Introducere
Coordonatamasina de masurat (CMM)este unul dintre cele mai importante instrumente în asigurarea calității producției moderne. De la componente auto până la piese aerospațiale, de la implanturi medicale până la pachete de semiconductori, CMM-urile oferă măsurători tridimensionale-dimensionale care confirmă dacă o piesă fabricată îndeplinește specificațiile sale de proiectare.
Cu toate acestea, cu toată prevalența lor, sursele de acuratețe dintr-un CMM - și factorii care limitează acea acuratețe - nu sunt întotdeauna bine înțelese în afara comunității metrologiei. Acest articol examinează modul în care funcționează CMM-urile, ce le permite acuratețea și ce factori fizici și de mediu limitează cât de precis pot măsura.
Arhitectura de bază a unui CMM
Un CMM este, în principiu, un dispozitiv de măsurare-poziției 3D. Constă dintr-o sondă în mișcare montată pe un cadru structural care permite mișcarea de-a lungul a trei axe ortogonale - X, Y și Z - pe un volum de măsurare definit. Poziția sondei de-a lungul fiecărei axe este urmărită de codoare liniare de precizie, iar măsurătorile dimensionale ale unei piese de prelucrat sunt derivate din pozițiile sondei înregistrate în momentul contactului sau captării.
Cadrul structural al unui CMM trebuie să mențină relațiile geometrice dintre axele - perpendicularitate, dreptate și planeitate - cu o precizie ridicată pe întregul volum de măsurare și în condiții de mediu diferite. Abaterile de la geometria ideală în structura mașinii se traduc direct în erori de măsurare.
Sistemul de sondă convertește contactul sondei cu piesa de prelucrat într-un semnal de declanșare sau de poziție. Sondele cu declanșare-atingere generează un semnal atunci când sunt deviate din poziția lor neutră. Sondele de scanare măsoară continuu deformarea lor pe măsură ce sunt deplasate de-a lungul unei suprafețe. Sondele laser captează date din norul de puncte fără contact. Fiecare tip de sondă are caracteristici distincte de precizie și nișe de aplicare.
Masa de granit: fundația dimensională a CMM
La baza majorității CMM-urilor de tip punte- și tip portal- se află o placă de suprafață de granit de precizie. Acest lucru nu este întâmplător - masa de granit este referința dimensională primară a CMM-ului în axa verticală, iar specificația de planeitate contribuie direct la precizia volumetrică generală a mașinii.
Pentru un CMM care funcționează la o specificație de precizie de 1–2 µm, planeitatea mesei de granit poate fi specificată la 1–3 µm pe întreaga zonă de lucru. Orice abatere din tabel care se încadrează în volumul de măsurare devine parte din bugetul de eroare geometrică al mașinii.
Granitul este folosit pentru mesele CMM, mai degrabă decât alternativele metalice, din mai multe-motive bine stabilite: stabilitate dimensională în timp, sensibilitate scăzută la schimbările de temperatură, caracter ne-magnetic, caracteristici de amortizare a vibrațiilor și capacitatea de a fi lepat la planeitate ridicată. Tabelul de granit oferă, de asemenea, o referință stabilă,- bine definită pentru scara axei Z- a CMM-ului.
În CMM-urile cu cea mai mare precizie - cele utilizate de institutele naționale de metrologie și laboratoarele de calibrare - masa de granit poate fi verificată cu toleranțe de planeitate în intervalul de 0,5–1 µm, iar volumul complet al mașinii poate fi mapat cu un interferometru laser pentru a caracteriza și corecta toate erorile geometrice.
Cele 21 de erori geometrice ale unei mașini cu trei-axe
Un CMM cu trei-axe este supus la 21 de erori geometrice independente care caracterizează pe deplin comportamentul său geometric. Fiecare axă liniară contribuie cu șase erori: trei de translație (eroare de poziționare de-a lungul axei, dreptate în două direcții transversale) și trei de rotație (vicială, înclinare și rostogolire). Combinația cu trei-axe introduce trei erori de pătrat între perechile de axe.
Aceste 21 de erori nu sunt aleatorii - sunt sistematice și repetabile pentru o anumită mașină într-o anumită stare. CMM-urile moderne de-înaltă precizie caracterizează toate cele 21 de erori geometrice printr-un proces cuprinzător de calibrare care utilizează interferometre laser, pătrate de precizie și bare cu bile. Odată caracterizate, erorile sunt stocate în computerul mașinii și utilizate pentru a corecta pozițiile măsurate în timp real prin compensarea erorilor software.
Această abordare - măsurarea fizică a erorilor sistematice urmată de compensarea software - permite CMM-urilor să obțină precizii volumetrice pe care acuratețea lor mecanică brută nu le-ar putea suporta. O mașină cu 5 µm de eroare geometrică mecanică brută într-o anumită direcție poate, după calibrarea și compensarea geometrică completă, să atingă o precizie volumetrică de 1 µm în scenariile tipice de măsurare.
Factori de mediu care limitează precizia CMM
Chiar și un CMM perfect calibrat funcționează într-un mediu real, iar factorii de mediu sunt adesea sursa dominantă a incertitudinii de măsurare în practică.
Temperatura este cea mai importantă variabilă de mediu. Standardul internațional pentru măsurători dimensionale (ISO 1) definește 20 de grade ca temperatură de referință. Atunci când o piesă de prelucrat, un CMM și un artefact de referință sunt toate la temperaturi diferite -, așa cum se întâmplă de obicei atunci când o piesă vine de la un etaj de producție într-o cameră de măsură -, diferențele dimensionale rezultate pot fi semnificative. Pentru o piesă de oțel de 500 mm, o abatere de temperatură de 1 grad de la 20 de grade introduce aproximativ 5,85 µm de modificare a lungimii.
Vibrația este al doilea factor major de mediu. Vibrațiile la sol de la echipamentele grele, traficul pietonal, sistemele HVAC și traficul pot excita structura CMM și pot introduce zgomot de măsurare. Din acest motiv, CMM-urile de-înaltă precizie sunt instalate de obicei pe podele izolate de vibrații-sau suporturi active anti-vibrații.
Umiditatea afectează nu măsurarea în mod direct, ci piesa de prelucrat: multe metale prezintă modificări dimensionale mici, dar reale odată cu umiditatea, iar umiditatea ridicată poate provoca condens pe suprafețe care perturbă sondarea tactilă.
Curenții de aer din camera de măsurare pot introduce gradienți de temperatură în volumul de măsurare, determinând dilatare termică locală care diferă de media camerei. Controlul mișcării aerului printr-un proiect HVAC atent face parte din cele mai bune practici în metrologia de{1}}înaltă precizie.
Calificarea sondei și importanța acesteia
Sonda este interfața dintre CMM și piesa de prelucrat. Precizia sa - în special repetabilitatea și calibrarea sa corectă în raport cu sistemul de coordonate CMM - este la fel de importantă ca și precizia geometrică a mașinii.
Sondele cu declanșare-la atingere trebuie să fie calificate folosind o sferă de referință cu diametru și formă cunoscute, numită bilă de referință sau sferă de calificare. Acest proces determină centrul și raza precisă a vârfului sondei în sistemul de coordonate al mașinii. Pentru sondele de scanare, procesul de calibrare este mai elaborat, caracterizând comportamentul sondei pe întregul său domeniu de măsurare și în mai multe direcții de apropiere.
În aplicațiile CMM de precizie, artefactele de referință utilizate pentru calificarea sondei sunt ele însele calibrate și urmăribile la standardele naționale de măsurare, menținând un lanț neîntrerupt de trasabilitate de la măsurarea CMM până la definiția internațională a contorului.
Trasabilitate: lanțul care face ca măsurătorile să fie semnificative
Un rezultat de măsurare de la un CMM este la fel de important ca trasabilitatea acestuia - lanțul neîntrerupt de comparații care leagă măsurarea înapoi la definiția fundamentală a lungimii. Fără trasabilitate, o măsurătoare raportată nu are o relație stabilită cu niciun standard și nu poate fi comparată în mod semnificativ cu măsurătorile efectuate în alte laboratoare sau pe alte mașini.
În practică, trasabilitatea CMM este stabilită prin calibrarea codificatoarelor liniare ale mașinii în raport cu măsurătorile cu interferometru laser, prin utilizarea artefactelor de referință calibrate (blocuri de măsurare, sfere de referință, indicatori în trepte) pentru a verifica performanța mașinii și prin funcționarea într-un mediu controlat de temperatură, care permite ca condițiile de măsurare să fie raportate alături de rezultatul măsurării.
Institutele naționale de metrologie - care operează la vârful ierarhiei de trasabilitate a măsurătorilor - mențin standardele primare de la care toate calibrările de măsurare industriale își derivă în cele din urmă trasabilitatea. Aceste institute folosesc cele mai precise CMM-uri și instrumente specializate din lume, iar rezultatele măsurătorilor lor stau la baza sistemelor de asigurare a calității din întregi sectoare naționale de producție.
Concluzie
Mașina de măsurat în coordonate este un triumf al ingineriei integrate: mecanică precisă, software sofisticat, senzori calibrați și mediu controlat care lucrează împreună pentru a produce măsurători dimensionale care permit producția modernă. Înțelegerea surselor de precizie CMM - baza structurală de granit, 21 de erori geometrice și corectarea acestora, factorii de mediu, sistemul de sondă și lanțul de trasabilitate - este esențială pentru oricine se bazează pe măsurători CMM pentru a lua decizii de calitate.
Pe măsură ce toleranțele de producție continuă să se înăsprească în diferite industrii, cerințele privind precizia, stabilitatea și calibrarea CMM vor crește în paralel. Ingineria de bază din spatele acestor mașini, de la masa de granit în sus, va rămâne esențială pentru această provocare continuă.