निर्देशांक मापन मशीन क्या है?

एनियामक माप मशीन(CMM) एक ऐसा उपकरण है जो किसी वस्तु की सतह पर स्थित अलग-अलग बिंदुओं को एक प्रोब की सहायता से मापकर उसकी ज्यामिति का मापन करता है। CMM में कई प्रकार के प्रोब का उपयोग किया जाता है, जिनमें यांत्रिक, प्रकाशीय, लेजर और श्वेत प्रकाश प्रोब शामिल हैं। मशीन के प्रकार के आधार पर, प्रोब की स्थिति को ऑपरेटर द्वारा मैन्युअल रूप से नियंत्रित किया जा सकता है या कंप्यूटर द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। CMM आमतौर पर एक त्रि-आयामी कार्टेशियन निर्देशांक प्रणाली (यानी, XYZ अक्षों के साथ) में एक संदर्भ स्थिति से उसके विस्थापन के रूप में प्रोब की स्थिति को निर्दिष्ट करता है। X, Y और Z अक्षों के अनुदिश प्रोब को गति देने के अलावा, कई मशीनें प्रोब के कोण को नियंत्रित करने की सुविधा भी प्रदान करती हैं, जिससे उन सतहों का मापन संभव हो पाता है जिन तक अन्यथा पहुंचना असंभव होता है।

सामान्य 3D "ब्रिज" सीएमएम (CMM) में प्रोब को तीन अक्षों, X, Y और Z के अनुदिश गति करने की अनुमति होती है, जो त्रि-आयामी कार्टेशियन निर्देशांक प्रणाली में एक दूसरे के लंबवत होते हैं। प्रत्येक अक्ष पर एक सेंसर लगा होता है जो उस अक्ष पर प्रोब की स्थिति की निगरानी करता है, आमतौर पर माइक्रोमीटर की सटीकता के साथ। जब प्रोब वस्तु पर किसी विशेष स्थान से संपर्क करता है (या उसका पता लगाता है), तो मशीन तीनों स्थिति सेंसरों से डेटा एकत्र करती है, जिससे वस्तु की सतह पर एक बिंदु की स्थिति और लिए गए माप का त्रि-आयामी सदिश प्राप्त होता है। यह प्रक्रिया आवश्यकतानुसार दोहराई जाती है, प्रत्येक बार प्रोब को गतिमान करके, जिससे एक "पॉइंट क्लाउड" बनता है जो रुचि के सतह क्षेत्रों का वर्णन करता है।

सीएमएम का एक सामान्य उपयोग विनिर्माण और संयोजन प्रक्रियाओं में किसी पुर्जे या संयोजन को डिज़ाइन के अनुरूप जांचने के लिए किया जाता है। ऐसे अनुप्रयोगों में, पॉइंट क्लाउड उत्पन्न किए जाते हैं जिनका विश्लेषण रिग्रेशन एल्गोरिदम के माध्यम से विशेषताओं के निर्माण के लिए किया जाता है। ये बिंदु एक प्रोब का उपयोग करके एकत्र किए जाते हैं जिसे ऑपरेटर द्वारा मैन्युअल रूप से या डायरेक्ट कंप्यूटर कंट्रोल (डीसीसी) द्वारा स्वचालित रूप से स्थित किया जाता है। डीसीसी सीएमएम को समान पुर्जों को बार-बार मापने के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है; इस प्रकार एक स्वचालित सीएमएम औद्योगिक रोबोट का एक विशेष रूप है।

पार्ट्स

निर्देशांक-मापन मशीनों में तीन मुख्य घटक शामिल होते हैं:

• मुख्य संरचना में गति के तीन अक्ष शामिल हैं। गतिमान फ्रेम के निर्माण में प्रयुक्त सामग्री समय के साथ बदलती रही है। शुरुआती सीएमएम में ग्रेनाइट और स्टील का उपयोग किया जाता था। आज सभी प्रमुख सीएमएम निर्माता एल्यूमीनियम मिश्र धातु या उसके किसी व्युत्पन्न से फ्रेम बनाते हैं और स्कैनिंग अनुप्रयोगों के लिए जेड अक्ष की कठोरता बढ़ाने के लिए सिरेमिक का भी उपयोग करते हैं। बेहतर मेट्रोलॉजी डायनामिक्स की बाजार मांग और गुणवत्ता प्रयोगशाला के बाहर सीएमएम स्थापित करने की बढ़ती प्रवृत्ति के कारण आज कुछ ही सीएमएम निर्माता ग्रेनाइट फ्रेम वाले सीएमएम का निर्माण करते हैं। आमतौर पर, केवल कम मात्रा में सीएमएम बनाने वाले निर्माता और चीन और भारत के घरेलू निर्माता ही ग्रेनाइट सीएमएम का निर्माण कर रहे हैं, क्योंकि इसमें कम तकनीक का उपयोग होता है और सीएमएम फ्रेम निर्माता बनना आसान है। स्कैनिंग की बढ़ती प्रवृत्ति के कारण सीएमएम के जेड अक्ष को अधिक कठोर होना आवश्यक हो गया है और इसके लिए सिरेमिक और सिलिकॉन कार्बाइड जैसी नई सामग्री पेश की गई हैं।
• जांच प्रणाली
• डेटा संग्रह और न्यूनीकरण प्रणाली में आमतौर पर एक मशीन नियंत्रक, डेस्कटॉप कंप्यूटर और एप्लिकेशन सॉफ़्टवेयर शामिल होते हैं।

उपलब्धता

ये मशीनें स्वतंत्र रूप से खड़ी की जा सकती हैं, हाथ में पकड़ी जा सकती हैं और पोर्टेबल हो सकती हैं।

शुद्धता

निर्देशांक मापन मशीनों की सटीकता को आमतौर पर दूरी के फलन के रूप में अनिश्चितता कारक द्वारा दर्शाया जाता है। टच प्रोब का उपयोग करने वाली सीएमएम के लिए, यह प्रोब की दोहराव क्षमता और रैखिक पैमानों की सटीकता से संबंधित है। सामान्य प्रोब दोहराव क्षमता के परिणामस्वरूप संपूर्ण मापन आयतन में .001 मिमी या .00005 इंच (आधा दसवां भाग) के भीतर माप प्राप्त हो सकते हैं। 3, 3+2 और 5 अक्षीय मशीनों के लिए, सटीकता सुनिश्चित करने के लिए ट्रेस करने योग्य मानकों का उपयोग करके प्रोब को नियमित रूप से कैलिब्रेट किया जाता है और गेजों का उपयोग करके मशीन की गति को सत्यापित किया जाता है।

विशिष्ट भाग

मशीन बॉडी

पहला सीएमएम (CMM) स्कॉटलैंड की फेरेंटी कंपनी द्वारा 1950 के दशक में विकसित किया गया था, जो उनके सैन्य उत्पादों में सटीक घटकों को मापने की प्रत्यक्ष आवश्यकता का परिणाम था, हालांकि इस मशीन में केवल 2 अक्ष थे। पहले 3-अक्षीय मॉडल 1960 के दशक में (इटली की डीईए द्वारा) सामने आने लगे और कंप्यूटर नियंत्रण 1970 के दशक की शुरुआत में आया, लेकिन पहला कार्यशील सीएमएम इंग्लैंड के मेलबर्न में ब्राउन एंड शार्प द्वारा विकसित और बिक्री के लिए पेश किया गया था। (बाद में जर्मनी की लीट्ज़ ने एक स्थिर मशीन संरचना का उत्पादन किया जिसमें एक गतिशील टेबल थी।)

आधुनिक मशीनों में, गैन्ट्री-प्रकार के ऊपरी ढांचे में दो पैर होते हैं और इसे अक्सर ब्रिज कहा जाता है। यह ग्रेनाइट टेबल पर स्वतंत्र रूप से चलता है, जिसका एक पैर (जिसे अक्सर भीतरी पैर कहा जाता है) ग्रेनाइट टेबल के एक तरफ लगी गाइड रेल का अनुसरण करता है। दूसरा पैर (जिसे अक्सर बाहरी पैर कहा जाता है) ग्रेनाइट टेबल पर ऊर्ध्वाधर सतह के आकार के अनुसार टिका रहता है। घर्षण रहित गति सुनिश्चित करने के लिए एयर बेयरिंग का उपयोग किया जाता है। इनमें, संपीड़ित हवा को एक सपाट बेयरिंग सतह में बने कई छोटे छिद्रों से गुजारा जाता है, जिससे एक चिकना लेकिन नियंत्रित वायु कुशन बनता है, जिस पर CMM लगभग घर्षण रहित तरीके से चल सकती है, जिसे सॉफ्टवेयर के माध्यम से समायोजित किया जा सकता है। ग्रेनाइट टेबल पर ब्रिज या गैन्ट्री की गति XY तल का एक अक्ष बनाती है। गैन्ट्री के ब्रिज में एक कैरिज होता है जो भीतरी और बाहरी पैरों के बीच चलता है और दूसरा X या Y क्षैतिज अक्ष बनाता है। गति का तीसरा अक्ष (Z अक्ष) एक ऊर्ध्वाधर क्विल या स्पिंडल द्वारा प्रदान किया जाता है जो कैरिज के केंद्र से ऊपर और नीचे चलता है। क्विल के सिरे पर लगा टच प्रोब संवेदन उपकरण होता है। X, Y और Z अक्षों की गति से माप क्षेत्र का पूर्ण विवरण मिलता है। जटिल वर्कपीस तक माप प्रोब की पहुंच को बेहतर बनाने के लिए वैकल्पिक रोटरी टेबल का उपयोग किया जा सकता है। रोटरी टेबल को चौथे ड्राइव अक्ष के रूप में उपयोग करने से माप आयामों में कोई वृद्धि नहीं होती, जो 3D ही रहते हैं, लेकिन इससे कुछ हद तक लचीलापन मिलता है। कुछ टच प्रोब स्वयं संचालित रोटरी उपकरण होते हैं, जिनमें प्रोब टिप 180 डिग्री से अधिक लंबवत और 360 डिग्री तक पूर्ण घूर्णन कर सकती है।

अब सीएमएम कई अन्य रूपों में भी उपलब्ध हैं। इनमें सीएमएम आर्म शामिल हैं जो आर्म के जोड़ों पर लिए गए कोणीय मापों का उपयोग करके स्टाइलस टिप की स्थिति की गणना करते हैं, और लेजर स्कैनिंग और ऑप्टिकल इमेजिंग के लिए प्रोब से लैस किए जा सकते हैं। ऐसे आर्म सीएमएम का उपयोग अक्सर उन जगहों पर किया जाता है जहां इनकी सुवाह्यता पारंपरिक फिक्स्ड बेड सीएमएम की तुलना में एक लाभ है - मापे गए स्थानों को संग्रहीत करके, प्रोग्रामिंग सॉफ्टवेयर माप प्रक्रिया के दौरान मापने वाले आर्म और उसके माप वॉल्यूम को मापे जाने वाले भाग के चारों ओर घुमाने की अनुमति देता है। चूंकि सीएमएम आर्म मानव हाथ के लचीलेपन की नकल करते हैं, इसलिए वे अक्सर जटिल भागों के अंदरूनी हिस्सों तक पहुंचने में सक्षम होते हैं जिन्हें मानक तीन अक्षीय मशीन का उपयोग करके जांचा नहीं जा सकता।

यांत्रिक जांच

कोऑर्डिनेट मेज़रमेंट (CMM) के शुरुआती दिनों में, यांत्रिक प्रोब को क्विल के सिरे पर लगे एक विशेष होल्डर में फिट किया जाता था। एक आम प्रोब शाफ्ट के सिरे पर एक कठोर गेंद को सोल्डर करके बनाया जाता था। यह समतल सतहों, बेलनाकार या गोलाकार सतहों की एक पूरी श्रृंखला को मापने के लिए आदर्श था। अन्य प्रोब को विशिष्ट आकृतियों, जैसे कि क्वाड्रेंट, में ग्राइंड किया जाता था ताकि विशेष विशेषताओं को मापा जा सके। इन प्रोब को वर्कपीस पर भौतिक रूप से रखा जाता था और अंतरिक्ष में उनकी स्थिति को 3-एक्सिस डिजिटल रीडआउट (DRO) से पढ़ा जाता था या, अधिक उन्नत प्रणालियों में, फुटस्विच या इसी तरह के उपकरण के माध्यम से कंप्यूटर में लॉग किया जाता था। इस संपर्क विधि द्वारा लिए गए माप अक्सर अविश्वसनीय होते थे क्योंकि मशीनों को हाथ से चलाया जाता था और प्रत्येक मशीन ऑपरेटर प्रोब पर अलग-अलग मात्रा में दबाव डालता था या माप के लिए अलग-अलग तकनीकें अपनाता था।

एक और महत्वपूर्ण विकास प्रत्येक अक्ष को चलाने के लिए मोटरों का जुड़ना था। ऑपरेटरों को अब मशीन को शारीरिक रूप से छूने की आवश्यकता नहीं थी, बल्कि वे आधुनिक रिमोट नियंत्रित कारों की तरह जॉयस्टिक वाले हैंडबॉक्स का उपयोग करके प्रत्येक अक्ष को चला सकते थे। इलेक्ट्रॉनिक टच ट्रिगर प्रोब के आविष्कार से माप की सटीकता और परिशुद्धता में नाटकीय रूप से सुधार हुआ। इस नए प्रोब उपकरण के आविष्कारक डेविड मैकमुर्ट्री थे, जिन्होंने बाद में रेनिशॉ पीएलसी की स्थापना की। हालांकि यह अभी भी एक संपर्क उपकरण था, प्रोब में स्प्रिंग-लोडेड स्टील बॉल (बाद में रूबी बॉल) स्टाइलस था। जैसे ही प्रोब घटक की सतह को छूता था, स्टाइलस विक्षेपित होता था और साथ ही X, Y, Z निर्देशांक की जानकारी कंप्यूटर को भेजता था। व्यक्तिगत ऑपरेटरों के कारण होने वाली माप त्रुटियां कम हो गईं और सीएनसी संचालन की शुरुआत और सीएमएम के विकास का मार्ग प्रशस्त हुआ।

ऑप्टिकल प्रोब लेंस-सीसीडी सिस्टम होते हैं, जिन्हें मैकेनिकल प्रोब की तरह ही चलाया जाता है और इन्हें सतह को छूने के बजाय इच्छित बिंदु पर लक्षित किया जाता है। सतह की कैप्चर की गई छवि मापने वाली विंडो की सीमाओं के भीतर तब तक रहती है जब तक कि काले और सफेद क्षेत्रों के बीच पर्याप्त अंतर दिखाई न दे। विभाजक वक्र को उस बिंदु तक गणना करके निकाला जा सकता है, जो अंतरिक्ष में वांछित मापन बिंदु होता है। सीसीडी पर क्षैतिज जानकारी 2D (XY) होती है और ऊर्ध्वाधर स्थिति स्टैंड Z-ड्राइव (या अन्य उपकरण घटक) पर संपूर्ण प्रोबिंग सिस्टम की स्थिति होती है।

स्कैनिंग प्रोब सिस्टम

कुछ नए मॉडलों में ऐसे प्रोब होते हैं जो पार्ट की सतह पर रगड़ते हुए निश्चित अंतराल पर बिंदु लेते हैं, इन्हें स्कैनिंग प्रोब कहा जाता है। सीएमएम निरीक्षण की यह विधि पारंपरिक टच-प्रोब विधि की तुलना में अक्सर अधिक सटीक और तेज़ भी होती है।

नॉन-कॉन्टैक्ट स्कैनिंग के नाम से जानी जाने वाली स्कैनिंग की अगली पीढ़ी, जिसमें हाई-स्पीड लेजर सिंगल पॉइंट ट्रायंगुलेशन, लेजर लाइन स्कैनिंग और व्हाइट लाइट स्कैनिंग शामिल हैं, तेजी से प्रगति कर रही है। इस विधि में लेजर बीम या सफेद प्रकाश का उपयोग किया जाता है, जिन्हें पार्ट की सतह पर प्रक्षेपित किया जाता है। इसके द्वारा हजारों बिंदुओं को कैप्चर किया जा सकता है, जिनका उपयोग न केवल आकार और स्थिति की जांच करने के लिए किया जाता है, बल्कि पार्ट की 3D इमेज बनाने के लिए भी किया जाता है। इस "पॉइंट-क्लाउड डेटा" को फिर CAD सॉफ्टवेयर में स्थानांतरित करके पार्ट का एक कार्यशील 3D मॉडल बनाया जा सकता है। इन ऑप्टिकल स्कैनर्स का उपयोग अक्सर नरम या नाजुक पार्ट्स पर या रिवर्स इंजीनियरिंग को सुविधाजनक बनाने के लिए किया जाता है।

माइक्रोमेट्रोलॉजी जांच

सूक्ष्मस्तरीय मापन अनुप्रयोगों के लिए जांच प्रणालियाँ एक और उभरता हुआ क्षेत्र है। कई व्यावसायिक रूप से उपलब्ध समन्वय मापन मशीनें (सीएमएम) हैं जिनमें एक माइक्रोप्रोब एकीकृत होता है, सरकारी प्रयोगशालाओं में कई विशेष प्रणालियाँ हैं, और सूक्ष्मस्तरीय मापन के लिए विश्वविद्यालयों द्वारा निर्मित कई मापन प्लेटफॉर्म हैं। यद्यपि ये मशीनें नैनोमीट्रिक पैमाने के लिए अच्छे और कई मामलों में उत्कृष्ट मापन प्लेटफॉर्म हैं, इनकी प्राथमिक सीमा एक विश्वसनीय, मजबूत और सक्षम माइक्रो/नैनो प्रोब है।^{[प्रशस्ति - पत्र आवश्यक]}सूक्ष्मस्तरीय जांच प्रौद्योगिकियों के लिए चुनौतियों में उच्च पहलू अनुपात वाले जांच उपकरण की आवश्यकता शामिल है जो कम संपर्क बलों के साथ गहरी, संकीर्ण विशेषताओं तक पहुंचने की क्षमता प्रदान करता है ताकि सतह को नुकसान न पहुंचे और उच्च परिशुद्धता (नैनोमीटर स्तर) प्राप्त हो सके।^{[प्रशस्ति - पत्र आवश्यक]}इसके अतिरिक्त, सूक्ष्म पैमाने के प्रोब पर्यावरणीय स्थितियों जैसे आर्द्रता और सतह की अंतःक्रियाओं जैसे कि स्टिक्शन (जो आसंजन, मेनिस्कस और/या वैन डेर वाल्स बलों आदि के कारण होती है) के प्रति संवेदनशील होते हैं।^{[प्रशस्ति - पत्र आवश्यक]}

सूक्ष्म स्तर पर जांच करने की तकनीकों में क्लासिकल सीएमएम प्रोब के छोटे संस्करण, ऑप्टिकल प्रोब और स्टैंडिंग वेव प्रोब आदि शामिल हैं। हालांकि, वर्तमान ऑप्टिकल तकनीकें इतनी छोटी नहीं हो सकतीं कि गहरी, संकीर्ण संरचनाओं को माप सकें, और ऑप्टिकल रिज़ॉल्यूशन प्रकाश की तरंगदैर्ध्य द्वारा सीमित होता है। एक्स-रे इमेजिंग संरचना का चित्र तो प्रदान करती है, लेकिन इससे कोई ट्रेस करने योग्य मेट्रोलॉजी जानकारी नहीं मिलती।

भौतिक सिद्धांत

ऑप्टिकल प्रोब और/या लेजर प्रोब का उपयोग किया जा सकता है (यदि संभव हो तो संयोजन में), जो सीएमएम को मापने वाले माइक्रोस्कोप या मल्टी-सेंसर मापने वाली मशीनों में बदल देते हैं। फ्रिंज प्रोजेक्शन सिस्टम, थियोडोलाइट ट्रायंगुलेशन सिस्टम या लेजर डिस्टेंट और ट्रायंगुलेशन सिस्टम को मापने वाली मशीनें नहीं कहा जाता है, लेकिन मापने का परिणाम समान होता है: एक स्पेस पॉइंट। लेजर प्रोब का उपयोग सतह और काइनेमैटिक चेन के अंत में संदर्भ बिंदु (यानी: जेड-ड्राइव घटक का अंत) के बीच की दूरी का पता लगाने के लिए किया जाता है। इसके लिए इंटरफेरोमेट्रिकल फ़ंक्शन, फोकस भिन्नता, प्रकाश विक्षेपण या बीम शैडोइंग सिद्धांत का उपयोग किया जा सकता है।

पोर्टेबल निर्देशांक-मापन मशीनें

जहां पारंपरिक सीएमएम किसी वस्तु की भौतिक विशेषताओं को मापने के लिए तीन कार्टेशियन अक्षों पर चलने वाले एक प्रोब का उपयोग करते हैं, वहीं पोर्टेबल सीएमएम या तो आर्टिकुलेटेड आर्म्स का उपयोग करते हैं या, ऑप्टिकल सीएमएम के मामले में, आर्म-फ्री स्कैनिंग सिस्टम का उपयोग करते हैं जो ऑप्टिकल ट्रायंगुलेशन विधियों का उपयोग करते हैं और वस्तु के चारों ओर पूर्ण स्वतंत्रता से घूमने में सक्षम बनाते हैं।

आर्टिकुलेटेड आर्म वाले पोर्टेबल सीएमएम में लीनियर एक्सिस के बजाय रोटरी एनकोडर से लैस छह या सात एक्सिस होते हैं। पोर्टेबल आर्म हल्के होते हैं (आमतौर पर 20 पाउंड से कम) और इन्हें लगभग कहीं भी ले जाया और इस्तेमाल किया जा सकता है। हालांकि, उद्योग में ऑप्टिकल सीएमएम का उपयोग तेजी से बढ़ रहा है। कॉम्पैक्ट लीनियर या मैट्रिक्स ऐरे कैमरों (जैसे माइक्रोसॉफ्ट किनेक्ट) के साथ डिज़ाइन किए गए ऑप्टिकल सीएमएम, आर्म वाले पोर्टेबल सीएमएम से छोटे होते हैं, इनमें तार नहीं होते हैं, और उपयोगकर्ता लगभग कहीं भी स्थित सभी प्रकार की वस्तुओं का आसानी से 3डी माप ले सकते हैं।

रिवर्स इंजीनियरिंग, रैपिड प्रोटोटाइपिंग और सभी आकारों के पुर्जों के बड़े पैमाने पर निरीक्षण जैसे कुछ गैर-दोहराव वाले अनुप्रयोगों के लिए पोर्टेबल सीएमएम आदर्श रूप से उपयुक्त हैं। पोर्टेबल सीएमएम के कई लाभ हैं। उपयोगकर्ता सभी प्रकार के पुर्जों के 3डी माप लेने में लचीलापन रखते हैं और सबसे दूरस्थ/कठिन स्थानों पर भी माप ले सकते हैं। इनका उपयोग आसान है और सटीक माप लेने के लिए किसी नियंत्रित वातावरण की आवश्यकता नहीं होती है। इसके अलावा, पोर्टेबल सीएमएम आमतौर पर पारंपरिक सीएमएम की तुलना में कम लागत वाले होते हैं।

पोर्टेबल सीएमएम की अंतर्निहित कमियां मैनुअल संचालन हैं (इन्हें चलाने के लिए हमेशा एक व्यक्ति की आवश्यकता होती है)। इसके अलावा, इनकी समग्र सटीकता ब्रिज टाइप सीएमएम की तुलना में कुछ कम हो सकती है और कुछ अनुप्रयोगों के लिए ये कम उपयुक्त होते हैं।

मल्टीसेंसर-मापन मशीनें

टच प्रोब का उपयोग करने वाली पारंपरिक सीएमएम तकनीक को आजकल अक्सर अन्य मापन तकनीकों के साथ जोड़ा जाता है। इसमें लेजर, वीडियो या सफेद प्रकाश सेंसर शामिल हैं, जिससे मल्टीसेंसर मापन संभव हो पाता है।