เครื่องวัดพิกัดคืออะไร?

อันพิกัดเครื่องวัด(CMM) เป็นอุปกรณ์ที่วัดรูปทรงเรขาคณิตของวัตถุทางกายภาพโดยการตรวจจับจุดที่ไม่ต่อเนื่องบนพื้นผิวของวัตถุด้วยโพรบ โพรบประเภทต่าง ๆ ถูกใช้ใน CMMs รวมถึงเครื่องจักรกลแสงเลเซอร์และแสงสีขาว ตำแหน่งโพรบอาจถูกควบคุมด้วยตนเองโดยผู้ให้บริการด้วยตนเองหรืออาจมีการควบคุมคอมพิวเตอร์ โดยทั่วไปแล้ว CMMS จะระบุตำแหน่งของโพรบในแง่ของการกระจัดจากตำแหน่งอ้างอิงในระบบพิกัดคาร์ทีเซียนสามมิติ (เช่นแกน XYZ) นอกเหนือจากการเคลื่อนย้ายโพรบไปตามแกน X, Y และ Z แล้วเครื่องจักรหลายเครื่องยังอนุญาตให้มีการควบคุมมุมโพรบเพื่อให้สามารถวัดพื้นผิวที่ไม่สามารถเข้าถึงได้

CMM“ Bridge” 3D ทั่วไปอนุญาตให้มีการเคลื่อนไหวของโพรบตามแกนสามแกน x, y และ z ซึ่งเป็นมุมฉากต่อกันในระบบพิกัดคาร์ทีเซียนสามมิติ แต่ละแกนมีเซ็นเซอร์ที่ตรวจสอบตำแหน่งของโพรบบนแกนนั้นโดยทั่วไปจะมีความแม่นยำของไมโครมิเตอร์ เมื่อหน้าสัมผัสโพรบ (หรือตรวจจับ) ตำแหน่งเฉพาะบนวัตถุเครื่องจะตัวอย่างเซ็นเซอร์ตำแหน่งสามตำแหน่งดังนั้นจึงวัดตำแหน่งของจุดหนึ่งบนพื้นผิวของวัตถุเช่นเดียวกับเวกเตอร์ 3 มิติของการวัด กระบวนการนี้ทำซ้ำตามความจำเป็นย้ายโพรบในแต่ละครั้งเพื่อสร้าง "จุดคลาวด์" ซึ่งอธิบายพื้นที่ผิวที่น่าสนใจ

การใช้งานทั่วไปของ CMMs อยู่ในกระบวนการผลิตและการประกอบเพื่อทดสอบชิ้นส่วนหรือประกอบกับความตั้งใจในการออกแบบ ในแอปพลิเคชันดังกล่าวจะมีการสร้างเมฆจุดซึ่งวิเคราะห์ผ่านอัลกอริทึมการถดถอยสำหรับการสร้างคุณสมบัติ จุดเหล่านี้จะถูกรวบรวมโดยใช้โพรบที่อยู่ในตำแหน่งด้วยตนเองโดยผู้ให้บริการหรือโดยอัตโนมัติผ่านการควบคุมคอมพิวเตอร์โดยตรง (DCC) DCC CMMs สามารถตั้งโปรแกรมให้วัดชิ้นส่วนที่เหมือนกันซ้ำ ๆ ดังนั้น CMM อัตโนมัติจึงเป็นรูปแบบเฉพาะของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม

ชิ้นส่วน

เครื่องวัดพิกัดประกอบด้วยสามองค์ประกอบหลัก:

• โครงสร้างหลักซึ่งรวมถึงการเคลื่อนไหวสามแกน วัสดุที่ใช้ในการสร้างกรอบการเคลื่อนไหวมีความหลากหลายในช่วงหลายปีที่ผ่านมา หินแกรนิตและเหล็กใช้ในช่วงต้น CMM ทุกวันนี้ผู้ผลิต CMM รายใหญ่ทั้งหมดสร้างเฟรมจากอลูมิเนียมอัลลอยหรืออนุพันธ์และใช้เซรามิกเพื่อเพิ่มความแข็งของแกน Z สำหรับการสแกนแอปพลิเคชัน ผู้สร้าง CMM เพียงไม่กี่คนในปัจจุบันยังคงผลิต Frame หินแกรนิต CMM เนื่องจากความต้องการของตลาดสำหรับการเปลี่ยนแปลงของมาตรวิทยาที่ดีขึ้นและเพิ่มแนวโน้มในการติดตั้ง CMM นอกห้องปฏิบัติการคุณภาพ โดยทั่วไปจะมีเพียงผู้สร้าง CMM ที่มีปริมาณต่ำและผู้ผลิตในประเทศในประเทศจีนและอินเดียยังคงผลิต CMM หินแกรนิตเนื่องจากวิธีการทางเทคโนโลยีต่ำและง่ายต่อการเป็นตัวสร้างเฟรม CMM แนวโน้มที่เพิ่มขึ้นต่อการสแกนยังต้องการให้แกน CMM Z แข็งและวัสดุใหม่ได้รับการแนะนำเช่นเซรามิกและซิลิกอนคาร์ไบด์
• ระบบตรวจสอบ
• การรวบรวมข้อมูลและระบบลด - โดยทั่วไปจะมีตัวควบคุมเครื่องคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปและซอฟต์แวร์แอปพลิเคชัน

ความพร้อม

เครื่องจักรเหล่านี้สามารถยืนได้ฟรีพกพาและพกพาได้

ความแม่นยำ

โดยทั่วไปแล้วความถูกต้องของเครื่องวัดพิกัดจะได้รับเป็นปัจจัยความไม่แน่นอนเป็นฟังก์ชั่นเกินระยะทาง สำหรับ CMM โดยใช้โพรบแบบสัมผัสสิ่งนี้เกี่ยวข้องกับความสามารถในการทำซ้ำของโพรบและความแม่นยำของเครื่องชั่งเชิงเส้น ความสามารถในการทำซ้ำโพรบโดยทั่วไปอาจส่งผลให้เกิดการวัดภายใน. 001 มม. หรือ. 00005 นิ้ว (ครึ่งสิบ) ตลอดปริมาณการวัดทั้งหมด สำหรับเครื่อง 3, 3+2 และ 5 แกนโพรบถูกสอบเทียบเป็นประจำโดยใช้มาตรฐานที่ตรวจสอบย้อนกลับได้และการเคลื่อนไหวของเครื่องได้รับการตรวจสอบโดยใช้เกจวัดเพื่อให้แน่ใจว่ามีความแม่นยำ

ชิ้นส่วนเฉพาะ

เครื่องจักร

CMM แรกได้รับการพัฒนาโดย บริษัท Ferranti แห่งสกอตแลนด์ในปี 1950 อันเป็นผลมาจากความต้องการโดยตรงในการวัดส่วนประกอบที่แม่นยำในผลิตภัณฑ์ทางทหารของพวกเขาแม้ว่าเครื่องนี้จะมีเพียง 2 แกน โมเดล 3 แกนแรกเริ่มปรากฏในปี 1960 (DEA ของอิตาลี) และการควบคุมคอมพิวเตอร์เปิดตัวในต้นปี 1970 แต่ CMM ที่ทำงานครั้งแรกได้รับการพัฒนาและวางขายโดย Browne & Sharpe ในเมลเบิร์นประเทศอังกฤษ (Leitz Germany ได้ผลิตโครงสร้างเครื่องคงที่พร้อมตารางการเคลื่อนไหว

ในเครื่องจักรที่ทันสมัยโครงสร้างเสริมประเภทของโครงสำหรับตั้งอยู่มีสองขาและมักเรียกว่าสะพาน สิ่งนี้เคลื่อนไหวได้อย่างอิสระไปตามโต๊ะหินแกรนิตด้วยขาข้างหนึ่ง (มักเรียกว่าขาด้านใน) ตามรางนำทางที่ติดอยู่กับด้านหนึ่งของตารางหินแกรนิต ขาตรงข้าม (มักจะอยู่ข้างนอกขา) วางอยู่บนโต๊ะหินแกรนิตตามรูปร่างของพื้นผิวแนวตั้ง ตลับลูกปืนอากาศเป็นวิธีที่เลือกเพื่อให้แน่ใจว่าการเดินทางฟรีแรงเสียดทาน ในสิ่งเหล่านี้อากาศอัดถูกบังคับผ่านรูเล็ก ๆ ที่มีขนาดเล็กมากในพื้นผิวแบริ่งแบนเพื่อให้เบาะอากาศที่เรียบ แต่ควบคุมได้ซึ่ง CMM สามารถเคลื่อนที่ได้ในลักษณะที่ไม่มีแรงเสียดทานซึ่งสามารถชดเชยผ่านซอฟต์แวร์ได้ การเคลื่อนที่ของสะพานหรือโครงสำหรับตั้งสิ่งของตามตารางหินแกรนิตเป็นแกนหนึ่งของระนาบ XY สะพานของโครงสำหรับตั้งสิ่งของมีรถม้าซึ่งข้ามระหว่างขาภายในและภายนอกและสร้างแกนแนวนอน X หรือ Y อื่น ๆ แกนที่สามของการเคลื่อนไหว (แกน z) มีให้โดยการเพิ่มของขนนกแนวตั้งหรือแกนหมุนซึ่งเลื่อนขึ้นและลงผ่านศูนย์กลางของการขนส่ง โพรบแบบสัมผัสจะสร้างอุปกรณ์ตรวจจับที่ส่วนท้ายของขนนก การเคลื่อนไหวของแกน x, y และ z อธิบายถึงซองวัดการวัดได้อย่างเต็มที่ ตารางโรตารี่เสริมสามารถใช้เพื่อเพิ่มความสามารถในการเข้าใช้งานของโพรบวัดไปยังชิ้นงานที่ซับซ้อน ตารางโรตารี่เป็นแกนไดรฟ์ที่สี่ไม่เพิ่มขนาดการวัดซึ่งยังคงอยู่ 3 มิติ แต่ให้ความยืดหยุ่นในระดับหนึ่ง โพรบแบบสัมผัสบางตัวเป็นอุปกรณ์โรตารี่ที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเองด้วยปลายโพรบสามารถหมุนได้ในแนวตั้งผ่านมากกว่า 180 องศาและผ่านการหมุน 360 องศาเต็มรูปแบบ

ตอนนี้ CMMs มีให้เลือกมากมายในรูปแบบอื่น ๆ เหล่านี้รวมถึงแขน CMM ที่ใช้การวัดเชิงมุมที่ข้อต่อของแขนเพื่อคำนวณตำแหน่งของปลายสไตลัสและสามารถติดตั้งด้วยโพรบสำหรับการสแกนเลเซอร์และการถ่ายภาพด้วยแสง CMM แขนดังกล่าวมักจะใช้ในกรณีที่การพกพาของพวกเขาเป็นข้อได้เปรียบเหนือ CMMS เตียงคงที่แบบดั้งเดิมโดยจัดเก็บตำแหน่งที่วัดได้ซอฟต์แวร์การเขียนโปรแกรมยังช่วยให้การเคลื่อนย้ายแขนวัดตัวเองและปริมาณการวัดรอบ ๆ ส่วนที่จะวัดในระหว่างการวัด เนื่องจากแขน CMM เลียนแบบความยืดหยุ่นของแขนมนุษย์พวกเขาจึงมักจะสามารถไปถึงด้านในของชิ้นส่วนที่ซับซ้อนที่ไม่สามารถตรวจสอบได้โดยใช้เครื่องสามแกนมาตรฐาน

โพรบเครื่องจักรกล

ในวันแรก ๆ ของการวัดพิกัด (CMM) โพรบเชิงกลได้รับการติดตั้งในที่ถือพิเศษในตอนท้ายของขนนก โพรบที่พบบ่อยมากทำโดยการบัดกรีลูกบอลแข็งจนถึงปลายเพลา สิ่งนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวัดพื้นผิวแบนทั้งหมดพื้นผิวทรงกระบอกหรือทรงกลม โพรบอื่น ๆ เป็นรูปทรงที่เฉพาะเจาะจงเช่น quadrant เพื่อเปิดใช้งานการวัดคุณสมบัติพิเศษ โพรบเหล่านี้ถูกจัดขึ้นทางร่างกายกับชิ้นงานที่มีตำแหน่งในอวกาศที่อ่านจากการอ่านข้อมูลดิจิตอล 3 แกน (DRO) หรือในระบบขั้นสูงมากขึ้นลงชื่อเข้าใช้คอมพิวเตอร์โดยใช้ footswitch หรืออุปกรณ์ที่คล้ายกัน การวัดที่ใช้โดยวิธีการติดต่อนี้มักจะไม่น่าเชื่อถือเนื่องจากเครื่องจักรถูกเคลื่อนย้ายด้วยมือและผู้ประกอบการเครื่องแต่ละเครื่องใช้ความดันในปริมาณที่แตกต่างกันในโพรบหรือใช้เทคนิคที่แตกต่างกันสำหรับการวัด

การพัฒนาเพิ่มเติมคือการเพิ่มมอเตอร์สำหรับการขับขี่แต่ละแกน ผู้ประกอบการไม่ต้องสัมผัสกับเครื่องทางร่างกายอีกต่อไป แต่สามารถขับแต่ละแกนโดยใช้ Handbox ที่มีจอยสติ๊กในลักษณะเดียวกับรถยนต์ที่ควบคุมระยะไกลที่ทันสมัย ความแม่นยำในการวัดและความแม่นยำดีขึ้นอย่างมากด้วยการประดิษฐ์โพรบทริกเกอร์แบบสัมผัสทางอิเล็กทรอนิกส์ ผู้บุกเบิกอุปกรณ์โพรบใหม่นี้คือ David McMurtry ซึ่งต่อมาได้ก่อตั้งสิ่งที่ตอนนี้คือ Renishaw PLC แม้ว่าจะยังคงเป็นอุปกรณ์ติดต่อ แต่โพรบก็มีสไตลัสลูกบอลเหล็กสปริง (ต่อมาบอลทับทิม) สไตลัส ในขณะที่โพรบสัมผัสพื้นผิวของส่วนประกอบสไตลัสเบี่ยงเบนและส่งข้อมูล X, Y, Z, Z ไปยังคอมพิวเตอร์พร้อมกัน ข้อผิดพลาดในการวัดที่เกิดจากผู้ประกอบการแต่ละรายมีน้อยลงและเวทีถูกกำหนดไว้สำหรับการแนะนำการดำเนินงานของ CNC และการมาถึงของอายุ CMMS

โพรบแบบออพติคอลคือ Lens-CCD-Systems ซึ่งถูกเคลื่อนย้ายเหมือนเครื่องจักรกลและมุ่งไปที่จุดที่น่าสนใจแทนที่จะสัมผัสวัสดุ ภาพที่จับได้ของพื้นผิวจะถูกล้อมรอบในเขตแดนของหน้าต่างการวัดจนกว่าสารตกค้างจะเพียงพอที่จะเปรียบเทียบระหว่างโซนสีดำและสีขาว เส้นโค้งการหารสามารถคำนวณได้ถึงจุดซึ่งเป็นจุดวัดที่ต้องการในอวกาศ ข้อมูลแนวนอนของ CCD คือ 2D (XY) และตำแหน่งแนวตั้งคือตำแหน่งของระบบการตรวจสอบที่สมบูรณ์บน Stand Z-Drive (หรือส่วนประกอบอุปกรณ์อื่น ๆ )

ระบบโพรบสแกน

มีโมเดลใหม่ที่มีโพรบที่ลากไปตามพื้นผิวของชิ้นส่วนที่มีจุดตามช่วงเวลาที่กำหนดหรือที่เรียกว่าโพรบสแกน วิธีการตรวจสอบ CMM นี้มักจะแม่นยำกว่าวิธีการสัมผัสแบบสัมผัสแบบดั้งเดิมและเวลาส่วนใหญ่เร็วขึ้นเช่นกัน

การสแกนรุ่นต่อไปที่รู้จักกันในชื่อการสแกนแบบไม่ติดต่อซึ่งรวมถึงการวิเคราะห์จุดเดียวด้วยเลเซอร์ความเร็วสูงการสแกนเส้นเลเซอร์และการสแกนแสงสีขาวกำลังก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว วิธีนี้ใช้ลำแสงเลเซอร์หรือแสงสีขาวที่ฉายกับพื้นผิวของชิ้นส่วน หลายพันคะแนนสามารถถ่ายและใช้ไม่เพียง แต่ตรวจสอบขนาดและตำแหน่ง แต่เพื่อสร้างภาพ 3 มิติของชิ้นส่วนเช่นกัน “ ข้อมูลพอยต์คลาวด์” นี้สามารถถ่ายโอนไปยังซอฟต์แวร์ CAD เพื่อสร้างโมเดล 3 มิติที่ใช้งานได้ของชิ้นส่วน สแกนเนอร์ออปติคัลเหล่านี้มักจะใช้กับชิ้นส่วนที่อ่อนนุ่มหรือละเอียดอ่อนหรือเพื่ออำนวยความสะดวกด้านวิศวกรรมย้อนกลับ

โพรบ Micrometrology

ระบบการตรวจสอบสำหรับแอพพลิเคชั่นมาตรวิทยาด้วยกล้องจุลทรรศน์เป็นอีกพื้นที่เกิดใหม่ มีเครื่องวัดพิกัดพิกัดเชิงพาณิชย์หลายเครื่อง (CMM) ที่มี microprobe รวมเข้ากับระบบระบบพิเศษหลายระบบที่ห้องปฏิบัติการของรัฐและแพลตฟอร์มมาตรวิทยาที่สร้างขึ้นจากมหาวิทยาลัยจำนวนมากสำหรับมาตรวิทยากล้องจุลทรรศน์ แม้ว่าเครื่องเหล่านี้จะดีและในหลายกรณีแพลตฟอร์มมาตรวิทยาที่ยอดเยี่ยมพร้อมเครื่องชั่งนาโนเมตรข้อ จำกัด หลักของพวกเขาคือโพรบไมโคร/นาโนที่เชื่อถือได้มีความน่าเชื่อถือและมีความสามารถ^{[การอ้างอิงที่จำเป็น]}ความท้าทายสำหรับเทคโนโลยีการตรวจด้วยกล้องจุลทรรศน์นั้นรวมถึงความจำเป็นในการสอบสวนอัตราส่วนที่สูงซึ่งให้ความสามารถในการเข้าถึงคุณสมบัติที่ลึกและแคบด้วยแรงสัมผัสต่ำเพื่อไม่ให้พื้นผิวเสียหายและมีความแม่นยำสูง (ระดับนาโนเมตร)^{[การอ้างอิงที่จำเป็น]}นอกจากนี้โพรบกล้องจุลทรรศน์มีความไวต่อสภาพแวดล้อมเช่นความชื้นและการโต้ตอบของพื้นผิวเช่นการพูดคุย (เกิดจากการยึดเกาะ, Meniscus และ/หรือ Van der Waals กองกำลังอื่น ๆ )^{[การอ้างอิงที่จำเป็น]}

เทคโนโลยีเพื่อให้ได้การตรวจด้วยกล้องจุลทรรศน์นั้นรวมถึงโพรบ CMM แบบคลาสสิกที่ปรับขนาดลง, โพรบแบบออปติคัลและโพรบคลื่นยืนในหมู่คนอื่น ๆ อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีแสงในปัจจุบันไม่สามารถปรับขนาดเล็กพอที่จะวัดคุณสมบัติที่ลึกแคบและความละเอียดทางแสงถูก จำกัด ด้วยความยาวคลื่นของแสง การถ่ายภาพรังสีเอกซ์ให้ภาพของคุณสมบัติ แต่ไม่มีข้อมูลการวัดที่ตรวจสอบย้อนกลับได้

หลักการทางกายภาพ

โพรบแบบออพติคอลและ/หรือโพรบเลเซอร์สามารถใช้งานได้ (ถ้าเป็นไปได้ในการรวมกัน) ซึ่งเปลี่ยน CMMS เป็นการวัดกล้องจุลทรรศน์หรือเครื่องวัดแบบหลายเซ็นเซอร์ ระบบการฉายภาพ Fringe, ระบบการวิเคราะห์รูปสามเหลี่ยม Theodolite หรือระบบเลเซอร์ที่อยู่ห่างไกลและเป็นรูปสามเหลี่ยมไม่ได้เรียกว่าเครื่องวัด แต่ผลการวัดก็เหมือนกัน: จุดอวกาศ โพรบเลเซอร์ใช้ในการตรวจจับระยะห่างระหว่างพื้นผิวและจุดอ้างอิงที่ส่วนท้ายของโซ่จลศาสตร์ (เช่น: ปลายของส่วนประกอบ Z-Drive) สิ่งนี้สามารถใช้ฟังก์ชั่น interferometrical การเปลี่ยนแปลงโฟกัสการโก่งตัวแสงหรือหลักการเงาลำแสง

เครื่องวัดพิกัดแบบพกพา

ในขณะที่ CMM แบบดั้งเดิมใช้โพรบที่เคลื่อนที่บนแกนคาร์ทีเซียนสามแกนเพื่อวัดลักษณะทางกายภาพของวัตถุ CMM แบบพกพาใช้แขนที่พูดชัดแจ้งหรือในกรณีของ CMM แบบออพติคอลระบบการสแกนแบบไม่มีแขนที่ใช้วิธีการสามเหลี่ยมแบบออพติคอล

CMM แบบพกพาที่มีแขนที่เปล่งออกมามีแกนหกหรือเจ็ดแกนที่ติดตั้งเครื่องเข้ารหัสแบบหมุนแทนที่จะเป็นแกนเชิงเส้น แขนแบบพกพามีน้ำหนักเบา (โดยทั่วไปจะน้อยกว่า 20 ปอนด์) และสามารถนำและใช้งานได้เกือบทุกที่ อย่างไรก็ตาม CMM แบบออปติคัลมีการใช้งานมากขึ้นในอุตสาหกรรม ออกแบบมาพร้อมกับกล้องอาร์เรย์เชิงเส้นหรือเมทริกซ์ขนาดกะทัดรัด (เช่น Microsoft Kinect) CMM แบบออปติคัลมีขนาดเล็กกว่า CMM แบบพกพาที่มีแขนไม่มีสายไฟและช่วยให้ผู้ใช้สามารถทำการวัด 3 มิติของวัตถุทุกประเภทที่อยู่เกือบทุกที่

แอพพลิเคชั่นที่ไม่ซ้ำกันบางอย่างเช่นวิศวกรรมย้อนกลับการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วและการตรวจสอบขนาดใหญ่ของชิ้นส่วนทุกขนาดเหมาะสำหรับ CMM แบบพกพา ประโยชน์ของ CMM แบบพกพามีหลายระดับ ผู้ใช้มีความยืดหยุ่นในการวัด 3 มิติของชิ้นส่วนทุกประเภทและในสถานที่ห่างไกล/ยากที่สุด ใช้งานง่ายและไม่ต้องการสภาพแวดล้อมที่ควบคุมเพื่อทำการวัดที่แม่นยำ ยิ่งไปกว่านั้น CMM แบบพกพามักจะมีราคาน้อยกว่า CMM แบบดั้งเดิม

การแลกเปลี่ยน CMM แบบพกพาโดยธรรมชาติคือการดำเนินการด้วยตนเอง (พวกเขาต้องการให้มนุษย์ใช้พวกเขาเสมอ) นอกจากนี้ความแม่นยำโดยรวมของพวกเขาอาจมีความแม่นยำน้อยกว่าของ CMM ประเภทสะพานและเหมาะสำหรับการใช้งานบางอย่าง

เครื่องวัดหลายเครื่อง

เทคโนโลยี CMM แบบดั้งเดิมที่ใช้โพรบแบบสัมผัสมักจะรวมกับเทคโนโลยีการวัดอื่น ๆ ซึ่งรวมถึงเซ็นเซอร์เลเซอร์วิดีโอหรือแสงสีขาวเพื่อให้สิ่งที่เรียกว่าการวัดแบบ multisensor