Введение
Координатаизмерительная машина (КИМ)является одним из наиболее важных инструментов в современном обеспечении качества производства. От автомобильных компонентов до аэрокосмических деталей, от медицинских имплантатов до полупроводниковых корпусов, КИМ обеспечивают трехмерные измерения, которые подтверждают, соответствует ли изготовленная деталь своим проектным спецификациям.
Тем не менее, несмотря на всю свою распространенность, источники точности КИМ - и факторы, ограничивающие эту точность -, не всегда хорошо понимаются за пределами метрологического сообщества. В этой статье рассматривается, как работают КИМ, что обеспечивает их точность и какие физические факторы и факторы окружающей среды ограничивают точность измерений.
Базовая архитектура КИМ
КИМ — это, по сути, трехмерное устройство-измерения положения. Он состоит из движущегося зонда, установленного на структурном каркасе, который позволяет перемещаться по трем ортогональным осям - X, Y и Z - в пределах определенного объема измерения. Положение щупа вдоль каждой оси отслеживается прецизионными линейными энкодерами, а размеры заготовки определяются на основе записанных положений щупа в момент контакта или захвата.
Структурная основа КИМ должна поддерживать геометрические соотношения между осями - прямоугольность, прямолинейность и плоскостность - с высокой точностью во всем объеме измерения и в различных условиях окружающей среды. Отклонения от идеальной геометрии конструкции машины напрямую приводят к ошибкам измерения.
Система датчиков преобразует контакт датчика с заготовкой в триггерный сигнал или сигнал положения. Сенсорные-щупы генерируют сигнал при отклонении от нейтрального положения. Сканирующие зонды непрерывно измеряют их отклонение при перемещении по поверхности. Лазерные зонды собирают данные облака точек бесконтактно. Каждый тип датчиков имеет различные характеристики точности и ниши применения.
Гранитный стол: размерный фундамент ШМ
В основании большинства КИМ мостового-и портального-типа находится прецизионная гранитная плита. Это не случайно - гранитный стол является основным эталоном размеров КИМ по вертикальной оси, и его плоскостность напрямую влияет на общую объемную точность машины.
Для КИМ, работающих с точностью 1–2 мкм, плоскостность гранитного стола может быть указана на уровне 1–3 мкм по всей рабочей площади. Любое отклонение в таблице, попадающее в объем измерения, становится частью бюджета геометрической погрешности машины.
Гранит используется для столов КИМ, а не альтернативных металлов по нескольким хорошо-установленным причинам: стабильность размеров с течением времени, низкая чувствительность к изменению температуры, не-магнитные свойства, характеристики гашения вибрации и возможность притирки до высокой плоскостности. Гранитный стол также обеспечивает стабильную, четко определенную-привязку для шкалы оси Z- КИМ.
С помощью КИМ высочайшей точности -, используемых национальными метрологическими институтами и калибровочными лабораториями -, гранитный стол можно проверить на допуск плоскостности в диапазоне 0,5–1 мкм, а весь объем машины можно нанести на карту с помощью лазерного интерферометра для определения характеристик и исправления всех геометрических ошибок.
21 геометрическая ошибка трехосного станка
Трех-осная КИМ подвержена 21 независимой геометрической ошибке, которые полностью характеризуют ее геометрическое поведение. Каждая линейная ось вносит шесть ошибок: три поступательные (ошибка позиционирования вдоль оси, прямолинейность в двух поперечных направлениях) и три вращательные (рыскание, тангаж и крен). Комбинация трех-осей приводит к трем ошибкам прямоугольности между парами осей.
Эти 21 ошибка не случайны -, они систематичны и повторяются для данной машины в данном состоянии. Современные высокоточные-КИМ определяют все 21 геометрическую ошибку посредством комплексного процесса калибровки с использованием лазерных интерферометров, прецизионных угольников и шариковых стержней. После характеристики ошибки сохраняются в компьютере станка и используются для коррекции измеренных положений в реальном времени посредством программной компенсации ошибок.
Этот подход - физического измерения систематических ошибок с последующей программной компенсацией - позволяет КИМ достигать объемной точности, которую не могла бы обеспечить одна только их механическая точность. Машина с грубой механической геометрической погрешностью 5 мкм в некотором направлении может после полной геометрической калибровки и компенсации достичь объемной точности 1 мкм в типичных сценариях измерений.
Факторы окружающей среды, ограничивающие точность КИМ
Даже идеально откалиброванная КИМ работает в реальной среде, а факторы окружающей среды на практике часто являются доминирующим источником неопределенности измерений.
Температура является наиболее значимой переменной окружающей среды. Международный стандарт измерения размеров (ISO 1) определяет 20 градусов в качестве эталонной температуры. Когда заготовка, КИМ и эталонный образец имеют разные температуры -, что обычно происходит, когда деталь поступает с производственного цеха в измерительную комнату -, результирующие различия в размерах могут быть значительными. Для стальной детали диаметром 500 мм отклонение температуры на 1 градус от 20 градусов приводит к изменению длины примерно на 5,85 мкм.
Вибрация является вторым по значимости фактором окружающей среды. Вибрации грунта от тяжелого оборудования, пешеходного движения, систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и транспорта могут возбуждать конструкцию КИМ и вносить шум при измерениях. По этой причине высокоточные-КИМ обычно устанавливаются на виброизолированных полах-или на активных вибро-подставках.
Влажность влияет не на измерение напрямую, а на заготовку: многие металлы демонстрируют небольшие, но реальные изменения размеров при влажности, а высокая влажность может вызвать образование конденсата на поверхностях, что мешает тактильному зондированию.
Потоки воздуха в помещении, где проводятся измерения, могут создавать температурные градиенты внутри объема измерения, вызывая локальное тепловое расширение, которое отличается от среднего значения по помещению. Контроль движения воздуха посредством тщательного проектирования систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха — это часть передового опыта в области высокоточной-метрологии.
Квалификация зонда и ее важность
Датчик является интерфейсом между КИМ и заготовкой. Его точность -, в частности повторяемость и правильная калибровка относительно системы координат КИМ -, так же важны, как и геометрическая точность станка.
Сенсорные-щупы должны быть сертифицированы с использованием эталонной сферы известного диаметра и формы, называемой эталонным шаром или аттестационной сферой. Этот процесс определяет точный центр и радиус наконечника датчика в системе координат станка. Для сканирующих датчиков процесс калибровки более сложен и характеризует поведение датчика во всем диапазоне измерений и в нескольких направлениях подхода.
В прецизионных приложениях КИМ эталонные образцы, используемые для квалификации датчиков, сами калибруются и прослеживаются до национальных стандартов измерений, обеспечивая непрерывную цепочку прослеживаемости от измерений с помощью КИМ до международного определения счетчика.
Прослеживаемость: цепочка, которая делает измерения значимыми
Результат измерения с помощью КИМ имеет такое же значение, как и его прослеживаемость - — непрерывная цепочка сравнений, которая связывает измерение с фундаментальным определением длины. Без прослеживаемости сообщаемые измерения не имеют установленной связи с каким-либо стандартом и не могут быть значимо сравнены с измерениями, выполненными в других лабораториях или на других машинах.
На практике прослеживаемость КИМ достигается путем калибровки линейных энкодеров машины по измерениям лазерного интерферометра, использования калиброванных эталонных артефактов (калибровочных блоков, эталонных сфер, ступенчатых датчиков) для проверки производительности машины и работы в среде с-контролируемой температурой, которая позволяет сообщать об условиях измерения вместе с результатом измерения.
Национальные метрологические институты -, работающие на вершине иерархии прослеживаемости измерений -, поддерживают первичные эталоны, на основе которых в конечном итоге получают прослеживаемость все промышленные калибровки. Эти институты используют самые точные КИМ и специализированные инструменты в мире, а результаты их измерений лежат в основе систем обеспечения качества целых национальных производственных секторов.
Заключение
Координатно-измерительная машина — это триумф интегрированной инженерии: точная механика, сложное программное обеспечение, калиброванные датчики и контролируемая среда работают вместе для измерения размеров, которые делают возможным современное производство. Понимание источников точности КИМ - гранитной структурной основы, 21 геометрической ошибки и их исправления, факторов окружающей среды, системы датчиков и цепочки отслеживания - важно для всех, кто полагается на измерения КИМ для принятия решений о качестве.
Поскольку производственные допуски продолжают ужесточаться во всех отраслях, требования к точности, стабильности и калибровке КИМ будут расти параллельно. Основополагающие инженерные решения, лежащие в основе этих машин, начиная с гранитного стола и выше, останутся центральными в этой продолжающейся задаче.