निर्देशांक मापने वाली मशीन क्या है?

एनियामक माप मशीन(सीएमएम) एक ऐसा उपकरण है जो किसी वस्तु की सतह पर एक प्रोब की सहायता से पृथक बिंदुओं का पता लगाकर भौतिक वस्तुओं की ज्यामिति मापता है। सीएमएम में विभिन्न प्रकार के प्रोब का उपयोग किया जाता है, जिनमें यांत्रिक, प्रकाशीय, लेज़र और श्वेत प्रकाश शामिल हैं। मशीन के आधार पर, प्रोब 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 त्रि-आयामी कार्तीय निर्देशांक प्रणाली (अर्थात, XYZ अक्षों के साथ) में संदर्भ स्थिति से उसके विस्थापन के आधार पर प्रोब की स्थिति निर्धारित करते हैं। प्रोब को X, Y और Z अक्षों के साथ गतिमान करने के अलावा, कई मशीनें प्रोब के कोण को नियंत्रित करने की भी अनुमति देती हैं ताकि उन सतहों का मापन संभव हो सके जो अन्यथा पहुँच से बाहर होतीं।

विशिष्ट 3D "ब्रिज" CMM, जांच को तीन अक्षों, X, Y और Z, पर गति करने की अनुमति देता है, जो एक त्रि-आयामी कार्तीय निर्देशांक प्रणाली में एक-दूसरे के लंबवत होते 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 के संपर्क में आती है (या अन्यथा उसका पता लगाती है), तो मशीन तीन स्थिति सेंसरों का नमूना लेती है, इस प्रकार वस्तु की सतह पर एक बिंदु के स्थान के साथ-साथ लिए गए माप के त्रि-आयामी वेक्टर को भी मापती है। आवश्यकतानुसार इस प्रक्रिया को दोहराया जाता है, हर बार जांच को गतिमान करके, एक "बिंदु बादल" उत्पन्न होता है जो रुचि के सतह क्षेत्रों का वर्णन करता है।

सीएमएम का एक सामान्य उपयोग विनिर्माण और संयोजन प्रक्रियाओं में किसी भाग या संयोजन को डिज़ाइन के अनुरूप परखने के लिए होता है। ऐसे अनुप्रयोगों में, पॉइंट क्लाउड उत्पन्न किए जाते हैं जिनका विश्लेषण विशेषताओं के निर्माण हेतु रिग्रेशन एल्गोरिदम के माध्यम से किया जाता है। इन बिंदुओं को एक जांच का उपयोग करके एकत्रित किया जाता है जिसे ऑपरेटर द्वारा मैन्युअल रूप से या डायरेक्ट कंप्यूटर कंट्रोल (डीसीसी) के माध्यम से स्वचालित रूप से स्थापित 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 विशिष्ट रूप है।

पार्ट्स

निर्देशांक-मापक 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। प्रारंभिक CMM में ग्रेनाइट और स्टील का उपयोग किया जाता 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 तकनीकी दृष्टिकोण और CMM फ्रेम निर्माता बनने के लिए आसान प्रवेश के कारण ग्रेनाइट CMM का निर्माण कर रहे हैं। स्कैनिंग की बढ़ती प्रवृत्ति के लिए CMM Z अक्ष का कठोर होना भी आवश्यक है
• जांच प्रणाली
• डेटा संग्रहण और न्यूनीकरण प्रणाली - इसमें आमतौर पर मशीन नियंत्रक, डेस्कटॉप कंप्यूटर और अनुप्रयोग सॉफ्टवेयर शामिल होते हैं।

उपलब्धता

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

शुद्धता

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

विशिष्ट भाग

मशीन बॉडी

पहला सीएमएम 1950 के दशक में स्कॉटलैंड की फेरांति कंपनी द्वारा विकसित किया गया था, जो अपने सैन्य उत्पादों में सटीक घटकों को मापने की प्रत्यक्ष आवश्यकता के परिणामस्वरूप था, हालाँकि इस मशीन में केवल 2 अक्ष थे। पहले 3-अक्ष मॉडल 1960 के दशक में (इटली के डीईए) दिखाई देने लगे और कंप्यूटर नियंत्रण 1970 के दशक के आरंभ में शुरू हुआ, लेकिन पहला कार्यशील सीएमएम इंग्लैंड के मेलबर्न में ब्राउन एंड शार्प द्वारा विकसित और बिक्री के लिए रखा गया था। (लीट्ज़ जर्मनी ने बाद में चल तालिका के साथ एक स्थिर मशीन संरचना का उत्पादन किया।

आधुनिक मशीनों में, गैन्ट्री-प्रकार के अधिरचना में दो पाद होते हैं और इसे अक्सर ब्रिज कहा जाता है। यह ग्रेनाइट टेबल पर स्वतंत्र रूप से गति करता है, जिसमें एक पाद (जिसे अक्सर आंतरिक पाद कहा जाता है) ग्रेनाइट टेबल के एक ओर लगी गाइड रेल का अनुसरण करता है। दूसरा पाद (अक्सर बाहरी पाद) ऊर्ध्वाधर सतह समोच्च रेखा का अनुसरण करते हुए ग्रेनाइट टेबल पर टिका रहता है। घर्षण मुक्त गति सुनिश्चित करने के लिए एयर बेयरिंग को चुना जाता है। इनमें, संपीड़ित वायु को एक समतल बेयरिंग सतह में बहुत छोटे छिद्रों की एक श्रृंखला के माध्यम से धकेला जाता है ताकि एक चिकना लेकिन नियंत्रित वायु कुशन प्रदान किया जा सके जिस पर CMM लगभग घर्षण रहित गति कर सके, जिसकी भरपाई सॉफ़्टवेयर के माध्यम से की जा सकती है। ग्रेनाइट टेबल के साथ ब्रिज या गैन्ट्री की गति XY तल का एक अक्ष बनाती है। गैन्ट्री के ब्रिज में एक कैरिज होता है जो आंतरिक और बाहरी पादों के बीच से होकर गुजरता है और दूसरा X या Y क्षैतिज अक्ष बनाता है। गति का तीसरा अक्ष (Z अक्ष) एक ऊर्ध्वाधर क्विल या स्पिंडल जोड़कर प्रदान किया जाता है जो कैरिज के केंद्र से ऊपर और नीचे गति करता है। स्पर्श प्रोब, क्विल के सिरे पर स्थित संवेदन उपकरण का निर्माण करता है। X, Y और Z अक्षों की गति मापक आवरण को पूरी तरह से दर्शाती है। जटिल कार्य-वस्तुओं तक मापक प्रोब की पहुँच बढ़ाने के लिए वैकल्पिक रोटरी टेबल का उपयोग किया जा सकता है। चौथे ड्राइव अक्ष के रूप में रोटरी टेबल, मापक आयामों को नहीं बढ़ाता है, जो 3D ही रहते हैं, लेकिन यह कुछ हद तक लचीलापन प्रदान करता है। कुछ स्पर्श प्रोब स्वयं संचालित रोटरी उपकरण होते हैं, जिनकी प्रोब नोक 180 डिग्री से अधिक लंबवत और पूरे 360 डिग्री घूर्णन कर सकती 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 इन्हें लेज़र स्कैनिंग और ऑप्टिकल इमेजिंग के लिए प्रोब से सुसज्जित किया जा सकता है। ऐसे आर्म सीएमएम का उपयोग अक्सर वहाँ किया जाता है जहाँ उनकी सुवाह्यता पारंपरिक फिक्स्ड बेड सीएमएम की तुलना में एक लाभ है - मापे गए स्थानों को संग्रहीत करके, प्रोग्रामिंग सॉफ़्टवेयर मापन रूटीन के दौरान मापे जाने वाले भाग के चारों ओर मापने वाले आर्म और उसके मापन आयतन को भी स्थानांतरित करने की अनुमति देता है। चूँकि सीएमएम आर्म्स मानव आर्म के लचीलेपन का अनुकरण करते हैं, इसलिए वे अक्सर उन जटिल भागों के अंदरूनी हिस्सों तक पहुँचने में भी सक्षम होते हैं जिनकी जाँच एक मानक त्रि-अक्षीय मशीन का उपयोग करके नहीं की जा सकती।

यांत्रिक जांच

निर्देशांक मापन (सीएमएम) के शुरुआती दिनों में, यांत्रिक जांचों 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 विशिष्ट आकृतियों के लिए पीस दिया गया था, उदाहरण के लिए एक चतुर्थांश, विशेष विशेषताओं के मापन को सक्षम करने के लिए। इन जांचों को वर्कपीस के खिलाफ शारीरिक रूप से 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 समान डिवाइस 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

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 वाले हैंडबॉक्स का उपयोग करके प्रत्येक अक्ष को उसी तरह चला सकते थे जैसे आधुनिक रिमोट नियंत्रित कारों में होता है। इलेक्ट्रॉनिक टच ट्रिगर प्रोब के आविष्कार के साथ मापन की सटीकता और परिशुद्धता में नाटकीय रूप से सुधार हुआ। इस नए प्रोब उपकरण के प्रणेता डेविड मैकमुर्ट्री थे, जिन्होंने बाद में वर्तमान रेनिशॉ पीएलसी का गठन किया। हालाँकि अभी भी एक संपर्क उपकरण, प्रोब में एक स्प्रिंग-लोडेड स्टील बॉल (बाद में रूबी बॉल) स्टाइलस था। जैसे ही प्रोब ने घटक की सतह को छुआ, स्टाइलस विक्षेपित हो गया और एक साथ कंप्यूटर को X, Y, Z निर्देशांक जानकारी भेज दी। व्यक्तिगत ऑपरेटरों द्वारा की जाने वाली मापन त्रुटियाँ कम हो गईं और सीएनसी संचालन की शुरुआत और सीएमएम के युग के आने का मंच तैयार हो गया।

ऑप्टिकल प्रोब लेंस-सीसीडी प्रणालियाँ हैं, जिन्हें यांत्रिक प्रोब की तरह घुमाया जाता है और सामग्री को छूने के बजाय, इच्छित बिंदु पर लक्षित किया जाता है। सतह की कैप्चर की गई छवि को एक मापक विंडो की सीमाओं में तब तक रखा जाएगा जब तक कि अवशेष काले और सफेद क्षेत्रों के बीच पर्याप्त कंट्रास्ट न बना लें। विभाजन वक्र की गणना एक बिंदु तक की जा सकती है, जो अंतरिक्ष में वांछित मापक बिंदु है। सीसीडी पर क्षैतिज जानकारी 2D (XY) है और ऊर्ध्वाधर स्थिति स्टैंड Z-ड्राइव (या अन्य उपकरण घटक) पर संपूर्ण प्रोबिंग सिस्टम की स्थिति है।

स्कैनिंग जांच प्रणालियाँ

नए मॉडल में ऐसे प्रोब होते हैं जो पुर्जे की सतह पर खींचकर निर्दिष्ट अंतराल पर बिंदु लेते हैं, जिन्हें स्कैनिंग प्रोब कहते हैं। सीएमएम निरीक्षण की यह विधि अक्सर पारंपरिक स्पर्श-जांच विधि की तुलना में अधिक सटीक होती है और अधिकांशतः तेज़ भी होती है।

स्कैनिंग की अगली पीढ़ी, जिसे नॉन-कॉन्टैक्ट स्कैनिंग के नाम से जाना जाता है, जिसमें उच्च गति लेज़र सिंगल-पॉइंट ट्राइंगुलेशन, लेज़र लाइन स्कैनिंग और श्वेत प्रकाश स्कैनिंग शामिल हैं, बहुत तेज़ी से आगे बढ़ रही है। इस विधि में या तो लेज़र किरणों या श्वेत प्रकाश का उपयोग किया जाता है, जिन्हें किसी पुर्जे की सतह पर प्रक्षेपित किया जाता है। इसके बाद, हज़ारों बिंदु लिए जा सकते हैं और उनका उपयोग न केवल आकार और स्थिति की जाँच करने के लिए, बल्कि पुर्जे की एक त्रि-आयामी छवि बनाने के लिए भी किया जा सकता है। इस "बिंदु-क्लाउड डेटा" को फिर CAD सॉफ़्टवेयर में स्थानांतरित करके पुर्जे का एक कार्यशील त्रि-आयामी मॉडल बनाया जा सकता है। इन ऑप्टिकल स्कैनरों का उपयोग अक्सर कोमल या नाजुक पुर्जों पर या रिवर्स इंजीनियरिंग को सुविधाजनक बनाने के लिए किया जाता है।

माइक्रोमेट्रोलॉजी जांच

सूक्ष्म माप-विज्ञान अनुप्रयोगों के लिए जाँच प्रणालियाँ एक और उभरता हुआ क्षेत्र है। कई व्यावसायिक रूप से उपलब्ध निर्देशांक मापक मशीनें (सीएमएम) हैं जिनमें एक सूक्ष्म जाँच प्रणाली एकीकृत होती है, सरकारी प्रयोगशालाओं में कई विशिष्ट प्रणालियाँ हैं, और सूक्ष्म माप-विज्ञान के लिए विश्वविद्यालयों द्वारा निर्मित अनेक माप-विज्ञान प्लेटफ़ॉर्म उपलब्ध हैं। हालाँकि ये मशीनें नैनोमेट्रिक पैमानों के साथ अच्छी और कई मामलों में उत्कृष्ट माप-विज्ञान प्लेटफ़ॉर्म हैं, फिर भी उनकी मुख्य सीमा एक विश्वसनीय, मज़बूत और सक्षम सूक्ष्म/नैनो जाँच है।^{[प्रशस्ति - पत्र आवश्यक]}सूक्ष्म स्तर पर जांच करने वाली 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, सूक्ष्म स्तर के जांच उपकरण पर्यावरणीय परिस्थितियों जैसे आर्द्रता और सतह पर होने वाली अन्योन्यक्रिया जैसे स्टिक्शन (आसंजन, मेनिस्कस और/या वान डेर वाल्स बलों के कारण) के प्रति संवेदनशील होते हैं।^{[प्रशस्ति - पत्र आवश्यक]}

सूक्ष्म-स्तरीय जाँच करने की तकनीकों में पारंपरिक सीएमएम जाँचों के छोटे संस्करण, प्रकाशीय जाँचें, और स्थायी तरंग जाँचें आदि शामिल हैं। हालाँकि, वर्तमान प्रकाशीय तकनीकों को इतना छोटा नहीं किया जा सकता कि वे गहरी, संकरी आकृति को माप सकें, और प्रकाशीय विभेदन प्रकाश की तरंगदैर्घ्य द्वारा सीमित होता है। एक्स-रे इमेजिंग आकृति की एक तस्वीर तो प्रदान करती है, लेकिन कोई ट्रेस करने योग्य मापविज्ञान जानकारी नहीं देती।

भौतिक सिद्धांत

ऑप्टिकल प्रोब और/या लेज़र प्रोब का उपयोग किया जा सकता है (यदि संभव हो तो संयोजन में), जो सीएमएम को मापक सूक्ष्मदर्शी या बहु-संवेदी मापक मशीनों में बदल देते हैं। फ्रिंज प्रक्षेपण प्रणालियाँ, थियोडोलाइट त्रिभुजन प्रणालियाँ या लेज़र दूरस्थ और त्रिभुजन प्रणालियाँ को मापक मशीनें नहीं कहा जाता है, लेकिन मापन परिणाम एक ही होता है: एक स्थान बिंदु। लेज़र प्रोब का उपयोग गतिज श्रृंखला के अंत (अर्थात: Z-ड्राइव घटक के अंत) पर स्थित सतह और संदर्भ बिंदु के बीच की दूरी का पता लगाने के लिए किया जाता है। इसमें इंटरफेरोमेट्रिकल फ़ंक्शन, फ़ोकस परिवर्तन, प्रकाश विक्षेपण या किरण परछाई सिद्धांत का उपयोग किया जा सकता है।

पोर्टेबल निर्देशांक-मापक मशीनें

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

आर्टिकुलेटेड आर्म्स वाले पोर्टेबल सीएमएम 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 सीएमएम का उपयोग तेज़ी से बढ़ रहा है। कॉम्पैक्ट लीनियर या मैट्रिक्स ऐरे कैमरों (जैसे माइक्रोसॉफ्ट किनेक्ट) के साथ डिज़ाइन किए गए, ऑप्टिकल सीएमएम, आर्म्स वाले पोर्टेबल सीएमएम से छोटे होते हैं, इनमें तार नहीं होते हैं, और ये उपयोगकर्ताओं को लगभग कहीं भी स्थित सभी प्रकार की वस्तुओं का 3D माप आसानी से लेने में सक्षम बनाते हैं।

रिवर्स इंजीनियरिंग, रैपिड प्रोटोटाइपिंग और सभी आकारों के पुर्जों का बड़े पैमाने पर निरीक्षण जैसे कुछ गैर-पुनरावृत्ति वाले अनुप्रयोग पोर्टेबल सीएमएम के लिए आदर्श हैं। पोर्टेबल सीएमएम के लाभ बहुआयामी हैं। उपयोगकर्ताओं को सभी प्रकार के पुर्जों का, सबसे दूरस्थ/कठिन स्थानों पर भी, 3D माप लेने की सुविधा मिलती है। इनका उपयोग आसान है और सटीक माप लेने के लिए किसी नियंत्रित वातावरण की आवश्यकता नहीं होती। इसके अलावा, पोर्टेबल सीएमएम की लागत पारंपरिक सीएमएम की तुलना में कम होती है।

पोर्टेबल सीएमएम की अंतर्निहित कमियाँ हैं मैन्युअल संचालन (इन्हें इस्तेमाल करने के लिए हमेशा एक इंसान की ज़रूरत होती है)। इसके अलावा, उनकी समग्र सटीकता ब्रिज प्रकार के सीएमएम की तुलना में कुछ कम हो सकती है और कुछ अनुप्रयोगों के लिए कम उपयुक्त होती है।

मल्टीसेंसर-मापने वाली मशीनें

स्पर्श जांचों का उपयोग करने वाली पारंपरिक सीएमएम तकनीक को आजकल अक्सर अन्य मापन तकनीकों के साथ जोड़ा जाता है। इसमें लेज़र, वीडियो या श्वेत प्रकाश सेंसर शामिल हैं जो बहु-संवेदी माप प्रदान करते हैं।