Què és la màquina de mesura de coordenades?

Amàquina de mesurar coordenades(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, com ara mecànica, òptica, làser i llum blanca.Depenent de la màquina, la posició de la sonda pot ser controlada manualment per un operador o pot ser controlada per ordinador.Els 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 mesurar superfícies que d'altra manera serien inabastables.

El típic CMM "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 controla la posició de la sonda en aquest eix, normalment amb precisió micròmetre.Quan la sonda entra en contacte (o detecta d'una altra manera) una ubicació concreta de l'objecte, la màquina pren mostres dels 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 vegada, per produir un "núvol de punts" que descriu les àrees superficials d'interès.

Un ús comú de les CMM és en els processos de fabricació i muntatge per provar una peça o un conjunt amb la intenció del disseny.En aquestes aplicacions, es generen núvols de punts que s'analitzen mitjançant algorismes de regressió per a la construcció de característiques.Aquests punts es recullen mitjançant l'ús d'una sonda que l'operador col·loca manualment o automàticament mitjançant el control informàtic directe (DCC).Els CMM DCC es poden programar per mesurar repetidament peces idèntiques;per tant, 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 utilitzat per construir el marc mòbil ha anat variant al llarg dels anys.El granit i l'acer es van utilitzar als primers 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 constructors de CMM avui encara fabriquen CMM de marc de granit a causa dels requisits del mercat per millorar la dinàmica de la metrologia i la tendència creixent d'instal·lar CMM fora del laboratori de qualitat.Normalment, només els constructors 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 del CMM sigui més rígid i s'han introduït nous materials com la ceràmica i el carbur de silici.
• Sistema de sondeig
• 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 autònomes, portàtils i portàtils.

Precisió

La precisió de les màquines de mesura de coordenades s'acostuma a donar com a factor d'incertesa en funció de la distància.Per a un 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 d'entre 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 de manera rutinària mitjançant estàndards traçables i el moviment de la màquina es verifica mitjançant calibres per garantir la precisió.

Parts específiques

Cos de la màquina

El primer CMM va ser desenvolupat per la Ferranti Company of Scotland als anys 50 com a conseqüència d'una necessitat directa de mesurar components de precisió en els seus productes militars, encara que aquesta màquina només disposava de 2 eixos.Els primers models de 3 eixos van començar a aparèixer a la dècada de 1960 (DEA d'Itàlia) i el control per ordinador va debutar a principis de la dècada de 1970, però Browne & Sharpe va desenvolupar i posar a la venda el primer CMM en funcionament a Melbourne, Anglaterra.(Leitz Germany va produir posteriorment una estructura de màquina fixa amb taula mòbil.

A les màquines modernes, la superestructura de tipus pòrtic té dues potes i sovint s'anomena pont.Això es mou lliurement al llarg de la taula de granit amb una cama (sovint anomenada cama interior) seguint un rail guia connectat a un costat de la taula de granit.La cama oposada (sovint cama 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 viatge sense fricció.En aquests, l'aire comprimit es força a través d'una sèrie de forats molt petits en una superfície plana 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 mitjançant el programari.El moviment del pont o pòrtic al llarg de la taula de granit forma un eix del pla XY.El pont del pòrtic conté un carro que travessa entre les potes interior i exterior i forma l'altre eix horitzontal X o Y.El tercer eix de moviment (eix Z) s'obté mitjançant l'addició d'una ploma o eix vertical que es mou cap amunt i cap avall pel centre del carro.La sonda tàctil forma el dispositiu de detecció a l'extrem de la ploma.El moviment dels eixos X, Y i Z descriu completament l'embolcall de mesura.Es poden utilitzar taules rotatives opcionals per millorar l'aproximació de la sonda de mesura a peces complicades.La taula giratòria com a quart eix d'accionament no millora les dimensions de mesura, que romanen en 3D, però sí que proporciona un grau de flexibilitat.Algunes sondes tàctils són dispositius rotatius alimentats amb la punta de la sonda capaç de girar verticalment més de 180 graus i amb una rotació completa de 360 ​​graus.

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

Sonda mecànica

En els primers dies de la mesura de coordenades (CMM), es van instal·lar sondes mecàniques en un suport especial a l'extrem de la ploma.Es va fer una sonda molt comuna 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 van molar a formes específiques, per exemple un quadrant, per permetre la mesura de característiques especials.Aquestes sondes es van subjectar físicament contra la peça de treball amb la posició a l'espai que es llegeix des d'una lectura digital de 3 eixos (DRO) o, en sistemes més avançats, es registra a un ordinador mitjançant un interruptor de peu o dispositiu similar.Les mesures preses amb aquest mètode de contacte sovint eren poc fiables, ja que les màquines es mouen a mà i cada operador de màquina aplica diferents quantitats de pressió a la sonda o adopta diferents tècniques 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 podien conduir cada eix mitjançant una caixa de mà amb joysticks de la mateixa manera que amb els cotxes moderns amb control remot.La precisió i la precisió de la mesura milloren 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 llapis d'acer amb molla (més tard bola de rubí).Quan la sonda tocava la superfície del component, el llapis es va desviar i simultàniament va enviar la informació de les coordenades X, Y, Z a l'ordinador.Els errors de mesura causats pels operadors individuals es van reduir i es va preparar l'escenari per a la introducció de les operacions CNC i la majoria d'edat de les CMM.

Les sondes òptiques són sistemes de lents-CCD, que es mouen com les mecàniques, i estan dirigides al punt d'interès, en lloc de tocar el material.La imatge capturada de la superfície es tancarà a les vores d'una finestra de mesura, fins que el residu sigui adequat per contrastar les zones en blanc i negre.La corba divisoria 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 sondeig complet al suport Z-drive (o un altre component del dispositiu).

Sistemes de sondes d'escaneig

Hi ha models més nous que tenen sondes que 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 la 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'un sol punt d'alta velocitat, l'escaneig de línies làser 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 agafar molts milers de punts i utilitzar-los no només per comprovar la mida i la posició, sinó també per crear una imatge en 3D de la peça.Aquestes "dades del núvol de punts" es poden transferir al programari CAD per crear un model 3D de treball de la peça.Aquests escàners òptics s'utilitzen sovint 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 qualsevol nombre de plataformes de metrologia construïdes a la universitat 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 sonda micro/nano fiable, robusta i capaç.^{[cal citació]}Els reptes de les tecnologies de sondeig a microescala inclouen la necessitat d'una sonda de relació d'aspecte alta que permeti accedir a funcions profundes i estretes amb forces de contacte baixes per no danyar la superfície i una alta precisió (nivell nanòmetre).^{[cal citació]}A més, les sondes a microescala són susceptibles a condicions ambientals com ara la humitat i les interaccions de la superfície com ara l'adherència (causada per l'adhesió, el menisc i/o les forces de Van der Waals, entre d'altres).^{[cal citació]}

Les tecnologies per aconseguir sondeig a microescala inclouen una versió reduïda de sondes CMM clàssiques, sondes òptiques i una sonda d'ona estacionària, entre d'altres.No obstant això, les tecnologies òptiques actuals no es poden escalar prou petites per mesurar les característiques profundes i estretes, i la resolució òptica està limitada per la longitud d'ona de la llum.Les imatges de raigs X ofereixen una imatge de la funció, però no hi ha informació de metrologia traçable.

Principis físics

Es poden utilitzar sondes òptiques i/o làser (si és possible en combinació), que canvien els 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 distància i triangulació 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 al final de la cadena cinemàtica (és a dir: final del component Z-drive).Això pot utilitzar una funció interferomètrica, la variació del focus, la desviació de la llum o un principi d'ombra del feix.

Màquines de mesura de coordenades portàtils

Mentre que les CMM tradicionals utilitzen una sonda que es mou en tres eixos cartesianes per mesurar les característiques físiques d'un objecte, les CMM portàtils utilitzen braços articulats o, en el cas de CMM òptiques, sistemes d'escaneig sense braços 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 codificadors rotatius, en lloc d'eixos lineals.Els braços portàtils són lleugers (normalment menys de 20 lliures) i es poden portar i utilitzar gairebé a qualsevol lloc.Tanmateix, les CMM òptiques s'utilitzen cada cop més a la indústria.Dissenyades amb càmeres compactes lineals o matricials (com el Microsoft Kinect), les CMM òptiques són més petites que les CMM portàtils amb braços, no inclouen cables i permeten als usuaris prendre fàcilment mesures en 3D de tot tipus d'objectes situats gairebé a qualsevol lloc.

Algunes aplicacions no repetitives, com ara l'enginyeria inversa, el prototipat ràpid i la inspecció a gran escala de peces de totes les mides, són ideals per a CMM portàtils.Els avantatges 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, els CMM portàtils solen costar menys que els CMM tradicionals.

Els avantatges inherents dels CMM portàtils són l'operació manual (sempre necessiten un humà per utilitzar-los).A més, la seva precisió general pot ser una mica menys precisa que la d'un CMM tipus pont i és menys adequada per a algunes aplicacions.

Màquines de mesura multisensor

La tecnologia CMM tradicional que utilitza sondes tàctils avui en dia sovint es combina 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.