Uvod
Koordinatamerilni stroj (CMM)je eno najpomembnejših orodij pri zagotavljanju kakovosti sodobne proizvodnje. Od avtomobilskih komponent do letalskih in vesoljskih delov, od medicinskih vsadkov do polprevodniških paketov, CMM zagotavljajo tri-dimenzionalne dimenzionalne meritve, ki potrjujejo, ali proizvedeni del izpolnjuje svoje konstrukcijske specifikacije.
Vendar kljub vsej njihovi razširjenosti viri natančnosti CMM - in dejavniki, ki omejujejo to natančnost -, zunaj meroslovne skupnosti niso vedno dobro razumljeni. Ta članek preučuje, kako CMM delujejo, kaj omogoča njihovo natančnost ter kateri fizični in okoljski dejavniki omejujejo, kako natančno lahko merijo.
Osnovna arhitektura CMM
CMM je v bistvu 3D-naprava za merjenje položaja. Sestavljen je iz premikajoče se sonde, nameščene na strukturnem ogrodju, ki omogoča gibanje vzdolž treh pravokotnih osi - X, Y in Z - v določenem merilnem volumnu. Položaj sonde vzdolž vsake osi spremljajo natančni linearni kodirniki, dimenzijske mere obdelovanca pa izhajajo iz zabeleženih položajev sonde v trenutku dotika ali zajema.
Strukturno ogrodje CMM mora ohranjati geometrijska razmerja med osemi - pravokotnostjo, ravnostjo in ravnostjo - z visoko natančnostjo v celotnem merilnem obsegu in v različnih okoljskih pogojih. Odstopanja od idealne geometrije v strukturi stroja se neposredno prevedejo v merilne napake.
Tipalni sistem pretvori stik tipala z obdelovancem v sprožilni signal ali signal položaja. Sonde s sprožilcem-na dotik ustvarijo signal, ko so odklonjene od nevtralnega položaja. Skenirne sonde nenehno merijo svoj odklon, ko se premikajo po površini. Laserske sonde brezkontaktno zajemajo podatke oblaka točk. Vsak tip sonde ima različne značilnosti natančnosti in niše uporabe.
Granitna miza: dimenzionalni temelj CMM
Na dnu večine CMM mostov-in portalnih-tipov je natančna granitna površinska plošča. To ni naključno - granitna miza je glavna dimenzionalna referenca CMM v navpični osi, njena specifikacija ravnosti pa neposredno prispeva k splošni volumetrični natančnosti stroja.
Za CMM, ki deluje s specifikacijo natančnosti 1–2 µm, je lahko ravnost granitne mize določena na 1–3 µm na celotnem delovnem območju. Vsako odstopanje v tabeli, ki sodi v prostornino meritve, postane del proračuna geometrijske napake stroja.
Granit se uporablja za mize CMM namesto kovinskih alternativ iz več-ugotovljenih razlogov: dimenzijska stabilnost skozi čas, nizka občutljivost na temperaturne spremembe, ne-magnetni značaj, lastnosti dušenja vibracij in zmožnost lepljenja do visoke ravnosti. Granitna miza zagotavlja tudi stabilno, dobro-definirano referenco za merilo Z-osi CMM.
V CMM z najvišjo natančnostjo - tistih, ki jih uporabljajo nacionalni meroslovni inštituti in kalibracijski laboratoriji - je mogoče granitno mizo preveriti glede toleranc ravnosti v območju 0,5–1 µm, celotno prostornino stroja pa je mogoče preslikati z laserskim interferometrom, da se označijo in popravijo vse geometrijske napake.
21 geometrijskih napak tri-osnega stroja
Tri{0}}osni CMM je izpostavljen 21 neodvisnim geometrijskim napakam, ki v celoti označujejo njegovo geometrijsko obnašanje. Vsaka linearna os prispeva šest napak: tri translacijske (napaka pri pozicioniranju vzdolž osi, ravnost v dveh prečnih smereh) in tri rotacijske (odklon, naklon in nagib). Tri-osna kombinacija uvaja tri pravokotne napake med pari osi.
Teh 21 napak ni naključnih - so sistematične in ponovljive za določen stroj v danem stanju. Sodobni visoko{3}}natančni CMM karakterizirajo vseh 21 geometrijskih napak s celovitim postopkom umerjanja z uporabo laserskih interferometrov, natančnih ogrodnikov in krogličnih palic. Ko so označene, se napake shranijo v računalnik stroja in uporabijo za popravljanje izmerjenih položajev v realnem času s kompenzacijo napak programske opreme.
Ta pristop - fizično merjenje sistematičnih napak, ki mu sledi kompenzacija programske opreme - omogoča CMM, da dosežejo volumetrične natančnosti, ki jih zgolj njihova surova mehanska natančnost ne bi mogla podpreti. Stroj s 5 µm surove mehanske geometrijske napake v neki smeri lahko po popolni geometrijski kalibraciji in kompenzaciji doseže volumetrično natančnost 1 µm v tipičnih merilnih scenarijih.
Okoljski dejavniki, ki omejujejo natančnost CMM
Celo popolnoma umerjen CMM deluje v resničnem okolju in okoljski dejavniki so v praksi pogosto glavni vir merilne negotovosti.
Temperatura je najpomembnejša okoljska spremenljivka. Mednarodni standard za dimenzijske meritve (ISO 1) opredeljuje 20 stopinj kot referenčno temperaturo. Ko so obdelovanec, CMM in referenčni artefakt vsi pri različnih temperaturah -, kot se običajno zgodi, ko del pride iz proizvodnega prostora v merilno sobo -, so lahko nastale razlike v dimenzijah znatne. Pri 500 mm jeklenem delu odstopanje temperature za 1 stopinjo od 20 stopinj povzroči približno 5,85 µm spremembe dolžine.
Vibracije so drugi pomemben dejavnik okolja. Vibracije tal zaradi težke opreme, peš prometa, sistemov HVAC in prometa lahko vzbudijo strukturo CMM in ustvarijo hrup meritev. Iz tega razloga so visoko{2}}natančne CMM običajno nameščene na proti-izolirana tla ali aktivne anti{4}}vibracijske nosilce.
Vlažnost ne vpliva neposredno na meritev, temveč na obdelovanec: številne kovine kažejo majhne, a resnične dimenzijske spremembe z vlago, visoka vlažnost pa lahko povzroči kondenzacijo na površinah, ki moti otipno tipanje.
Zračni tokovi v merilnem prostoru lahko povzročijo temperaturne gradiente znotraj merilnega volumna, kar povzroči lokalno toplotno raztezanje, ki se razlikuje od povprečja prostora. Nadzor gibanja zraka s skrbno zasnovo HVAC je del najboljše prakse v-natančnem meroslovju.
Kvalifikacija sonde in njen pomen
Sonda je vmesnik med CMM in obdelovancem. Njegova natančnost -, posebej njegova ponovljivost in njegova pravilna kalibracija glede na koordinatni sistem CMM -, je enako pomembna kot geometrijska natančnost stroja.
-Sprožilne sonde na dotik je treba kvalificirati z referenčno kroglo znanega premera in oblike, imenovano referenčna krogla ali kvalifikacijska krogla. Ta postopek določa natančno središče in polmer konice sonde v koordinatnem sistemu stroja. Za skenirne sonde je postopek umerjanja bolj dodelan, saj označuje obnašanje sonde v njenem celotnem merilnem območju in v več smereh približevanja.
Pri natančnih aplikacijah CMM so referenčni artefakti, ki se uporabljajo za kvalifikacijo sonde, sami umerjeni in sledljivi na nacionalne merilne standarde, pri čemer se ohranja neprekinjena veriga sledljivosti od meritve CMM nazaj do mednarodne definicije merilnika.
Sledljivost: veriga, ki daje meritvam pomen
Merilni rezultat CMM je toliko pomemben kot njegova sledljivost - neprekinjena veriga primerjav, ki meritev povezuje s temeljno definicijo dolžine. Brez sledljivosti sporočena meritev nima vzpostavljene povezave z nobenim standardom in je ni mogoče smiselno primerjati z meritvami, opravljenimi v drugih laboratorijih ali na drugih napravah.
V praksi je sledljivost CMM vzpostavljena z umerjanjem strojnih linearnih dajalnikov glede na meritve laserskega interferometra, z uporabo umerjenih referenčnih artefaktov (merilnih blokov, referenčnih krogel, merilnikov korakov) za preverjanje delovanja stroja in z delovanjem v temperaturno-nadzorovanem okolju, ki omogoča poročanje merilnih pogojev poleg rezultata meritve.
Nacionalni meroslovni inštituti -, ki delujejo na vrhu hierarhije sledljivosti meritev -, vzdržujejo primarne standarde, iz katerih na koncu izhaja njihova sledljivost vseh industrijskih merilnih kalibracij. Ti inštituti uporabljajo najnatančnejše CMM in specializirane instrumente na svetu, rezultati njihovih meritev pa podpirajo sisteme zagotavljanja kakovosti v celotnih nacionalnih proizvodnih sektorjih.
Zaključek
Koordinatni merilni stroj je zmagoslavje integriranega inženiringa: natančna mehanika, sofisticirana programska oprema, umerjeni senzorji in nadzorovano okolje delujejo skupaj za izdelavo dimenzijskih meritev, ki omogočajo sodobno proizvodnjo. Razumevanje virov natančnosti CMM - granitna strukturna osnova, 21 geometrijskih napak in njihova korekcija, okoljski dejavniki, sistem sonde in veriga sledljivosti - je bistvenega pomena za vsakogar, ki se pri sprejemanju kakovostnih odločitev zanaša na meritve CMM.
Ker se proizvodne tolerance v panogah še naprej zaostrujejo, bodo vzporedno rasle zahteve po natančnosti, stabilnosti in kalibraciji CMM. Temeljni inženiring za temi stroji, od granitne mize navzgor, bo ostal osrednji del tega nenehnega izziva.