Въведение
Координатаизмервателна машина (CMM)е един от най-важните инструменти за осигуряване на качеството на съвременното производство. От автомобилни компоненти до аерокосмически части, от медицински импланти до полупроводникови пакети, CMM предоставят три-измерни измервания, които потвърждават дали произведената част отговаря на проектните си спецификации.
Въпреки цялото им разпространение, източниците на точност в CMM - и факторите, които ограничават тази точност -, не винаги са добре разбрани извън метрологичната общност. Тази статия разглежда как работят CMM, какво позволява тяхната точност и какви физически фактори и фактори на околната среда ограничават колко точно могат да измерват.
Основната архитектура на CMM
По същество CMM е 3D устройство-за измерване на положение. Състои се от движеща се сонда, монтирана върху структурна рамка, която позволява движение по три ортогонални оси - X, Y и Z - върху определен обем на измерване. Позицията на сондата по всяка ос се проследява от прецизни линейни енкодери и измерванията на размерите на детайла се извличат от записаните позиции на сондата в момента на контакт или улавяне.
Структурната рамка на CMM трябва да поддържа геометричните връзки между осите - правоъгълност, праволинейност и плоскост - с висока точност в целия обем на измерване и при различни условия на околната среда. Отклоненията от идеалната геометрия в структурата на машината се превръщат директно в грешки при измерване.
Системата на сондата преобразува контакта на сондата с детайла в сигнал за задействане или позиция. Сензорните-задействащи сонди генерират сигнал, когато се отклонят от неутралната си позиция. Сканиращите сонди непрекъснато измерват своето отклонение, докато се движат по повърхността. Лазерните сонди улавят данни от облак от точки без контакт. Всеки тип сонда има различни характеристики на точност и ниши за приложение.
Гранитната маса: Измерителната основа на CMM
В основата на повечето КИМ от-тип мост и портален-тип се намира прецизна гранитна повърхностна плоча. Това не е случайно - гранитната маса е основният референтен размер на CMM по вертикалната ос и нейната спецификация за плоскост директно допринася за общата обемна точност на машината.
За CMM, работеща със спецификация на точност от 1–2 µm, плоскостта на гранитната маса може да бъде определена на 1–3 µm върху цялата работна площ. Всяко отклонение в таблицата, което попада в обема на измерване, става част от бюджета за геометрична грешка на машината.
Гранитът се използва за CMM маси, а не метални алтернативи поради няколко добре{0}}установени причини: стабилност на размерите във времето, ниска чувствителност към температурни промени, не-магнитен характер, характеристики на потискане на вибрациите и възможност за прилепване до висока плоскост. Гранитната маса също така осигурява стабилна, добре-дефинирана референция за скалата на оста Z-на CMM.
В CMM с най-висока точност - тези, използвани от националните метрологични институти и лаборатории за калибриране -, гранитната маса може да бъде проверена за толеранси на плоскост в диапазона от 0,5–1 µm, а пълният обем на машината може да бъде картографиран с лазерен интерферометър за характеризиране и коригиране на всички геометрични грешки.
21-те геометрични грешки на три-осна машина
Три{0}}осният CMM е обект на 21 независими геометрични грешки, които напълно характеризират неговото геометрично поведение. Всяка линейна ос допринася за шест грешки: три транслационни (грешка при позициониране по оста, праволинейност в две напречни посоки) и три ротационни (въртене, наклон и накланяне). Три-комбинацията от оси въвежда три грешки на правоъгълност между двойки оси.
Тези 21 грешки не са произволни - те са систематични и повтарящи се за дадена машина в дадено състояние. Съвременните CMM с висока -прецизност характеризират всичките 21 геометрични грешки чрез цялостен процес на калибриране с помощта на лазерни интерферометри, прецизни квадрати и сферични пръти. Веднъж характеризирани, грешките се съхраняват в компютъра на машината и се използват за коригиране на измерените позиции в реално време чрез софтуерна компенсация на грешки.
Този подход - физическо измерване на системни грешки, последвано от софтуерна компенсация - позволява на КИМ да постигнат обемни точности, които тяхната сурова механична точност не би могла да поддържа сама. Машина с 5 µm необработена механична геометрична грешка в някаква посока може, след пълно геометрично калибриране и компенсация, да постигне 1 µm обемна точност в типичните сценарии на измерване.
Фактори на околната среда, които ограничават точността на CMM
Дори идеално калибриран CMM работи в реална среда и факторите на околната среда често са доминиращият източник на несигурност на измерването на практика.
Температурата е най-значимата променлива на околната среда. Международният стандарт за измерване на размерите (ISO 1) определя 20 градуса като референтна температура. Когато детайлът, CMM и референтният артефакт са при различни температури -, както обикновено се случва, когато част идва от производствения етаж в стаята за измерване -, получените разлики в размерите могат да бъдат значителни. За стоманена част от 500 mm отклонение на температурата от 1 градус от 20 градуса води до приблизително 5,85 µm промяна на дължината.
Вибрацията е вторият основен фактор на околната среда. Вибрациите на земята от тежко оборудване, пешеходен трафик, HVAC системи и трафик могат да възбудят структурата на CMM и да въведат шум от измерване. Поради тази причина CMM с висока-прецизност обикновено се инсталират върху изолирани от-вибрации подове или активни анти{4}}вибрационни стойки.
Влажността влияе не директно на измерването, а на детайла: много метали проявяват малки, но реални промени в размерите с влажност, а високата влажност може да причини кондензация върху повърхности, която пречи на тактилното изследване.
Въздушните течения в помещението за измерване могат да въведат температурни градиенти в измервателния обем, причинявайки локално топлинно разширение, което се различава от средното за помещението. Контролът на движението на въздуха чрез внимателно проектиране на HVAC е част от най-добрата практика в метрологията с висока{1}}точност.
Квалификация на сондата и нейното значение
Сондата е интерфейсът между CMM и детайла. Неговата точност - по-специално неговата повторяемост и правилното му калибриране по отношение на CMM координатната система - са толкова важни, колкото и геометричната точност на машината.
Сондите за-задействане на допир трябва да бъдат квалифицирани с помощта на референтна сфера с известен диаметър и форма, наречена еталонна топка или квалифицираща сфера. Този процес определя точния център и радиус на върха на сондата в координатната система на машината. За сканиращите сонди процесът на калибриране е по-сложен, като характеризира поведението на сондата в пълния й обхват на измерване и в множество посоки на приближаване.
В прецизните приложения на CMM референтните артефакти, използвани за квалификация на сондата, сами по себе си са калибрирани и проследими спрямо националните стандарти за измерване, поддържайки непрекъсната верига на проследимост от измерването на CMM обратно до международната дефиниция на измервателния уред.
Проследимост: Веригата, която прави измерванията значими
Резултатът от измерване от CMM е толкова значим, колкото неговата проследимост - непрекъснатата верига от сравнения, която свързва измерването обратно с фундаменталното определение за дължина. Без възможност за проследяване отчетеното измерване няма установена връзка с който и да е стандарт и не може да бъде сравнено смислено с измервания, направени в други лаборатории или на други машини.
На практика проследимостта на CMM се установява чрез калибриране на линейните енкодери на машината спрямо измервания на лазерен интерферометър, чрез използване на калибрирани референтни артефакти (ганометърни блокове, референтни сфери, измервателни уреди) за проверка на производителността на машината и чрез работа в среда с-контролирана температура, която позволява условията на измерване да бъдат докладвани заедно с резултата от измерването.
Националните метрологични институти -, работещи на върха на йерархията на проследимостта на измерванията -, поддържат основните стандарти, от които в крайна сметка черпят своята проследимост всички индустриални измервателни калибрации. Тези институти използват най-точните CMM и специализирани инструменти в света, а резултатите от техните измервания са в основата на системите за осигуряване на качеството на цели национални производствени сектори.
Заключение
Координатно измервателната машина е триумф на интегрираното инженерство: прецизна механика, усъвършенстван софтуер, калибрирани сензори и контролирана среда, работещи заедно, за да произвеждат измервания на размерите, които позволяват модерното производство. Разбирането на източниците на точност на CMM - структурната основа от гранит, 21-те геометрични грешки и тяхната корекция, факторите на околната среда, сондажната система и веригата за проследяване - е от съществено значение за всеки, който разчита на измервания на CMM, за да взема качествени решения.
Тъй като производствените толеранси продължават да се затягат в различните индустрии, изискванията към точността, стабилността и калибрирането на CMM ще нарастват паралелно. Основното инженерство зад тези машини, от гранитната маса нагоре, ще остане централно за това продължаващо предизвикателство.