Cấu tạo CMM

Cấu hình CMM phổ biến nhất có lẽ là biến thể cấu trúc thượng tầng kiểu giàn cần cẩu (giá đỡ) thẳng đứng hoặc kiểu cầu nối thẳng đứng. CMM thường được thiết kế và cấu hình với một bàn cố định, hai chân (tức là cột trụ chống) hỗ trợ cầu nối của nó, xem hai biến thể như vậy trong Hình 1. Ở đây, các CMM này cũng được bố trí với tất cả các thử nghiệm động học được thực hiện bởi chuyển động ba trục của cầu nối. Tuy nhiên, với một số cấu hình lắp ráp cầu nối thẳng đứng khác thì cầu nối có thể di chuyển tự do dọc theo bàn đá granit bằng một trong các chân – thường được gọi là chân trong – thường đi theo một thanh dẫn hướng được gắn chính xác vào một bên của bàn đá granit. Ngược lại, chân đối diện – thường được gọi là chân ngoài của nó – chỉ đơn giản là đặt vừa trên bàn đá granit này trong khi tuân theo đường viền bề mặt thẳng đứng. Tuy nhiên, vẫn còn một loại biến thể được cấu hình CMM phổ biến khác sử dụng cấu hình trục công xôn ngang.

Thông thường để sử dụng các vòng bi khí cho chuyển động tuyến tính động học của cầu nối – di động, do đó đảm bảo ma sát chuyển động tự do. Các vòng bi khí này sử dụng khí nén, chúng được ép qua một loạt các lỗ nhỏ trên bề mặt vòng bi phẳng, cung cấp một lớp đệm khí êm ái nhưng được kiểm soát để CMM hoạt động, cho phép nó tự do di chuyển theo cách gần như không ma sát. Do đó, chuyển động này của cầu nối hoặc giàn cần cẩu theo bàn đá granit thường tạo thành một trục của mặt phẳng X – Y. Tương tự như vậy, cầu/ giàn này sẽ chứa một bộ phận quay sau đó đi qua chiều dài giữa các chân bên trong và bên ngoài – tạo thành trục ngang X hoặc Y. Trục chuyển động thứ ba, cụ thể là trục Z, thường được cung cấp bằng cách bổ sung một trục quay thẳng đứng mà có thể di chuyển lên-xuống qua tâm của bộ phận quay này. Đầu dò cảm ứng tiếp xúc nhẹ trở thành thiết bị cảm biến nằm ở cuối trục quay thẳng đứng này. Sự sắp xếp động học tuyến tính này của chuyển động các trục X, Y và Z, bao gồm đầy đủ cái gọi là đường bao đo của CMM. Một số loại CMM cũng được trang bị với bàn quay tích hợp – xem Hình 4. Các trục thao tác trên bàn quay bổ sung như vậy có thể nâng cao việc sử dụng và khả năng tiếp cận của đầu dò đo với các tính năng phôi phức tạp hơn. Mặc dù việc lắp đặt bàn quay dưới dạng trục dẫn động thứ tư, không nằm trong trục chính, ảnh hưởng đến phép đo của các kích thước – mà rỏ ràng vẫn là sự sắp xếp động học 3-D, tuy nhiên, nó cung cấp một mức độ linh hoạt trong hoạt động đầu dò. Chắc chắn trong một số thiết kế phức tạp hơn, một số đầu dò ảm ứng là thiết bị quay được cấp nguồn, có khả năng lập trình cho bút cảm ứng của đầu dò (the probe’s stylus), có thể xoay theo chiều dọc đến ≥ 90°, đồng thời củng xoay đầy đủ 360°.

a) CMM 4 trục CNC kiểm tra các đĩa có thể gia công trên tạo tác hình học không gian, tại chỗ và theo sự định hướng góc chính xác

b)Một chu kỳ dò tự động về đường kính của mẫu vật tạo tác và vị trí lỗ góc phần tư ba chiều trên các đĩa, sử dụng một đầu dò tương tự

Hình 5 Quy trình CMM kiểm tra xác nhận các đĩa có thể gia công tại chỗ trên vât mẫu tạo tác hình học không gian

CMM— Đầu dò cơ học

Ban đầu như được mô tả, trong suốt quá trình phát triển ban đầu của các đầu dò cơ học để đo tọa độ (tức là vào cuối những năm 1960), chúng được lắp vào các giá đỡ đặc biệt ở cuối trục quay thẳng đứng – được gọi là ống lồng như nó thường được biết đến. Những bút đầu dò ban đầu này đã phần nào cơ bản trong thiết kế và cấu tạo của chúng. Một chiếc bút stylus điển hình vào thời điểm đó, được sản xuất đơn giản bằng cách hàn một viên bi cứng nhưng có kích thước chính xác và tin cậy, vào đầu của một trục sau đó lắp nó vào ống lồng. Hình dạng và mức độ chính xác/ độ tin cậy của đầu dò này được chấp nhận để đo mặt phẳng phạm vi rộng; hình trụ; hoặc các bề mặt hình cầu. Tuy nhiên các loại bút stylus khác thường là hình trụ/  bề mặt bao quanh thành các hình dạng hình học cụ thể, chẳng hạn như đầu dò góc phần tư – tạo điều kiện thuận lợi cho việc đo các tính năng chi tiết đặc biệt. Những chiếc bút stylus nguyên bản ban đầu và có phần thô sơ này được người kiểm tra/ người vận hành định vị thủ công dựa trên tính năng của phôi, với vị trí trong không gian được đọc qua đầu đọc kỹ thuật số 3 trục (DRO: digital read out) hoặc, trong các hệ thống đo lường phức tạp hơn, được đăng nhập vào phần mềm máy tính đơn giản bằng công tắc, hoặc loại thiết bị kích hoạt tương tự. Ở đây, các phép đo kích thước này thu được bằng các phương pháp tiếp xúc vật lý sơ bộ, thường không đáng tin cậy vì các CMM này được di chuyển trong không gian thể tích của chúng – theo một cách thủ công. Tại điểm giao nhau này, mỗi người vận hành CMM có thể áp dụng các lượng áp lực khác nhau lên bút dò hoặc có thể áp dụng các kỹ thuật khác nhau cho một tính năng chi tiết được đo tương tự.

Sau đó trong quá trình phát triển của CMM, sự bổ sung đáng chú ý của bộ truyền động động cơ điện đã cung cấp khả năng điều khiển được hỗ trợ cho ba trục tuyến tính này. Sau đó, người vận hành không còn phải điều khiển CMM theo cách thủ công nữa mà có thể điều khiển từng trục đến vị trí mong muốn trên tính năng của chi tiết đo, thông qua một hộp cầm tay (hand box), thường được trang bị cần điều khiển tích hợp. Sự bổ sung này của một dạng điều khiển máy CMM, có nghĩa là tính nhất quán của độ tin cậy đo lường và độ chính xác liên quan của nó được cải thiện rõ rệt, đặc biệt là cùng với thực tế đó là phát minh quan trọng nhất vào thời điểm này chính là sự ra đời của đầu dò kích hoạt cảm ứng điện tử. Như đã đề cập trước đó, người tiên phong về đo lường cho sự tiến bộ quan trọng vượt bậc và mới lạ này trong thiết kế đầu dò đó là Ngài David R. McMurtry – người đã liên tiếp thành lập và điều hành một công ty quốc tế công nghệ cao thực sự đổi mới hiện được biết đến trên toàn thế giới với tên gọi là Renishaw plc. Cơ chế kích hoạt đầu dò đẳng hướng động học ban đầu này vẫn là một phương pháp tiếp xúc. Đầu dò – xem sơ đồ trong Hình 2- có các cánh tay được điều khiển và chịu tải-nhún nhẹ được kết nối với một bút bằng bi thép chính xác và tin cậy – các sửa đổi sau này đã sử dụng một loạt các bút đầu dò bằng bi ngọc đỏ ruby có đường kính khác nhau (xem sơ đồ đầu dò tiếp xúc, phía dưới). Ba cánh tay bút đầu dò riêng lẻ – khi ở trạng thái nghỉ – được đặt riêng biệt và theo động học trên hai viên bi chính xác cách đều nhau ở khoảng cách 120° xung quanh một mặt bích (xem Hình 2b) nhưng được giữ nhẹ ở vị trí bằng lực điều khiển của một lò xo nén (tức là Hình 2a, c). Theo đó, khi bút stylus đủ tiêu chuẩn chạm nhẹ vào đặc điểm bề mặt của chi tiết, nó bị võng xuống (xem Hình 2d) và đồng thời kích hoạt tín hiệu bằng điện với thông tin về chiều tọa độ Y và Z này đã được đăng ký trong phần mềm máy tính. Đáng chú ý, đó là một số sai sót nhỏ do kết quả từ các tính năng của chi tiết dò. Do đó, các đầu dò tiếp xúc này khi được thử nghiệm ban đầu tạo ra hiệu ứng phân chia nhỏ nhưng đáng kể này, như được hiển thị trên biểu đồ biến thể sơ bộ được thể hiện trong Hình 2e. Mặc dù có một chút hạn chế trong ứng dụng của đầu dò này, nhưng đây là một bước tiến thực sự trong quy trình vận hành đầu dò, khắc phục các lỗi đo lường không đáng tin cậy và không nhất quán trước đây được tạo ra bởi các người vận hành CMM riêng lẻ tạo ra, tạo tiền đề cho việc giới thiệu các CMM được điều khiển hoàn toàn bằng CNC, đó là hiện đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới.

Hình 6 Phép đo một điểm sử dụng đầu dò cảm ứng dựa trên tiếp xúc điểm (tiếp điểm)

Phép đo một điểm sử dụng đầu dò cảm ứng dựa trên tiếp xúc điểm  này – Nó có các điểm được đo tại tâm của một chóp hình cầu mà không được nằm trên bề mặt của chi tiết đo. Một khía cạnh quan trọng của việc sử dụng đầu dò dựa trên tiếp xúc điểm với đầu dò hình cầu, bao gồm tính toán các điểm bề mặt thực từ các điểm trung tâm của đầu đo. Quá trình đo lường này được gọi là: phương pháp bù.

Sự phát triển song song của các loại đầu dò khác nhau đã và đang diễn ra, đặc biệt đối với việc cải tiến bằng cách sử dụng đầu dò quang học, ví dụ, một hệ thống CCD dựa trên thấu kính. Các loại đầu dò quang học này di chuyển tương tự như các loại dầu dò cơ học tương đương, nhưng ở đây chúng hướng đến vị trí điểm quan tâm (tức là tính năng thành phần) thay vì chạm vào vật liệu. Hình ảnh bề mặt đã được thu nạp sẽ được bao quanh trong đường viền của cửa sổ đo cho đến khi phần dư đủ để tương phản giữa các vùng đen-trắng. Kết quả là, đường cong phân chia có thể được tính toán đến một điểm cụ thể, mà đó là điểm đo mong muốn trong không gian. Thông tin vị trí ngang này trên CCD là hai chiều (tức là trong mặt phẳng X và Y) trong khi vị trí dọc là vị trí của hệ thống dò hoàn chỉnh trên trục điều khiển Z tiêu chuẩn – cho phép toàn bộ tính năng thăm dò 3D được thực hiện (Hình 8).

Hình 7 Minh họa đầu dò cảm ứng (trái) và đầu dò hiển thị không tiếp xúc (phải)

Ở đây, trong một thiết lập đa cảm biến – để kiểm tra chi tiết tự động. Vòng LED – hiển thị ở đây bên phải – là nơi nó chiếu sáng các tính năng thành phần quan trọng của máy ảnh.

Hệ thống đầu dò CMM gần đây

Một kỹ thuật tiếp xúc được gọi là dò quét được phát triển có thể quét mềm – tại vị trí được gọi là kích hoạt tại các khoảng thời gian xác định trên biên dạng của chi tiết – hoặc nó có thể chỉ cần kéo nhẹ dọc theo (tức là quét mềm) bề mặt của chi tiết lấy các điểm đo liên tục. Kỹ thuật kiểm tra CMM này, thường chính xác và tin cậy hơn một số phương pháp dò cảm ứng thông thường, đồng thời nhanh hơn đáng kể trong việc thực hiện nhiệm vụ đo lường đã chọn. Dò quét không tiếp xúc là một sự bổ sung sau đó vào sự phát triển CMM, mà bao gồm các kỹ thuật như phương pháp tam giác điểm đơn bằng tia laser tốc độ cao – xem bên dưới (bên phải); quét dòng laze; cũng như quét ánh sáng trắng, tất cả điều này đều đang cho thấy sự tiến bộ công nghệ một cách đáng kể. Các kỹ thuật này sử dụng chùm tia laze hoặc ánh sáng trắng; được chiếu lên bề mặt của chi tiết cần đo. Sau đó, hàng nghìn điểm dữ liệu tọa độ có thể được lấy và sử dụng để không chỉ là kiểm tra kích thước và vị trí mà còn để tạo hình ảnh 3-D của chi tiết này. Dữ liệu đám mây-điểm này có thể sau đó được chuyển một cách đơn giản sang phần mềm CAD phù hợp, tạo ra mô hình 3-D hoạt động của chi tiết. Những loại máy quét quang học này – xem bên dưới (bên trái) – thường có thể được sử dụng trên các chi tiết rất mềm hoặc mỏng manh, cũng như để tạo điều kiện thuận lợi cho các hoạt động kỹ thuật thiết kế ngược.

a) Helium Neon (HeNe) laser – cấp 2 cùng với cảm biến môi trường

b)Hiệu chuẩn đơn vị HeNe laser theo tiêu chuẩn đo lường truy xuất nguồn gốc NPL

c)Hiệu suất của HeNe laser có độ phân giải/ độ chính xác cao – sau khi hiệu chuẩn

Hình 8 Hiệu chuẩn hệ thống tia laser HeNe – kết hợp hệ thống bù trừ môi trường

Hình 9 Đầu dò cảm biến quang học – với độ phân giải thuộc cạnh bên của CMM.

Nó đặc biệt thích hợp để đo không tiếp xúc các bề mặt có độ nghiêng nhiều, nhạy cảm, phản xạ, khúc xạ, sáng bóng hoặc trong suốt. Đầu dò quang học này có góc tiếp nhận chùm tia đặc biệt rộng 90° ± 40° (được cấp phép bởi Leitz / Hexagon Metrology). Máy phân tích Laser dựa trên tam giác phải: ở đây, một chùm tia laser được chiếu trên bề mặt của chi tiết được quan tâm. Ánh sáng laser phản xạ được nhìn thấy thông qua một thấu kính ngăn cách-không gian riêng biệt. Ánh sáng này sau đó được hội tụ (tức là được chụp ảnh) vào máy ảnh. Do đó, kiến thức về cả góc chiếu và góc thu liên quan đến đường cơ sở, sẽ xác định kích thước của một tam giác và tọa độ của một điểm trên bề mặt đó [nguồn InnovMetric Software Inc./3D Imaging and Modeling Group: National Research Council of Canada (2013)]

Đầu dò đo lường vi mô

Trong một sự phát triển tương đối gần đây trong các hệ thống đầu dò, các đầu dò sẽ được thảo luận ở đây liên quan đến các ứng dụng đo lường vi mô. Ngày nay, có khá nhiều CMM sẵn có trên thị trường kết hợp một bộ vi mạch được tích hợp vào trong hệ thống đo lường của CMM. Xét thấy rằng các CMM như vậy là một nền tảng đo lường tuyệt vời – với các thang đo nanomet – hạn định chính hoạt động của chúng là một trong những đầu dò vi mô/ nano đáng tin cậy và thiết thực nhưng có khả năng. Ở đây, một số thách thức đặt ra đối với các công nghệ dò kích thước siêu nhỏ bao gồm nhu cầu về đầu dò tỷ lệ khung hình cao – mang lại khả năng tiếp cận các đối tượng sâu, hẹp nhưng với lực tiếp xúc đầu dò cực thấp. Bằng cách này, đầu dò có thể tránh được bất kỳ thiệt hại nào đối với bề mặt có độ chính xác cao – ở cấp độ nanomet này. Thêm vào đó, một đầu dò cỡ nhỏ như vậy có thể dễ bị ảnh hưởng bởi một loạt các điều kiện môi trường cụ thể, chẳng hạn như độ ẩm; tương tác bề mặt – ma sát tĩnh (tức là do bởi nhiều yếu tố gây ra, chẳng hạn như độ bám dính, mặt khum, lực phân tử Van der Waals). Các công nghệ dò vi mô gần đây này là cần thiết để đạt được mức độ phân biệt đo lường chính xác mong muốn, cũng có thể bao gồm phiên bản thu nhỏ của CMM thông thường như máy đo tọa độ nhỏ (SCMM: Small Coordinate Measuring Machine) với thiết kế nâng cao và thiết bị đo bổ sung phức tạp; Đầu dò quang học; cũng như các đầu dò sóng đứng; …. Hiện nay, rất khó, nếu không muốn nói là không thể, đối với các công nghệ quang học được thu nhỏ đủ để kiểm tra và đo lường một tính năng-chi tiết sâu, hẹp, đặc biệt là khi độ phân giải quang học bị giới hạn bởi bước sóng ánh sáng. Một số thiết kế nhất định của đầu dò quang học hoặc đầu dò laser hiện có thể được sử dụng, sẽ sửa đổi CMM, làm cho chúng ít nhất có thể so sánh với kính hiển vi đo lường chất lượng cao hoặc máy đo đa cảm biến tinh vi.