вступ
Координатавимірювальна машина (CMM)є одним із найважливіших інструментів забезпечення якості сучасного виробництва. Від автомобільних компонентів до аерокосмічних деталей, від медичних імплантатів до напівпровідникових корпусів, CMM забезпечують три-вимірні вимірювання розмірів, які підтверджують, чи виготовлена частина відповідає своїм проектним специфікаціям.
Проте, незважаючи на всю їхню поширеність, джерела точності КІМ - і фактори, які обмежують цю точність -, не завжди добре зрозумілі за межами метрологічної спільноти. У цій статті розглядається, як працюють КІМ, що забезпечує їх точність, а також які фізичні та екологічні фактори обмежують точність вимірювання.
Базова архітектура CMM
КІМ — це, по суті, тривимірний-пристрій для вимірювання положення. Він складається з рухомого зонда, встановленого на структурній основі, яка дозволяє рухатися вздовж трьох ортогональних осей - X, Y і Z - у визначеному об’ємі вимірювання. Положення зонда вздовж кожної осі відстежується точними лінійними кодерами, а вимірювання розмірів заготовки виводяться із записаних положень зонда в момент контакту або захоплення.
Структурна основа КІМ має підтримувати геометричні співвідношення між осями - прямокутність, прямолінійність і площинність - з високою точністю в повному об’ємі вимірювання та за змінних умов навколишнього середовища. Відхилення від ідеальної геометрії в структурі машини безпосередньо перетворюються на помилки вимірювання.
Система датчика перетворює контакт датчика з деталлю в сигнал тригера або положення. Сенсорні-датчики генерують сигнал, коли їх відхиляють від нейтрального положення. Скануючі зонди безперервно вимірюють їх відхилення, коли вони рухаються вздовж поверхні. Лазерні зонди фіксують дані хмари точок без контакту. Кожен тип зонда має різні характеристики точності та ніші застосування.
Гранітний стіл: розмірна основа ШМ
В основі більшості КІМ мостового-типу-типу та портального-типу розташована прецизійна гранітна плита. Це не випадково - гранітний стіл є основним орієнтиром розмірів ШМ по вертикальній осі, а його специфікація площинності безпосередньо впливає на загальну об’ємну точність машини.
Для ШМ, що працює з точністю 1–2 мкм, площинність гранітного столу може бути визначена на рівні 1–3 мкм по всій робочій площі. Будь-яке відхилення в таблиці, яке потрапляє в об’єм вимірювання, стає частиною бюджету геометричної похибки машини.
Граніт використовується для столів ШМ замість металевих альтернатив з кількох-відомих причин: стабільність розмірів у часі, низька чутливість до зміни температури, не-магнітний характер, характеристики гасіння вібрації та можливість притирання до високої площинності. Гранітний стіл також є стабільним, чітко{3}}визначеним орієнтиром для шкали осі Z-ШМ.
У КІМ із найвищою точністю -, що використовуються національними метрологічними інститутами та калібрувальними лабораторіями -, гранітний стіл можна перевірити на допуски площинності в діапазоні 0,5–1 мкм, а повний об’єм машини можна відобразити за допомогою лазерного інтерферометра для визначення та виправлення всіх геометричних помилок.
21 геометрична помилка три-машини
Три{0}}осьова ШМ піддається 21 незалежній геометричній помилці, яка повністю характеризує її геометричну поведінку. Кожна лінійна вісь створює шість помилок: три поступальні (помилка позиціонування вздовж осі, прямолінійність у двох поперечних напрямках) і три обертальні (рискання, тангаж і крен). Три{4}}комбінація осей створює три помилки перпендикулярності між парами осей.
Ці 21 помилка не є випадковими - вони є систематичними та повторюваними для даної машини в певних умовах. Сучасні високоточні КІМ характеризують усі 21 геометричні похибки за допомогою комплексного процесу калібрування з використанням лазерних інтерферометрів, точних косинців і кулькових брусків. Після характеристики помилки зберігаються в комп’ютері машини та використовуються для корекції виміряних положень у реальному часі за допомогою програмної компенсації помилок.
Цей підхід - фізичне вимірювання систематичних похибок із наступною програмною компенсацією - дозволяє КІМ досягати об’ємної точності, яку не може підтримувати лише їх груба механічна точність. Машина з механічною геометричною похибкою 5 мкм у певному напрямку може після повного геометричного калібрування та компенсації досягти об’ємної точності 1 мкм у типових сценаріях вимірювання.
Фактори навколишнього середовища, які обмежують точність ШМ
Навіть ідеально відкалібрований ШМ працює в реальному середовищі, а фактори навколишнього середовища часто є домінуючим джерелом невизначеності вимірювань на практиці.
Температура є найважливішою змінною навколишнього середовища. Міжнародний стандарт розмірних вимірювань (ISO 1) визначає 20 градусів як еталонну температуру. Коли деталь, ШМ і еталонний артефакт знаходяться при різних температурах -, як це зазвичай відбувається, коли деталь потрапляє з виробничого цеху в вимірювальну кімнату -, результуючі відмінності у розмірах можуть бути значними. Для сталевої деталі товщиною 500 мм відхилення температури на 1 градус від 20 градусів призводить до зміни довжини приблизно на 5,85 мкм.
Вібрація є другим основним фактором навколишнього середовища. Вібрації землі від важкого обладнання, пішохідного руху, систем опалення, вентиляції, вентиляції та кондиціонування повітря та транспорту можуть порушити структуру шахтного метану та створити шум вимірювання. З цієї причини високо{2}}точні КІМ зазвичай встановлюють на вібро{3}}ізольовані підлоги або активні антивібраційні-кріплення.
Вологість впливає не безпосередньо на вимірювання, а на деталь: багато металів демонструють невеликі, але реальні зміни розмірів із вологістю, а висока вологість може спричинити конденсацію на поверхнях, що порушує тактильне зондування.
Повітряні потоки в вимірювальній кімнаті можуть створювати градієнти температури в вимірювальному об’ємі, спричиняючи локальне теплове розширення, яке відрізняється від середнього в кімнаті. Управління рухом повітря за допомогою ретельного проектування систем опалення, вентиляції та кондиціонування повітря є частиною передового досвіду високо-точної метрології.
Кваліфікація зонда та її значення
Зонд є інтерфейсом між ШМ і деталлю. Його точність -, зокрема повторюваність і правильне калібрування відносно системи координат ШМ -, є такими ж важливими, як і геометрична точність машини.
Сенсорні-датчики мають бути кваліфіковані за допомогою контрольної сфери відомого діаметра та форми, яка називається еталонною кулькою або кваліфікаційною сферою. Цей процес визначає точний центр і радіус кінчика зонда в системі координат машини. Для скануючих зондів процес калібрування є більш складним, характеризуючи поведінку зонда в повному діапазоні вимірювань і в кількох напрямках наближення.
У прецизійних застосуваннях ШМ еталонні артефакти, які використовуються для кваліфікації зонда, самі калібровані та простежуються відповідно до національних стандартів вимірювання, зберігаючи безперервний ланцюг простежуваності від вимірювання ШМ назад до міжнародного визначення лічильника.
Відстеження: ланцюжок, який робить вимірювання значущими
Результат вимірювання КІМ настільки ж значущий, як і його відстежуваність - безперервний ланцюжок порівнянь, який пов’язує вимірювання з фундаментальним визначенням довжини. Без простежуваності результати вимірювання не мають встановленого зв’язку з жодним стандартом і не можуть бути достовірно порівняні з вимірюваннями, зробленими в інших лабораторіях або на інших машинах.
На практиці відстежуваність ШМ встановлюється шляхом калібрування лінійних кодерів машини відповідно до вимірювань лазерного інтерферометра, використання каліброваних еталонних артефактів (вимірювальних блоків, еталонних сфер, крокових калібрів) для перевірки продуктивності машини та роботи в -температурному середовищі, що дозволяє звітувати про умови вимірювання разом із результатом вимірювання.
Національні метрологічні інститути -, які працюють на вершині ієрархії простежуваності вимірювань -, підтримують первинні еталони, з яких усі калібрування промислових вимірювань зрештою отримують свою простежуваність. Ці інститути використовують найточніші ШМ та спеціалізовані прилади у світі, а результати їхніх вимірювань лежать в основі систем забезпечення якості цілих національних виробничих секторів.
Висновок
Координатно-вимірювальна машина — це тріумф інтегрованої інженерії: точна механіка, складне програмне забезпечення, калібровані датчики та контрольоване середовище працюють разом, щоб виробляти вимірювання розмірів, які дозволяють сучасне виробництво. Розуміння джерел точності ШМ - структурна основа граніту, 21 геометрична помилка та їх виправлення, фактори навколишнього середовища, система зондів і ланцюжок відстеження - є важливим для кожного, хто покладається на вимірювання ШМ для прийняття якісних рішень.
Оскільки виробничі допуски продовжують посилюватися в галузях промисловості, паралельно зростатимуть вимоги до точності, стабільності та калібрування ШМ. Інженерна основа, що стоїть за цими машинами, від гранітного столу догори, залишатиметься центральною в цьому постійному виклику.