Zer da koordenatuen neurketa-makina?

Akoordenatuen neurketa makina(CMM) objektu fisikoen geometria neurtzen duen gailu bat da, objektuaren gainazaleko puntu diskretuak zunda batekin detektatuz. Zunda mota desberdinak erabiltzen dira CMMetan, besteak beste, mekanikoak, optikoak, laser bidezkoak eta argi zurikoak. Makinaren arabera, zundaren posizioa operadore batek eskuz kontrola dezake edo ordenagailuz kontrola daiteke. CMMek normalean zunda baten posizioa zehazten dute hiru dimentsioko koordenatu kartesiar sistema batean (hau da, XYZ ardatzekin) erreferentziazko posizio batetik duen desplazamenduaren arabera. Zunda X, Y eta Z ardatzetan zehar mugitzeaz gain, makina askok zunda angelua kontrolatzea ere ahalbidetzen dute, bestela iritsi ezin liratekeen gainazalak neurtu ahal izateko.

Ohiko 3D "zubi" CMMak zunda hiru ardatzetan zehar mugitzea ahalbidetzen du, X, Y eta Z, eta ardatz hauek elkarren artean ortogonalak dira hiru dimentsioko koordenatu kartesiar sistema batean. Ardatz bakoitzak sentsore bat du, zundaren posizioa ardatz horretan kontrolatzen duena, normalean mikrometro baten zehaztasunarekin. Zundak objektuaren kokapen jakin batekin kontaktuan jartzen denean (edo bestela detektatzen duenean), makinak hiru posizio sentsoreak lagintzen ditu, horrela objektuaren gainazaleko puntu baten kokapena neurtuz, baita hartutako neurketaren 3 dimentsioko bektorea ere. Prozesu hau behar den moduan errepikatzen da, zunda bakoitzean mugituz, intereseko gainazalak deskribatzen dituen "puntu hodei" bat sortzeko.

CMMen erabilera ohikoa fabrikazio eta muntaketa prozesuetan da, pieza edo muntaketa bat diseinuaren asmoaren arabera probatzeko. Aplikazio horietan, puntu hodeiak sortzen dira, eta hauek erregresio algoritmoen bidez aztertzen dira ezaugarriak eraikitzeko. Puntu hauek operadore batek eskuz edo automatikoki Direct Computer Control (DCC) bidez kokatutako zunda bat erabiliz biltzen dira. DCC CMMak pieza berdinak behin eta berriz neurtzeko programatu daitezke; beraz, CMM automatizatua industria-robot mota espezializatu bat da.

Piezak

Koordenatuen neurketa-makinek hiru osagai nagusi dituzte:

• Egitura nagusia hiru mugimendu-ardatz dituena. Mugimendu-markoa eraikitzeko erabilitako materiala aldatu egin da urteetan zehar. Granitoa eta altzairua erabili ziren lehenengo CMMetan. Gaur egun, CMM fabrikatzaile nagusi guztiek aluminiozko aleazioz edo eratorriren batez eraikitzen dituzte markoak, eta zeramika ere erabiltzen dute Z ardatzaren zurruntasuna handitzeko eskaneatze-aplikazioetarako. Gaur egun, CMM eraikitzaile gutxik fabrikatzen dituzte oraindik granitozko markoko CMMak, metrologia-dinamika hobetzeko merkatuaren eskakizuna eta kalitate-laborategitik kanpo CMMak instalatzeko joera gero eta handiagoa delako. Normalean, bolumen txikiko CMM eraikitzaileek eta Txinako eta Indiako etxeko fabrikatzaileek baino ez dituzte oraindik fabrikatzen granitozko CMMak, teknologia-ikuspegi baxua eta CMM marko-eraikitzaile bihurtzeko sarrera erraza direlako. Eskaneatzerako joera gero eta handiagoak CMM Z ardatza zurrunagoa izatea ere eskatzen du, eta material berriak sartu dira, hala nola zeramika eta silizio karburoa.
• Zundaketa sistema
• Datuak biltzeko eta murrizteko sistema — normalean makina-kontrolatzaile bat, mahaigaineko ordenagailua eta aplikazio-softwarea barne hartzen ditu.

Eskuragarritasuna

Makina hauek independenteak, eskuz erabiltzekoak eta eramangarriak izan daitezke.

Zehaztasuna

Koordenatuen neurketa-makinen zehaztasuna normalean ziurgabetasun-faktore gisa ematen da, distantziaren araberako funtzio gisa. Ukipen-zunda bat erabiltzen duen CMM batentzat, hau zundaren errepikagarritasunarekin eta eskala linealen zehaztasunarekin erlazionatzen da. Zundaren errepikagarritasun tipikoak 0,001 mm edo 0,00005 hazbeteko (hamarren erdi) neurketak ekar ditzake neurketa-bolumen osoan. 3, 3+2 eta 5 ardatzeko makinetan, zundak errutinaz kalibratzen dira trazagarriak diren estandarrak erabiliz eta makinaren mugimendua neurgailuak erabiliz egiaztatzen da zehaztasuna bermatzeko.

Pieza espezifikoak

Makina-gorputza

Lehenengo CMM Eskoziako Ferranti enpresak garatu zuen 1950eko hamarkadan, produktu militarretan zehaztasun-osagaiak neurtzeko behar zuzenaren ondorioz, nahiz eta makina honek 2 ardatz baino ez zituen. Lehenengo 3 ardatzeko modeloak 1960ko hamarkadan agertzen hasi ziren (Italiako DEA) eta ordenagailu bidezko kontrola 1970eko hamarkadaren hasieran estreinatu zen, baina lehenengo CMM funtzionala Browne & Sharpe enpresak garatu eta salgai jarri zuen Melbourne-n, Ingalaterran. (Ondoren, Leitz Alemaniak mahai mugikorra zuen makina-egitura finko bat ekoiztu zuen).

Makina modernoetan, gantry motako gainegiturak bi hanka ditu eta askotan zubi deitzen zaio. Hau granitozko mahaian zehar libreki mugitzen da hanka batekin (askotan barneko hanka deitzen zaio) granitozko mahaiaren alde bati lotutako gida-errail bati jarraituz. Kontrako hanka (askotan kanpoko hanka) granitozko mahaian bermatzen da gainazal bertikalaren kontura jarraituz. Aire-errodamenduak dira marruskadurarik gabeko desplazamendua bermatzeko aukeratutako metodoa. Hauetan, aire konprimitua errodamendu-gainazal lau bateko zulo txiki-txiki batzuen bidez behartzen da, aire-kuxin leun baina kontrolatu bat emateko, CMMak ia marruskadurarik gabe mugi daitekeen aire-kuxin bat sortzeko, softwarearen bidez konpentsatu daitekeena. Zubiaren edo gantryaren mugimenduak granitozko mahaian zehar XY planoaren ardatz bat osatzen du. Gantryaren zubiak barneko eta kanpoko hanken artean zeharkatzen duen gurdi bat dauka eta beste X edo Y ardatz horizontala osatzen du. Hirugarren mugimendu-ardatza (Z ardatza) gurdiaren erdian gora eta behera mugitzen den luma edo ardatz bertikal bat gehituz lortzen da. Ukipen-zunda lumaren muturrean dagoen sentsore-gailua da. X, Y eta Z ardatzen mugimenduak neurketa-ingurunea guztiz deskribatzen du. Aukerako biraketa-mahaiak erabil daitezke neurketa-zunda pieza konplexuetara hurbiltzeko erraztasuna hobetzeko. Laugarren ardatz eragile gisa biraketa-mahaiak ez ditu neurketa-dimentsioak hobetzen, 3D izaten jarraitzen baitute, baina malgutasun maila bat eskaintzen du. Ukipen-zunda batzuk biraketa-gailu elektrikoak dira, eta zunda-punta 180 gradu baino gehiago bertikalki eta 360 graduko biraketa osoa egiteko gai da.

CMMak beste hainbat formatan ere eskuragarri daude orain. Horien artean, CMM besoak daude, besoaren artikulazioetan hartutako angelu-neurketak erabiltzen dituztenak estiletearen puntaren posizioa kalkulatzeko, eta laser eskaneatzeko eta irudi optikoetarako zundekin hornitu daitezke. Beso-CMM horiek askotan erabiltzen dira eramangarritasuna abantaila bat denean ohe finkoko CMM tradizionalen aldean: neurtutako kokapenak gordez, programazio-softwareak neurketa-besoa bera eta bere neurketa-bolumena mugitzea ere ahalbidetzen du neurketa-errutina batean zehar neurtu beharreko piezaren inguruan. CMM besoek giza beso baten malgutasuna imitatzen dutenez, askotan hiru ardatzeko makina estandar batekin neurtu ezin liratekeen pieza konplexuen barrualdera ere iristeko gai dira.

Zunda mekanikoa

Koordenatuen neurketaren (CMM) lehen egunetan, zunda mekanikoak lumaren muturrean zegoen euskarri berezi batean sartzen ziren. Zunda oso ohikoa ardatz baten muturrean bola gogor bat soldatuz egiten zen. Hau aproposa zen aurpegi lauak, zilindrikoak edo esferikoak ziren gainazal sorta zabal bat neurtzeko. Beste zunda batzuk forma espezifikoetan leundu ziren, adibidez, koadrante batean, ezaugarri bereziak neurtzeko. Zunda hauek fisikoki eusten ziren piezaren kontra, espazioko posizioa 3 ardatzeko irakurgailu digital batetik (DRO) irakurtzen zelarik edo, sistema aurreratuagoetan, ordenagailu batean oin-etengailu edo antzeko gailu baten bidez erregistratzen zelarik. Kontaktu-metodo honekin egindako neurketak askotan ez ziren fidagarriak, makinak eskuz mugitzen zirelako eta makina-operadore bakoitzak presio desberdina aplikatzen zuelako zunda gainean edo neurketarako teknika desberdinak erabiltzen zituelako.

Beste garapen bat ardatz bakoitza gidatzeko motorrak gehitzea izan zen. Operadoreek ez zuten gehiago makina fisikoki ukitu beharrik, baizik eta ardatz bakoitza joystickak zituen eskuzko kutxa bat erabiliz gidatu zezaketen, urrutiko aginte bidezko auto modernoekin egiten den modu berean. Neurketaren zehaztasuna eta doitasuna izugarri hobetu ziren ukipen-abiarazle elektronikoaren zunda asmatu zenean. Zunda berri honen aitzindaria David McMurtry izan zen, eta hark sortu zuen geroago gaur egun Renishaw plc dena. Oraindik kontaktu-gailua bazen ere, zundak malguki bidezko altzairuzko bola (geroago errubi-bola) estilo bat zuen. Zundak osagaiaren gainazala ukitzean, estiloa desbideratu egiten zen eta, aldi berean, X, Y, Z koordenatuen informazioa ordenagailura bidaltzen zuen. Operadore indibidualek eragindako neurketa-erroreak gutxiago bihurtu ziren, eta CNC eragiketak sartzeko eta CMMen heldutasunerako eszenatokia prestatu zen.

Zunda optikoak lente-CCD sistemak dira, mekanikoak bezala mugitzen direnak, eta interes-punturantz zuzentzen direnak, materiala ukitu beharrean. Gainazalaren hartutako irudia neurketa-leiho baten ertzetan sartuko da, hondarra nahikoa izan arte eremu beltzen eta zurien artean kontrastea egiteko. Zatitze-kurba puntu bateraino kalkula daiteke, eta hori espazioan nahi den neurketa-puntua da. CCD-ko informazio horizontala 2D (XY) da eta posizio bertikala zundaketa-sistema osoaren posizioa da Z-unitateko euskarrian (edo beste gailu-osagai batean).

Eskaneatze-zunda sistemak

Badaude modelo berriagoak, piezaren gainazalean zehar arrastatzen diren zundak dituztenak, tarte jakin batzuetan puntuak hartuz, eskaneatze-zundak bezala ezagutzen direnak. CMM ikuskapen-metodo hau askotan ukipen-zunda konbentzionalaren metodoa baino zehatzagoa da, eta gehienetan azkarragoa ere bai.

Hurrengo belaunaldiko eskaneatzeak, kontakturik gabeko eskaneatzeak, abiadura handiko laser bidezko puntu bakarreko triangelaketa, laser lerro eskaneatzea eta argi zuriaren eskaneatzea barne hartzen dituenak, oso azkar aurrera egiten ari da. Metodo honek laser izpiak edo argi zuria erabiltzen ditu piezaren gainazalaren kontra proiektatzen direnak. Milaka puntu har daitezke eta ez bakarrik tamaina eta posizioa egiaztatzeko, baita piezaren 3D irudi bat sortzeko ere. "Puntu-hodei" datu hauek CAD software batera transferitu daitezke piezaren 3D eredu funtzional bat sortzeko. Eskaner optiko hauek askotan pieza bigun edo delikatuetan erabiltzen dira edo alderantzizko ingeniaritza errazteko.

Mikrometrologia zundak

Metrologia mikroeskalako aplikazioetarako zundaketa sistemak beste arlo emergente bat dira. Hainbat neurketa koordenatu makina (CMM) daude merkatuan, sisteman integratutako mikrozunda bat dutenak, gobernu laborategietako hainbat sistema espezializatu eta unibertsitateetan eraikitako metrologia plataforma ugari metrologia mikroeskalarako. Makina hauek eskala nanometrikoko metrologia plataforma onak eta kasu askotan bikainak diren arren, haien muga nagusia mikro/nano zunda fidagarria, sendoa eta gai izatea da.^{[aipamena behar da]}Mikroeskalako zundaketa-teknologien erronken artean, alderdi-erlazio handiko zunda baten beharra dago, gainazala ez kaltetzeko eta zehaztasun handiz (nanometro mailakoa) ezaugarri sakon eta estuetara sartzeko aukera ematen duena.^{[aipamena behar da]}Gainera, mikroeskalako zundak ingurumen-baldintzen aurrean sentikorrak dira, hala nola hezetasunaren eta gainazaleko elkarrekintzen aurrean, hala nola marruskaduraren aurrean (atxikimenduak, meniskoak eta/edo Van der Waals indarrek eragindakoa, besteak beste).^{[aipamena behar da]}

Mikroeskalako zundaketa lortzeko teknologien artean, CMM zunda klasikoen bertsio txikituak, zunda optikoak eta uhin geldikorreko zunda daude, besteak beste. Hala ere, egungo teknologia optikoak ezin dira behar bezain txiki eskalatu ezaugarri sakon eta estuak neurtzeko, eta bereizmen optikoa argiaren uhin-luzerak mugatzen du. X izpien irudiek ezaugarriaren irudi bat ematen dute, baina ez dute metrologia-informazio arrastorik ematen.

Printzipio fisikoak

Zunda optikoak eta/edo laser zundak erabil daitezke (ahal bada konbinatuta), CMMak neurketa-mikroskopio edo sentsore anitzeko neurketa-makina bihurtzen dituztenak. Marrazki-proiekzio sistemak, teodolito triangelazio-sistemak edo laser bidezko distantzia eta triangelazio-sistemak ez dira neurketa-makina deitzen, baina neurketaren emaitza berdina da: espazio-puntu bat. Laser zundak gainazalaren eta kate zinematikoaren muturrean dagoen erreferentzia-puntuaren (hau da, Z-drive osagaiaren muturra) arteko distantzia detektatzeko erabiltzen dira. Horrek funtzio interferometriko bat, foku-aldaketa, argiaren desbideratzea edo izpiaren itzaldura-printzipio bat erabil ditzake.

Koordenatuen bidezko neurketa makina eramangarriak

CMM tradizionalek hiru ardatz kartesiarretan mugitzen den zunda bat erabiltzen duten bitartean objektu baten ezaugarri fisikoak neurtzeko, CMM eramangarriek beso artikulatuak erabiltzen dituzte edo, CMM optikoen kasuan, beso gabeko eskaneatze-sistemak, triangulazio optikoko metodoak erabiltzen dituztenak eta objektuaren inguruan mugimendu askatasun osoa ahalbidetzen dutenak.

Beso artikulatuak dituzten CMM eramangarriek sei edo zazpi ardatz dituzte, ardatz linealen ordez kodetzaile birakariekin hornituta. Beso eramangarriak arinak dira (normalean 20 kilo baino gutxiago) eta ia edonon eraman eta erabil daitezke. Hala ere, CMM optikoak gero eta gehiago erabiltzen ari dira industrian. Kamera lineal edo matrize-multzo trinkoekin diseinatuta (Microsoft Kinect bezala), CMM optikoak besodun CMM eramangarriak baino txikiagoak dira, ez dute haririk eta erabiltzaileei ia edonon dauden objektu mota guztien 3D neurketak erraz egiteko aukera ematen diete.

Zenbait aplikazio ez-errepikakor, hala nola alderantzizko ingeniaritza, prototipo azkarra eta tamaina guztietako piezen eskala handiko ikuskapena, aproposak dira CMM eramangarrietarako. CMM eramangarrien abantailak anitzak dira. Erabiltzaileek malgutasuna dute piezen 3D neurketak egiteko mota guztietako piezen eta kokapen urrunen/zailenenetan. Erabiltzeko errazak dira eta ez dute ingurune kontrolaturik behar neurketa zehatzak egiteko. Gainera, CMM eramangarriek CMM tradizionalak baino merkeagoak izan ohi dira.

CMM eramangarrien berezko desabantailak eskuzko funtzionamendua dira (beti behar dute gizaki bat erabiltzeko). Gainera, haien zehaztasun orokorra zubi motako CMM batena baino zertxobait txikiagoa izan daiteke eta ez da hain egokia aplikazio batzuetarako.

Sentsore anitzeko neurketa-makinak

Ukipen-zundak erabiltzen dituen CMM teknologia tradizionala gaur egun beste neurketa-teknologiekin konbinatzen da askotan. Horrek laser, bideo edo argi zuriko sentsoreak barne hartzen ditu sentsore anitzeko neurketa deritzona eskaintzeko.