निर्देशांक मापने वाली मशीन क्या है?

एनियामक माप मशीन(सीएमएम) एक ऐसा उपकरण है जो जांच के साथ वस्तु की सतह पर असतत बिंदुओं को महसूस करके भौतिक वस्तुओं की ज्यामिति को मापता है। सीएमएम में विभिन्न प्रकार की जांच का उपयोग किया जाता है, जिसमें यांत्रिक, ऑप्टिकल, लेजर और सफेद प्रकाश शामिल हैं। मशीन के आधार पर, जांच की स्थिति को ऑपरेटर द्वारा मैन्युअल रूप से नियंत्रित किया जा सकता है या इसे कंप्यूटर द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। सीएमएम आमतौर पर एक तीन आयामी कार्टेशियन निर्देशांक प्रणाली (यानी, XYZ अक्षों के साथ) में संदर्भ स्थिति से इसके विस्थापन के संदर्भ में जांच की स्थिति को निर्दिष्ट करते हैं। एक्स, वाई और जेड अक्षों के साथ जांच को स्थानांतरित करने के अलावा, कई मशीनें जांच कोण को नियंत्रित करने की भी अनुमति देती हैं ताकि उन सतहों की माप की अनुमति मिल सके जो अन्यथा पहुंच योग्य नहीं होंगी।

ठेठ 3D "ब्रिज" CMM तीन अक्षों, X, Y और Z के साथ जांच की गति की अनुमति देता है, जो एक त्रि-आयामी कार्टेशियन निर्देशांक प्रणाली में एक दूसरे के लिए लंबवत हैं। प्रत्येक अक्ष में एक सेंसर होता है जो उस अक्ष पर जांच की स्थिति की निगरानी करता है, आमतौर पर माइक्रोमीटर परिशुद्धता के साथ। जब जांच वस्तु पर किसी विशेष स्थान से संपर्क करती है (या अन्यथा पता लगाती है), तो मशीन तीन स्थिति सेंसर का नमूना लेती है, इस प्रकार वस्तु की सतह पर एक बिंदु के स्थान को मापती है, साथ ही माप के 3-आयामी वेक्टर को भी मापती है। इस प्रक्रिया को आवश्यकतानुसार दोहराया जाता है, हर बार जांच को हिलाते हुए, एक "बिंदु बादल" बनाने के लिए जो रुचि के सतह क्षेत्रों का वर्णन करता है।

सीएमएम का एक सामान्य उपयोग विनिर्माण और असेंबली प्रक्रियाओं में डिजाइन के इरादे के खिलाफ एक भाग या असेंबली का परीक्षण करने के लिए होता है। ऐसे अनुप्रयोगों में, पॉइंट क्लाउड उत्पन्न होते हैं जिनका विश्लेषण सुविधाओं के निर्माण के लिए प्रतिगमन एल्गोरिदम के माध्यम से किया जाता है। इन बिंदुओं को एक जांच का उपयोग करके एकत्र किया जाता है जिसे ऑपरेटर द्वारा मैन्युअल रूप से या डायरेक्ट कंप्यूटर कंट्रोल (डीसीसी) के माध्यम से स्वचालित रूप से तैनात किया जाता है। डीसीसी सीएमएम को समान भागों 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 मापने वाली मशीनों में तीन मुख्य घटक शामिल हैं:

• मुख्य संरचना जिसमें गति के तीन अक्ष शामिल हैं। मूविंग फ्रेम के निर्माण में प्रयुक्त सामग्री पिछले कुछ वर्षों में बदलती रही है। शुरुआती CMM में ग्रेनाइट और स्टील का इस्तेमाल किया गया था। आज सभी प्रमुख CMM निर्माता एल्यूमीनियम मिश्र धातु या कुछ व्युत्पन्न से फ्रेम बनाते हैं और स्कैनिंग अनुप्रयोगों के लिए Z अक्ष की कठोरता बढ़ाने के लिए सिरेमिक का भी उपयोग करते हैं। बेहतर मेट्रोलॉजी गतिशीलता के लिए बाजार की आवश्यकता और गुणवत्ता प्रयोगशाला के बाहर CMM स्थापित करने की बढ़ती प्रवृत्ति के कारण आज भी कुछ CMM निर्माता ग्रेनाइट फ्रेम CMM का निर्माण करते हैं। आमतौर पर केवल कम मात्रा वाले CMM निर्माता और चीन और भारत के घरेलू निर्माता ही कम प्रौद्योगिकी दृष्टिकोण और CMM फ्रेम निर्माता बनने के लिए आसान प्रवेश के कारण ग्रेनाइट CMM का निर्माण कर रहे हैं। स्कैनिंग की ओर बढ़ते रुझान के लिए CMM Z अक्ष का कठोर होना भी आवश्यक है
• जांच प्रणाली
• डेटा संग्रहण और न्यूनीकरण प्रणाली - इसमें आमतौर पर एक मशीन नियंत्रक, डेस्कटॉप कंप्यूटर और अनुप्रयोग सॉफ्टवेयर शामिल होते हैं।

उपलब्धता

ये मशीनें स्वतंत्र, हाथ में पकड़ी जा सकने वाली तथा पोर्टेबल हो सकती हैं।

शुद्धता

निर्देशांक माप मशीनों की सटीकता आमतौर पर दूरी पर एक फ़ंक्शन के रूप में अनिश्चितता कारक के रूप में दी जाती है। टच जांच का उपयोग करने वाले CMM के लिए, यह जांच की पुनरावृत्ति और रैखिक पैमानों की सटीकता से संबंधित है। विशिष्ट जांच पुनरावृत्ति के परिणामस्वरूप संपूर्ण माप मात्रा पर .001 मिमी या .00005 इंच (आधा दसवां) के भीतर माप हो सकते हैं। 3, 3+2 और 5 अक्ष मशीनों के लिए, जांच को नियमित रूप से ट्रेस करने योग्य मानकों का उपयोग करके कैलिब्रेट किया जाता है और सटीकता सुनिश्चित करने के लिए गेज का उपयोग करके मशीन की गति को सत्यापित किया जाता है।

विशिष्ट भाग

मशीन बॉडी

पहला CMM स्कॉटलैंड की फेरांती कंपनी द्वारा 1950 के दशक में विकसित किया गया था, जो उनके सैन्य उत्पादों में सटीक घटकों को मापने की प्रत्यक्ष आवश्यकता के परिणामस्वरूप था, हालांकि इस मशीन में केवल 2 अक्ष थे। पहला 3-अक्ष मॉडल 1960 के दशक में (इटली के DEA) दिखाई देने लगा और कंप्यूटर नियंत्रण 1970 के दशक की शुरुआत में शुरू हुआ, लेकिन पहला काम करने वाला CMM मेलबर्न, इंग्लैंड में ब्राउन एंड शार्प द्वारा विकसित और बिक्री के लिए रखा गया था। (लीट्ज़ जर्मनी ने बाद में चलती तालिका के साथ एक निश्चित मशीन संरचना का उत्पादन किया।

आधुनिक मशीनों में, गैंट्री-प्रकार के सुपरस्ट्रक्चर में दो पैर होते हैं और इसे अक्सर ब्रिज कहा जाता है। यह ग्रेनाइट टेबल के साथ-साथ एक पैर (जिसे अक्सर अंदरूनी पैर कहा जाता है) के साथ ग्रेनाइट टेबल के एक तरफ लगे गाइड रेल का अनुसरण करते हुए स्वतंत्र रूप से चलता है। विपरीत पैर (अक्सर बाहरी पैर) ऊर्ध्वाधर सतह समोच्च का अनुसरण करते हुए ग्रेनाइट टेबल पर बस टिका रहता है। घर्षण मुक्त यात्रा सुनिश्चित करने के लिए एयर बियरिंग को चुना जाता है। इनमें, संपीड़ित हवा को एक सपाट बियरिंग सतह में बहुत छोटे छिद्रों की एक श्रृंखला के माध्यम से मजबूर किया जाता है ताकि एक चिकनी लेकिन नियंत्रित वायु कुशन प्रदान किया जा सके जिस पर CMM लगभग घर्षण रहित तरीके से आगे बढ़ सकता है जिसकी भरपाई सॉफ़्टवेयर के माध्यम से की जा सकती है। ग्रेनाइट टेबल के साथ ब्रिज या गैंट्री की गति XY समतल की एक धुरी बनाती है। गैंट्री के पुल में एक गाड़ी होती है जो अंदर और बाहर के पैरों के बीच से गुजरती है और दूसरी X या Y क्षैतिज धुरी बनाती है। गति की तीसरी धुरी (Z अक्ष) एक ऊर्ध्वाधर क्विल या स्पिंडल के अतिरिक्त द्वारा प्रदान की जाती है जो गाड़ी के केंद्र के माध्यम से ऊपर और नीचे चलती है। स्पर्श जांच क्विल के अंत में संवेदन उपकरण बनाती है। X, Y और Z अक्षों की गति मापन लिफ़ाफ़े का पूरी तरह से वर्णन करती है। जटिल वर्कपीस के लिए मापन जांच की पहुंच को बढ़ाने के लिए वैकल्पिक रोटरी टेबल का उपयोग किया जा सकता है। चौथी ड्राइव अक्ष के रूप में रोटरी टेबल मापन आयामों को नहीं बढ़ाती है, जो 3D रहते हैं, लेकिन यह लचीलापन की एक डिग्री प्रदान करता है। कुछ स्पर्श जांच स्वयं संचालित रोटरी डिवाइस हैं, जिनमें जांच टिप 180 डिग्री से अधिक और पूर्ण 360 डिग्री रोटेशन के माध्यम से लंबवत रूप से घूमने में सक्षम है।

सीएमएम अब कई अन्य रूपों में भी उपलब्ध हैं। इनमें सीएमएम आर्म्स शामिल हैं जो स्टाइलस टिप की स्थिति की गणना करने के लिए आर्म के जोड़ों पर लिए गए कोणीय मापों का उपयोग करते हैं, और लेजर स्कैनिंग और ऑप्टिकल इमेजिंग के लिए जांच के साथ सुसज्जित किए जा सकते हैं। इस तरह के आर्म सीएमएम का अक्सर उपयोग किया जाता है, जहाँ उनकी पोर्टेबिलिटी पारंपरिक फिक्स्ड बेड सीएमएम की तुलना में एक लाभ है - मापे गए स्थानों को संग्रहीत करके, प्रोग्रामिंग सॉफ़्टवेयर माप रूटीन के दौरान मापे जाने वाले हिस्से के चारों ओर मापने वाले आर्म और उसके माप की मात्रा को भी स्थानांतरित करने की अनुमति देता है। चूँकि सीएमएम आर्म्स मानव हाथ के लचीलेपन की नकल करते हैं, इसलिए वे अक्सर जटिल भागों के अंदरूनी हिस्सों तक पहुँचने में सक्षम होते हैं जिन्हें एक मानक तीन अक्ष मशीन का उपयोग करके जांचा नहीं जा सकता है।

यांत्रिक जांच

निर्देशांक माप (सीएमएम) के शुरुआती दिनों में, यांत्रिक जांच को क्विल के अंत में एक विशेष धारक में फिट किया गया था। एक बहुत ही सामान्य जांच शाफ्ट के अंत में एक कठोर गेंद को सोल्डर करके बनाई गई थी। यह सपाट चेहरे, बेलनाकार या गोलाकार सतहों की एक पूरी श्रृंखला को मापने के लिए आदर्श था। अन्य जांचों को विशेष विशेषताओं के मापन को सक्षम करने के लिए विशिष्ट आकृतियों, उदाहरण के लिए एक चतुर्भुज के लिए तैयार किया गया था। इन जांचों को भौतिक रूप से वर्कपीस के खिलाफ रखा गया था, जिसमें अंतरिक्ष में स्थिति को 3-अक्ष डिजिटल रीडआउट (डीआरओ) से पढ़ा गया था या, अधिक उन्नत प्रणालियों में, एक फुटस्विच या इसी तरह के उपकरण के माध्यम से कंप्यूटर में लॉग इन किया गया था। इस संपर्क विधि द्वारा लिए गए माप अक्सर अविश्वसनीय होते थे क्योंकि मशीनों को हाथ से चलाया जाता था और प्रत्येक मशीन ऑपरेटर जांच पर अलग-अलग मात्रा में दबाव डालता था या माप के लिए अलग-अलग तकनीक अपनाता था।

एक और विकास प्रत्येक अक्ष को चलाने के लिए मोटरों को जोड़ना था। ऑपरेटरों को अब मशीन को शारीरिक रूप से छूने की ज़रूरत नहीं थी, बल्कि वे जॉयस्टिक के साथ हैंडबॉक्स का उपयोग करके प्रत्येक अक्ष को उसी तरह चला सकते थे जैसे आधुनिक रिमोट कंट्रोल वाली कारों में होता है। इलेक्ट्रॉनिक टच ट्रिगर जांच के आविष्कार के साथ माप की सटीकता और परिशुद्धता में नाटकीय रूप से सुधार हुआ। इस नए जांच उपकरण के अग्रणी डेविड मैकमुर्ट्री थे जिन्होंने बाद में रेनिशॉ पीएलसी का गठन किया। हालाँकि अभी भी एक संपर्क उपकरण, जांच में एक स्प्रिंग-लोडेड स्टील बॉल (बाद में रूबी बॉल) स्टाइलस था। जैसे ही जांच ने घटक की सतह को छुआ, स्टाइलस विक्षेपित हो गया और एक साथ कंप्यूटर को X, Y, Z निर्देशांक जानकारी भेजी। व्यक्तिगत ऑपरेटरों द्वारा की जाने वाली माप त्रुटियाँ कम हो गईं और CNC संचालन की शुरुआत और CMM के युग के आने के लिए मंच तैयार हो गया।

ऑप्टिकल जांच लेंस-सीसीडी-प्रणाली हैं, जिन्हें यांत्रिक लोगों की तरह घुमाया जाता है, और सामग्री को छूने के बजाय रुचि के बिंदु पर लक्षित किया जाता है। सतह की कैप्चर की गई छवि को मापने वाली खिड़की की सीमाओं में संलग्न किया जाएगा, जब तक कि अवशेष काले और सफेद क्षेत्रों के बीच विपरीतता के लिए पर्याप्त न हो। विभाजन वक्र की गणना एक बिंदु तक की जा सकती है, जो अंतरिक्ष में वांछित माप बिंदु है। सीसीडी पर क्षैतिज जानकारी 2डी (XY) है और ऊर्ध्वाधर स्थिति स्टैंड जेड-ड्राइव (या अन्य डिवाइस घटक) पर पूरी जांच प्रणाली की स्थिति है।

स्कैनिंग जांच प्रणालियाँ

ऐसे नए मॉडल हैं जिनमें जांच होती है जो निर्दिष्ट अंतराल पर भाग की सतह पर खींचती है, जिसे स्कैनिंग जांच के रूप में जाना जाता है। CMM निरीक्षण की यह विधि अक्सर पारंपरिक स्पर्श-जांच विधि की तुलना में अधिक सटीक होती है और अधिकांश समय तेज़ भी होती है।

स्कैनिंग की अगली पीढ़ी, जिसे नॉनकॉन्टैक्ट स्कैनिंग के रूप में जाना जाता है, जिसमें हाई स्पीड लेजर सिंगल पॉइंट ट्राइंगुलेशन, लेजर लाइन स्कैनिंग और व्हाइट लाइट स्कैनिंग शामिल है, बहुत तेज़ी से आगे बढ़ रही है। यह विधि या तो लेजर बीम या सफेद रोशनी का उपयोग करती है जिसे भाग की सतह के विरुद्ध प्रक्षेपित किया जाता है। फिर कई हज़ार बिंदु लिए जा सकते हैं और उनका उपयोग न केवल आकार और स्थिति की जाँच करने के लिए किया जा सकता है, बल्कि भाग की 3D छवि बनाने के लिए भी किया जा सकता है। इस "पॉइंट-क्लाउड डेटा" को फिर भाग का एक कार्यशील 3D मॉडल बनाने के लिए CAD सॉफ़्टवेयर में स्थानांतरित किया जा सकता है। इन ऑप्टिकल स्कैनर का उपयोग अक्सर नरम या नाजुक भागों पर या रिवर्स इंजीनियरिंग की सुविधा के लिए किया जाता है।

माइक्रोमेट्रोलॉजी जांच

माइक्रोस्केल मेट्रोलॉजी अनुप्रयोगों के लिए जांच प्रणाली एक और उभरता हुआ क्षेत्र है। कई व्यावसायिक रूप से उपलब्ध समन्वय मापने वाली मशीनें (सीएमएम) हैं जिनमें सिस्टम में एक माइक्रोप्रोब एकीकृत है, सरकारी प्रयोगशालाओं में कई विशेष प्रणालियाँ हैं, और माइक्रोस्केल मेट्रोलॉजी के लिए कई विश्वविद्यालय निर्मित मेट्रोलॉजी प्लेटफ़ॉर्म हैं। हालाँकि ये मशीनें अच्छी हैं और कई मामलों में नैनोमेट्रिक स्केल के साथ बेहतरीन मेट्रोलॉजी प्लेटफ़ॉर्म हैं, लेकिन उनकी प्राथमिक सीमा एक विश्वसनीय, मजबूत, सक्षम माइक्रो/नैनो जांच है।^{[प्रशस्ति - पत्र आवश्यक]}सूक्ष्मस्तरीय जांच प्रौद्योगिकियों के लिए चुनौतियों में उच्च पहलू अनुपात वाली जांच की आवश्यकता शामिल है, जो कम संपर्क बलों के साथ गहरी, संकीर्ण विशेषताओं तक पहुंचने की क्षमता प्रदान करती है, ताकि सतह को नुकसान न पहुंचे और उच्च परिशुद्धता (नैनोमीटर स्तर) हो।^{[प्रशस्ति - पत्र आवश्यक]}इसके अतिरिक्त, माइक्रोस्केल जांच पर्यावरणीय परिस्थितियों जैसे आर्द्रता और सतही अंतःक्रिया जैसे स्टिक्शन (आसंजन, मेनिस्कस और/या वैन डेर वाल्स बलों के कारण) के प्रति संवेदनशील होती हैं।^{[प्रशस्ति - पत्र आवश्यक]}

माइक्रोस्केल जांच को प्राप्त करने की तकनीकों में क्लासिकल सीएमएम जांच, ऑप्टिकल जांच और स्टैंडिंग वेव जांच के छोटे संस्करण शामिल हैं। हालाँकि, वर्तमान ऑप्टिकल तकनीकों को इतना छोटा नहीं किया जा सकता कि वे गहरी, संकीर्ण विशेषता को माप सकें, और ऑप्टिकल रिज़ॉल्यूशन प्रकाश की तरंग दैर्ध्य द्वारा सीमित है। एक्स-रे इमेजिंग विशेषता की एक तस्वीर प्रदान करती है लेकिन कोई ट्रेस करने योग्य मेट्रोलॉजी जानकारी नहीं देती है।

भौतिक सिद्धांत

ऑप्टिकल जांच और/या लेजर जांच का उपयोग किया जा सकता है (यदि संयोजन में संभव हो), जो सीएमएम को मापने वाले माइक्रोस्कोप या मल्टी-सेंसर मापने वाली मशीनों में बदल देता है। फ्रिंज प्रोजेक्शन सिस्टम, थियोडोलाइट ट्राइंगुलेशन सिस्टम या लेजर डिस्टेंस और ट्राइंगुलेशन सिस्टम को मापने वाली मशीन नहीं कहा जाता है, लेकिन मापने का परिणाम एक ही है: एक स्पेस पॉइंट। लेजर जांच का उपयोग किनेमेटिक चेन के अंत में सतह और संदर्भ बिंदु के बीच की दूरी का पता लगाने के लिए किया जाता है (यानी: Z-ड्राइव घटक का अंत)। यह एक इंटरफेरोमेट्रिकल फ़ंक्शन, फ़ोकस भिन्नता, प्रकाश विक्षेपण या बीम शैडोइंग सिद्धांत का उपयोग कर सकता है।

पोर्टेबल निर्देशांक मापने वाली मशीनें

जबकि पारंपरिक सीएमएम एक जांच का उपयोग करते हैं जो किसी वस्तु की भौतिक विशेषताओं को मापने के लिए तीन कार्तीय अक्षों पर चलती है, पोर्टेबल सीएमएम या तो स्पष्ट भुजाओं का उपयोग करते हैं या ऑप्टिकल सीएमएम के मामले में, भुजा-मुक्त स्कैनिंग सिस्टम का उपयोग करते हैं जो ऑप्टिकल त्रिभुजाकारीकरण विधियों का उपयोग करते हैं और वस्तु के चारों ओर गति की पूर्ण स्वतंत्रता प्रदान करते हैं।

आर्टिकुलेटेड आर्म्स वाले पोर्टेबल CMM में छह या सात अक्ष होते हैं जो रैखिक अक्षों के बजाय रोटरी एनकोडर से सुसज्जित होते हैं। पोर्टेबल आर्म्स हल्के होते हैं (आमतौर पर 20 पाउंड से कम) और इन्हें लगभग कहीं भी ले जाया और इस्तेमाल किया जा सकता है। हालाँकि, उद्योग में ऑप्टिकल CMM का उपयोग तेजी से बढ़ रहा है। कॉम्पैक्ट लीनियर या मैट्रिक्स ऐरे कैमरों (जैसे Microsoft Kinect) के साथ डिज़ाइन किए गए, ऑप्टिकल CMM आर्म्स वाले पोर्टेबल CMM से छोटे होते हैं, इनमें कोई तार नहीं होता है, और उपयोगकर्ताओं को लगभग कहीं भी स्थित सभी प्रकार की वस्तुओं का 3D माप आसानी से लेने में सक्षम बनाता है।

कुछ गैर-दोहराव वाले अनुप्रयोग जैसे रिवर्स इंजीनियरिंग, रैपिड प्रोटोटाइपिंग, और सभी आकारों के भागों का बड़े पैमाने पर निरीक्षण पोर्टेबल CMM के लिए आदर्श रूप से अनुकूल हैं। पोर्टेबल CMM के लाभ कई गुना हैं। उपयोगकर्ताओं के पास सभी प्रकार के भागों और सबसे दूरस्थ/कठिन स्थानों में 3D माप लेने में लचीलापन है। वे उपयोग में आसान हैं और सटीक माप लेने के लिए नियंत्रित वातावरण की आवश्यकता नहीं होती है। इसके अलावा, पोर्टेबल CMM की लागत पारंपरिक CMM से कम होती है।

पोर्टेबल CMM की अंतर्निहित कमियाँ हैं मैनुअल संचालन (इनका उपयोग करने के लिए हमेशा एक इंसान की आवश्यकता होती है)। इसके अलावा, उनकी समग्र सटीकता ब्रिज टाइप CMM की तुलना में कुछ हद तक कम सटीक हो सकती है और कुछ अनुप्रयोगों के लिए कम उपयुक्त है।

मल्टीसेंसर-मापन मशीनें

टच प्रोब का उपयोग करने वाली पारंपरिक CMM तकनीक को आजकल अक्सर अन्य मापन तकनीक के साथ जोड़ दिया जाता है। इसमें लेजर, वीडियो या सफ़ेद प्रकाश सेंसर शामिल हैं जो मल्टीसेंसर माप के रूप में जाने जाते हैं।