Què és la màquina de mesurar de coordenades?

Unacoordinar la màquina de mesurar(CMM) és un dispositiu que mesura la geometria dels objectes físics detectant punts discrets a la superfície de l'objecte amb una sonda. S'utilitzen diversos tipus de sondes en CMMS, incloent llum mecànica, òptica, làser i blanca. Segons la màquina, la posició de la sonda pot ser controlada manualment per un operador o pot ser controlada per ordinador. Els CMM especifiquen normalment la posició d’una sonda en termes del seu desplaçament d’una posició de referència en un sistema de coordenades tridimensionals cartesianes (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’una altra manera no podrien ser inabalables.

El típic CMM de "pont" 3D 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 tridimensionals. Cada eix té un sensor que supervisa la posició de la sonda en aquest eix, normalment amb precisió del micròmetre. Quan la sonda es posa en contacte (o detecta) una ubicació particular sobre l'objecte, la màquina mostra 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 presa. Aquest procés es repeteix segons sigui necessari, movent la sonda cada cop, per produir un "núvol de punts" que descriu les superfícies d'interès.

Un ús comú de CMMS es troba en els processos de fabricació i muntatge per provar una part o un muntatge amb la intenció de disseny. En aquestes aplicacions, es generen núvols puntuals que s’analitzen mitjançant algoritmes de regressió per a la construcció de funcions. Aquests punts es recullen mitjançant una sonda que un operador o automàticament és posicionada per un operador o automàticament mitjançant control de l'ordinador directe (DCC). Els CMM DCC es poden programar per mesurar repetidament parts idèntiques; Així, un CMM automatitzat és una forma especialitzada de robot industrial.

Parts

Les màquines de mesura de coordenades inclouen tres components principals:

• L’estructura principal que inclou tres eixos de moviment. El material que s’utilitza per construir el marc en moviment ha variat al llarg dels anys. El granit i l'acer es van utilitzar a les primeres CMM. Avui tots els principals fabricants de CMM construeixen marcs a partir d’aliatge d’alumini o algun derivat i també utilitzen ceràmica per augmentar la rigidesa de l’eix Z per a les aplicacions d’escaneig. Actualment, pocs constructors de CMM encara fabriquen un marc de granit CMM a causa del requisit del mercat per millorar la dinàmica de metrologia i la tendència creixent per instal·lar CMM fora del laboratori de qualitat. Típicament només els constructors de CMM de baix volum i els fabricants domèstics a la Xina i l’Índia continuen fabricant CMM de granit a causa d’un enfocament tecnològic baix i l’entrada fàcil per convertir -se en un constructor de fotogrames CMM. La tendència creixent cap a la exploració també requereix que l’eix CMM Z sigui més rígid i s’han introduït nous materials com ara el carbur de ceràmica i de silici.
• Sistema de sondatge
• Sistema de recollida 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, portàtils i portàtils.

Precisió

La precisió de les màquines de mesura de coordenades es dóna normalment com a factor d’incertesa en funció de la distància. Per a un CMM que utilitzi una sonda tàctil, 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 de 0,001 mm o .00005 polzades (mig desè) sobre tot el volum de mesura. Per a màquines d’eix 3, 3+2 i 5 eixos, les sondes es calibren rutinàriament mitjançant estàndards traçables i el moviment de la màquina es verifica mitjançant calibres per assegurar la precisió.

Parts específiques

Cos de màquina

El primer CMM va ser desenvolupat per la Companyia Ferranti d'Escòcia a la dècada de 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 tres eixos van començar a aparèixer a la dècada de 1960 (DEA d'Itàlia) i el control informàtic va debutar a principis dels anys 70, però el primer CMM de treball va ser desenvolupat i posat a la venda per Browne & Sharpe a Melbourne, Anglaterra. (Leitz Alemanya va produir posteriorment una estructura de màquina fixa amb taula mòbil.

A les màquines modernes, la superestructura del tipus de gantry té dues potes i sovint s’anomena pont. Això es mou lliurement al llarg de la taula de granit amb una cama (sovint coneguda com la cama interior) seguint un carril guia unit a un costat de la taula de granit. La cama oposada (sovint fora de la cama) simplement es recolza sobre la taula de granit seguint el contorn de la superfície vertical. Els coixinets aeri són el mètode escollit per assegurar el viatge lliure de fricció. En aquests, l’aire comprimit es veu obligat a través d’una sèrie de forats molt petits en una superfície de coixinet pla per proporcionar un coixí d’aire suau però controlat sobre el qual el CMM es pot moure d’una manera gairebé sense fricció que es pot compensar a través del programari. El moviment del pont o del gantry al llarg de la taula de granit forma un eix del pla XY. El pont del gantry conté un carruatge que recorre entre les cames dins i fora i forma l'altre eix horitzontal x o y. El tercer eix de moviment (eix Z) està proporcionat per l’addició d’una escletxa o un cargol vertical que es desplaça cap amunt i avall pel centre del carruatge. La sonda tàctil forma el dispositiu de detecció al final de la quill. El moviment dels eixos X, Y i Z descriu completament el sobre de mesura. Les taules rotatives opcionals es poden utilitzar per millorar l’aproximació de la sonda de mesura a les peces complicades. La taula rotativa com a quart eix d’accionament no millora les dimensions de mesura, que es mantenen en 3D, però proporciona un grau de flexibilitat. Algunes sondes tàctils són dispositius rotatius alimentats amb la punta de la sonda capaços de girar verticalment a través de més de 180 graus i mitjançant una rotació completa de 360 ​​graus.

Els CMM també estan disponibles en diverses formes. Aquests inclouen els braços CMM que utilitzen mesures angulars preses a les articulacions del braç per calcular la posició de la punta de l'estil i es poden equipar amb sondes d'escaneig làser i imatge òptica. Aquests CMM de braços s’utilitzen sovint quan la seva portabilitat és un avantatge respecte als CMMs de llit fix tradicional: emmagatzemant 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 part, es pot mesurar durant una rutina de mesurament. Com que els braços CMM imiten la flexibilitat d’un braç humà, sovint també són capaços d’arribar a les parts interiors de les parts complexes que no es podien sondar mitjançant una màquina estàndard de tres eixos.

Sonda mecànica

En els primers dies de la mesura de coordenades (CMM), les sondes mecàniques es van instal·lar en un suport especial al final de la quill. Es va fer una sonda molt comuna soldant una bola dura fins a l’extrem d’un eix. Això era ideal per mesurar tota una gamma de superfícies planes, cilíndriques o esfèriques. Altres sondes eren formes específiques, per exemple, un quadrant, per permetre la mesura de funcions especials. Aquestes sondes es mantenien físicament contra la peça amb la posició de l’espai que es llegia a partir d’una lectura digital de tres eixos (DRO) o, en sistemes més avançats, es va iniciar la sessió a un ordinador mitjançant un commutador de peu o un dispositiu similar. Les mesures preses per aquest mètode de contacte sovint eren poc fiables, ja que les màquines es van moure a mà i cada operador de màquines va aplicar diferents quantitats de pressió sobre la sonda o adoptar tècniques diferents per a la mesura.

Un altre desenvolupament va ser l’addició de motors per conduir cada eix. Els operadors ja no havien de tocar físicament la màquina, sinó que podrien conduir cada eix amb una caixa de mà amb joysticks de la mateixa manera que amb els cotxes moderns controlats. La precisió i la precisió de la mesura van millorar notablement amb la invenció de la sonda de desencadenament electrònic electrònic. 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 és un dispositiu de contacte, la sonda tenia un estil de bola d’acer carregada amb molla (després bola de rubí). A mesura que la sonda tocava la superfície del component, l’estil es va desviar i va enviar simultàniament la informació de coordinar x, y, z a l’ordinador. Els errors de mesura causats per operadors individuals van ser menys i es va establir l’etapa per a la introducció d’operacions CNC i l’arribada de l’edat de CMMS.

Les sondes òptiques són sistemes de lent-CCD, que es mouen com a mecànics, i s’adrecen al punt d’interès, en lloc de tocar el material. La imatge capturada de la superfície estarà tancada a les fronteres d’una finestra de mesura, fins que el residu sigui adequat per contrastar entre les zones en blanc i negre. La corba de divisió es pot calcular fins a un punt, que és el punt de mesura desitjat a l’espai. La informació horitzontal del CCD és 2D (XY) i la posició vertical és la posició del sistema de sondatge complet del stand z-drive (o un altre component del dispositiu).

Sistemes de sondes d’escaneig

Hi ha models més recents que tenen sondes que arrosseguen per la superfície de la part que prenen punts a intervals especificats, coneguts com a sondes d’escaneig. Aquest mètode d’inspecció CMM és sovint més precís que el mètode convencional de prova tàctil i la majoria de vegades també més ràpidament.

La propera generació d’escaneig, coneguda com a exploració sense contacte, que inclou triangulació d’un sol punt làser d’alta velocitat, exploració de línies làser i exploració de llum blanca, avança molt ràpidament. Aquest mètode utilitza bigues làser o llum blanca que es projecta contra la superfície de la part. A continuació, es poden prendre i utilitzar molts milers de punts i no només per comprovar la mida i la posició, sinó també per crear una imatge 3D de la part. Aquestes "dades de núvol de punts" es poden transferir al programari CAD per crear un model 3D de funcionament de la peça. Aquests escàners òptics s’utilitzen sovint en parts suaus o delicades o per facilitar l’enginyeria inversa.

Sondes de micrometrologia

Els sistemes de sondatge per a aplicacions de metrologia a microscopi són una altra àrea emergent. Hi ha diverses màquines de mesurament de coordenades disponibles comercialment (CMM) que tenen un microprobe integrat al sistema, diversos sistemes especialitzats en laboratoris governamentals i qualsevol nombre de plataformes de metrologia construïdes per la universitat per a la metrologia a microscopi. Tot i que aquestes màquines són bones i, en molts casos, excel·lents plataformes de metrologia amb escales nanomètriques, la seva limitació principal és una sonda micro/nano/nano.^{[Citació necessària]}Els reptes per a les tecnologies de sondatge a micròfica inclouen la necessitat d’una sonda d’aspecte elevada que proporciona la capacitat d’accedir a funcions estretes i profundes amb forces de contacte baixes per no danyar la superfície i la precisió d’alta precisió (nivell de nanòmetre).^{[Citació necessària]}Addicionalment, les sondes a microscopi són susceptibles a condicions ambientals com la humitat i les interaccions superficials com la sicció (causades per l’adhesió, el menisc i/o les forces de van der Waals, entre d’altres).^{[Citació necessària]}

Les tecnologies per assolir un sondatge a microscopi inclouen la versió reduïda de sondes CMM clàssiques, sondes òptiques i una sonda d’ona permanent, entre d’altres. Tanmateix, les tecnologies òptiques actuals no es poden escalar prou petites per mesurar la característica profunda i estreta i la resolució òptica està limitada per la longitud d’ona de la llum. La imatge de raigs X proporciona una imatge de la funció, però no hi ha informació de metrologia traçable.

Principis físics

Es poden utilitzar sondes òptiques i/o sondes làser (si és possible en combinació), que canvien CMMS per mesurar microscopis o màquines de mesura multisensor. Els sistemes de projecció de franges, els sistemes de triangulació de Theodolite o els sistemes de triangulació distants i làser no s’anomenen màquines de mesura, però el resultat de mesurament és el mateix: un punt d’espai. 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: final del component de conducció z). Això pot utilitzar una funció interferomètrica, variació de focus, desviació de la llum o un principi d’ombra del feix.

Màquines de mesura de coordenades portàtils

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

Els CMM portàtils amb braços articulats tenen sis o set eixos equipats amb codificadors rotatius, en lloc dels eixos lineals. Els braços portàtils són lleugers (normalment menys de 20 lliures) i es poden transportar i utilitzar gairebé a qualsevol lloc. Tot i això, els CMM òptics s’utilitzen cada cop més a la indústria. Dissenyat amb càmeres de matriu lineal o matriu compactes (com el Microsoft Kinect), els CMM òptics són menors que els CMM portàtils amb els braços, no hi ha cables i permeten als usuaris fer mesures 3D de tots els tipus d'objectes situats gairebé a qualsevol lloc.

Algunes aplicacions no repetitives com l’enginyeria inversa, el prototipat ràpid i la inspecció a gran escala de parts de totes les mides s’adapten idealment per a CMMs portàtils. Els avantatges dels CMM portàtils són múltiples. Els usuaris tenen la flexibilitat per prendre mesures 3D de tot tipus de parts i en les ubicacions més remotes/difícils. Són fàcils d’utilitzar i no requereixen un entorn controlat per fer mesures precises. A més, els CMM portàtils solen costar menys que els CMM tradicionals.

Les compensacions inherents dels CMM portàtils són un funcionament manual (sempre requereixen un humà per utilitzar-los). A més, la seva precisió general pot ser una mica menys precisa que la d’un pont tipus CMM i és menys adequada per a algunes aplicacions.

Màquines de mesurament multisensor

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