ما هي آلة قياس الإحداثيات؟

أتنسيق آلة قياس(CMM) هو جهاز يقيس هندسة الأجسام المادية عن طريق استشعار نقاط منفصلة على سطح الجسم باستخدام مسبار.تُستخدم أنواع مختلفة من المجسات في أجهزة CMM، بما في ذلك الضوء الميكانيكي والبصري والليزر والأبيض.اعتمادًا على الجهاز، قد يتم التحكم في موضع المسبار يدويًا بواسطة المشغل أو يمكن التحكم فيه بواسطة الكمبيوتر.تحدد CMMs عادةً موضع المسبار من حيث إزاحته من موضع مرجعي في نظام الإحداثيات الديكارتية ثلاثي الأبعاد (أي مع محاور XYZ).بالإضافة إلى تحريك المسبار على طول المحاور X وY وZ، تسمح العديد من الآلات أيضًا بالتحكم في زاوية المسبار للسماح بقياس الأسطح التي قد يتعذر الوصول إليها.

يسمح "الجسر" النموذجي ثلاثي الأبعاد CMM بحركة المسبار على طول ثلاثة محاور، X وY وZ، والتي تكون متعامدة مع بعضها البعض في نظام إحداثيات ديكارتي ثلاثي الأبعاد.يحتوي كل محور على مستشعر يراقب موضع المسبار على ذلك المحور، عادةً بدقة ميكرومتر.عندما يتصل المسبار (أو يكتشف بطريقة أخرى) موقعًا معينًا على الجسم، تقوم الآلة باختبار مستشعرات الموضع الثلاثة، وبالتالي قياس موقع نقطة واحدة على سطح الجسم، بالإضافة إلى المتجه ثلاثي الأبعاد للقياس المأخوذ.يتم تكرار هذه العملية عند الضرورة، مع تحريك المسبار في كل مرة، لإنتاج "سحابة نقطية" تصف المناطق السطحية محل الاهتمام.

الاستخدام الشائع لـ CMMs هو في عمليات التصنيع والتجميع لاختبار جزء أو تجميع مقابل غرض التصميم.في مثل هذه التطبيقات، يتم إنشاء السحب النقطية والتي يتم تحليلها عبر خوارزميات الانحدار لبناء الميزات.يتم جمع هذه النقاط باستخدام مسبار يتم وضعه يدويًا بواسطة المشغل أو تلقائيًا عبر التحكم المباشر بالكمبيوتر (DCC).يمكن برمجة أجهزة DCC CMM لقياس الأجزاء المتماثلة بشكل متكرر؛وبالتالي فإن CMM الآلي هو شكل متخصص من الروبوتات الصناعية.

القطع

تشتمل آلات قياس الإحداثيات على ثلاثة مكونات رئيسية:

• الهيكل الرئيسي الذي يتضمن ثلاثة محاور للحركة.اختلفت المواد المستخدمة لبناء الإطار المتحرك على مر السنين.تم استخدام الجرانيت والفولاذ في أوائل CMM.اليوم، تقوم جميع الشركات المصنعة الكبرى لـ CMM ببناء إطارات من سبائك الألومنيوم أو بعض مشتقاتها وتستخدم أيضًا السيراميك لزيادة صلابة المحور Z لتطبيقات المسح.لا يزال عدد قليل من صانعي CMM اليوم يصنعون إطار CMM من الجرانيت نظرًا لمتطلبات السوق لتحسين ديناميكيات القياس والاتجاه المتزايد لتثبيت CMM خارج معمل الجودة.عادةً ما لا يزال صانعو CMM منخفضو الحجم والمصنعون المحليون في الصين والهند يقومون بتصنيع CMM من الجرانيت نظرًا لنهج التكنولوجيا المنخفضة وسهولة الدخول لتصبح منشئ إطارات CMM.يتطلب الاتجاه المتزايد نحو المسح أيضًا أن يكون محور CMM Z أكثر صلابة وتم إدخال مواد جديدة مثل السيراميك وكربيد السيليكون.
• نظام التحقيق
• نظام جمع البيانات وتقليلها - يشتمل عادةً على وحدة تحكم في الجهاز وكمبيوتر مكتبي وبرامج تطبيقية.

التوفر

يمكن أن تكون هذه الآلات قائمة بذاتها ومحمولة ومحمولة.

دقة

عادةً ما تُعطى دقة أجهزة قياس الإحداثيات كعامل عدم يقين كدالة على المسافة.بالنسبة لـ CMM الذي يستخدم مسبار اللمس، يتعلق هذا بتكرار المسبار ودقة المقاييس الخطية.يمكن أن تؤدي إمكانية تكرار المسبار النموذجي إلى قياسات تصل إلى .001 مم أو 0.00005 بوصة (نصف عُشر) على حجم القياس بالكامل.بالنسبة للآلات ذات 3 و3+2 و5 محاور، تتم معايرة المجسات بشكل روتيني باستخدام معايير يمكن تتبعها ويتم التحقق من حركة الماكينة باستخدام أجهزة قياس لضمان الدقة.

أجزاء محددة

جسم الآلة

تم تطوير أول آلة CMM من قبل شركة Ferranti في اسكتلندا في الخمسينيات من القرن الماضي نتيجة للحاجة المباشرة لقياس المكونات الدقيقة في منتجاتها العسكرية، على الرغم من أن هذه الآلة كانت تحتوي على محورين فقط.بدأت النماذج ثلاثية المحاور الأولى في الظهور في الستينيات (DEA في إيطاليا) وظهر التحكم بالكمبيوتر لأول مرة في أوائل السبعينيات، ولكن تم تطوير أول CMM عامل وعرضه للبيع بواسطة Browne & Sharpe في ملبورن، إنجلترا.(قامت شركة Leitz Germany لاحقًا بإنتاج هيكل آلة ثابت بطاولة متحركة.

في الآلات الحديثة، تحتوي البنية الفوقية العملاقة على قدمين وغالبًا ما يطلق عليها اسم الجسر.يتحرك هذا بحرية على طول طاولة الجرانيت بساق واحدة (يشار إليها غالبًا بالساق الداخلية) متبعًا سكة توجيه متصلة بجانب واحد من طاولة الجرانيت.تقع الساق المقابلة (غالبًا الساق الخارجية) ببساطة على طاولة الجرانيت متتبعة محيط السطح الرأسي.محامل الهواء هي الطريقة المختارة لضمان السفر بدون احتكاك.في هذه، يتم دفع الهواء المضغوط من خلال سلسلة من الثقوب الصغيرة جدًا في سطح محمل مسطح لتوفير وسادة هوائية سلسة ولكن يمكن التحكم فيها والتي يمكن لـ CMM التحرك عليها بطريقة شبه خالية من الاحتكاك والتي يمكن تعويضها من خلال البرامج.تشكل حركة الجسر أو القنطرة على طول طاولة الجرانيت محورًا واحدًا للمستوى XY.يحتوي جسر القنطرية على عربة تمر بين الأرجل الداخلية والخارجية وتشكل المحور الأفقي X أو Y الآخر.يتم توفير المحور الثالث للحركة (المحور Z) عن طريق إضافة ريشة رأسية أو مغزل يتحرك لأعلى ولأسفل عبر مركز العربة.يشكل مسبار اللمس جهاز الاستشعار في نهاية الريشة.تصف حركة المحاور X وY وZ بشكل كامل غلاف القياس.يمكن استخدام طاولات دوارة اختيارية لتعزيز إمكانية وصول مسبار القياس إلى قطع العمل المعقدة.لا تعمل الطاولة الدوارة كمحور دفع رابع على تحسين أبعاد القياس، التي تظل ثلاثية الأبعاد، ولكنها توفر درجة من المرونة.بعض مجسات اللمس هي في حد ذاتها أجهزة دوارة تعمل بالطاقة مع طرف المسبار قادر على الدوران عموديًا خلال أكثر من 180 درجة ومن خلال دوران كامل بمقدار 360 درجة.

تتوفر الآن CMMs أيضًا في مجموعة متنوعة من الأشكال الأخرى.وتشمل هذه الأسلحة أذرع CMM التي تستخدم قياسات زاوية تم التقاطها عند مفاصل الذراع لحساب موضع طرف القلم، ويمكن تجهيزها بمسبارات للمسح بالليزر والتصوير البصري.غالبًا ما تُستخدم أجهزة CMM ذات الذراع عندما تكون قابليتها للنقل ميزة على أجهزة CMM التقليدية ذات القاعدة الثابتة - من خلال تخزين المواقع المقاسة، تسمح برامج البرمجة أيضًا بتحريك ذراع القياس نفسه وحجم القياس الخاص به حول الجزء المراد قياسه أثناء إجراء القياس.ونظرًا لأن أذرع CMM تحاكي مرونة الذراع البشرية، فإنها غالبًا ما تكون أيضًا قادرة على الوصول إلى الأجزاء الداخلية من الأجزاء المعقدة التي لا يمكن فحصها باستخدام آلة قياسية ثلاثية المحاور.

مسبار ميكانيكي

في الأيام الأولى لقياس الإحداثيات (CMM)، تم تركيب مجسات ميكانيكية في حامل خاص في نهاية الريشة.تم إجراء مسبار شائع جدًا عن طريق لحام كرة صلبة حتى نهاية العمود.كان هذا مثاليًا لقياس مجموعة كاملة من الأسطح المسطحة أو الأسطوانية أو الكروية.تم طحن مجسات أخرى لأشكال محددة، على سبيل المثال رباعي، لتمكين قياس الميزات الخاصة.تم تثبيت هذه المجسات فعليًا على قطعة العمل مع قراءة الموضع في الفضاء من خلال قراءات رقمية ثلاثية المحاور (DRO) أو، في الأنظمة الأكثر تقدمًا، يتم تسجيل الدخول إلى الكمبيوتر عن طريق مفتاح القدم أو جهاز مشابه.غالبًا ما كانت القياسات التي تم إجراؤها بواسطة طريقة الاتصال هذه غير موثوقة حيث تم تحريك الآلات يدويًا وكان كل مشغل للآلة يطبق كميات مختلفة من الضغط على المسبار أو يعتمد تقنيات مختلفة للقياس.

وكان التطور الآخر هو إضافة محركات لقيادة كل محور.لم يعد المشغلون مضطرين إلى لمس الماكينة فعليًا، بل أصبح بإمكانهم قيادة كل محور باستخدام صندوق يدوي مزود بعصا التحكم بنفس الطريقة كما هو الحال مع السيارات الحديثة التي يتم التحكم فيها عن بعد.تحسنت دقة القياس بشكل كبير مع اختراع مسبار الزناد الإلكتروني الذي يعمل باللمس.كان رائد جهاز المسبار الجديد هذا هو ديفيد ماكمورتري الذي قام فيما بعد بتشكيل ما يعرف الآن باسم Renishaw plc.على الرغم من أنه لا يزال جهاز اتصال، إلا أن المسبار كان يحتوي على قلم كرة فولاذية محملة بنابض (كرة ياقوتية لاحقًا).عندما لمس المسبار سطح المكون، انحرف القلم وأرسل في نفس الوقت معلومات الإحداثيات X وY وZ إلى الكمبيوتر.أصبحت أخطاء القياس التي يسببها المشغلون الفرديون أقل وتم تمهيد الطريق لإدخال عمليات CNC ووصول عصر CMMs.

المجسات البصرية هي أنظمة عدسة CCD، يتم تحريكها مثل تلك الميكانيكية، وتهدف إلى نقطة الاهتمام، بدلاً من لمس المادة.سيتم وضع الصورة الملتقطة للسطح في حدود نافذة القياس، حتى تصبح البقايا كافية للتباين بين المناطق السوداء والبيضاء.يمكن حساب منحنى التقسيم إلى نقطة، وهي نقطة القياس المطلوبة في الفضاء.المعلومات الأفقية الموجودة على CCD هي 2D (XY) والموضع الرأسي هو موضع نظام الفحص الكامل على حامل Z-drive (أو مكون جهاز آخر).

أنظمة مسبار المسح

هناك نماذج أحدث تحتوي على مجسات يتم سحبها على طول سطح نقاط أخذ الأجزاء على فترات زمنية محددة، تُعرف باسم مجسات المسح.غالبًا ما تكون طريقة فحص CMM هذه أكثر دقة من طريقة مسبار اللمس التقليدية وأسرع أيضًا في معظم الأوقات.

إن الجيل التالي من المسح الضوئي، المعروف باسم المسح غير المتصل، والذي يتضمن التثليث بالليزر عالي السرعة بنقطة واحدة، ومسح خط الليزر، ومسح الضوء الأبيض، يتقدم بسرعة كبيرة.تستخدم هذه الطريقة إما أشعة الليزر أو الضوء الأبيض الذي يتم تسليطه على سطح الجزء.يمكن بعد ذلك التقاط عدة آلاف من النقاط واستخدامها ليس فقط للتحقق من الحجم والموضع، ولكن أيضًا لإنشاء صورة ثلاثية الأبعاد للجزء.يمكن بعد ذلك نقل "بيانات السحابة النقطية" هذه إلى برنامج CAD لإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد عملي للجزء.غالبًا ما تُستخدم هذه الماسحات الضوئية على الأجزاء الناعمة أو الحساسة أو لتسهيل الهندسة العكسية.

مجسات القياس الدقيق

تعد أنظمة الفحص لتطبيقات القياس المجهري مجالًا ناشئًا آخر.هناك العديد من آلات قياس الإحداثيات (CMM) المتاحة تجاريًا والتي تحتوي على مسبار صغير مدمج في النظام، والعديد من الأنظمة المتخصصة في المختبرات الحكومية، وأي عدد من منصات القياس التي أنشأتها الجامعات لعلم القياس المجهري.على الرغم من أن هذه الآلات جيدة وفي كثير من الحالات منصات قياس ممتازة ذات مقاييس نانومترية، إلا أن القيد الأساسي لها هو مسبار ميكرو/نانو موثوق به وقوي وقادر.^{[بحاجة لمصدر]}تشمل التحديات التي تواجه تقنيات الفحص المجهري الحاجة إلى مسبار ذو نسبة عرض إلى ارتفاع عالية مما يتيح القدرة على الوصول إلى ميزات عميقة وضيقة مع قوى اتصال منخفضة حتى لا تلحق الضرر بالسطح والدقة العالية (مستوى النانومتر).^{[بحاجة لمصدر]}بالإضافة إلى ذلك، تكون المجسات المجهرية عرضة للظروف البيئية مثل الرطوبة والتفاعلات السطحية مثل الاحتكاك (الناجم عن الالتصاق، والغضروف المفصلي، و/أو قوى فان دير فالس وغيرها).^{[بحاجة لمصدر]}

تشتمل التقنيات المستخدمة في إجراء الفحص المجهري على نسخة مصغرة من مجسات CMM الكلاسيكية والمسابير الضوئية ومسبار الموجة الدائمة وغيرها.ومع ذلك، لا يمكن أن تكون التقنيات البصرية الحالية صغيرة بما يكفي لقياس الميزة العميقة والضيقة، كما أن الدقة البصرية محدودة بالطول الموجي للضوء.يوفر التصوير بالأشعة السينية صورة للميزة ولكن لا توجد معلومات قياس يمكن تتبعها.

المبادئ المادية

يمكن استخدام المجسات الضوئية و/أو مجسات الليزر (إن أمكن معًا)، والتي تحول أجهزة CMM إلى مجاهر قياس أو آلات قياس متعددة الاستشعار.أنظمة الإسقاط الهامشي أو أنظمة التثليث المزواة أو أنظمة الليزر البعيدة والتثليث لا تسمى آلات قياس، ولكن نتيجة القياس واحدة: نقطة فضاء.تُستخدم مجسات الليزر للكشف عن المسافة بين السطح والنقطة المرجعية في نهاية السلسلة الحركية (أي: نهاية مكون محرك Z).يمكن أن يستخدم هذا وظيفة قياس التداخل، أو تباين التركيز، أو انحراف الضوء، أو مبدأ تظليل الشعاع.

آلات قياس الإحداثيات المحمولة

في حين تستخدم أجهزة CMM التقليدية مسبارًا يتحرك على ثلاثة محاور ديكارتية لقياس الخصائص الفيزيائية لجسم ما، تستخدم أجهزة CMM المحمولة إما أذرعًا مفصلية، أو، في حالة أجهزة CMM البصرية، أنظمة مسح خالية من الأذرع تستخدم طرق التثليث البصري وتتيح حرية الحركة الكاملة حول الكائن.

تحتوي أجهزة CMM المحمولة ذات الأذرع المفصلية على ستة أو سبعة محاور مزودة بأجهزة تشفير دوارة، بدلاً من المحاور الخطية.تتميز الأذرع المحمولة بخفة الوزن (أقل من 20 رطلاً عادةً) ويمكن حملها واستخدامها في أي مكان تقريبًا.ومع ذلك، يتم استخدام أجهزة CMM الضوئية بشكل متزايد في الصناعة.تم تصميم أجهزة CMM الضوئية بكاميرات خطية أو مصفوفية مدمجة (مثل Microsoft Kinect)، وهي أصغر من أجهزة CMM المحمولة ذات الأذرع، ولا تحتوي على أسلاك، وتمكن المستخدمين من إجراء قياسات ثلاثية الأبعاد بسهولة لجميع أنواع الكائنات الموجودة في أي مكان تقريبًا.

تعتبر بعض التطبيقات غير المتكررة مثل الهندسة العكسية، والنماذج الأولية السريعة، والفحص واسع النطاق للأجزاء من جميع الأحجام مناسبة بشكل مثالي لأجهزة CMM المحمولة.فوائد CMMs المحمولة متعددة الجوانب.يتمتع المستخدمون بالمرونة في إجراء قياسات ثلاثية الأبعاد لجميع أنواع الأجزاء وفي المواقع النائية/الصعبة.فهي سهلة الاستخدام ولا تتطلب بيئة خاضعة للرقابة لأخذ قياسات دقيقة.علاوة على ذلك، تميل تكلفة أجهزة CMM المحمولة إلى أن تكون أقل تكلفة من أجهزة CMM التقليدية.

إن المقايضات المتأصلة في أجهزة CMM المحمولة هي التشغيل اليدوي (تتطلب دائمًا استخدام الإنسان لها).بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون دقتها الإجمالية أقل دقة إلى حد ما من دقة CMM من نوع الجسر وتكون أقل ملاءمة لبعض التطبيقات.

آلات قياس متعددة الاستشعار

غالبًا ما يتم دمج تقنية CMM التقليدية التي تستخدم مجسات اللمس مع تقنيات القياس الأخرى.ويشمل ذلك أجهزة استشعار الليزر أو الفيديو أو الضوء الأبيض لتوفير ما يعرف بقياس أجهزة الاستشعار المتعددة.