Увод
Координатамерна машина (ЦММ)је један од најважнијих алата у обезбеђивању квалитета савремене производње. Од аутомобилских компоненти до делова за ваздухопловство, од медицинских имплантата до полупроводничких пакета, ЦММ обезбеђују тродимензионална мерења-која потврђују да ли произведени део испуњава спецификације дизајна.
Ипак, упркос својој распрострањености, извори тачности у ЦММ-у - и фактори који ограничавају ту тачност - нису увек добро схваћени изван метролошке заједнице. Овај чланак испитује како ЦММ функционишу, шта омогућава њихову тачност и који физички фактори и фактори околине ограничавају колико прецизно могу да мере.
Основна архитектура ЦММ
ЦММ је у основи 3Д{1}}уређај за мерење положаја. Састоји се од покретне сонде постављене на структурални оквир који омогућава кретање дуж три ортогоналне осе - Кс, И и З - преко дефинисане мерне запремине. Положај сонде дуж сваке осе се прати помоћу прецизних линеарних енкодера, а мерења димензија радног комада се изводе из снимљених положаја сонде у тренутку контакта или хватања.
Структурни оквир ЦММ-а мора да одржава геометријске односе између оса - правоугаоности, равности и равности - са високом прецизношћу у целој мерној запремини и под различитим условима околине. Одступања од идеалне геометрије у структури машине се директно претварају у грешке мерења.
Систем сонде претвара контакт сонде са радним предметом у окидач или сигнал положаја. Сонде за окидање додиром{1}}генеришу сигнал када се скрену са неутралног положаја. Сонде за скенирање непрекидно мере њихов отклон док се померају дуж површине. Ласерске сонде хватају податке облака тачака без контакта. Сваки тип сонде има различите карактеристике тачности и нише примене.
Гранитни сто: ЦММ-ова димензионална основа
У основи већине ЦММ-типа и портала{1}}типа мостова налази се прецизна гранитна површинска плоча. Ово није случајно - гранитни сто је примарна референца димензија ЦММ-а у вертикалној оси, а његова спецификација равности директно доприноси укупној запреминској прецизности машине.
За ЦММ који ради са спецификацијом тачности од 1-2 µм, равност гранитног стола може бити специфицирана на 1-3 µм по целој радној површини. Свако одступање у табели које спада у опсег мерења постаје део буџета геометријске грешке машине.
Гранит се користи за ЦММ столове уместо металних алтернатива из неколико добро-утврђених разлога: стабилност димензија током времена, ниска осетљивост на промену температуре, немагнетни карактер, карактеристике пригушивања вибрација и могућност да се преклопи до високе равности. Гранитни сто такође пружа стабилну, добро-дефинисану референцу за скалу З-осе ЦММ-а.
У ЦММ-има највеће прецизности - онима које користе национални метролошки институти и лабораторије за калибрацију - гранитни сто се може верификовати на толеранције равности у опсегу од 0,5–1 µм, а пуна запремина машине може бити мапирана ласерским интерферометром да би се окарактерисале и исправиле све геометријске грешке.
21 геометријска грешка машине са три{1}}осе
ЦММ са три{0}}осе подлеже 21 независној геометријској грешци које у потпуности карактеришу његово геометријско понашање. Свака линеарна оса доприноси шест грешака: три транслационе (грешка позиционирања дуж осе, право у два попречна смера) и три ротационе (заклон, нагиб и котрљање). Комбинација три-осе уводи три грешке правоугаоности између парова оса.
Ова 21 грешка није случајна -, она је систематична и поновљива за дату машину у датом стању. Модерни ЦММ високе{3}}прецизности карактеришу сву 21 геометријску грешку кроз свеобухватан процес калибрације помоћу ласерских интерферометара, прецизних квадрата и полуга. Једном окарактерисане, грешке се чувају у рачунару машине и користе за корекцију измерених позиција у реалном времену кроз софтверску компензацију грешака.
Овај приступ - физичко мерење систематских грешака праћено софтверском компензацијом - омогућава ЦММ-има да постигну запреминске тачности које њихова сирова механичка прецизност сама по себи не може да подржи. Машина са 5 µм сирове механичке геометријске грешке у неком правцу може, након потпуне геометријске калибрације и компензације, постићи волуметријску тачност од 1 µм у типичним сценаријима мерења.
Фактори животне средине који ограничавају тачност ЦММ
Чак и савршено калибрисан ЦММ ради у стварном окружењу, а фактори околине су често доминантни извор мерне несигурности у пракси.
Температура је најзначајнија варијабла животне средине. Међународни стандард за мерења димензија (ИСО 1) дефинише 20 степени као референтну температуру. Када су радни комад, ЦММ и референтни артефакт на различитим температурама - као што се обично дешава када део долази из производног спрата у просторију за мерење -, резултујуће разлике у димензијама могу бити значајне. За челични део од 500 мм, температурно одступање од 1 степена од 20 степени доводи до промене дужине за приближно 5,85 µм.
Вибрације су други главни фактор животне средине. Вибрације тла од тешке опреме, пешачког саобраћаја, ХВАЦ система и саобраћаја могу узбудити ЦММ структуру и довести до буке мерења. Из тог разлога, ЦММ високе{2}}тачности се обично инсталирају на вибрационо-изолованим подовима или активним антивибрационим носачима.
Влажност не утиче директно на мерење, већ на радни предмет: многи метали показују мале, али стварне промене димензија са влажношћу, а висока влажност може да изазове кондензацију на површинама која омета тактилно сондирање.
Ваздушне струје у просторији за мерење могу да унесу температурне градијенте унутар мерне запремине, узрокујући локално топлотно ширење које се разликује од просека просторије. Контролисање кретања ваздуха кроз пажљив дизајн ХВАЦ је део најбоље праксе у високо{1}}метрологији.
Квалификација сонде и њен значај
Сонда је интерфејс између ЦММ-а и радног комада. Његова тачност -, посебно поновљивост и тачна калибрација у односу на ЦММ координатни систем -, једнако је важна као и геометријска тачност машине.
Сонде за окидање{0}}окидача морају да буду квалификоване коришћењем референтне сфере познатог пречника и облика, која се назива референтна лопта или квалификациона сфера. Овај процес одређује прецизан центар и радијус врха сонде у координатном систему машине. За сонде за скенирање, процес калибрације је сложенији, карактерише понашање сонде у њеном пуном опсегу мерења иу више праваца приступа.
У прецизним ЦММ апликацијама, референтни артефакти који се користе за квалификацију сонде су сами калибрисани и следљиви према националним стандардима мерења, одржавајући непрекинути ланац следљивости од ЦММ мерења до међународне дефиниције мерача.
Следљивост: ланац који мерења чини смисленим
Резултат мерења из ЦММ-а је толико значајан колико и његова следљивост - непрекинути ланац поређења који повезује мерење са основном дефиницијом дужине. Без следљивости, пријављено мерење нема утврђену везу ни са једним стандардом и не може се смислено упоређивати са мерењима извршеним у другим лабораторијама или на другим машинама.
У пракси, следљивост ЦММ-а се успоставља калибрацијом линеарних енкодера машине у односу на мерења ласерског интерферометра, коришћењем калибрисаних референтних артефаката (мерних блокова, референтних сфера, мерача степеница) да се верификују перформансе машине и радом у окружењу{0}}контролисаном температуром које омогућава да се извештаји о резултатима мерења поред резултата мерења.
Национални институти за метрологију - који раде на врху хијерархије следљивости мерења - одржавају примарне еталоне из којих све индустријске калибрације мерења на крају проистичу своју следљивост. Ови институти користе најтачније ЦММ и специјализоване инструменте на свету, а резултати њихових мерења су у основи система обезбеђења квалитета читавих националних производних сектора.
Закључак
Машина за координатно мерење је тријумф интегрисаног инжењеринга: прецизна механика, софистицирани софтвер, калибрисани сензори и контролисано окружење које раде заједно како би произвели мерења димензија која омогућавају модерну производњу. Разумевање извора тачности ЦММ - гранитне структурне основе, 21 геометријске грешке и њихове корекције, фактора околине, система сонде и ланца следљивости - је од суштинског значаја за свакога ко се ослања на ЦММ мерења да би донео квалитетне одлуке.
Како производне толеранције настављају да се пооштравају у различитим индустријама, захтеви за прецизношћу, стабилношћу и калибрацијом ЦММ ће расти паралелно. Основни инжењеринг иза ових машина, од гранитног стола навише, остаће централни у овом континуираном изазову.