ニュース - 三次元測定機とは何ですか？

あ三次元測定機(CMM) は、プローブで物体の表面上の離散点を感知することによって、物理的物体の形状を測定するデバイスです。CMM では、機械式、光学式、レーザー、白色光など、さまざまなタイプのプローブが使用されます。機械によっては、プローブの位置はオペレーターによって手動で制御される場合もあれば、コンピューターで制御される場合もあります。CMM は通常、3 次元デカルト座標系 (つまり、XYZ 軸) における基準位置からの変位という観点からプローブの位置を指定します。多くの機械では、X、Y、Z 軸に沿ってプローブを移動させるだけでなく、プローブの角度を制御して、他の方法では到達できない表面の測定も可能にしています。

典型的な 3D「ブリッジ」CMM では、3 次元デカルト座標系で互いに直交する 3 つの軸 X、Y、Z に沿ってプローブを移動できます。各軸には、その軸上のプローブの位置を通常はマイクロメートルの精度で監視するセンサーがあります。プローブが物体の特定の位置に接触（または検出）すると、機械は 3 つの位置センサーをサンプリングし、物体の表面上の 1 点の位置と、取得された測定値の 3 次元ベクトルを測定します。このプロセスは必要に応じて繰り返され、そのたびにプローブが移動して、対象の表面領域を表す「点群」が生成されます。

CMM の一般的な用途は、製造および組立プロセスで、設計意図に照らして部品またはアセンブリをテストすることです。このようなアプリケーションでは、点群が生成され、フィーチャを構築するために回帰アルゴリズムによって分析されます。これらのポイントは、オペレーターが手動で配置するか、直接コンピューター制御 (DCC) によって自動的に配置されるプローブを使用して収集されます。DCC CMM は、同一部品を繰り返し測定するようにプログラムできます。したがって、自動化された CMM は産業用ロボットの特殊な形式です。

部品

座標測定機には、次の 3 つの主要コンポーネントが含まれています。

3 つの動作軸を含む主要な構造。可動フレームの構築に使用される材料は、長年にわたって変化してきました。初期の CMM では花崗岩と鋼が使用されていました。現在、主要な CMM メーカーはすべて、アルミニウム合金またはその派生品からフレームを製造しており、スキャン用途の Z 軸の剛性を高めるためにセラミックも使用しています。計測ダイナミクスの改善に対する市場の要求と、品質ラボの外に CMM を設置する傾向が高まっているため、現在でも花崗岩フレーム CMM を製造している CMM ビルダーはほとんどありません。通常、低技術のアプローチと CMM フレームビルダーへの参入が容易なため、現在でも花崗岩 CMM を製造しているのは、少量の CMM ビルダーと中国とインドの国内メーカーだけです。スキャンの傾向が高まるにつれて、CMM Z 軸の剛性も向上する必要があり、セラミックや炭化ケイ素などの新しい材料が導入されています。
プロービングシステム
データ収集および削減システム - 通常、マシンコントローラー、デスクトップコンピューター、およびアプリケーションソフトウェアが含まれます。

可用性

これらのマシンは自立型、手持ち型、ポータブル型にすることができます。

正確さ

座標測定機の精度は、通常、距離に対する関数としての不確実性係数として与えられます。タッチプローブを使用する CMM の場合、これはプローブの再現性とリニアスケールの精度に関係します。一般的なプローブの再現性では、測定体積全体にわたって .001 mm または .00005 インチ (0.5 分の 1) 以内の測定結果が得られます。3、3+2、および 5 軸機械の場合、プローブはトレーサブルな標準を使用して定期的に校正され、機械の動作はゲージを使用して検証されて精度が保証されます。

特定の部品

機械本体

最初の CMM は 1950 年代にスコットランドのフェランティ社によって、軍事製品の精密部品を測定する直接の必要性の結果として開発されましたが、この機械には 2 軸しかありませんでした。最初の 3 軸モデルは 1960 年代 (イタリアの DEA) に登場し始め、コンピュータ制御は 1970 年代初頭にデビューしましたが、最初に実用的な CMM が開発され、英国メルボルンの Browne & Sharpe によって販売されました。(ライツドイツはその後、移動テーブルを備えた固定機械構造を製造しました。

最新の機械では、ガントリー型の上部構造には 2 本の脚があり、ブリッジと呼ばれることがよくあります。これは、御影石テーブルの片側に取り付けられたガイドレールに沿って 1 つの脚 (多くの場合、内側脚と呼ばれます) で御影石テーブルに沿って自由に移動します。反対側の脚 (多くの場合外側の脚) は、垂直な表面の輪郭に沿って花崗岩のテーブルの上に置かれているだけです。エアベアリングは、摩擦のない移動を保証するために選ばれた方法です。これらでは、圧縮空気が平らな座面にある一連の非常に小さな穴を通って押し出され、滑らかだが制御されたエアクッションが提供され、CMM はその上でほぼ摩擦のない方法で移動でき、これはソフトウェアで補正できます。花崗岩のテーブルに沿ったブリッジまたはガントリーの移動により、XY 平面の 1 つの軸が形成されます。ガントリーのブリッジには、内側と外側の脚の間を横切り、もう一方の X または Y 水平軸を形成するキャリッジが含まれています。3 番目の移動軸 (Z 軸) は、キャリッジの中心を通って上下に移動する垂直クイルまたはスピンドルを追加することによって提供されます。タッチプローブはクイルの端に感知デバイスを形成します。X、Y、Z 軸の動きは、測定範囲を完全に表します。オプションの回転テーブルを使用すると、複雑なワークピースへの測定プローブの接近性が向上します。4 番目の駆動軸としての回転テーブルは、3D のままであるため測定寸法を向上させるものではありませんが、ある程度の柔軟性を提供します。一部のタッチプローブは、それ自体が動力を供給される回転デバイスであり、プローブ先端が 180 度を超えて垂直方向に旋回でき、また 360 度完全に回転できます。

CMM は現在、他のさまざまな形式でも入手可能です。これらには、アームの関節で得られた角度測定を使用してスタイラス先端の位置を計算する CMM アームが含まれており、レーザースキャンおよび光学イメージング用のプローブを装備することができます。このようなアーム CMM は、携帯性が従来の固定ベッド CMM よりも優れている場合によく使用されます。測定位置を保存することで、プログラミングソフトウェアを使用して、測定ルーチン中に測定対象部品の周りで測定アーム自体とその測定体積を移動させることもできます。CMM アームは人間の腕の柔軟性を模倣しているため、標準的な 3 軸機械では調査できなかった複雑な部品の内部にも到達できることがよくあります。

機械式プローブ

座標測定 (CMM) の初期には、機械式プローブがクイルの端にある特別なホルダーに取り付けられていました。非常に一般的なプローブは、シャフトの端に硬球をはんだ付けすることによって作られていました。これは、平面、円筒面、球面のあらゆる範囲を測定するのに理想的です。他のプローブは、特殊な形状の測定を可能にするために、たとえば象限などの特定の形状に研磨されました。これらのプローブはワークピースに対して物理的に保持され、空間内の位置は 3 軸デジタル読み取り (DRO) から読み取られるか、より高度なシステムではフットスイッチまたは同様のデバイスによってコンピューターに記録されます。この接触法による測定は、機械が手で動かされ、各機械オペレータがプローブに異なる量の圧力を加えたり、測定に異なる技術を採用したりするため、信頼性が低いことがよくありました。

さらなる発展は、各軸を駆動するためのモーターの追加でした。オペレーターは機械に物理的に触れる必要がなくなり、現代のリモコンカーとほぼ同じ方法で、ジョイスティック付きのハンドボックスを使用して各軸を駆動できました。電子タッチトリガープローブの発明により、測定精度と精度が飛躍的に向上しました。この新しいプローブデバイスの先駆者は、後に現在のレニショー plc を設立した David McMurtry でした。まだ接触装置ではありますが、プローブにはバネ仕掛けの鋼球 (後にルビー球) のスタイラスが付いていました。プローブがコンポーネントの表面に接触すると、スタイラスが偏向し、同時に X、Y、Z 座標情報がコンピュータに送信されました。オペレータ個人による測定誤差は減少し、CNC 操作の導入と三次元測定機の時代の到来に向けた準備が整いました。

電子タッチトリガープローブを備えた電動自動プローブヘッド

光学プローブはレンズ CCD システムであり、機械式プローブと同じように移動し、材料に接触するのではなく、対象の点に照準を合わせます。捕捉された表面の画像は、残留物が黒ゾーンと白ゾーンの間のコントラストを十分に示すまで、測定ウィンドウの境界内に囲まれます。分割曲線は、空間内の必要な測定点である点まで計算できます。CCD 上の水平情報は 2D (XY) であり、垂直位置はスタンド Z ドライブ (または他のデバイスコンポーネント) 上の完全なプローブシステムの位置です。

スキャニングプローブシステム

新しいモデルには、パーツの表面に沿ってドラッグし、指定された間隔で点を取得するプローブ (スキャニングプローブと呼ばれます) を備えたモデルがあります。この CMM 検査方法は、多くの場合、従来のタッチプローブ方法よりも正確で、ほとんどの場合、高速です。

高速レーザー一点三角測量、レーザーラインスキャン、白色光スキャンなどの非接触スキャンとして知られる次世代スキャンは、非常に急速に進歩しています。この方法では、部品の表面に照射されるレーザービームまたは白色光が使用されます。その後、何千もの点を取得し、サイズや位置を確認するだけでなく、部品の 3D イメージを作成するためにも使用できます。この「点群データ」を CAD ソフトウェアに転送して、部品の実用的な 3D モデルを作成できます。これらの光学スキャナは、柔らかい部品や繊細な部品に使用されたり、リバースエンジニアリングを容易にしたりするためによく使用されます。

マイクロ計測プローブ

マイクロスケール計測アプリケーション用のプロービングシステムは、もう 1 つの新興分野です。システムに統合されたマイクロプローブを備えた市販の座標測定機 (CMM) がいくつかあり、政府研究所の特殊システムもいくつかあり、マイクロスケール計測用に大学が構築した計測プラットフォームも数多くあります。これらの機械は優れており、多くの場合、ナノメートルスケールを備えた優れた計測プラットフォームですが、主な制限は、信頼性が高く、堅牢で、機能的なマイクロ/ナノプローブであることです。^[要出典]マイクロスケールプロービング技術の課題には、表面を損傷しないように低い接触力で深く狭い形状にアクセスできる能力と高精度（ナノメートルレベル）を提供する高アスペクト比プローブの必要性が含まれます。^[要出典]さらに、マイクロスケールのプローブは、湿度などの環境条件や、スティクション（特に接着、メニスカス、および/またはファンデルワールス力によって引き起こされる）などの表面相互作用の影響を受けやすくなります。^[要出典]

マイクロスケールのプロービングを実現する技術には、古典的な CMM プローブの縮小版、光学プローブ、定在波プローブなどが含まれます。しかし、現在の光学技術は深くて狭い形状を測定できるほど小さくすることができず、光学分解能は光の波長によって制限されます。X 線イメージングでは特徴の画像は得られますが、追跡可能な計測情報は得られません。

物理的原理

光学プローブやレーザープローブを (可能であれば組み合わせて) 使用することができ、これにより CMM が測定顕微鏡やマルチセンサー測定機に変わります。フリンジ投影システム、セオドライト三角測量システム、またはレーザー遠距離および三角測量システムは測定機とは呼ばれませんが、測定結果は同じであり、空間点です。レーザープローブは、表面と運動連鎖の端 (つまり、Z ドライブコンポーネントの端) の基準点の間の距離を検出するために使用されます。これには、干渉機能、焦点変動、光偏向、またはビームシャドウイング原理を使用できます。

ポータブル三次元測定機

従来の CMM は、物体の物理的特性を測定するために 3 つのデカルト軸上で移動するプローブを使用しますが、ポータブル CMM は多関節アームを使用するか、光学 CMM の場合は光学三角測量法を使用し、完全に自由な動きを可能にするアームフリーのスキャニングシステムを使用します。オブジェクトの周り。

多関節アームを備えたポータブル CMM には、直線軸の代わりにロータリーエンコーダーが装備された 6 つまたは 7 つの軸があります。ポータブルアームは軽量 (通常 20 ポンド未満) で、ほぼどこにでも持ち運んで使用できます。しかし、業界では光学式 CMM の使用が増えています。コンパクトなリニアカメラまたはマトリックスアレイカメラ (Microsoft Kinect など) で設計された光学式 CMM は、アーム付きのポータブル CMM よりも小さく、ワイヤがないことが特徴で、ユーザーはほぼどこにでもあるあらゆるタイプの物体の 3D 測定を簡単に行うことができます。

リバースエンジニアリング、ラピッドプロトタイピング、あらゆるサイズの部品の大規模検査など、特定の非反復的なアプリケーションはポータブル CMM に最適です。ポータブル CMM の利点は複数あります。ユーザーは、あらゆる種類の部品や最も遠隔地または困難な場所で 3D 測定を柔軟に行うことができます。使い方は簡単で、正確な測定を行うために管理された環境は必要ありません。さらに、ポータブル CMM は従来の CMM よりもコストが低くなる傾向があります。

ポータブル CMM には、手動操作という固有のトレードオフがあります (使用するには常に人間が必要です)。さらに、全体の精度はブリッジタイプ CMM よりも若干低くなる可能性があり、一部の用途にはあまり適していません。