Que é unha máquina de medición por coordenadas?

Unhamáquina de medición por coordenadasUnha CMM (CMM) é un dispositivo que mide a xeometría de obxectos físicos detectando puntos discretos na superficie do obxecto cunha sonda. Nas CMM utilízanse varios tipos de sondas, incluíndo mecánicas, ópticas, láser e de luz branca. Dependendo da máquina, a posición da sonda pode ser controlada manualmente por un operador ou pode ser controlada por ordenador. As CMM normalmente especifican a posición dunha sonda en termos do seu desprazamento desde unha posición de referencia nun sistema de coordenadas cartesianas tridimensionais (é dicir, con eixes XYZ). Ademais de mover a sonda ao longo dos eixes X, Y e Z, moitas máquinas tamén permiten controlar o ángulo da sonda para permitir a medición de superficies que doutro xeito serían inalcanzables.

A CMM "ponte" 3D típica permite o movemento da sonda ao longo de tres eixes, X, Y e Z, que son ortogonais entre si nun sistema de coordenadas cartesianas tridimensional. Cada eixe ten un sensor que monitoriza a posición da sonda nese eixe, normalmente con precisión micrométrica. Cando a sonda entra en contacto (ou detecta doutro xeito) cunha localización particular no obxecto, a máquina toma mostras dos tres sensores de posición, medindo así a localización dun punto na superficie do obxecto, así como o vector tridimensional da medición tomada. Este proceso repítese segundo sexa necesario, movendo a sonda cada vez, para producir unha "nube de puntos" que describe as áreas superficiais de interese.

Un uso común das CMM é nos procesos de fabricación e montaxe para probar unha peza ou montaxe segundo a intención do deseño. Nestas aplicacións, xéranse nubes de puntos que se analizan mediante algoritmos de regresión para a construción de características. Estes puntos recóllense mediante unha sonda que un operador coloca manualmente ou automaticamente mediante Control Directo por Computadora (DCC). As CMM DCC pódense programar para medir repetidamente pezas idénticas; polo tanto, unha CMM automatizada é unha forma especializada de robot industrial.

Pezas

As máquinas de medición por coordenadas inclúen tres compoñentes principais:

• A estrutura principal, que inclúe tres eixes de movemento. O material empregado para construír o marco móbil variou ao longo dos anos. Nas primeiras CMM empregáronse granito e aceiro. Hoxe en día, todos os principais fabricantes de CMM constrúen marcos de aliaxe de aluminio ou algún derivado e tamén empregan cerámica para aumentar a rixidez do eixe Z para aplicacións de dixitalización. Poucos construtores de CMM hoxe en día aínda fabrican CMM con marco de granito debido á esixencia do mercado de melloras na dinámica metrolóxica e á crecente tendencia a instalar CMM fóra do laboratorio de calidade. Normalmente, só os construtores de CMM de baixo volume e os fabricantes nacionais na China e na India aínda fabrican CMM de granito debido á baixa tecnoloxía e á facilidade de acceso para converterse nun construtor de marcos de CMM. A crecente tendencia cara á dixitalización tamén require que o eixe Z das CMM sexa máis ríxido e introducíronse novos materiais como a cerámica e o carburo de silicio.
• Sistema de sondaxe
• Sistema de recollida e redución de datos: normalmente inclúe un controlador de máquina, un ordenador de escritorio e software de aplicación.

Dispoñibilidade

Estas máquinas poden ser independentes, manuais e portátiles.

Precisión

A precisión das máquinas de medición por coordenadas adoita darse como un factor de incerteza en función da distancia. Para unha CMM que usa unha sonda táctil, isto relaciónase coa repetibilidade da sonda e a precisión das escalas lineais. A repetibilidade típica da sonda pode dar lugar a medicións de entre 0,001 mm ou 0,00005 polgadas (media décima) en todo o volume de medición. Para máquinas de 3, 3+2 e 5 eixes, as sondas calibrábanse de forma rutineira usando estándares rastrexables e o movemento da máquina verifícase usando calibres para garantir a precisión.

Partes específicas

Corpo da máquina

A primeira CMM foi desenvolvida pola empresa Ferranti de Escocia na década de 1950 como resultado dunha necesidade directa de medir compoñentes de precisión nos seus produtos militares, aínda que esta máquina só tiña 2 eixes. Os primeiros modelos de 3 eixes comezaron a aparecer na década de 1960 (DEA de Italia) e o control por computadora debutou a principios da década de 1970, pero a primeira CMM funcional foi desenvolvida e posta á venda por Browne & Sharpe en Melbourne, Inglaterra. (Posteriormente, Leitz Alemaña produciu unha estrutura de máquina fixa con mesa móbil.

Nas máquinas modernas, a superestrutura tipo pórtico ten dúas patas e adoita denominarse ponte. Esta móvese libremente ao longo da mesa de granito cunha pata (a miúdo denominada pata interior) seguindo un carril guía unido a un lado da mesa de granito. A pata oposta (a miúdo pata exterior) simplemente descansa sobre a mesa de granito seguindo o contorno da superficie vertical. Os rolamentos de aire son o método escollido para garantir un desprazamento sen fricción. Nestes casos, o aire comprimido é forzado a través dunha serie de orificios moi pequenos nunha superficie plana de rolamento para proporcionar un colchón de aire suave pero controlado sobre o que a CMM pode moverse case sen fricción, o que se pode compensar mediante software. O movemento da ponte ou pórtico ao longo da mesa de granito forma un eixe do plano XY. A ponte do pórtico contén un carro que se despraza entre as patas interior e exterior e forma o outro eixe horizontal X ou Y. O terceiro eixe de movemento (eixe Z) provén da adición dunha pluma ou fuso vertical que se move cara arriba e cara abaixo a través do centro do carro. A sonda táctil forma o dispositivo sensor no extremo da pluma. O movemento dos eixes X, Y e Z describe completamente a envolvente de medición. Pódense usar mesas rotatorias opcionais para mellorar a accesibilidade da sonda de medición a pezas complexas. A mesa rotatoria como cuarto eixe de accionamento non mellora as dimensións de medición, que seguen sendo 3D, pero proporciona un certo grao de flexibilidade. Algunhas sondas táctiles son en si mesmas dispositivos rotatorios motorizados coa punta da sonda capaz de xirar verticalmente máis de 180 graos e realizar unha rotación completa de 360 ​​graos.

As CMM tamén están dispoñibles nunha variedade doutras formas. Estas inclúen brazos de CMM que usan medicións angulares tomadas nas articulacións do brazo para calcular a posición da punta do estilete e poden equiparse con sondas para a dixitalización láser e a obtención de imaxes ópticas. Estas CMM de brazo úsanse a miúdo cando a súa portabilidade é unha vantaxe sobre as CMM tradicionais de bancada fixa: ao almacenar as localizacións medidas, o software de programación tamén permite mover o propio brazo de medición e o seu volume de medición arredor da peza que se vai medir durante unha rutina de medición. Debido a que os brazos das CMM imitan a flexibilidade dun brazo humano, tamén adoitan ser capaces de alcanzar o interior de pezas complexas que non se poderían palpar cunha máquina estándar de tres eixes.

Sonda mecánica

Nos primeiros tempos da medición por coordenadas (CMM), as sondas mecánicas axustábanse nun soporte especial no extremo da pluma. Unha sonda moi común fabricábase soldando unha bóla dura ao extremo dun eixe. Isto era ideal para medir unha ampla gama de superficies planas, cilíndricas ou esféricas. Outras sondas retíranse con formas específicas, por exemplo un cuadrante, para permitir a medición de características especiais. Estas sondas suxeitábanse fisicamente contra a peza de traballo, e a posición no espazo líase desde un lector dixital de 3 eixes (DRO) ou, en sistemas máis avanzados, rexistrándose nun ordenador mediante un interruptor de pedal ou un dispositivo similar. As medicións realizadas por este método de contacto a miúdo non eran fiables, xa que as máquinas movíanse a man e cada operador da máquina aplicaba diferentes cantidades de presión sobre a sonda ou adoptaba diferentes técnicas para a medición.

Un desenvolvemento adicional foi a adición de motores para impulsar cada eixe. Os operadores xa non tiñan que tocar fisicamente a máquina, senón que podían impulsar cada eixe usando unha caixa de man con joysticks do mesmo xeito que cos coches modernos con control remoto. A precisión e a precisión das medicións melloraron drasticamente coa invención da sonda electrónica de disparo táctil. O pioneiro deste novo dispositivo de sonda foi David McMurtry, quen posteriormente formou o que hoxe é Renishaw plc. Aínda que seguía sendo un dispositivo de contacto, a sonda tiña un punteiro de bóla de aceiro accionado por resorte (máis tarde bóla de rubí). A medida que a sonda tocaba a superficie do compoñente, o punteiro desviábase e, simultaneamente, enviaba a información das coordenadas X, Y e Z ao ordenador. Os erros de medición causados ​​por operadores individuais diminuíron e preparouse o escenario para a introdución das operacións CNC e a chegada da era das CMM.

As sondas ópticas son sistemas CCD de lente que se moven como as mecánicas e apuntan ao punto de interese en lugar de tocar o material. A imaxe capturada da superficie estará encerrada nos bordos dunha xanela de medición ata que o residuo sexa adecuado para contrastar entre as zonas branca e negra. A curva divisoria pódese calcular ata un punto, que é o punto de medición desexado no espazo. A información horizontal no CCD é 2D (XY) e a posición vertical é a posición do sistema de sondaxe completo no soporte Z-drive (ou outro compoñente do dispositivo).

Sistemas de sonda de dixitalización

Hai modelos máis novos que teñen sondas que se arrastran pola superficie da peza tomando puntos a intervalos específicos, coñecidas como sondas de dixitalización. Este método de inspección CMM adoita ser máis preciso que o método convencional de sonda táctil e, a maioría das veces, tamén máis rápido.

A seguinte xeración de dixitalización, coñecida como dixitalización sen contacto, que inclúe a triangulación láser de alta velocidade por puntos únicos, a dixitalización láser por liñas e a dixitalización por luz branca, está a avanzar moi rápido. Este método utiliza raios láser ou luz branca que se proxectan contra a superficie da peza. Despois pódense tomar miles de puntos e usarse non só para comprobar o tamaño e a posición, senón tamén para crear unha imaxe en 3D da peza. Estes "datos de nube de puntos" pódense transferir a software CAD para crear un modelo en 3D funcional da peza. Estes escáneres ópticos úsanse a miúdo en pezas brandas ou delicadas ou para facilitar a enxeñaría inversa.

Sondas de micrometroloxía

Os sistemas de sondaxe para aplicacións de metroloxía a microescala son outra área emerxente. Existen varias máquinas de medición por coordenadas (CMM) dispoñibles comercialmente que teñen unha microsonda integrada no sistema, varios sistemas especializados en laboratorios gobernamentais e calquera cantidade de plataformas de metroloxía construídas por universidades para metroloxía a microescala. Aínda que estas máquinas son boas e, en moitos casos, excelentes plataformas de metroloxía con escalas nanométricas, a súa principal limitación é unha micro/nanosonda fiable, robusta e capaz.^{[cita necesaria]}Os desafíos para as tecnoloxías de sondaxe a microescala inclúen a necesidade dunha sonda de alta relación de aspecto que permita acceder a características profundas e estreitas con baixas forzas de contacto para non danar a superficie e con alta precisión (a nivel nanométrico).^{[cita necesaria]}Ademais, as sondas a microescala son susceptibles a condicións ambientais como a humidade e as interaccións superficiais como a fricción (causada por adhesión, menisco e/ou forzas de Van der Waals, entre outras).^{[cita necesaria]}

As tecnoloxías para lograr sondaxes a microescala inclúen versións reducidas das sondas CMM clásicas, sondas ópticas e unha sonda de onda estacionaria, entre outras. Non obstante, as tecnoloxías ópticas actuais non se poden escalar o suficientemente pequeno como para medir características profundas e estreitas, e a resolución óptica está limitada pola lonxitude de onda da luz. A imaxe de raios X proporciona unha imaxe da característica, pero non información metrolóxica rastrexable.

Principios físicos

Pódense usar sondas ópticas e/ou sondas láser (se é posible en combinación), que converten as CMM en microscopios de medición ou máquinas de medición multisensor. Os sistemas de proxección de franxas, os sistemas de triangulación de teodolitos ou os sistemas de triangulación e distancia láser non se denominan máquinas de medición, pero o resultado da medición é o mesmo: un punto espacial. As sondas láser úsanse para detectar a distancia entre a superficie e o punto de referencia no extremo da cadea cinemática (é dicir: extremo do compoñente de accionamento Z). Isto pode usar unha función interferométrica, variación do foco, desviación da luz ou un principio de sombreado do feixe.

Máquinas portátiles de medición por coordenadas

Mentres que as CMM tradicionais empregan unha sonda que se move en tres eixes cartesianos para medir as características físicas dun obxecto, as CMM portátiles empregan brazos articulados ou, no caso das CMM ópticas, sistemas de dixitalización sen brazo que empregan métodos de triangulación óptica e permiten total liberdade de movemento arredor do obxecto.

As CMM portátiles con brazos articulados teñen seis ou sete eixes equipados con codificadores rotatorios, en lugar de eixes lineares. Os brazos portátiles son lixeiros (normalmente menos de 20 libras) e pódense transportar e usar en case calquera lugar. Non obstante, as CMM ópticas úsanse cada vez máis na industria. Deseñadas con cámaras compactas lineais ou de matriz (como Microsoft Kinect), as CMM ópticas son máis pequenas que as CMM portátiles con brazos, non teñen cables e permiten aos usuarios tomar facilmente medicións en 3D de todo tipo de obxectos situados en case calquera lugar.

Certas aplicacións non repetitivas, como a enxeñaría inversa, a creación rápida de prototipos e a inspección a grande escala de pezas de todos os tamaños, son ideais para as CMM portátiles. As vantaxes das CMM portátiles son múltiples. Os usuarios teñen a flexibilidade de tomar medidas en 3D de todo tipo de pezas e nas localizacións máis remotas/difíciles. Son fáciles de usar e non requiren un ambiente controlado para tomar medidas precisas. Ademais, as CMM portátiles tenden a custar menos que as CMM tradicionais.

As desvantaxes inherentes das CMM portátiles son o funcionamento manual (sempre requiren a presenza dun humano para usalas). Ademais, a súa precisión xeral pode ser algo menos precisa que a dunha CMM tipo ponte e é menos axeitada para algunhas aplicacións.

Máquinas de medición multisensor

A tecnoloxía CMM tradicional que emprega sondas táctiles combínase hoxe en día con outras tecnoloxías de medición. Isto inclúe sensores láser, de vídeo ou de luz branca para proporcionar o que se coñece como medición multisensor.