좌표측정기

Coordinate-measuring machine

좌표계측기(CMM)는 물체 표면의 이산점을 프로브로 감지해 물리적 물체의 지오메트리를 측정하는 장치다. CMM에는 기계, 광학, 레이저, 백색광 등 다양한 유형의 프로브가 사용된다. 기계에 따라 프로브 위치는 조작자에 의해 수동으로 제어되거나 컴퓨터가 제어될 수 있다. CMM은 일반적으로 3차원 데카르트 좌표계(XYZ 축 포함)에서 기준 위치로부터의 변위 측면에서 프로브의 위치를 지정한다. X, Y 및 Z 축을 따라 프로브를 이동하는 것 외에도, 많은 기계는 프로브 각도를 제어하여 그렇지 않으면 도달할 수 없는 표면을 측정할 수 있게 한다.

좌표 측정기
좌표 측정기

설명

일반적인 3D "교량" CMM은 3차원 데카르트 좌표계에서 서로 직교하는 X, Y, Z의 세 축을 따라 프로브를 이동할 수 있다. 각 축에는 일반적으로 마이크로미터 정밀도로 해당 축의 프로브 위치를 감시하는 센서가 있다. 프로브가 물체의 특정 위치에 접촉할 때(또는 다른 방법으로 감지할 때), 기계는 3개의 위치 센서를 샘플링하여 물체 표면의 1개 지점의 위치를 측정하고, 측정값의 3차원 벡터도 측정한다. 이 프로세스는 필요에 따라 반복되며 매번 프로브를 이동하여 관심 표면적을 설명하는 "점 구름"을 생성한다.

CMM의 일반적인 용도는 부품이나 조립품을 설계 의도와 비교하여 시험하기 위한 제조 및 조립 공정에서 사용된다. 그러한 애플리케이션에서 특징 구축을 위한 회귀 알고리즘을 통해 분석되는 포인트 클라우드가 생성된다. 이러한 지점은 운영자가 수동으로 배치하거나 DCC(Direct Computer Control)를 통해 자동으로 배치되는 프로브를 사용하여 수집된다. 동일한 부품을 반복적으로 측정하도록 DCC CMM을 프로그래밍할 수 있으므로 자동화된 CMM은 산업용 로봇의 특수한 형태다.

기술적 사실

부품.

좌표 측정 기계에는 다음과 같은 세 가지 주요 구성 요소가 포함된다.

  • 동작의 세 축을 포함하는 주 구조. 움직이는 프레임을 만드는 데 사용되는 재료는 몇 년 동안 다양했다. 화강암과 강철은 초기 CMM에서 사용되었으며, 오늘날 모든 주요 CMM 제조업체는 알루미늄 합금 또는 일부 파생 모델로부터 프레임을 제작하고 또한 세라믹을 사용하여 스캔을 위한 Z축의 강성을 높인다. 현재도 계량학 역학 개선과 품질 연구소 외부에 CMM을 설치하려는 증가 추세에 대한 시장 요구로 인해 화강암 프레임 CMM을 제조하는 CMM 건설업체는 거의 없다. 일반적으로 중국과 인도의 저용량 CMM 구축업체와 국내 제조업체만이 기술 접근성이 낮고 CMM 프레임 구축업체로 진입이 용이해 여전히 화강암 CMM을 제조하고 있다. 스캔에 대한 증가 추세로 인해 CMM Z 축이 더 딱딱해지고 세라믹과 실리콘 카바이드와 같은 새로운 재료가 도입되었다.
  • 프로빙 시스템
  • 데이터 수집 및 감소 시스템 - 일반적으로 컴퓨터 컨트롤러, 데스크톱 컴퓨터 및 애플리케이션 소프트웨어를 포함한다.

유용성

이 기계들은 독립적이고, 휴대할 수 있으며, 휴대할 수 있다.

정확도

좌표 측정 기계의 정확도는 일반적으로 거리에 대한 함수로 불확실성 인수로 주어진다. 터치 프로브를 사용하는 CMM의 경우, 이는 프로브의 반복성 및 선형 눈금의 정확도와 관련이 있다. 일반적인 프로브 반복성은 전체 측정 부피에 걸쳐 .001mm 또는 .00005인치(10분의 1) 이내의 측정을 초래할 수 있다. 3, 3+2, 5축 기계의 경우, 탐침을 추적 가능한 표준으로 일상적으로 교정하고, 정확성을 보장하기 위해 게이지를 사용하여 기계 이동을 검증한다.

특정 부품

기계 본체

최초의 CMM은 1950년대 스코틀랜드[1] 페란티 컴퍼니가 개발한 것으로, 비록 이 기계는 2개의 축에 불과했지만, 군 제품의 정밀 구성품을 직접 측정해야 했기 때문이다. 최초의 3축 모델은 1960년대(이탈리아의 DEA)에 등장하기 시작했으며, 컴퓨터 제어는 1970년대 초에 처음 시작되었지만, 최초의 작동하는 CMM은 영국의 멜버른에서 Browne & Sharpe에 의해 개발되어 판매되었다. (라이츠 독일은 이후 이동식 테이블로 고정된 기계 구조물을 생산했다.[citation needed]

현대의 기계에서 갠트리형 상부구조는 두 개의 다리를 가지고 있으며 종종 다리라고 불린다. 이것은 화강암 테이블의 한쪽에 부착된 안내 레일을 따라 한 쪽 다리(흔히 안쪽 다리라고 한다)로 화강암 테이블을 따라 자유롭게 움직인다. 반대쪽 다리(흔히 바깥쪽 다리)는 화강암 테이블 위에 수직 표면 윤곽을 따라 놓기만 한다. 에어 베어링은 마찰이 없는 이동을 보장하기 위해 선택된 방법이다. 이러한 상황에서 압축 공기는 평탄한 베어링 표면의 일련의 매우 작은 구멍을 통해 강제되어 CMM이 소프트웨어를 통해 보상받을 수 있는 거의 마찰 없이 이동할 수 있는 부드럽고 제어된 공기 쿠션을 제공한다. 화강암 테이블을 따라 교량 또는 갠트리의 움직임은 XY 평면의 한 축을 형성한다. 간트리의 다리는 안과 바깥의 다리 사이를 가로지르며 다른 X 또는 Y 수평축을 형성하는 마차를 포함한다. 이동의 세 번째 축(Z 축)은 수직 퀼 또는 스핀들을 추가하여 제공되며, 캐리지의 중심을 통해 위아래로 움직인다. 터치 프로브는 퀼의 끝에 감지 장치를 형성한다. X, Y, Z 축의 움직임은 측정 엔벨롭을 완전히 설명한다. 복잡한 공작물에 대한 측정 프로브의 접근성을 높이기 위해 옵션인 회전 테이블을 사용할 수 있다. 네 번째 구동축으로서의 로터리 테이블은 3D로 유지되는 측정 치수를 강화하지 않지만, 어느 정도의 유연성을 제공한다. 일부 터치 프로브 자체는 프로브 팁이 180도 이상 및 360도 완전 회전을 통해 수직으로 회전할 수 있는 동력식 회전 장치다.

CMM은 현재 다양한 다른 형태로도 이용 가능하다. 여기에는 팔의 관절에서 측정한 각도 측정을 사용하여 스타일러스 팁의 위치를 계산하는 CMM 암이 포함되며 레이저 스캔 및 광학 영상 촬영을 위한 프로브를 장착할 수 있다. 이러한 암 CMM은 측정된 위치를 저장함으로써 휴대성이 기존의 고정 침대 CMM보다 유리한 경우에 종종 사용되며, 프로그래밍 소프트웨어는 측정 루틴 중에 측정될 부품 주위로 측정 암 자체와 측정 용량을 이동할 수 있다. CMM 암은 인간의 팔의 유연성을 모방하기 때문에 표준 3축 기계를 사용하여 프로빙할 수 없는 복잡한 부품의 내부에도 도달할 수 있는 경우가 많다.

기계식 탐침

좌표 측정(CMM) 초기에는 기계식 프로브를 퀼의 끝에 있는 특수 홀더에 장착하였다. 매우 흔한 탐침은 단단한 공을 샤프트 끝에 납땜하여 만들어졌다. 이것은 전체 범위의 평면, 원통형 또는 구형 표면을 측정하는 데 이상적이었다. 다른 프로브는 특수 형상을 측정할 수 있도록 사분면과 같은 특정 형상에 접지되었다. 이러한 프로브는 3축 DRO(디지털 판독)에서 공간 위치를 읽거나, 보다 진보된 시스템에서는 풋스위치나 유사한 장치를 사용하여 컴퓨터에 로그인하면서 물리적으로 공작물에 대해 고정되었다. 이 접촉 방법에 의해 취한 측정은 기계가 손으로 이동되고 각 기계 작동자가 프로브에 다른 양의 압력을 가하거나 측정을 위해 서로 다른 기법을 채택했기 때문에 종종 신뢰할 수 없었다.[citation needed]

더 발전된 것은 각 축을 구동하기 위한 모터의 추가였다. 운전자들은 더 이상 기계에 물리적으로 손을 댈 필요가 없었지만, 현대의 원격 제어 자동차와 거의 같은 방식으로 조이스틱이 달린 핸드박스를 사용하여 각 축을 운전할 수 있었다. 전자 터치 트리거 프로브의 발명으로 측정 정확도와 정밀도가 크게 향상되었다. 이 새로운 탐사장치의 선구자는 데이비드 맥머트리였고, 그는 지금의 레니쇼 plc를 형성했다.[2] 비록 여전히 접촉 장치였지만, 이 프로브에는 스프링으로 채워진 강철 볼(Later Ruby Ball) 스타일러스가 있었다. 프로브가 구성 요소의 표면에 닿자 스타일러스가 방향을 틀고 동시에 X,Y,Z 좌표 정보를 컴퓨터로 전송했다. 개별 사업자에 의한 측정 오류는 줄어들었고, CNC 운영 도입과 CMM의 고령화를 위한 단계가 설정되었다.

전동식 자동 프로브 헤드(전자식 터치 트리거 프로브 포함)

광학 프로브는 렌즈-CCD 시스템으로 기계처럼 움직이며 소재에 손을 대는 대신 관심 지점을 겨냥하고 있다. 표면의 캡처된 이미지는 잔여물이 흑백 구역과 대비를 이루기에 충분할 때까지 측정 창의 테두리에 둘러싸여 있을 것이다. 분할 곡선은 한 점까지 계산할 수 있는데, 이것은 공간의 원하는 측정 지점이다. CCD의 수평 정보는 2D(XY)이고 수직 위치는 스탠드 Z-드라이브(또는 기타 장치 구성 요소)에 있는 전체 프로빙 시스템의 위치다.

새로운 프로빙 시스템

스캔 프로브라고 알려진 특정 간격으로 점을 찍는 부품의 표면을 따라 드래그하는 프로브를 가진 새로운 모델이 있다. 이 CMM 검사 방법은 흔히 기존의 터치 프로브 방식보다 정확도가 높고 또한 대부분 속도가 빠르다.

고속 레이저 단일점 삼각측량,[3] 레이저 라인 스캐닝,[4] 백색 광선 스캐닝 등이 포함된 비접촉 스캔으로 알려진 차세대 스캐닝이 매우 빠르게 진척되고 있다.[5] 이 방법은 부품 표면에 투사되는 레이저 빔이나 백색 광선을 사용한다. 그러면 크기와 위치를 확인하는 것뿐만 아니라 부품의 3D 이미지를 만드는 데도 수천 개의 포인트를 가져다가 사용할 수 있다. 이 "포인트 클라우드 데이터"는 CAD 소프트웨어로 전송되어 부품의 3D 모델을 만들 수 있다. 이러한 광학 스캐너는 종종 부드럽고 섬세한 부품에 사용되거나 역엔지니어링을 용이하게 하기 위해 사용된다.

미세물리학 탐침

마이크로스케일 계측 응용을 위한 프로빙 시스템은 또 다른 신흥 영역이다.[6][7] 마이크로프로브(microprobe)를 시스템에 통합한 상용 좌표계측기(CMM) 몇 대, 정부 실험실의 몇 가지 전문 시스템, 그리고 마이크로스케일 계량학을 위한 대학 구축 계량학 플랫폼이 얼마든지 있다. 비록 이러한 기계들이 좋고 많은 경우에 나노미터 척도의 우수한 계측학 플랫폼이 있지만, 그들의 일차적인 한계는 신뢰할 수 있고, 견고하며, 능력이 있는 마이크로/나노 탐사선이다.[citation needed] 마이크로스케일 프로빙 기술의 과제는 표면과 높은 정밀도(나노미터 수준)가 손상되지 않도록 낮은 접촉력으로 깊고 좁은 형상에 접근할 수 있는 능력을 제공하는 높은 가로 세로 비율 프로브의 필요성이다.[citation needed] 또한 마이크로스케일 탐침은 습도 및 표면 상호작용과 같은 환경 조건에 취약하다(접착력, 음경 및/또는 반 데르 발스 힘에 의해 야기됨).[citation needed]

마이크로스케일 탐침을 달성하기 위한 기술로는 기존의 CMM 탐침, 광학 탐침, 스탠딩[8] 파동 탐침 등이 있다. 그러나 현재의 광학 기술은 깊고 좁은 형상을 측정할 수 있을 만큼 작게 스케일링할 수 없으며 광학적 해상도는 빛의 파장에 의해 제한된다. X선 영상촬영은 형상의 그림을 제공하지만 추적 가능한 계측학 정보는 제공하지 않는다.

물리적 원리

광학 프로브 및/또는 레이저 프로브를 사용할 수 있으며, 이는 CMM을 현미경 또는 다중 센서 측정기로 변경한다. 프린지 투영 시스템, 테오돌라이트 삼각측량 시스템 또는 레이저 원거리 및 삼각측량 시스템을 측정 기계라고 하는 것은 아니지만, 측정 결과는 같은 공간이다. 레이저 프로브는 키네마틱 체인의 끝에서 표면과 기준점 사이의 거리(즉: Z 드라이브 구성 요소의 끝)를 감지하는 데 사용된다. 이것은 간섭 함수, 초점 변화, 빛 편향 또는 빔 그림자 원리를 사용할 수 있다.

휴대용 좌표측정기

기존의 CMM은 물체의 물리적 특성을 측정하기 위해 세 개의 데카르트 축으로 이동하는 탐침을 사용하는 반면, 휴대용 CMM은 관절형 암을 사용하거나 광학 CMM의 경우 광학적 삼각측량 방법을 사용하여 물체 주위의 완전한 이동 자유를 가능하게 하는 팔 없는 스캔 시스템을 사용한다.

관절형 암이 장착된 휴대용 CMM은 선형 축 대신 회전식 인코더가 장착된 6~7개의 축이 있다. 휴대용 팔은 경량(일반적으로 20파운드 미만)이며 거의 모든 곳에서 휴대하고 사용할 수 있다. 그러나 광학 CMM은 업계에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 소형 선형 또는 매트릭스 어레이 카메라(마이크로소프트 키넥트 등)로 설계된 광학 CMM은 팔이 달린 휴대용 CMM보다 작고 와이어가 없는 것이 특징이며 사용자가 거의 모든 장소에 위치한 모든 유형의 물체에 대해 3D 측정을 쉽게 할 수 있다.

모든 크기의 부품에 대한 리버스 엔지니어링, 신속한 시제품 제작, 대규모 검사 등 특정 비경쟁적 애플리케이션은 휴대용 CMM에 이상적으로 적합하다. 휴대용 CMM의 이점은 다방면으로 나타난다. 사용자는 모든 유형의 부품과 가장 멀리 떨어진/어려운 위치에서 3D 측정을 유연하게 수행할 수 있다. 그것들은 사용하기 쉽고 정확한 측정을 위해 통제된 환경이 필요하지 않다. 더욱이 휴대용 CMM은 기존 CMM보다 비용이 적게 드는 경향이 있다.

휴대용 CMM의 고유한 절충은 수동 작동이다(이러한 CMM은 항상 사람이 사용해야 한다). 또한 이들의 전체적인 정확도는 교량형 CMM에 비해 다소 덜 정확할 수 있으며 일부 용도에 적합하지 않다.

멀티센서 측정기

터치 프로브를 사용한 전통적인 CMM 기술은 오늘날 종종 다른 측정 기술과 결합된다. 여기에는 레이저, 비디오 또는 백색 광센서가 포함되어 있어 멀티센서 측정이라고 알려진 것을 제공한다.[9]

표준화

좌표 측정기의 성능을 검증하기 위해 ISO 10360 시리즈를 사용할 수 있다. 이 일련의 표준은 프로빙 시스템의 특성과 길이 측정 오차를 정의한다.

  • PForm: 구의 형태 측정 시 프로빙 편차
  • PSize: 구면 크기 측정 시 프로빙 편차
  • EUni: 한 방향에서 구면 측정 길이의 편차
  • EBi: 구(區)의 측정 길이 편차(좌우)

ISO 10360 시리즈는 다음과 같은 부분으로 구성된다.

  • ISO 10360-1 기하학적 제품 사양(GPS) - 좌표계측기(CMM)의 합격 및 회생 시험 - 제1부: 어휘
  • ISO 10360-2 기하학적 제품 사양(GPS) - 좌표 측정기(CMM)의 합격 및 회생 테스트 - 제2부: 선형 치수 측정에 사용되는 CMM
  • ISO 10360-7 기하학적 제품 사양(GPS) - 좌표 측정기(CMM)에 대한 승인 및 회생 테스트 - 제7부: 영상 검사 시스템이 장착된 CMM
  • ISO 10360-8 기하학적 제품 사양(GPS) - 좌표 측정 시스템(CMS)에 대한 허용 및 회생 테스트 - 제8부: 광 거리 센서가 장착된 CMM

참고 항목

참조

  1. ^ "Coordinate Measurement Machine History – 50년간의 CMM History to a Measurement Revolution", CHORFTS3 Methodology Archived 2013-09-08 Wayback Machine. 2013년 8월 23일에 액세스
  2. ^ 레니쇼: 전기
  3. ^ "WIZprobe Kit". nextec-wiz.com. Archived from the original on 2010-11-01. Retrieved 2010-06-26.
  4. ^ "Laser Scanners". HexagonMetrology.us. Retrieved 2013-04-23.
  5. ^ "Chromatic White Light (CWS)". HexagonMetrology.us. Retrieved 2013-04-23.
  6. ^ Hansen H.N.; Carneiro K.; Haitjema H.; De Chiffre L. (2006). "Dimensional Micro and Nano Metrology". CIRP Annals, 55-2, 721–743. Cite 저널은 필요로 한다. journal= (도움말)
  7. ^ Weckenmann A.; Peggs G.; Hoffmann J. (2006). "Probing systems for dimensional micro- and nano-metrology". Measurement Science and Technology. Meas. Sci. Technol. 17, 504–509. 17 (3): 504. Bibcode:2006MeScT..17..504W. doi:10.1088/0957-0233/17/3/S08.
  8. ^ M.B. Bauza; R.J. Hocken; S.T. Smith; S.C. Woody (2005). "The development of a virtual probe tip with application to high aspect ratio microscale features". Rev. Sci Instrum, 76 (9) 095112. Cite 저널은 필요로 한다. journal= (도움말)
  9. ^ "OGP Multi-Sensor Technology". www.ogpnet.com. Retrieved 2017-01-10.[영구적 데드링크]