ما هي آلة قياس الإحداثيات؟

أتنسيق آلة القياس(CMM) هو جهاز يقيس هندسة الكائنات المادية عن طريق استشعار النقاط المنفصلة على سطح الكائن باستخدام مسبار. يتم استخدام أنواع مختلفة من تحقيقات في CMMS ، بما في ذلك الضوء الميكانيكي والبصري والليزر والأبيض. اعتمادًا على الجهاز ، قد يتم التحكم في موضع التحقيق يدويًا بواسطة مشغل أو قد يتم التحكم فيه بالكمبيوتر. تحدد CMMS عادة موضع المسبار من حيث إزاحةه من موضع مرجعي في نظام الإحداثيات الديكارت ثلاثي الأبعاد (IE ، مع محاور XYZ). بالإضافة إلى تحريك المسبار على طول محاور X و Y و Z ، تسمح العديد من الآلات أيضًا بالتحكم في زاوية التحقيق للسماح لقياس الأسطح التي لا يمكن الوصول إليها.

يسمح "الجسر" 3D النموذجي CMM بحركة التحقيق على طول ثلاث محاور ، X و Y و Z ، والتي تعامد مع بعضها البعض في نظام الإحداثيات الديكارتية ثلاثية الأبعاد. يحتوي كل محور على مستشعر يراقب موضع المسبار على هذا المحور ، وعادة ما يكون بدقة ميكرومتر. عندما يتلامس المسبار (أو يكتشف بطريقة أخرى) موقع معين على الكائن ، عينات الجهاز مستشعرات الموضع الثلاثة ، وبالتالي قياس موقع نقطة واحدة على سطح الكائن ، وكذلك المتجه ثلاثي الأبعاد للقياس الذي تم أخذه. تتكرر هذه العملية عند الضرورة ، ونقل المسبار في كل مرة ، لإنتاج "سحابة نقطة" تصف المساحات السطحية ذات الاهتمام.

هناك استخدام شائع لـ CMMS في عمليات التصنيع والتجميع لاختبار جزء أو تجميع مقابل نية التصميم. في مثل هذه التطبيقات ، يتم إنشاء غيوم النقاط التي يتم تحليلها عبر خوارزميات الانحدار لبناء الميزات. يتم جمع هذه النقاط باستخدام مسبار يتم وضعه يدويًا بواسطة مشغل أو تلقائيًا عبر التحكم المباشر في الكمبيوتر (DCC). يمكن برمجة CMMs DCC لقياس أجزاء متطابقة بشكل متكرر ؛ وبالتالي CMM الآلي هو شكل متخصص من الروبوت الصناعي.

أجزاء

تشمل آلات التنسيق الإحداثي ثلاثة مكونات رئيسية:

• الهيكل الرئيسي الذي يتضمن ثلاث محاور للحركة. تباينت المواد المستخدمة لبناء الإطار المتحرك على مر السنين. تم استخدام الجرانيت والصلب في أوائل CMM. اليوم ، يقوم جميع الشركات المصنعة الرئيسية CMM ببناء إطارات من سبائك الألومنيوم أو بعض المشتقات وأيضًا استخدام السيراميك لزيادة صلابة محور Z لتطبيقات المسح. لا يزال عدد قليل من بناة CMM اليوم يصنعون CMM من Granite Frame بسبب متطلبات السوق لتحسين ديناميات القياس وزيادة الاتجاه لتثبيت CMM خارج مختبر الجودة. عادةً ما لا يزال بناة CMM منخفضة الحجم فقط والمصنعين المحليين في الصين والهند يصنعون CMM من الجرانيت بسبب نهج التكنولوجيا المنخفضة وسهولة الدخول لتصبح منشئ إطار CMM. يتطلب الاتجاه المتزايد نحو المسح الضوئي أيضًا أن يكون محور CMM Z أكثر صلابة وتم تقديم مواد جديدة مثل كربيد السيراميك والسيليكون.
• نظام التحقيق
• نظام جمع البيانات وتخفيضها - يتضمن عادةً وحدة تحكم في الجهاز وكمبيوتر سطح المكتب وبرنامج التطبيق.

توافر

يمكن أن تكون هذه الآلات قائمة بذاتها ، محمولة ومحمولة.

دقة

عادة ما يتم إعطاء دقة آلات قياس الإحداثيات كعامل عدم اليقين كدالة على المسافة. بالنسبة إلى CMM باستخدام مسبار اللمس ، يتعلق هذا بتكرار المسبار ودقة المقاييس الخطية. يمكن أن يؤدي التكرار المسبق النموذجي إلى قياسات داخل .001 مم أو .00005 بوصة (نصف عُشر) على حجم القياس بأكمله. بالنسبة إلى 3 و 3+2 و 5 آلات محور ، تتم معايرة تحقيقات بشكل روتيني باستخدام معايير يمكن تتبعها ويتم التحقق من حركة الماكينة باستخدام المقاييس لضمان الدقة.

أجزاء محددة

جسم الآلة

تم تطوير أول CMM من قبل شركة Ferranti في اسكتلندا في الخمسينيات نتيجة للحاجة المباشرة لقياس مكونات الدقة في منتجاتها العسكرية ، على الرغم من أن هذه الآلة كانت تحتوي فقط على محورين. بدأت النماذج الأولى ذات المحاور المكونة من 3 محاور في الستينيات (DEA of Italy) ومراقبة الكمبيوتر لأول مرة في أوائل السبعينيات من القرن الماضي ، لكن تم تطوير أول CMM العمل وتم عرضه للبيع من قبل Browne & Sharpe في ملبورن ، إنجلترا. (أنتجت Leitz Germany لاحقًا بنية آلة ثابتة مع طاولة متحركة.

في الآلات الحديثة ، تحتوي البنية الفوقية من نوع Gantry على ساقين وغالبًا ما تسمى الجسر. هذا يتحرك بحرية على طول طاولة الجرانيت مع ساق واحدة (وغالبًا ما يشار إليها باسم الساق الداخلية) بعد خط الدكء المرشدين على جانب واحد من طاولة الجرانيت. تقع الساق المعاكسة (غالبًا الساق الخارجية) على طاولة الجرانيت بعد محيط السطح العمودي. محامل الهواء هي الطريقة التي تم اختيارها لضمان السفر الحر للاحتكاك. في هذه ، يتم إجبار الهواء المضغوط من خلال سلسلة من الثقوب الصغيرة جدًا في سطح محمل مسطح لتوفير وسادة هواء ناعمة ولكن يتم التحكم فيها والتي يمكن أن تتحرك عليها CMM بطريقة قريبة من الاحتكاك والتي يمكن تعويضها من خلال البرامج. تشكل حركة الجسر أو الجسر على طول طاولة الجرانيت محورًا واحدًا من المستوى XY. يحتوي جسر الجنة على عربة تجتاز بين الساقين الداخلية والخارجية ويشكل المحور الأفقي X أو Y الآخر. يتم توفير المحور الثالث للحركة (محور Z) بإضافة Quill أو المغزل العمودي الذي يتحرك لأعلى ولأسفل عبر مركز العربة. يشكل مسبار اللمس جهاز الاستشعار في نهاية Quill. تصف حركة محاور X و Y و Z بالكامل مظروف القياس. يمكن استخدام الجداول الدوارة الاختيارية لتعزيز قابلية مسبار القياس إلى قطع العمل المعقدة. لا يعزز الجدول الدوار كمحور محرك الرابع أبعاد القياس ، والتي تبقى ثلاثية الأبعاد ، لكنها توفر درجة من المرونة. بعض تحقيقات اللمس هي نفسها أجهزة دوارة تعمل بالطاقة مع طرف التحقيق قادرة على الدوران رأسياً خلال أكثر من 180 درجة ومن خلال دوران كامل 360 درجة.

CMMS متوفرة الآن أيضًا في مجموعة متنوعة من الأشكال الأخرى. وتشمل هذه أذرع CMM التي تستخدم القياسات الزاوية التي يتم تناولها في مفاصل الذراع لحساب موضع طرف القلم ، ويمكن تجهيزها مع تحقيقات لمسح الليزر والتصوير البصري. غالبًا ما يتم استخدام هذه CMMs للذراع حيث تكون قابلية الحمل ميزة على CMMS الثابتة التقليدية- عن طريق تخزين المواقع المقاسة ، يسمح برنامج البرمجة أيضًا بنقل ذراع القياس نفسه ، وحجم القياس ، حول الجزء الذي يتم قياسه أثناء روتين القياس. نظرًا لأن أذرع CMM تقليد مرونة ذراع بشري ، فغالبًا ما تكون قادرة على الوصول إلى الأجزاء المعقدة التي لا يمكن التحقيق فيها باستخدام آلة محور ثلاثة محور قياسي.

التحقيق الميكانيكي

في الأيام الأولى لقياس الإحداثيات (CMM) ، تم تركيب تحقيقات ميكانيكية في حامل خاص في نهاية الريقة. تم إجراء مسبار شائع جدًا عن طريق لحام كرة صلبة حتى نهاية العمود. كان هذا مثاليًا لقياس مجموعة كاملة من الوجه المسطح ، الأسطح الأسطوانية أو الكروية. كانت تحقيقات أخرى أرضية لأشكال محددة ، على سبيل المثال رباعي ، لتمكين قياس الميزات الخاصة. تم عقد هذه التحقيقات جسديًا ضد الشغل من خلال الموقف في الفضاء الذي يتم قراءته من قراءات رقمية 3 محاور (DRO) أو ، في أنظمة أكثر تقدماً ، يتم تسجيلها إلى جهاز كمبيوتر عن طريق حدوث القدم أو جهاز مشابه. غالبًا ما كانت القياسات التي اتخذتها طريقة الاتصال هذه غير موثوق بها حيث تم تحريك الآلات باليد ، وتطبيق كل مشغل آلة كميات مختلفة من الضغط على التحقيق أو تقنيات مختلفة معتمدة للقياس.

كان هناك تطور آخر كان إضافة المحركات لقيادة كل محور. لم يعد يتعين على المشغلين لمس الجهاز جسديًا ، لكنهم يمكنهم قيادة كل محور باستخدام صندوق يدوية مع عصا التحكم بنفس الطريقة كما هو الحال مع السيارات الحديثة التي يتم التحكم فيها عن بُعد. تحسنت دقة القياس والدقة بشكل كبير مع اختراع مسبار مشغل اللمس الإلكتروني. كان رائد جهاز التحقيق الجديد هذا هو David McMurtry الذي شكل فيما بعد ما يعرف الآن Renishaw PLC. على الرغم من أنه لا يزال جهازًا اتصالًا ، إلا أن المسبار يحتوي على قلم كرة فولاذية محملة بنابض (في وقت لاحق روبي). عندما لم يلمس المسبار سطح المكون ، قام القلم بتشويه المعلومات وإرسال معلومات الإحداثيات x و y و z إلى الكمبيوتر في وقت واحد. أصبحت أخطاء القياس الناجمة عن المشغلين الفرديين أقل وتم تحديد المرحلة لإدخال عمليات CNC ومجيء عمر CMMS.

تحقيقات البصرية هي أنظمة عدسة CCD ، والتي يتم نقلها مثل التحقيقات الميكانيكية ، وتستهدف نقطة الاهتمام ، بدلاً من لمس المادة. سيتم إرفاق الصورة التي تم التقاطها للسطح على حدود نافذة القياس ، حتى تكون البقايا كافية للتناقض بين المناطق بالأبيض والأسود. يمكن حساب منحنى الانقسام إلى نقطة ، وهي نقطة القياس المطلوبة في الفضاء. المعلومات الأفقية على اتفاقية مكافحة التصحر هي 2D (XY) والموضع العمودي هو موضع نظام التحقيق الكامل على الحامل z-srive (أو مكون آخر للجهاز).

مسح أنظمة التحقيق

هناك نماذج أحدث تحتوي على تحقيقات تسحب على طول سطح الجزء أخذ النقاط على فترات محددة ، والمعروفة باسم تحقيقات المسح. غالبًا ما تكون طريقة فحص CMM أكثر دقة من طريقة اللمس التقليدية وفي معظم الأوقات بشكل أسرع.

يتقدم الجيل التالي من المسح ، والمعروف باسم المسح غير المتساقط ، والذي يتضمن ثلاثية نقطة واحدة للليزر ، ومسح خط الليزر ، ومسح الضوء الأبيض ، بسرعة كبيرة. تستخدم هذه الطريقة إما عوارض الليزر أو الضوء الأبيض المتوقع على سطح الجزء. يمكن بعد ذلك أخذ آلاف النقاط واستخدامها ليس فقط للتحقق من الحجم والموضع ، ولكن لإنشاء صورة ثلاثية الأبعاد للجزء أيضًا. يمكن بعد ذلك نقل "بيانات السحابة" إلى برنامج CAD لإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد يعمل للجزء. غالبًا ما تستخدم هذه الماسحات الضوئية البصرية على أجزاء ناعمة أو حساسة أو لتسهيل الهندسة العكسية.

تحقيقات علم الأحياء المجهرية

تعد أنظمة التحقيق لتطبيقات قياس الفحص المجهري مجالًا آخر ناشئًا. هناك العديد من آلات قياس الإحداثيات المتوفرة تجاريًا (CMM) التي تحتوي على microprobe مدمجة في النظام ، والعديد من الأنظمة المتخصصة في المختبرات الحكومية ، وأي عدد من منصات المقاييس التي تم إنشاؤها في الجامعة لعلم المقاييس المجهرية. على الرغم من أن هذه الآلات جيدة ، وفي كثير من الحالات منصات مقاييس ممتازة مع موازين نانومترية ، فإن قيودها الأساسية هي مسبار موثوق وقوي وقادر/نانو.^{[الاقتباس مطلوب]}تشمل التحديات التي تواجه تقنيات التحقيق المجهري الحاجة إلى مسبار نسبة العرض إلى الارتفاع العالية مما يمنح القدرة على الوصول إلى ميزات عميقة وضيقة مع قوى التلامس المنخفضة حتى لا تلحق الضرر بالسطح والدقة العالية (مستوى النانومتر).^{[الاقتباس مطلوب]}بالإضافة إلى ذلك ، فإن تحقيقات المجهري عرضة للظروف البيئية مثل الرطوبة والتفاعلات السطحية مثل القاعة (التي تسببها القوى الالتصاق ، والضربة القضائية ، و/أو فان دير فالز من بين أمور أخرى).^{[الاقتباس مطلوب]}

تشمل التقنيات لتحقيق التحقيق المجهري نسخة مخفضة من تحقيقات CMM الكلاسيكية ، والتحقيقات البصرية ، وتحقيق الموجة الدائمة وغيرها. ومع ذلك ، لا يمكن تحجيم التقنيات البصرية الحالية صغيرة بما يكفي لقياس الميزة العميقة والضيقة ، والدقة البصرية محدودة بسبب الطول الموجي للضوء. يوفر تصوير الأشعة السينية صورة للميزة ولكن لا توجد معلومات مقاييس يمكن تتبعها.

المبادئ المادية

يمكن استخدام المجسات البصرية و/أو تحقيقات الليزر (إن أمكن مجتمعة) ، والتي تغير CMMs إلى قياس المجاهر أو آلات قياس المستشعرات متعددة المستشعرات. لا تسمى أنظمة الإسقاط الهامشية أو أنظمة ثيودوليت مثلثية أو أنظمة الليزر البعيدة والثلاثية آلات القياس ، ولكن نتيجة القياس هي نفسها: نقطة فضاء. تُستخدم تحقيقات الليزر للكشف عن المسافة بين السطح والنقطة المرجعية في نهاية السلسلة الحركية (أي: نهاية مكون Z-Drive). يمكن أن يستخدم هذا وظيفة تداخل أو تباين التركيز أو انحراف الضوء أو مبدأ تظليل الشعاع.

آلات التنسيق التنسيق المحمول

في حين أن CMMs التقليدية تستخدم مسبارًا يتحرك على ثلاثة محاور ديكارتية لقياس الخصائص الفيزيائية للكائن ، فإن CMMs المحمولة تستخدم إما أذرع مفصلية أو ، في حالة CMMs البصرية ، أنظمة المسح الخالية من الذراع التي تستخدم طرق التثليث البصرية وتمكين حرية الحركة الكاملة حول الكائن.

تحتوي CMMs المحمولة ذات الأذرع المفصلية على ستة أو سبعة محاور مجهزة بمشفرات دوارة ، بدلاً من المحاور الخطية. الأسلحة المحمولة خفيفة الوزن (عادة أقل من 20 رطلاً) ويمكن حملها واستخدامها في أي مكان تقريبًا. ومع ذلك ، يتم استخدام CMMs البصرية بشكل متزايد في هذه الصناعة. مصممة باستخدام كاميرات صفيف خطي أو مصفوفة مضغوطة (مثل Microsoft Kinect) ، تكون CMMs البصرية أصغر من CMMs المحمولة مع الأسلحة ، ولا توجد أسلاك ، وتمكين المستخدمين من أخذ قياسات ثلاثية الأبعاد بسهولة لجميع أنواع الكائنات الموجودة في أي مكان تقريبًا.

بعض التطبيقات غير المرتبطة مثل الهندسة العكسية ، والنماذج الأولية السريعة ، والتفتيش على نطاق واسع لأجزاء من جميع الأحجام مناسبة بشكل مثالي ل CMMs المحمولة. فوائد CMMs المحمولة متعددة. يتمتع المستخدمون بالمرونة في أخذ قياسات ثلاثية الأبعاد لجميع أنواع الأجزاء وفي أكثر المواقع البعيدة/الصعبة. إنها سهلة الاستخدام ولا تتطلب بيئة خاضعة للرقابة لاتخاذ قياسات دقيقة. علاوة على ذلك ، تميل CMMs المحمولة إلى تكلفة CMMs التقليدية.

المقايضات المتأصلة في CMMs المحمولة هي التشغيل اليدوي (فهي تتطلب دائمًا إنسانًا لاستخدامها). بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تكون دقتها الإجمالية أقل دقة إلى حد ما من دقة نوع الجسر CMM وهي أقل ملاءمة لبعض التطبيقات.

آلات التقييم متعددة الاستشعار

غالبًا ما يتم دمج تقنية CMM التقليدية باستخدام تحقيقات اللمس مع تكنولوجيا القياس الأخرى. ويشمل ذلك أجهزة استشعار الليزر أو الفيديو أو الضوء الأبيض لتوفير ما يعرف باسم القياس متعدد المستشعرات.