Sissejuhatus
Koordinaatmõõteseade (CMM)on tänapäevase tootmiskvaliteedi tagamise üks olulisemaid tööriistu. Alates autokomponentidest kuni kosmoseosadeni, meditsiinilistest implantaatidest kuni pooljuhtpakettideni – CMM-id pakuvad kolmemõõtmelisi mõõtmeid, mis kinnitavad, kas toodetud osa vastab selle konstruktsiooninõuetele.
Vaatamata nende levimusele ei ole CMM-i - täpsuse allikad ja seda täpsust piiravad tegurid - väljaspool metroloogiaringkonda alati hästi mõistetavad. Selles artiklis uuritakse, kuidas CMM-id töötavad, mis võimaldab nende täpsust ning millised füüsilised ja keskkonnategurid piiravad nende mõõtmist.
CMM-i põhiarhitektuur
CMM on põhimõtteliselt 3D-asendi{1}}mõõtmisseade. See koosneb liikuvast sondist, mis on paigaldatud struktuursele raamistikule, mis võimaldab liikumist mööda kolme risttelge - X, Y ja Z - määratud mõõtmismahu ulatuses. Sondi asukohta piki igat telge jälgitakse täpsete lineaarsete kodeerijate abil ja tooriku mõõtmete mõõtmised tuletatakse salvestatud sondi positsioonidest kokkupuute või hõivamise hetkel.
CMM-i struktuurne raamistik peab säilitama geomeetrilised seosed telgede - nelinurksuse, sirguse ja tasasuse - vahel suure täpsusega kogu mõõtmismahu ulatuses ja erinevates keskkonnatingimustes. Kõrvalekalded ideaalsest geomeetriast masina struktuuris väljenduvad otseselt mõõtmisvigadena.
Sondisüsteem muudab sondi kontakti töödeldava detailiga päästiku- või asendisignaaliks. Puute-käivitusandurid genereerivad neutraalasendist kõrvalekaldumisel signaali. Skaneerivad sondid mõõdavad pidevalt nende läbipainet, kui neid piki pinda liigutatakse. Lasersondid koguvad punktipilve andmeid ilma kontaktita. Igal sonditüübil on erinevad täpsusomadused ja rakendusnišid.
Graniitlaud: CMM-i mõõtmete vundament
Enamiku silla--- ja pukk--tüüpi CMM-ide põhjas asub täppisgraniidist pinnaplaat. See ei ole juhuslik - graniidist laud on CMM-i peamine mõõtmete viide vertikaalteljel ja selle tasasuse spetsifikatsioon aitab otseselt kaasa masina üldisele mahutäpsusele.
CMM-i puhul, mis töötab täpsusega 1–2 µm, võib graniidist laua tasasuseks määrata 1–3 µm kogu tööpiirkonna ulatuses. Kõik tabelis olevad kõrvalekalded, mis jäävad mõõtmismahu piiresse, muutuvad osaks masina geomeetrilise vea eelarvest.
Graniiti kasutatakse pigem CMM-laudade kui metallide alternatiivide jaoks mitmel väljakujunenud{0}}põhjusel: mõõtmete stabiilsus ajas, madal tundlikkus temperatuurimuutuste suhtes, mitte-magnetilisus, vibratsiooni summutavad omadused ja võime olla tasapinnaline. Graniittabel pakub ka stabiilset, hästi-defineeritud viidet CMM-i Z-telje skaala jaoks.
Suurima täpsusega CMM-ides -, mida kasutavad riiklikud metroloogiainstituudid ja kalibreerimislaborid -, saab graniidist tabelit kontrollida tasasuse tolerantsiga vahemikus 0,5–1 µm ning masina kogumahu saab kaardistada laserinterferomeetriga, et iseloomustada ja parandada kõiki geomeetrilisi vigu.
Kolme-teljelise masina 21 geomeetrilist viga
Kolme-teljelise CMM-i puhul esineb 21 sõltumatut geomeetrilist viga, mis iseloomustavad täielikult selle geomeetrilist käitumist. Igal lineaarsel teljel on kuus viga: kolm translatsiooni (positsioneerimisviga piki telge, sirgus kahes põikisuunas) ja kolm pöörlemist (lengerdus, kalle ja veeremine). Kolme-telje kombinatsioon toob telgede paaride vahele kolm ruudususviga.
Need 21 viga ei ole juhuslikud - need on süstemaatilised ja korratavad antud masina puhul antud olukorras. Kaasaegsed suure täpsusega -CMM-id iseloomustavad kõiki 21 geomeetrilist viga läbi põhjaliku kalibreerimisprotsessi, kasutades laserinterferomeetreid, täppisruutusid ja kuulvardaid. Pärast iseloomustamist salvestatakse vead masina arvutisse ja neid kasutatakse mõõdetud positsioonide parandamiseks reaalajas tarkvara veakompensatsiooni kaudu.
See lähenemisviis - süstemaatiliste vigade füüsiline mõõtmine, millele järgneb tarkvara kompensatsioon - võimaldab CMM-idel saavutada mahutäpsust, mida nende töötlemata mehaaniline täpsus üksi ei toeta. Masin, millel on mingis suunas 5 µm töötlemata mehaaniline geomeetriline viga, võib pärast täielikku geomeetrilist kalibreerimist ja kompenseerimist saavutada tüüpiliste mõõtmisstsenaariumide puhul 1 µm mahutäpsuse.
Keskkonnategurid, mis piiravad CMM-i täpsust
Isegi täiuslikult kalibreeritud CMM töötab reaalses keskkonnas ja keskkonnategurid on praktikas sageli domineerivaks mõõtemääramatuse allikaks.
Temperatuur on kõige olulisem keskkonnamuutuja. Rahvusvaheline mõõtmete mõõtmise standard (ISO 1) määratleb võrdlustemperatuurina 20 kraadi. Kui toorik, CMM ja võrdlusartefakt on kõik erinevatel temperatuuridel -, nagu tavaliselt juhtub, kui osa tuleb tootmispõrandast mõõtmisruumi -, võivad sellest tulenevad mõõtmete erinevused olla märkimisväärsed. 500 mm terasdetailide puhul põhjustab 1 kraadine temperatuurihälve 20 kraadist ligikaudu 5,85 µm pikkuse muutuse.
Vibratsioon on teine oluline keskkonnategur. Raskete seadmete, jalgsiliikluse, HVAC-süsteemide ja liikluse tekitatud maapinna vibratsioon võib ergutada CMM-i struktuuri ja tekitada mõõtmismüra. Sel põhjusel paigaldatakse suure täpsusega -CMM-id tavaliselt vibratsiooni-isoleeritud põrandatele või aktiivsetele vibratsioonivastastele-alustele.
Niiskus ei mõjuta mõõtmist otseselt, vaid töödeldavat detaili: paljude metallide mõõtmed muutuvad niiskuse mõjul väikesed, kuid reaalsed ning kõrge õhuniiskus võib põhjustada pindadele kondenseerumist, mis häirib puutetundlikkust.
Õhuvoolud mõõtmisruumis võivad tekitada mõõtmismahu piires temperatuurigradiente, põhjustades ruumi keskmisest erinevat lokaalset soojuspaisumist. Õhu liikumise juhtimine läbi HVAC hoolika disaini on osa suure täpsusega{1}}metroloogia parimatest tavadest.
Sondi kvalifikatsioon ja selle tähtsus
Sond on liides CMM-i ja tooriku vahel. Selle täpsus -, täpsemalt selle korratavus ja korrektne kalibreerimine CMM-i koordinaatsüsteemi - suhtes on sama oluline kui masina geomeetriline täpsus.
Puute-käivitusandurid tuleb kvalifitseerida, kasutades teadaoleva läbimõõdu ja kujuga võrdlussfääri, mida nimetatakse võrdluskuuliks või kvalifikatsioonisfääriks. See protsess määrab sondi otsa täpse keskpunkti ja raadiuse masina koordinaatsüsteemis. Skaneerivate sondide puhul on kalibreerimisprotsess keerukam, iseloomustades sondi käitumist kogu mõõtmispiirkonnas ja mitmes lähenemissuunas.
Täppis-CMM-rakendustes on sondi kvalifitseerimiseks kasutatavad etalonartefaktid ise kalibreeritud ja jälgitavad riiklike mõõtmisstandardite järgi, säilitades katkematu jälgitavuse ahela CMM-i mõõtmisest kuni arvesti rahvusvahelise määratluseni.
Jälgitavus: kett, mis muudab mõõtmised tähendusrikkaks
CMM-i mõõtmistulemus on sama tähendusrikas kui selle jälgitavus - katkematu võrdlusahel, mis seob mõõtmise tagasi pikkuse põhimääratlusega. Ilma jälgitavuseta ei ole teatatud mõõtmisel kindlat seost ühegi standardiga ja seda ei saa sisuliselt võrrelda teistes laborites või muude masinatega tehtud mõõtmistega.
Praktikas tehakse CMM-i jälgitavus kindlaks, kalibreerides masina lineaarkoodereid laserinterferomeetri mõõtmiste suhtes, kasutades kalibreeritud etalonartefakte (gabariidiplokid, võrdlussfäärid, astmemõõturid), et kontrollida masina jõudlust, ja töötades temperatuuri{0}}kontrollitud keskkonnas, mis võimaldab mõõtmistulemustega koos edastada.
Riiklikud metroloogiainstituudid -, mis tegutsevad mõõtmiste jälgitavuse hierarhia tipus -, säilitavad esmased standardid, millest kõik tööstuslikud mõõtmiste kalibreerimised lõpuks oma jälgitavuse tuletavad. Need instituudid kasutavad maailma kõige täpsemaid CMM-e ja spetsiaalseid instrumente ning nende mõõtmistulemused on aluseks tervete riiklike tootmissektorite kvaliteeditagamissüsteemidele.
Järeldus
Koordinaatmõõtmismasin on integreeritud inseneritöö võidukäik: täpne mehaanika, keerukas tarkvara, kalibreeritud andurid ja kontrollitud keskkond, mis töötavad koos, et toota mõõtmetega mõõtmisi, mis võimaldavad kaasaegset tootmist. CMM-i täpsuse allikate - graniidist konstruktsioonialuse, 21 geomeetrilise vea ja nende korrigeerimise, keskkonnategurite, sondisüsteemi ja jälgitavuse ahela - mõistmine on oluline kõigile, kes toetuvad kvaliteediotsuste tegemisel CMM-i mõõtmistele.
Kuna tootmistolerantsid üha karmistavad erinevates tööstusharudes, kasvavad paralleelselt ka nõuded CMM-i täpsusele, stabiilsusele ja kalibreerimisele. Nende masinate põhitehnoloogia, alates graniidist lauast ülespoole, jääb selle jätkuva väljakutse keskseks osaks.