้มั่นใจถึงความแม่นยำ

เฉพาะส่วน

ตัวเครื่อง

CMM แรกได้รับการพัฒนาโดยบริษัท Ferranti แห่งสกอตแลนด์ในช่วงทศวรรษ 1950 โดยเป็นผลจากความต้องการโดยตรงในการวัดส่วนประกอบที่มีความแม่นยำในผลิตภัณฑ์ทางการทหาร แม้ว่าเครื่องจักรนี้จะมีเพียง 2 แกนก็ตามโมเดล 3 แกนแรกเริ่มปรากฏในปี 1960 (DEA ของอิตาลี) และระบบควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์เปิดตัวในต้นปี 1970 แต่ CMM ที่ใช้งานได้ตัวแรกได้รับการพัฒนาและวางจำหน่ายโดย Browne & Sharpe ในเมลเบิร์น ประเทศอังกฤษ(ต่อมาบริษัท Leitz Germany ได้ผลิตโครงสร้างเครื่องจักรแบบตายตัวพร้อมโต๊ะเคลื่อนที่)

ในเครื่องจักรสมัยใหม่ โครงสร้างส่วนบนแบบโครงสำหรับตั้งสิ่งของมีสองขาและมักเรียกว่าสะพานสิ่งนี้จะเคลื่อนที่อย่างอิสระไปตามโต๊ะหินแกรนิตด้วยขาข้างหนึ่ง (มักเรียกว่าขาด้านใน) ตามรางนำที่ติดอยู่ด้านหนึ่งของโต๊ะหินแกรนิตขาตรงข้าม (มักอยู่ด้านนอก) วางอยู่บนโต๊ะหินแกรนิตตามแนวพื้นผิวแนวตั้งตลับลูกปืนลมเป็นวิธีการที่เลือกใช้เพื่อให้มั่นใจถึงการเคลื่อนที่ที่ไร้แรงเสียดทานในสิ่งเหล่านี้ อากาศอัดจะถูกบังคับผ่านรูเล็กๆ จำนวนมากในพื้นผิวลูกปืนที่เรียบเพื่อให้เบาะลมที่ราบรื่นแต่ได้รับการควบคุม ซึ่ง CMM สามารถเคลื่อนที่ในลักษณะที่แทบไม่มีแรงเสียดทาน ซึ่งสามารถชดเชยได้ผ่านซอฟต์แวร์การเคลื่อนที่ของสะพานหรือโครงสำหรับตั้งสิ่งของไปตามโต๊ะหินแกรนิตทำให้เกิดแกนหนึ่งของระนาบ XYสะพานของโครงสำหรับตั้งสิ่งของมีรถม้าซึ่งเคลื่อนที่ระหว่างขาด้านในและด้านนอกและสร้างแกนแนวนอน X หรือ Y อีกแกนแกนที่สามของการเคลื่อนที่ (แกน Z) มีให้โดยการเพิ่มปากกาหรือแกนหมุนแนวตั้งซึ่งเคลื่อนที่ขึ้นและลงผ่านศูนย์กลางของแคร่หัววัดแบบสัมผัสจะสร้างอุปกรณ์ตรวจจับที่ปลายปากกาขนนกการเคลื่อนที่ของแกน X, Y และ Z อธิบายขอบเขตการวัดได้ครบถ้วนสามารถใช้โต๊ะหมุนเสริมเพื่อเพิ่มความสามารถในการเข้าถึงของโพรบวัดกับชิ้นงานที่ซับซ้อนได้โต๊ะหมุนที่เป็นแกนขับเคลื่อนที่สี่ไม่ได้เพิ่มขนาดการวัด ซึ่งยังคงเป็น 3 มิติ แต่ให้ความยืดหยุ่นในระดับหนึ่งหัววัดแบบสัมผัสบางรุ่นเป็นอุปกรณ์แบบหมุนที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเอง โดยปลายหัววัดสามารถหมุนในแนวตั้งได้มากกว่า 180 องศา และผ่านการหมุนได้ 360 องศาเต็ม

ขณะนี้ CMM ยังมีให้บริการในรูปแบบอื่นๆ ที่หลากหลายอีกด้วยซึ่งรวมถึงแขน CMM ที่ใช้การวัดเชิงมุมที่ข้อต่อของแขนเพื่อคำนวณตำแหน่งของปลายสไตลัส และสามารถติดตั้งหัววัดสำหรับการสแกนด้วยเลเซอร์และการถ่ายภาพด้วยแสงได้CMM แบบแขนดังกล่าวมักใช้ในกรณีที่ความสามารถในการพกพามีข้อได้เปรียบเหนือ CMM แบบฐานคงที่แบบเดิม โดยการจัดเก็บตำแหน่งที่วัด ซอฟต์แวร์การเขียนโปรแกรมยังทำให้สามารถเคลื่อนย้ายแขนวัดและปริมาตรการวัดรอบๆ ชิ้นส่วนที่จะวัดในระหว่างขั้นตอนการวัดเนื่องจากแขน CMM เลียนแบบความยืดหยุ่นของแขนมนุษย์ จึงมักจะสามารถเข้าถึงด้านในของชิ้นส่วนที่ซับซ้อนซึ่งไม่สามารถตรวจสอบได้โดยใช้เครื่องสามแกนมาตรฐาน

หัววัดทางกล

ในช่วงแรกๆ ของการวัดพิกัด (CMM) มีการติดตั้งหัววัดเชิงกลเข้ากับที่ยึดพิเศษที่ปลายปากกาโพรบทั่วไปทำโดยการบัดกรีลูกบอลแข็งที่ปลายเพลาซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวัดพื้นผิวเรียบ ทรงกระบอก หรือทรงกลมทั้งหมดโพรบอื่นๆ ได้รับการกราวด์ตามรูปร่างเฉพาะ เช่น ควอแดรนท์ เพื่อให้สามารถวัดคุณสมบัติพิเศษได้โพรบเหล่านี้ถูกยึดไว้ทางกายภาพกับชิ้นงานโดยมีตำแหน่งในพื้นที่ว่างซึ่งอ่านจากการอ่านข้อมูลดิจิทัล 3 แกน (DRO) หรือในระบบขั้นสูงกว่านั้น จะเข้าสู่ระบบคอมพิวเตอร์โดยใช้สวิตช์เท้าหรืออุปกรณ์ที่คล้ายกันการวัดที่ทำโดยวิธีการสัมผัสนี้มักจะไม่น่าเชื่อถือ เนื่องจากเครื่องจักรถูกเคลื่อนย้ายด้วยมือ และผู้ควบคุมเครื่องจักรแต่ละรายใช้แรงกดบนโพรบในปริมาณที่แตกต่างกัน หรือใช้เทคนิคที่แตกต่างกันในการวัด

การพัฒนาเพิ่มเติมคือการเพิ่มมอเตอร์สำหรับขับเคลื่อนแต่ละแกนผู้ปฏิบัติงานไม่จำเป็นต้องสัมผัสเครื่องจักรอีกต่อไป แต่สามารถขับเคลื่อนแต่ละแกนได้โดยใช้แฮนด์บ็อกซ์พร้อมจอยสติ๊กในลักษณะเดียวกับรถยนต์ควบคุมระยะไกลสมัยใหม่ความแม่นยำและความแม่นยำในการวัดดีขึ้นอย่างมากด้วยการประดิษฐ์หัววัดทริกเกอร์แบบสัมผัสแบบอิเล็กทรอนิกส์ผู้บุกเบิกอุปกรณ์โพรบใหม่นี้คือ David McMurtry ซึ่งต่อมาได้ก่อตั้งบริษัทซึ่งปัจจุบันเปลี่ยนชื่อเป็น Renishaw plcแม้ว่าจะยังคงเป็นอุปกรณ์สัมผัส แต่หัววัดก็มีสไตลัสลูกเหล็กที่รับสปริง (ต่อมาเป็นลูกทับทิม)ขณะที่โพรบสัมผัสพื้นผิวของส่วนประกอบ สไตลัสจะเบนและส่งข้อมูลพิกัด X,Y,Z ไปยังคอมพิวเตอร์ไปพร้อมๆ กันข้อผิดพลาดในการวัดที่เกิดจากผู้ปฏิบัติงานแต่ละรายน้อยลง และได้กำหนดขั้นตอนสำหรับการเริ่มใช้งาน CNC และ CMM ที่กำลังจะมาถึง

หัววัดแบบออปติคอลคือระบบ CCD ของเลนส์ ซึ่งเคลื่อนที่ได้เหมือนกับหัววัดแบบกลไก และมุ่งเป้าไปที่จุดสนใจ แทนที่จะสัมผัสกับวัสดุภาพพื้นผิวที่ถ่ายจะถูกปิดไว้ที่ขอบของหน้าต่างการวัด จนกว่าสิ่งตกค้างจะเพียงพอต่อความแตกต่างระหว่างโซนสีดำและสีขาวเส้นโค้งการแบ่งสามารถคำนวณได้จนถึงจุดหนึ่งซึ่งเป็นจุดวัดที่ต้องการในอวกาศข้อมูลแนวนอนบน CCD คือ 2D (XY) และตำแหน่งแนวตั้งคือตำแหน่งของระบบการตรวจสอบทั้งหมดบนขาตั้ง Z-drive (หรือส่วนประกอบอุปกรณ์อื่นๆ)

ระบบสแกนโพรบ

มีรุ่นใหม่กว่าที่มีโพรบที่ลากไปตามพื้นผิวของชิ้นส่วนโดยรับจุดตามช่วงเวลาที่กำหนด หรือที่เรียกว่าโพรบสแกนวิธีการตรวจสอบ CMM นี้มักจะแม่นยำกว่าวิธีการตรวจวัดแบบสัมผัสแบบทั่วไป และส่วนใหญ่ก็เร็วกว่าเช่นกัน

การสแกนยุคใหม่ที่เรียกว่าการสแกนแบบไม่สัมผัส ซึ่งรวมถึงการสแกนสามเหลี่ยมจุดเดียวด้วยเลเซอร์ความเร็วสูง การสแกนเส้นเลเซอร์ และการสแกนแสงสีขาว กำลังก้าวหน้าไปอย่างรวดเร็ววิธีนี้ใช้ลำแสงเลเซอร์หรือแสงสีขาวที่ฉายไปที่พื้นผิวของชิ้นส่วนจากนั้นสามารถนำจุดหลายพันจุดไปใช้ไม่เพียงแต่เพื่อตรวจสอบขนาดและตำแหน่งเท่านั้น แต่ยังเพื่อสร้างภาพ 3 มิติของชิ้นส่วนอีกด้วย“ข้อมูลพอยต์คลาวด์” นี้สามารถถ่ายโอนไปยังซอฟต์แวร์ CAD เพื่อสร้างแบบจำลอง 3 มิติที่ใช้งานได้ของชิ้นส่วนเครื่องสแกนแบบออปติคอลเหล่านี้มักใช้กับชิ้นส่วนที่อ่อนหรือบอบบาง หรือเพื่ออำนวยความสะดวกในการทำวิศวกรรมย้อนกลับ

โพรบไมโครมาตรวิทยา

ระบบการตรวจวัดสำหรับการใช้งานมาตรวิทยาระดับจุลภาคเป็นอีกประเด็นที่กำลังเกิดใหม่มีเครื่องวัดพิกัด (CMM) ที่มีจำหน่ายในท้องตลาดหลายเครื่องซึ่งมีไมโครโพรบรวมอยู่ในระบบ ระบบพิเศษหลายระบบที่ห้องปฏิบัติการของรัฐบาล และแพลตฟอร์มมาตรวิทยาที่สร้างโดยมหาวิทยาลัยจำนวนเท่าใดก็ได้สำหรับมาตรวิทยาระดับไมโครแม้ว่าเครื่องจักรเหล่านี้จะดีและในหลายกรณีก็มีแพลตฟอร์มมาตรวิทยาที่ยอดเยี่ยมที่มีสเกลนาโนเมตริก แต่ข้อจำกัดหลักๆ ก็คือหัววัดไมโคร/นาโนที่เชื่อถือได้ ทนทาน และมีความสามารถ^{[จำเป็นต้องมีการอ้างอิง]}ความท้าทายสำหรับเทคโนโลยีการตรวจวัดด้วยกล้องจุลทรรศน์ ได้แก่ ความต้องการหัววัดที่มีอัตราส่วนกว้างยาวสูง ทำให้สามารถเข้าถึงลักษณะที่ลึกและแคบโดยมีแรงสัมผัสต่ำ เพื่อไม่ให้พื้นผิวเสียหายและมีความแม่นยำสูง (ระดับนาโนเมตร)^{[จำเป็นต้องมีการอ้างอิง]}นอกจากนี้ หัววัดระดับไมโครยังไวต่อสภาพแวดล้อม เช่น ความชื้นและปฏิกิริยาของพื้นผิว เช่น แท่ง (เกิดจากการยึดเกาะ วงเดือน และ/หรือแรง Van der Waals และอื่นๆ)^{[จำเป็นต้องมีการอ้างอิง]}

เทคโนโลยีเพื่อให้บรรลุผลการตรวจวัดด้วยกล้องจุลทรรศน์ ได้แก่ หัววัด CMM แบบคลาสสิกในเวอร์ชันที่ลดขนาดลง หัววัดแบบออปติคอล และหัววัดคลื่นนิ่ง และอื่นๆ อีกมากมายอย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีออพติคัลในปัจจุบันไม่สามารถปรับขนาดให้เล็กพอที่จะวัดคุณลักษณะที่ลึกและแคบได้ และความละเอียดของออพติคอลถูกจำกัดด้วยความยาวคลื่นของแสงการถ่ายภาพรังสีเอกซ์จะให้ภาพของคุณลักษณะ แต่ไม่มีข้อมูลมาตรวิทยาที่ตรวจสอบย้อนกลับได้

หลักการทางกายภาพ

สามารถใช้โพรบแบบออปติคัลและ/หรือโพรบเลเซอร์ได้ (หากเป็นไปได้ร่วมกัน) ซึ่งเปลี่ยน CMM เป็นกล้องจุลทรรศน์สำหรับการวัดหรือเครื่องวัดแบบหลายเซนเซอร์ระบบฉายภาพขอบ ระบบสามเหลี่ยมกล้องสำรวจ หรือระบบเลเซอร์และสามเหลี่ยมระยะไกลไม่เรียกว่าเครื่องวัด แต่ผลการวัดจะเหมือนกัน นั่นคือจุดอวกาศหัววัดเลเซอร์ใช้ในการตรวจจับระยะห่างระหว่างพื้นผิวและจุดอ้างอิงที่ส่วนท้ายของห่วงโซ่คิเนเมติกส์ (เช่น: ส่วนปลายของส่วนประกอบ Z-drive)ซึ่งสามารถใช้ฟังก์ชันอินเทอร์เฟอโรเมตริก การแปรผันของโฟกัส การโก่งตัวของแสง หรือหลักการสร้างเงาของลำแสง

เครื่องวัดพิกัดแบบพกพา

ในขณะที่ CMM แบบดั้งเดิมใช้โพรบที่เคลื่อนที่บนแกนคาร์ทีเซียนสามแกนเพื่อวัดลักษณะทางกายภาพของวัตถุ CMM แบบพกพาจะใช้แขนที่ประกบกัน หรือในกรณีของ CMM แบบออปติคัล ระบบสแกนแบบไร้แขนที่ใช้วิธีการวิเคราะห์สามเหลี่ยมด้วยแสงและให้อิสระในการเคลื่อนไหวอย่างสมบูรณ์ รอบวัตถุ

CMM แบบพกพาที่มีแขนแบบประกบมีแกนหกหรือเจ็ดแกนที่ติดตั้งตัวเข้ารหัสแบบโรตารี แทนที่จะเป็นแกนเชิงเส้นแขนแบบพกพามีน้ำหนักเบา (โดยทั่วไปจะน้อยกว่า 20 ปอนด์) และสามารถพกพาและใช้งานได้เกือบทุกที่อย่างไรก็ตาม CMM แบบออปติคัลกำลังถูกนำมาใช้มากขึ้นในอุตสาหกรรมออกแบบมาพร้อมกับกล้องอาร์เรย์เชิงเส้นหรือเมทริกซ์ขนาดกะทัดรัด (เช่น Microsoft Kinect) CMM แบบออปติคอลมีขนาดเล็กกว่า CMM แบบพกพาที่มีแขน ไม่มีสายไฟ และช่วยให้ผู้ใช้ทำการวัด 3D ของวัตถุทุกประเภทที่อยู่ในเกือบทุกที่ได้อย่างง่ายดาย

การใช้งานบางอย่างที่ไม่ซ้ำซาก เช่น วิศวกรรมย้อนกลับ การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว และการตรวจสอบชิ้นส่วนทุกขนาดในวงกว้าง เหมาะอย่างยิ่งสำหรับ CMM แบบพกพาประโยชน์ของ CMM แบบพกพามีหลายประการผู้ใช้มีความยืดหยุ่นในการวัดแบบ 3 มิติของชิ้นส่วนทุกประเภทและในสถานที่ห่างไกล/ยากที่สุดใช้งานง่ายและไม่จำเป็นต้องมีสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมเพื่อทำการวัดที่แม่นยำนอกจากนี้ CMM แบบพกพายังมีราคาถูกกว่า CMM แบบดั้งเดิมอีกด้วย

ข้อเสียของ CMM แบบพกพาโดยธรรมชาติคือการดำเนินการด้วยตนเอง (ต้องใช้มนุษย์เสมอ)นอกจากนี้ ความแม่นยำโดยรวมอาจมีความแม่นยำน้อยกว่า CMM ประเภทบริดจ์เล็กน้อย และไม่เหมาะกับการใช้งานบางประเภท

เครื่องวัดมัลติเซนเซอร์

ปัจจุบันเทคโนโลยี CMM แบบดั้งเดิมที่ใช้หัววัดแบบสัมผัสมักถูกรวมเข้ากับเทคโนโลยีการวัดอื่นๆ ในปัจจุบันซึ่งรวมถึงเซ็นเซอร์เลเซอร์ วิดีโอ หรือแสงสีขาวเพื่อให้สิ่งที่เรียกว่าการวัดหลายเซ็นเซอร์