Uvod
Koordinatamjerna mašina (CMM)je jedan od najvažnijih alata u osiguravanju kvaliteta moderne proizvodnje. Od automobilskih komponenti do dijelova za vazduhoplovstvo, od medicinskih implantata do poluprovodničkih paketa, CMM-i pružaju trodimenzionalna mjerenja-koja potvrđuju da li proizvedeni dio ispunjava svoje dizajnerske specifikacije.
Ipak, uprkos svojoj rasprostranjenosti, izvori tačnosti u CMM-u - i faktori koji ograničavaju tu tačnost - nisu uvijek dobro shvaćeni izvan mjeriteljske zajednice. Ovaj članak ispituje kako CMM rade, šta omogućava njihovu tačnost i koji fizički faktori i faktori okoline ograničavaju koliko precizno mogu da mere.
Osnovna arhitektura CMM-a
CMM je u osnovi 3D{1}}uređaj za mjerenje položaja. Sastoji se od pokretne sonde postavljene na strukturalni okvir koji omogućava kretanje duž tri ortogonalne ose - X, Y i Z - preko definisane mjerne zapremine. Položaj sonde duž svake ose se prati pomoću preciznih linearnih enkodera, a mjerenja dimenzija radnog komada se izvode iz snimljenih položaja sonde u trenutku kontakta ili hvatanja.
Strukturni okvir CMM-a mora održavati geometrijske odnose između osovina - pravougaonosti, ravnosti i ravnosti - sa visokom preciznošću u cijeloj mjernoj zapremini i pod različitim uvjetima okoline. Odstupanja od idealne geometrije u strukturi mašine se direktno pretvaraju u greške merenja.
Sistem sonde pretvara kontakt sonde sa obratkom u okidač ili signal položaja. Sonde za okidanje dodirom{1}}generiraju signal kada se odbiju od svoje neutralne pozicije. Sonde za skeniranje kontinuirano mjere njihov otklon dok se pomiču duž površine. Laserske sonde hvataju podatke oblaka tačaka bez kontakta. Svaki tip sonde ima različite karakteristike tačnosti i niše primjene.
Granitni sto: CMM-ova dimenzionalna osnova
U osnovi većine CMM-tipa i portala{1}}tipa CMM nalazi se precizna granitna površinska ploča. Ovo nije slučajno -, granitni sto je primarna referenca dimenzija CMM-a u vertikalnoj osi, a njegova specifikacija ravnosti direktno doprinosi ukupnoj volumetrijskoj preciznosti mašine.
Za CMM koji radi na specifikaciji tačnosti od 1-2 µm, ravnost granitnog stola može biti specificirana na 1-3 µm po cijeloj radnoj površini. Svako odstupanje u tabeli koje spada u opseg merenja postaje deo budžeta geometrijske greške mašine.
Granit se koristi za CMM stolove umjesto metalnih alternativa iz nekoliko dobro-utvrđenih razloga: stabilnost dimenzija tokom vremena, niska osjetljivost na promjenu temperature, nemagnetni karakter, karakteristike prigušivanja vibracija i mogućnost da se preklopi do visoke ravnosti. Granitni sto također pruža stabilnu, dobro-definiranu referencu za skalu Z- osi CMM-a.
U CMM-ima najveće preciznosti - onima koje koriste nacionalni instituti za mjeriteljstvo i laboratorije za kalibraciju - granitni sto se može provjeriti na tolerancije ravnosti u rasponu od 0,5–1 µm, a puna zapremina mašine može se mapirati laserskim interferometrom kako bi se okarakterisale i ispravile sve geometrijske greške.
21 geometrijska greška troosne -mašine
Tri{0}}osni CMM podložan je 21 nezavisnoj geometrijskoj grešci koje u potpunosti karakteriziraju njegovo geometrijsko ponašanje. Svaka linearna osa doprinosi šest grešaka: tri translatorne (greška pozicioniranja duž ose, pravost u dva poprečna smera) i tri rotacione (zakretanje, nagib i prevrtanje). Kombinacija tri-ose uvodi tri greške pravougaonosti između parova osa.
Ova 21 greška nije slučajna - ona je sistematična i ponovljiva za datu mašinu u datom stanju. Moderni CMM visoke{3}}preciznosti karakteriziraju svu 21 geometrijsku grešku kroz sveobuhvatan proces kalibracije korištenjem laserskih interferometara, preciznih kvadrata i poluga. Jednom okarakterisane, greške se pohranjuju u kompjuter mašine i koriste za ispravljanje izmerenih pozicija u realnom vremenu kroz softversku kompenzaciju grešaka.
Ovaj pristup - fizičko mjerenje sistematskih grešaka praćeno softverskom kompenzacijom - omogućava CMM-ima da postignu volumetrijske tačnosti koje njihova sirova mehanička preciznost sama po sebi ne može podržati. Mašina sa 5 µm sirove mehaničke geometrijske greške u nekom smjeru može, nakon potpune geometrijske kalibracije i kompenzacije, postići volumetrijsku tačnost od 1 µm u tipičnim scenarijima mjerenja.
Faktori okoline koji ograničavaju tačnost CMM
Čak i savršeno kalibrirani CMM radi u stvarnom okruženju, a faktori okoline su često dominantni izvor mjerne nesigurnosti u praksi.
Temperatura je najznačajnija varijabla okoline. Međunarodni standard za mjerenje dimenzija (ISO 1) definira 20 stepeni kao referentnu temperaturu. Kada su radni komad, CMM i referentni artefakt na različitim temperaturama - kao što se obično dešava kada dio dolazi iz proizvodnog poda u prostoriju za mjerenje -, rezultirajuće razlike u dimenzijama mogu biti značajne. Za čelični dio od 500 mm, temperaturno odstupanje od 1 stepena od 20 stepeni dovodi do promjene dužine za otprilike 5,85 µm.
Vibracije su drugi glavni faktor životne sredine. Vibracije tla od teške opreme, pješačkog saobraćaja, HVAC sistema i saobraćaja mogu potaknuti CMM strukturu i unijeti buku mjerenja. Iz tog razloga, CMM visoke{2}}tačnosti se obično instaliraju na podove-izolovane od vibracija ili aktivne antivibracione nosače.
Vlažnost ne utiče direktno na merenje, već na radni komad: mnogi metali pokazuju male, ali stvarne promene dimenzija sa vlažnošću, a visoka vlažnost može izazvati kondenzaciju na površinama koja ometa taktilno sondiranje.
Zračne struje u prostoriji za mjerenje mogu unijeti temperaturne gradijente unutar mjerne zapremine, uzrokujući lokalno toplinsko širenje koje se razlikuje od prosjeka prostorije. Kontrola kretanja zraka kroz pažljiv dizajn HVAC je dio najbolje prakse u mjeriteljstvu visoke{1}}nosti.
Kvalifikacija sonde i njen značaj
Sonda je interfejs između CMM-a i radnog komada. Njegova tačnost -, posebno njegova ponovljivost i njegova ispravna kalibracija u odnosu na CMM koordinatni sistem - je jednako važna kao i geometrijska tačnost mašine.
Sonde za okidanje dodirom{0}} moraju biti kvalifikovane korištenjem referentne sfere poznatog promjera i oblika, koja se naziva referentna lopta ili kvalifikaciona sfera. Ovaj proces određuje precizan centar i radijus vrha sonde u koordinatnom sistemu mašine. Za sonde za skeniranje, proces kalibracije je složeniji, karakterizirajući ponašanje sonde u cijelom opsegu mjerenja iu više smjerova pristupa.
U preciznim CMM aplikacijama, referentni artefakti koji se koriste za kvalifikaciju sonde su sami kalibrirani i sljedljivi prema nacionalnim mjernim standardima, održavajući neprekinuti lanac sljedivosti od CMM mjerenja do međunarodne definicije mjerača.
Sljedivost: lanac koji mjerenja čini smislenim
Rezultat mjerenja iz CMM-a je toliko značajan koliko i njegova sljedivost - neprekinuti lanac poređenja koji povezuje mjerenje sa osnovnom definicijom dužine. Bez sljedivosti, prijavljeno mjerenje nema utvrđenu vezu ni sa jednim standardom i ne može se smisleno porediti sa mjerenjima u drugim laboratorijama ili na drugim mašinama.
U praksi, sljedivost CMM-a se uspostavlja kalibracijom linearnih enkodera mašine prema mjerenjima laserskog interferometra, korištenjem kalibriranih referentnih artefakata (mjernih blokova, referentnih sfera, mjerača koraka) za provjeru performansi mašine i radom unutar temperaturno{0}}kontroliranog okruženja koje omogućava da se uz rezultate mjerenja izvještavaju i rezultati mjerenja.
Nacionalni mjeriteljski instituti - koji djeluju na vrhu hijerarhije sljedivosti mjerenja - održavaju primarne standarde iz kojih sve industrijske mjerne kalibracije na kraju proizlaze svoju sljedivost. Ovi instituti koriste najpreciznije CMM i specijalizirane instrumente na svijetu, a rezultati njihovih mjerenja podupiru sisteme osiguranja kvaliteta čitavih nacionalnih proizvodnih sektora.
Zaključak
Koordinatna mjerna mašina je trijumf integriranog inženjeringa: precizna mehanika, sofisticirani softver, kalibrirani senzori i kontrolirano okruženje koje rade zajedno kako bi proizveli mjerenja dimenzija koja omogućavaju modernu proizvodnju. Razumijevanje izvora tačnosti CMM-a - granitne strukturne osnove, 21 geometrijske greške i njihove korekcije, faktora okoline, sistema sonde i lanca sljedivosti - je od suštinskog značaja za svakoga ko se oslanja na CMM mjerenja da donese kvalitetne odluke.
Kako se proizvodne tolerancije nastavljaju pooštravati u različitim industrijama, zahtjevi za preciznošću, stabilnošću i kalibracijom CMM će rasti paralelno. Temeljni inženjering iza ovih mašina, od granitnog stola naviše, ostat će centralni u ovom kontinuiranom izazovu.