CMM (Coordinate Measuring Machine) คืออะไร มีประวัติอย่างไร

CMM (Coordinate Measuring Machine) คืออะไร

CMM (Coordinate Measuring Machine) หรือที่เรารู้จักกันว่าเป็นเครื่องวัดพิกัด 3 มิติ หรือเครื่องวัดขนาดสามมิตินั้น คืออุปกรณ์ที่ใช้ในการวัดลักษณะทางเรขาคณิตทางกายภาพของวัตถุได้อย่างละเอียดและแม่นยำที่สามารถวัดชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อน วัดได้ทั้ง X axis, Y axis และ Z axis ทั้ง 3 แกนได้อย่างละเอียดและครอบคลุม ด้วยเครื่องมือเครื่องนี้เพียงเครื่องเดียวสามารถทดแทนการวัดชิ้นงานด้วยเครื่องมือวัดละเอียด (Hand tool) จำนวนมาก ปัจจุบันมีฟังก์ชั่นที่สามารถวิเคราะห์ผลตามเกณฑ์ความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิตและมิติ (Geometric Dimensional and Tolerancing: GD&T)  อีกทั้งยังนำผลที่ได้จากการวัดไปเปรียบเทียบกับค่าที่กำหนดไว้ใน CAD ไฟล์ พร้อมแสดงค่าเพื่อให้สามารถผลิตชิ้นงานหรือดัดแปลงให้ค่า Error ต่างๆ ลดลง จนถึงค่าที่ยอมรับได้ และสามารถวัดค่าและแสดงผลภาพเป็นแบบ 3D

การทำงานของเครื่องมีทั้งแบบให้ผู้วัดเป็นผู้นำการเคลื่อนที่ (Manual) และแบบแบบอัตโนมัติ (CNC) ซึ่งจะเห็นได้ว่าเครื่องนี้เพียงเครื่องเดียว ช่วยประหยัดเวลาและลดความยุ่งยากในการวัด โดยไม่ต้องใช้เครื่องมือวัดหลายๆอย่างแล้ว ยังสามารถวิเคราะห์ข้อมูลได้รวดเร็ว ถูกต้องและแม่นยำสูง จึงทำให้เครื่องมือวัดชนิดนี้ ได้ถูกนำมาใช้ในวงการอุตสาหกรรมทุกประเภท โดยเฉพาะอุตสาหกรรมรถยนต์และอุตสาหกรรมแม่พิมพ์ รวมถึงการนำไปใช้ในการ Reverse Engineering ด้วยการนำข้อมูลพิกัดของชิ้นงานไปสร้างโมเดลสามมิติได้เช่นกัน

ภาพจาก https://en.wikipedia.org/wiki/Coordinate-measuring_machine

ประวัติความเป็นมาของเครื่องวัด 3มิติ (CMM: Coordinate Measuring Machine)

ก่อนที่เราจะเข้าสู่รายละเอียดของเครื่องวัด 3มิตินั้น เราไปทำความรู้จักกับประวัติความเป็นมาของเครื่องวัด 3มิติกันครับ ว่ามีที่มาที่ไปอย่างไร

          ในช่วงกลางทศวรรษ 1950 การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการควบคุมเชิงตัวเลข (NC) กำลังเติบโตขึ้น ชิ้นส่วนที่ใช้เวลาหลายชั่วโมงในการผลิตโดยวิธีการ Machining แบบเดิมสามารถทำการ Machining บนเครื่อง NC ได้ภายในไม่กี่นาที

          ปัญหาคือยังต้องใช้เวลาหลายชั่วโมงในการตรวจสอบชิ้นส่วนด้วยเทคนิคการวัดแบบดั้งเดิม ในบรรดาผู้ที่รับรู้ปัญหานี้คือ Harry Ogden หัวหน้าวิศวกรของ Ferranti, Ltd. บริษัท ที่ผลิตเครื่องจักร NC ในปี 2499 ซึ่งถือเป็นเครื่องวัดพิกัดเครื่องแรก ซึ่งเครื่องวัดนี้ ประกอบด้วย หัวโพรบ วัดที่เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระพร้อมจอแสดงผลตัวเลขอิเล็กทรอนิกส์เพื่อระบุตำแหน่งของหัววัดในพิกัด x-y (2 แกน) มีการเคลื่อนไหว x และ y ที่ 610 มม. (24 นิ้ว) และ 381 มม. (15 นิ้ว) ตามลำดับ ใช้ปลายหัววัดแบบเรียว (Tapered probe tip) และให้ความแม่นยำในการวัด 0.025 มม. (0.001in) เครื่องนี้เรียกว่า Ferranti Inspection Machine

          ในบรรดาผู้เข้าร่วมงาน International Machine Tool Show ในปารีสในปี 2502 ได้แก่ George Knopf ผู้จัดการทั่วไปของแผนกควบคุมอุตสาหกรรมของ Bendix Corp. ในสหรัฐอเมริกา ในขณะที่เที่ยวชมการแสดง Knopf ได้เยี่ยมชมนิทรรศการ Ferranti และสังเกตเห็นด้วยความสนใจอย่างมากเกี่ยวกับ เครื่องสองแกนนี้ ท่ามกลางผลิตภัณฑ์ของ Ferranti ที่จัดแสดงนั้น Knopf ตระหนักถึงศักยภาพของเครื่องจักร จึงบินจากงานแสดงไปยังโรงงาน Ferranti ใน Edinburgh ประเทศสกอตแลนด์ ซึ่งเขาได้เริ่มการเจรจาที่นำไปสู่สัญญาพิเศษสำหรับ Bendix เพื่อขายเครื่อง Ferranti ในอเมริกาเหนือ และเครื่อง Ferranti ได้ถูกนำมาจัดแสดงโดย Bendix ที่งาน National Machine Tool Show ในชิคาโกในปี 2503

          เครื่องของ Ferranti ตัวแรกถูกขายให้กับโรงงานของ Western Electric Company ในเมือง Winston-Salem รัฐนอร์ทแคโรไลนา ในสหรัฐอเมริกา เครื่องนี้ถูกใช้เพื่อแทนที่เทคนิคการตรวจสอบด้วยตนเอง มีการเก็บบันทึกที่ถูกต้อง เกี่ยวกับเวลาการตรวจสอบที่สัมพันธ์กันระหว่างเทคนิคการตรวจสอบด้วยตัวเองและเครื่องของ Ferranti พบว่าเวลาในการตรวจสอบลดลงจาก 20 นาทีเหลือ 1 นาที แสดงให้เห็นถึงข้อดีของเครื่องนี้และก็ได้มีการจัดตั้งตลาดสำหรับเครื่อง CMM

          Sheffield Corp., ซึ่งเป็นแผนกหนึ่งของ Bendix ได้ถูกมอบหมายให้รับผิดชอบด้านการตลาดสำหรับ Ferranti CMM ในปี 2504 Sheffield ขายเครื่อง CMM ได้มากกว่า 250เครื่อง ระหว่างปี 2504 และปี 2507 ชื่อการค้า Cordax (ซึ่งย่อมาจากแกนพิกัด coordinate axes) ถูกนำมาใช้ มีการบรรลุข้อตกลงกับ Ferranti สำหรับ Sheffield ในการผลิตเครื่องในสหรัฐอเมริกา มีการเปิดตัว Cordax รุ่นใหม่ ยอดขาย CMM เติบโตขึ้นและ บริษัท อื่น ๆ ก็กำลังเข้าสู่ตลาดรวมถึง DEA (Digital Electronic Automation บริษัท ในอิตาลี) ในปี 2508 และ Carl Zeiss (บริษัท ในเยอรมัน) ในปี 2516 Zeiss ได้รับเครดิตจากการพัฒนาในโพรบแบบสัมผัส (touch-trigger probe) ตัวแรกที่พัฒนาขึ้นในอังกฤษในปี พ.ศ. 2515 และซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์ก็ได้รับการพัฒนาสำหรับ CMM เพื่อแก้ Probe offset และเพื่อคำนวณคุณสมบัติทางเรขาคณิต การปรับปรุงพัฒนาเทคโนโลยีได้ดำเนินต่อเนื่องมาจนทุกวันนี้

ประเภทของเครื่องวัดพิกัด 3 มิติ

ประเภทของเครื่องวัด 3 มิตินั้น สามารถแบ่งประเภทได้ดังนี้

แบ่งประเภทตามวิธีการวัด

1. CMM แบบไม่สัมผัส (Non-contact type)

แบบไม่สัมผัสจะใช้วิธียิงเลเซอร์หรือแสงสแกนวัดค่าชิ้นงาน ซึ่งมีความแม่นยำสูง เหมาะสำหรับชิ้นงานที่มีขนาดเล็ก แต่ข้อเสียคือราคาค่อนข้างสูง

แบบไม่สัมผัสสามารถแบ่งเป็นประเภทย่อยๆ ได้ 2ประเภทคือ

• แบบใช้เลเซอร์ (Laser type)
• แบบใช้แสงและการถ่ายภาพ (Optical type/ Structured light type)

2. CMM แบบสัมผัส (Contact type)

แบบสัมผัสจำเป็นต้องสัมผัสกับชิ้นงานโดยตรงด้วย หัวโพรบ จึงมีข้อเสียที่มีความเสี่ยงที่ทำให้ชิ้นงานเป็นรอยอยู่บ้าง แต่ก็เป็นที่นิยมใช้ในประเทศไทยกันอย่างแพร่หลาย เนื่องจากมีหลากหลายชนิด สามารถเลือกให้เหมาะกับชิ้นงานได้

แบ่งประเภทตามวิธีการทำงาน

1. แบบทำด้วยตัวเอง (Manual)

2. แบบอัตโนมัติ (CNC)

แบ่งประเภทตามโครงสร้างทางกล

ตามมาตรฐาน ANSI/ ASME B89.1.12M จะแบ่งเครื่องวัด 3มิติ เป็น 10 รูปแบบ แต่แบบที่นิยมใช้มากจะมีเพียง 5 แบบ  คือ

1. Cantilever Type 

โครงสร้างเป็นแบบเปิดทั้งสามด้าน มีคานเป็นโครงสร้างด้านเดียว ซึ่งทำให้เข้าถึงชิ้นงานได้ง่ายและรวดเร็ว หัว Probe  จะขึ้น/ลงในแนวดิ่งตามแนวแกน z รองรับโดยแขนที่ยื่นออกมาจากเสาซึ่งเสานี้จะเคลื่อนที่ เข้า/ออก ตามแนวแกน y สามารถเลื่อนไปหลบด้านหลัง เพื่อยกวางชิ้นงานได้ง่ายและปริมาตรการวัดใหญ่ (Large Envelop) โดยใช้พื้นที่วางเครื่องไม่มาก  ส่วนแกน x เป็นได้ทั้งแบบโต๊ะเลื่อนซ้าย/ขวา และ โต๊ะอยู่กับที่แต่แขนรองรับ Probe เลื่อนซ้าย/ขวาแทน แต่ด้วยความที่โครงสร้างเป็นคานด้านเดียว อาจเกิดการแอ่นเมื่อตำแหน่งที่แกนยื่นออกสุด ซึ่งเป็นข้อจำกัดให้เครื่องมีขนาดเล็ก มีแท่นรองรับที่ยาว ดังนั้นจึงเหมาะกับชิ้นงานที่มีขนาดเล็ก ถึงเล็กมาก หรือมีลักษณะบางและยาว

2. Bridge Type

เป็นแบบที่นิยมมากที่สุด  โครงสร้างเป็นรูปทรงตัว U คว่ำ มองดูเหมือนสะพาน เคลื่อนที่ได้รูปทรงคล้ายแบบ Cantilever ที่มีเสารองรับปลายด้านที่ยื่นออกมาด้านนอกของแขนแกน y โครงสร้างจึงมีความแข็งแรงกว่า  แต่ว่าด้วยการเคลื่อนที่ที่จำกัดและรูปทรงค่อนข้างตายตัว การวางขึ้นงานจึงยากกว่า แบบ Cantilever เพราะอาจติดเสาทั้งสอง จึงไม่เหมาะกับการวัดวัตถุที่ขนาดใหญ่เกินไป บางยี่ห้อสร้างให้เสาทั้งสองอยู่กับที่เพื่อแก้ปัญหาที่กล่าวมา แล้วให้โต๊ะเคลื่อนที่แทนซึ่งจะมีความเที่ยงตรงสูงขึ้น อย่างไรก็ตาม Bridge Type มีความแม่นยำสูง สามารถใช้งานได้หลากหลาย จึงเหมาะสำหรับการวัดวัตถุที่มีขนาดไม่ใหญ่มาก และต้องการความละเอียดสูง  เช่น  ห้องทดสอบ  และ งาน Production

3. Column Type

โครงสร้างมีลักษณะเป็นตัว C การเคลื่อนที่ในแนวระดับจะเคลื่อนโดยตัวแท่นรองรับชิ้นงาน การเคลื่อนที่ในแนวดิ่งจะเคลื่อนโดยเสาซึ่งยึดอยู่กับที่ จึงทำให้การวัดมีความแม่นยำสูง แต่เนื่องจากมีโครงสร้างแบบนี้ทำให้ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิได้ง่าย จึงมักนำไปใช้ในห้องที่มีการควบคุมอุณหภูมิ หรือห้องทดสอบ (Gage Room) มากกว่าการวัดงานปกติหรือใช้ในการผลิต

4. Horizontal Arm Type

โครงสร้างเลียนแบบเครื่อง Layout Machine โดยมีแขนเคลื่อนที่ได้ตามแนวแกน y และติดตั้งอยู่บนเสา เครื่องแบบนี้มีข้อได้เปรียบคือพื้นที่วางชิ้นงานกว้างขวางและไม่มีสิ่งกีดขวาง จึงเหมาะสำหรับชิ้นงานขนาดใหญ่ เช่น ชิ้นส่วนยานยนต์ บางรายสร้างให้แขนอยู่กับที่เพื่อความเที่ยงตรงมากขึ้นแล้วให้โต๊ะเคลื่อนที่ตามแนวแกน y แทนเรียกว่า “ Fixed Arm type” เครื่องแบบนี้ถูกออกแบบมาให้ใช้กับงานที่การเลื่อนเข้า/ออกของแขนหรือโต๊ะน้อย (ไม่เน้นแกน y)

5. Gantry Type 

Gantry Type แบบนี้โต๊ะวางชิ้นงานจะแยกอิสระจากแกน X, Y และ Z โครงสร้างจะมีเสา 2 คู่ (4ต้น) ตั้งอยู่บนพื้นและมีคานวางพาดเสาแต่ละคู่ แล้วมีคานขวางวางอยู่ด้านบนอีกครั้ง CMM แบบนี้จะมีขนาดใหญ่มากสำหรับงานขนาดใหญ่โดยเฉพาะ เช่น รถยนต์ทั้งคัน ผู้ใช้งานสามารถเดินขึ้นไปบนโต๊ะวางชิ้นงานได้เลย

ส่วนประกอบหลักของเครื่องวัด 3มิติ (CMM)

เครื่องวัด 3มิติประกอบไปด้วยส่วนประกอบหลักต่างๆ ต่อไปนี้

• โครงสร้างทางกลที่มีการเคลื่อนที่ของโพรบในแกนคาร์ทีเชียน และหัวอ่านสัญญาณ (Read Head) เพื่อวัดค่าพิกัดของแต่ละแกน
• ระบบขับเคลื่อนและหน่วยควบคุมการเคลื่อนไหวของแต่ละแกนทั้ง 3แกน
• ระบบคอมพิวเตอร์ดิจิตัลที่มีซอฟต์แวร์การใช้งาน
• หัวโพรบและโพรบที่สัมผัสกับพื้นผิวของชิ้นงาน

           ซึ่งนอกจากส่วนประกอบที่กล่าวถึงข้างบนนี้ ยังมีส่วนประกอบอื่นๆ ที่ต่างกันไป ผู้ใช้ควรเลือกให้เหมาะสมกับชิ้นงานและเงื่อนไขการใช้งาน อย่างไรก็ดี เครื่องวัด 3มิตินั้นมีประโยชน์ในการตรวจสอบชิ้นงานเป็นอย่างมาก นอกจากได้ความเที่ยงตรง แม่นยำของค่าที่ได้แล้ว ยังประหยัดเวลา ไม่ต้องใช้เครื่องมือหลายๆ ประเภท  ผู้เขียนขอจบบทความเบื้องต้นไว้เท่านี้ ในโอกาสหน้าจะอธิบายเจาะลึกรายละเอียดแต่ละส่วนต่างๆ และสิ่งที่ควรจะต้องพิจารณาในการใช้งานกันต่อไปครับ