რა არის კოორდინატების საზომი მანქანა?

აკოორდინატების საზომი მანქანა(CMM) არის მოწყობილობა, რომელიც ზომავს ფიზიკური ობიექტების გეომეტრიას ობიექტის ზედაპირზე დისკრეტული წერტილების ზონდით აღქმით. CMM-ებში გამოიყენება სხვადასხვა ტიპის ზონდები, მათ შორის მექანიკური, ოპტიკური, ლაზერული და თეთრი სინათლის. აპარატის მიხედვით, ზონდის პოზიცია შეიძლება ხელით კონტროლდებოდეს ოპერატორის მიერ ან კომპიუტერის მიერ. CMM-ები, როგორც წესი, განსაზღვრავენ ზონდის პოზიციას სამგანზომილებიან კარტეზიულ კოორდინატთა სისტემაში (ანუ XYZ ღერძებით) საცნობარო პოზიციიდან მისი გადაადგილების მიხედვით. ზონდის X, Y და Z ღერძების გასწვრივ გადაადგილების გარდა, ბევრი აპარატი ასევე იძლევა ზონდის კუთხის კონტროლის საშუალებას, რათა შესაძლებელი გახდეს იმ ზედაპირების გაზომვა, რომლებიც სხვა შემთხვევაში მიუწვდომელი იქნებოდა.

ტიპური 3D „ხიდის“ CMM საშუალებას იძლევა ზონდი გადაადგილდეს სამი ღერძის გასწვრივ, X, Y და Z, რომლებიც ერთმანეთის მიმართ ორთოგონალურია სამგანზომილებიან კარტეზიულ კოორდინატთა სისტემაში. თითოეულ ღერძს აქვს სენსორი, რომელიც აკონტროლებს ზონდის პოზიციას ამ ღერძზე, როგორც წესი, მიკრომეტრის სიზუსტით. როდესაც ზონდი ეხება (ან სხვაგვარად აღმოაჩენს) ობიექტზე კონკრეტულ ადგილს, მანქანა იღებს ნიმუშებს სამი პოზიციის სენსორიდან, რითაც ზომავს ობიექტის ზედაპირზე ერთი წერტილის მდებარეობას, ასევე გაზომვის სამგანზომილებიან ვექტორს. ეს პროცესი მეორდება საჭიროებისამებრ, ყოველ ჯერზე ზონდის გადაადგილებით, რათა შეიქმნას „წერტილოვანი ღრუბელი“, რომელიც აღწერს საინტერესო ზედაპირის არეალებს.

CMM-ების ფართოდ გამოყენება წარმოებისა და აწყობის პროცესებშია ნაწილის ან ასამბლეის დიზაინის განზრახვასთან შესამოწმებლად. ასეთ შემთხვევებში წარმოიქმნება წერტილოვანი ღრუბლები, რომლებიც ანალიზდება რეგრესიული ალგორითმების საშუალებით მახასიათებლების აგებისთვის. ეს წერტილები გროვდება ზონდის გამოყენებით, რომელიც პოზიციონირდება ოპერატორის მიერ ხელით ან ავტომატურად პირდაპირი კომპიუტერული მართვის (DCC) მეშვეობით. DCC CMM-ების დაპროგრამება შესაძლებელია იდენტური ნაწილების განმეორებით გასაზომად; ამრიგად, ავტომატიზირებული CMM არის სამრეწველო რობოტის სპეციალიზებული ფორმა.

ნაწილები

კოორდინატების საზომი მანქანები შედგება სამი ძირითადი კომპონენტისგან:

• ძირითადი სტრუქტურა, რომელიც მოიცავს მოძრაობის სამ ღერძს. მოძრავი ჩარჩოს ასაგებად გამოყენებული მასალა წლების განმავლობაში იცვლებოდა. ადრეულ CMM-ებში გამოიყენებოდა გრანიტი და ფოლადი. დღეს CMM-ის ყველა მსხვილი მწარმოებელი ამზადებს ჩარჩოებს ალუმინის შენადნობისგან ან მისი წარმოებულისგან და ასევე იყენებს კერამიკას Z ღერძის სიმტკიცის გასაზრდელად სკანირების აპლიკაციებისთვის. დღეს CMM-ის რამდენიმე მწარმოებელი კვლავ აწარმოებს გრანიტის ჩარჩო CMM-ს, ბაზრის მოთხოვნილების გამო გაუმჯობესებული მეტროლოგიური დინამიკისა და ხარისხის ლაბორატორიის გარეთ CMM-ის დაყენების მზარდი ტენდენციის გამო. როგორც წესი, მხოლოდ მცირე მოცულობის CMM-ის მწარმოებლები და ადგილობრივი მწარმოებლები ჩინეთსა და ინდოეთში კვლავ აწარმოებენ გრანიტის CMM-ს დაბალი ტექნოლოგიური მიდგომისა და CMM ჩარჩოს მწარმოებელად გახდომის მარტივი პროცესის გამო. სკანირების მზარდი ტენდენცია ასევე მოითხოვს CMM Z ღერძის უფრო სიმტკიცეს და დანერგილია ახალი მასალები, როგორიცაა კერამიკა და სილიციუმის კარბიდი.
• ზონდირების სისტემა
• მონაცემთა შეგროვებისა და შემცირების სისტემა — როგორც წესი, მოიცავს მანქანის კონტროლერს, დესკტოპ კომპიუტერს და აპლიკაციურ პროგრამულ უზრუნველყოფას.

ხელმისაწვდომობა

ეს მანქანები შეიძლება იყოს დამოუკიდებლად მდგომი, ხელის და პორტატული.

სიზუსტე

კოორდინატების საზომი აპარატების სიზუსტე, როგორც წესი, მოცემულია გაურკვევლობის კოეფიციენტის სახით, როგორც მანძილის ფუნქციისა. სენსორული ზონდის გამოყენებით CMM-ისთვის ეს ეხება ზონდის განმეორებადობას და წრფივი მასშტაბების სიზუსტეს. ტიპიური ზონდის განმეორებადობამ შეიძლება გამოიწვიოს გაზომვები 0.001 მმ-ის ან 0.00005 ინჩის (ნახევარი მეათედი) ფარგლებში მთელ გაზომვის მოცულობაზე. 3, 3+2 და 5 ღერძიანი აპარატებისთვის, ზონდები რუტინულად კალიბრდება მიკვლევადი სტანდარტების გამოყენებით და აპარატის მოძრაობა დამოწმებულია საზომი ხელსაწყოების გამოყენებით სიზუსტის უზრუნველსაყოფად.

კონკრეტული ნაწილები

მანქანის კორპუსი

პირველი CMM შოტლანდიის Ferranti Company-მ 1950-იან წლებში შეიმუშავა, რაც მათი სამხედრო პროდუქციის ზუსტი კომპონენტების გაზომვის პირდაპირი საჭიროების შედეგი იყო, თუმცა ამ მანქანას მხოლოდ 2 ღერძი ჰქონდა. პირველი 3-ღერძიანი მოდელები 1960-იან წლებში გამოჩნდა (იტალიის DEA), ხოლო კომპიუტერული მართვა 1970-იანი წლების დასაწყისში გამოჩნდა, მაგრამ პირველი მოქმედი CMM შეიმუშავა და გაყიდვაში გაიტანა Browne & Sharpe-მა მელბურნში, ინგლისში. (Leitz Germany-მ შემდგომში წარმოადგინა ფიქსირებული მანქანის სტრუქტურა მოძრავი მაგიდით.)

თანამედროვე მანქანებში, პორტალის ტიპის ზედნაშენს ორი ფეხი აქვს და ხშირად ხიდს უწოდებენ. ის თავისუფლად მოძრაობს გრანიტის მაგიდაზე, ერთი ფეხი (ხშირად შიდა ფეხის სახელით ცნობილი) გრანიტის მაგიდის ერთ მხარეს მიმაგრებულ სახელმძღვანელო რელსს მიჰყვება. საპირისპირო ფეხი (ხშირად გარე ფეხი) უბრალოდ გრანიტის მაგიდაზეა დაყრდნობილი ვერტიკალური ზედაპირის კონტურის მიხედვით. ჰაერის საკისრები ხახუნის გარეშე მოძრაობის უზრუნველსაყოფად არჩეული მეთოდია. ამ მანქანებში შეკუმშული ჰაერი იძულებით გადის ბრტყელ საკისრის ზედაპირზე ძალიან პატარა ხვრელების სერიაში, რათა შეიქმნას გლუვი, მაგრამ კონტროლირებადი ჰაერის ბალიში, რომელზეც CMM-ს შეუძლია თითქმის ხახუნის გარეშე გადაადგილება, რაც კომპენსირდება პროგრამული უზრუნველყოფის საშუალებით. ხიდის ან პორტალის მოძრაობა გრანიტის მაგიდის გასწვრივ XY სიბრტყის ერთ ღერძს ქმნის. პორტალის ხიდი შეიცავს ვაგონს, რომელიც კვეთს შიდა და გარე ფეხებს შორის და ქმნის მეორე X ან Y ჰორიზონტალურ ღერძს. მოძრაობის მესამე ღერძი (Z ღერძი) უზრუნველყოფილია ვერტიკალური ბუდის ან შპინდელის დამატებით, რომელიც მოძრაობს ზევით-ქვევით ვაგონის ცენტრში. შეხების ზონდი ქმნის სენსორულ მოწყობილობას ბუდის ბოლოში. X, Y და Z ღერძების მოძრაობა სრულად აღწერს გაზომვის ჩარჩოს. დამატებითი მბრუნავი მაგიდების გამოყენება შესაძლებელია საზომი ზონდის რთულ სამუშაო ნაწილებთან მისადგომის გასაუმჯობესებლად. მბრუნავი მაგიდა, როგორც მეოთხე წამყვანი ღერძი, არ აუმჯობესებს გაზომვის ზომებს, რომლებიც 3D რჩება, მაგრამ გარკვეულ მოქნილობას უზრუნველყოფს. ზოგიერთი სენსორული ზონდი თავისთავად არის ელექტრომოწყობილი მბრუნავი მოწყობილობები, რომელთა ზონდის წვერი ვერტიკალურად 180 გრადუსზე მეტით ბრუნავს და სრულ 360 გრადუსიან ბრუნვას ახდენს.

CMM-ები ამჟამად სხვა ფორმებითაც არის ხელმისაწვდომი. ესენია CMM-ის მკლავები, რომლებიც იყენებენ მკლავის სახსრებში აღებულ კუთხურ გაზომვებს სტილუსის წვერის პოზიციის გამოსათვლელად და შეიძლება აღჭურვილი იყოს ზონდებით ლაზერული სკანირებისა და ოპტიკური გამოსახულების მისაღებად. ასეთი მკლავის CMM-ები ხშირად გამოიყენება იქ, სადაც მათი პორტაბელურობა უპირატესობას წარმოადგენს ტრადიციულ ფიქსირებულ საწოლიან CMM-ებთან შედარებით - გაზომილი ადგილების შენახვით, პროგრამირების პროგრამული უზრუნველყოფა ასევე საშუალებას იძლევა თავად საზომი მკლავის და მისი გაზომვის მოცულობის გადაადგილების გასაზომი ნაწილის გარშემო გაზომვის რუტინის დროს. იმის გამო, რომ CMM-ის მკლავები ადამიანის მკლავის მოქნილობას ბაძავენ, ისინი ასევე ხშირად ახერხებენ რთული ნაწილების შიდა ნაწილის მიღწევას, რომელთა ზონდირება სტანდარტული სამღერძიანი მანქანის გამოყენებით შეუძლებელია.

მექანიკური ზონდი

კოორდინატების გაზომვის (CMM) ადრეულ ეტაპზე, მექანიკური ზონდები თავსდებოდა სპეციალურ დამჭერში, რომელიც ბურთულის ბოლოში იყო განთავსებული. ძალიან გავრცელებული ზონდი მზადდებოდა ლილვის ბოლოზე მყარი ბურთის შედუღებით. ეს იდეალური იყო ბრტყელი ზედაპირის, ცილინდრული ან სფერული ზედაპირების მთელი დიაპაზონის გასაზომად. სხვა ზონდები დაფქული იყო სპეციფიკურ ფორმებამდე, მაგალითად, კვადრანტამდე, რათა შესაძლებელი ყოფილიყო განსაკუთრებული მახასიათებლების გაზომვა. ეს ზონდები ფიზიკურად მაგრდებოდა სამუშაო ნაწილზე, სივრცეში მდებარეობის წაკითხვით 3-ღერძიანი ციფრული წაკითხვიდან (DRO) ან, უფრო მოწინავე სისტემებში, კომპიუტერში იწერებოდა ფეხის გადამრთველის ან მსგავსი მოწყობილობის საშუალებით. ამ კონტაქტის მეთოდით მიღებული გაზომვები ხშირად არასანდო იყო, რადგან მანქანები ხელით მოძრაობდნენ და თითოეული მანქანის ოპერატორი სხვადასხვა რაოდენობის წნევას ახორციელებდა ზონდზე ან იყენებდა გაზომვის სხვადასხვა ტექნიკას.

შემდგომი განვითარება იყო თითოეული ღერძის მართვისთვის ძრავების დამატება. ოპერატორებს აღარ უწევდათ მანქანასთან ფიზიკურად შეხება, არამედ შეეძლოთ თითოეული ღერძის მართვა ჯოისტიკებით აღჭურვილი ხელის ყუთის გამოყენებით, ისევე როგორც თანამედროვე დისტანციურად მართვადი მანქანების შემთხვევაში. ელექტრონული სენსორული ზონდის გამოგონებით გაზომვის სიზუსტე და სიზუსტე მკვეთრად გაუმჯობესდა. ამ ახალი ზონდის მოწყობილობის პიონერი იყო დევიდ მაკმერტრი, რომელმაც შემდგომში დააარსა ის, რაც ახლა Renishaw plc-ია. მიუხედავად იმისა, რომ ზონდი კვლავ კონტაქტური მოწყობილობა იყო, მას ჰქონდა ზამბარიანი ფოლადის ბურთულიანი (მოგვიანებით ლალის ბურთულიანი) სტილუსი. როდესაც ზონდი კომპონენტის ზედაპირს ეხებოდა, სტილუსი გადახრილი იყო და ერთდროულად კომპიუტერს უგზავნიდა X, Y, Z კოორდინატებს. ინდივიდუალური ოპერატორების მიერ გამოწვეული გაზომვის შეცდომები შემცირდა და საფუძველი ჩაეყარა CNC ოპერაციების დანერგვას და CMM-ების განვითარებას.

ოპტიკური ზონდები წარმოადგენს ლინზ-CCD სისტემებს, რომლებიც მექანიკური ზონდების მსგავსად მოძრაობენ და მიმართულია საინტერესო წერტილისკენ, მასალასთან შეხების ნაცვლად. ზედაპირის გადაღებული გამოსახულება მოთავსდება საზომი ფანჯრის საზღვრებში მანამ, სანამ ნალექი არ გახდება საკმარისი შავი და თეთრი ზონების კონტრასტისთვის. გამყოფი მრუდის გამოთვლა შესაძლებელია წერტილამდე, რომელიც წარმოადგენს სივრცეში სასურველ საზომ წერტილს. CCD-ზე ჰორიზონტალური ინფორმაცია არის 2D (XY), ხოლო ვერტიკალური პოზიცია არის სრული ზონდირების სისტემის პოზიცია Z-დრაივზე (ან მოწყობილობის სხვა კომპონენტზე).

სკანირების ზონდის სისტემები

არსებობს უფრო ახალი მოდელები, რომლებსაც აქვთ ზონდები, რომლებიც ნაწილის ზედაპირზე გადაადგილდებიან და წერტილებს განსაზღვრული ინტერვალებით იღებენ, რომლებიც ცნობილია როგორც სკანირების ზონდები. CMM შემოწმების ეს მეთოდი ხშირად უფრო ზუსტია, ვიდრე ტრადიციული შეხებითი ზონდის მეთოდი და უმეტეს შემთხვევაში უფრო სწრაფიც.

სკანირების შემდეგი თაობა, რომელიც ცნობილია როგორც უკონტაქტო სკანირება, რომელიც მოიცავს მაღალსიჩქარიან ლაზერულ ერთწერტილიან ტრიანგულაციას, ლაზერულ ხაზოვან სკანირებას და თეთრი სინათლის სკანირებას, ძალიან სწრაფად ვითარდება. ეს მეთოდი იყენებს ლაზერულ სხივებს ან თეთრ სინათლეს, რომლებიც ნაწილის ზედაპირზე პროეცირდება. შემდეგ შესაძლებელია ათასობით წერტილის აღება და გამოყენება არა მხოლოდ ზომისა და პოზიციის შესამოწმებლად, არამედ ნაწილის 3D გამოსახულების შესაქმნელად. ეს „წერტილოვანი ღრუბლის მონაცემები“ შემდეგ შეიძლება გადაიტანოს CAD პროგრამულ უზრუნველყოფაში ნაწილის მოქმედი 3D მოდელის შესაქმნელად. ეს ოპტიკური სკანერები ხშირად გამოიყენება რბილ ან დელიკატურ ნაწილებზე ან უკუინჟინერიის ხელშეწყობის მიზნით.

მიკრომეტროლოგიური ზონდები

მიკრომასშტაბური მეტროლოგიის აპლიკაციებისთვის ზონდირების სისტემები კიდევ ერთი განვითარებადი სფეროა. არსებობს რამდენიმე კომერციულად ხელმისაწვდომი კოორდინატების საზომი მანქანა (CMM), რომლებსაც სისტემაში ინტეგრირებული აქვთ მიკროზონდი, რამდენიმე სპეციალიზებული სისტემა სამთავრობო ლაბორატორიებში და მრავალი უნივერსიტეტის მიერ აშენებული მეტროლოგიური პლატფორმა მიკრომასშტაბური მეტროლოგიისთვის. მიუხედავად იმისა, რომ ეს მანქანები კარგი და ხშირ შემთხვევაში შესანიშნავი მეტროლოგიური პლატფორმებია ნანომეტრიული მასშტაბებით, მათი მთავარი შეზღუდვა საიმედო, მტკიცე და ქმედითი მიკრო/ნანო ზონდია.^{[ციტირება საჭიროა]}მიკრომასშტაბიანი ზონდირების ტექნოლოგიების გამოწვევებს შორისაა მაღალი ასპექტის თანაფარდობის ზონდის საჭიროება, რომელიც საშუალებას იძლევა, დაბალი შეხების ძალებით მოხდეს ღრმა, ვიწრო ობიექტებზე წვდომის მიღწევა, ზედაპირის დაზიანების თავიდან ასაცილებლად და მაღალი სიზუსტით (ნანომეტრის დონეზე).^{[ციტირება საჭიროა]}გარდა ამისა, მიკრომასშტაბიანი ზონდები მგრძნობიარეა გარემო პირობების მიმართ, როგორიცაა ტენიანობა და ზედაპირული ურთიერთქმედებები, როგორიცაა ჩხირები (გამოწვეულია ადჰეზიით, მენისკით და/ან ვან დერ ვაალის ძალებით და სხვა).^{[ციტირება საჭიროა]}

მიკრომასშტაბიანი ზონდირების ტექნოლოგიები მოიცავს კლასიკური CMM ზონდების შემცირებულ ვერსიას, ოპტიკურ ზონდებს და მდგომი ტალღის ზონდს სხვა საკითხებთან ერთად. თუმცა, ამჟამინდელი ოპტიკური ტექნოლოგიების მასშტაბირება შეუძლებელია ღრმა, ვიწრო ობიექტის გასაზომად და ოპტიკური გარჩევადობა შეზღუდულია სინათლის ტალღის სიგრძით. რენტგენის გამოსახულება იძლევა ობიექტის სურათს, მაგრამ არა მეტროლოგიურ ინფორმაციას.

ფიზიკური პრინციპები

შესაძლებელია ოპტიკური და/ან ლაზერული ზონდების გამოყენება (თუ შესაძლებელია კომბინაციაში), რომლებიც CMM-ებს საზომ მიკროსკოპებად ან მრავალსენსორულ საზომ მანქანებად ცვლის. ფრინჯ პროექციის სისტემებს, თეოდოლიტის ტრიანგულაციის სისტემებს ან ლაზერული დისტანციური და ტრიანგულაციის სისტემებს არ უწოდებენ საზომ მანქანებს, მაგრამ გაზომვის შედეგი იგივეა: სივრცითი წერტილი. ლაზერული ზონდები გამოიყენება ზედაპირსა და კინემატიკური ჯაჭვის ბოლოს (ანუ: Z-ძრავის კომპონენტის ბოლოს) საცნობარო წერტილს შორის მანძილის დასადგენად. ამისათვის შეიძლება გამოყენებულ იქნას ინტერფერომეტრიული ფუნქცია, ფოკუსის ვარიაცია, სინათლის გადახრა ან სხივის დაჩრდილვის პრინციპი.

პორტატული კოორდინატების საზომი მანქანები

მაშინ, როდესაც ტრადიციული CMM-ები ობიექტის ფიზიკური მახასიათებლების გასაზომად სამ კარტეზიულ ღერძზე მოძრავ ზონდს იყენებენ, პორტატული CMM-ები იყენებენ ან არტიკულირებულ მკლავებს, ან, ოპტიკური CMM-ების შემთხვევაში, მკლავებისგან თავისუფალ სკანირების სისტემებს, რომლებიც იყენებენ ოპტიკური ტრიანგულაციის მეთოდებს და ობიექტის გარშემო გადაადგილების სრულ თავისუფლებას უზრუნველყოფენ.

პორტატულ CMM-ებს, რომლებსაც აქვთ არტიკულირებული მკლავები, აქვთ ექვსი ან შვიდი ღერძი, რომლებიც აღჭურვილია მბრუნავი ენკოდერებით, წრფივი ღერძების ნაცვლად. პორტატული მკლავები მსუბუქია (როგორც წესი, 20 ფუნტზე ნაკლები) და მათი ტარება და გამოყენება თითქმის ყველგან შეიძლება. თუმცა, ოპტიკური CMM-ები სულ უფრო ხშირად გამოიყენება ინდუსტრიაში. კომპაქტური წრფივი ან მატრიცული მასივის კამერებით (მაგალითად, Microsoft Kinect) შექმნილი ოპტიკური CMM-ები უფრო პატარაა, ვიდრე პორტატული CMM-ები მკლავებით, არ აქვთ მავთულები და საშუალებას აძლევს მომხმარებლებს მარტივად მიიღონ 3D გაზომვები თითქმის ყველგან მდებარე ყველა ტიპის ობიექტისთვის.

პორტატული CMM-ებისთვის იდეალურად შეეფერება გარკვეული, არაგანმეორებადი აპლიკაციები, როგორიცაა უკუინჟინერია, სწრაფი პროტოტიპების შექმნა და ყველა ზომის ნაწილის მასშტაბური შემოწმება. პორტატული CMM-ების უპირატესობები მრავალმხრივია. მომხმარებლებს აქვთ მოქნილობა, რათა განახორციელონ ყველა ტიპის ნაწილის 3D გაზომვები ყველაზე შორეულ/რთულ ადგილებში. ისინი მარტივი გამოსაყენებელია და ზუსტი გაზომვების მისაღებად კონტროლირებად გარემოს არ საჭიროებენ. გარდა ამისა, პორტატული CMM-ები, როგორც წესი, ტრადიციულ CMM-ებთან შედარებით ნაკლები ღირს.

პორტატული CMM-ების თანდაყოლილი ნაკლი არის ხელით მართვა (მათი გამოსაყენებლად ყოველთვის საჭიროა ადამიანი). გარდა ამისა, მათი საერთო სიზუსტე შეიძლება გარკვეულწილად ნაკლებად ზუსტი იყოს, ვიდრე ხიდის ტიპის CMM-ების და ნაკლებად შესაფერისია ზოგიერთი გამოყენებისთვის.

მრავალსენსორული საზომი მანქანები

ტრადიციული CMM ტექნოლოგია, რომელიც იყენებს სენსორულ ზონდებს, დღეს ხშირად შერწყმულია სხვა გაზომვის ტექნოლოგიებთან. ეს მოიცავს ლაზერულ, ვიდეო ან თეთრი სინათლის სენსორებს, რათა უზრუნველყოფილი იყოს ე.წ. მრავალსენსორული გაზომვა.