Įvadas
Koordinatėmatavimo mašina (CMM)yra viena iš svarbiausių šiuolaikinės gamybos kokybės užtikrinimo priemonių. Nuo automobilių komponentų iki aviacijos ir kosmoso dalių, nuo medicininių implantų iki puslaidininkių paketų – CMM pateikia trijų matmenų matmenis, patvirtinančius, ar pagaminta dalis atitinka projektavimo specifikacijas.
Tačiau nepaisant visų jų paplitimo, CMM - tikslumo šaltiniai ir šį tikslumą ribojantys veiksniai - ne visada gerai suprantami už metrologijos bendruomenės ribų. Šiame straipsnyje nagrinėjama, kaip CMM veikia, kas užtikrina jų tikslumą ir kokie fiziniai bei aplinkos veiksniai riboja, kaip tiksliai jie gali išmatuoti.
Pagrindinė CMM architektūra
CMM iš esmės yra 3D padėties{1}}matavimo įrenginys. Jį sudaro judantis zondas, sumontuotas ant konstrukcinės karkaso, leidžiančio judėti išilgai trijų stačiakampių ašių - X, Y ir Z - per nustatytą matavimo tūrį. Zondo padėtis išilgai kiekvienos ašies stebima tiksliais linijiniais kodavimo įrenginiais, o ruošinio matmenų matavimai gaunami iš įrašytų zondo padėčių sąlyčio ar užfiksavimo momentu.
Struktūrinė CMM struktūra turi išlaikyti geometrinius ryšius tarp ašių - kvadratiškumas, tiesumas ir plokštumas - dideliu tikslumu per visą matavimo tūrį ir esant įvairioms aplinkos sąlygoms. Nukrypimai nuo idealios geometrijos mašinos struktūroje tiesiogiai virsta matavimo paklaidomis.
Zondo sistema paverčia zondo kontaktą su ruošiniu į paleidimo arba padėties signalą. Palietimo{1}}zondai generuoja signalą, kai nukrypsta nuo neutralios padėties. Skenuojantys zondai nuolat matuoja jų deformaciją, kai jie juda paviršiumi. Lazeriniai zondai fiksuoja taškų debesies duomenis be kontakto. Kiekvienas zondo tipas turi skirtingas tikslumo charakteristikas ir taikymo nišas.
Granito lentelė: CMM matmenų pagrindas
Daugumos tilto{0}}tipo ir portalinio{1}} tipo CMM apačioje yra tiksli granito paviršiaus plokštė. Tai neatsitiktinai - granitinis stalas yra pagrindinė CMM matmenų atskaita vertikalioje ašyje, o jo lygumo specifikacija tiesiogiai prisideda prie bendro mašinos tūrinio tikslumo.
Jei CMM veikia 1–2 µm tikslumu, granito stalo lygumas gali būti nurodytas 1–3 µm visoje darbo srityje. Bet koks lentelės nuokrypis, patenkantis į matavimo tūrį, tampa mašinos geometrinių klaidų biudžeto dalimi.
Granitas naudojamas CMM stalams, o ne metalinėms alternatyvoms dėl kelių nusistovėjusių{0}}priežasčių: matmenų stabilumo laikui bėgant, mažo jautrumo temperatūros pokyčiams, ne-magnetinio charakterio, vibracijos slopinimo charakteristikų ir galimybės išlyginti iki didelio lygumo. Granito lentelė taip pat yra stabili, gerai apibrėžta CMM Z-ašies skalės nuoroda.
Didžiausio tikslumo CMM -, naudojamuose nacionaliniuose metrologijos institutuose ir kalibravimo laboratorijose -, granitinės lentelės plokštumo nuokrypiai gali būti 0,5–1 µm diapazone, o visas mašinos tūris gali būti pažymėtas lazeriniu interferometru, kad būtų galima apibūdinti ir ištaisyti visas geometrines klaidas.
21 geometrinė trijų-ašių mašinos klaida
Trijų{0}}ašių CMM taikoma 21 nepriklausoma geometrinė klaida, kuri visiškai apibūdina jo geometrinį elgesį. Kiekvienoje linijinėje ašyje yra šešios paklaidos: trys transliacijos (padėties nustatymo paklaida išilgai ašies, tiesumas dviem skersinėmis kryptimis) ir trys sukimosi (pokrypis, žingsnis ir posūkis). Trijų-ašių derinys įveda tris kvadratiškumo klaidas tarp ašių porų.
Šios 21 klaida nėra atsitiktinės - jos yra sistemingos ir pakartojamos tam tikram įrenginiui tam tikromis sąlygomis. Šiuolaikiniai didelio-tikslumo CMM apibūdina visas 21 geometrines paklaidas per išsamų kalibravimo procesą, naudojant lazerinius interferometrus, tikslius kvadratus ir rutulinius strypus. Kai apibūdintos, klaidos išsaugomos mašinos kompiuteryje ir naudojamos išmatuotoms padėčiai ištaisyti realiuoju laiku naudojant programinės įrangos klaidų kompensavimą.
Šis metodas - fizinis sisteminių klaidų matavimas ir programinės įrangos kompensavimas - leidžia CMM pasiekti tūrinį tikslumą, kurio vien neapdorotas mechaninis tikslumas nepalaiko. Įrenginys su 5 µm neapdorota mechanine geometrine paklaida tam tikra kryptimi, atlikus visišką geometrinį kalibravimą ir kompensavimą, pagal tipinius matavimo scenarijus gali pasiekti 1 µm tūrinį tikslumą.
Aplinkos veiksniai, ribojantys CMM tikslumą
Net puikiai sukalibruotas CMM veikia realioje aplinkoje, o aplinkos veiksniai dažnai yra dominuojantis matavimo neapibrėžties šaltinis praktikoje.
Temperatūra yra svarbiausias aplinkos kintamasis. Tarptautinis matmenų matavimo standartas (ISO 1) kaip etaloninę temperatūrą apibrėžia 20 laipsnių. Kai ruošinys, CMM ir etaloninis artefaktas yra skirtingos temperatūros -, kaip dažniausiai nutinka, kai dalis iš gamybos grindų patenka į matavimo patalpą -, atsirandantys matmenų skirtumai gali būti dideli. 500 mm plieninei daliai 1 laipsnio temperatūros nuokrypis nuo 20 laipsnių sukelia maždaug 5,85 µm ilgio pokytį.
Vibracija yra antras svarbus aplinkos veiksnys. Sunkios įrangos, pėsčiųjų, ŠVOK sistemų ir eismo sukeliama žemės vibracija gali sužadinti CMM struktūrą ir sukelti matavimo triukšmą. Dėl šios priežasties didelio-tikslumo CMM paprastai montuojami ant vibracijos-izoliuotų grindų arba aktyvių antivibracinių
Drėgmė turi įtakos ne matavimui tiesiogiai, o ruošiniui: daugelio metalų matmenys, esant drėgmei, keičiasi mažais, bet tikrais, o dėl didelės drėgmės ant paviršių gali susidaryti kondensatas, kuris sutrikdo lytėjimo zondavimą.
Oro srovės matavimo patalpoje gali sukelti temperatūros gradientus matavimo tūryje ir sukelti vietinį šiluminį plėtimąsi, kuris skiriasi nuo kambario vidurkio. Oro judėjimo valdymas kruopščiai projektuojant ŠVOK yra geriausios didelio tikslumo metrologijos praktikos dalis.
Zondo kvalifikacija ir jos svarba
Zondas yra sąsaja tarp CMM ir ruošinio. Jo tikslumas -, ypač jo pakartojamumas ir teisingas kalibravimas, palyginti su CMM koordinačių sistema -, yra toks pat svarbus kaip ir mašinos geometrinis tikslumas.
Lietimo{0}}paleidimo zondai turi būti kvalifikuojami naudojant žinomo skersmens ir formos atskaitos sferą, vadinamą atskaitos rutuliu arba kvalifikaciniu rutuliu. Šis procesas nustato tikslų zondo galo centrą ir spindulį mašinos koordinačių sistemoje. Skenuojančių zondų kalibravimo procesas yra sudėtingesnis, apibūdinantis zondo elgesį visame matavimo diapazone ir keliomis artėjimo kryptimis.
Tiksliosiose CMM programose etaloniniai artefaktai, naudojami zondo kvalifikavimui, yra kalibruojami ir atsekami pagal nacionalinius matavimo standartus, išlaikant nenutrūkstamą atsekamumo grandinę nuo CMM matavimo iki tarptautinio skaitiklio apibrėžimo.
Atsekamumas: grandinė, kuri suteikia matavimams prasmės
CMM matavimo rezultatas yra tiek prasmingas, kiek ir jo atsekamumas - nenutrūkstama palyginimų grandinė, susiejanti matavimą su pagrindiniu ilgio apibrėžimu. Be atsekamumo, pateiktas matavimas neturi nustatyto ryšio su jokiu standartu ir negali būti prasmingai lyginamas su matavimais, atliktais kitose laboratorijose ar kitose mašinose.
Praktiškai CMM atsekamumas nustatomas kalibruojant mašinos linijinius koduotuvus pagal lazerinio interferometro matavimus, naudojant kalibruotus etaloninius artefaktus (manometro blokus, atskaitos sferas, žingsnio matuoklius), kad būtų patikrintas įrenginio veikimas, ir veikiant temperatūros{0}}kontroliuojamoje aplinkoje, kuri leidžia pranešti apie matavimo rezultatus kartu su matavimo sąlygomis.
Nacionaliniai metrologijos institutai -, veikiantys matavimo atsekamumo hierarchijos viršūnėje -, išlaiko pirminius standartus, pagal kuriuos galiausiai gaunamas visų pramoninių matavimų kalibravimas. Šie institutai naudoja tiksliausius pasaulyje CMM ir specializuotus instrumentus, o jų matavimų rezultatais grindžiamos ištisų nacionalinių gamybos sektorių kokybės užtikrinimo sistemos.
Išvada
Koordinačių matavimo mašina yra integruotos inžinerijos triumfas: tiksli mechanika, sudėtinga programinė įranga, kalibruoti jutikliai ir kontroliuojama aplinka, kuri kartu atlieka matmenų matavimus, įgalinančius šiuolaikinę gamybą. Suprasti CMM tikslumo šaltinius - granito konstrukcijos pagrindą, 21 geometrinę paklaidą ir jų taisymą, aplinkos veiksnius, zondų sistemą ir atsekamumo grandinę - būtina kiekvienam, kuris pasikliauja CMM matavimais, kad galėtų priimti kokybiškus sprendimus.
Kadangi gamybos tolerancijos įvairiose pramonės šakose ir toliau griežtėja, CMM tikslumo, stabilumo ir kalibravimo reikalavimai augs lygiagrečiai. Šių mašinų pagrindinė inžinerija, pradedant nuo granito stalo, išliks pagrindinė šio nuolatinio iššūkio dalis.