뉴스 - 3차원 측정기란?

ㅏ좌표 측정기(CMM)은 물체 표면의 불연속적인 지점을 프로브로 감지하여 물리적 물체의 형상을 측정하는 장치입니다.CMM에는 기계, 광학, 레이저, 백색광 등 다양한 유형의 프로브가 사용됩니다.기계에 따라 프로브 위치는 작업자가 수동으로 제어하거나 컴퓨터로 제어할 수 있습니다.CMM은 일반적으로 3차원 데카르트 좌표계(예: XYZ 축 사용)의 기준 위치로부터의 변위 측면에서 프로브 위치를 지정합니다.X, Y, Z 축을 따라 프로브를 이동시키는 것 외에도 많은 기계에서는 프로브 각도를 제어하여 다른 방법으로는 도달할 수 없는 표면을 측정할 수 있습니다.

일반적인 3D "브리지" CMM을 사용하면 3차원 데카르트 좌표계에서 서로 직교하는 X, Y, Z의 세 축을 따라 프로브를 이동할 수 있습니다.각 축에는 일반적으로 마이크로미터 정밀도로 해당 축의 프로브 위치를 모니터링하는 센서가 있습니다.프로브가 물체의 특정 위치에 접촉(또는 감지)하면 기계는 세 개의 위치 센서를 샘플링하여 물체 표면의 한 지점 위치와 측정된 3차원 벡터를 측정합니다.이 프로세스는 필요에 따라 반복되며 매번 프로브를 움직여 관심 있는 표면 영역을 설명하는 "포인트 클라우드"를 생성합니다.

CMM의 일반적인 용도는 제조 및 조립 공정에서 설계 의도에 맞춰 부품이나 조립품을 테스트하는 것입니다.이러한 응용 프로그램에서는 특징 구성을 위한 회귀 알고리즘을 통해 분석되는 포인트 클라우드가 생성됩니다.이러한 포인트는 작업자가 수동으로 배치하거나 직접 컴퓨터 제어(DCC)를 통해 자동으로 배치하는 프로브를 사용하여 수집됩니다.DCC CMM은 동일한 부품을 반복적으로 측정하도록 프로그래밍할 수 있습니다.따라서 자동화된 CMM은 산업용 로봇의 특수한 형태입니다.

부속

좌표 측정 기계에는 세 가지 주요 구성 요소가 포함됩니다.

3개의 동작 축을 포함하는 주요 구조.움직이는 프레임을 구성하는 데 사용되는 재료는 수년에 걸쳐 다양해졌습니다.초기 CMM에는 화강암과 강철이 사용되었습니다.오늘날 모든 주요 CMM 제조업체는 알루미늄 합금 또는 일부 파생물로 프레임을 제작하고 세라믹을 사용하여 스캐닝 응용 분야의 Z축 강성을 높입니다.향상된 계측 역학에 대한 시장 요구 사항과 품질 실험실 외부에 CMM을 설치하려는 추세가 증가함에 따라 오늘날 CMM 제조업체 중 화강암 프레임 CMM을 제조하는 업체는 거의 없습니다.일반적으로 낮은 기술 접근 방식과 CMM 프레임 제작자가 되기 위한 쉬운 진입으로 인해 중국과 인도의 소량 CMM 제작업체와 국내 제조업체만이 여전히 화강암 CMM을 제조하고 있습니다.스캐닝이 증가하는 추세에 따라 CMM Z축은 더 강해야 하며 세라믹 및 탄화규소와 같은 새로운 재료가 도입되었습니다.
프로빙 시스템
데이터 수집 및 축소 시스템 - 일반적으로 기계 컨트롤러, 데스크탑 컴퓨터 및 응용 프로그램 소프트웨어가 포함됩니다.

유효성

이 기계는 독립형, 휴대용 및 휴대용이 될 수 있습니다.

정확성

좌표 측정 기계의 정확도는 일반적으로 거리에 따른 함수로서 불확도 요인으로 제공됩니다.터치 프로브를 사용하는 CMM의 경우 이는 프로브의 반복성과 선형 스케일의 정확도와 관련이 있습니다.일반적인 프로브 반복성은 전체 측정 볼륨에 대해 .001mm 또는 .00005인치(1/10) 이내의 측정 결과를 가져올 수 있습니다.3축, 3+2 및 5축 기계의 경우 추적 가능한 표준을 사용하여 프로브를 정기적으로 교정하고 정확도를 보장하기 위해 게이지를 사용하여 기계 움직임을 검증합니다.

특정 부품

기계 본체

최초의 CMM은 1950년대 스코틀랜드의 Ferranti Company에서 군용 제품의 정밀 부품을 측정해야 하는 직접적인 필요성의 결과로 개발되었습니다. 이 기계에는 축이 2개밖에 없었습니다.최초의 3축 모델은 1960년대(이탈리아 DEA)에 등장하기 시작했고 컴퓨터 제어는 1970년대 초에 데뷔했습니다. 그러나 최초의 작동 가능한 CMM은 영국 멜버른의 Browne & Sharpe에서 개발되어 판매되었습니다.(라이츠 독일은 이후 이동식 테이블을 갖춘 고정식 기계 구조를 생산했습니다.

현대 기계에서 갠트리형 상부 구조에는 두 개의 다리가 있으며 종종 브리지라고 불립니다.이는 화강암 테이블의 한쪽 측면에 부착된 가이드 레일을 따라 한쪽 다리(종종 내부 다리라고도 함)로 화강암 테이블을 따라 자유롭게 이동합니다.반대쪽 다리(종종 바깥쪽 다리)는 수직 표면 윤곽을 따라 화강암 테이블 위에 놓입니다.에어베어링은 마찰 없는 이동을 보장하기 위해 선택된 방법입니다.이 경우 압축 공기는 평평한 베어링 표면에 있는 일련의 매우 작은 구멍을 통과하여 CMM이 소프트웨어를 통해 보상할 수 있는 거의 마찰 없는 방식으로 움직일 수 있는 부드럽지만 제어된 에어 쿠션을 제공합니다.화강암 테이블을 따라 브릿지나 갠트리가 이동하면 XY 평면의 한 축이 형성됩니다.갠트리 브리지에는 내부 다리와 외부 다리 사이를 가로지르며 다른 X 또는 Y 수평 축을 형성하는 캐리지가 포함되어 있습니다.세 번째 이동 축(Z축)은 캐리지 중앙을 통해 위아래로 움직이는 수직 퀼 또는 스핀들을 추가하여 제공됩니다.터치 프로브는 퀼 끝에 감지 장치를 형성합니다.X, Y, Z 축의 움직임은 측정 범위를 완전히 설명합니다.옵션인 회전 테이블을 사용하면 복잡한 공작물에 대한 측정 프로브의 접근성을 높일 수 있습니다.네 번째 구동 축인 회전 테이블은 3D로 유지되는 측정 치수를 향상시키지는 않지만 어느 정도 유연성을 제공합니다.일부 터치 프로브는 그 자체로 프로브 팁이 수직으로 180도 이상 회전하고 360도 전체 회전이 가능한 회전식 장치입니다.

CMM은 이제 다양한 다른 형태로도 제공됩니다.여기에는 스타일러스 팁의 위치를 계산하기 위해 팔의 관절에서 얻은 각도 측정을 사용하는 CMM 암이 포함되며 레이저 스캐닝 및 광학 이미징을 위한 프로브가 장착될 수 있습니다.이러한 암 CMM은 기존 고정 베드 CMM에 비해 휴대성이 뛰어난 경우에 자주 사용됩니다. 프로그래밍 소프트웨어는 측정된 위치를 저장함으로써 측정 루틴 중에 측정할 부품 주위로 측정 암 자체와 측정 볼륨을 이동할 수도 있습니다.CMM 암은 인간 팔의 유연성을 모방하기 때문에 표준 3축 기계를 사용하여 프로빙할 수 없는 복잡한 부품의 내부에도 접근할 수 있는 경우가 많습니다.

기계식 프로브

좌표 측정(CMM) 초기에는 기계식 프로브가 퀼 끝에 있는 특수 홀더에 장착되었습니다.매우 일반적인 프로브는 단단한 볼을 샤프트 끝에 납땜하여 만들어졌습니다.이는 평평한 면, 원통형 또는 구형 표면의 전체 범위를 측정하는 데 이상적이었습니다.다른 프로브는 특별한 특징을 측정할 수 있도록 특정 모양(예: 사분면)으로 연마되었습니다.이러한 프로브는 3축 디지털 판독(DRO)에서 공간 내 위치를 읽거나 고급 시스템에서는 풋스위치 또는 유사한 장치를 통해 컴퓨터에 로그인하여 공작물에 물리적으로 고정되었습니다.기계를 손으로 이동하고 각 기계 작업자가 프로브에 서로 다른 양의 압력을 가하거나 측정을 위해 서로 다른 기술을 채택했기 때문에 이 접촉 방법으로 수행한 측정은 종종 신뢰할 수 없었습니다.

더욱 발전된 점은 각 축을 구동하기 위한 모터를 추가한 것입니다.운전자는 더 이상 기계를 물리적으로 만질 필요가 없으며 현대 원격 제어 자동차와 거의 동일한 방식으로 조이스틱이 있는 핸드박스를 사용하여 각 축을 구동할 수 있습니다.전자 터치 트리거 프로브의 발명으로 측정 정확도와 정밀도가 크게 향상되었습니다.이 새로운 프로브 장치의 선구자는 David McMurtry였으며 이후 현재 Renishaw plc를 설립했습니다.여전히 접촉 장치이지만 프로브에는 스프링이 장착된 강철 볼(이후에는 루비 볼) 스타일러스가 있었습니다.프로브가 부품 표면에 닿으면 스타일러스가 방향을 바꾸면서 동시에 X, Y, Z 좌표 정보를 컴퓨터로 보냈습니다.작업자 개인에 의한 측정 오차가 줄어들고 CNC 작업 도입과 CMM 시대 도래의 계기가 마련되었습니다.

전자식 터치 트리거 프로브가 포함된 전동식 자동 프로브 헤드

광학 프로브는 렌즈-CCD 시스템으로, 기계식 프로브처럼 움직이며 재료에 닿는 대신 관심 지점을 겨냥합니다.캡처된 표면 이미지는 잔여물이 검은색과 흰색 영역 사이의 대비에 적합할 때까지 측정 창의 테두리에 포함됩니다.분할 곡선은 공간에서 원하는 측정 지점인 점까지 계산할 수 있습니다.CCD의 수평 정보는 2D(XY)이고 수직 위치는 스탠드 Z 드라이브(또는 기타 장치 구성 요소)의 전체 프로빙 시스템 위치입니다.

스캐닝 프로브 시스템

스캐닝 프로브라고 알려진 지정된 간격으로 점을 찍는 부품 표면을 따라 끌리는 프로브가 있는 최신 모델이 있습니다.이 CMM 검사 방법은 기존 터치 프로브 방법보다 더 정확하고 대부분 더 빠릅니다.

고속 레이저 단일 지점 삼각측량, 레이저 라인 스캐닝, 백색광 스캐닝을 포함하는 비접촉 스캐닝으로 알려진 차세대 스캐닝은 매우 빠르게 발전하고 있습니다.이 방법은 부품 표면에 투사되는 레이저 빔이나 백색광을 사용합니다.그런 다음 수천 개의 점을 가져와서 크기와 위치를 확인하는 것뿐만 아니라 부품의 3D 이미지를 만드는 데에도 사용할 수 있습니다.그런 다음 이 "포인트 클라우드 데이터"를 CAD 소프트웨어로 전송하여 부품의 작동 가능한 3D 모델을 만들 수 있습니다.이러한 광학 스캐너는 부드럽거나 섬세한 부품에 사용되거나 리버스 엔지니어링을 용이하게 하는 데 자주 사용됩니다.

미세 계측 프로브

소규모 계측 응용 분야를 위한 프로빙 시스템은 또 다른 신흥 분야입니다.마이크로프로브가 시스템에 통합된 여러 가지 상용 좌표 측정 기계(CMM), 정부 실험실의 여러 특수 시스템, 마이크로 스케일 계측을 위해 대학에서 구축한 계측 플랫폼이 많이 있습니다.이러한 기계는 훌륭하고 많은 경우 나노미터 규모의 뛰어난 계측 플랫폼이지만, 주요 한계는 신뢰할 수 있고 견고하며 유능한 마이크로/나노 프로브입니다.^{[인용이 필요함]}마이크로스케일 프로빙 기술의 과제에는 표면을 손상시키지 않고 고정밀도(나노미터 수준)를 유지하기 위해 낮은 접촉력으로 깊고 좁은 형상에 접근할 수 있는 기능을 제공하는 높은 종횡비 프로브에 대한 필요성이 포함됩니다.^{[인용이 필요함]}또한 마이크로스케일 프로브는 습도와 같은 환경 조건과 스틱션(접착력, 메니스커스 및/또는 반 데르 발스 힘으로 인해 발생)과 같은 표면 상호 작용에 취약합니다.^{[인용이 필요함]}

마이크로스케일 프로빙을 달성하기 위한 기술에는 기존 CMM 프로브의 축소 버전, 광학 프로브, 정재파 프로브 등이 포함됩니다.그러나 현재의 광학 기술은 깊고 좁은 형상을 측정할 만큼 작게 확장할 수 없으며 광학 해상도는 빛의 파장에 의해 제한됩니다.X선 영상은 특징에 대한 그림을 제공하지만 추적 가능한 계측 정보는 제공하지 않습니다.

물리적 원리

광학 프로브 및/또는 레이저 프로브를 사용할 수 있으며(가능한 경우 조합하여) CMM을 측정 현미경 또는 다중 센서 측정 기계로 변경할 수 있습니다.프린지 투영 시스템, 경위의 삼각 측량 시스템 또는 레이저 거리 및 삼각 측량 시스템을 측정 기계라고 부르지는 않지만 측정 결과는 동일합니다: 공간 지점.레이저 프로브는 표면과 운동학적 체인 끝(예: Z 드라이브 구성요소 끝)의 기준점 사이의 거리를 감지하는 데 사용됩니다.이는 간섭계 기능, 초점 변화, 광 편향 또는 빔 그림자 원리를 사용할 수 있습니다.

휴대용 좌표 측정기

기존 CMM은 세 개의 데카르트 축에서 이동하는 프로브를 사용하여 물체의 물리적 특성을 측정하는 반면, 휴대용 CMM은 관절식 암을 사용하거나 광학 CMM의 경우 광학 삼각 측량 방법을 사용하고 완전한 이동 자유를 제공하는 암 없는 스캐닝 시스템을 사용합니다. 물체 주변.

다관절 암이 있는 휴대용 CMM에는 선형 축 대신 회전식 인코더가 장착된 6개 또는 7개의 축이 있습니다.휴대용 암은 가벼우며(일반적으로 20파운드 미만) 거의 모든 곳에서 휴대하고 사용할 수 있습니다.그러나 광학 CMM은 업계에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다.소형 선형 또는 매트릭스 배열 카메라(예: Microsoft Kinect)로 설계된 광학 CMM은 암이 있는 휴대용 CMM보다 작고 와이어가 없으며 사용자가 거의 모든 위치에 있는 모든 유형의 물체에 대해 쉽게 3D 측정을 수행할 수 있습니다.

리버스 엔지니어링, 신속한 프로토타이핑, 모든 크기의 부품에 대한 대규모 검사 등 특정 비반복적 애플리케이션은 휴대용 CMM에 이상적으로 적합합니다.휴대용 CMM의 이점은 여러 가지입니다.사용자는 가장 멀리 떨어져 있거나 어려운 위치에서 모든 유형의 부품에 대한 3D 측정을 유연하게 수행할 수 있습니다.사용하기 쉽고 정확한 측정을 위해 통제된 환경이 필요하지 않습니다.또한 휴대용 CMM은 기존 CMM보다 비용이 적게 드는 경향이 있습니다.

휴대용 CMM의 본질적인 단점은 수동 작업입니다(사용하려면 항상 사람이 필요함).또한 전체 정확도는 브리지 유형 CMM보다 정확도가 다소 떨어질 수 있으며 일부 애플리케이션에는 적합하지 않습니다.