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 riêng biệt trên bề mặt vật thể bằng đầu dò. Nhiều loại đầu dò khác nhau được sử dụng trong CMM, bao gồm đầu dò cơ học, quang học, laser và ánh sáng trắng. Tùy thuộc vào từng loại 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 xác 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 theo trục XYZ). Ngoài việc di chuyển đầu dò dọc theo các trục X, Y và Z, nhiều máy còn cho phép điều khiển góc đầu dò để 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 với 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 từ 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.

CMM thường được sử dụng 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 này, các đám mây điểm được tạo ra và được phân tích thông qua các thuật toán hồi quy để xây dựng các đặc điểm. 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). CMM DCC 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 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 lắp đặt CMM bên ngoài phòng thí nghiệm chất lượng ngày càng tăng. Thông thường, chỉ có các 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 dàng 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 biểu thị dưới dạng hệ số bất định theo khoảng cách. Đối với máy đo tọa độ sử dụng đầu dò tiếp xúc, điều này liên quan đến độ lặp lại của đầu dò và độ chính xác của thang đo tuyến tính. Độ lặp lại điển hình của đầu dò có thể cho kết quả đo trong phạm vi 0,001 mm hoặc 0,00005 inch (một phần mười) trên toàn bộ thể tích đo. Đối với máy 3, 3+2 và 5 trục, đầu dò được hiệu chuẩn thường xuyên bằng các tiêu chuẩn có thể truy xuất nguồn gốc và chuyển động của máy được kiểm tra bằng 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 lường các linh kiện chính xác trong các sản phẩm quân sự của họ, mặc dù máy này chỉ có 2 trục. Các mẫu 3 trục đầu tiên bắt đầu xuất hiện vào những năm 1960 (DEA của Ý) và điều khiển bằng máy tính ra đời vào đầu những năm 1970, nhưng CMM hoạt động đầu tiên đã được Browne & Sharpe phát triển và đưa ra thị trường tại Melbourne, Anh. (Leitz Đức sau đó đã sản xuất một cấu trúc máy cố định với bàn máy di chuyển.

Trong các máy móc hiện đại, phần cấu trúc thượng tầng kiểu cổng trục có hai chân và thường được gọi là cầu. Phần này di chuyển tự do dọc theo mặt bàn đá granit với một chân (thường được gọi là chân trong) theo một ray dẫn hướng gắn vào một bên của bàn đá granit. Chân đối diện (thường là chân ngoài) chỉ đơn giản là đặt trên bàn đá granit theo đường viền bề mặt thẳng đứng. Ổ trục khí là phương pháp được lựa chọn để đảm bảo chuyển động không ma sát. Trong những ổ trục này, khí nén được đẩy qua một loạt các lỗ rất nhỏ trên bề mặt ổ trục phẳng để tạo ra một lớp đệm khí trơn tru nhưng được kiểm soát, trên đó CMM có thể di chuyển gần như không ma sát, có thể được bù trừ thông qua phần mềm. Chuyển động của cầu trục hoặc cổng trục dọc theo mặt bàn đá granit tạo thành một trục của mặt phẳng XY. Cầu trục của cổng trục chứa một bàn di chuyển giữa các chân trong và ngoài và tạo thành trục ngang X hoặc Y còn lại. Trục chuyển động thứ ba (trục Z) được cung cấp bằng cách bổ sung một ống trục hoặc trục chính thẳng đứng di chuyển lên xuống qua tâm của bàn di chuyển. Đầu dò tiếp xúc 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 bàn xoay tùy chọn để tăng khả năng tiếp cận của đầu dò đo với các chi tiết phức tạp. Bàn xoay, với tư cách là trục truyền động thứ tư, không cải thiện kích thước đo, vốn vẫn là 3D, nhưng nó mang lại một mức độ linh hoạt nhất định. Một số đầu dò tiếp xúc tự thân là thiết bị quay được cấp nguồn, với đầu dò có thể xoay theo chiều dọc hơn 180 độ và xoay hoàn toàn 360 độ.

Máy CMM hiện nay cũng có sẵn ở nhiều dạng khác nhau. Chúng 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 cảm ứng, và có thể được trang bị đầu dò để quét laser và chụp ảnh quang học. Các cánh tay CMM này thường được sử dụng khi tính di động của chúng là một lợi thế so với các máy 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 thể tích đo của nó xung quanh chi tiết cần đo trong quá trình đo. Vì cánh tay CMM mô phỏng độ linh hoạt của cánh tay người, chúng cũng thường có thể tiếp cận bên trong các chi tiết phức tạp mà máy ba trục tiêu chuẩn không thể thăm dò được.

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 màn hình 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 bước 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 giống như trên những chiếc xe điều khiển từ xa hiện đại. Độ chính xác và độ chuẩn 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 ngày nay. Mặc dù vẫn là một thiết bị tiếp xúc, nhưng đầu dò có một bút stylus bi thép lò xo (sau này là bi hồng ngọc). Khi đầu dò chạm vào bề mặt của linh kiện, 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 mở ra giai đoạn cho sự ra đời của các hoạt động CNC và sự ra đời của CMM.

Đầu dò quang học là hệ thống CCD thấu kính, được di chuyển giống như đầu dò cơ học, và hướng đến điểm cần khảo sát thay vì chạm vào vật liệu. Hình ảnh bề mặt thu được sẽ được bao quanh bởi viền của cửa sổ đo, cho đến khi phần dư đủ để tương phản giữa các vùng đen trắng. Đường cong phân chia có thể được tính toán đến một điểm, chính 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 các thành phần thiết bị khác).

Hệ thống thăm dò quét

Có những mẫu máy mới hơn có đầu dò kéo dọc theo bề mặt chi tiết, 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 tiếp xúc thông thường và hầu hết đều nhanh hơn.

Thế hệ quét tiếp theo, được gọi là quét không tiếp xúc, bao gồm đo đạc tam giác điểm đơn laser tốc độ cao, quét đường laser và quét ánh sáng trắng, đang phát triển rất nhanh chóng. Phương pháp này sử dụng chùm tia laser hoặc ánh sáng trắng chiếu lên bề mặt chi tiết. Hàng ngàn điểm sau đó có thể được lấy và sử dụng không chỉ để kiểm tra kích thước và vị trí mà còn để tạo hình ảnh 3D của chi tiết. "Dữ liệu đám mây điểm" này sau đó có thể được chuyển sang phần mềm CAD để tạo mô hình 3D hoạt động của chi tiết. Các máy quét quang học này thường được sử dụng trên các chi tiết mềm hoặc mỏng manh, hoặc để hỗ trợ 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) thương mại được tích hợp đầu dò vi mô vào hệ thống, một số hệ thống chuyên dụng tại các phòng thí nghiệm của chính phủ, và một số nền tảng đo lường do các trường đại học xây dựng cho 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 nanomet, nhưng hạn chế chính của chúng là đầu dò micro/nano đáng tin cậy, mạnh mẽ và có khả năng hoạt động.^{[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 có 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 khả năng 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 dừng, cùng nhiều công nghệ khác. Tuy nhiên, các công nghệ quang học hiện tại không thể thu nhỏ đến mức 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 xuất nguồn gốc.

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 vân, hệ thống tam giác hóa kinh vĩ hoặc hệ thống tam giác hóa khoảng cách laser không được gọi là máy đo, nhưng kết quả đo vẫn 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 bộ phận truyền động Z). Phương pháp này có thể sử dụng hàm giao thoa, biến thiên tiêu cự, độ lệch ánh sáng hoặc nguyên lý che chắn chùm tia.

Máy đo tọa độ di động

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, thì 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.

Máy CMM di động với tay đòn khớp nối có sáu hoặc bảy trục được trang bị bộ mã hóa quay, thay vì trục tuyến tính. Tay đòn di động có trọng lượng nhẹ (thường dưới 9kg) và có thể mang theo và sử dụng ở hầu hết mọi nơi. Tuy nhiên, máy CMM quang học đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong ngành. Được thiết kế với camera mảng tuyến tính hoặc ma trận nhỏ gọn (như Microsoft Kinect), máy CMM quang học nhỏ gọn hơn máy CMM di động có tay đòn, không cần dây và cho phép người dùng dễ dàng đo đạc 3D mọi loại vật thể ở hầu hết mọi nơi.

Một số ứng dụng không lặp lại như thiết kế ngược, tạo mẫu nhanh và kiểm tra quy mô lớn các chi tiết ở mọi kích thước rất lý tưởng cho máy CMM di động. Máy CMM di động mang lại nhiều lợi ích. Người dùng có thể linh hoạt thực hiện các phép đo 3D cho mọi loại chi tiết 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, máy CMM di động thường có giá thành thấp hơn so với máy CMM truyền thống.

Nhược điểm cố hữu của máy CMM di động là phải vận hành thủ công (luôn cần có người sử dụng). Ngoài ra, độ chính xác tổng thể của chúng có thể kém hơn một chút so với máy CMM loại cầu và ít phù hợp hơn cho 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 các công nghệ đo lường khác, bao gồm cảm biến laser, video hoặc ánh sáng trắng, để cung cấp cái gọi là phép đo đa cảm biến.