Координатно-измерительная машина (CMM) — это точный инструмент, используемый для измерения физических геометрических характеристик объекта. Используя систему координат, он выполняет эти измерения, определяя размеры, формы и положения объекта.
КИМ необходимы для контроль качества, инспекция и обратный инжиниринг в обрабатывающей, автомобильной, аэрокосмической и электронной промышленности.
С 1960-х годов промышленное производство развивалось под влиянием таких отраслей, как машиностроение, автомобилестроение и аэрокосмическая промышленность, что привело к появлению трехкоординатных измерительных машин и технологии 3D-измерений.
КИМ — новый высокоэффективный прецизионный измерительный прибор, разработанный за последние 30 лет. Он широко используется в машиностроении, электронной, автомобильной и аэрокосмической промышленности.
Он может проверять размер, форму и взаимное расположение деталей и компонентов, таких как размеры короба, направляющей, турбины и лопатки, цилиндра, кулачка, шестерни, фор, м и другие пространственные профили.
Кроме того, его можно использовать для скрайбирования, центрирования отверстий, фотолитографии интегральных схем, сканирования непрерывных поверхностей и подготовки программ обработки для станков с ЧПУ.
Благодаря своей универсальности, диапазону измерения, высокой точности, высокой эффективности и хорошей производительности его можно подключить к гибкой производственной системе. Он стал классом крупногабаритных прецизионных приборов, поэтому существует «центр измерений».
КИМ о роли трехмерного измерения
Появление координатно-измерительной машины (КИМ) является важной вехой, знаменующей переход от классических ручных методов измерений к современной технологии автоматического контроля.
КИМ играют важную роль в технологии трехмерных измерений в следующих аспектах:
1. Решение сложных задач измерения
КИМ позволяют измерять сложные контуры поверхностей, включая размеры и положение отверстий в деталях коробок, лопатках, шестернях, а также внешние контуры транспортных средств и самолетов.
2. Повышение точности измерений
Высокоточные КИМ достигают точности по одной оси до 1 мкм на метр и трехмерной пространственной точности 1–2 мкм. Цеховые КИМ обеспечивают точность в пределах 3–4 мкм на метр.
3. Продвижение автоматизированных производственных линий
КИМ могут интегрироваться со станками с ЧПУ и обрабатывающими центрами для формирования автоматизированных производственных линий или гибких производственных систем, что способствует автоматизации производства.
4. Повышение эффективности измерений
Постоянное совершенствование точности и автоматизации КИМ значительно повышает эффективность процессов трехмерных измерений.
5. Использование компьютерных технологий
Электронные компьютеры облегчают обработку данных, обеспечивают функции управления и сокращают время измерения более чем на 95%.
В прилагаемой таблице сравнивается эффективность КИМ с традиционными методами измерения.
Статус исследования КИМ
Первая в мире КИМ была произведена в Великобритании в 1959 году, и ее применение стало довольно распространенным в наши дни. Согласно статистике международных профессиональных консалтинговых компаний, темпы роста продаж КИМ составляют около 7%-25%.
В развитых странах этот процент выше, но темпы роста ежегодно снижаются примерно на 7–10%; в развивающихся странах этот процент ниже, но темпы роста увеличиваются примерно на 15–25%.
В настоящее время трехкоординатные измерительные машины стремительно развиваются, в мире насчитывается более 50 производителей измерительных машин, разнообразие спецификаций достигло более 300 видов.
Обзор оборудования
Производители координатно-измерительных машин, серии многих разновидностей, большинство из которых имеют функцию скрайбирования. Известные зарубежные производители — немецкие Zeiss и Leitz Letiz, итальянская DEA, американская Brown @ Sharp (Brown & Shape), японская Mitutoyo (Mitutoyo) и другие.
В целом КИМ-машины имеют следующие характеристики:
Доступность и дизайн
а) Большинство станков имеют консольную компоновку, что обеспечивает отличную доступность пространства для монтажа крупных деталей или целых транспортных средств.
б) Оптимизированные проекты с использованием AutoCAD и методов конечных элементов обеспечивают разумные конструкции и привлекательные формы.
Специализированная разработка
в) Широкие возможности специализированной разработки позволяют создавать более индивидуальное программное обеспечение и аксессуары для удовлетворения разнообразных потребностей пользователей.
Материал и конструкция
г) Движущиеся части в основном изготовлены из алюминиевого сплава, что минимизирует массу, обеспечивая высокую жесткость и низкую инерцию.
Компенсация и контроль ошибок
e) Оснащен 21 программным средством компенсации ошибок для повышения точности при минимальных затратах.
f) Оснащена 32-битной системой непрерывного управления траекторией DSP с более высокой производительностью, чем традиционные центральные процессоры, поддерживающей сложные вычисления и хранящиеся внутри программы высокого уровня.
Расширенные возможности зондирования и программного обеспечения
ж) В станках преимущественно используются электрические датчики Renishaw (Великобритания), известные своей надежностью и функциональностью.
h) Включает в себя полнофункциональное программное обеспечение для управления и измерений, а также специализированные программы исправления ошибок.
Стабильность и сеть
i) Машины отличаются высокой стабильностью, надежностью и длительным сроком службы.
j) КИМ объединены в сеть с компьютерными рабочими станциями и станками с ЧПУ, что обеспечивает бесперебойную интеграцию.
Быстрый технологический рост
k) Технология КИМ быстро развивается: системы ЧПУ и программное обеспечение для измерений обновляются каждые два-три года.
Стандартизация и разнообразие
l) Предлагает широкий спектр моделей с высокой степенью стандартизации, обобщения и сериализации.
Тенденция будущего развития КИМ
Передовая технология производства, различные инженерные проекты, необходимость проведения научных экспериментов на трехкоординатной измерительной машине постоянно выдвигали новые, более высокие требования.
Исходя из текущего развития трехкоординатных измерительных машин и требований науки и техники к производству трехкоординатных измерительных машин, в последующий период основные тенденции их развития можно обобщить в следующих аспектах.
1. Популяризация и продвижение высокоскоростных измерений
Качество и эффективность всегда были двумя основными показателями производительности различных машин, а также преимуществ и недостатков производственных процессов.
Традиционная концепция заключается в том, что скорость измерения не должна быть слишком высокой, чтобы обеспечить точность измерений.
По мере ускорения темпов производства пользователи требуют, чтобы измерительная машина обеспечивала точность и отвечала все более жестким требованиям к скорости. Повышение скорости измерения КИМ приносит следующие инновации:
Структурные усовершенствования и усовершенствования материалов
а) Улучшения конструкции и изменения материалов оптимизируют жесткость и уменьшают массу движущихся частей.
Легкие материалы, такие как алюминий, керамика и синтетические материалы, заменяют обычные материалы, такие как гранит, уменьшая инерцию движения. Также внедряются тонкостенные полые конструкции.
Улучшения динамических характеристик
b) Высокоскоростная динамическая производительность основана на улучшенных возможностях динамической компенсации. Структурные параметры измерительной машины и протоколы движения оптимизированы для минимизации динамических ошибок, улучшения производительности системы управления и обеспечения высокой точности во время высокоскоростных измерений.
Переход на бесконтактные методы зондирования
c) Бесконтактное зондовое измерение позволяет избежать ограничений сенсорных методов, таких как частое ускорение, замедление и столкновения, что значительно повышает скорость измерения. Этот метод повышает надежность и безопасность и превосходит традиционное сенсорное измерение.
Роль технологии офлайн-программирования
г) Технология офлайн-программирования, поддерживаемая САПР, позволяет подготавливать программу измерений в среде трехмерной графики без использования измерительной машины.
Это синхронизирует подготовку измерений с производственными процессами, повышая эффективность как измерительной машины, так и подготовки программы.
Благодаря внедрению этих достижений КИМ продолжают совершенствоваться по скорости, точности и эффективности, удовлетворяя растущие требования современных производственных процессов.
2. Применение новых материалов и технологий
Для обеспечения надежной высокоскоростной функции измерения за рубежом придают большое значение выбору сырья для исследовательского корпуса, в последнее время в качестве традиционного чугуна, литой стали на основе добавления сплавов, камня, керамики и других новых материалов.
Компании Zeiss, Sheffield, Leitz, Ferranti (Великобритания), DEA и другие крупные мировые производители координатно-измерительных машин используют большую часть легких, обладающих хорошей жесткостью и теплопроводностью сплавов для изготовления подвижных компонентов механизма измерительной машины.
Все более широкое применение в КИМ находят алюминиевые сплавы, керамические материалы и различные синтетические материалы.
Благодаря хорошей теплопроводности новых материалов при неравномерном распределении температуры можно быстро, за очень короткий промежуток времени, добиться термической гладкости и свести к минимуму термическую деформацию, вызванную изменениями температуры.
По этой причине в последние годы это привело к переформулировке производителем климакса, и появляются новые сорта. Прогресс технических показателей показан в двух аспектах:
а) Максимальная рабочая скорость 15 м/с и более;
б) Требования к температуре окружающей среды могут быть снижены до 20 ± 4°C.
Другие новые технологии, такие как магнитная левитация, также будут использоваться в измерительных машинах и других зондах.
3. Улучшения системы управления
В современных производственных системах цель измерений все чаще не ограничивается приемочным контролем готовой продукции, а охватывает всю производственную систему в целом, предоставляя информацию о производственном процессе и создавая основу для контроля.
Исходя из этого требования, измерительная машина должна иметь открытую систему управления с большей гибкостью. Для этого можно использовать быстрое развитие новых электронных промышленных технологий, особенно компьютеров, для проектирования новых систем с высоким соотношением производительность/цена.
В последние годы цены на компьютеры снизились, а производительность улучшилась. Предположим, что вы можете использовать массовое производство недорогих и высокопроизводительных шаблонов компьютеров (например, 80386, 80486) для проектирования специальной цифровой системы управления измерительной машиной.
В этом случае вы можете внедрить новую, недорогую и высокопроизводительную систему управления измерительной машиной. В качестве альтернативы, сложные системы управления могут быть компактно спроектированы для снижения затрат.
4. Разработка измерительных машинных зондов
Роль зондов в точности КИМ
Помимо механического корпуса КИМ, зонд является ключом к достижению высокой точности и считается ядром КИМ. Улучшение производительности зонда является наиболее сложным аспектом по сравнению с другими техническими показателями.
Идеальные характеристики зонда
Идеальная производительность зонда тесно связана с его параметрами, такими как диаметр корпуса зонда (D) и длина стержня зонда (L), причем решающее значение имеет соотношение L/D. Более высокое соотношение L/D улучшает производительность, при значениях более 6 обеспечивается точность выше 0.1 мкм и скорость перемещения триггера от 0.5 мм/с до 80 мм/с.
Достижения в технологии зондов
Разработка технологии «твердотельных датчиков» неизбежна для удовлетворения этих высоких требований к производительности, перехода от пассивного восприятия к активному считыванию и решения таких проблем, как чувствительность пьезоэлектрических датчиков и устойчивость к помехам.
Рост популярности бесконтактных зондов
Ключевой тенденцией в технологии зондов является более широкое использование бесконтактных зондов, особенно в таких отраслях, как микроэлектроника, где контактные зонды не могут измерять двумерные шаблоны, такие как маски интегральных схем.
Рост оптических координатно-измерительных машин
Быстрое развитие оптических координатно-измерительных машин было сосредоточено на бесконтактном измерении. Эти машины, в паре с усовершенствованными бесконтактными зондами, предлагают высокую точность и широкий диапазон, облегчая сканирующие измерения и специализированные измерения микродеталей, особенно в небольших отверстиях.
Будущее технологии зондирования
Использование различных типов зондов, как одновременно, так и попеременно, также является важным направлением развития будущего технологии КИМ.
5. Инновации в области программных технологий
Программное обеспечение определяет функциональность измерительной машины и удобство ее использования, а также поддерживает новые технологические разработки.
Для интеграции КИМ в производство необходимо разработать программное обеспечение для сетевых коммуникаций, моделирования, САПР, обратного проектирования и имитационного моделирования.
Кроме того, ускорить популяризацию использования программного обеспечения для общих измерений (DMIS) для облегчения обмена данными с CAD/CAM;
Разработка специализированного программного обеспечения для измерений различных деталей и объединение его на общей платформе — неизбежная тенденция в области инноваций в области программного обеспечения.
Можно сказать, что программное обеспечение измерительных машин является одной из наиболее быстро развивающихся технологий в КИМ.
Разработка программного обеспечения позволит вывести трехкоординатную измерительную машину на путь интеллектуального развития.
Заключение
Будучи основой точных измерений, КИМ превратилась в интеллектуальную автоматизацию, совершенствуя материалы, высокоскоростные бесконтактные технологии и интеграцию для удовлетворения промышленных потребностей и стимулирования модернизации производства.
Каковы основные типы КИМ?
- Мостовая КИМ: Наиболее распространены для общего пользования.
- Консольная КИМ: Используется для мелких деталей с высокой точностью.
- Портальная КИМ: Идеально подходит для крупных деталей.
- Портативная КИМ: Используется для измерений на месте и обеспечения гибкости.
В каких отраслях промышленности используются КИМ?
КИМ широко используются в аэрокосмической, автомобильной, обрабатывающей, медицинской промышленности и других отраслях, где требуется точный контроль качества и размерный анализ.
Какова точность КИМ?
Точность зависит от типа и конфигурации машины, но может варьироваться от нескольких микрон до субмикронных уровней для высокоточных моделей.
Какова роль программного обеспечения в работе КИМ?
Программное обеспечение КИМ анализирует данные измерений, создает отчеты и интегрируется с моделями САПР для сравнения фактических деталей с их проектными характеристиками.
Какие зонды обычно используются в КИМ?
- Датчики прикосновения: Для дискретного точечного измерения.
- Сканирующие зонды: Для непрерывных измерений поверхности.
- Бесконтактные датчики: Например, лазерные или оптические зонды для деликатных или мягких материалов.
В чем преимущество использования КИМ перед традиционными измерительными инструментами?
КИМ обеспечивают более высокую точность, более быстрые измерения и возможность измерения сложных геометрических форм, с которыми не могут справиться традиционные инструменты, такие как штангенциркули и микрометры.
Какие факторы влияют на точность КИМ?
Факторы включают калибровку машины, температурную стабильность, тип зонда, навыки оператора и крепление детали.
Как калибруется КИМ?
Калибровка выполняется с использованием сертифицированных эталонных стандартов, чтобы гарантировать точность измерений, выполняемых машиной. Регулярное техническое обслуживание и контроль окружающей среды имеют важное значение для поддержания точности.
