ما هي آلة قياس الإحداثيات؟

أآلة قياس الإحداثياتجهاز قياس الإحداثيات (CMM) هو جهاز يقيس هندسة الأجسام المادية عن طريق استشعار نقاط منفصلة على سطح الجسم باستخدام مسبار. تُستخدم أنواع مختلفة من المجسات في أجهزة قياس الإحداثيات، بما في ذلك المجسات الميكانيكية والبصرية والليزرية والضوئية. اعتمادًا على الجهاز، قد يتم التحكم في موضع المسبار يدويًا بواسطة مشغل أو بواسطة الحاسوب. عادةً ما تحدد أجهزة قياس الإحداثيات موضع المسبار من خلال إزاحته عن موضع مرجعي في نظام إحداثيات ديكارتية ثلاثي الأبعاد (أي بمحاور XYZ). بالإضافة إلى تحريك المسبار على طول المحاور X وY وZ، تسمح العديد من الأجهزة أيضًا بالتحكم في زاوية المسبار لقياس الأسطح التي يصعب الوصول إليها بطرق أخرى.

تتيح آلة قياس الإحداثيات ثلاثية الأبعاد النموذجية (CMM) ذات "الجسر" تحريك المجس على طول ثلاثة محاور، X وY وZ، وهي محاور متعامدة مع بعضها البعض في نظام إحداثيات ديكارتية ثلاثي الأبعاد. يحتوي كل محور على مستشعر يرصد موضع المجس عليه، بدقة تصل عادةً إلى الميكرومتر. عندما يلامس المجس (أو يكتشف بطريقة أخرى) موقعًا معينًا على الجسم، تقوم الآلة بأخذ عينات من مستشعرات الموضع الثلاثة، وبالتالي قياس موقع نقطة واحدة على سطح الجسم، بالإضافة إلى متجه القياس ثلاثي الأبعاد. تُكرر هذه العملية حسب الحاجة، مع تحريك المجس في كل مرة، لإنتاج "سحابة نقاط" تصف مناطق السطح المراد قياسها.

تُستخدم آلات قياس الإحداثيات (CMM) بشكل شائع في عمليات التصنيع والتجميع لاختبار الأجزاء أو التجميعات وفقًا للتصميم المُراد. في هذه التطبيقات، يتم إنشاء سحب نقاط تُحلل باستخدام خوارزميات الانحدار لبناء الخصائص. تُجمع هذه النقاط باستخدام مسبار يُحدد موضعه يدويًا بواسطة مُشغل أو تلقائيًا عبر نظام التحكم المباشر بالحاسوب (DCC). يمكن برمجة آلات قياس الإحداثيات (CMM) التي تعمل بنظام DCC لقياس أجزاء متطابقة بشكل متكرر؛ لذا فإن آلة قياس الإحداثيات الآلية تُعد نوعًا متخصصًا من الروبوتات الصناعية.

أجزاء

تتضمن آلات قياس الإحداثيات ثلاثة مكونات رئيسية:

• يتكون الهيكل الرئيسي من ثلاثة محاور حركة. وقد تنوعت المواد المستخدمة في بناء الإطار المتحرك على مر السنين. ففي بدايات آلات القياس ثلاثية الأبعاد (CMM)، استُخدم الجرانيت والفولاذ. أما اليوم، فتصنع جميع الشركات المصنعة الكبرى لآلات القياس ثلاثية الأبعاد إطاراتها من سبائك الألومنيوم أو مشتقاتها، كما تستخدم السيراميك لزيادة صلابة المحور Z في تطبيقات المسح الضوئي. ولا يزال عدد قليل من مصنعي آلات القياس ثلاثية الأبعاد ينتجون إطارات من الجرانيت نظرًا لمتطلبات السوق لتحسين ديناميكيات القياس، والتوجه المتزايد نحو تركيب آلات القياس ثلاثية الأبعاد خارج مختبرات الجودة. وعادةً ما يقتصر إنتاج آلات القياس ثلاثية الأبعاد ذات الإنتاج المنخفض والمصنعين المحليين في الصين والهند على الجرانيت، نظرًا لانخفاض مستوى التقنية المستخدمة وسهولة دخول سوق تصنيع إطارات آلات القياس ثلاثية الأبعاد. كما يتطلب التوجه المتزايد نحو المسح الضوئي أن يكون المحور Z في آلة القياس ثلاثية الأبعاد أكثر صلابة، ولذلك تم إدخال مواد جديدة مثل السيراميك وكربيد السيليكون.
• نظام الفحص
• نظام جمع البيانات ومعالجتها - يتضمن عادةً وحدة تحكم في الآلة وجهاز كمبيوتر مكتبي وبرامج تطبيقية.

التوافر

يمكن أن تكون هذه الآلات قائمة بذاتها، أو محمولة باليد، أو متنقلة.

دقة

تُحدد دقة آلات قياس الإحداثيات عادةً كعامل عدم يقين كدالة للمسافة. بالنسبة لآلة قياس الإحداثيات التي تستخدم مسبارًا لمسيًا، يرتبط هذا بتكرارية المسبار ودقة المقاييس الخطية. يمكن أن تؤدي تكرارية المسبار النموذجية إلى قياسات في حدود 0.001 مم أو 0.00005 بوصة (نصف عُشر) على كامل حجم القياس. بالنسبة للآلات ثلاثية المحاور، وثلاثية المحاور بالإضافة إلى محورين، وخماسية المحاور، تتم معايرة المجسات بشكل روتيني باستخدام معايير قابلة للتتبع، ويتم التحقق من حركة الآلة باستخدام مقاييس لضمان الدقة.

أجزاء محددة

هيكل الآلة

طُوِّرت أول آلة قياس إحداثيات ثلاثية الأبعاد (CMM) من قِبَل شركة فيرانتي الاسكتلندية في خمسينيات القرن الماضي، استجابةً لحاجةٍ مُلِحّة لقياس المكونات الدقيقة في منتجاتها العسكرية، على الرغم من أن هذه الآلة كانت ثنائية المحاور فقط. بدأت النماذج ثلاثية المحاور بالظهور في ستينيات القرن الماضي (شركة DEA الإيطالية)، ودخل التحكم الحاسوبي حيز التنفيذ في أوائل سبعينيات القرن الماضي، إلا أن أول آلة قياس إحداثيات ثلاثية الأبعاد عاملة طُوِّرت وطُرحت للبيع من قِبَل شركة براون آند شارب في ملبورن، إنجلترا. (لاحقًا، أنتجت شركة لايتز الألمانية هيكلًا ثابتًا للآلة مع طاولة متحركة).

في الآلات الحديثة، يتكون الهيكل العلوي من نوع الجسر من ساقين، ويُطلق عليه غالبًا اسم الجسر. يتحرك هذا الهيكل بحرية على طول طاولة الجرانيت، حيث تتبع إحدى الساقين (والتي تُسمى عادةً الساق الداخلية) سكة توجيه مثبتة على أحد جانبي الطاولة. أما الساق المقابلة (والتي تُسمى عادةً الساق الخارجية) فتستقر ببساطة على سطح الطاولة، مُتبعةً محيطه الرأسي. تُعدّ المحامل الهوائية الطريقة المُفضلة لضمان حركة سلسة خالية من الاحتكاك. في هذه المحامل، يُدفع الهواء المضغوط عبر سلسلة من الثقوب الصغيرة جدًا في سطح محمل مسطح، لتوفير وسادة هوائية ناعمة ومُتحكم بها، تسمح لآلة القياس الإحداثي (CMM) بالتحرك بسلاسة شبه تامة، ويمكن تعويض هذا الاحتكاك برمجيًا. تُشكل حركة الجسر أو الجسر العلوي على طول طاولة الجرانيت أحد محاور المستوى XY. يحتوي الجسر العلوي على عربة تتحرك بين الساقين الداخلية والخارجية، مُشكلةً المحور الأفقي X أو Y الآخر. أما المحور الثالث للحركة (المحور Z) فيتم توفيره بإضافة عمود أو مغزل رأسي يتحرك لأعلى ولأسفل عبر مركز العربة. يشكل مسبار اللمس جهاز الاستشعار في نهاية القلم. وتحدد حركة المحاور س، ص، ع نطاق القياس بدقة. ويمكن استخدام طاولات دوارة اختيارية لتسهيل وصول مسبار القياس إلى قطع العمل المعقدة. لا تُحسّن الطاولة الدوارة، كمحور قيادة رابع، أبعاد القياس، التي تبقى ثلاثية الأبعاد، ولكنها توفر درجة من المرونة. بعض مسابير اللمس هي في حد ذاتها أجهزة دوارة تعمل بالطاقة، حيث يمكن لطرف المسبار الدوران عموديًا لأكثر من 180 درجة، ودورانه 360 درجة كاملة.

تتوفر آلات قياس الإحداثيات ثلاثية الأبعاد (CMM) الآن بأشكال متنوعة أخرى. تشمل هذه الأشكال أذرع CMM التي تستخدم القياسات الزاوية المأخوذة عند مفاصل الذراع لحساب موضع رأس القلم، ويمكن تزويدها بمجسات للمسح الليزري والتصوير البصري. تُستخدم هذه الأذرع غالبًا عندما تكون سهولة نقلها ميزةً مقارنةً بآلات CMM التقليدية ذات القاعدة الثابتة؛ فمن خلال تخزين المواقع المقاسة، يسمح برنامج البرمجة بتحريك ذراع القياس نفسه، وحجم قياسه، حول الجزء المراد قياسه أثناء عملية القياس. ولأن أذرع CMM تحاكي مرونة الذراع البشرية، فإنها غالبًا ما تتمكن من الوصول إلى الأجزاء الداخلية المعقدة التي لا يمكن فحصها باستخدام آلة ثلاثية المحاور قياسية.

مسبار ميكانيكي

في بدايات استخدام آلات قياس الإحداثيات (CMM)، كانت المجسات الميكانيكية تُركّب في حامل خاص في نهاية عمود القياس. وكان أحد المجسات الشائعة جدًا يُصنع بلحام كرة صلبة في نهاية عمود. وكان هذا مثاليًا لقياس مجموعة واسعة من الأسطح المستوية والأسطوانية والكروية. كما صُقلت مجسات أخرى بأشكال محددة، مثل شكل ربع دائرة، لتمكين قياس خصائص معينة. وكانت هذه المجسات تُثبّت مباشرةً على قطعة العمل، ويُقرأ موضعها في الفراغ من شاشة عرض رقمية ثلاثية المحاور (DRO)، أو في الأنظمة الأكثر تطورًا، تُسجّل البيانات في الحاسوب باستخدام دواسة قدم أو جهاز مشابه. غالبًا ما كانت القياسات التي تُجرى بهذه الطريقة غير دقيقة، نظرًا لتحريك الآلات يدويًا، ولأن كل مشغل آلة كان يطبق ضغطًا مختلفًا على المجس أو يستخدم تقنيات قياس مختلفة.

كان من بين التطورات اللاحقة إضافة محركات لتحريك كل محور. لم يعد المشغلون مضطرين للمس الآلة فعليًا، بل أصبح بإمكانهم التحكم بكل محور باستخدام وحدة تحكم يدوية مزودة بعصا تحكم، على غرار السيارات الحديثة التي تعمل بالتحكم عن بُعد. تحسنت دقة القياس بشكل ملحوظ مع اختراع مسبار اللمس الإلكتروني. كان ديفيد ماكمورتري رائد هذا الجهاز الجديد، والذي أسس لاحقًا شركة رينيشو بي إل سي الحالية. على الرغم من أنه كان جهازًا يعمل بالتلامس، إلا أن المسبار كان مزودًا بقلم كروي فولاذي زنبركي (استُبدل لاحقًا بقلم كروي من الياقوت). عند ملامسة المسبار لسطح المكون، ينحرف القلم ويرسل في الوقت نفسه معلومات إحداثيات X وY وZ إلى الحاسوب. انخفضت أخطاء القياس الناتجة عن المشغلين، ومهدت الطريق لإدخال عمليات التحكم الرقمي الحاسوبي (CNC) وظهور آلات قياس الإحداثيات ثلاثية الأبعاد (CMM).

المجسات البصرية عبارة عن أنظمة عدسات-CCD، تُحرّك كالأجهزة الميكانيكية، وتُوجّه نحو النقطة المراد قياسها، بدلاً من ملامسة المادة. تُحصر الصورة الملتقطة للسطح ضمن حدود نافذة قياس، حتى يصبح التباين بين المناطق السوداء والبيضاء كافياً. يُمكن حساب منحنى الفصل حتى نقطة، وهي نقطة القياس المطلوبة في الفضاء. المعلومات الأفقية على جهاز CCD ثنائية الأبعاد (XY)، بينما يُمثّل الموضع الرأسي موضع نظام المجسات بالكامل على حامل محرك المحور Z (أو أي مكون آخر من مكونات الجهاز).

أنظمة مجسات المسح

توجد نماذج أحدث مزودة بمجسات تتحرك على سطح القطعة، وتأخذ نقاطًا على فترات محددة، وتُعرف باسم مجسات المسح. غالبًا ما تكون هذه الطريقة في فحص آلة القياس الإحداثية أكثر دقة من طريقة المجس التقليدية، وأسرع في معظم الأحيان.

يشهد الجيل القادم من تقنيات المسح الضوئي، المعروف بالمسح غير التلامسي، والذي يشمل التثليث الليزري أحادي النقطة عالي السرعة، والمسح الخطي بالليزر، والمسح الضوئي بالضوء الأبيض، تطورًا سريعًا للغاية. تعتمد هذه الطريقة على استخدام أشعة الليزر أو الضوء الأبيض المُسقطة على سطح القطعة المراد مسحها. ومن ثم، يمكن جمع آلاف النقاط واستخدامها ليس فقط للتحقق من الحجم والموقع، بل أيضًا لإنشاء صورة ثلاثية الأبعاد للقطعة. بعد ذلك، يمكن نقل بيانات "سحابة النقاط" هذه إلى برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) لإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد عملي للقطعة. غالبًا ما تُستخدم هذه الماسحات الضوئية على الأجزاء اللينة أو الحساسة، أو لتسهيل الهندسة العكسية.

مجسات القياسات الدقيقة

تُعدّ أنظمة الفحص لتطبيقات القياسات الدقيقة مجالًا ناشئًا آخر. يتوفر في الأسواق العديد من آلات قياس الإحداثيات (CMM) المزودة بمسبار دقيق مدمج، بالإضافة إلى العديد من الأنظمة المتخصصة في المختبرات الحكومية، وعدد كبير من منصات القياسات الدقيقة التي بنتها الجامعات. ورغم أن هذه الآلات تُعدّ منصات قياس جيدة، بل وممتازة في كثير من الأحيان، ذات أبعاد نانومترية، إلا أن قيدها الأساسي يكمن في وجود مسبار دقيق/نانوي موثوق وقوي وفعّال.^{[مطلوب مصدر]}تشمل التحديات التي تواجه تقنيات الفحص على المستوى الميكروي الحاجة إلى مسبار ذي نسبة عرض إلى ارتفاع عالية مما يتيح الوصول إلى الميزات العميقة والضيقة بقوى تلامس منخفضة حتى لا تتلف السطح ودقة عالية (مستوى النانومتر).^{[مطلوب مصدر]}بالإضافة إلى ذلك، فإن المجسات الدقيقة معرضة للظروف البيئية مثل الرطوبة والتفاعلات السطحية مثل الالتصاق (الناجم عن الالتصاق، والهلالة، و/أو قوى فان دير فالس من بين أمور أخرى).^{[مطلوب مصدر]}

تشمل التقنيات المستخدمة في التحليل المجهري نسخًا مصغرة من مجسات آلات القياس الإحداثية التقليدية، والمجسات الضوئية، ومجسات الموجات المستقرة، وغيرها. مع ذلك، لا يمكن تصغير التقنيات الضوئية الحالية بما يكفي لقياس التفاصيل الدقيقة والعميقة، كما أن دقة القياس الضوئي محدودة بطول موجة الضوء. يوفر التصوير بالأشعة السينية صورةً للتفاصيل، لكنه لا يوفر معلومات قياس قابلة للتتبع.

المبادئ الفيزيائية

يمكن استخدام المجسات الضوئية و/أو مجسات الليزر (إن أمكن معًا)، مما يحوّل آلات القياس ثلاثية الأبعاد إلى مجاهر قياس أو آلات قياس متعددة المجسات. لا تُصنّف أنظمة إسقاط الأهداب، أو أنظمة التثليث باستخدام الثيودوليت، أو أنظمة القياس عن بُعد والتثليث بالليزر ضمن آلات القياس، ولكن نتيجة القياس واحدة: نقطة في الفضاء. تُستخدم مجسات الليزر للكشف عن المسافة بين السطح ونقطة مرجعية في نهاية السلسلة الحركية (أي: نهاية مكون محرك المحور Z). ويمكن تحقيق ذلك باستخدام وظيفة التداخل، أو تغيير التركيز، أو انحراف الضوء، أو مبدأ تظليل الشعاع.

آلات قياس الإحداثيات المحمولة

بينما تستخدم آلات قياس الإحداثيات التقليدية مسبارًا يتحرك على ثلاثة محاور ديكارتية لقياس الخصائص الفيزيائية للكائن، فإن آلات قياس الإحداثيات المحمولة تستخدم إما أذرعًا مفصلية أو، في حالة آلات قياس الإحداثيات البصرية، أنظمة مسح ضوئي بدون أذرع تستخدم أساليب التثليث البصري وتتيح حرية كاملة في الحركة حول الكائن.

تتميز آلات القياس الإحداثية المحمولة ذات الأذرع المفصلية بستة أو سبعة محاور مزودة بمشفرات دورانية، بدلاً من المحاور الخطية. تتميز هذه الأذرع بخفة وزنها (عادةً أقل من 9 كيلوغرامات) مما يسهل حملها واستخدامها في أي مكان تقريبًا. مع ذلك، يتزايد استخدام آلات القياس الإحداثية البصرية في الصناعة. صُممت هذه الآلات بكاميرات خطية أو مصفوفية مدمجة (مثل مايكروسوفت كينكت)، وهي أصغر حجمًا من آلات القياس الإحداثية المحمولة ذات الأذرع، ولا تحتوي على أسلاك، وتتيح للمستخدمين إجراء قياسات ثلاثية الأبعاد بسهولة لجميع أنواع الأجسام الموجودة في أي مكان تقريبًا.

تُعدّ بعض التطبيقات غير المتكررة، مثل الهندسة العكسية، والنماذج الأولية السريعة، والفحص واسع النطاق للأجزاء بمختلف أحجامها، مثاليةً لأجهزة قياس الإحداثيات المحمولة. وتتعدد مزايا هذه الأجهزة، إذ تتيح للمستخدمين مرونةً في أخذ قياسات ثلاثية الأبعاد لجميع أنواع الأجزاء، حتى في أكثر المواقع صعوبةً أو بُعدًا. كما أنها سهلة الاستخدام، ولا تتطلب بيئةً مُتحكَّمًا بها لإجراء قياسات دقيقة. علاوةً على ذلك، تميل أجهزة قياس الإحداثيات المحمولة إلى أن تكون أقل تكلفةً من أجهزة قياس الإحداثيات التقليدية.

تتمثل عيوب أجهزة قياس الإحداثيات المحمولة في تشغيلها اليدوي (فهي تتطلب دائمًا وجود شخص لتشغيلها). إضافةً إلى ذلك، قد تكون دقتها الإجمالية أقل نوعًا ما من دقة أجهزة قياس الإحداثيات الجسرية، كما أنها أقل ملاءمة لبعض التطبيقات.

آلات قياس متعددة الحساسات

تُستخدم تقنية قياس الإحداثيات ثلاثية الأبعاد التقليدية التي تعتمد على مجسات اللمس اليوم في كثير من الأحيان مع تقنيات قياس أخرى. ويشمل ذلك أجهزة استشعار الليزر أو الفيديو أو الضوء الأبيض لتوفير ما يُعرف بالقياس متعدد المستشعرات.