Què és una màquina de mesurar per coordenades?

Amàquina de mesurar per coordenadesUna CMM (CMM) és un dispositiu que mesura la geometria d'objectes físics detectant punts discrets a la superfície de l'objecte amb una sonda. A les CMM s'utilitzen diversos tipus de sondes, incloent-hi mecàniques, òptiques, làser i de llum blanca. Depenent de la màquina, la posició de la sonda pot ser controlada manualment per un operador o pot ser controlada per ordinador. Les CMM solen especificar la posició d'una sonda en termes del seu desplaçament des d'una posició de referència en un sistema de coordenades cartesianes tridimensional (és a dir, amb eixos XYZ). A més de moure la sonda al llarg dels eixos X, Y i Z, moltes màquines també permeten controlar l'angle de la sonda per permetre la mesura de superfícies que d'altra manera serien inabastables.

La CMM "pont" 3D típica permet el moviment de la sonda al llarg de tres eixos, X, Y i Z, que són ortogonals entre si en un sistema de coordenades cartesianes tridimensional. Cada eix té un sensor que controla la posició de la sonda en aquest eix, normalment amb precisió micromètrica. Quan la sonda entra en contacte (o detecta) una ubicació concreta de l'objecte, la màquina mostreja els tres sensors de posició, mesurant així la ubicació d'un punt a la superfície de l'objecte, així com el vector tridimensional de la mesura realitzada. Aquest procés es repeteix segons calgui, movent la sonda cada vegada, per produir un "núvol de punts" que descriu les superfícies d'interès.

Un ús comú de les CMM és en els processos de fabricació i muntatge per provar una peça o un muntatge en funció de la intenció del disseny. En aquestes aplicacions, es generen núvols de punts que s'analitzen mitjançant algoritmes de regressió per a la construcció de característiques. Aquests punts es recopilen mitjançant una sonda que un operador posiciona manualment o automàticament mitjançant Control Directe per Ordinador (DCC). Les CMM DCC es poden programar per mesurar repetidament peces idèntiques; per tant, una CMM automatitzada és una forma especialitzada de robot industrial.

peces

Les màquines de mesura de coordenades inclouen tres components principals:

• L'estructura principal, que inclou tres eixos de moviment. El material utilitzat per construir el marc mòbil ha variat al llarg dels anys. El granit i l'acer es van utilitzar a les primeres CMM. Avui dia, tots els principals fabricants de CMM construeixen marcs d'aliatge d'alumini o algun derivat i també utilitzen ceràmica per augmentar la rigidesa de l'eix Z per a aplicacions d'escaneig. Pocs fabricants de CMM avui dia encara fabriquen CMM amb marc de granit a causa del requisit del mercat per a una millora de la dinàmica metrològica i la tendència creixent a instal·lar CMM fora del laboratori de qualitat. Normalment, només els fabricants de CMM de baix volum i els fabricants nacionals a la Xina i l'Índia encara fabriquen CMM de granit a causa de l'enfocament de baixa tecnologia i la fàcil entrada per convertir-se en un constructor de marcs de CMM. La tendència creixent cap a l'escaneig també requereix que l'eix Z de la CMM sigui més rígid i s'han introduït nous materials com la ceràmica i el carbur de silici.
• Sistema de sondeig
• Sistema de recopilació i reducció de dades: normalment inclou un controlador de màquina, un ordinador d'escriptori i un programari d'aplicació.

Disponibilitat

Aquestes màquines poden ser independents, manuals i portàtils.

Precisió

La precisió de les màquines de mesura de coordenades es dóna normalment com un factor d'incertesa en funció de la distància. Per a una CMM que utilitza una sonda tàctil, això es relaciona amb la repetibilitat de la sonda i la precisió de les escales lineals. La repetibilitat típica de la sonda pot donar lloc a mesures dins de 0,001 mm o 0,00005 polzades (mitja dècima) sobre tot el volum de mesura. Per a màquines de 3, 3+2 i 5 eixos, les sondes es calibren rutinàriament mitjançant estàndards rastrejables i el moviment de la màquina es verifica mitjançant calibres per garantir la precisió.

Parts específiques

Cos de la màquina

La primera CMM va ser desenvolupada per l'empresa Ferranti d'Escòcia a la dècada del 1950 com a resultat d'una necessitat directa de mesurar components de precisió en els seus productes militars, tot i que aquesta màquina només tenia 2 eixos. Els primers models de 3 eixos van començar a aparèixer a la dècada del 1960 (DEA d'Itàlia) i el control per ordinador va debutar a principis de la dècada del 1970, però la primera CMM funcional va ser desenvolupada i posada a la venda per Browne & Sharpe a Melbourne, Anglaterra. (Leitz Germany va produir posteriorment una estructura de màquina fixa amb taula mòbil.

En les màquines modernes, la superestructura tipus gantry té dues potes i sovint s'anomena pont. Aquesta es mou lliurement al llarg de la taula de granit amb una pota (sovint anomenada pota interior) seguint un carril guia fixat a un costat de la taula de granit. La pota oposada (sovint pota exterior) simplement descansa sobre la taula de granit seguint el contorn de la superfície vertical. Els coixinets d'aire són el mètode escollit per garantir un desplaçament sense fricció. En aquests, l'aire comprimit es força a través d'una sèrie de forats molt petits en una superfície plana del coixinet per proporcionar un coixí d'aire suau però controlat sobre el qual la CMM es pot moure gairebé sense fricció, cosa que es pot compensar mitjançant programari. El moviment del pont o gantry al llarg de la taula de granit forma un eix del pla XY. El pont del gantry conté un carro que es desplaça entre les potes interior i exterior i forma l'altre eix horitzontal X o Y. El tercer eix de moviment (eix Z) es proporciona mitjançant l'addició d'una canya o eix vertical que es mou amunt i avall pel centre del carro. La sonda tàctil forma el dispositiu sensor a l'extrem de la canya. El moviment dels eixos X, Y i Z descriu completament l'envoltant de mesura. Es poden utilitzar taules giratòries opcionals per millorar l'accessibilitat de la sonda de mesura a peces complicades. La taula giratòria com a quart eix d'accionament no millora les dimensions de mesura, que continuen sent 3D, però proporciona un cert grau de flexibilitat. Algunes sondes tàctils són en si mateixes dispositius rotatius motoritzats amb la punta de la sonda capaç de girar verticalment més de 180 graus i una rotació completa de 360 ​​graus.

Les CMM ara també estan disponibles en una varietat d'altres formes. Aquestes inclouen braços de CMM que utilitzen mesures angulars preses a les articulacions del braç per calcular la posició de la punta del palpador, i es poden equipar amb sondes per a l'escaneig làser i les imatges òptiques. Aquestes CMM de braç s'utilitzen sovint on la seva portabilitat és un avantatge respecte a les CMM de llit fix tradicionals: en emmagatzemar les ubicacions mesurades, el programari de programació també permet moure el braç de mesura en si, i el seu volum de mesura, al voltant de la peça que s'ha de mesurar durant una rutina de mesura. Com que els braços de CMM imiten la flexibilitat d'un braç humà, sovint també poden arribar a l'interior de peces complexes que no es podrien palpar amb una màquina estàndard de tres eixos.

Sonda mecànica

En els primers temps de la mesura per coordenades (CMM), les sondes mecàniques s'instal·laven en un suport especial a l'extrem de la ploma. Una sonda molt comuna es fabricava soldant una bola dura a l'extrem d'un eix. Això era ideal per mesurar tota una gamma de superfícies planes, cilíndriques o esfèriques. Altres sondes es polien amb formes específiques, per exemple un quadrant, per permetre la mesura de característiques especials. Aquestes sondes es mantenien físicament contra la peça i la posició a l'espai es llegia des d'un lector digital de 3 eixos (DRO) o, en sistemes més avançats, es registrava en un ordinador mitjançant un interruptor de peu o un dispositiu similar. Les mesures realitzades per aquest mètode de contacte sovint no eren fiables, ja que les màquines es movien a mà i cada operador de la màquina aplicava diferents quantitats de pressió sobre la sonda o adoptava tècniques diferents per a la mesura.

Un altre desenvolupament va ser l'addició de motors per accionar cada eix. Els operadors ja no havien de tocar físicament la màquina, sinó que podien accionar cada eix mitjançant una caixa de control amb joysticks de la mateixa manera que amb els cotxes moderns amb control remot. La precisió i la precisió de la mesura van millorar dràsticament amb la invenció de la sonda electrònica de disparador tàctil. El pioner d'aquest nou dispositiu de sonda va ser David McMurtry, que posteriorment va formar el que ara és Renishaw plc. Tot i que encara era un dispositiu de contacte, la sonda tenia un punter de bola d'acer accionat per ressort (més tard bola de robí). Quan la sonda tocava la superfície del component, el punter es desviava i simultàniament enviava la informació de les coordenades X, Y i Z a l'ordinador. Els errors de mesura causats per operadors individuals van disminuir i es va preparar l'escenari per a la introducció de les operacions CNC i l'arribada de les CMM.

Les sondes òptiques són sistemes de lents CCD que es mouen com les mecàniques i apunten al punt d'interès en lloc de tocar el material. La imatge capturada de la superfície quedarà tancada dins dels límits d'una finestra de mesura, fins que el residu sigui adequat per contrastar entre les zones blanques i negres. La corba divisòria es pot calcular fins a un punt, que és el punt de mesura desitjat a l'espai. La informació horitzontal al CCD és 2D (XY) i la posició vertical és la posició del sistema de sondeig complet sobre el suport Z-drive (o un altre component del dispositiu).

Sistemes de sonda d'escaneig

Hi ha models més nous que tenen sondes que s'arrosseguen per la superfície de la peça prenent punts a intervals especificats, conegudes com a sondes d'escaneig. Aquest mètode d'inspecció CMM sovint és més precís que el mètode convencional de sonda tàctil i la majoria de vegades també és més ràpid.

La propera generació d'escaneig, coneguda com a escaneig sense contacte, que inclou la triangulació làser d'alta velocitat d'un sol punt, l'escaneig làser lineal i l'escaneig de llum blanca, avança molt ràpidament. Aquest mètode utilitza raigs làser o llum blanca que es projecten contra la superfície de la peça. Aleshores es poden prendre milers de punts i utilitzar-los no només per comprovar la mida i la posició, sinó també per crear una imatge 3D de la peça. Aquestes "dades de núvol de punts" es poden transferir al programari CAD per crear un model 3D funcional de la peça. Aquests escàners òptics sovint s'utilitzen en peces toves o delicades o per facilitar l'enginyeria inversa.

Sondes de micrometrologia

Els sistemes de sondeig per a aplicacions de metrologia a microescala són una altra àrea emergent. Hi ha diverses màquines de mesura de coordenades (CMM) disponibles comercialment que tenen una microsonda integrada al sistema, diversos sistemes especialitzats en laboratoris governamentals i diverses plataformes de metrologia construïdes per universitats per a metrologia a microescala. Tot i que aquestes màquines són bones i en molts casos excel·lents plataformes de metrologia amb escales nanomètriques, la seva principal limitació és una micro/nano sonda fiable, robusta i capaç.^{[citació necessària]}Els reptes per a les tecnologies de sondeig a microescala inclouen la necessitat d'una sonda d'alta relació d'aspecte que permeti accedir a característiques profundes i estretes amb baixes forces de contacte per tal de no danyar la superfície i amb una alta precisió (a nivell nanomètric).^{[citació necessària]}A més, les sondes a microescala són susceptibles a condicions ambientals com la humitat i les interaccions superficials com la fricció (causada per adhesió, menisc i/o forces de Van der Waals, entre d'altres).^{[citació necessària]}

Les tecnologies per aconseguir sondeigs a microescala inclouen versions reduïdes de sondes CMM clàssiques, sondes òptiques i una sonda d'ona estacionària, entre d'altres. Tanmateix, les tecnologies òptiques actuals no es poden escalar prou per mesurar característiques profundes i estretes, i la resolució òptica està limitada per la longitud d'ona de la llum. Les imatges de raigs X proporcionen una imatge de la característica però no hi ha informació metrològica rastrejable.

Principis físics

Es poden utilitzar sondes òptiques i/o sondes làser (si és possible en combinació), que canvien les CMM per microscopis de mesura o màquines de mesura multisensor. Els sistemes de projecció de franges, els sistemes de triangulació de teodolits o els sistemes de triangulació i distància làser no s'anomenen màquines de mesura, però el resultat de la mesura és el mateix: un punt espacial. Les sondes làser s'utilitzen per detectar la distància entre la superfície i el punt de referència a l'extrem de la cadena cinemàtica (és a dir: l'extrem del component d'accionament Z). Això pot utilitzar una funció interferomètrica, la variació del focus, la desviació de la llum o un principi d'ombra del feix.

Màquines portàtils de mesura per coordenades

Mentre que les CMM tradicionals utilitzen una sonda que es mou sobre tres eixos cartesians per mesurar les característiques físiques d'un objecte, les CMM portàtils utilitzen braços articulats o, en el cas de les CMM òptiques, sistemes d'escaneig sense braç que utilitzen mètodes de triangulació òptica i permeten una llibertat total de moviment al voltant de l'objecte.

Les CMM portàtils amb braços articulats tenen sis o set eixos equipats amb encoders rotatius, en lloc d'eixos lineals. Els braços portàtils són lleugers (normalment menys de 20 lliures) i es poden transportar i utilitzar gairebé a qualsevol lloc. Tanmateix, les CMM òptiques s'utilitzen cada cop més a la indústria. Dissenyades amb càmeres compactes lineals o de matriu (com el Microsoft Kinect), les CMM òptiques són més petites que les CMM portàtils amb braços, no tenen cables i permeten als usuaris prendre fàcilment mesures en 3D de tot tipus d'objectes situats gairebé a qualsevol lloc.

Certes aplicacions no repetitives com l'enginyeria inversa, el prototipatge ràpid i la inspecció a gran escala de peces de totes les mides són ideals per a les CMM portàtils. Els beneficis de les CMM portàtils són múltiples. Els usuaris tenen la flexibilitat de prendre mesures en 3D de tot tipus de peces i en les ubicacions més remotes/difícils. Són fàcils d'utilitzar i no requereixen un entorn controlat per prendre mesures precises. A més, les CMM portàtils solen costar menys que les CMM tradicionals.

Els inconvenients inherents de les CMM portàtils són el funcionament manual (sempre requereixen un humà per utilitzar-les). A més, la seva precisió general pot ser una mica menys precisa que la d'una CMM tipus pont i és menys adequada per a algunes aplicacions.

Màquines de mesura multisensor

La tecnologia CMM tradicional que utilitza sondes tàctils es combina avui dia sovint amb altres tecnologies de mesura. Això inclou sensors làser, de vídeo o de llum blanca per proporcionar el que es coneix com a mesura multisensor.