Hvað er hnitamælitæki?

Ahnitamælivél(CMM) er tæki sem mælir rúmfræði efnislegra hluta með því að nema staka punkta á yfirborði hlutarins með mælitæki. Ýmsar gerðir mælitækja eru notaðar í CMM tækjum, þar á meðal vélrænir, sjónrænir, leysir- og hvítt ljós. Eftir því hvaða tæki er um að ræða getur staðsetning mælitækisins verið stjórnað handvirkt af notanda eða tölvustýrt. CMM vélar tilgreina venjulega staðsetningu mælitækis sem tilfærslu þess frá viðmiðunarstöðu í þrívíðu kartesísku hnitakerfi (þ.e. með XYZ ásum). Auk þess að færa mælitækið eftir X-, Y- og Z-ásunum, leyfa margar vélar einnig að stjórna mælihorninu til að gera kleift að mæla yfirborð sem annars væru óaðgengileg.

Dæmigerð þrívíddar „brúar“ CMM gerir kleift að hreyfa rannsakandann eftir þremur ásum, X, Y og Z, sem eru hornréttir hvor á annan í þrívíðu kartesísku hnitakerfi. Hver ás hefur skynjara sem fylgist með staðsetningu rannsakandans á þeim ás, venjulega með míkrómetra nákvæmni. Þegar rannsakandinn snertir (eða greinir á annan hátt) ákveðinn stað á hlutnum, tekur vélin sýni af þremur staðsetningarskynjurum og mælir þannig staðsetningu eins punkts á yfirborði hlutarins, sem og þrívíddarvigur mælingarinnar. Þetta ferli er endurtekið eftir þörfum, þar sem rannsakandinn er færður í hvert skipti, til að búa til „punktaský“ sem lýsir yfirborðssvæðum sem eru áhugaverð.

Algeng notkun snúningsmóttakara (CMM) er í framleiðslu- og samsetningarferlum til að prófa hluta eða samsetningu gagnvart hönnunarmarkmiðum. Í slíkum forritum eru punktský búin til sem eru greind með aðhvarfsgreiningarreikniritum til að smíða eiginleika. Þessir punktar eru safnaðir með því að nota mælitæki sem rekstraraðili staðsetur handvirkt eða sjálfkrafa með beinni tölvustýringu (DCC). Hægt er að forrita DCC CMM til að mæla eins hluta ítrekað; því er sjálfvirkur snúningsmóttakari sérhæfð tegund iðnaðarvélmenni.

Hlutar

Hnitamælingarvélar innihalda þrjá meginþætti:

• Aðalbyggingin inniheldur þrjá hreyfiása. Efnið sem notað var til að smíða hreyfanlega rammann hefur breyst í gegnum tíðina. Granít og stál voru notuð í fyrstu CMM tækjunum. Í dag smíða allir helstu CMM framleiðendur ramma úr álfelgu eða einhverjum afleiðum og nota einnig keramik til að auka stífleika Z-ássins fyrir skönnunarforrit. Fáir CMM smiðir framleiða enn í dag granítramma CMM vegna kröfu markaðarins um bætta mælifræði og vaxandi tilhneigingu til að setja upp CMM utan gæðarannsóknarstofa. Venjulega eru það aðeins smiðir með litla framleiðslu CMM og innlendir framleiðendur í Kína og Indlandi sem enn framleiða granít CMM vegna lágtækniaðferðar og auðveldrar aðgangs að því að verða CMM rammasmiðir. Aukin þróun í átt að skönnun krefst einnig þess að Z-ásinn í CMM sé stífari og ný efni hafa verið kynnt til sögunnar eins og keramik og kísillkarbíð.
• Könnunarkerfi
• Gagnasöfnunar- og minnkunarkerfi — inniheldur venjulega vélstýringu, borðtölvu og hugbúnað.

Framboð

Þessar vélar geta verið frístandandi, handfestar og flytjanlegar.

Nákvæmni

Nákvæmni hnitamælingatækja er yfirleitt gefin upp sem óvissuþáttur sem fall af fjarlægð. Fyrir CMM sem notar snertimæli tengist þetta endurtekningarhæfni mælisins og nákvæmni línulegra kvarða. Dæmigerð endurtekningarhæfni mælisins getur leitt til mælinga innan 0,001 mm eða 0,00005 tommu (hálfs tíunda hluta) yfir allt mælingarrúmmálið. Fyrir 3, 3+2 og 5 ása vélar eru mælitækin reglulega kvarðuð með rekjanlegum stöðlum og hreyfing vélarinnar er staðfest með mælum til að tryggja nákvæmni.

Sérstakir hlutar

Vélarlíkami

Fyrsta CMM-vélin var þróuð af Ferranti-fyrirtækinu í Skotlandi á sjötta áratugnum vegna þess að þörfin var beinlínis fyrir að mæla nákvæmar íhluti í hernaðarvörum þeirra, þótt þessi vél hefði aðeins tvo ása. Fyrstu þriggja ása gerðirnar fóru að birtast á sjöunda áratugnum (DEA á Ítalíu) og tölvustýring kom fyrst á markað snemma á áttunda áratugnum, en fyrsta virka CMM-vélin var þróuð og sett í sölu af Browne & Sharpe í Melbourne á Englandi. (Leitz í Þýskalandi framleiddi síðar fasta vélbyggingu með hreyfanlegu borði.)

Í nútímavélum hefur yfirbyggingin, sem líkist gantry-gerð, tvo fætur og er oft kölluð brú. Þessi hreyfist frjálslega eftir granítborðinu þar sem annar fóturinn (oft kallaður innri fóturinn) fylgir leiðarlínu sem er fest við aðra hlið granítborðsins. Hinn fóturinn (oft ytri fóturinn) hvílir einfaldlega á granítborðinu og fylgir lóðréttri yfirborðslínu. Loftlegur eru valin aðferð til að tryggja núningslausa hreyfingu. Í þessum er þrýst lofti í gegnum röð mjög lítilla gata á sléttu leguyfirborði til að skapa sléttan en stýrðan loftpúða sem CMM getur hreyfst á nánast núningslausan hátt sem hægt er að bæta upp með hugbúnaði. Hreyfing brúarinnar eða gantry-sins eftir granítborðinu myndar einn ás XY-plansins. Brú gantry-sins inniheldur vagn sem fer á milli innri og ytri fótanna og myndar hinn X- eða Y-lárétta ásinn. Þriðji hreyfiásinn (Z-ásinn) er myndaður með því að bæta við lóðréttri fjöðrun eða spindli sem hreyfist upp og niður í gegnum miðju vagnsins. Snertiskynjarinn myndar skynjarann á enda fjöðrunnar. Hreyfing X-, Y- og Z-ásanna lýsir mælisviðinu fullkomlega. Hægt er að nota snúningsborð sem aukabúnað til að auka aðgengi mæliprófarans að flóknum vinnustykkjum. Snúningsborðið sem fjórði drifás eykur ekki mælivíddir, sem eru þrívíddar, en það veitir ákveðinn sveigjanleika. Sumir snertiprófar eru sjálfir knúnir snúningstæki þar sem prófunaroddurinn getur snúist lóðrétt um meira en 180 gráður og í gegnum fulla 360 gráðu snúning.

CMM vélar eru nú einnig fáanlegar í ýmsum öðrum gerðum. Þar á meðal eru CMM armar sem nota hornmælingar sem teknar eru við liði armsins til að reikna út staðsetningu stílloddsins og hægt er að útbúa þá með mælikönnum fyrir leysiskönnun og ljósfræðilega myndgreiningu. Slíkar arma CMM vélar eru oft notaðar þar sem flytjanleiki þeirra er kostur umfram hefðbundnar fastar CMM vélar - með því að geyma mældar staðsetningar gerir forritunarhugbúnaður einnig kleift að færa mæliarminn sjálfan og mælirúmmál hans um hlutinn sem á að mæla meðan á mælingu stendur. Þar sem CMM armar herma eftir sveigjanleika mannshandleggs geta þeir einnig oft náð inn í flókna hluta sem ekki væri hægt að mæli með hefðbundinni þriggja ása vél.

Vélrænn rannsakandi

Á fyrstu dögum hnitmælinga (CMM) voru vélrænir mælir settir í sérstakan festingu á enda fjaðurspennunnar. Mjög algengur mælir var gerður með því að lóða harða kúlu á enda skafts. Þetta var tilvalið til að mæla fjölbreytt úrval af sléttum, sívalningslaga eða kúlulaga yfirborðum. Aðrir mælir voru slípaðir í ákveðna lögun, til dæmis ferhyrning, til að gera kleift að mæla sérstaka eiginleika. Þessum mælir var haldið líkamlega upp við vinnustykkið og staðsetningin í rúminu lesin af 3-ása stafrænum aflestri (DRO) eða, í flóknari kerfum, skráður inn í tölvu með fótrofa eða svipuðu tæki. Mælingar sem gerðar voru með þessari snertingaraðferð voru oft óáreiðanlegar þar sem vélar voru færðar handvirkt og hver vélstjóri beitti mismunandi þrýstingi á mælirinn eða notaði mismunandi aðferðir við mælingarnar.

Frekari þróun var viðbót mótora til að knýja hvern ás. Rekstraraðilar þurftu ekki lengur að snerta vélina líkamlega heldur gátu ekið hverjum ás með handstýringu og stýripinnum á svipaðan hátt og gerist í nútíma fjarstýrðum bílum. Nákvæmni og nákvæmni mælinga batnaði til muna með uppfinningu rafrænna snertiskynjara. Frumkvöðull þessa nýja mælitækis var David McMurtry sem síðar stofnaði það sem nú er Renishaw plc. Þótt mælitækið væri enn snertitæki hafði það fjaðurhlaðinn stálkúlupenna (síðar rúbínkúlu). Þegar mælitækið snerti yfirborð íhlutsins beygði penninn frá og sendi samtímis X, Y, Z hnitupplýsingar til tölvunnar. Mælivillur af völdum einstakra rekstraraðila urðu færri og grunnurinn var lagður fyrir innleiðingu CNC-aðgerða og þróun snúningshraðamælinga (CMM).

Ljósnemar eru linsu-CCD-kerfi sem eru færð eins og vélrænar neglur og eru miðaðar á áhugaverðan punkt í stað þess að snerta efnið. Myndin sem tekin er af yfirborðinu verður innan jaðars mæliglugga þar til afgangurinn er nægur til að gefa frá sér andstæður milli svartra og hvítra svæða. Hægt er að reikna út skiptingarferilinn að punkti sem er æskilegur mælipunktur í geimnum. Láréttar upplýsingar á CCD eru tvívíðar (XY) og lóðrétta staðsetningin er staðsetning alls neglukerfisins á Z-drifi standsins (eða öðrum íhlutum tækisins).

Skannandi rannsakakerfi

Það eru til nýrri gerðir með mælikönnum sem dragast meðfram yfirborði hlutarins með ákveðnu millibili, þekktar sem skönnunarmælikönnur. Þessi aðferð við skoðun á CMM er oft nákvæmari en hefðbundin snertimælikönnuaðferð og oftast líka hraðari.

Næsta kynslóð skönnunar, þekkt sem snertilaus skönnun, sem felur í sér háhraða leysigeisla með einum punkti, leysilínuskönnun og hvítljósskönnun, er að þróast mjög hratt. Þessi aðferð notar annað hvort leysigeisla eða hvítt ljós sem er varpað á yfirborð hlutarins. Þá er hægt að taka mörg þúsund punkta og nota þau ekki aðeins til að athuga stærð og staðsetningu, heldur einnig til að búa til þrívíddarmynd af hlutanum. Þessi „punktaskýsgögn“ er síðan hægt að flytja yfir í CAD hugbúnað til að búa til virkt þrívíddarlíkan af hlutanum. Þessir ljósfræðilegu skannar eru oft notaðir á mjúkum eða viðkvæmum hlutum eða til að auðvelda öfuga verkfræði.

Örmælingarprófar

Mælikerfi fyrir örmælikvarða eru annað vaxandi svið. Það eru nokkrar mælitæki fyrir hnitakerfi (CMM) fáanlegar á markaði sem eru með örmæli innbyggðan í kerfið, nokkur sérhæfð kerfi í ríkisstofnanir og fjöldi mælikerfa sem háskólar hafa smíðað fyrir örmælikvarða. Þó að þessar vélar séu góðar og í mörgum tilfellum framúrskarandi mælikerfi með nanómælikvarða, þá er helsta takmörkun þeirra áreiðanleg, öflug og fær ör-/nanómælitæki.^{[heimildarskráning nauðsynleg]}Meðal áskorana fyrir smásjártækni eru þörfin fyrir mælikvarða með hátt hlutföllum sem gerir kleift að nálgast djúpar, þröngar línur með litlum snertikrafti til að ekki skemma yfirborðið og með mikilli nákvæmni (nanómetrastigi).^{[heimildarskráning nauðsynleg]}Að auki eru örskala rannsakar viðkvæmir fyrir umhverfisaðstæðum eins og raka og yfirborðsvíxlverkunum eins og stifingu (af völdum viðloðunar, meniskus og/eða Van der Waals krafna meðal annarra).^{[heimildarskráning nauðsynleg]}

Tækni til að ná fram smásjármælingum eru meðal annars minni útgáfur af hefðbundnum CMM-mælum, ljósleiðarmælar og standbylgjumælar. Hins vegar er ekki hægt að gera núverandi ljósleiðartækni nógu smærri til að mæla djúp, þröng einkenni, og ljósupplausn er takmörkuð af bylgjulengd ljóss. Röntgenmyndgreining gefur mynd af einkenninu en engar rekjanlegar mælifræðilegar upplýsingar.

Eðlisfræðilegar meginreglur

Hægt er að nota ljósleiðara og/eða leysigeisla (ef mögulegt er í samsetningu), sem breyta skönnunarmælingatækjum í mælismásjár eða fjölskynjara mælitæki. Skjávörpunarkerfi, þríhyrningskerfi fyrir teódólít eða fjarlægingar- og þríhyrningskerfi fyrir leysi eru ekki kölluð mælitæki, en mælingarniðurstaðan er sú sama: rúmpunktur. Leysigeislamælir eru notaðir til að greina fjarlægðina milli yfirborðsins og viðmiðunarpunktsins á enda hreyfifræðikeðjunnar (þ.e.: endi Z-drifsþáttarins). Þetta getur notað truflunarfall, fókusbreytingar, ljósbeygju eða geislaskuggareglu.

Flytjanlegar hnitamælingarvélar

Þó að hefðbundnar skönnunarvélar noti mælitæki sem hreyfist eftir þremur kartesískum ásum til að mæla eðliseiginleika hlutar, nota færanlegar skönnunarvélar annað hvort liðskipta arma eða, í tilviki sjón-skönnunarvéla, armlaus skönnunarkerfi sem nota sjónþríhyrningsaðferðir og gera kleift að hreyfa sig algjört frelsi umhverfis hlutinn.

Færanlegar snúningsmælingar með liðskipta örmum eru með sex eða sjö ása sem eru búnir snúningskóðurum í stað línulegra ása. Færanlegir armar eru léttvægir (venjulega undir 20 pundum) og hægt er að bera þá og nota þá nánast hvar sem er. Hins vegar eru sjón-snúningsmælingar sífellt meira notaðar í greininni. Sjón-snúningsmælingar eru hannaðar með samþjöppuðum línulegum eða fylkismyndavélum (eins og Microsoft Kinect), eru minni en færanlegar snúningsmælingar með örmum, eru án víra og gera notendum kleift að taka auðveldlega þrívíddarmælingar á alls kyns hlutum sem staðsettir eru nánast hvar sem er.

Ákveðnar notkunarmöguleikar sem ekki eru endurteknar, svo sem öfug verkfræði, hraðsmíði frumgerða og stórfelld skoðun á hlutum af öllum stærðum, henta fullkomlega fyrir flytjanlegar skönnunarmóttökuvélar. Kostir flytjanlegra skönnunarmóttakara eru margvíslegir. Notendur hafa sveigjanleika til að taka þrívíddarmælingar á öllum gerðum hluta og á afskekktustu/erfiðustu stöðum. Þær eru auðveldar í notkun og þurfa ekki stýrt umhverfi til að taka nákvæmar mælingar. Þar að auki eru flytjanlegar skönnunarmóttökuvélar yfirleitt ódýrari en hefðbundnar skönnunarmóttökuvélar.

Ókostir færanlegra snúningsmælingamæla eru að þeir eru handvirkt notaðir (þeir þurfa alltaf mannlega aðstoð). Að auki getur nákvæmni þeirra verið nokkuð minni en hjá brúarsnúningsmælingum og hentar síður fyrir sumar notkunarmöguleika.

Fjölskynjara-mælivélar

Hefðbundin CMM-tækni sem notar snertiskynjara er oft notuð samhliða annarri mælitækni. Þetta felur í sér leysigeisla-, myndbands- eða hvítljósskynjara til að veita það sem kallast fjölskynjaramælingar.