導入
コーディネート測定機（CMM）は、現代の製造品質保証において最も重要なツールの 1 つです。自動車部品から航空宇宙部品、医療用インプラントから半導体パッケージに至るまで、CMM は 3 次元の寸法測定を提供し、製造された部品が設計仕様を満たしているかどうかを確認します。-
しかし、これだけ広く普及しているにもかかわらず、CMM の精度の源 - とその精度を制限する要因 - は、計測学コミュニティ以外では必ずしも十分に理解されているわけではありません。この記事では、CMM がどのように動作するか、その精度を実現するもの、および測定精度を制限する物理的および環境的要因について検討します。
CMM の基本アーキテクチャ
CMM は基本的に 3D 位置測定装置です。-これは、定義された測定体積にわたって 3 つの直交軸 - X、Y、Z - に沿った運動を可能にする構造フレームワークに取り付けられた可動プローブで構成されています。各軸に沿ったプローブの位置は高精度リニアエンコーダによって追跡され、接触または捕捉の瞬間に記録されたプローブ位置からワークピースの寸法測定値が導き出されます。
CMM の構造フレームワークは、測定体積全体にわたってさまざまな環境条件下で、軸間の幾何学的関係 - の直角度、真直度、平面度 - を高い精度で維持する必要があります。機械構造の理想的な形状からの逸脱は、測定誤差に直接影響します。
プローブシステムは、プローブとワークの接触をトリガーまたは位置信号に変換します。タッチ- トリガー プローブは、中立位置から偏向されると信号を生成します。走査プローブは、表面に沿って移動するときのたわみを継続的に測定します。レーザープローブは非接触で点群データを取得します。各プローブのタイプには、明確な精度特性と用途分野があります。
花崗岩テーブル: CMM の次元基盤
ほとんどのブリッジ-タイプとガントリー-タイプの CMM のベースには、精密な花崗岩の定盤が設置されています。これは偶然ではありません - 花崗岩テーブルは CMM の垂直軸における主要な寸法基準であり、その平面度の仕様は機械全体の体積精度に直接寄与します。
1 ～ 2 µm の精度仕様で動作する CMM の場合、花崗岩テーブルの平面度は作業領域全体で 1 ～ 3 µm に指定される場合があります。測定ボリューム内に収まるテーブルの偏差は、機械の幾何学的誤差バジェットの一部になります。
花崗岩は、金属代替品ではなく CMM テーブルに使用されます。その理由は、長期にわたる寸法安定性、温度変化に対する感度の低さ、非磁性、振動減衰特性、高い平面度まで研磨できることなどです。-花崗岩テーブルは、CMM の Z{4}} 軸スケールに対して安定した明確に定義された参照も提供します。-
最高精度の CMM - は、国立計量研究所や校正研究所で使用されているもの - で、花崗岩のテーブルの平坦度公差が 0.5 ～ 1 µm の範囲であることが検証され、機械の全容積がレーザー干渉計でマッピングされ、すべての幾何学的誤差を特徴づけて修正することができます。
3 軸機械の 21 の幾何学的誤差
3 軸 CMM は、その幾何学的動作を完全に特徴付ける 21 の独立した幾何学的誤差の影響を受けます。-各直線軸は 6 つの誤差の原因となります。3 つは並進誤差 (軸に沿った位置決め誤差、2 つの横方向の真直度)、3 つは回転誤差 (ヨー、ピッチ、ロール) です。 3 つの - 軸の組み合わせにより、軸のペア間に 3 つの直角度誤差が生じます。
これらの 21 個のエラーはランダムではありません -。これらは系統的に発生し、特定の条件の特定のマシンで再現可能です。最新の高精度 CMM は、レーザー干渉計、精密正方形、ボールバーを使用した包括的な校正プロセスを通じて、21 個の幾何学的誤差すべてを特徴付けます。-特徴付けが完了すると、誤差は機械のコンピュータに保存され、ソフトウェア誤差補正を通じてリアルタイムで測定位置を修正するために使用されます。
このアプローチ - 系統誤差の物理的測定とその後のソフトウェア補正 - により、CMM は生の機械精度だけではサポートできない体積精度を達成できます。ある方向に 5 µm の生の機械的幾何学的誤差がある機械は、完全な幾何学的な校正と補正の後、一般的な測定シナリオで 1 µm の体積精度を達成できます。
CMM の精度を制限する環境要因
完全に校正された CMM であっても実際の環境では動作し、実際には環境要因が測定の不確実性の主な原因となることがよくあります。
温度は最も重要な環境変数です。寸法測定の国際規格 (ISO 1) では、基準温度として 20 度が定義されています。ワークピース、CMM、および基準加工品がすべて異なる温度にある場合 -、部品が生産フロアから測定室に搬入されるときによく起こります - 結果として、寸法の差が大きくなる可能性があります。 500 mm の鋼部品の場合、温度が 20 度から 1 度ずれると、長さは約 5.85 μm 変化します。
振動は 2 番目に大きな環境要因です。重機、歩行者交通、HVAC システム、交通による地面の振動により、CMM 構造が励起され、測定ノイズが発生する可能性があります。このため、高精度 CMM は通常、防振床またはアクティブな防振マウントに設置されます。-
湿度は測定に直接影響するのではなく、ワークピースに影響します。多くの金属は湿度により小さいながらも実際の寸法変化を示し、湿度が高いと表面に結露が発生し、触覚プローブが妨げられることがあります。
測定室内の気流により、測定空間内に温度勾配が生じ、部屋の平均とは異なる局所的な熱膨張が生じる可能性があります。注意深い HVAC 設計を通じて空気の動きを制御することは、高精度計測のベスト プラクティスの一部です。-
プローブの適格性とその重要性
プローブは、CMM とワークピースの間のインターフェースです。その精度 -、特にその再現性と CMM 座標系 - に対する正確なキャリブレーションは、機械の幾何学的精度と同じくらい重要です。
タッチ トリガー プローブは、基準球または認定球と呼ばれる、直径と形状が既知の基準球を使用して認定する必要があります。{0}}このプロセスにより、機械の座標系におけるプローブ先端の正確な中心と半径が決定されます。走査プローブの場合、校正プロセスはより複雑で、測定範囲全体および複数のアプローチ方向におけるプローブの動作を特徴付けます。
高精度 CMM アプリケーションでは、プローブの認定に使用される基準アーティファクト自体が校正され、国家測定標準にトレーサビリティがあり、CMM 測定からメーターの国際定義に至るまでの途切れることのないトレーサビリティの連鎖が維持されます。
トレーサビリティ: 測定を意味あるものにする連鎖
CMM からの測定結果は、測定結果を長さの基本的な定義に結び付ける、途切れることのない比較の連鎖であるトレーサビリティ - によってのみ意味を持ちます。トレーサビリティがなければ、報告された測定値はどの規格とも確立された関係がなく、他の研究室や他の機械で行われた測定値と有意義に比較することができません。
実際には、CMM のトレーサビリティは、レーザー干渉計の測定に対して機械のリニア エンコーダを校正すること、校正された基準アーティファクト（ゲージ ブロック、基準球、ステップ ゲージ）を使用して機械の性能を検証すること、そして測定条件を測定結果とともに報告できる温度管理された環境内で動作させることによって確立されます。{0}
測定トレーサビリティ階層の頂点で活動する国立計量研究所 - - は、すべての工業用測定校正が最終的にトレーサビリティを導き出すための主要な標準を維持しています。これらの機関は世界で最も正確な CMM と特殊な機器を使用しており、その測定結果は国の製造部門全体の品質保証システムを支えています。
結論
座標測定機は、統合エンジニアリングの成果です。精密な機構、洗練されたソフトウェア、校正されたセンサー、制御された環境が連携して、現代の製造を可能にする寸法測定値を生成します。 CMM 精度の源 -、花崗岩の構造基盤、21 の幾何学的誤差とその修正、環境要因、プローブ システム、およびトレーサビリティ チェーン - を理解することは、CMM 測定に依存して品質を決定する人にとって不可欠です。
製造公差が業界全体で厳しくなり続けるにつれ、CMM の精度、安定性、校正に対する要求も同時に増大します。花崗岩のテーブルから上に至るまで、これらの機械の背後にある基礎的なエンジニアリングは、今後もこの継続的な課題の中心となるでしょう。