Máy đo tọa độ là gì?

MỘTmáy đo tọa độ(CMM) là một thiết bị đo hình học của các vật thể vật lý bằng cách cảm nhận các điểm rời rạc trên bề mặt của vật thể bằng đầu dò. Nhiều loại đầu dò khác nhau được sử dụng trong CMM, bao gồm cơ học, quang học, laser và ánh sáng trắng. Tùy thuộc vào máy, vị trí đầu dò có thể được điều khiển thủ công bởi người vận hành hoặc có thể được điều khiển bằng máy tính. CMM thường chỉ định vị trí của đầu dò theo độ dịch chuyển của nó so với vị trí tham chiếu trong hệ tọa độ Descartes ba chiều (tức là với các trục XYZ). Ngoài việc di chuyển đầu dò dọc theo các trục X, Y và Z, nhiều máy cũng cho phép điều khiển góc đầu dò để cho phép đo các bề mặt mà nếu không thì không thể tiếp cận được.

CMM “cầu nối” 3D thông thường cho phép đầu dò di chuyển dọc theo ba trục X, Y và Z, vuông góc với nhau trong hệ tọa độ Descartes ba chiều. Mỗi trục có một cảm biến theo dõi vị trí của đầu dò trên trục đó, thường có độ chính xác đến từng micromet. Khi đầu dò tiếp xúc (hoặc phát hiện) một vị trí cụ thể trên vật thể, máy sẽ lấy mẫu ba cảm biến vị trí, do đó đo vị trí của một điểm trên bề mặt vật thể, cũng như vectơ 3 chiều của phép đo được thực hiện. Quá trình này được lặp lại khi cần thiết, di chuyển đầu dò mỗi lần, để tạo ra một “đám mây điểm” mô tả các diện tích bề mặt quan tâm.

Một ứng dụng phổ biến của CMM là trong các quy trình sản xuất và lắp ráp để kiểm tra một bộ phận hoặc cụm lắp ráp so với mục đích thiết kế. Trong các ứng dụng như vậy, các đám mây điểm được tạo ra và được phân tích thông qua các thuật toán hồi quy để xây dựng các tính năng. Các điểm này được thu thập bằng cách sử dụng đầu dò được định vị thủ công bởi người vận hành hoặc tự động thông qua Điều khiển máy tính trực tiếp (DCC). DCC CMM có thể được lập trình để đo lặp lại các bộ phận giống hệt nhau; do đó, CMM tự động là một dạng robot công nghiệp chuyên dụng.

Các bộ phận

Máy đo tọa độ bao gồm ba thành phần chính:

• Cấu trúc chính bao gồm ba trục chuyển động. Vật liệu được sử dụng để chế tạo khung chuyển động đã thay đổi qua nhiều năm. Đá granit và thép đã được sử dụng trong các CMM đầu tiên. Ngày nay, tất cả các nhà sản xuất CMM lớn đều chế tạo khung từ hợp kim nhôm hoặc một số dẫn xuất và cũng sử dụng gốm để tăng độ cứng của trục Z cho các ứng dụng quét. Một số ít nhà chế tạo CMM ngày nay vẫn sản xuất CMM khung đá granit do yêu cầu của thị trường về động lực đo lường được cải thiện và xu hướng ngày càng tăng là lắp đặt CMM bên ngoài phòng thí nghiệm chất lượng. Thông thường, chỉ những nhà chế tạo CMM khối lượng thấp và các nhà sản xuất trong nước ở Trung Quốc và Ấn Độ vẫn sản xuất CMM đá granit do phương pháp tiếp cận công nghệ thấp và dễ gia nhập để trở thành nhà chế tạo khung CMM. Xu hướng quét ngày càng tăng cũng đòi hỏi trục Z của CMM phải cứng hơn và các vật liệu mới đã được giới thiệu như gốm và silicon carbide.
• Hệ thống thăm dò
• Hệ thống thu thập và giảm dữ liệu — thường bao gồm bộ điều khiển máy, máy tính để bàn và phần mềm ứng dụng.

Khả dụng

Những máy này có thể đứng độc lập, cầm tay và di động.

Sự chính xác

Độ chính xác của máy đo tọa độ thường được đưa ra dưới dạng hệ số bất định theo hàm số theo khoảng cách. Đối với CMM sử dụng đầu dò cảm ứng, điều này liên quan đến khả năng lặp lại của đầu dò và độ chính xác của thang đo tuyến tính. Khả năng lặp lại đầu dò thông thường có thể dẫn đến các phép đo trong phạm vi .001mm hoặc .00005 inch (một nửa phần mười) trên toàn bộ thể tích đo. Đối với máy 3, 3+2 và 5 trục, đầu dò thường được hiệu chuẩn bằng các tiêu chuẩn có thể truy xuất và chuyển động của máy được xác minh bằng các đồng hồ đo để đảm bảo độ chính xác.

Các bộ phận cụ thể

Thân máy

CMM đầu tiên được phát triển bởi Công ty Ferranti của Scotland vào những năm 1950 do nhu cầu trực tiếp đo các thành phần chính xác trong các sản phẩm quân sự của họ, mặc dù máy này chỉ có 2 trục. Các mô hình 3 trục đầu tiên bắt đầu xuất hiện vào những năm 1960 (DEA của Ý) và điều khiển bằng máy tính ra mắt vào đầu những năm 1970 nhưng CMM hoạt động đầu tiên đã được Browne & Sharpe phát triển và đưa ra bán tại Melbourne, Anh. (Leitz Đức sau đó đã sản xuất một cấu trúc máy cố định có bàn di chuyển.

Trong các máy móc hiện đại, phần kiến ​​trúc thượng tầng kiểu cổng trục có hai chân và thường được gọi là cầu. Phần này di chuyển tự do dọc theo bàn đá granit với một chân (thường được gọi là chân bên trong) theo một thanh dẫn hướng gắn vào một bên của bàn đá granit. Chân đối diện (thường là chân bên ngoài) chỉ đơn giản là nằm trên bàn đá granit theo đường viền bề mặt thẳng đứng. Vòng bi khí là phương pháp được lựa chọn để đảm bảo di chuyển không ma sát. Trong những vòng bi này, khí nén được ép qua một loạt các lỗ rất nhỏ trên bề mặt ổ trục phẳng để tạo ra một đệm khí trơn tru nhưng được kiểm soát mà CMM có thể di chuyển theo cách gần như không có ma sát, có thể được bù trừ thông qua phần mềm. Chuyển động của cầu hoặc cổng trục dọc theo bàn đá granit tạo thành một trục của mặt phẳng XY. Cầu của cổng trục chứa một giá đỡ di chuyển giữa các chân bên trong và bên ngoài và tạo thành trục ngang X hoặc Y khác. Trục chuyển động thứ ba (trục Z) được cung cấp bằng cách bổ sung một ống trục dọc hoặc trục chính di chuyển lên xuống qua tâm của giá đỡ. Đầu dò cảm ứng tạo thành thiết bị cảm biến ở đầu ống trục. Chuyển động của các trục X, Y và Z mô tả đầy đủ phạm vi đo. Có thể sử dụng các bàn quay tùy chọn để tăng khả năng tiếp cận của đầu dò đo với các phôi phức tạp. Bàn quay như một trục truyền động thứ tư không tăng cường các kích thước đo, vẫn là 3D, nhưng nó cung cấp một mức độ linh hoạt nhất định. Một số đầu dò cảm ứng tự chúng là các thiết bị quay được cấp nguồn với đầu dò có thể xoay theo chiều dọc hơn 180 độ và xoay 360 độ hoàn toàn.

CMM hiện cũng có sẵn ở nhiều dạng khác nhau. Bao gồm các cánh tay CMM sử dụng các phép đo góc được thực hiện tại các khớp của cánh tay để tính toán vị trí của đầu bút stylus và có thể được trang bị các đầu dò để quét laser và hình ảnh quang học. Các CMM cánh tay như vậy thường được sử dụng khi tính di động của chúng là một lợi thế so với các CMM cố định truyền thống - bằng cách lưu trữ các vị trí đã đo, phần mềm lập trình cũng cho phép di chuyển chính cánh tay đo và khối lượng đo của nó xung quanh bộ phận cần đo trong quá trình đo lường. Vì cánh tay CMM mô phỏng tính linh hoạt của cánh tay con người nên chúng cũng thường có thể tiếp cận bên trong các bộ phận phức tạp mà không thể thăm dò bằng máy ba trục tiêu chuẩn.

Đầu dò cơ học

Vào những ngày đầu của phép đo tọa độ (CMM), các đầu dò cơ học được lắp vào một giá đỡ đặc biệt ở đầu ống. Một đầu dò rất phổ biến được tạo ra bằng cách hàn một viên bi cứng vào đầu trục. Điều này lý tưởng để đo toàn bộ phạm vi bề mặt phẳng, hình trụ hoặc hình cầu. Các đầu dò khác được mài thành các hình dạng cụ thể, ví dụ như hình góc phần tư, để có thể đo các đặc điểm đặc biệt. Các đầu dò này được giữ vật lý trên phôi với vị trí trong không gian được đọc từ đầu đọc kỹ thuật số 3 trục (DRO) hoặc, trong các hệ thống tiên tiến hơn, được ghi vào máy tính bằng công tắc chân hoặc thiết bị tương tự. Các phép đo được thực hiện bằng phương pháp tiếp xúc này thường không đáng tin cậy vì máy được di chuyển bằng tay và mỗi người vận hành máy tác dụng các lực ép khác nhau lên đầu dò hoặc áp dụng các kỹ thuật khác nhau để đo.

Một phát triển nữa là việc bổ sung thêm động cơ để điều khiển từng trục. Người vận hành không còn phải chạm trực tiếp vào máy nữa mà có thể điều khiển từng trục bằng hộp điều khiển cầm tay có cần điều khiển theo cách tương tự như với những chiếc xe điều khiển từ xa hiện đại. Độ chính xác và độ chính xác của phép đo được cải thiện đáng kể với phát minh ra đầu dò kích hoạt cảm ứng điện tử. Người tiên phong của thiết bị thăm dò mới này là David McMurtry, người sau này đã thành lập nên công ty Renishaw plc hiện nay. Mặc dù vẫn là thiết bị tiếp xúc, nhưng đầu dò có bút stylus bi thép lò xo (sau này là bi hồng ngọc). Khi đầu dò chạm vào bề mặt của bộ phận, bút stylus sẽ lệch hướng và đồng thời gửi thông tin tọa độ X, Y, Z đến máy tính. Các lỗi đo lường do từng người vận hành gây ra đã giảm đi và tạo tiền đề cho sự ra đời của các hoạt động CNC và sự ra đời của CMM.

Đầu dò quang học là hệ thống ống kính CCD, được di chuyển giống như các đầu dò cơ học, và hướng đến điểm quan tâm, thay vì chạm vào vật liệu. Hình ảnh chụp được của bề mặt sẽ được bao quanh trong các đường viền của cửa sổ đo, cho đến khi phần còn lại đủ để tương phản giữa các vùng đen và trắng. Đường cong phân chia có thể được tính toán đến một điểm, là điểm đo mong muốn trong không gian. Thông tin theo chiều ngang trên CCD là 2D (XY) và vị trí theo chiều dọc là vị trí của toàn bộ hệ thống thăm dò trên giá đỡ Z-drive (hoặc thành phần thiết bị khác).

Hệ thống thăm dò quét

Có những mẫu mới hơn có đầu dò kéo dọc theo bề mặt của bộ phận lấy điểm theo các khoảng thời gian xác định, được gọi là đầu dò quét. Phương pháp kiểm tra CMM này thường chính xác hơn phương pháp đầu dò chạm thông thường và hầu hết thời gian cũng nhanh hơn.

Thế hệ quét tiếp theo, được gọi là quét không tiếp xúc, bao gồm tam giác hóa điểm đơn laser tốc độ cao, quét đường laser và quét ánh sáng trắng, đang tiến triển rất nhanh. Phương pháp này sử dụng chùm tia laser hoặc ánh sáng trắng được chiếu vào bề mặt của bộ phận. Sau đó, có thể lấy và sử dụng hàng nghìn điểm không chỉ để kiểm tra kích thước và vị trí mà còn để tạo hình ảnh 3D của bộ phận. "Dữ liệu đám mây điểm" này sau đó có thể được chuyển sang phần mềm CAD để tạo mô hình 3D hoạt động của bộ phận. Các máy quét quang học này thường được sử dụng trên các bộ phận mềm hoặc mỏng manh hoặc để tạo điều kiện cho kỹ thuật đảo ngược.

Đầu dò vi mô

Hệ thống thăm dò cho các ứng dụng đo lường vi mô là một lĩnh vực mới nổi khác. Có một số máy đo tọa độ (CMM) có sẵn trên thị trường có tích hợp đầu dò vi mô vào hệ thống, một số hệ thống chuyên dụng tại các phòng thí nghiệm của chính phủ và bất kỳ số lượng nền tảng đo lường nào do trường đại học xây dựng cho phép đo lường vi mô. Mặc dù các máy này là nền tảng đo lường tốt và trong nhiều trường hợp là tuyệt vời với thang đo nano, nhưng hạn chế chính của chúng là đầu dò vi mô/nano đáng tin cậy, mạnh mẽ và có khả năng.^{[cần trích dẫn]}Những thách thức đối với công nghệ thăm dò vi mô bao gồm nhu cầu về đầu dò có tỷ lệ khung hình cao cho khả năng tiếp cận các đặc điểm sâu, hẹp với lực tiếp xúc thấp để không làm hỏng bề mặt và độ chính xác cao (cấp nanomet).^{[cần trích dẫn]}Ngoài ra, các đầu dò vi mô dễ bị ảnh hưởng bởi các điều kiện môi trường như độ ẩm và tương tác bề mặt như lực dính (do lực bám dính, lực khum và/hoặc lực Van der Waals cùng các lực khác).^{[cần trích dẫn]}

Các công nghệ để đạt được thăm dò ở quy mô vi mô bao gồm phiên bản thu nhỏ của đầu dò CMM cổ điển, đầu dò quang học và đầu dò sóng đứng trong số những công nghệ khác. Tuy nhiên, các công nghệ quang học hiện tại không thể thu nhỏ đủ để đo các đặc điểm sâu, hẹp và độ phân giải quang học bị giới hạn bởi bước sóng ánh sáng. Chụp X-quang cung cấp hình ảnh của đặc điểm nhưng không có thông tin đo lường có thể truy nguyên.

Nguyên lý vật lý

Có thể sử dụng đầu dò quang học và/hoặc đầu dò laser (nếu có thể kết hợp), giúp chuyển đổi CMM thành kính hiển vi đo lường hoặc máy đo đa cảm biến. Hệ thống chiếu viền, hệ thống tam giác kinh vĩ hoặc hệ thống tam giác hóa và khoảng cách laser không được gọi là máy đo, nhưng kết quả đo là như nhau: một điểm không gian. Đầu dò laser được sử dụng để phát hiện khoảng cách giữa bề mặt và điểm tham chiếu ở cuối chuỗi động học (tức là: cuối thành phần truyền động Z). Điều này có thể sử dụng hàm giao thoa, biến thiên tiêu điểm, độ lệch ánh sáng hoặc nguyên lý tạo bóng chùm tia.

Máy đo tọa độ cầm tay

Trong khi các máy CMM truyền thống sử dụng đầu dò di chuyển trên ba trục Descartes để đo các đặc điểm vật lý của vật thể, các máy CMM di động sử dụng cánh tay khớp nối hoặc, trong trường hợp của máy CMM quang học, hệ thống quét không cần cánh tay sử dụng phương pháp tam giác quang học và cho phép di chuyển hoàn toàn tự do xung quanh vật thể.

CMM di động có tay khớp nối có sáu hoặc bảy trục được trang bị bộ mã hóa quay, thay vì trục tuyến tính. Tay di động có trọng lượng nhẹ (thường dưới 20 pound) và có thể mang theo và sử dụng ở hầu hết mọi nơi. Tuy nhiên, CMM quang học ngày càng được sử dụng nhiều trong ngành. Được thiết kế với camera mảng tuyến tính hoặc ma trận nhỏ gọn (như Microsoft Kinect), CMM quang học nhỏ hơn CMM di động có tay, không có dây và cho phép người dùng dễ dàng thực hiện các phép đo 3D của mọi loại vật thể ở hầu hết mọi nơi.

Một số ứng dụng không lặp lại như kỹ thuật đảo ngược, tạo mẫu nhanh và kiểm tra quy mô lớn các bộ phận ở mọi kích thước rất phù hợp với CMM di động. CMM di động có nhiều lợi ích. Người dùng có thể linh hoạt thực hiện các phép đo 3D của mọi loại bộ phận và ở những vị trí xa xôi/khó khăn nhất. Chúng dễ sử dụng và không yêu cầu môi trường được kiểm soát để thực hiện các phép đo chính xác. Hơn nữa, CMM di động có xu hướng có giá thành thấp hơn CMM truyền thống.

Sự đánh đổi cố hữu của CMM di động là thao tác thủ công (luôn cần có người sử dụng). Ngoài ra, độ chính xác tổng thể của chúng có thể kém chính xác hơn so với CMM loại cầu và ít phù hợp hơn với một số ứng dụng.

Máy đo đa cảm biến

Công nghệ CMM truyền thống sử dụng đầu dò cảm ứng ngày nay thường được kết hợp với công nghệ đo lường khác. Điều này bao gồm cảm biến laser, video hoặc ánh sáng trắng để cung cấp cái được gọi là phép đo đa cảm biến.