ข่าวสาร - คู่มือฉบับสมบูรณ์เกี่ยวกับเครื่อง CMM และการวัด

เครื่อง CMM คืออะไร?

ลองนึกภาพเครื่องจักรแบบ CNC ที่สามารถทำการวัดได้อย่างแม่นยำสูงด้วยระบบอัตโนมัติ นั่นคือสิ่งที่เครื่อง CMM ทำได้!

CMM ย่อมาจาก “Coordinate Measuring Machine” (เครื่องวัดพิกัด) อาจกล่าวได้ว่าเป็นอุปกรณ์วัดสามมิติที่ดีที่สุดในแง่ของการผสมผสานความยืดหยุ่น ความแม่นยำ และความเร็วโดยรวม

การประยุกต์ใช้เครื่องวัดพิกัด

เครื่องวัดพิกัด (Coordinate Measuring Machine: CMM) มีประโยชน์อย่างยิ่งในทุกครั้งที่ต้องการวัดค่าอย่างแม่นยำ และยิ่งการวัดมีความซับซ้อนหรือมีจำนวนมากเท่าใด การใช้ CMM ก็ยิ่งได้เปรียบมากขึ้นเท่านั้น

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องวัดพิกัดสามมิติ (CMM) จะใช้สำหรับการตรวจสอบและควบคุมคุณภาพ กล่าวคือ ใช้เพื่อตรวจสอบว่าชิ้นส่วนนั้นตรงตามข้อกำหนดและมาตรฐานของผู้ออกแบบหรือไม่

นอกจากนี้ยังสามารถนำไปใช้เพื่อวิศวกรรมย้อนกลับชิ้นส่วนที่มีอยู่โดยการวัดคุณลักษณะของชิ้นส่วนเหล่านั้นอย่างแม่นยำ

ใครเป็นผู้คิดค้นเครื่องวัดพิกัดสามมิติ (CMM)?

เครื่องวัดพิกัดสามมิติ (CMM) เครื่องแรกถูกพัฒนาขึ้นโดยบริษัทเฟอร์รานติแห่งสกอตแลนด์ในช่วงทศวรรษ 1950 เครื่องมือเหล่านี้มีความจำเป็นสำหรับการวัดชิ้นส่วนอย่างแม่นยำในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศและการป้องกันประเทศ เครื่องจักรรุ่นแรกสุดมีเพียง 2 แกนการเคลื่อนที่เท่านั้น เครื่องจักรแบบ 3 แกนถูกนำมาใช้ในช่วงทศวรรษ 1960 โดยบริษัท DEA ของอิตาลี การควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์เข้ามามีบทบาทในช่วงต้นทศวรรษ 1970 โดยบริษัทเชฟฟิลด์แห่งสหรัฐอเมริกา

ประเภทของเครื่องวัดพิกัดสามมิติ (CMM)

เครื่องวัดพิกัดมีอยู่ 5 ประเภท:

เครื่องวัดพิกัดสามมิติแบบสะพาน (Bridge Type CMM): ในการออกแบบนี้ ซึ่งเป็นแบบที่พบได้บ่อยที่สุด หัวของเครื่องวัดพิกัดสามมิติจะเคลื่อนที่บนสะพาน ด้านหนึ่งของสะพานจะเคลื่อนที่บนรางบนฐาน และอีกด้านหนึ่งจะได้รับการรองรับบนเบาะลมหรือวิธีการอื่น ๆ บนฐานโดยไม่มีรางนำทาง
คานยื่น CMM: คานยื่นนี้รองรับสะพานเพียงด้านเดียว
เครื่องวัดพิกัดสามมิติแบบโครงสร้างคาน (Gantry CMM): โครงสร้างคานจะใช้รางนำทางทั้งสองด้าน เหมือนกับเครื่องเราเตอร์ CNC โดยทั่วไปแล้วเครื่องวัดพิกัดสามมิติแบบนี้จะมีขนาดใหญ่ที่สุด จึงต้องการการรองรับเพิ่มเติม
เครื่องวัดพิกัดสามมิติแบบแขนแนวนอน: ลองนึกภาพคานยื่น แต่สะพานทั้งหมดเคลื่อนที่ขึ้นลงบนแขนเดียวแทนที่จะเคลื่อนที่ตามแกนของตัวเอง เครื่องวัดพิกัดสามมิติแบบนี้มีความแม่นยำน้อยที่สุด แต่สามารถวัดชิ้นส่วนขนาดใหญ่และบางได้ เช่น ตัวถังรถยนต์
เครื่องวัดพิกัดสามมิติแบบพกพาชนิดแขนกล: เครื่องเหล่านี้ใช้แขนกลที่มีข้อต่อ และโดยทั่วไปจะกำหนดตำแหน่งด้วยตนเอง แทนที่จะวัดค่า XYZ โดยตรง เครื่องเหล่านี้จะคำนวณพิกัดจากตำแหน่งการหมุนของแต่ละข้อต่อและความยาวที่ทราบระหว่างข้อต่อ

แต่ละแบบมีข้อดีและข้อเสียแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับประเภทของการวัดที่จะทำ ประเภทเหล่านี้หมายถึงโครงสร้างของเครื่องจักรที่ใช้ในการกำหนดตำแหน่งของมันโพรบเมื่อเทียบกับส่วนที่กำลังวัดอยู่

ตารางต่อไปนี้จะช่วยให้เข้าใจข้อดีและข้อเสียได้ง่ายขึ้น:

ประเภท CMM	ความแม่นยำ	ความยืดหยุ่น	เหมาะสำหรับใช้ในการวัด
สะพาน	สูง	ปานกลาง	ชิ้นส่วนขนาดกลางที่ต้องการความแม่นยำสูง
คานยื่น	สูงสุด	ต่ำ	ชิ้นส่วนขนาดเล็กที่ต้องการความแม่นยำสูงมาก
แขนแนวนอน	ต่ำ	สูง	ชิ้นส่วนขนาดใหญ่ที่ต้องการความแม่นยำต่ำ
โครงเหล็ก	สูง	ปานกลาง	ชิ้นส่วนขนาดใหญ่ที่ต้องการความแม่นยำสูง
แบบแขนพกพา	ต่ำสุด	สูงสุด	เมื่อความสะดวกในการพกพาเป็นเกณฑ์สำคัญที่สุด

โดยปกติแล้วหัววัดจะถูกจัดวางใน 3 มิติ ได้แก่ แกน X, Y และ Z อย่างไรก็ตาม เครื่องจักรที่ทันสมัยกว่านั้นยังสามารถเปลี่ยนมุมของหัววัดได้ ทำให้สามารถวัดในบริเวณที่หัววัดไม่สามารถเข้าถึงได้ นอกจากนี้ยังอาจใช้โต๊ะหมุนเพื่อปรับปรุงความสะดวกในการเข้าถึงส่วนต่างๆ ของชิ้นงานด้วย

เครื่องวัดพิกัดสามมิติ (CMM) มักทำจากหินแกรнитและอะลูมิเนียม และใช้ตลับลูกปืนลม

หัววัดคือเซนเซอร์ที่ใช้ระบุตำแหน่งของพื้นผิวชิ้นส่วนขณะทำการวัด

ประเภทของหัววัด ได้แก่:

เครื่องกล
ออปติคอล
เลเซอร์
แสงสีขาว

เครื่องมือวัดพิกัด (Coordinate Measurement Machines) ถูกนำไปใช้ใน 3 วิธีหลัก ๆ ดังนี้:

แผนกควบคุมคุณภาพ: โดยทั่วไปแล้วจะตั้งอยู่ในห้องปลอดเชื้อที่มีการควบคุมอุณหภูมิ เพื่อให้ได้ความแม่นยำสูงสุด
พื้นที่การผลิต: ในบริเวณนี้ เครื่องวัดพิกัดสามมิติ (CMM) ถูกติดตั้งไว้ใกล้กับเครื่องจักร CNC เพื่อให้ง่ายต่อการตรวจสอบในขั้นตอนการผลิต โดยลดระยะทางการเคลื่อนย้ายระหว่างเครื่อง CMM กับเครื่องจักรที่กำลังทำการตัดเฉือนชิ้นส่วนให้น้อยที่สุด วิธีนี้ช่วยให้สามารถวัดค่าได้เร็วขึ้นและอาจบ่อยขึ้น ซึ่งนำไปสู่การประหยัดต้นทุนเนื่องจากสามารถตรวจพบข้อผิดพลาดได้เร็วขึ้น
แบบพกพา: เครื่องวัดพิกัดสามมิติแบบพกพาสามารถเคลื่อนย้ายได้ง่าย สามารถใช้งานได้ในโรงงาน หรือแม้กระทั่งนำไปใช้ในสถานที่ห่างไกลจากโรงงานผลิต เพื่อวัดชิ้นส่วนในภาคสนาม

เครื่องวัดพิกัดสามมิติ (CMM) มีความแม่นยำแค่ไหน (ความแม่นยำของ CMM)?

ความแม่นยำของเครื่องวัดพิกัด (Coordinate Measurement Machine: CMM) นั้นแตกต่างกันไป โดยทั่วไปแล้วจะมุ่งเป้าไปที่ความแม่นยำระดับไมโครเมตรหรือดีกว่านั้น แต่ก็ไม่ใช่เรื่องง่ายขนาดนั้น ประการหนึ่งคือ ความคลาดเคลื่อนอาจขึ้นอยู่กับขนาด ดังนั้นความคลาดเคลื่อนในการวัดของ CMM อาจระบุไว้ในสูตรสั้นๆ ที่รวมความยาวของการวัดเป็นตัวแปรด้วย

ตัวอย่างเช่น เครื่องวัดพิกัดสามมิติ (CMM) รุ่น Global Classic ของ Hexagon ถูกจัดอยู่ในกลุ่มเครื่องวัดพิกัดสามมิติอเนกประสงค์ราคาประหยัด และระบุความแม่นยำไว้ดังนี้:

1.0 + L/300um

หน่วยวัดเหล่านั้นเป็นไมครอน ในขณะที่ L ระบุเป็นมิลลิเมตร สมมติว่าเราต้องการวัดความยาวของวัตถุที่มีความยาว 10 มิลลิเมตร สูตรคำนวณจะเป็น 1.0 + 10/300 = 1.0 + 1/30 หรือ 1.03 ไมครอน

ไมครอนคือหนึ่งในพันของมิลลิเมตร ซึ่งประมาณ 0.00003937 นิ้ว ดังนั้น ความคลาดเคลื่อนในการวัดความยาว 10 มิลลิเมตรของเราคือ 0.00103 มิลลิเมตร หรือ 0.00004055 นิ้ว ซึ่งน้อยกว่าครึ่งหนึ่งของหนึ่งในสิบ – เป็นความคลาดเคลื่อนที่น้อยมาก!

ในทางกลับกัน ความแม่นยำควรอยู่ที่ 10 เท่าของค่าที่เราพยายามวัด นั่นหมายความว่าเราอาจเชื่อถือการวัดนี้ได้เพียง 10 เท่าของค่าดังกล่าว หรือ 0.00005 นิ้ว ซึ่งก็ยังถือว่าเป็นความคลาดเคลื่อนที่น้อยมาก

สำหรับการวัดด้วยเครื่อง CMM ในสายการผลิตนั้น สถานการณ์จะยิ่งซับซ้อนมากขึ้น หากเครื่อง CMM ตั้งอยู่ในห้องปฏิบัติการตรวจสอบที่มีการควบคุมอุณหภูมิ ก็จะช่วยได้มาก แต่ในสายการผลิต อุณหภูมิอาจผันผวนได้มาก มีหลายวิธีที่เครื่อง CMM สามารถชดเชยความผันแปรของอุณหภูมิได้ แต่ก็ไม่มีวิธีใดที่สมบูรณ์แบบ

ผู้ผลิตเครื่องวัดพิกัดสามมิติ (CMM) มักระบุความแม่นยำสำหรับช่วงอุณหภูมิ และตามมาตรฐาน ISO 10360-2 สำหรับความแม่นยำของ CMM ช่วงอุณหภูมิทั่วไปคือ 64-72 องศาฟาเรนไฮต์ (18-22 องศาเซลเซียส) ซึ่งถือว่าดี ยกเว้นในกรณีที่อุณหภูมิในโรงงานของคุณสูงถึง 86 องศาฟาเรนไฮต์ในฤดูร้อน ในกรณีนั้น คุณจะไม่มีข้อกำหนดที่ดีสำหรับค่าความคลาดเคลื่อน

ผู้ผลิตบางรายจะให้ชุดขั้นบันไดหรือช่วงอุณหภูมิที่มีข้อกำหนดความแม่นยำแตกต่างกันมาให้คุณ แต่จะเกิดอะไรขึ้นหากคุณใช้งานชิ้นส่วนชุดเดียวกันในช่วงเวลาที่ต่างกันของวันหรือวันต่างๆ ในสัปดาห์ ในช่วงเวลาที่แตกต่างกัน?

เริ่มแรกจำเป็นต้องสร้างงบประมาณความไม่แน่นอนที่เผื่อไว้สำหรับกรณีที่เลวร้ายที่สุด หากกรณีที่เลวร้ายที่สุดเหล่านั้นส่งผลให้ชิ้นส่วนมีค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับไม่ได้ ก็จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงกระบวนการเพิ่มเติม:

คุณสามารถจำกัดการใช้งาน CMM เฉพาะบางช่วงเวลาของวัน เมื่ออุณหภูมิอยู่ในช่วงที่เหมาะสมกว่าได้
คุณอาจเลือกที่จะทำการกลึงชิ้นส่วนหรือคุณลักษณะที่มีความคลาดเคลื่อนต่ำเฉพาะในช่วงเวลาใดเวลาหนึ่งของวันก็ได้
เครื่องวัดพิกัดสามมิติ (CMM) ที่ดีกว่า อาจมีคุณสมบัติที่เหมาะสมกว่าสำหรับช่วงอุณหภูมิที่คุณต้องการ และอาจคุ้มค่าที่จะลงทุนแม้ว่าราคาจะสูงกว่ามากก็ตาม

แน่นอนว่ามาตรการเหล่านี้จะส่งผลกระทบอย่างมากต่อความสามารถในการวางแผนงานของคุณอย่างแม่นยำ จู่ๆ คุณก็เริ่มคิดว่าการควบคุมสภาพอากาศที่ดีขึ้นในโรงงานอาจเป็นการลงทุนที่คุ้มค่า

คุณจะเห็นได้ว่าเรื่องการวัดทั้งหมดนี้ค่อนข้างยุ่งยากซับซ้อนทีเดียว

ส่วนประกอบอีกอย่างที่สำคัญควบคู่กันไปคือวิธีการกำหนดค่าความคลาดเคลื่อนที่ต้องตรวจสอบด้วยเครื่อง CMM มาตรฐานที่เป็นที่ยอมรับคือ การกำหนดขนาดและค่าความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิต (Geometric Dimensioning and Tolerancing หรือ GD&T) ดูข้อมูลเพิ่มเติมได้ในหลักสูตรเบื้องต้นเกี่ยวกับ GD&T ของเรา

ซอฟต์แวร์ CMM

เครื่องวัดพิกัดสามมิติ (CMM) ใช้ซอฟต์แวร์หลายประเภท มาตรฐานที่ใช้คือ DMIS ซึ่งย่อมาจาก Dimensional Measurement Interface Standard แม้ว่ามันจะไม่ใช่ซอฟต์แวร์หลักสำหรับผู้ผลิต CMM ทุกราย แต่ส่วนใหญ่ก็รองรับซอฟต์แวร์นี้อย่างน้อยที่สุด

ผู้ผลิตได้สร้างรสชาติเฉพาะตัวขึ้นมาเพื่อเพิ่มงานวัดที่ไม่รองรับโดยระบบ DMIS

ดีเอ็มไอเอส

อย่างที่กล่าวไปแล้ว DMIS เป็นมาตรฐาน แต่เช่นเดียวกับ g-code ของ CNC ก็มีรูปแบบย่อยมากมาย รวมถึง:

PC-DMIS: เวอร์ชันของ Hexagon
เปิดDMIS
TouchDMIS: เพอร์เซปตรอน

เอ็มคอสมอส

MCOSTMOS คือซอฟต์แวร์ CMM ของ Nikon

คาลิปโซ

Calypso คือซอฟต์แวร์ CMM จาก Zeiss

ซอฟต์แวร์ CMM และ CAD/CAM

ซอฟต์แวร์และโปรแกรม CMM เกี่ยวข้องกับซอฟต์แวร์ CAD/CAM อย่างไร?

ไฟล์ CAD มีหลายรูปแบบ ดังนั้นควรตรวจสอบว่าซอฟต์แวร์ CMM ของคุณรองรับรูปแบบใดบ้าง การบูรณาการที่ดีที่สุดเรียกว่า การกำหนดค่าตามแบบจำลอง (Model Based Definition หรือ MBD) ด้วย MBD แบบจำลองนั้นสามารถนำมาใช้เพื่อดึงขนาดสำหรับ CMM ได้

MDB เป็นเทคโนโลยีที่ล้ำสมัยมาก ดังนั้นจึงยังไม่ถูกนำมาใช้ในกรณีส่วนใหญ่

หัววัด อุปกรณ์จับยึด และอุปกรณ์เสริมสำหรับเครื่องวัดพิกัดสามมิติ (CMM)

หัววัด CMM

มีหัววัดหลายประเภทและหลายรูปทรงให้เลือกใช้ เพื่อรองรับการใช้งานที่หลากหลาย

อุปกรณ์จับยึด CMM

อุปกรณ์จับยึดชิ้นงานช่วยประหยัดเวลาในการโหลดและขนถ่ายชิ้นส่วนบนเครื่อง CMM เช่นเดียวกับเครื่อง CNC คุณยังสามารถหาซื้อเครื่อง CMM ที่มีระบบโหลดพาเลทอัตโนมัติเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานได้สูงสุดอีกด้วย

ราคาเครื่อง CMM

เครื่องวัดพิกัดสามมิติ (Coordinate Measuring Machine) รุ่นใหม่มีราคาเริ่มต้นตั้งแต่ 20,000 ถึง 30,000 ดอลลาร์สหรัฐ และอาจสูงถึงกว่า 1 ล้านดอลลาร์สหรัฐ