Apa itu mesin pengukur koordinat?

Amesin pengukur koordinat(CMM) adalah perangkat yang mengukur geometri objek fisik dengan mendeteksi titik-titik diskrit pada permukaan objek menggunakan probe. Berbagai jenis probe digunakan dalam CMM, termasuk mekanik, optik, laser, dan cahaya putih. Tergantung pada mesinnya, posisi probe dapat dikontrol secara manual oleh operator atau dapat dikontrol oleh komputer. CMM biasanya menentukan posisi probe dalam hal perpindahannya dari posisi referensi dalam sistem koordinat Kartesius tiga dimensi (yaitu, dengan sumbu XYZ). Selain menggerakkan probe sepanjang sumbu X, Y, dan Z, banyak mesin juga memungkinkan sudut probe dikontrol untuk memungkinkan pengukuran permukaan yang sulit dijangkau.

CMM "jembatan" 3D tipikal memungkinkan pergerakan probe di sepanjang tiga sumbu, X, Y, dan Z, yang saling tegak lurus dalam sistem koordinat Kartesius tiga dimensi. Setiap sumbu memiliki sensor yang memantau posisi probe pada sumbu tersebut, biasanya dengan presisi mikrometer. Ketika probe menyentuh (atau mendeteksi) lokasi tertentu pada objek, mesin mengambil sampel dari ketiga sensor posisi, sehingga mengukur lokasi satu titik pada permukaan objek, serta vektor 3 dimensi dari pengukuran yang diambil. Proses ini diulang sesuai kebutuhan, dengan menggerakkan probe setiap kali, untuk menghasilkan "awan titik" yang menggambarkan area permukaan yang diminati.

Penggunaan umum CMM adalah dalam proses manufaktur dan perakitan untuk menguji suatu bagian atau rakitan terhadap tujuan desain. Dalam aplikasi tersebut, awan titik dihasilkan yang kemudian dianalisis melalui algoritma regresi untuk membangun fitur. Titik-titik ini dikumpulkan dengan menggunakan probe yang diposisikan secara manual oleh operator atau secara otomatis melalui Kontrol Komputer Langsung (DCC). CMM DCC dapat diprogram untuk mengukur bagian yang identik secara berulang; dengan demikian, CMM otomatis merupakan bentuk khusus dari robot industri.

Bagian-bagian

Mesin pengukur koordinat mencakup tiga komponen utama:

• Struktur utama mencakup tiga sumbu gerak. Material yang digunakan untuk membangun rangka bergerak telah bervariasi selama bertahun-tahun. Granit dan baja digunakan pada CMM awal. Saat ini, semua produsen CMM utama membangun rangka dari paduan aluminium atau beberapa turunannya dan juga menggunakan keramik untuk meningkatkan kekakuan sumbu Z untuk aplikasi pemindaian. Beberapa pembuat CMM saat ini masih memproduksi CMM rangka granit karena kebutuhan pasar akan dinamika metrologi yang lebih baik dan tren yang meningkat untuk memasang CMM di luar laboratorium kualitas. Biasanya hanya pembuat CMM volume rendah dan produsen domestik di Cina dan India yang masih memproduksi CMM granit karena pendekatan teknologi yang rendah dan kemudahan untuk menjadi pembuat rangka CMM. Tren yang meningkat menuju pemindaian juga membutuhkan sumbu Z CMM yang lebih kaku dan material baru telah diperkenalkan seperti keramik dan silikon karbida.
• Sistem pemeriksaan
• Sistem pengumpulan dan pengolahan data — biasanya mencakup pengontrol mesin, komputer desktop, dan perangkat lunak aplikasi.

Tersedianya

Mesin-mesin ini dapat berdiri sendiri, dipegang tangan, dan portabel.

Ketepatan

Akurasi mesin pengukur koordinat biasanya diberikan sebagai faktor ketidakpastian sebagai fungsi jarak. Untuk CMM yang menggunakan probe sentuh, ini berkaitan dengan pengulangan probe dan akurasi skala linier. Pengulangan probe yang umum dapat menghasilkan pengukuran dalam batas 0,001 mm atau 0,00005 inci (setengah persepuluh) di seluruh volume pengukuran. Untuk mesin 3, 3+2, dan 5 sumbu, probe secara rutin dikalibrasi menggunakan standar yang dapat ditelusuri dan pergerakan mesin diverifikasi menggunakan alat ukur untuk memastikan akurasi.

Bagian-bagian tertentu

Badan mesin

CMM pertama dikembangkan oleh Perusahaan Ferranti dari Skotlandia pada tahun 1950-an sebagai hasil dari kebutuhan langsung untuk mengukur komponen presisi dalam produk militer mereka, meskipun mesin ini hanya memiliki 2 sumbu. Model 3 sumbu pertama mulai muncul pada tahun 1960-an (DEA dari Italia) dan kontrol komputer memulai debutnya pada awal tahun 1970-an, tetapi CMM pertama yang berfungsi dikembangkan dan dijual oleh Browne & Sharpe di Melbourne, Inggris. (Leitz Jerman kemudian memproduksi struktur mesin tetap dengan meja yang dapat bergerak.)

Pada mesin modern, struktur atas tipe gantry memiliki dua kaki dan sering disebut jembatan. Struktur ini bergerak bebas di sepanjang meja granit dengan satu kaki (sering disebut kaki bagian dalam) mengikuti rel pemandu yang terpasang di salah satu sisi meja granit. Kaki yang berlawanan (sering disebut kaki bagian luar) hanya bertumpu pada meja granit mengikuti kontur permukaan vertikal. Bantalan udara adalah metode yang dipilih untuk memastikan pergerakan tanpa gesekan. Pada bantalan ini, udara terkompresi dipaksa melalui serangkaian lubang yang sangat kecil di permukaan bantalan yang rata untuk memberikan bantalan udara yang halus namun terkontrol sehingga CMM dapat bergerak hampir tanpa gesekan, yang dapat dikompensasi melalui perangkat lunak. Pergerakan jembatan atau gantry di sepanjang meja granit membentuk satu sumbu bidang XY. Jembatan gantry berisi kereta yang melintasi antara kaki bagian dalam dan luar dan membentuk sumbu horizontal X atau Y lainnya. Sumbu pergerakan ketiga (sumbu Z) disediakan dengan penambahan poros atau spindel vertikal yang bergerak naik turun melalui pusat kereta. Probe sentuh membentuk perangkat penginderaan di ujung poros. Pergerakan sumbu X, Y, dan Z sepenuhnya menggambarkan area pengukuran. Meja putar opsional dapat digunakan untuk meningkatkan kemudahan akses probe pengukuran ke benda kerja yang rumit. Meja putar sebagai sumbu penggerak keempat tidak meningkatkan dimensi pengukuran, yang tetap 3D, tetapi memberikan tingkat fleksibilitas tertentu. Beberapa probe sentuh itu sendiri merupakan perangkat putar bertenaga dengan ujung probe yang mampu berputar secara vertikal lebih dari 180 derajat dan melalui rotasi penuh 360 derajat.

CMM (Coordinate Measuring Machine) kini juga tersedia dalam berbagai bentuk lain. Ini termasuk lengan CMM yang menggunakan pengukuran sudut yang diambil pada sambungan lengan untuk menghitung posisi ujung stylus, dan dapat dilengkapi dengan probe untuk pemindaian laser dan pencitraan optik. CMM lengan semacam ini sering digunakan di mana portabilitasnya merupakan keuntungan dibandingkan CMM alas tetap tradisional—dengan menyimpan lokasi pengukuran, perangkat lunak pemrograman juga memungkinkan pergerakan lengan pengukur itu sendiri, dan volume pengukurannya, di sekitar bagian yang akan diukur selama rutinitas pengukuran. Karena lengan CMM meniru fleksibilitas lengan manusia, lengan ini juga sering mampu menjangkau bagian dalam komponen kompleks yang tidak dapat diprobe menggunakan mesin tiga sumbu standar.

Pemeriksaan mekanis

Pada masa awal pengukuran koordinat (CMM), probe mekanis dipasang pada dudukan khusus di ujung poros. Probe yang sangat umum dibuat dengan menyolder bola keras ke ujung poros. Ini ideal untuk mengukur berbagai permukaan datar, silindris, atau bulat. Probe lain diasah hingga berbentuk khusus, misalnya kuadran, untuk memungkinkan pengukuran fitur khusus. Probe ini dipegang secara fisik pada benda kerja dan posisinya di ruang angkasa dibaca dari pembacaan digital 3 sumbu (DRO) atau, dalam sistem yang lebih canggih, dicatat ke dalam komputer melalui sakelar kaki atau perangkat serupa. Pengukuran yang dilakukan dengan metode kontak ini seringkali tidak dapat diandalkan karena mesin digerakkan dengan tangan dan setiap operator mesin menerapkan tekanan yang berbeda pada probe atau mengadopsi teknik pengukuran yang berbeda.

Perkembangan selanjutnya adalah penambahan motor untuk menggerakkan setiap sumbu. Operator tidak lagi harus menyentuh mesin secara fisik, tetapi dapat menggerakkan setiap sumbu menggunakan kotak kontrol dengan joystick, hampir sama seperti pada mobil kendali jarak jauh modern. Akurasi dan presisi pengukuran meningkat secara dramatis dengan penemuan probe pemicu sentuh elektronik. Pelopor perangkat probe baru ini adalah David McMurtry yang kemudian membentuk perusahaan yang sekarang dikenal sebagai Renishaw plc. Meskipun masih berupa perangkat kontak, probe tersebut memiliki stylus bola baja (kemudian bola rubi) yang dilengkapi pegas. Saat probe menyentuh permukaan komponen, stylus akan terdefleksi dan secara bersamaan mengirimkan informasi koordinat X, Y, Z ke komputer. Kesalahan pengukuran yang disebabkan oleh operator individu menjadi lebih sedikit, dan panggung pun siap untuk pengenalan operasi CNC dan munculnya CMM (Coordinate Measuring Machine).

Probe optik adalah sistem lensa-CCD, yang digerakkan seperti probe mekanis, dan diarahkan ke titik yang diinginkan, bukan menyentuh material. Gambar permukaan yang ditangkap akan terkurung dalam batas jendela pengukuran, hingga residu cukup untuk kontras antara zona hitam dan putih. Kurva pemisah dapat dihitung ke suatu titik, yang merupakan titik pengukuran yang diinginkan di ruang angkasa. Informasi horizontal pada CCD adalah 2D (XY) dan posisi vertikal adalah posisi sistem probing lengkap pada dudukan Z-drive (atau komponen perangkat lainnya).

Sistem probe pemindaian

Terdapat model-model yang lebih baru yang memiliki probe yang bergerak di sepanjang permukaan komponen dan mengambil titik pada interval tertentu, yang dikenal sebagai probe pemindaian. Metode inspeksi CMM ini seringkali lebih akurat daripada metode probe sentuh konvensional dan sebagian besar juga lebih cepat.

Generasi pemindaian berikutnya, yang dikenal sebagai pemindaian nonkontak, yang mencakup triangulasi titik tunggal laser kecepatan tinggi, pemindaian garis laser, dan pemindaian cahaya putih, berkembang sangat pesat. Metode ini menggunakan sinar laser atau cahaya putih yang diproyeksikan ke permukaan bagian tersebut. Ribuan titik kemudian dapat diambil dan digunakan tidak hanya untuk memeriksa ukuran dan posisi, tetapi juga untuk membuat gambar 3D dari bagian tersebut. "Data awan titik" ini kemudian dapat ditransfer ke perangkat lunak CAD untuk membuat model 3D bagian yang berfungsi. Pemindai optik ini sering digunakan pada bagian yang lunak atau rapuh atau untuk memfasilitasi rekayasa balik.

Probe mikrometrologi

Sistem probing untuk aplikasi metrologi skala mikro merupakan bidang lain yang sedang berkembang. Terdapat beberapa mesin pengukur koordinat (CMM) yang tersedia secara komersial yang memiliki mikroprobe terintegrasi ke dalam sistem, beberapa sistem khusus di laboratorium pemerintah, dan sejumlah platform metrologi buatan universitas untuk metrologi skala mikro. Meskipun mesin-mesin ini merupakan platform metrologi yang baik dan dalam banyak kasus sangat baik dengan skala nanometer, keterbatasan utamanya adalah probe mikro/nano yang andal, kuat, dan mumpuni.^{[(Sumber kutipan diperlukan)]}Tantangan bagi teknologi penelusuran skala mikro meliputi kebutuhan akan probe dengan rasio aspek tinggi yang memberikan kemampuan untuk mengakses fitur yang dalam dan sempit dengan gaya kontak rendah agar tidak merusak permukaan dan presisi tinggi (tingkat nanometer).^{[(Sumber kutipan diperlukan)]}Selain itu, probe skala mikro rentan terhadap kondisi lingkungan seperti kelembaban dan interaksi permukaan seperti stiction (disebabkan oleh adhesi, meniskus, dan/atau gaya Van der Waals, antara lain).^{[(Sumber kutipan diperlukan)]}

Teknologi untuk mencapai pengukuran skala mikro meliputi versi yang diperkecil dari probe CMM klasik, probe optik, dan probe gelombang berdiri, di antara lainnya. Namun, teknologi optik saat ini tidak dapat diperkecil cukup untuk mengukur fitur yang dalam dan sempit, dan resolusi optik dibatasi oleh panjang gelombang cahaya. Pencitraan sinar-X memberikan gambaran fitur tersebut tetapi tidak memberikan informasi metrologi yang dapat ditelusuri.

Prinsip-prinsip fisika

Probe optik dan/atau probe laser dapat digunakan (jika memungkinkan dalam kombinasi), yang mengubah CMM menjadi mikroskop pengukur atau mesin pengukur multi-sensor. Sistem proyeksi pinggiran, sistem triangulasi teodolit, atau sistem triangulasi dan pengukuran jarak laser tidak disebut mesin pengukur, tetapi hasil pengukurannya sama: sebuah titik ruang. Probe laser digunakan untuk mendeteksi jarak antara permukaan dan titik referensi di ujung rantai kinematik (yaitu: ujung komponen penggerak Z). Ini dapat menggunakan fungsi interferometri, variasi fokus, defleksi cahaya, atau prinsip bayangan berkas cahaya.

Mesin pengukur koordinat portabel

Berbeda dengan CMM tradisional yang menggunakan probe yang bergerak pada tiga sumbu Kartesius untuk mengukur karakteristik fisik suatu objek, CMM portabel menggunakan lengan artikulasi atau, dalam kasus CMM optik, sistem pemindaian tanpa lengan yang menggunakan metode triangulasi optik dan memungkinkan kebebasan bergerak total di sekitar objek.

CMM portabel dengan lengan artikulasi memiliki enam atau tujuh sumbu yang dilengkapi dengan encoder putar, bukan sumbu linier. Lengan portabel ringan (biasanya kurang dari 20 pon) dan dapat dibawa serta digunakan hampir di mana saja. Namun, CMM optik semakin banyak digunakan di industri. Dirancang dengan kamera linier atau susunan matriks yang ringkas (seperti Microsoft Kinect), CMM optik lebih kecil daripada CMM portabel dengan lengan, tidak memiliki kabel, dan memungkinkan pengguna untuk dengan mudah melakukan pengukuran 3D dari semua jenis objek yang terletak hampir di mana saja.

Aplikasi non-repetitif tertentu seperti rekayasa balik, pembuatan prototipe cepat, dan inspeksi skala besar komponen berbagai ukuran sangat cocok untuk CMM portabel. Manfaat CMM portabel sangat banyak. Pengguna memiliki fleksibilitas dalam melakukan pengukuran 3D semua jenis komponen dan di lokasi yang paling terpencil/sulit. Alat ini mudah digunakan dan tidak memerlukan lingkungan terkontrol untuk melakukan pengukuran yang akurat. Selain itu, CMM portabel cenderung lebih murah daripada CMM tradisional.

Kelemahan utama dari CMM portabel adalah pengoperasiannya yang manual (selalu membutuhkan manusia untuk menggunakannya). Selain itu, akurasi keseluruhannya mungkin sedikit lebih rendah daripada CMM tipe jembatan dan kurang cocok untuk beberapa aplikasi.

Mesin pengukur multisensor

Teknologi CMM tradisional yang menggunakan probe sentuh saat ini sering dikombinasikan dengan teknologi pengukuran lainnya. Ini termasuk sensor laser, video, atau cahaya putih untuk menghasilkan apa yang dikenal sebagai pengukuran multisensor.