ما هي آلة قياس الإحداثيات؟

أآلة قياس الإحداثياتآلة قياس الإحداثيات (CMM) هي جهاز يقيس هندسة الأجسام المادية عن طريق استشعار نقاط منفصلة على سطح الجسم باستخدام مسبار. تُستخدم أنواع مختلفة من المجسات في آلات قياس الإحداثيات، بما في ذلك المجسات الميكانيكية والبصرية والليزرية والضوء الأبيض. وحسب الجهاز، يمكن التحكم في موضع المسبار يدويًا بواسطة مشغل أو عن طريق الكمبيوتر. تحدد آلات قياس الإحداثيات عادةً موضع المسبار من حيث إزاحته عن موضع مرجعي في نظام إحداثيات ديكارتية ثلاثي الأبعاد (أي باستخدام محاور X وY وZ). بالإضافة إلى تحريك المسبار على طول محاور X وY وZ، تتيح العديد من الأجهزة أيضًا التحكم في زاوية المسبار لقياس الأسطح التي يصعب الوصول إليها لولا ذلك.

تسمح آلة قياس الإحداثيات ثلاثية الأبعاد "الجسرية" التقليدية بحركة المسبار على ثلاثة محاور، X وY وZ، متعامدة على بعضها البعض في نظام إحداثيات ديكارتية ثلاثي الأبعاد. يحتوي كل محور على مستشعر يراقب موضع المسبار عليه، عادةً بدقة ميكرومترية. عندما يلامس المسبار (أو يكتشف) موقعًا معينًا على الجسم، يقوم الجهاز بأخذ عينات من مستشعرات الموضع الثلاثة، وبالتالي قياس موقع نقطة واحدة على سطح الجسم، بالإضافة إلى المتجه ثلاثي الأبعاد للقياس المأخوذ. تُكرر هذه العملية حسب الحاجة، مع تحريك المسبار في كل مرة، لإنتاج "سحابة نقاط" تصف مساحات السطح محل الاهتمام.

من الاستخدامات الشائعة لآلات قياس الإحداثيات (CMMs) في عمليات التصنيع والتجميع، اختبار قطعة أو مجموعة بناءً على تصميمها. في هذه التطبيقات، تُولّد سحابات نقطية تُحلّل باستخدام خوارزميات الانحدار لبناء الميزات. تُجمع هذه النقاط باستخدام مسبار يُوضع يدويًا بواسطة مُشغّل أو تلقائيًا عبر التحكم الحاسوبي المباشر (DCC). يمكن برمجة آلات قياس الإحداثيات (CMMs) ذات التحكم الحاسوبي المباشر (DCC) لقياس أجزاء متطابقة بشكل متكرر؛ وبالتالي، تُعدّ آلات قياس الإحداثيات الآلية شكلاً متخصصًا من الروبوتات الصناعية.

أجزاء

تتضمن آلات قياس الإحداثيات ثلاثة مكونات رئيسية:

• الهيكل الرئيسي الذي يتضمن ثلاثة محاور للحركة. وقد تنوعت المواد المستخدمة في بناء الإطار المتحرك على مر السنين. وقد استُخدم الجرانيت والصلب في آلات قياس الإحداثيات المبكرة. واليوم، يبني جميع مصنعي آلات قياس الإحداثيات الرئيسيين إطارات من سبائك الألومنيوم أو بعض مشتقاتها، كما يستخدمون السيراميك لزيادة صلابة المحور Z لتطبيقات المسح. ولا يزال عدد قليل من مصنعي آلات قياس الإحداثيات يصنعون آلات قياس الإحداثيات ذات الإطار الجرانيتي بسبب متطلبات السوق لتحسين ديناميكيات القياس والاتجاه المتزايد لتثبيت آلات قياس الإحداثيات خارج مختبر الجودة. وعادةً ما لا يزال مصنعو آلات قياس الإحداثيات منخفضة الحجم والمصنعون المحليون في الصين والهند يصنعون آلات قياس الإحداثيات الجرانيتية بسبب نهج التكنولوجيا المنخفضة وسهولة الدخول ليصبحوا مصنعي إطارات آلات قياس الإحداثيات. ويتطلب الاتجاه المتزايد نحو المسح أيضًا أن يكون المحور Z لآلات قياس الإحداثيات أكثر صلابة، وقد تم تقديم مواد جديدة مثل السيراميك وكربيد السيليكون.
• نظام التحقيق
• نظام جمع البيانات وتقليصها - يشمل عادةً وحدة تحكم في الجهاز وجهاز كمبيوتر سطح المكتب وبرامج التطبيق.

التوفر

يمكن أن تكون هذه الآلات قائمة بذاتها، ومحمولة باليد، وقابلة للحمل.

دقة

تُعطى دقة آلات قياس الإحداثيات عادةً كعامل عدم يقين كدالة للمسافة. بالنسبة لآلات قياس الإحداثيات (CMM) التي تستخدم مسبارًا لمسيًا، يرتبط هذا بتكرار المسبار ودقة المقاييس الخطية. يمكن أن ينتج عن تكرار المسبار عادةً قياسات في حدود 0.001 مم أو 0.00005 بوصة (نصف عُشر) على كامل حجم القياس. بالنسبة للآلات ذات المحاور الثلاثة، والثلاثة محاور + محورين، والخمسة محاور، تُعاير المجسات بانتظام باستخدام معايير قابلة للتتبع، ويُتحقق من حركة الآلة باستخدام مقاييس لضمان الدقة.

أجزاء محددة

جسم الآلة

طُوّرت أول آلة قياس ثلاثية الأبعاد (CMM) من قِبل شركة فيرانتي الاسكتلندية في خمسينيات القرن الماضي نتيجةً للحاجة الماسة لقياس مكونات الدقة في منتجاتها العسكرية، على الرغم من أن هذه الآلة كانت مزودة بمحورين فقط. بدأت أولى النماذج ثلاثية المحاور بالظهور في ستينيات القرن الماضي (شركة DEA الإيطالية)، وظهر التحكم الحاسوبي لأول مرة في أوائل سبعينيات القرن الماضي، ولكن شركة براون آند شارب في ملبورن، إنجلترا، طورت أول آلة قياس ثلاثية الأبعاد عاملة وطُرحت للبيع. (أنتج ليتز ألمانيا لاحقًا هيكل آلة ثابت مع طاولة متحركة).

في الآلات الحديثة، يتكون الهيكل العلوي من ساقين، ويُطلق عليه غالبًا اسم الجسر. يتحرك هذا الهيكل بحرية على طول طاولة الجرانيت، حيث تتبع إحدى الساقين (غالبًا ما تُسمى الساق الداخلية) سكة توجيه مثبتة على أحد جانبي طاولة الجرانيت. أما الساق المقابلة (غالبًا ما تكون الساق الخارجية) فتستقر ببساطة على طاولة الجرانيت متبعةً خط السطح الرأسي. وتُعدّ محامل الهواء الطريقة المُختارة لضمان حركة خالية من الاحتكاك. في هذه المحامل، يُدفع الهواء المضغوط عبر سلسلة من الثقوب الصغيرة جدًا في سطح مستوٍ لتوفير وسادة هوائية ناعمة ومُتحكم بها، تتحرك عليها آلة الإحداثيات ثلاثية الأبعاد بسلاسة شبه تامة، ويمكن تعويض ذلك من خلال برامج حاسوبية. تُشكل حركة الجسر أو الجسر على طول طاولة الجرانيت أحد محاور المستوى XY. يحتوي جسر الجسر على عربة تمر بين الساقين الداخلية والخارجية، وتُشكل المحور الأفقي X أو Y الآخر. ويتم توفير المحور الثالث للحركة (المحور Z) بإضافة ريشة أو مغزل رأسي يتحرك لأعلى ولأسفل عبر مركز العربة. يُشكّل مسبار اللمس جهاز استشعار في نهاية الريشة. تُحدّد حركة المحاور X وY وZ نطاق القياس بشكل كامل. يُمكن استخدام طاولات دوارة اختيارية لتعزيز سهولة وصول مسبار القياس إلى قطع العمل المعقدة. لا تُحسّن الطاولة الدوارة، كمحور قيادة رابع، أبعاد القياس، التي تبقى ثلاثية الأبعاد، ولكنها تُوفّر درجة من المرونة. بعض مجسات اللمس هي نفسها أجهزة دوارة تعمل بالطاقة، حيث يُمكن لطرف المسبار الدوران عموديًا لأكثر من 180 درجة، ودوران كامل 360 درجة.

تتوفر آلات قياس الإحداثيات (CMMs) الآن بأشكال متنوعة. تشمل هذه الأشكال أذرع آلات قياس الإحداثيات التي تستخدم قياسات زاوية مأخوذة عند مفاصل الذراع لحساب موضع طرف القلم، ويمكن تزويدها بمجسات للمسح الضوئي بالليزر والتصوير الضوئي. تُستخدم آلات قياس الإحداثيات ذات الأذرع هذه غالبًا عندما تتفوق قابلية حملها على آلات قياس الإحداثيات التقليدية ذات القاعدة الثابتة - فمن خلال تخزين مواقع القياس، تتيح برامج البرمجة أيضًا تحريك ذراع القياس نفسها، وحجم القياس الخاص بها، حول الجزء المراد قياسه أثناء عملية القياس. ولأن أذرع آلات قياس الإحداثيات تحاكي مرونة الذراع البشري، فإنها غالبًا ما تكون قادرة على الوصول إلى الأجزاء الداخلية المعقدة التي لا يمكن فحصها باستخدام آلة قياسية ثلاثية المحاور.

مسبار ميكانيكي

في الأيام الأولى لقياس الإحداثيات (CMM)، كانت المجسات الميكانيكية تُركّب في حامل خاص في نهاية الريشة. كان المجس الشائع جدًا يُصنع عن طريق لحام كرة صلبة في نهاية عمود. كان هذا مثاليًا لقياس مجموعة كاملة من الأسطح المسطحة أو الأسطوانية أو الكروية. كانت المجسات الأخرى تُصقل إلى أشكال محددة، على سبيل المثال، ربع دائرة، لتمكين قياس سمات خاصة. كانت هذه المجسات تُثبّت فعليًا على قطعة العمل مع قراءة الموضع في الفضاء من قراءة رقمية ثلاثية المحاور (DRO) أو، في الأنظمة الأكثر تقدمًا، يتم تسجيلها في جهاز كمبيوتر عن طريق مفتاح قدم أو جهاز مشابه. كانت القياسات المأخوذة بهذه الطريقة التلامسية غالبًا غير موثوقة حيث كانت الآلات تُحرّك يدويًا وكان كل مشغل آلة يطبق كميات مختلفة من الضغط على المجس أو يتبنى تقنيات مختلفة للقياس.

كان التطور الآخر هو إضافة محركات لتشغيل كل محور. لم يعد المشغلون بحاجة إلى لمس الآلة فعليًا ولكن يمكنهم تشغيل كل محور باستخدام صندوق يدوي مزود بعصي تحكم بنفس الطريقة المستخدمة في السيارات الحديثة التي يتم التحكم فيها عن بُعد. تحسنت دقة القياس بشكل كبير مع اختراع مسبار الزناد اللمسي الإلكتروني. كان رائد جهاز المسبار الجديد هذا هو ديفيد ماكمورتري الذي أسس فيما بعد ما يُعرف الآن باسم Renishaw plc. على الرغم من أنه لا يزال جهاز اتصال، إلا أن المسبار كان يحتوي على قلم كرة فولاذية محملة بنابض (لاحقًا كرة ياقوتية). عندما يلامس المسبار سطح المكون، ينحرف القلم ويرسل في نفس الوقت معلومات إحداثيات X وY وZ إلى الكمبيوتر. أصبحت أخطاء القياس التي يسببها المشغلون الفرديون أقل وتم إعداد المسرح لإدخال عمليات CNC وظهور آلات قياس الإحداثيات.

المجسات الضوئية هي أنظمة عدسات CCD، تتحرك مثل الأنظمة الميكانيكية، وتُوجَّه نحو نقطة الاهتمام بدلاً من لمس المادة. تُحاط الصورة الملتقطة للسطح بإطار نافذة القياس، حتى يصبح التباين بين المناطق السوداء والبيضاء كافياً. يمكن حساب المنحنى الفاصل إلى نقطة معينة، وهي نقطة القياس المطلوبة في الفضاء. المعلومات الأفقية على جهاز CCD ثنائية الأبعاد (XY)، والموضع الرأسي هو موضع نظام المجسات بالكامل على محرك Z الحامل (أو أي مكون آخر للجهاز).

أنظمة فحص المجس

هناك طُرز أحدث مزودة بمجسات تُسحب على سطح القطعة، وتأخذ نقاطًا على فترات زمنية محددة، تُعرف باسم مجسات المسح. غالبًا ما تكون هذه الطريقة في فحص آلات قياس الإحداثيات أكثر دقة من طريقة مجس اللمس التقليدية، وفي أغلب الأحيان أسرع أيضًا.

يشهد الجيل الجديد من المسح الضوئي، المعروف بالمسح الضوئي غير التلامسي، والذي يتضمن تقنية التثليث بالليزر عالي السرعة لنقطة واحدة، ومسح خط الليزر، ومسح الضوء الأبيض، تطورًا سريعًا. تستخدم هذه الطريقة إما أشعة الليزر أو الضوء الأبيض التي تُسقط على سطح القطعة. يمكن بعد ذلك التقاط آلاف النقاط واستخدامها ليس فقط للتحقق من الحجم والموضع، بل لإنشاء صورة ثلاثية الأبعاد للقطعة أيضًا. يمكن بعد ذلك نقل بيانات "سحابة النقاط" هذه إلى برنامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) لإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد عملي للقطعة. تُستخدم هذه الماسحات الضوئية غالبًا على الأجزاء اللينة أو الحساسة أو لتسهيل الهندسة العكسية.

مجسات القياس الدقيق

أنظمة السبر لتطبيقات القياس المجهري مجال ناشئ آخر. تتوفر العديد من آلات قياس الإحداثيات (CMM) تجاريًا، وهي مزودة بمسبار مجهري مدمج في النظام، بالإضافة إلى العديد من الأنظمة المتخصصة في المختبرات الحكومية، وعدد من منصات القياس الجامعية المصممة خصيصًا للقياس المجهري. على الرغم من أن هذه الأجهزة منصات قياس جيدة، بل وممتازة في كثير من الأحيان، بمقاييس نانومترية، إلا أن عيبها الرئيسي يكمن في مسبار ميكرو/ناني موثوق ومتين وذو كفاءة.^{[مطلوب توثيق]}تتضمن التحديات التي تواجه تقنيات التحقيق على نطاق صغير الحاجة إلى مسبار ذو نسبة عرض إلى ارتفاع عالية يمنح القدرة على الوصول إلى ميزات عميقة وضيقة بقوى اتصال منخفضة حتى لا تتلف السطح ودقة عالية (مستوى النانومتر).^{[مطلوب توثيق]}بالإضافة إلى ذلك، تكون المجسات المجهرية عرضة للظروف البيئية مثل الرطوبة والتفاعلات السطحية مثل الالتصاق (الناجم عن الالتصاق، والقوة الهلالية، و/أو قوى فان دير فالس وغيرها).^{[مطلوب توثيق]}

تشمل تقنيات تحقيق السبر المجهري نسخًا مصغّرة من مجسات آلة الإحداثيات ثلاثية الأبعاد (CMM) التقليدية، والمجسات البصرية، ومجس الموجة الدائمة، وغيرها. مع ذلك، لا يمكن تصغير التقنيات البصرية الحالية بما يكفي لقياس المعالم العميقة والضيقة، كما أن الدقة البصرية محدودة بطول موجة الضوء. يوفر التصوير بالأشعة السينية صورة للمعالم، ولكن لا توجد معلومات قياس قابلة للتتبع.

المبادئ الفيزيائية

يمكن استخدام المجسات الضوئية و/أو مجسات الليزر (إن أمكن الجمع بينهما)، مما يُحوّل آلات قياس الإحداثيات إلى مجاهر قياس أو آلات قياس متعددة المستشعرات. لا تُسمى أنظمة الإسقاط الهامشي، أو أنظمة التثليث بالثيودوليت، أو أنظمة التثليث عن بُعد بالليزر، آلات قياس، ولكن نتيجة القياس واحدة: نقطة فضائية. تُستخدم مجسات الليزر لكشف المسافة بين السطح ونقطة المرجع في نهاية السلسلة الحركية (أي نهاية مُكوّن محرك Z). يمكن استخدام دالة تداخلية، أو تباين البؤرة، أو انحراف الضوء، أو مبدأ تظليل الشعاع.

آلات قياس الإحداثيات المحمولة

في حين تستخدم آلات قياس الإحداثيات التقليدية مسبارًا يتحرك على ثلاثة محاور ديكارتية لقياس الخصائص الفيزيائية لجسم ما، تستخدم آلات قياس الإحداثيات المحمولة إما أذرعًا مفصلية أو، في حالة آلات قياس الإحداثيات البصرية، أنظمة مسح بدون أذرع تستخدم طرق التثليث البصري وتمكن من حرية الحركة الكاملة حول الجسم.

آلات قياس الإحداثيات (CMMs) المحمولة ذات الأذرع المفصلية مزودة بستة أو سبعة محاور مزودة بمشفرات دوارة، بدلاً من المحاور الخطية. تتميز الأذرع المحمولة بخفة وزنها (عادةً أقل من 20 رطلاً) ويمكن حملها واستخدامها في أي مكان تقريبًا. ومع ذلك، يتزايد استخدام آلات قياس الإحداثيات الضوئية في هذا المجال. صُممت آلات قياس الإحداثيات الضوئية بكاميرات مدمجة خطية أو مصفوفة (مثل كاميرا مايكروسوفت كينكت)، وهي أصغر حجمًا من آلات قياس الإحداثيات المحمولة ذات الأذرع، ولا تحتوي على أسلاك، وتُمكّن المستخدمين من إجراء قياسات ثلاثية الأبعاد بسهولة لجميع أنواع الأجسام الموجودة في أي مكان تقريبًا.

بعض التطبيقات غير المتكررة، مثل الهندسة العكسية، والنماذج الأولية السريعة، والفحص واسع النطاق للأجزاء بجميع أحجامها، تُعدّ مثاليةً لآلات قياس الإحداثيات (CMMs) المحمولة. وتتعدد فوائدها، إذ تتيح للمستخدمين مرونةً في أخذ قياسات ثلاثية الأبعاد لجميع أنواع الأجزاء وفي أكثر المواقع بُعدًا وصعوبةً. كما أنها سهلة الاستخدام ولا تتطلب بيئةً مُتحكّمًا بها لإجراء قياسات دقيقة. علاوةً على ذلك، عادةً ما تكون تكلفة آلات قياس الإحداثيات المحمولة أقل من تكلفة آلات قياس الإحداثيات التقليدية.

من عيوب آلات قياس الإحداثيات المحمولة التشغيل اليدوي (حيث تتطلب دائمًا تدخلًا بشريًا). بالإضافة إلى ذلك، قد تكون دقتها الإجمالية أقل دقةً من دقة آلات قياس الإحداثيات الجسرية، وهي أقل ملاءمةً لبعض التطبيقات.

آلات قياس متعددة المستشعرات

تُستخدم اليوم تقنية آلات قياس الإحداثيات التقليدية (CMM) التي تستخدم مجسات اللمس، بكثرة مع تقنيات قياس أخرى. ويشمل ذلك أجهزة استشعار الليزر أو الفيديو أو الضوء الأبيض، لتوفير ما يُعرف بالقياس متعدد المستشعرات.