Máy đo tọa độ 3D CMM và cấu tạo chung của nó

Cấu tạo cơ bản của máy đo tọa độ CMM

Thân máy

CMM đầu tiên được phát triển bởi Công ty Ferranti của Scotland vào những năm 1950 với mục tiêu cụ thể để đo những bộ phận cực kỳ chính xác trong các sản phẩm quân sự của họ. Ban đầu, máy này chỉ có 2 trục di chuyển. Đến những năm 1960, các mô hình đầu tiên với 3 trục di chuyển xuất hiện (công ty thiết bị đo lường và kiểm tra chất lượng DEA của Ý và LK của Anh), và vào đầu những năm 1970, điều khiển bằng máy tính xuất hiện ( công ty thiết bị đo lường và kiểm tra chất lượng Sheffield của Mỹ). Trong khi đó, tại Đức, Leitz đã sản xuất máy với cấu trúc cố định và bàn di chuyển.

Trong các máy đo hiện đại, cấu trúc thượng tầng kiểu giàn có hai chân, thường gọi là “cầu”. Cấu trúc này tự do di chuyển dọc theo bàn đá granit với một chân (gọi là “chân bên trong”) theo dấu vết trên một bên của bàn. Chân còn lại (thường được gọi là “chân bên ngoài”) đơn giản là đặt trên bàn theo đường viền thẳng đứng. Để đảm bảo sự di chuyển mượt mà, các “vòng bi không khí” được sử dụng để giảm ma sát. Chúng hoạt động bằng cách đẩy khí nén qua một chuỗi lỗ nhỏ trên bề mặt của vòng bi, tạo ra một lớp khí mịn nhưng được kiểm soát, giúp máy di chuyển mà không gây ma sát. Sự di chuyển của cầu hoặc giàn dọc bàn đá granit tạo thành một trục trong mặt phẳng XY. Phần giàn chứa một bánh xe di chuyển giữa hai chân bên trong và bên ngoài, tạo thành trục ngang X hoặc Y khác. Trục di chuyển thứ ba (trục Z) được thêm vào thông qua việc lắp một trục thẳng đứng hoặc trục quay có thể di chuyển lên xuống thông qua tâm của bánh xe. Đầu dò cảm biến được gắn ở đầu của trục này. Sự di chuyển của các trục X, Y và Z hoàn toàn mô tả phạm vi đo lường. Có thể sử dụng bàn xoay tùy chọn để cải thiện khả năng tiếp cận của đầu đo tới các bộ phận phức tạp. Bàn xoay thứ tư không làm tăng số chiều đo, vẫn duy trì trong không gian 3D, nhưng nó tạo ra một mức độ linh hoạt. Một số đầu dò cảm biến thậm chí có khả năng quay tự động, cho phép đầu dò xoay hơn 180 độ theo chiều dọc và quay đầy đủ 360 độ.

Vòng bi không khí là gì? Vòng bi không khí là một hệ thống sử dụng khí nén để tạo ra một lớp khí mịn giữa các bề mặt cơ học, giúp giảm ma sát và cho phép di chuyển mượt mà. Nó hoạt động bằng cách đẩy khí nén thông qua một số lỗ nhỏ trên bề mặt để tạo ra một lớp khí giữa các bề mặt, giống như một lớp gối khí.

Ngoài máy ba trục truyền thống, CMM hiện nay còn có nhiều hình dạng khác nhau. Ví dụ, có cánh tay CMM sử dụng đo góc tại các khớp để tính toán vị trí của đầu bút đo, và có thể được trang bị đầu dò để quét laser và chụp ảnh quang học. CMM cánh tay như vậy thường được sử dụng khi tính di động là lợi thế so với CMM có bàn cố định truyền thống. Bởi vì chúng bắt chước tính linh hoạt của cánh tay con người, CMM cánh tay có thể tiếp cận các bộ phận phức tạp mà CMM ba trục tiêu chuẩn không thể chạm đến.

Đầu dò cơ khí

Trong thời kỳ ban đầu của việc đo tọa độ, các đầu dò cơ khí được gắn vào một giá đỡ đặc biệt ở phần đầu của bút đo. Một loại đầu dò phổ biến là được tạo ra bằng cách hàn một quả bóng cứng vào cuối trục. Điều này rất thích hợp để đo các bề mặt phẳng, trụ hoặc hình cầu. Ngoài ra, các đầu dò khác có thể được tạo thành với các hình dạng cụ thể, ví dụ như góc phần tư, để đo các đặc điểm riêng biệt. Các đầu dò này được định vị vật lý so với vật mẫu, và vị trí này trong không gian thường được đọc từ một bộ đọc kỹ thuật số 3 trục (DRO) hoặc, trong các hệ thống tiên tiến hơn, được nhập vào máy tính thông qua giao diện chân hoặc thiết bị tương tự. Tuy nhiên, việc đo bằng phương pháp tiếp xúc này thường không đảm bảo độ tin cậy cao, vì máy được điều khiển bằng tay và mỗi người vận hành máy có thể áp dụng mức áp suất khác nhau lên đầu dò, hoặc sử dụng các kỹ thuật khác nhau để thực hiện đo lường.

Để tự động hóa hơn, các động cơ được thêm vào để điều khiển từng trục. Người vận hành không cần tiếp xúc vật lý với máy, mà có thể điều khiển từng trục thông qua một hộp điều khiển, tương tự như cách chúng ta điều khiển các xe điều khiển từ xa hiện đại. Điều này cải thiện độ chính xác và độ tin cậy đáng kể. Một bước phát triển tiếp theo là sự xuất hiện của đầu dò cảm ứng kích hoạt điện tử. Mặc dù vẫn sử dụng phương pháp tiếp xúc, nhưng đầu dò này có một bút bi bằng thép lò xo (sau này là viên ruby). Khi đầu dò chạm vào bề mặt của vật mẫu, bút stylus sẽ lệch và đồng thời gửi thông tin tọa độ XY, Z cho máy tính. Các lỗi đo lường do sự khác biệt trong áp lực đo hoặc kỹ thuật đo của từng người vận hành cũng được giảm thiểu.

Đầu dò quang là hệ thống dựa trên thấu kính-CCD, được di chuyển tương tự như cơ khí, nhằm vào điểm quan tâm thay vì tiếp xúc trực tiếp với vật liệu. Quá trình này liên quan đến việc chụp hình ảnh của bề mặt và đặt nó trong viền của cửa sổ đo, cho đến khi có đủ sự tương phản giữa các vùng đen và trắng. Đường cong phân chia có thể được tính đến một điểm cụ thể, đó chính là điểm đo cần xác định trong không gian. Thông tin theo chiều ngang trên cảm biến hình ảnh CCD là 2D (XY), và vị trí theo chiều dọc tương ứng với vị trí của hệ thống thăm dò trên trục Z (hoặc một thành phần thiết bị khác).

Thấu kính CDD là gì? Thấu kính-CCD là một hệ thống sử dụng thấu kính kết hợp với thiết bị cảm biến ảnh CCD (Charge-Coupled Device) để chụp và ghi lại hình ảnh. Thấu kính là một bộ phận quang học được sử dụng để thu thập và tập trung ánh sáng từ một nguồn và hình thành một hình ảnh.

Hệ thống thăm dò tiên tiến

Trong thời gian gần đây, xuất hiện những mô hình thăm dò tiên tiến hơn, trong đó các đầu dò được kéo dọc theo bề mặt của bộ phận để lấy điểm theo các khoảng thời gian đã định, được gọi là đầu dò quét. Phương pháp này cho phép kiểm tra bằng CMM trở nên chính xác hơn so với phương pháp thăm dò cảm ứng thông thường và đồng thời nhanh hơn nhiều lần.

Thế hệ quét tiếp theo, được gọi là quét không tiếp xúc, bao gồm việc sử dụng tam giác điểm laser tốc độ cao, quét đường laser, và quét ánh sáng trắng, đang phát triển với tốc độ nhanh chóng. Phương pháp này dựa vào việc chiếu tia laser hoặc ánh sáng trắng lên bề mặt của bộ phận. Một lượng lớn các điểm ảnh được thu thập và sử dụng không chỉ để kiểm tra kích thước và vị trí, mà còn để tạo ra hình ảnh 3D của bộ phận. Dữ liệu chi tiết này, thường được gọi là “dữ liệu đám mây điểm”, có thể được chuyển vào phần mềm CAD để tạo mô hình 3D hoạt động của bộ phận. Các máy quét quang học này thường được áp dụng trên các bộ phận có độ phức tạp hoặc yêu cầu tính chính xác cao, hoặc để tạo điều kiện cho quy trình kỹ thuật đảo ngược.

Dữ liệu đám mây là gì? Dữ liệu đám mây điểm là tập hợp các điểm dữ liệu 3D được thu thập từ một bề mặt hoặc vật thể bằng cách sử dụng các thiết bị quét quang học như máy quét laser hoặc quét ánh sáng trắng. Mỗi điểm trong tập hợp này thể hiện một vị trí trong không gian ba chiều (X, Y, Z) và thường có thông tin về màu sắc hoặc độ sáng tại điểm đó. Khi tất cả các điểm này được tổng hợp lại, chúng tạo thành một hình ảnh chân thực của bề mặt hoặc vật thể đang được quét.

Đầu dò vi mô

Các hệ thống tìm kiếm cho các ứng dụng đo lường vi mô là một lĩnh vực mới nổi khác. Có một số thương mại có sẵn phối hợp đo máy (CMM) có một vi thám tích hợp vào hệ thống. Mặc dù máy tốt và trong nhiều trường hợp, các nền tảng đo lường tuyệt vời với quy mô nanomet, giới hạn chính của chúng là đầu dò micro, nano đáng tin cậy, mạnh mẽ, có khả năng. Những thách thức đối với các công nghệ thăm dò vi mô bao gồm sự cần thiết của đầu dò tỷ lệ khung hình cao cho khả năng truy cập các tính năng hẹp, sâu với lực tiếp xúc thấp để không làm hỏng bề mặt và độ chính xác cao (mức nanomet). Ngoài ra, các đầu dò siêu nhỏ dễ bị ảnh hưởng bởi các điều kiện môi trường như độ ẩm và các tương tác bề mặt như ma sát (gây ra bởi sự bám dính).

Các công nghệ để đạt được đầu dò siêu nhỏ bao gồm phiên bản thu nhỏ của đầu dò CMM cổ điển, đầu dò quang học và đầu dò sóng đứng trong số các loại khác. Tuy nhiên, các công nghệ quang học hiện tại không thể được thu nhỏ đủ nhỏ để đo tính năng sâu, hẹp và độ phân giải quang bị giới hạn bởi bước sóng ánh sáng. Hình ảnh X-quang cung cấp một hình ảnh của tính năng nhưng không có thông tin đo lường có thể theo dõi.

Lời kết

Với những ưu điểm vượt trội và khả năng đáp ứng nhiều ứng dụng khác nhau, máy đo tọa độ CMM đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong ngành sản xuất và kiểm tra chất lượng. Đó là cầu nối quan trọng giữa sự sáng tạo và sự chính xác, mang lại sự tin cậy và sự đột phá trong việc phát triển sản phẩm và nâng cao chất lượng. Hy vọng thông tin trong bài viết đã giúp bạn có cái nhìn rõ hơn về máy đo tọa độ CMM. Nếu bạn quan tâm đến sản phẩm của chúng tôi, xin vui lòng truy cập vào trang website COMIT và Fanpage của chúng tôi.