Bevezetés
A koordinátamérőgép (CMM)a modern gyártási minőségbiztosítás egyik legfontosabb eszköze. Az autóipari alkatrészektől a repülőgép-alkatrészekig, az orvosi implantátumoktól a félvezető csomagokig a CMM-ek háromdimenziós méretméréseket biztosítanak, amelyek megerősítik, hogy a gyártott alkatrész megfelel-e a tervezési előírásoknak.
Mégis minden elterjedtségük ellenére a CMM-ben - a pontosság forrása és a pontosságot korlátozó tényezők - nem mindig ismertek jól a metrológiai közösségen kívül. Ez a cikk azt vizsgálja, hogyan működnek a CMM-ek, mi teszi lehetővé pontosságukat, és milyen fizikai és környezeti tényezők korlátozzák a mérés pontosságát.
A CMM alapvető felépítése
A CMM alapvetően egy 3D-s pozíciómérő{1}}eszköz. Egy szerkezeti vázra szerelt mozgó szondából áll, amely lehetővé teszi a mozgást három merőleges tengely - X, Y és Z - mentén egy meghatározott mérési térfogaton. A szonda helyzetét az egyes tengelyek mentén precíziós lineáris kódolók követik, és a munkadarab méretmérései az érintkezés vagy rögzítés pillanatában rögzített tapintópozíciókból származnak.
A CMM szerkezeti vázának fenn kell tartania a geometriai kapcsolatokat a - négyszögletesség, egyenesség és síkság - tengelyek között, nagy pontossággal a teljes mérési térfogaton és változó környezeti feltételek mellett. Az ideális geometriától való eltérések a gép szerkezetében közvetlenül mérési hibákat eredményeznek.
A tapintórendszer a szonda érintkezését a munkadarabbal trigger- vagy helyzetjellé alakítja. Az érintési-kioldó szondák jelet generálnak, amikor eltérnek semleges helyzetükből. A pásztázó szondák folyamatosan mérik az elhajlásukat, amikor egy felület mentén mozognak. A lézerszondák érintés nélkül rögzítik a pontfelhőadatokat. Minden szondatípus különálló pontossági jellemzőkkel és alkalmazási résekkel rendelkezik.
A gránit asztal: A CMM dimenziós alapja
A legtöbb híd típusú- és portál típusú- CMM alján egy precíziós gránit felületi lemez található. Ez nem véletlen - a gránitasztal a CMM elsődleges méretreferenciája a függőleges tengelyben, és a síkossági specifikációja közvetlenül hozzájárul a gép általános térfogati pontosságához.
Az 1–2 µm-es pontossággal működő CMM esetén a gránitasztal síksága 1–3 µm lehet a teljes munkaterületen. A táblázatban szereplő bármely eltérés, amely a mérési térfogaton belülre esik, a gép geometriai hibaköltségvetésének részévé válik.
A gránitot CMM-asztalokhoz használják fémalternatívák helyett számos jól bevált ok miatt: időbeli méretstabilitás, alacsony hőmérséklet-változási érzékenység, nem-mágneses karakter, rezgéscsillapító jellemzők, valamint a nagy simaságig lelapolhatóság. A gránittábla stabil, jól definiált referenciaként is szolgál a CMM Z-tengelyskálájához.
A legnagyobb pontosságú CMM-ekben -, amelyeket a nemzeti metrológiai intézetek és kalibráló laboratóriumok használnak - a gránitasztal 0,5–1 µm közötti síksági tűréshatárig ellenőrizhető, és a teljes géptérfogat lézeres interferométerrel leképezhető az összes geometriai hiba jellemzésére és kijavítására.
Egy háromtengelyes{1}}gép 21 geometriai hibája
A három-tengelyű CMM 21 független geometriai hibának van kitéve, amelyek teljes mértékben jellemzik geometriai viselkedését. Minden lineáris tengely hat hibával járul hozzá: három transzlációs (pozicionálási hiba a tengely mentén, egyenesség két keresztirányban) és három forgási (hajlás, dőlésszög és dőlés). A három-tengely kombinációja három négyzetességi hibát vezet be a tengelypárok között.
Ez a 21 hiba nem véletlenszerű -, hanem szisztematikus és megismételhető egy adott gépen, adott körülmények között. A modern, nagy pontosságú CMM-ek mind a 21 geometriai hibát jellemzik egy átfogó kalibrációs folyamaton keresztül, lézeres interferométerekkel, precíziós négyzetekkel és gömbrudakkal. Jellemzés után a hibák a gép számítógépén tárolódnak, és szoftveres hibakompenzáción keresztül valós időben korrigálják a mért pozíciókat.
Ez a megközelítés - a szisztematikus hibák fizikai mérése, majd a szoftveres kompenzáció - lehetővé teszi a CMM-eknek olyan térfogati pontosság elérését, amelyet a nyers mechanikai pontosságuk önmagában nem tud támogatni. Egy bizonyos irányban 5 µm nyers mechanikai geometriai hibával rendelkező gép a teljes geometriai kalibrálás és kompenzáció után 1 µm térfogati pontosságot érhet el tipikus mérési forgatókönyvekben.
A CMM pontosságát korlátozó környezeti tényezők
Még egy tökéletesen kalibrált CMM is működik valós környezetben, és a gyakorlatban gyakran a környezeti tényezők jelentik a mérési bizonytalanság domináns forrását.
A hőmérséklet a legjelentősebb környezeti változó. A méretmérések nemzetközi szabványa (ISO 1) a 20 fokot határozza meg referencia hőmérsékletként. Ha egy munkadarab, egy CMM és egy referencia műtermék mind eltérő hőmérsékletű -, ahogy ez általában előfordul, amikor egy alkatrész a gyártópadlóból érkezik a mérőhelyiségbe -, az ebből eredő méretbeli különbségek jelentősek lehetnek. Egy 500 mm-es acél alkatrésznél a hőmérséklet 1 fokos eltérése 20 foktól körülbelül 5,85 µm hosszváltozást okoz.
A vibráció a második legfontosabb környezeti tényező. A nehéz berendezések, a gyalogos forgalom, a HVAC rendszerek és a forgalom által okozott talajrezgés gerjesztheti a CMM szerkezetét és mérési zajt okozhat. Emiatt a nagy-pontosságú CMM-eket általában vibráció--szigetelt padlóra vagy aktív rezgéscsillapító-tartókra szerelik.
A páratartalom nem közvetlenül a mérést, hanem a munkadarabot befolyásolja: sok fém kis, de valós méretváltozásokat mutat a páratartalom hatására, a magas páratartalom pedig páralecsapódást okozhat a felületeken, ami megzavarja a tapintást.
A mérőhelyiségben lévő légáramok hőmérsékleti gradienseket hozhatnak létre a mérési térfogaton belül, ami a helyiség átlagától eltérő helyi hőtágulást idézhet elő. A légmozgás szabályozása gondos HVAC-tervezés révén a nagy pontosságú metrológia bevált gyakorlatának része{1}}.
A szonda minősítése és jelentősége
A tapintó interfész a CMM és a munkadarab között. Pontossága -, különösen az ismételhetősége és a CMM koordinátarendszerhez viszonyított helyes kalibrálása - ugyanolyan fontos, mint a gép geometriai pontossága.
A tapintó{0}}kioldó szondákat ismert átmérőjű és formájú referenciagömb segítségével kell minősíteni, amelyet referenciagolyónak vagy minősítő gömbnek neveznek. Ez a folyamat meghatározza a mérőtapintó csúcsának pontos középpontját és sugarát a gép koordinátarendszerében. A pásztázó szondák esetében a kalibrálási folyamat bonyolultabb, és a szonda viselkedését a teljes mérési tartományban és több megközelítési irányban jellemzi.
A precíziós CMM-alkalmazásokban a szonda minősítéséhez használt referencia műtermékek maguk kalibráltak és visszavezethetők a nemzeti mérési szabványok szerint, megszakítva a nyomon követhetőségi láncot a CMM méréstől a mérő nemzetközi definíciójáig.
Nyomon követhetőség: A lánc, amely értelmessé teszi a méréseket
A CMM-ből származó mérési eredmény csak annyira jelentős, mint a nyomon követhetősége - az összehasonlítások megszakítás nélküli lánca, amely a mérést visszakapcsolja a hosszúság alapvető meghatározásához. Nyomon követhetőség nélkül a jelentett mérés semmilyen szabvánnyal nem áll kapcsolatban, és nem hasonlítható össze más laboratóriumokban vagy más gépeken végzett mérésekkel.
A gyakorlatban a CMM nyomon követhetőségét a gép lineáris kódolóinak lézeres interferométeres mérésekkel való kalibrálásával, kalibrált referencia műtermékek (mérőblokkok, referenciagömbök, lépésmérők) használatával a gép teljesítményének ellenőrzésére, valamint hőmérséklet-szabályozott{0}}környezetben történő működéssel alakítják ki, amely lehetővé teszi a mérési eredmények jelentését a mérési körülmények mellett.
A mérési nyomon követhetőségi hierarchia csúcsán - működő nemzeti metrológiai intézetek - fenntartják azokat az elsődleges szabványokat, amelyekből minden ipari mérési kalibrálás végső soron a nyomon követhetőségét eredményezi. Ezek az intézetek a világ legpontosabb CMM-jeit és speciális műszereit használják, és méréseik eredményei egész nemzeti feldolgozóipari ágazatok minőségbiztosítási rendszerét támasztják alá.
Következtetés
A koordináta-mérőgép az integrált tervezés diadala: precíz mechanika, kifinomult szoftverek, kalibrált szenzorok és ellenőrzött környezet együttesen alkotnak olyan méretméréseket, amelyek lehetővé teszik a modern gyártást. A CMM pontosság forrásainak - a gránit szerkezeti alapot, a 21 geometriai hibát és azok korrekcióját, a környezeti tényezőket, a szondarendszert és a nyomonkövetési láncot - megérteni elengedhetetlen mindenki számára, aki a CMM méréseire támaszkodik a minőségi döntések meghozatalában.
Mivel a gyártási tűréshatárok továbbra is szigorodnak az egyes iparágakban, a CMM pontosságával, stabilitásával és kalibrálásával szemben támasztott követelmények párhuzamosan növekedni fognak. A gépek mögött meghúzódó alapvető tervezés a gránitasztaltól felfelé továbbra is központi szerepet játszik ebben a folyamatos kihívásban.