User:Alireza.jalali.1381/کاربر:Alireza.jalali.1381/دستگاه اندازه گیری مختصات

دستگاه اندازه‌گیری مختصاتی (CMM) دستگاهی است که با استفاده از سنسورهایی بر روی سطح شیء، نقاط گسسته را تشخیص می‌دهد و به اندازه‌گیری هندسه اشیاء فیزیکی می‌پردازد. انواع مختلفی از سنسورها در CMM ها استفاده می‌شود که رایج ترین آنها حسگرهای مکانیکی و لیزری است، اگرچه سنسور نوری و نور سفید وجود دارد. بسته به دستگاه، موقعیت سنسور ممکن است به صورت دستی توسط یک اپراتور کنترل شود یا ممکن است توسط کامپیوتر کنترل شود. CMM ها معمولاً موقعیت یک کاوشگر را بر حسب جابجایی آن از یک موقعیت مرجع در یک سیستم مختصات دکارتی سه بعدی (یعنی با محورهای XYZ) مشخص می‌کنند. علاوه بر حرکت سنسور در محورهای X، Y و Z، بسیاری از دستگاه‌ها به سنسور امکان کنترل زاویه را نیز می‌دهند تا قادر باشند سطوحی را که در غیر این صورت قابل دسترسی نبوده‌اند، اندازه‌گیری کنند.

CMM "پل" سه بعدی معمولی امکان حرکت کاوشگر در امتداد سه محور X، Y و Z را می‌دهد که در یک سیستم مختصات دکارتی سه بعدی متعامد با یکدیگر هستند. هر محور دارای سنسوری است که موقعیت کاوشگر را در آن محور با دقت معمولی به ترتیب میکرون نظارت می کند.هنگامی که سنسور با محل مشخصی روی شیء تماس (یا به هر روش دیگری) برقرار می‌کند، دستگاه سنسور موقعیت محورها را نمونه‌برداری می‌کند و در نتیجه مکان یک نقطه روی سطح شیء و بردار سه بعدی اندازه‌گیری شده را مشخص می‌کند. این فرآیند به صورت دوره‌ای تکرار می‌شود و با هر بار حرکت سنسور، یک "ابر نقطه" تولید می‌شود که مساحت‌های سطحی مورد نظر را توصیف می‌کند. این فرآیند در صورت لزوم تکرار می شود و هر بار کاوشگر را حرکت می‌دهد تا یک "ابر نقطه ای" تولید شود که مناطق سطح مورد نظر را توصیف می کند. نقاط را می توان به صورت دستی توسط یک اپراتور یا به طور خودکار از طریق کنترل مستقیم رایانه (DCC) یا به طور خودکار با استفاده از برنامه های اسکریپت اندازه‌گیری کرد. بنابراین، یک CMM خودکار شکل تخصصی ربات صنعتی است.

ستفاده رایج از CMMها در فرآیندهای تولید و مونتاژ، برای آزمایش قطعات یا مجموعه‌ها در برابر طرح اصلی است. نقاط اندازه‌گیری شده می‌توانند برای تأیید فاصله بین ویژگی‌ها استفاده شوند. همچنین، آنها می‌توانند برای ساخت ویژگی‌های هندسی مانند استوانه ها و صفحات و غیره استفاده کرد.

دستگاه های اندازه‌گیری مختصاتی شامل سه قطعه اصلی زیر می‌شوند:



دسترسی
این ماشین ها به صورت ثابت یاقابل حمل در دسترس هستند.

دقت
ددقت دستگاه‌های اندازه‌گیری مختصاتی به‌عنوان یک عامل عدم قطعیت به‌صورت یک عامل عدم قطعیت به‌عنوان تابعی از فاصله اعلام می‌شود در یک CMM با استفاده از پراب لمسی، این مربوط به تکرارپذیری پراب و دقت مقیاس‌های خطی است‌.تکرارپذیری پروب معمولی می‌تواند منجر به اندازه‌گیری‌هایی در 001/0 میلی‌متر یا 00005/0 اینچ (نیم ده هزارم) در کل حجم اندازه‌گیری شود. در دستگاه‌های 3، 3+2 و 5 محوری، پراب‌ها معمولاً با استفاده از استانداردهای قابل‌ردیابی کالیبره می‌شوند و حرکت دستگاه با استفاده از ابزارهای اندازه‌گیری کالیبره برای اطمینان از دقت بررسی می‌شود.

بدنه ماشین
اولین CMM توسط‌ شرکت Ferranti اسکاتلند در دهه 1950 به عنوان نتیجه نیاز مستقیم به اندازه گیری اجزای دقیق در محصولات نظامی آنها توسعه یا‌فت، اگرچه این دستگاه فقط 2 محور داشت. اولین مدل‌های 3 محوره در دهه 1960 ظاهر شدند (DEA ایتالیا / LK انگلستان) و کو کنترل کامپیوتری در اوایل دهه 1970 معرفی شد، اما اولین دستگاه CMM کارآمد توسعه داده و به فروش رسید توسط Browne & Sharpe در ملبورن، انگلستان شد. (Leitz آلمان ساختار ثابت دستگاه را با میز حرکتی تولید کرد.[منبع مورد نیاز].

در دستگاه‌های مدرن، ساختار فوقانی نوع گانتری دو پایه دارد و اغلب به عنوان پل شناور شناخته می‌شود. این پل به آزادی روی میز گرانیت حرکت می‌کند و یک پایه (معمولاً پایه داخلی نامیده می‌شود) با دنبال کردن یک ریل راهنما از یک طرف میز گرانیت حرکت می‌کند. پایه مقابل (معمولاً پایه خارجی) به سادگی روی سطح عمودی میز گرانیت حرکت می‌کند. پایه مقابل (اغلب‌ پای بیرونی) به سادگی بر روی میز گرانیتی قرار می گیرد که از کانتور سطح عمودی پیروی می کند. بلبرینگ های هوا روش انتخابی برای اطمینان از سفر بدون اصطکاک هستند. ‌در اینها، هوای‌ فشرده از طریق یک سری سوراخ‌های بسیار کوچک در سطح بلبرینگ صاف وارد می‌شود تا یک بالشتک هوای صاف اما کنترل‌شده فراهم کند که CMM می‌تواند به صورت نزدیک به بدون اصطکاک حرکت کند و این امر با استفاده از نرم‌افزار قابل جبران است. حرکت پل یا گانتری CMM می‌تواند به صورت نزدیک به بدون اصطکاک حرکت کند و این امر با استفاده از نرم‌افزار قابل جبران است. حرکت پل یا گانتری روی میز گرانیت محور یکی از صفحات XY را تشکیل می‌دهد میزهای چرخشی اختیاری را می توان برای افزایش قابلیت دسترسی کاوشگر اندازه گیری به قطعات کار پیچیده استفاده کرد. میز دوار به عنوان یک محور محرک چهارم، ابعاد اندازه گیری را که به صورت سه بعدی باقی می مانند، افزایش نمی دهد، اما درجه ای از انعطاف پذیری را فراهم می کند. برخی از کاوشگرهای لمسی خود دستگاه‌های چرخشی هستند که نوک آن می‌تواند به صورت عمودی بیش از 180 درجه و از طریق چرخش کامل 360 درجه بچرخد.

CMMها در حال حاضر در اشکال مختلفی نیز موجود هستند. این شامل بازوهای CMM است که از اندازه‌گیری زاویه‌ای در مفاصل بازو برای محاسبه موقعیت نوک استیلوس استفاده می‌کنند و می‌توانند با پراب‌ها برای اسکن لیزری و تصویربرداری اپتیکی تجهیز شوند. این CMM های بازویی معمولاً در جایی استفاده می‌شوند که قابلیت حمل و نقل آنها نسبت به CMM های ثابت مزیت دارد - با ذخیره مکان‌های اندازه‌گیری شده، نرم‌افزار برنامه‌ریزی اجازه می‌دهد تا خود بازوی اندازه‌گیری و حجم اندازه‌گیری‌اش، در طول روال اندازه‌گیری به دور قطعه‌ای که قرار است اندازه‌گیری شود، حرکت کند. به دلیل شباهت با انعطاف پذیری بازوی انسانی، این CMM های بازویی همچنین قادر به دسترسی به داخل قطعات پیچیده هستند که با استفاده از دستگاه سه محوره استاندارد قابل اندازه‌گیری نیستند.

کاوشگر مکانیکی
در اوایل دوران اندازه‌گیری مختصات (CMM)، پروب‌های مکانیکی در یک نگهدارنده ویژه روی انتهای ساقه قرار می‌گرفتند. یک پروب بسیار رایج با سختی یک توپ سخت که به انتهای یک شفت ملحوم شده بود، ساخته می‌شد. این پروب برای اندازه‌گیری سطوح صاف، استوانه‌ای یا کروی بسیار مناسب بود. پروب‌های دیگر به شکل‌های خاصی سنبیده شده بودند، به عنوان مثال یک چهارم، برای امکان اندازه‌گیری ویژگی‌های خاص. این پروب‌ها با فشار دادن فیزیکی به قطعه کار نگه داشته می‌شدند و موقعیت در فضا از یک خواندن دیجیتال ۳ محوره (DRO) خوانده می‌شد یا در سیستم‌های پیشرفته‌تر با استفاده از یک دستگاه فوتسویچ یا موارد مشابه به یک رایانه ثبت می‌شد. اندازه‌گیری‌های انجام شده توسط این روش تماسی اغلب غیرقابل اعتماد بودند زیرا ماشین‌ها به دست حرکت می‌یافتند و هر اپراتور ماشین به اندازه مختلفی فشار روی پروب یا تکنیک‌های مختلف را برای اندازه‌گیری به کار می‌گرفت.

یک توسعه بیشتر، افزودن موتورهایی بود که هر محور را حرکت می‌دادند. اپراتورها دیگر نیازی به لمس فیزیکی ماشین نداشتند، بلکه می‌توانستند هر محور را با استفاده از یک دستگاه جعبه‌دستی با جوی‌استیک‌ها رانده‌یابی کنند، به همان شکلی که با اتومبیل‌های کنترل از راه دور مدرن انجام می‌شود. دقت و دقت اندازه گیری با اختراع پروب ماشه الکترونیکی لمسی به طور چشمگیری بهبود یافت. پیشگام این دستگاه کاوشگر جدید دیوید مک مورتری بود که متعاقباً شرکت Renishaw فعلی را تشکیل داد. اگرچه این کاوشگر هنوز یک دستگاه تماسی بود، اما یک قلم توپ فولادی فنری (که بعداً توپ یاقوتی بود) داشت. هنگامی که پروب سطح قطعه را لمس می‌کرد، انحراف می‌کرد و اطلاعات مختصات X، Y و Z را به صورت همزمان به رایانه ارسال می‌کرد. خطاهای اندازه‌گیری ناشی از اپراتورهای فردی کمتر شدند و مرحله‌ای برای معرفی عملیات CNC و رشد CMMها فراهم شد. پروب‌های اپتیکی، سیستم‌های عدسی-CCD هستند که مانند پروب‌های مکانیکی حرکت می‌کنند و به جای لمس مواد، به نقطه مورد نظر هدف می‌شوند. تصویر از سطح گرفته شده در مرز پنجره‌ی اندازه‌گیری قرار خواهد گرفت تا تا میزان باقی‌مانده کافی باشد تا تفاوت بین نواحی سیاه و سفید را نشان دهد. خط تقسیم می‌تواند به نقطه‌ای محاسبه شود که نقطه اندازه‌گیری مطلوب در فضا است. اطلاعات افقی روی CCD دو بعدی (XY) است و موقعیت عمودی موقعیت سیستم کامل پروب‌گیری روی زاویه Z (یا قسمت دیگری از دستگاه) است.

سیستم های کاوشگر اسکن
مدل‌های جدید‌تری وجود دارند که دارای پروب‌هایی هستند که در طول سطح قطعه حرکت کرده و نقاط را در فواصل مشخصی اندازه‌گیری می‌کنند که به عنوان پروب‌های اسکن شناخته می‌شوند. این روش بررسی CMM اغلب دقیق‌تر از روش پروب لمسی سنتی است و بیشتر مواقع هم سریع‌تر است.

نسل بعدی اسکن نامیده می‌شود که شامل اسکن غیر تماسی است، که شامل تری‌استگانسی نقطه تکی لیزر با سرعت بالا است. اسکن خط لیزری، و اسکن نور سفید، بسیار سریع در حال پیشرفت است. در این روش از پرتوهای لیزر یا نور سفیدی که بر روی سطح قطعه پخش می شود استفاده می شود. سپس می‌توان هزاران نقطه را اندازه‌گیری کرده و نه تنها اندازه و موقعیت را بررسی کرد، بلکه تصویر ۳ بعدی قطعه را نیز ایجاد کرد. این اسکنرهای اپتیکی اغلب برای قطعات نرم یا حساس یا همچنین برای تسهیل فرآیند ترکیب با استفاده از تطبیق الگوی سوراخ یا کنتورهای سطح استفاده می‌شوند. آنها همچنین برای مهندسی معکوس که در آن که در آن یک مدل سه بعدی از یک قطعه موجود برای تولید مجدد یا اصلاح ایجاد می‌شود، مفید هستند


 * کاوشگرهای میکرومترولوژی

سیستم‌های پروب برای برنامه‌های متروبیولوژی مقیاس میکرو، یکی از حوزه‌های نوظهور است. چندین ماشین اندازه‌گیری مختصاتی (CMM) در بازار تجاری وجود دارند که یک میکرو پروب به سیستم آنها ادغام شده است، چندین سیستم ویژه در آزمایشگاه‌های دولتی و هر تعداد سامانه‌های متروبولوژی برای مقیاس میکرو ساخته شده در دانشگاه‌ها وجود دارد. با اینکه این دستگاه‌ها به عنوان سامانه‌های متروبولوژی با مقیاس نانومتری خوب و در بسیاری از موارد عالی هستند، اما محدودیت اصلی آنها یک پروب میکرو/نانو قابل اعتماد، قوی و قابل اطمینان است. چالش‌های فناوری‌های کاوشگر در مقیاس میکرو شامل نیاز به یک کاوشگر با نسبت تصویر بالا است که توانایی دسترسی به ویژگی‌های عمیق و باریک با نیروهای تماس کم را دارد تا به سطح و دقت بالا (سطح نانومتر) آسیب وارد نشود. علاوه بر این، کاوشگرهای ریزمقیاس به شرایط محیطی مانند رطوبت و فعل و انفعالات سطحی مانند چسبندگی (ناشی از چسبندگی ، مینیسک و/یا نیروهای واندروالس ) حساس هستند.

فن آوری هایی برای دستیابی به کاوشگر در مقیاس میکرو شامل نسخه کوچک شده کاوشگرهای CMM کلاسیک، پروب های نوری و پروب موج ایستاده در میان سایر موارد است. با این حال، فناوری‌های اپتیکی کنونی قابلیت کوچک سازی به اندازه کافی برای اندازه گیری ویژگی های عمیق و باریک را ندارند و وضوح اپتیکی توسط طول موج نور محدود می‌شود. تصویربرداری پرتو ایکس، تصویری از ویژگی را فراهم می کند، اما هیچ اطلاعاتی در خصوص متروولوژی قابل ردیابی فراهم نمی کند.


 * اصول فیزیکی

پروب‌های اپتیکی و/یا پروب‌های لیزری می‌توانند استفاده شوند (اگر امکان پذیر باشد در ترکیب) که باعث تبدیل CMM به میکروسکوپ‌های اندازه‌گیری یا ماشین‌های اندازه‌گیری چند حسگری می‌شوند. سیستم‌های پرتاب‌کن حاشیه‌ای، سیستم‌های مثلث‌سازی تئودولیت یا سیستم‌های دور و مثلث لیزری، ماشین‌های اندازه‌گیری نامیده نمی‌شوند، اما نتیجه اندازه‌گیری یکسان است: یک نقطه فضایی. کاوشگرهای لیزری برای تشخیص فاصله بین سطح و نقطه مرجع در انتهای زنجیره سینماتیکی (به عنوان مثال: انتهای جزء Z-drive) استفاده می شود. این می تواند از یک تابع تداخل سنجی، تغییر فوکوس ، انحراف نور یا یک اصل سایه پرتو استفاده کند.

دستگاه های اندازه گیری مختصات قابل حمل
در حالی که CMM های سنتی از پروبی استفاده می‌کنند که بر روی سه محور کارتزین حرکت کرده و ویژگی‌های فیزیکی یک شی را اندازه می‌گیرد، CMM های قابل حمل از بازوهای مفصلی یا در صورت استفاده از CMM های اپتیکی، از سیستم‌های اسکن بدون بازویی استفاده می‌کنند که از روش‌های سه ضلعی سازی اپتیکی استفاده می‌کنند و به کاربر امکان حرکت آزاد کامل در اطراف شی را می‌دهد.

CMM های قابل حمل با بازوهای مفصل دارای شش یا هفت محور با روتاری انکودرها هستند که به جای محورهای خطی از آنها استفاده می‌شود. بازوهای قابل حمل سبک هستند (معمولاً کمتر از 20 پوند) و می‌توانند تقریباً در هرجایی حمل و استفاده شوند. با این حال، CMM های اپتیکی در صنعت به طور فزاینده‌ای استفاده می‌شوند. این دستگاه‌ها با دوربین‌های خطی کوچک یا آرایه ماتریسی (مانند Microsoft Kinect) طراحی شده‌اند، کوچکتر از CMM های قابل حمل با بازوهای مفصل هستند، بدون سیم هستند و کاربران را قادر می‌سازند به راحتی اندازه گیری سه بعدی انواع مختلفی از اشیاء را در تقریباً هر مکانی انجام دهند.

برخی از برنامه های غیر تکراری خاص مانند مهندسی معکوس ، نمونه سازی سریع و بازرسی در مقیاس بزرگ از قطعات در هر اندازه برای CMM های قابل حمل مناسب هستند. مزایای CMM های قابل حمل چندگانه هستند. کاربران این امکان را دارند که اندازه‌گیری‌های سه بعدی انواع مختلف قطعات را در محل‌های دورافتاده/پیچیده انجام دهند. آنها آسان در استفاده هستند و برای انجام اندازه‌گیری دقیق نیاز به محیط کنترل شده ندارند. علاوه بر این، هزینه CMM های قابل حمل معمولاً کمتر از CMM های سنتی است.

تضادهای ذاتی CMM های قابل حمل، عملکرد دستی آنها است (همیشه نیاز به انسان برای استفاده از آنها دارند). علاوه بر این، دقت کلی آنها ممکن است کمی کمتر از CMM های نوع پل باشد و برای برخی برنامه ها مناسب نباشد.

ماشین های اندازه گیری چند سنسوری
فناوری CMM سنتی با استفاده از پروب های لمسی امروزه اغلب با فناوری اندازه‌گیری دیگر ترکیب می‌شود. این شامل سنسورهای لیزر، ویدئویی یا نور سفید است که به عنوان اندازه‌گیری چند حسگری شناخته می‌شود.

استاندارد سازی
برای تأیید عملکرد یک دستگاه اندازه‌گیری مختصاتی، سری استانداردهای ISO 10360 در دسترس است. این سری استانداردها ویژگی‌های سیستم پروب‌گذاری و خطای اندازه‌گیری طول را تعریف می‌کنند:


 * فرم P: انحراف کاوشگر هنگام اندازه گیری شکل یک کره
 * P Size : انحراف کاوشگر هنگام اندازه گیری اندازه یک کره
 * E Uni : انحراف طول اندازه گیری کره ها از یک جهت
 * E Bi : انحراف اندازه گیری طول کره ها از چپ و راست

سری ISO 10360 از بخش های زیر تشکیل شده است:


 * ISO 10360-1 مشخصات محصول هندسی (GPS) -- آزمون های پذیرش و تأیید مجدد برای دستگاه های اندازه گیری مختصات (CMM) -- قسمت 1: واژگان
 * ISO 10360-2 مشخصات محصول هندسی (GPS) -- آزمون های پذیرش و تأیید مجدد برای دستگاه های اندازه گیری مختصات (CMM) -- قسمت 2: CMM های مورد استفاده برای اندازه گیری ابعاد خطی
 * ISO 10360-7 مشخصات محصول هندسی (GPS) -- آزمون های پذیرش و تأیید مجدد برای دستگاه های اندازه گیری مختصات (CMM) -- قسمت 7: CMM های مجهز به سیستم های کاوشگر تصویربرداری
 * ISO 10360-8 مشخصات محصول هندسی (GPS) -- آزمون های پذیرش و تأیید مجدد برای سیستم های اندازه گیری مختصات (CMS) -- قسمت 8: CMM با سنسورهای فاصله نوری

همچنین ببینید

 * دستگاه اندازه گیری جهانی
 * اسکنر سه بعدی

منابع
