Máy đo tọa độ là gì?

MỘTmáy đo tọa độ(CMM) là thiết bị đo hình học của vật thể bằng cách cảm nhận các điểm rời rạc trên bề mặt 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 người vận hành điều khiển bằng tay 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 trục XYZ).Ngoài việc di chuyển đầu dò dọc theo trục X, Y và Z, nhiều máy còn cho phép kiểm soát góc đầu dò để cho phép đo các bề mặt mà bình thường không thể tiếp cận được.

CMM “cầu nối” 3D điển hình cho phép chuyển động của đầu dò dọc theo ba trục X, Y và Z, trực giao 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 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, từ 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 “đám mây điểm” mô tả các diện tích bề mặt quan tâm.

Việc sử dụng CMM phổ biến là trong các quy trình sản xuất và lắp ráp để kiểm tra một bộ phận hoặc lắp ráp theo mục đích thiết kế.Trong các ứng dụng như vậy, các đám mây điểm được tạo ra và được phân tích thông qua thuật toán hồi quy để xây dựng các tính năng.Những điểm này được thu thập bằng cách sử dụng đầu dò được người vận hành định vị thủ công hoặc tự động thông qua Điều khiển máy tính trực tiếp (DCC).DCC CMM có thể được lập trình để đo liên tục 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 bộ phận chính:

• Cấu trúc chính bao gồm ba trục chuyển động.Vật liệu được sử dụng để xây dựng khung di chuyển đã thay đổi qua nhiều năm.Đá granit và thép đã được sử dụng trong 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.Rất ít nhà xây dựng 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 xây dựng CMM khối lượng thấp và các nhà sản xuất trong nước ở Trung Quốc và Ấn Độ vẫn sản xuất đá granite CMM do cách tiếp cận công nghệ thấp và dễ dàng trở thành nhà xây dựng khung CMM.Xu hướng quét ngày càng tăng cũng đòi hỏi trục CMM Z phải cứng hơn và các vật liệu mới đã được giới thiệu như gốm và cacbua silic.
• Hệ thống thăm dò
• Hệ thống thu thập và giảm thiểu 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 tự do, cầm tay và di động.

Sự chính xác

Độ chính xác của máy đo tọa độ thường được đưa ra dưới dạng hệ số không chắc chắn dưới dạng hàm theo khoảng cách.Đối với CMM sử dụng đầu dò cảm ứng, điều này liên quan đến độ lặp lại của đầu dò và độ chính xác của thang đo tuyến tính.Độ lặp lại của đầu dò điển hình có thể dẫn đến các phép đo trong khoảng 0,001 mm hoặc 0,00005 inch (nửa 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 theo dõi và chuyển động của máy được xác minh bằng đồng hồ đo để đảm bảo độ chính xác.

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 bộ phận chính xác trong các sản phẩm quân sự của họ, mặc dù chiếc 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 máy tính ra mắt vào đầu những năm 1970 nhưng CMM hoạt động đầu tiên đã được Browne & Sharpe phát triển và bán ở Melbourne, Anh.(Leitz Đức sau đó đã sản xuất ra một cấu trúc máy cố định có bàn di chuyển.

Trong các máy móc hiện đại, cấu trúc thượng tầng kiểu giàn có hai chân và thường được gọi là cầu.Chân này di chuyển tự do dọc theo bàn đá granite bằng một chân (thường được gọi là chân bên trong) theo một ray dẫn hướng được gắn vào một bên của bàn đá granite.Chân đối diện (thường là chân ngoài) chỉ cần tựa 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 có ma sát.Trong đó, khí nén được ép qua một loạt lỗ rất nhỏ trên bề mặt ổ trục phẳng để tạo ra lớp đệm khí êm ái nhưng được kiểm soát mà trên đó CMM có thể di chuyển theo cách gần như không ma sát và có thể được bù lại thông qua phần mềm.Chuyển động của cầu hoặc giàn dọc theo bàn đá granit tạo thành một trục của mặt phẳng XY.Cầu của giàn chứa một cỗ xe đi ngang qua 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 bút lông hoặc trục xoay thẳng đứng di chuyển lên xuống qua tâm của cỗ xe.Đầu dò cảm ứng tạo thành thiết bị cảm biến ở đầu bút lông.Chuyển động của trục X, Y và Z mô tả đầy đủ đường bao đo.Có thể sử dụng bàn xoay tùy chọn để nâng cao khả năng tiếp cận của đầu dò đo đối với các phôi phức tạp.Bàn quay như một trục dẫn động thứ tư không tăng cường các kích thước đo vẫn duy trì ở dạng 3D nhưng nó mang lại mức độ linh hoạt.Bản thân một số đầu dò cảm ứng là thiết bị quay được cấp nguồn với đầu đầu dò có thể xoay theo chiều dọc hơn 180 độ và xoay hoàn toàn 360 độ.

CMM hiện cũng có sẵn ở nhiều dạng khác.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 và có thể được trang bị đầu dò để quét laser và chụp 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 CMM giường cố định truyền thống - bằng cách lưu trữ các vị trí đo được, 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.Bởi vì cánh tay CMM bắt chước tính linh hoạt của cánh tay con người nên chúng cũng thường có thể tiếp cận bên trong các bộ phận phức tạp mà máy ba trục tiêu chuẩn không thể thăm dò được.

Đầu dò cơ học

Trong những ngày đầu của phép đo tọa độ (CMM), các đầu dò cơ học được lắp vào một giá đỡ đặc biệt ở đầu bút lông.Một đầu dò rất phổ biến được chế tạo bằng cách hàn một quả bóng cứng vào đầu trục.Điều này lý tưởng để đo toàn bộ các bề mặt phẳng, hình trụ hoặc hình cầu.Các đầu dò khác được nối đất thành các hình dạng cụ thể, ví dụ như góc phần tư, để cho phép đo các tính năng đặc biệt.Các đầu dò này được giữ về mặt vật lý đối với phôi với vị trí trong không gian được đọc từ thiết bị đọc kỹ thuật số 3 trục (DRO) hoặc, trong các hệ thống tiên tiến hơn, được đăng nhập vào máy tính bằng bàn đạp 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 lượng áp suất khác nhau lên đầu dò hoặc áp dụng các kỹ thuật đo khác nhau.

Một sự phát triển hơn nữa là việc bổ sung các động cơ để dẫn động từng trục.Người vận hành không còn phải chạm vào máy mà có thể lái từng trục bằng hộp tay có cần điều khiển theo cách tương tự như với những chiếc ô tô điều khiển từ xa hiện đại.Độ chính xác và độ chính xác của phép đo được cải thiện đáng kể nhờ 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 công ty ngày nay là Renishaw plc.Mặc dù vẫn là một thiết bị tiếp xúc, nhưng đầu dò có một bút cảm ứng bi thép (sau này là bi hồng ngọc) có lò xo.Khi đầu dò chạm vào bề mặt của linh kiện, bút stylus sẽ bị lệch và đồng thời gửi thông tin tọa độ X, Y, Z tới máy tính.Các lỗi đo lường do người vận hành riêng lẻ gây ra ngày càng ít hơn và tạo tiền đề cho việc áp dụng các hoạt động CNC cũng như thời đại CMM sắp ra đời.

Đầu dò quang học là hệ thống thấu kính-CCD, được di chuyển giống như hệ thống cơ học và nhắm vào điểm quan tâm, thay vì chạm vào vật liệu.Hình ảnh bề mặt được chụp sẽ được bao bọc trong viền của cửa sổ đo, cho đến khi dư lượng đủ để tương phản giữa các vùng đen và trắng.Đường cong phân chia có thể được tính đến một điểm, đó là điểm đo mong muốn trong không gian.Thông tin theo chiều ngang trên CCD là 2D (XY) và vị trí thẳng đứng là vị trí của hệ thống thăm dò hoàn chỉnh trên bộ truyền động Z chân đế (hoặc thành phần thiết bị khác).

Hệ thống đầu dò quét

Có những mẫu mới hơn có đầu dò kéo dọc theo bề mặt của bộ phận, lấy các 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 cảm ứng thông thường và cũng nhanh hơn nhiều lần.

Thế hệ quét tiếp theo, được gọi là quét không tiếp xúc, bao gồm quét tam giác điểm đơn bằng laser tốc độ cao, quét đường laser và quét ánh sáng trắng, đang phát triển rất nhanh.Phương pháp này sử dụng chùm tia laze hoặc ánh sáng trắng chiếu lên bề mặt của bộ phận.Sau đó, hàng nghìn điểm có thể được lấy và sử dụng không chỉ để kiểm tra kích thước và vị trí mà còn để tạo ra hình ảnh 3D của bộ phận.Sau đó, “dữ liệu đám mây điểm” này có thể được chuyển sang phần mềm CAD để tạo mô hình 3D hoạt động của bộ phận.Những máy quét quang học này thường được sử dụng trên các bộ phận mềm hoặc mỏng manh hoặc để tạo điều kiện thuận lợi 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 bán trên thị trường có đầu dò vi mô được tích hợp vào hệ thống, một số hệ thống đặc biệt tại các phòng thí nghiệm của chính phủ và bất kỳ nền tảng đo lường nào do trường đại học xây dựng dành cho đo lường vi mô.Mặc dù những máy này tốt và trong nhiều trường hợp là nền tảng đo lường tuyệt vời với quy mô nanomet, 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 đối tượng sâu, hẹp với lực tiếp xúc thấp để không làm hỏng bề mặt và độ chính xác cao (mức nanomet).^{[cần trích dẫn]}Ngoài ra, các đầu dò vi mô rất nhạy cảm với các điều kiện môi trường như độ ẩm và tương tác bề mặt như ma sát (gây ra bởi độ bám dính, mặt khum và/hoặc lực Van der Waals cùng các lực khác).^{[cần trích dẫn]}

Các công nghệ để đạt được việc 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 cùng nhiều loại khác.Tuy nhiên, các công nghệ quang học hiện tại không thể thu nhỏ đủ nhỏ để đo đặc điểm sâu, hẹp và độ phân giải quang học bị giới hạn bởi bước sóng ánh sáng.Hình ảnh tia X cung cấp hình ảnh của đối tượng nhưng không có thông tin đo lường có thể theo dõi được.

Nguyên tắc vật lý

Có thể sử dụng đầu dò quang học và/hoặc đầu dò laser (nếu có thể kết hợp), giúp thay đổi CMM thành kính hiển vi đo hoặc máy đo đa cảm biến.Các hệ thống chiếu rìa, hệ thống tam giác máy kinh vĩ hoặc hệ thống đo tam giác và khoảng cách laser không được gọi là máy đo, nhưng kết quả đo thì giống 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: điểm cuối của thành phần truyền động Z).Điều này có thể sử dụng chức năng giao thoa kế, biến thiên tiêu cự, độ lệch ánh sáng hoặc nguyên lý tạo bóng chùm tia.

Máy đo tọa độ di động

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

CMM di động có cánh tay khớp nối có sáu hoặc bảy trục được trang bị bộ mã hóa quay, thay vì trục tuyến tính.Cánh tay cầm tay 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 đang ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong ngành.Được thiết kế với các camera ma trận hoặc tuyến tính nhỏ gọn (như Microsoft Kinect), CMM quang học nhỏ hơn CMM di động có cánh tay, không có dây và cho phép người dùng dễ dàng thực hiện các phép đo 3D của tất cả các loại đối tượng 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 thuộc mọi kích cỡ đều phù hợp lý tưởng cho CMM di động.Lợi ích của CMM di động là rất nhiều.Người dùng có thể linh hoạt thực hiện các phép đo 3D của tất cả các loại bộ phận và ở những vị trí xa/khó khăn nhất.Chúng rất 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 thấp hơn CMM truyền thống.

Sự đánh đổi cố hữu của CMM di động là vận hành thủ công (chúng luôn yêu cầu con 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 các công nghệ đo lường khác.Điều này bao gồm các cảm biến laser, video hoặc ánh sáng trắng để cung cấp cái được gọi là phép đo đa cảm biến.