چگونه ماشین‌های اندازه‌گیری مختصات CMM به دقت میکرومتر دست می‌یابند - و چه چیزی آنها را محدود می‌کند

مقدمه

مختصاتدستگاه اندازه گیری (CMM)یکی از ابزارهای مهم در تضمین کیفیت ساخت مدرن است. از اجزای خودرو گرفته تا قطعات هوافضا، از ایمپلنت‌های پزشکی گرفته تا بسته‌های نیمه‌رسانا، CMM‌ها اندازه‌گیری‌های سه بعدی- را ارائه می‌کنند که تأیید می‌کنند آیا یک قطعه ساخته شده با مشخصات طراحی آن مطابقت دارد یا خیر.

با وجود همه‌ی شیوع، منابع دقت در یک CMM - و عواملی که این دقت را محدود می‌کنند - همیشه خارج از جامعه اندازه‌شناسی به خوبی درک نمی‌شوند. این مقاله بررسی می‌کند که CMMها چگونه کار می‌کنند، چه چیزی دقت آنها را ممکن می‌سازد، و چه عوامل فیزیکی و محیطی میزان دقیق اندازه‌گیری را محدود می‌کنند.

معماری اساسی یک CMM

یک CMM اساساً یک دستگاه اندازه‌گیری موقعیت- سه بعدی است. این شامل یک کاوشگر متحرک است که بر روی یک چارچوب ساختاری نصب شده است که امکان حرکت در امتداد سه محور متعامد - X، Y و Z - بر روی یک حجم اندازه‌گیری مشخص را فراهم می‌کند. موقعیت کاوشگر در امتداد هر محور توسط رمزگذارهای خطی دقیق ردیابی می‌شود و اندازه‌گیری‌های ابعادی قطعه کار از موقعیت‌های پروب ثبت‌شده در لحظه تماس یا گرفتن به دست می‌آید.

چارچوب ساختاری یک CMM باید روابط هندسی بین محورهای - مربع، صافی و صافی - را با دقت بالا در کل حجم اندازه‌گیری و تحت شرایط محیطی متفاوت حفظ کند. انحراف از هندسه ایده آل در ساختار ماشین مستقیماً به خطاهای اندازه گیری تبدیل می شود.

سیستم پروب تماس پروب با قطعه کار را به یک ماشه یا سیگنال موقعیت تبدیل می کند. پروب‌های ماشه‌ای لمسی وقتی از موقعیت خنثی منحرف می‌شوند، سیگنال تولید می‌کنند. کاوشگرهای اسکن به طور پیوسته انحراف خود را هنگام حرکت در امتداد یک سطح اندازه گیری می کنند. پروب های لیزری داده های ابر نقطه ای را بدون تماس می گیرند. هر نوع کاوشگر دارای ویژگی های دقت متمایز و جایگاه های کاربردی است.

جدول گرانیتی: بنیاد بعدی CMM

در پایه اکثر CMMهای-نوع و دروازه‌ای-پل، یک صفحه سطحی گرانیتی دقیق قرار دارد. این اتفاقی نیست - میز گرانیتی مرجع ابعادی اولیه CMM در محور عمودی است و مشخصات صاف بودن آن مستقیماً به دقت حجمی کلی دستگاه کمک می کند.

برای یک CMM که با مشخصات دقت 1-2 میکرومتر کار می کند، مسطح بودن میز گرانیتی ممکن است 1-3 میکرومتر در کل منطقه کار مشخص شود. هر گونه انحراف در جدول که در حجم اندازه گیری قرار می گیرد بخشی از بودجه خطای هندسی دستگاه می شود.

گرانیت برای میزهای CMM به جای جایگزین های فلزی به چند دلیل ثابت استفاده می شود: پایداری ابعادی در طول زمان، حساسیت کم به تغییر دما، ویژگی غیر مغناطیسی، ویژگی های میرایی ارتعاش، و قابلیت چسباندن تا مسطح بودن بالا. جدول گرانیتی همچنین یک مرجع ثابت و تعریف شده برای مقیاس محور Z- CMM ارائه می‌کند.

در CMMهای با بالاترین دقت - آنهایی که توسط مؤسسات ملی اندازه‌شناسی و آزمایشگاه‌های کالیبراسیون استفاده می‌شوند - میز گرانیت ممکن است برای تحمل صافی در محدوده 0.5-1 میکرومتر تأیید شود و حجم کامل دستگاه ممکن است با تداخل‌سنج لیزری برای مشخص کردن و تصحیح همه خطاهای هندسی نگاشت شود.

21 خطای هندسی یک ماشین سه -محور

یک CMM سه محوره در معرض 21 خطای هندسی مستقل است که کاملاً رفتار هندسی آن را مشخص می کند. هر محور خطی دارای شش خطا است: سه خطای انتقالی (خطای موقعیت یابی در امتداد محور، صاف بودن در دو جهت عرضی) و سه چرخشی (انحراف، گام، و چرخش). ترکیب سه محور - سه خطای مربعی بودن را بین جفت محورها معرفی می کند.

این 21 خطا تصادفی نیستند - آنها سیستماتیک و قابل تکرار برای یک ماشین معین در یک شرایط خاص هستند. CMMهای مدرن با دقت بالا، همه 21 خطای هندسی را از طریق فرآیند کالیبراسیون جامع با استفاده از تداخل سنج‌های لیزری، مربع‌های دقیق، و میله‌های توپ مشخص می‌کنند. هنگامی که مشخص شد، خطاها در رایانه دستگاه ذخیره می شوند و برای تصحیح موقعیت های اندازه گیری شده در زمان واقعی از طریق جبران خطای نرم افزار استفاده می شوند.

این رویکرد - اندازه‌گیری فیزیکی خطاهای سیستماتیک و به دنبال آن جبران نرم‌افزاری - به CMMها اجازه می‌دهد به دقت‌های حجمی دست یابند که دقت مکانیکی خام آنها به تنهایی نمی‌تواند پشتیبانی کند. ماشینی با 5 میکرومتر خطای هندسی مکانیکی خام در برخی جهت ها، پس از کالیبراسیون کامل هندسی و جبران، می تواند به دقت حجمی 1 میکرومتر در سناریوهای اندازه گیری معمولی دست یابد.

عوامل محیطی که دقت CMM را محدود می کند

حتی یک CMM کاملاً کالیبره شده در یک محیط واقعی عمل می کند و عوامل محیطی اغلب منبع اصلی عدم قطعیت اندازه گیری در عمل هستند.

دما مهمترین متغیر محیطی است. استاندارد بین المللی برای اندازه گیری ابعادی (ISO 1) 20 درجه را به عنوان دمای مرجع تعریف می کند. هنگامی که یک قطعه کار، یک CMM، و یک مصنوع مرجع همه در دماهای مختلف هستند - همانطور که معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که بخشی از یک طبقه تولید به اتاق اندازه‌گیری می‌آید -، تفاوت‌های ابعادی حاصل می‌تواند قابل توجه باشد. برای یک قطعه فولادی 500 میلی‌متری، یک درجه انحراف دمایی از 20 درجه تقریباً 5.85 میکرومتر تغییر طول ایجاد می‌کند.

ارتعاش دومین عامل مهم محیطی است. ارتعاشات زمین ناشی از تجهیزات سنگین، ترافیک پیاده، سیستم های HVAC و ترافیک می تواند ساختار CMM را تحریک کرده و نویز اندازه گیری را ایجاد کند. به همین دلیل، CMMهای{2}}با دقت بالا معمولاً بر روی طبقات ایزوله{3}}ارتعاشی یا پایه‌های ضد لرزش فعال نصب می‌شوند.

رطوبت نه به طور مستقیم بر اندازه گیری بلکه بر روی قطعه کار تأثیر می گذارد: بسیاری از فلزات با رطوبت تغییرات ابعادی کوچک اما واقعی را نشان می دهند و رطوبت بالا می تواند باعث تراکم روی سطوح شود که کاوش لمسی را مختل می کند.

جریان هوا در اتاق اندازه‌گیری می‌تواند شیب دما را در حجم اندازه‌گیری ایجاد کند و باعث انبساط حرارتی موضعی شود که با میانگین اتاق متفاوت است. کنترل حرکت هوا از طریق طراحی دقیق تهویه مطبوع بخشی از بهترین روش در اندازه‌شناسی با دقت بالا-است.

صلاحیت پروب و اهمیت آن

پروب رابط بین CMM و قطعه کار است. دقت آن - به ویژه تکرارپذیری آن و کالیبراسیون صحیح آن نسبت به سیستم مختصات CMM - به اندازه دقت هندسی دستگاه مهم است.

کاوشگرهای{0}لمسی باید با استفاده از یک کره مرجع با قطر و شکل شناخته شده، به نام توپ مرجع یا کره صلاحیت، واجد شرایط باشند. این فرآیند مرکز و شعاع دقیق نوک پروب را در سیستم مختصات دستگاه تعیین می کند. برای پروب‌های اسکن، فرآیند کالیبراسیون دقیق‌تر است و رفتار کاوشگر را در محدوده اندازه‌گیری کامل آن و در جهت‌های چندگانه مشخص می‌کند.

در کاربردهای دقیق CMM، مصنوعات مرجع مورد استفاده برای صلاحیت کاوشگر، خود کالیبره شده و قابل ردیابی با استانداردهای اندازه گیری ملی هستند و زنجیره ناگسستنی ردیابی را از اندازه گیری CMM تا تعریف بین المللی متر حفظ می کنند.

قابلیت ردیابی: زنجیره ای که اندازه گیری ها را معنادار می کند

یک نتیجه اندازه‌گیری از یک CMM فقط به اندازه قابلیت ردیابی آن معنادار است - زنجیره ناگسستنی مقایسه‌ها که اندازه‌گیری را به تعریف اساسی طول پیوند می‌دهد. بدون قابلیت ردیابی، یک اندازه گیری گزارش شده هیچ رابطه ثابتی با هیچ استانداردی ندارد و نمی توان آن را به طور معناداری با اندازه گیری های انجام شده در آزمایشگاه های دیگر یا ماشین های دیگر مقایسه کرد.

در عمل، قابلیت ردیابی CMM با کالیبره کردن رمزگذارهای خطی دستگاه در برابر اندازه‌گیری‌های تداخل‌سنج لیزری، با استفاده از مصنوعات مرجع کالیبره‌شده (بلوک‌های گیج، کره‌های مرجع، گیج‌های پله) برای تأیید عملکرد دستگاه، و با عملکرد در محیط کنترل‌شده دما{0}}که اجازه می‌دهد شرایط اندازه‌گیری در کنار آن گزارش شود، ایجاد می‌شود.

مؤسسات ملی اندازه‌شناسی - که در راس سلسله‌مراتب قابلیت ردیابی اندازه‌گیری فعالیت می‌کنند - استانداردهای اولیه را حفظ می‌کنند که تمام کالیبراسیون‌های اندازه‌گیری صنعتی در نهایت قابلیت ردیابی خود را از آن استخراج می‌کنند. این موسسات از دقیق‌ترین CMMها و ابزارهای تخصصی دنیا استفاده می‌کنند و نتایج اندازه‌گیری‌های آنها زیربنای سیستم‌های تضمین کیفیت کل بخش‌های تولیدی ملی است.

نتیجه گیری

دستگاه اندازه‌گیری مختصات پیروزی مهندسی یکپارچه است: مکانیک دقیق، نرم‌افزار پیچیده، سنسورهای کالیبره‌شده و محیط کنترل‌شده که با هم کار می‌کنند تا اندازه‌گیری‌های ابعادی را تولید کنند که تولید مدرن را ممکن می‌سازد. درک منابع دقت CMM - پایه ساختاری گرانیت، 21 خطای هندسی و تصحیح آنها، عوامل محیطی، سیستم کاوشگر و زنجیره ردیابی - برای هر کسی که برای تصمیم گیری با کیفیت به اندازه گیری های CMM تکیه می کند ضروری است.

با ادامه تشدید تحمل‌های تولید در صنایع، تقاضا برای دقت، پایداری و کالیبراسیون CMM به موازات افزایش خواهد یافت. مهندسی بنیادی پشت این ماشین‌ها، از میز گرانیت به بالا، در این چالش ادامه‌دار باقی خواهد ماند.