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 tidak dapat dijangkau.

CMM "jembatan" 3D yang umum memungkinkan pergerakan probe sepanjang tiga sumbu, X, Y, dan Z, yang saling ortogonal 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 akan mengambil sampel dari ketiga sensor posisi, sehingga mengukur lokasi satu titik pada permukaan objek, serta vektor 3 dimensi dari pengukuran yang dilakukan. Proses ini diulang seperlunya, menggerakkan probe setiap kali, untuk menghasilkan "awan titik" yang menggambarkan area permukaan yang diinginkan.

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

Bagian

Mesin pengukur koordinat mencakup tiga komponen utama:

• Struktur utama yang 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 persyaratan pasar untuk dinamika metrologi yang lebih baik dan meningkatnya tren untuk memasang CMM di luar lab mutu. Biasanya hanya pembuat CMM volume rendah dan produsen dalam negeri di Tiongkok dan India yang masih memproduksi CMM granit karena pendekatan teknologi rendah dan mudah masuk untuk menjadi pembuat rangka CMM. Tren yang meningkat menuju pemindaian juga membutuhkan sumbu Z CMM menjadi lebih kaku dan material baru telah diperkenalkan seperti keramik dan silikon karbida.
• Sistem penyelidikan
• Sistem pengumpulan dan pengurangan data — biasanya mencakup pengontrol mesin, komputer desktop, dan perangkat lunak aplikasi.

Tersedianya

Mesin-mesin ini dapat berdiri sendiri, digenggam, dan portabel.

Ketepatan

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

Bagian tertentu

Badan mesin

CMM pertama dikembangkan oleh Perusahaan Ferranti 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 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 bergerak).

Pada mesin modern, superstruktur tipe gantry memiliki dua kaki dan sering disebut jembatan. Jembatan 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 bebas gesekan. Pada mesin ini, udara bertekanan dipaksa melalui serangkaian lubang yang sangat kecil pada permukaan bantalan yang datar untuk menghasilkan bantalan udara yang halus namun terkendali, tempat CMM dapat bergerak hampir tanpa gesekan, yang dapat dikompensasi melalui perangkat lunak. Pergerakan jembatan atau gantry di sepanjang meja granit membentuk salah 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 gerakan ketiga (sumbu Z) disediakan oleh penambahan poros vertikal atau spindel yang bergerak naik turun melalui bagian tengah kereta. Probe sentuh membentuk perangkat penginderaan di ujung poros. Pergerakan sumbu X, Y, dan Z sepenuhnya menggambarkan selubung pengukuran. Meja putar opsional dapat digunakan untuk meningkatkan kemudahan pendekatan probe pengukur ke benda kerja yang rumit. Meja putar sebagai sumbu penggerak keempat tidak meningkatkan dimensi pengukuran, yang tetap 3D, tetapi memberikan fleksibilitas. Beberapa probe sentuh sendiri merupakan perangkat putar bertenaga dengan ujung probe yang dapat berputar vertikal lebih dari 180 derajat dan berputar penuh 360 derajat.

CMM kini juga tersedia dalam berbagai bentuk lain. Bentuk-bentuk ini mencakup lengan CMM yang menggunakan pengukuran sudut 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 tempat-tempat yang portabilitasnya merupakan keunggulan dibandingkan CMM alas tetap tradisional. Portabilitasnya menyimpan lokasi yang diukur, dan perangkat lunak pemrograman juga memungkinkan lengan pengukur itu sendiri, beserta volume pengukurannya, bergerak di sekitar komponen yang akan diukur selama rutinitas pengukuran. Karena lengan CMM meniru fleksibilitas lengan manusia, lengan ini juga seringkali mampu menjangkau bagian dalam komponen kompleks yang tidak dapat diprobe menggunakan mesin tiga sumbu standar.

Probe mekanis

Pada hari-hari awal pengukuran koordinat (CMM), probe mekanis dipasang ke dalam dudukan khusus di ujung pena. Probe yang sangat umum dibuat dengan menyolder bola keras ke ujung poros. Ini ideal untuk mengukur seluruh rentang permukaan datar, silinder atau bola. Probe lainnya digiling menjadi bentuk tertentu, misalnya kuadran, untuk memungkinkan pengukuran fitur khusus. Probe ini secara fisik dipegang terhadap benda kerja dengan posisi di ruang angkasa yang dibaca dari pembacaan digital 3-sumbu (DRO) atau, dalam sistem yang lebih maju, dicatat ke komputer dengan menggunakan footswitch atau perangkat serupa. Pengukuran yang dilakukan dengan metode kontak ini seringkali tidak dapat diandalkan karena mesin digerakkan dengan tangan dan setiap operator mesin memberikan jumlah tekanan yang berbeda pada probe atau mengadopsi teknik yang berbeda untuk pengukuran.

Perkembangan lebih lanjut adalah penambahan motor untuk menggerakkan setiap sumbu. Operator tidak lagi harus menyentuh mesin secara fisik, tetapi dapat menggerakkan setiap sumbu menggunakan kotak tangan dengan joystick dengan cara yang sama seperti 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 apa yang sekarang disebut Renishaw plc. Meskipun masih merupakan perangkat kontak, probe memiliki stylus bola baja berpegas (kemudian bola ruby). Saat probe menyentuh permukaan komponen, stylus dibelokkan dan secara bersamaan mengirimkan informasi koordinat X, Y, Z ke komputer. Kesalahan pengukuran yang disebabkan oleh masing-masing operator menjadi lebih sedikit dan panggung pun disiapkan untuk pengenalan operasi CNC dan datangnya era CMM.

Probe optik adalah sistem CCD lensa yang digerakkan seperti sistem mekanis dan diarahkan ke titik yang diinginkan, alih-alih menyentuh material. Citra permukaan yang ditangkap akan dibatasi oleh jendela pengukuran hingga residunya cukup untuk membedakan antara zona hitam dan putih. Kurva pembagi dapat dihitung hingga mencapai suatu titik, yaitu titik pengukuran yang diinginkan dalam ruang. Informasi horizontal pada CCD adalah 2D (XY) dan posisi vertikal adalah posisi sistem probing lengkap pada dudukan Z-drive (atau komponen perangkat lainnya).

Sistem pemindaian probe

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

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

Probe mikrometrologi

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

Teknologi untuk mencapai penyelidikan skala mikro mencakup versi skala kecil dari penyelidikan CMM klasik, penyelidikan optik, dan penyelidikan gelombang berdiri, di antara teknologi lainnya. Namun, teknologi optik saat ini tidak dapat diskalakan sekecil itu untuk mengukur fitur yang dalam dan sempit, dan resolusi optik dibatasi oleh panjang gelombang cahaya. Pencitraan sinar-X memberikan gambaran fitur tersebut tetapi tidak ada informasi metrologi yang dapat dilacak.

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 fringe, sistem triangulasi teodolit, atau sistem triangulasi jarak jauh 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). Hal ini dapat menggunakan fungsi interferometri, variasi fokus, defleksi cahaya, atau prinsip pemantulan sinar.

Mesin pengukur koordinat portabel

Sementara CMM tradisional menggunakan probe yang bergerak pada tiga sumbu Cartesian untuk mengukur karakteristik fisik suatu objek, CMM portabel menggunakan lengan yang diartikulasikan atau, dalam kasus CMM optik, sistem pemindaian bebas 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 enkoder putar, alih-alih sumbu linier. Lengan portabel ringan (biasanya kurang dari 9 kg) dan dapat dibawa serta digunakan hampir di mana saja. Namun, CMM optik semakin banyak digunakan di industri. Dirancang dengan kamera linear atau matriks array yang ringkas (seperti Microsoft Kinect), CMM optik lebih kecil daripada CMM portabel berlengan, tanpa 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 untuk berbagai ukuran komponen sangat cocok untuk CMM portabel. CMM portabel memiliki banyak manfaat. Pengguna memiliki fleksibilitas dalam melakukan pengukuran 3D untuk semua jenis komponen, bahkan di lokasi yang paling terpencil/sulit. CMM portabel mudah digunakan dan tidak memerlukan lingkungan yang terkontrol untuk melakukan pengukuran yang akurat. Selain itu, CMM portabel cenderung lebih murah daripada CMM tradisional.

Kekurangan CMM portabel terletak pada pengoperasiannya yang manual (selalu membutuhkan manusia untuk menggunakannya). Selain itu, akurasi keseluruhannya bisa jadi agak kurang akurat dibandingkan CMM tipe jembatan dan kurang cocok untuk beberapa aplikasi.

Mesin pengukur multisensor

Teknologi CMM tradisional yang menggunakan probe sentuh kini sering dikombinasikan dengan teknologi pengukuran lain, termasuk sensor laser, video, atau cahaya putih, untuk menghasilkan pengukuran multisensor.