Maszyny współrzędnościowe (CMM) to zaawansowane urządzenia pomiarowe służące do precyzyjnego mierzenia złożonych obiektów 3D. W procesach produkcyjnych i kontroli jakości umożliwiają wykrywanie odchyleń od założeń projektowych, co prowadzi do poprawy jakości produktu. Maszyny CMM mogą występować w trzech głównych wariantach: stacjonarne (tradycyjne, laboratoryjne), przenośne (mobilne, często ręcznie sterowane) oraz ramiona pomiarowe (ręczne systemy CMM). Każdy typ ma swoje zalety ale też i ograniczenia wynikające z konstrukcji i zastosowania. Poniżej omówimy różnice między tymi kategoriami wraz z przykładami maszyn oferowanych przez firmę Oberon (marek Trimos i Schut) oraz kryteria wyboru odpowiedniego rozwiązania dla różnych branż.
Typy maszyn współrzędnościowych
- Stacjonarne CMM (mostowe/portalowe) - ciężkie maszyny ustawiane na stałe w kontrolowanych warunkach (np. laboratorium pomiarowym)Nowe rodzaje współrzędnościowych maszyn pomiarowych - Narzędzia Pomiarowe Posiadają sztywną konstrukcję z litego stołu granitowego i komputerowo sterowaną sondę dotykową. Dzięki temu osiągają bardzo wysoką dokładność pomiarów (rzędu kilku mikrometrów). Nadają się do najbardziej krytycznych zastosowań, jednak są mało mobilne, wolniejsze (ruch oprogramowania i sondy) oraz wymagają specjalnego pomieszczenia. Tradycyjna stacjonarna CMM jest więc zalecana tam, gdzie priorytetem jest maksymalna precyzja i powtarzalność, a obrabiane detale są niewielkie lub można je dostarczyć do laboratorium pomiarowego.
- Przenośne CMM (ręczne) - kompaktowe, lekkie urządzenia, które można przenosić do obrabianej części. Przykładem jest Trimos C-Line (modele C3 i C4) - prawdziwie przenośna maszyna CMM o masie ~13,5 kg, zaprojektowana z myślą o użyciu bezpośrednio na hali produkcyjnej. Model C3 ma trzy osie napędzane, C4 - cztery (dodatkowa oś obrotu). C-Line oferuje zakres roboczy Ø720×250 mm i dokładność przestrzenną 8 μm Maszyna współrzędnościowa Trimos C3 & C4 - Maszyny CMM - Oberon Dzięki takiej mobilności nie trzeba dostarczać detali do laboratorium - pomiary wykonuje się „u źródła” procesów produkcyjnych. Przenośne CMM dają dużą elastyczność i oszczędność czasu, choć ich maksymalna precyzja bywa niższa niż w przypadku dużych stacjonarnych maszyn.
- Ramiona pomiarowe - ręcznie prowadzone, wolnostojące systemy pomiarowe przypominające metalowe ramiona z przegubami. Przykład: Trimos A-Line - ramiona carbonowe 3D (6- lub 7-osiowe). Są bardzo mobilne i osiągają zasięg pomiaru od 1,3 m do 9 m przy masie 9–17 kg Ramiona pomiarowe TRIMOS A-LINE Ramiona Trimos A3, A5, A6+ pozwalają mierzyć zarówno małe, jak i bardzo duże detale; np. model A5 o zakresie 9000 mm gwarantuje błąd jednokierunkowy około 0,150 mm. Dzięki łatwej obsłudze i pracy bezprzewodowej są idealne do zakładu produkcyjnego, gdy detalu nie da się przemieścić - operator dowodzi ramieniem nad częścią i zbiera punkty pomiarowe w dedykowanym oprogramowaniu. Ramiona pomiarowe świetnie sprawdzają się do inspekcji dużych elementów na hali (np. elementy karoserii czy konstrukcji lotniczych), gdzie potrzebna jest znaczna elastyczność i mobilność.
Kryteria wyboru: zakres, dokładność i środowisko
Przy doborze CMM do zastosowań produkcyjnych kluczowe są następujące kryteria: zakres pomiarowy (rozmiar przestrzeni roboczej), dokładność i powtarzalność pomiarów oraz warunki środowiskowe pracy.
- Zakres pomiarowy - musi odpowiadać maksymalnym wymiarom mierzonych detali. Tradycyjne CMM mostowe mogą mieć bardzo duże wymiary ławek (np. kilka metrów długości), jednak rzadko są przenośne. Ramiona pomiarowe Trimos osiągają zakresy do 9 m (np. A5: 5000–9000 mm, A6+ do 7000 mm), co pozwala mierzyć ogromne elementy bez potrzeby obracania ich. Mobilna C-Line ma ograniczony zasięg (Ø720×250 mm ), nadaje się więc do małych i średnich detali. W praktyce dla dużych komponentów (np. ramy samochodu, duże formy wtryskowe) lepszym wyborem będzie ramie pomiarowe lub stacjonarna maszyna o dużych osiach; dla małych detali (moduły elektroniczne, precyzyjne części) wystarczy mniejszy zakres przenośnej CMM lub małego CMM laboratoryjnego.
- Dokładność i powtarzalność - wyrażają, jak bliskie są wyniki pomiarów do wartości rzeczywistych oraz jak powtarzalne są pomiary. Tradycyjne stacjonarne CMM oferują zwykle najlepszą dokładność (rzędu kilku μm) , co jest niezbędne przy krytycznych tolerancjach. Maszyny CMM Oberon, np. Trimos C-Line, deklarują precyzję ~8 μm. Ramiona Trimos A-Line mają dokładność od 0,016 mm (najdokładniejsze modele A3 dla małych zasięgów) do ~0,150 mm (A5 przy pełnym zasięgu). Powtarzalność zwykle jest nieco wyższa dla stacjonarnych CMM (sztywne prowadnice, kontrolowana prędkość) niż dla ramion czy ręcznych CMM, które mogą być wrażliwe na siłę operatora. W praktyce, jeśli potrzebujemy kontroli bardzo powtarzalnej i stabilnej (np. dla seryjnych kontroli jakości), wybieramy maszyny ze sterowaniem CNC i liniowymi czujnikami (np. DeMeet 3D CNC) lub urządzenia ramieniowe certyfikowane ISO10360-2 Ramiona pomiarowe TRIMOS A-LINE W razie potrzeby zwiększenia dokładności, liczą się też czynniki konstrukcyjne (np. materiały o małym rozszerzalności cieplnym, precyzyjne prowadnice, sensowne sondy: Renishaw TP20 itp.).
- Środowisko pracy - specyfika hal produkcyjnych (temperatura, wilgotność, wibracje, kurz) wpływa na osiągi CMM. Tradycyjne CMM zazwyczaj pracują w klimatyzowanych laboratoriach metrologicznych, co umożliwia osiągnięcie deklarowanej dokładności. Zmiany temperatury i wibracje znacznie wpływają na pomiary. Przenośne CMM (Trimos C-Line, ramiona) są z kolei zaprojektowane do pracy także „w warsztacie” , gdzie warunki mogą być mniej stabilne. Na przykład Trimos C-Line Celowo wytrzymuje typowe warunki produkcyjne, umożliwiając „wdrożenie maszyny bezpośrednio w procesie produkcyjnym”. Podobnie ramiona Trimos A-Line pracują bezproblemowo na hali (ich lekka, karbonowa konstrukcja jest odporna na działanie pól elektromagnetycznych oraz nie obciąża operatora podczas skanowania dużych części). Podsumowując: jeśli kontrola musi odbywać się bezpośrednio przy maszynie produkcyjnej lub wielkogabarytowym urządzeniu, wybiera się mobilne CMM (C-Line lub ramiona) przystosowane do nieidealnych warunków. Gdy wymagana jest najwyższa dokładność i powtarzalność, warto zapewnić CMM stałą, kontrolowaną przestrzeń metrologiczną (hala klimatyzowana lub laboratorium)
Przykłady zastosowań (case studies)
-
Przemysł motoryzacyjny - tutaj powszechnie mierzy się zarówno duże, jak i skomplikowane detale (np. korpusy karoserii, tłoki, formy odlewnicze). Duże elementy często trudne do przeniesienia wymagają mobilnych systemów. Ramiona pomiarowe Trimos A-Line z zakresami do kilku metrów idealnie nadają się do inspekcji dużych podzespołów bez ich demontażu. W zakładach montażowych stosuje się też przenośne CMM Trimos C-Line (C3/C4) dla średnich elementów - dzięki niskiej wadze (13,5 kg) można szybko przeprowadzić pomiary „na gorąco” przy linii produkcyjnej. Dla krytycznych, mniejszych elementów (np. głowice cylindrów czy precyzyjne wtryskiwacze) możliwa jest inspekcja na stacjonarnej maszynie DeMeet 3D CNC w laboratorium - gwarantuje ona wysoką dokładność (rozdzielczość 0,5 μm, dokładność ~4+L/150 μm) i dodatkowo opcję bezstykowego pomiaru optycznego. Warto zauważyć, że branża motoryzacyjna jest jednym z kluczowych odbiorców CMM , więc producenci dostosowują rozwiązania właśnie pod szybkie, powtarzalne pomiary seryjnych detali.
-
Przemysł elektroniczny - tu mierzone detale są małe i wymagają bardzo wysokiej precyzji. Zwykle wykorzystuje się stacjonarne, bardzo dokładne CMM lub maszyny multisensoryczne. Doskonałym przykładem jest maszyna Schut DeMeet 3D CNC (dostępna w ofercie Oberon) - łączy pomiar optyczny i dotykowy, umożliwiając inspekcję drobnych układów elektronicznych oraz elementów o delikatnych powierzchniach. DeMeet charakteryzuje się dokładnością pomiarową rzędu 4–5 μm (dla standardowej wersji z liniałami 0,5 μm) i umożliwia skanowanie przezroczystych czy błyszczących powierzchni (za pomocą optyki Nikon/Leica). W praktyce użycie takiej maszyny w laboratorium pozwala certyfikować jakość płytek PCB, obudów sensorów czy mikroelementów (anten, soczewek) z najwyższą dokładnością. Dla pomiarów kontrolnych na linii montażowej (np. sprawdzanie większych układów) można zastosować przenośne CMM (C-Line) lub ramiona, jednak często wystarczają metody optyczne 2D/3D (projektory, mikroskopy). W skrócie: elektronika wymaga maksymalnej dokładności i powtarzalności - co osiąga się najczęściej za pomocą stacjonarnych, wyspecjalizowanych CMM (często opto-chemicznych), a także ścisłej kontroli warunków środowiskowych. Maszyny DeMeet są przy tym wykorzystywane m.in. w branży elektronicznej i medycznej Przykład: Multisensoryczna maszyna współrzędnościowa DeMeet - Maszyny CMM - Oberon, potwierdzając ich zastosowanie do bardzo precyzyjnych detali.
Podsumowując, dobór maszyny CMM wymaga balansowania między zasięgiem pomiaru, wymaganą precyzją a środowiskiem pracy. Decydenci produkcyjni powinni uwzględnić nie tylko parametry techniczne (zakres, dokładność, powtarzalność) ale też warunki (hala vs. laboratorium) i specyfikę detali. Przykładowo, jeśli przedsiębiorstwo motoryzacyjne mierzy duże elementy bezpośrednio na linii produkcyjnej, wybór padnie zapewne na mobilne CMM Trimos C-Line lub ramiona pomiarowe. Z kolei w zakładzie produkującym sprzęt elektroniczny złożone z mikroskopijnych komponentów, bardziej uzasadnione będzie zakupienie stacjonarnej maszyny Schut DeMeet z optyką i sondą dotykową, która osiąga niezwykle wysoką dokładność.
Bibliografia: Definicje i charakterystyki maszyn CMM - na podstawie literatury branżowej oraz specyfikacji i materiałów firmy Oberon (Trimos C-Line i A-Line oraz Schut DeMeet ). Informacje o wpływie środowiska pracy zaczerpnięto ze źródeł metrologicznych. Te przykłady obrazują, jak różne kryteria (zakres pomiarowy, dokładność, środowisko) determinują wybór odpowiedniego typu CMM w przemyśle motoryzacyjnym i elektronicznym.
