Trigger จะต้องมีการทำงานร่วมกันของวัตถุกี่ตัว

บทความที่เกี่ยวกับก่อนหน้านี้, หัวโพรบ เทคนิคการเลือกใช้สำหรับเครื่อง CMM, ผู้เขียนได้กล่าวคร่าวๆ ถึง probe เบื้องต้น  ที่ว่าด้วยชุดของโพรบแบบสัมผัสจะประกอบไปด้วย head, body, module, styli extension และ Styli ส่วนประกอบต่างๆ ของหัวโพรบทำงานสอดประสานกันเพื่อการวัดตำแหน่งอย่างแม่นยำ เพราะฉะนั้นทุกส่วนประกอบล้วนมีความสำคัญไม่น้อยไปกว่ากัน ซึ่งส่วนประกอบต่างๆรวมกัน เราจะเรียกว่าโพรบหรือหัววัด (Probe) หมายถึงชุดอุปกรณ์ที่ใช้ในการแตะสัมผัสที่ชิ้นงานในการวัดขนาด และอ่านค่าของตำแหน่งที่สัมผัสนั้นออกมารายงานในรูปแบบสามมิติ

เครดิตภาพ-By Blue tooth7 – Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16941157

เรียกได้ว่าหัววัดคือหัวใจในการทำงานของเครื่อง CMM อย่างแท้จริง ในปัจจุบันมีการออกแบบหัววัดที่หลากหลายและแม้ว่าหัววัดส่วนใหญ่จะเข้ากันได้กับ CMM ทั่วไป แต่ผู้ใช้ควรเข้าใจว่าหัววัดแต่ละประเภททำงานอย่างไรเพื่อที่จะเลือกและนำไปใช้กับงานนั้นๆ ได้ดีที่สุด

ความเป็นมา

ในยุคแรกของการวัดพิกัดด้วยเครื่อง Coordinate Measuring Machine หัววัดเชิงกล หรือ manual contact ได้รับการติดตั้งเข้ากับตัวยึดที่ปลายของแกนที่จะวัดตำแหน่ง (quill) ซึ่งหัววัดทั่วไปทำโดยการบัดกรีลูกบอลโลหะไปที่ปลายเพลา เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวัดรูปทรงทางเรขาคณิตง่ายๆ แบบพื้นผิวหน้าเรียบเช่น ระนาบ, ทรงกระบอกหรือทรงกลม  นอกจากนั้นยังมีหัววัดอื่นๆ ที่ออกแบบมาเพื่อให้วัดงานที่เฉพาะเจาะจง หัววัดเหล่านี้ถูกยึดไว้กับชิ้นงานแทนเหมือนเป็นตำแหน่งอ้างอิง ซึ่งถ่ายตำแหน่งให้กับหัววัดหลัก โดยมีตำแหน่งที่อ่านได้จากการอ่านข้อมูลดิจิทัล 3 แกน (DRO, Digital Read Out) หรือในระบบขั้นสูงที่เข้าสู่ระบบคอมพิวเตอร์โดยใช้สวิตช์ที่เท้าหรืออุปกรณ์ที่คล้ายกัน การวัดโดยวิธีการสัมผัสนี้มักไม่น่าเชื่อถือเนื่องจากเครื่องจักรถูกเคลื่อนที่ด้วยมือและผู้ควบคุมเครื่องจักรแต่ละคนใช้แรงกดบนหัววัดที่แตกต่างกันหรือใช้เทคนิคที่แตกต่างกันสำหรับการวัด

ต่อมาได้มีการพัฒนาเพิ่มเติมคือการเพิ่มมอเตอร์สำหรับขับเคลื่อนแต่ละแกน ผู้ปฏิบัติงานไม่ต้องสัมผัสตัวเครื่องอีกต่อไป แต่สามารถขับเคลื่อนแต่ละแกนโดยใช้แฮนด์บ็อกซ์ (hand box) พร้อมจอยสติ๊ก (Joystick) ในลักษณะเดียวกับรถเด็กเล่นบังคับสายหรือบังคับวิทยุ ทำให้ความแม่นยำและความเที่ยงตรง (accuracy and precision) ในการวัดดีขึ้นอย่างมากและด้วยการประดิษฐ์หัววัดกลไกแบบสัมผัสอิเล็กทรอนิกส์ (touch trigger) ผู้คิดค้นโพรบใหม่นี้คือ David McMurtry ซึ่งต่อมาได้ก่อตั้ง Renishaw PLC หัวโพรบ (Styli) ช่วงแรกๆ จะใช้เป็นลูกบอลเหล็กและพัฒนาเป็นลูกบอลทับทิม (Ruby ball) ในภายหลัง

ขณะที่หัววัดสัมผัสกับพื้นผิวของส่วนประกอบโพรบจะเบี่ยงเบนและส่งข้อมูลพิกัด X, Y, Z ไปยังคอมพิวเตอร์พร้อมกัน ข้อผิดพลาดในการวัดที่เกิดจากตัวดำเนินการแต่ละตัวมีน้อยลงและมีการกำหนดขั้นตอนสำหรับการแนะนำการใช้งาน CNC และการเข้าสู่ยุคของ CMM

ประเภทของโพรบ

หากเราต้องการแยกประเภทของโพรบ เราอาจแบ่งตามประเภทของการทำงานในการอ่านพิกัดได้เป็น 2 ประเภทหลักๆ

1. แบบสัมผัส (contact probe)

หัววัดแบบสัมผัสจะเก็บข้อมูลโดยการสัมผัสชิ้นงาน สามารถทำการวัดเป็นช่วง ๆ เช่นเดียวกับหัววัดแบบสัมผัส หรือจะวัดแบบต่อเนื่องเช่นเดียวกับหัววัดสัมผัสแบบสแกนต่อเนื่อง โพรบแบบสัมผัสเหมาะสำหรับงานที่ต้องการความแม่นยำสูง เนื่องจากต้องสัมผัสกับชิ้นงานเพื่อบันทึกข้อมูล ส่วนในบางงานเช่นงานที่มีความซับซ้อนของพื้นผิวของชิ้นงาน หัววัดแบบสัมผัสอาจจะวัดได้ช้ากว่าและยากกว่าหัววัดแบบไม่สัมผัส

ถึงแม้ว่าหัววัดแบบสัมผัสจะมีความเร็วและปริมาณของข้อมูลแบบพิกัดที่ได้จะน้อยกว่าหัววัดแบบไม่สัมผัส แต่โดยทั่วไปแล้วการตรวจวัดแบบสัมผัสจะส่งผลให้มีความแม่นยำที่ดีกว่าและมีสามารถปรับเปลี่ยน stylus ได้ง่ายและหลากหลาย เพื่อความคล่องตัวในการวัดมากขึ้น

1.1 Hard probe

หรือ manual probe ในการวัดพิกัดงานด้วยโพรบแบบนี้ ผู้ปฏิบัติงานจะนำหัววัดเข้ามาสัมผัสกับชิ้นงานและทำการสั่งเก็บค่าเพื่อส่งสัญญาณให้ CMM บันทึกตำแหน่งของโพรบด้วยตนเอง ซอฟต์แวร์ของ CMM จะปรับการอ่านโดยอัตโนมัติเพื่อชดเชยเส้นผ่านศูนย์กลางของปลายหัวโพรบ (styli)

เครดิตภาพจากซ้ายไปขวา: Aberlink, Faro, API

โพรบแบบแข็งมีให้เลือกหลายรูปแบบและยังคงมีการประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในมาตรวิทยาด้านมิติเมื่อใช้ร่วมกับ CMM แบบแมนนวล โดยเฉพาะ AACMM (Articulated Arm Coordinate Measuring Machine) และ Laser Tracker หัววัดแบบแข็งใช้งานง่ายและทนทาน แต่ค่าความแม่นยำและความเที่ยงตรงนั้นขึ้นอยู่กับการสัมผัสของผู้ปฏิบัติงาน

1.2 Touch Trigger probe (TTP)

หัววัดทริกเกอร์แบบสัมผัสเป็นหัววัดที่ใช้กันทั่วไปใน CMM ในปัจจุบัน หัววัดทริกเกอร์แบบสัมผัสเป็นอุปกรณ์ไวต่อการสัมผัสที่สร้างขึ้นอย่างแม่นยำซึ่งจะสร้างสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ทุกครั้งที่สัมผัสชิ้นงาน การสัมผัสกับชิ้นส่วนมักจะระบุด้วยไฟ LED และเสียง “บี๊บ” ที่ได้ยิน หัววัดนั้นติดตั้งอยู่ที่ปลายแกนเคลื่อนที่ของ CMM อาจเป็นชุดหัวโพรบ (probe head) ที่สามารถหมุนได้ด้วยตนเองหรือโดยอัตโนมัติและสามารถรองรับสไตลัสได้หลายแบบ คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้หัววัดทริกเกอร์เป็นหัววัดที่หลากหลายและยืดหยุ่น ช่วยขจัดค่าผิดพลาดในการวัดซ้ำโดยผู้ปฏิบัติงาน นอกจากนั้นหัววัดทริกเกอร์แบบสัมผัสสามารถติดตั้งกับ CMM แบบแมนนวล หรือ CMM แบบอัตโนมัติ (CNC CMM) ก็ได้

เครดิตวิดีโอจาก Renishaw

เราสามารถแบ่งหัววัดแบบสัมผัส ตามเทคโนโลยีได้เป็น 3 ประเภท

1.2.1 Kinematic Resistive

หัววัดแบบกลด้วยความต้านทาน ทำงานด้วยการเคลื่อนไหวของแท่งสปริงและลูกบอลที่วางตัวสัมผัสกันและมีวงจรไฟฟ้าเป็นตัวเชื่อม ซึ่งการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานจะสัมพันธ์กับระยะทางและแรงในการสัมผัสชิ้นงานและเก็บค่าด้วยความเที่ยงตรง เมื่อแรงบนสไตลัสเพิ่มขึ้นความต้านทานก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกันจนกว่าจะถึงเกณฑ์วงจรจะสั่งให้หน่วยควบคุมทำการเก็บค่า

1.2.2 Strain-gauge

การใช้เทคโนโลยีสเตรนเกจ หลักการทำงานนี้ทำให้สามารถใช้หัววัดอย่างมีประสิทธิภาพด้วยแรงคงที่ไม่ว่ามุมสัมผัสของหัวโพรบกับชิ้นงานจะเป็นอย่างไร การออกแบบช่วยขจัดความไวของทิศทางที่เกิดขึ้นกับหัววัดกลไกแบบ resistive ความแม่นยำของซับไมครอนเป็นไปได้แม้จะใช้สไตลัสแบบยาวร่วมกัน

1.2.3 Piezo

ส่วนการปรับปรุงการออกแบบหัววัดทริกเกอร์แบบสัมผัสพื้นฐานประกอบด้วยเซ็นเซอร์แบบเพียโซ เซ็นเซอร์เหล่านี้จะแปลการโก่งตัวของหัววัดเป็นสัญญาณอะคูสติกดิจิตอลคงที่ซึ่งบันทึกโดย CMM การออกแบบนี้ช่วยเพิ่มความแม่นยำของผลการวัดแบบทริกเกอร์แบบสัมผัสเนื่องจากช่วยลดผลกระทบของการงอจากสไตลัส (ซึ่งเกิดจากการแปรผันของแรงเมื่อหัววัดทริกเกอร์สัมผัสสัมผัสกับชิ้นงาน) และความไม่ถูกต้องที่เกิดจากชิ้นส่วนระบบเครื่องกลไฟฟ้าภายในของหัววัด

1.3 Analog Scanning Probe

หัววัดแบบสแกนอะนาล็อกเป็นหัววัดอีกประเภทหนึ่งซึ่งใช้สำหรับการวัดพื้นผิวที่โค้ง (free form) หรือต้องการวัดรายละเอียดเพื่อดูความต่อเนื่อง เช่น ชิ้นส่วนโลหะแผ่น ซึ่งแตกต่างจากโพรบดิจิทัลซึ่งสัมผัสแต่ละจุด หัววัดแบบอะนาล็อกจะสัมผัสกับชิ้นงานขณะที่ลากผ่านอย่างต่อเนื่องตลอดที่ทำการวัด การวัดอย่างต่อเนื่องซึ่งให้ผลการวัดแบบอะนาล็อกช่วยเพิ่มปริมาณการรับข้อมูลอย่างมาก หรือมีรายละเอียดมากขึ้นซึ่งก็จะวิเคราะห์งานได้ดียิ่งขึ้นนั่นเอง หัววัดสแกนแบบอะนาล็อกแบบต่อเนื่องหรือ Continuos Analog Scanning (CAS) มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการรวบรวมข้อมูลการวัดสำหรับรูปทรงที่ซับซ้อน เช่น ใบพัด ลูกเบี้ยว ตัวถังรถยนต์ เพลาข้อเหวี่ยงและขาเทียม เป็นต้น

เครดิตภาพ: https://www.npl.co.uk

การสแกนแบบอะนาล็อกแบบต่อเนื่อง CAS ระบบมีสองประเภท:

1. Closed-Loop Systems

ระบบวงปิด: หัววัดนี้จะตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของพื้นผิวและทิศทางของชิ้นงานโดยอัตโนมัติและปรับตัวเองให้สอดคล้องกันเพื่อให้แน่ใจว่าจะคงหน้าสัมผัสตลอดเวลา ระบบวงปิดมีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการแปลงรูปร่างที่ไม่รู้จักและซับซ้อนให้เป็นดิจิทัล

ในระบบวงปิดหัววัดจะตรวจจับการเปลี่ยนแปลงทิศทางพื้นผิวของชิ้นส่วนโดยอัตโนมัติและปรับตัวเองเพื่อรักษาการสัมผัสกับพื้นผิวชิ้นส่วน การสแกนแบบวงปิดมีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการแปลงรูปร่างที่ซับซ้อนที่ไม่รู้จักเป็นดิจิทัล ในอดีตการสแกนวงปิดจะดำเนินการด้วยความเร็วที่ค่อนข้างต่ำแม้ว่าการปรับปรุงเทคโนโลยีคอนโทรลเลอร์จะช่วยเพิ่มความเร็วในการสแกนวงปิดได้อย่างชัดเจนในช่วงห้าปีที่ผ่านมา ห้าปีที่แล้วการสแกนวงปิดสามารถทำได้เพียง 10 มม. / วินาที ระบบใหม่สามารถทำการสแกนวงปิดที่ 50 มม. / วินาทีด้วยความแม่นยำสูงมาก

2. Opened-Loop Systems

ระบบ Open-Loop: หัววัดนี้จะขับเคลื่อนไปตามเส้นทางเฉพาะโดยใช้ข้อมูลพิกัดที่ได้รับจากไฟล์ข้อมูล ระบบวงเปิดมีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการวัดข้อมูลด้วยความเร็วสูงบนชิ้นงานที่มีรูปทรงเรขาคณิตซึ่งได้รับการกำหนดอย่างดีโดยจุดพื้นผิวและเวกเตอร์หรือโดยข้อมูล CAD

การสแกนแบบวงเปิดเป็นเทคนิคการรวบรวมข้อมูลความเร็วสูงที่ใช้กับหัววัดแบบอะนาล็อกต่อเนื่องบนชิ้นส่วนที่มีการกำหนดรูปทรงเรขาคณิตด้วยจุดพื้นผิวและเวกเตอร์หรือข้อมูล CAD CMM ขับเคลื่อนโพรบไปตามเส้นทางโดยใช้ข้อมูลมิติจากไฟล์ข้อมูล ตัวอย่างเช่นการประกอบแผ่นโลหะ เช่น ฝากระโปรงรถยนต์ หัววัดจะขับเคลื่อนไปตามเวกเตอร์ที่ตั้งฉากกับพื้นผิวที่ระบุและบันทึกขนาดของข้อผิดพลาดระหว่างพื้นผิวจริงกับค่าเล็กน้อย CMM ที่พร้อมใช้งานสามารถทำการสแกนแบบวงเปิดได้สูงสุด 150 มม. / วินาที

หัววัดแบบอะนาล็อกสามารถรับข้อมูลได้มากกว่าโพรบทริกเกอร์แบบสัมผัสถึงห้าสิบเท่าในเวลาเดียวกัน ยิ่งมีการรวบรวมข้อมูลมากเท่าใดก็ยิ่งมั่นใจในความถูกต้องมากขึ้นเท่านั้น หากมีช่องว่างขนาดใหญ่ระหว่างจุดข้อมูลอาจไม่สามารถรับรองความถูกต้องของข้อมูลได้ ข้อดีอีกอย่างของหัววัดการสแกนแบบอะนาล็อกบนโพรบดิจิทัลคือความสามารถในการใช้เป็นหัววัดทริกเกอร์แบบสัมผัสซึ่งทำให้ผู้ใช้มีความยืดหยุ่นมากขึ้น ผู้ใช้จะสามารถเลือกคุณสมบัติที่ต้องการการสัมผัสอย่างรวดเร็วและต้องใช้เวลามากขึ้นกรณีที่ต้องการรายละเอียดมากๆ และมีความซับซ้อน

2. แบบไม่สัมผัส (Non-contact probe)

การวัดโดยใช้ระบบโพรบแบบสัมผัสเป็นวิธีการรวบรวมข้อมูลสามมิติที่แม่นยำและมีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับชิ้นส่วนที่ซับซ้อนทางรูปร่างน้อย แต่สำหรับชิ้นส่วนขนาดใหญ่และชิ้นส่วนที่มีรูปร่างและพื้นผิวที่ซับซ้อนการใช้หัววัดแบบไม่สัมผัสบน CMM สามารถทำงานได้รวดเร็วกว่าและความแม่นยำที่ได้อาจเพียงพอในการนำไปใช้งานและการวิเคราะห์แล้ว นอกจากนั้นระบบตรวจสอบแบบไม่สัมผัสยังใช้ในการวัดชิ้นส่วนที่ยืดหยุ่นหรือวัสดุที่อ่อนนุ่มซึ่งแทบจะไม่สามารถวัดได้เลยด้วยหัววัดแบบสัมผัส

หัววัดแบบไม่สัมผัสที่ใช้งานบนเครื่อง CMM อาจแบ่งเป็น 2 ประเภท

1. Laser Probe

ระบบ Laser ที่นิยมใช้กับเครื่อง CMM คือการทำงานแบบ Laser triangulation คือการเลเซอร์เซนเซอร์ตรวจจับตำแหน่งของชิ้นงานโดยการวัดแสงสะท้อนจากพื้นผิวสู่กล้อง CCD ความแม่นยำส่วนใหญ่จะขึ้นอยู่กับการจัดการตำแหน่งโฟกัสและประสิทธิภาพของเซนเซอร์

หลักการทำงานของ Laser triangulation

เครดิตภาพ: https://www.azosensors.com/

การวางตำแหน่งเครื่องตรวจจับ CMOS / CCD หรือ PSD และแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์โซลิดสเตทเป็นสามเหลี่ยม โดยทำงานบนหลักการพื้นฐานที่ลำแสงเลเซอร์ถูกฉายไปที่เป้าหมายและส่วนหนึ่งของลำแสงนี้จะสะท้อนกลับผ่านเลนส์โฟกัสไปยังเครื่องตรวจจับ ในขณะที่เป้าหมายเปลี่ยนไปลำแสงเลเซอร์จะเคลื่อนที่ไป เครื่องตรวจจับจะส่งสัญญาณที่ใช้ในการวัดระยะทางสัมพัทธ์ไปยังวัตถุหรือเป้าหมาย โดยปกติข้อมูลนี้จะมีให้ผ่านทางอินเทอร์เฟซดิจิทัล (ไบนารี) เอาต์พุตอนาล็อกหรือจอแสดงผลดิจิทัลสำหรับการประมวลผล