آلة قياس الإحداثيات

تتضمن آلات قياس الإحداثيات ثلاثة مكونات رئيسية:

• يتضمن الهيكل الرئيسي ثلاثة محاور حركة. وقد تنوعت المواد المستخدمة في بناء الإطار المتحرك على مر السنين. ففي بدايات آلات القياس ثلاثية الأبعاد (CMM)، استُخدم الجرانيت والفولاذ. أما اليوم، فتصنع جميع الشركات المصنعة الكبرى لآلات القياس ثلاثية الأبعاد إطاراتها من مواد مثل الجرانيت، وسبائك الألومنيوم أو مشتقاتها، والسيراميك لزيادة صلابة المحور Z لتطبيقات المسح الضوئي. ولا يزال عدد قليل من مصنعي آلات القياس ثلاثية الأبعاد ينتجون اليوم آلات ذات إطارات من الجرانيت، وذلك بسبب متطلبات السوق لتحسين ديناميكيات القياس، والتوجه المتزايد نحو تركيب آلات القياس ثلاثية الأبعاد خارج مختبرات الجودة. كما يتطلب التوجه المتزايد نحو المسح الضوئي أن يكون المحور Z لآلة القياس ثلاثية الأبعاد أكثر صلابة، وقد تم إدخال مواد جديدة مثل الجرانيت الأسود والسيراميك وكربيد السيليكون.
• نظام فحص.
• نظام جمع البيانات واختزالها - يتضمن هذا النظام عادةً وحدة تحكم في الآلة، وجهاز كمبيوتر مكتبي، وبرامج تطبيقية.

تتوفر هذه الآلات كآلات ثابتة أو محمولة.

تُحدد دقة آلات قياس الإحداثيات عادةً كعامل عدم يقين كدالة للمسافة. بالنسبة لآلة قياس الإحداثيات التي تستخدم مسبارًا لمسيًا ، يرتبط هذا بتكرارية المسبار ودقة المقاييس الخطية. يمكن أن تؤدي تكرارية المسبار النموذجية إلى قياسات ضمن ميكرون واحد أو 0.00005 بوصة (نصف جزء من عشرة آلاف) على كامل حجم القياس. بالنسبة للآلات ثلاثية المحاور، وثلاثية المحاور بالإضافة إلى محورين، وخماسية المحاور، تتم معايرة المجسات بشكل دوري باستخدام معايير قابلة للتتبع، ويتم التحقق من حركة الآلة باستخدام مقاييس لضمان الدقة.

طُوِّرت أول آلة قياس إحداثيات ثلاثية الأبعاد (CMM) من قِبَل شركة فيرانتي الاسكتلندية في خمسينيات القرن العشرين ^{[ 1 ]} استجابةً لحاجةٍ مُلِحّة لقياس المكونات الدقيقة في منتجاتها العسكرية، على الرغم من أن هذه الآلة كانت ثنائية المحاور فقط. بدأت النماذج ثلاثية المحاور بالظهور في ستينيات القرن العشرين (من إنتاج شركتي DEA الإيطالية وLK البريطانية)، ودخل التحكم الحاسوبي حيز التنفيذ في أوائل سبعينيات القرن العشرين، إلا أن أول آلة قياس إحداثيات ثلاثية الأبعاد عاملة طُوِّرت وطُرحت للبيع من قِبَل شركة براون آند شارب في ملبورن، إنجلترا. لاحقًا، أنتجت شركة لايتز الألمانية هيكلًا ثابتًا للآلة مع طاولة متحركة.

في الآلات الحديثة، يتكون الهيكل العلوي من نوع الجسر من ساقين، ويُطلق عليه غالبًا اسم الجسر. يتحرك هذا الهيكل بحرية على طول طاولة الجرانيت، حيث تتبع إحدى الساقين (والتي تُسمى عادةً الساق الداخلية) سكة توجيه مثبتة على أحد جانبي الطاولة. أما الساق المقابلة (والتي تُسمى عادةً الساق الخارجية) فتستقر ببساطة على سطح الطاولة، مُتبعةً محيطه الرأسي. تُعدّ المحامل الهوائية الطريقة المُفضلة لضمان حركة سلسة خالية من الاحتكاك. في هذه المحامل، يُدفع الهواء المضغوط عبر سلسلة من الثقوب الصغيرة جدًا في سطح محمل مسطح، لتوفير وسادة هوائية ناعمة ولكن مُتحكم بها، تسمح لآلة القياس الإحداثي (CMM) بالتحرك بسلاسة شبه تامة، ويمكن تعويض هذا الاحتكاك برمجيًا. تُشكل حركة الجسر أو الجسر العلوي على طول طاولة الجرانيت أحد محاور المستوى XY. يحتوي الجسر العلوي على عربة تتحرك بين الساقين الداخلية والخارجية، مُشكلةً المحور الأفقي الآخر. أما المحور الثالث للحركة (المحور Z) فيتم توفيره بإضافة عمود أو مغزل رأسي يتحرك لأعلى ولأسفل عبر مركز العربة. يشكل مسبار اللمس جهاز الاستشعار في نهاية القلم. وتحدد حركة المحاور س، ص، ع نطاق القياس بدقة. ويمكن استخدام طاولات دوارة اختيارية لتسهيل وصول مسبار القياس إلى قطع العمل المعقدة. لا تُحسّن الطاولة الدوارة، كمحور قيادة رابع، أبعاد القياس، التي تبقى ثلاثية الأبعاد، ولكنها توفر درجة من المرونة. بعض مسابير اللمس هي في حد ذاتها أجهزة دوارة تعمل بالطاقة، حيث يمكن لطرف المسبار الدوران عموديًا لأكثر من 180 درجة، ودورانه 360 درجة كاملة.

تتوفر آلات قياس الإحداثيات ثلاثية الأبعاد (CMM) الآن بأشكال متنوعة أخرى. تشمل هذه الأشكال أذرع CMM التي تستخدم القياسات الزاوية المأخوذة عند مفاصل الذراع لحساب موضع طرف القلم، ويمكن تزويدها بمجسات للمسح الليزري والتصوير البصري. تُستخدم هذه الأذرع غالبًا عندما تكون سهولة نقلها ميزةً مقارنةً بآلات CMM التقليدية ذات القاعدة الثابتة: فمن خلال تخزين المواقع المقاسة، يسمح برنامج البرمجة أيضًا بتحريك ذراع القياس نفسه، وحجم قياسه، حول الجزء المراد قياسه أثناء عملية القياس. ولأن أذرع CMM تحاكي مرونة الذراع البشرية، فإنها غالبًا ما تكون قادرة على الوصول إلى الأجزاء الداخلية المعقدة التي لا يمكن فحصها باستخدام آلة ثلاثية المحاور قياسية.

في بدايات قياس الإحداثيات، كانت المجسات الميكانيكية تُركّب في حامل خاص في نهاية المِجسّ. وكان أحد المجسات الشائعة جدًا يُصنع بلحام كرة صلبة في نهاية عمود. وكان هذا مثاليًا لقياس مجموعة واسعة من الأسطح المستوية والأسطوانية والكروية. كما صُقلت مجسات أخرى بأشكال محددة، مثل شكل ربع دائرة، لتمكين قياس خصائص معينة. وكانت هذه المجسات تُثبّت فعليًا على قطعة العمل، ويُقرأ موضعها في الفراغ من شاشة عرض رقمية ثلاثية المحاور، أو في الأنظمة الأكثر تطورًا، تُسجّل في الحاسوب باستخدام دواسة قدم أو جهاز مشابه. غالبًا ما كانت القياسات التي تُجرى بهذه الطريقة غير دقيقة، نظرًا لأن الآلات كانت تُحرّك يدويًا، وكان كل مشغل يطبّق ضغطًا مختلفًا على المجس أو يستخدم تقنيات قياس مختلفة.

تمثلت إحدى التطورات اللاحقة في إضافة محركات لتحريك كل محور. لم يعد المشغلون مضطرين للمس الآلة فعليًا، بل أصبح بإمكانهم التحكم بكل محور باستخدام وحدة تحكم يدوية مزودة بعصا تحكم، على غرار السيارات الحديثة التي تعمل بالتحكم عن بُعد. تحسنت دقة القياس بشكل ملحوظ مع اختراع مسبار اللمس الإلكتروني. كان ديفيد ماكمورتري رائد هذا الجهاز الجديد، والذي أسس لاحقًا شركة رينيشو بي إل سي الحالية . ^{[ 2 ]} على الرغم من أنه كان جهازًا يعمل بالتلامس، إلا أن المسبار كان مزودًا بقلم كروي فولاذي زنبركي (أصبح لاحقًا قلمًا كرويًا من الياقوت). عند ملامسة المسبار لسطح المكون، ينحرف القلم ويرسل في الوقت نفسه معلومات إحداثيات X وY وZ إلى الحاسوب. انخفضت أخطاء القياس الناتجة عن المشغلين، ومهدت الطريق لإدخال عمليات التحكم الرقمي الحاسوبي (CNC) وظهور آلات قياس الإحداثيات ثلاثية الأبعاد (CMM).

المجسات البصرية عبارة عن أنظمة عدسات ومستشعرات CCD، تُحرك مثل المجسات الميكانيكية، وتُوجه نحو النقطة المراد قياسها، بدلاً من ملامسة المادة. تُحصر الصورة الملتقطة للسطح ضمن حدود نافذة قياس، حتى يصبح التباين بين المناطق السوداء والبيضاء كافياً. يمكن حساب منحنى الفصل حتى نقطة معينة، وهي نقطة القياس المطلوبة في الفضاء. المعلومات الأفقية على مستشعر CCD ثنائية الأبعاد (XY)، أما الموضع الرأسي فهو موضع نظام المجسات بالكامل على محرك المحور Z (أو أي مكون آخر من مكونات الجهاز).

توجد نماذج أحدث مزودة بمجسات تتحرك على سطح القطعة وتلتقط نقاطًا على فترات محددة، وتُعرف باسم مجسات المسح. غالبًا ما تكون هذه الطريقة في فحص آلة القياس الإحداثية أكثر دقة من طريقة المجس التقليدية، وأسرع في معظم الأحيان.

يشهد الجيل التالي من تقنيات المسح الضوئي، المعروف بالمسح غير التلامسي، والذي يشمل التثليث الليزري أحادي النقطة عالي السرعة ^{[ 3 ]} ، والمسح الخطي بالليزر ^{[ 4 ]} ، والمسح الضوئي بالضوء الأبيض ^{[ 5 ]،} تطورًا سريعًا للغاية. تعتمد هذه الطريقة على استخدام أشعة الليزر أو الضوء الأبيض المُسقطة على سطح القطعة. ومن ثم، يمكن جمع آلاف النقاط واستخدامها ليس فقط للتحقق من الحجم والموقع، بل أيضًا لإنشاء صورة ثلاثية الأبعاد للقطعة. بعد ذلك، يمكن نقل بيانات " سحابة النقاط " هذه إلى برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) لإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد عملي للقطعة. غالبًا ما تُستخدم هذه الماسحات الضوئية على الأجزاء اللينة أو الحساسة، أو لتسهيل الهندسة العكسية .

مجسات القياسات الدقيقة

تُعدّ أنظمة القياس الدقيقة مجالًا ناشئًا آخر. ^{[ 6 ] [ 7 ]} تتوفر العديد من آلات قياس الإحداثيات التجارية المزودة بمسبار دقيق مدمج، بالإضافة إلى العديد من الأنظمة المتخصصة في المختبرات الحكومية، وعدد كبير من منصات القياس الدقيقة التي بنتها الجامعات. ورغم أن هذه الآلات تُعدّ منصات قياس جيدة، بل وممتازة في كثير من الأحيان، ذات دقة نانومترية، إلا أن قيدها الأساسي يكمن في الحاجة إلى مسبار دقيق/نانوي موثوق وقوي وفعّال. تشمل تحديات تقنيات القياس الدقيقة الحاجة إلى مسبار ذي نسبة أبعاد عالية، مما يتيح الوصول إلى التفاصيل الدقيقة والعميقة بقوى تلامس منخفضة لتجنب إتلاف السطح، مع الحفاظ على دقة عالية (على مستوى النانومتر). علاوة على ذلك، تتأثر المسابير الدقيقة بالظروف البيئية، مثل الرطوبة ، والتفاعلات السطحية، مثل الالتصاق (الناتج عن قوى الالتصاق ، والسطح الهلالي، وقوى فان دير فالس ، وغيرها).

تشمل التقنيات المستخدمة في التحليل المجهري نسخًا مصغرة من مجسات آلات القياس الإحداثية التقليدية، والمجسات الضوئية، ومجسات الموجات المستقرة ، ^{[ 8 ]} وغيرها. مع ذلك، لا يمكن تصغير التقنيات الضوئية الحالية بما يكفي لقياس التفاصيل الدقيقة والعميقة، كما أن دقة التصوير الضوئي محدودة بطول موجة الضوء. يوفر التصوير بالأشعة السينية صورةً للتفاصيل، لكنه لا يوفر معلومات قياس قابلة للتتبع.

المبادئ الفيزيائية

يمكن استخدام المجسات الضوئية ومجسات الليزر (إن أمكن معًا)، مما يحوّل آلات القياس الإحداثية إلى مجاهر قياس أو آلات قياس متعددة المجسات. لا تُصنّف أنظمة إسقاط الأهداب، وأنظمة التثليث باستخدام الثيودوليت ، وأنظمة قياس المسافة والتثليث بالليزر ضمن آلات القياس، ولكن نتيجة القياس واحدة: نقطة في الفضاء. تُستخدم مجسات الليزر للكشف عن المسافة بين السطح ونقطة مرجعية في نهاية السلسلة الحركية (أي نهاية مكون محرك المحور Z). ويمكن تحقيق ذلك باستخدام وظيفة التداخل، أو تغيير التركيز ، أو انحراف الضوء، أو مبدأ تظليل الشعاع.