Máy đo tọa độ là gì?

MỘTmáy đo tọa độ(CMM) là thiết bị đo hình học của các vật thể vật lý bằng cách cảm nhận các điểm rời rạc trên bề mặt vật thể bằng một đầu dò. Nhiều loại đầu dò được sử dụng trong CMM, bao gồm đầu dò cơ khí, quang học, laser và ánh sáng trắng. Tùy thuộc vào máy, vị trí của đầu dò có thể được điều khiển thủ công bởi người vận hành hoặc 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 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 của đầu dò để đo các bề mặt mà nếu không sẽ không thể tiếp cận được.

Máy đo tọa độ 3D kiểu “cầu” điển hình cho phép di chuyển đầu dò 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 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, từ đó đo vị trí của một điểm trên bề mặt vật thể, cũng như vectơ ba chiều của phép đo. Quá trình này được lặp lại khi cần thiết, di chuyển đầu dò mỗi lần, để tạo ra “đám mây điểm” mô tả các vùng bề mặt cần quan tâm.

Một ứng dụng phổ biến của máy đo tọa độ (CMM) là trong các quy trình sản xuất và lắp ráp để kiểm tra một chi tiết hoặc cụm lắp ráp so với thiết kế ban đầu. 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 một 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 đi lặp lại các chi tiết 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 được sử dụng trong các máy đo tọa độ (CMM) đời đầu. Ngày nay, tất cả các nhà sản xuất CMM lớn đều chế tạo khung từ hợp kim nhôm hoặc một số dẫn xuất của nó, và cũng sử dụng gốm để tăng độ cứng của trục Z cho các ứng dụng quét. Một số ít nhà sản xuất CMM hiện nay vẫn sản xuất CMM khung đá granit do yêu cầu thị trường về động lực đo lường được cải thiện và xu hướng ngày càng tăng lắp đặt CMM bên ngoài phòng thí nghiệm chất lượng. Thông thường, chỉ có các nhà sản xuất CMM quy mô nhỏ và các nhà sản xuất trong nước ở Trung Quốc và Ấn Độ vẫn sản xuất CMM khung đá granit do công nghệ đơn giản và dễ gia nhập thị trường để trở thành nhà sản xuất khung CMM. Xu hướng ngày càng tăng về quét cũng đòi hỏi trục Z của CMM 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 xử lý dữ liệu — thường bao gồm bộ điều khiển máy móc, máy tính để bàn và phần mềm ứng dụng.

Tính khả dụng

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

Sự chính xác

Độ chính xác của máy đo tọa độ thường được biểu thị bằng hệ số không chắc chắn theo khoảng cách. Đối với máy đo tọa độ 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 điển hình của đầu dò có thể cho kết quả đo nằm trong phạm vi 0,001mm hoặc 0,00005 inch (nửa phần mười) trên toàn bộ thể tích đo. Đối với máy 3 trục, 3+2 trục và 5 trục, đầu dò được hiệu chuẩn thường xuyên bằng các tiêu chuẩn có thể truy vết và chuyển động của máy được kiểm tra bằng các dụng cụ đo để đảm bảo độ chính xác.

Các bộ phận cụ thể

Thân máy

Máy đo tọa độ (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 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 mắt vào đầu những năm 1970, nhưng máy CMM hoạt động đầu tiên được phát triển và bán ra thị trường bởi Browne & Sharpe ở Melbourne, Anh. (Sau đó, Leitz của Đức đã sản xuất một cấu trúc máy cố định với bàn di chuyển).

Trong các máy hiện đại, cấu trúc thượng tầng kiểu khung giàn có hai chân và thường được gọi là cầu trục. Cấu trúc này di chuyển tự do dọc theo bàn đá granit với một chân (thường được gọi là chân trong) đi theo thanh dẫn hướng gắn vào một bên của bàn đá granit. Chân đối diện (thường là chân ngoài) chỉ đơn giản là tựa 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 các ổ trục này, không 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 máy đo tọa độ (CMM) có thể di chuyển gần như không ma sát, và ma sát này có thể được bù trừ thông qua phần mềm. Chuyển động của cầu trục hoặc khung giàn dọc theo bàn đá granit tạo thành một trục của mặt phẳng XY. Cầu trục của khung giàn chứa một toa xe di chuyển giữa chân trong và chân ngoài, tạo thành trục ngang X hoặc Y còn lại. Trục chuyển động thứ ba (trục Z) được cung cấp bằng cách thêm một trục chính thẳng đứng di chuyển lên xuống qua tâm của toa xe. Đầu dò cảm ứng tạo thành thiết bị cảm biến ở đầu trục chính. 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 gia công phức tạp. Bàn xoay như một trục truyền động thứ tư không làm tăng kích thước đo, vẫn là 3D, nhưng nó cung cấp một mức độ linh hoạt nhất định. Một số đầu dò cảm ứng bản thân chúng là các thiết bị xoay có động cơ, với đầu dò có thể xoay theo chiều dọc hơn 180 độ và xoay 360 độ hoàn toàn.

Hiện nay, máy đo tọa độ (CMM) cũng có nhiều dạng khác nhau. Chúng bao gồm các cánh tay CMM sử dụng các phép đo góc tại các khớp của cánh tay để tính toán vị trí của đầu bút đo, và có thể được trang bị các đầu dò để quét laser và chụp ảnh quang học. Các loại CMM cánh tay này thường được sử dụng ở những nơi mà tính di động của chúng là một lợi thế so với các máy CMM truyền thống có bàn cố định - 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. Bởi vì các cánh tay CMM mô phỏng sự 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 đo được.

Đầu dò cơ học

Trong những ngày đầu của phép đo tọa độ (CMM), các đầu dò cơ khí được gắn vào một giá đỡ đặc biệt ở đầu trục chính. Một loại đầu dò rất phổ biến được chế tạo bằng cách hàn một quả cầu cứng vào đầu trục. Loại này lý tưởng để đo nhiều loại bề mặt phẳng, hình trụ hoặc hình cầu. Các đầu dò khác được mài thành các hình dạng cụ thể, ví dụ như hình tứ phân, để cho phép đo các đặc điểm đặc biệt. Các đầu dò này được giữ cố định vào phôi và vị trí trong không gian được đọc từ màn hình hiển thị kỹ thuật số 3 trục (DRO) hoặc, trong các hệ thống tiên tiến hơn, được ghi 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 áp dụng lực khác nhau lên đầu dò hoặc áp dụng các kỹ thuật đo khác nhau.

Một bước phát triển tiếp theo là việc bổ sung động cơ để dẫn động từng trục. Người vận hành không còn phải chạm trực tiếp vào máy mà có thể điều khiển từng trục bằng hộp điều khiển cầm tay với cần điều khiển, tương tự như các loại xe điều khiển từ xa hiện đại. Độ chính xác và độ tin cậy của phép đo được cải thiện đáng kể với sự ra đời của đầu dò cảm ứng điện tử. Người tiên phong trong thiết bị đầu dò mới này là David McMurtry, người sau đó đã thành lập công ty hiện nay là Renishaw plc. Mặc dù vẫn là thiết bị tiếp xúc, đầu dò có một đầu bút bằng bi thép (sau này là bi hồng ngọc) được gắn lò xo. Khi đầu dò chạm vào bề mặt của chi tiết, đầu bút sẽ bị lệch và đồng thời gửi thông tin tọa độ X, Y, Z đến máy tính. Sai số đo do từng người vận hành gây ra giảm đi và tạo tiền đề cho việc giới thiệu các hoạt động CNC và sự phát triển mạnh mẽ của máy đo tọa độ (CMM).

Đầu dò quang học là hệ thống thấu kính-CCD, được di chuyển giống như các đầu dò cơ học và hướng vào điểm cần khảo sát thay vì tiếp xúc trực tiếp với vật liệu. Hình ảnh thu được của bề mặt sẽ được bao quanh bởi khung đo, cho đến khi phần dư đủ để tạo độ tương phản giữa vùng đen và vùng trắng. Đường cong phân chia có thể được tính toán đến một điểm, đó chính là điểm đo mong muốn trong không gian. Thông tin theo phương ngang trên CCD là 2D (XY) và vị trí theo phương thẳng đứng là vị trí của toàn bộ hệ thống đầu dò trên giá đỡ trục Z (hoặc bộ phận thiết bị khác).

Hệ thống đầu dò quét

Hiện nay có những mẫu máy mới hơn sử dụng đầu dò di chuyển dọc theo bề mặt chi tiết, lấy điểm tại các khoảng cách xác định, được gọi là đầu dò quét. Phương pháp kiểm tra bằng máy đo tọa độ (CMM) này thường chính xác hơn phương pháp đầu dò tiếp xúc truyền thống và hầu hết các trường hợp đều nhanh hơn.

Thế hệ quét tiếp theo, được gọi là quét không tiếp xúc, bao gồm phép đo tam giác điểm đơn tốc độ cao bằng laser, quét đường thẳng bằng laser và quét ánh sáng trắng, đang phát triển rất nhanh. Phương pháp này sử dụng chùm tia laser hoặc ánh sáng trắng chiếu lên bề mặt của chi tiết. Hàng ngàn điểm có thể được thu thập và sử dụng không chỉ để kiểm tra kích thước và vị trí, mà còn để tạo ra hình ảnh 3D của chi tiết. Dữ liệu "đám mây điểm" này sau đó có thể được chuyển sang phần mềm CAD để tạo ra mô hình 3D hoạt động của chi tiết. Các máy quét quang học này thường được sử dụng trên các chi tiết mềm hoặc dễ vỡ hoặc để hỗ trợ kỹ thuật đảo ngược.

Đầu dò vi đo

Các hệ thống thăm dò cho các ứng dụng đo lường vi mô là một lĩnh vực đang nổi lên khác. Hiện có một số máy đo tọa độ (CMM) thương mại tích hợp đầu dò vi mô, một số hệ thống chuyên dụng tại các phòng thí nghiệm chính phủ và vô số nền tảng đo lường do các trường đại học xây dựng cho đo lường vi mô. Mặc dù những máy này là những nền tảng đo lường tốt và trong nhiều trường hợp là xuất sắc ở thang đo nanomet, nhưng hạn chế chính của chúng là thiếu một đầu dò vi mô/nano đáng tin cậy, mạnh mẽ và có khả năng hoạt động tốt.^{[cần dẫn nguồn]}Những thách thức đối với công nghệ thăm dò ở quy mô vi mô bao gồm nhu cầu về một đầu dò có tỷ lệ chiều dài/đường kính cao, cho phép tiếp cận các chi tiết sâu và hẹp với lực tiếp xúc thấp để không làm hỏng bề mặt và độ chính xác cao (ở mức nanomet).^{[cần dẫn nguồn]}Ngoài ra, các đầu dò vi mô còn dễ bị ảnh hưởng bởi các điều kiện môi trường như độ ẩm và các tương tác bề mặt như ma sát tĩnh (do lực bám dính, lực mao dẫn và/hoặc lực Van der Waals, cùng nhiều yếu tố khác).^{[cần dẫn nguồn]}

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

Nguyên lý vật lý

Có thể sử dụng đầu dò quang học và/hoặc đầu dò laser (nếu có thể kết hợp), biến máy đo tọa độ (CMM) thành kính hiển vi đo lường hoặc máy đo đa cảm biến. Hệ thống chiếu vân giao thoa, hệ thống tam giác đo góc hoặc hệ thống đo khoảng cách và tam giác bằng laser không được gọi là máy đo, nhưng kết quả đo là như nhau: một điểm trong 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 trục Z). Điều này có thể sử dụng chức năng giao thoa, thay đổi tiêu điểm, lệch hướng ánh sáng hoặc nguyên lý che khuất chùm tia.

Máy đo tọa độ di động

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

Các máy đo tọa độ (CMM) cầm tay có tay khớp nối có sáu hoặc bảy trục được trang bị bộ mã hóa quay, thay vì trục tuyến tính. Tay cầm cầm tay nhẹ (thường dưới 9 kg) và có thể mang theo và sử dụng ở hầu hết mọi nơi. Tuy nhiên, các máy đo tọa độ quang học đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp. Được thiết kế với camera mảng tuyến tính hoặc ma trận nhỏ gọn (như Microsoft Kinect), các máy đo tọa độ quang học nhỏ hơn các máy đo tọa độ cầm tay có tay khớp nối, không có dây dẫn và cho phép người dùng dễ dàng thực hiện các phép đo 3D của tất cả các 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 với mọi kích cỡ rất phù hợp với máy đo tọa độ cầm tay (CMM). Lợi ích của máy đo tọa độ cầm tay 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 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 đo tọa độ cầm tay thường có giá thành thấp hơn so với máy đo tọa độ truyền thống.

Nhược điểm cố hữu của máy đo tọa độ cầm tay là thao tác thủ công (luôn cần người vận hành). Ngoài ra, độ chính xác tổng thể của chúng có thể thấp hơn so với máy đo tọa độ kiểu cầu và kém 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. Điều này bao gồm các cảm biến laser, video hoặc ánh sáng trắng để cung cấp cái gọi là phép đo đa cảm biến.