Que é a máquina de medir as coordenadas?

A.Máquina de medición de coordenadas(CMM) é un dispositivo que mide a xeometría de obxectos físicos detectando puntos discretos na superficie do obxecto cunha sonda. En CMMS úsanse varios tipos de sondas, incluíndo luz mecánica, óptica, láser e branca. Dependendo da máquina, a posición da sonda pode ser controlada manualmente por un operador ou pode ser controlada por ordenador. Os CMM especifican normalmente a posición dunha sonda en termos do seu desprazamento desde unha posición de referencia nun sistema de coordenadas tridimensionais cartesianas (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.

O típico CMM "ponte" 3D permite o movemento da sonda ao longo de tres eixes, X, Y e Z, que son ortogonais entre si nun sistema de coordenadas cartesiano tridimensional. Cada eixe ten un sensor que monitor a posición da sonda nese eixe, normalmente con precisión do micrómetro. Cando a sonda contacta (ou detecta doutro xeito) unha situación particular no obxecto, a máquina mostra os tres sensores de posición, medindo así a localización dun punto na superficie do obxecto, así como o vector tridimensional da medida tomada. Este proceso repítese segundo sexa necesario, movendo a sonda cada vez, para producir unha "nube de puntos" que describe as superficies de interese.

Un uso común de CMMS está en procesos de fabricación e montaxe para probar unha parte ou montaxe contra a intención de deseño. En tales aplicacións, xéranse nubes de punto que se analizan a través de algoritmos de regresión para a construción de características. Estes puntos recóllense empregando unha sonda que é posicionada manualmente por un operador ou automaticamente a través do control directo do ordenador (DCC). Os CMMs de DCC pódense programar para medir repetidamente partes idénticas; Así, un CMM automatizado é unha forma especializada de robot industrial.

Pezas

As máquinas de medida de coordenadas inclúen tres compoñentes principais:

• A estrutura principal que inclúe tres eixes de movemento. O material empregado para construír o cadro en movemento varía ao longo dos anos. O granito e o aceiro usáronse nos primeiros CMM. Hoxe todos os principais fabricantes de CMM constrúen marcos a partir de aliaxe de aluminio ou algún derivado e tamén usan cerámica para aumentar a rixidez do eixe Z para aplicacións de dixitalización. Poucos construtores de CMM aínda hoxe fabrican CMM de marco de granito debido ao requisito do mercado para mellorar a dinámica de metroloxía e a tendencia crecente de instalar CMM fóra do laboratorio de calidade. Normalmente só os construtores de CMM de baixo volume e os fabricantes domésticos en China e a India seguen fabricando CMM de granito debido ao enfoque tecnolóxico baixo e á entrada fácil para converterse nun constructor de cadros CMM. A tendencia crecente cara á dixitalización tamén require que o eixe CMM Z sexa máis ríxido e se introduciron novos materiais como o carburo de cerámica e o silicio.
• Sistema de sondaxe
• Sistema de recollida e redución de datos: normalmente inclúe un controlador de máquinas, ordenador de escritorio e software de aplicación.

Dispoñibilidade

Estas máquinas poden ser independentes, portátiles e portátiles.

Precisión

A precisión das máquinas de medición de coordenadas normalmente danse como un factor de incerteza como función da distancia. Para un CMM usando unha sonda táctil, isto está relacionado coa repetibilidade da sonda e a precisión das escalas lineais. A repetibilidade típica da sonda pode producir medicións de 0,001 mm ou .00005 polgadas (media décima) durante todo o volume de medición. Para máquinas de eixe 3, 3+2 e 5, as sondas son calibradas rutineiramente usando estándares rastrexables e o movemento da máquina verifícase usando medidores para garantir a precisión.

Pezas específicas

Corpo da máquina

O primeiro CMM foi desenvolvido pola Ferranti Company de Escocia nos anos cincuenta como resultado dunha necesidade directa de medir os 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 informático debutou a principios dos anos 70, pero o primeiro CMM de traballo foi desenvolvido e posto á venda por Browne & Sharpe en Melbourne, Inglaterra. (Leitz Alemaña produciu posteriormente unha estrutura da máquina fixa con táboa en movemento.

Nas máquinas modernas, a superestructura tipo Gantry ten dúas patas e a miúdo chámase ponte. Isto móvese libremente ao longo da mesa de granito cunha perna (a miúdo denominada perna interior) tras un carril guía unido a un lado da mesa de granito. A perna oposta (a miúdo fóra da perna) simplemente descansa sobre a mesa de granito seguindo o contorno da superficie vertical. Os rodamentos de aire son o método escollido para garantir as viaxes sen fricción. Nestes, o aire comprimido é forzado a través dunha serie de buracos moi pequenos nunha superficie de rodamentos planos para proporcionar un coxín de aire suave pero controlado sobre o que o CMM pode moverse dun xeito case sen fricción que se pode compensar mediante software. O movemento da ponte ou o porto ao longo da mesa de granito forma un eixe do plano XY. A ponte do porteiro contén un carro que percorre entre as pernas dentro e fóra e forma o outro eixo horizontal x ou y. O terceiro eixe de movemento (eixo Z) é proporcionado pola adición dun colo ou fuso vertical que se move cara arriba e abaixo polo centro do carro. A sonda táctil forma o dispositivo de detección no extremo do colo. O movemento dos eixes X, Y e Z describe plenamente a envoltura de medida. As táboas rotativas opcionais pódense usar para mellorar a achegabilidade da sonda de medición a pezas de traballo complicadas. A táboa rotativa como eixe de cuarta unidade non mellora as dimensións de medición, que permanecen 3D, pero proporciona un grao de flexibilidade. Algunhas sondas táctiles son dispositivos rotativos alimentados coa punta da sonda capaz de xirar verticalmente por máis de 180 graos e a través dunha rotación completa de 360 ​​graos.

Os CMM tamén están dispoñibles tamén nunha variedade doutras formas. Estes inclúen brazos CMM que usan medicións angulares tomadas nas articulacións do brazo para calcular a posición da punta do estilete e pódense equipar con sondas para a dixitalización láser e a imaxe óptica. Tales CMM de brazo úsanse a miúdo onde a súa portabilidade é unha vantaxe sobre os CMM de cama fixa tradicional, ao almacenar lugares medidos, o software de programación tamén permite mover o propio brazo de medida e o seu volume de medición, arredor da parte a medir durante unha rutina de medición. Debido a que os brazos CMM imitan a flexibilidade dun brazo humano, a miúdo tamén son capaces de chegar ao interior de partes complexas que non se podían probar usando unha máquina estándar de tres eixes.

Sonda mecánica

Nos primeiros días de medición de coordenadas (CMM), as sondas mecánicas fixáronse nun soporte especial no extremo da cala. Unha sonda moi común foi feita soldando unha bola dura ao extremo dun eixo. Isto era ideal para medir toda unha gama de superficies planas, cilíndricas ou esféricas. Outras sondas foron mocións de formas específicas, por exemplo un cuadrante, para permitir a medición de características especiais. Estas sondas mantivéronse físicamente contra a peza de traballo coa posición no espazo que se leía desde unha lectura dixital de 3 eixes (DRO) ou, en sistemas máis avanzados, que se rexistrou nun ordenador mediante un pé ou un dispositivo similar. As medicións realizadas por este método de contacto eran a miúdo pouco fiables, xa que as máquinas foron movidas a man e cada operador da máquina aplicou diferentes cantidades de presión sobre a sonda ou adoptou técnicas diferentes para a medición.

Un novo desenvolvemento foi a adición de motores para conducir cada eixe. Os operadores xa non tiñan que tocar fisicamente a máquina, pero podían conducir cada eixe usando unha caixa de mans con joysticks do mesmo xeito que cos coches modernos controlados a distancia. A precisión da medición e a precisión melloraron drasticamente coa invención da sonda de disparo de tacto electrónico. O pioneiro deste novo dispositivo de sonda foi David McMurtry, que posteriormente formou o que agora é Renishaw Plc. Aínda que aínda é un dispositivo de contacto, a sonda tiña unha bola de aceiro cargada de resorte (máis tarde Ruby Ball). Cando a sonda tocou a superficie do compoñente, o estilete desviou e enviou simultaneamente a información de coordinación x, y, z. Os erros de medición causados ​​por operadores individuais fixéronse menos e fixáronse o escenario para a introdución de operacións do CNC e a chegada da idade de CMMS.

As sondas ópticas son sistemas de lentes-CCD, que se moven como as mecánicas, e están dirixidas ao punto de interese, en vez de tocar o material. A imaxe capturada da superficie estará encerrada nas fronteiras dunha xanela de medida, ata que o residuo sexa adecuado para contrastar entre as zonas brancas e negras. A curva divisoria pódese calcular ata un punto, que é o punto de medida desexado no espazo. A información horizontal sobre o CCD é 2D (XY) e a posición vertical é a posición do sistema de sondas completo no soporte Z-Drive (ou outro compoñente do dispositivo).

Sistemas de sonda de dixitalización

Hai modelos máis novos que teñen sondas que arrastran pola superficie da parte que toman puntos a intervalos especificados, coñecidos como sondas de dixitalización. Este método de inspección de CMM adoita ser máis preciso que o método convencional de sonda táctil e a maioría das veces máis rápido.

A próxima xeración de dixitalización, coñecida como dixitalización sen contacto, que inclúe a triangulación dun só punto láser de alta velocidade, a dixitalización láser e a dixitalización de luz branca, avanza moi rapidamente. Este método usa vigas láser ou luz branca que se proxectan contra a superficie da parte. Pódense levar moitos miles de puntos e non só usarse para comprobar o tamaño e a posición, senón tamén para crear unha imaxe 3D da peza. Estes "datos de nubes puntuais" pódense transferir ao software CAD para crear un modelo 3D de traballo da parte. Estes escáneres ópticos úsanse a miúdo en partes suaves ou delicadas ou para facilitar a enxeñaría inversa.

Sondas de micrometroloxía

Outra área emerxente é outra área emerxente. Existen varias máquinas de medición de coordenadas dispoñibles comercialmente (CMM) que teñen un microprobe integrado no sistema, varios sistemas especializados nos laboratorios gobernamentais e calquera número de plataformas de metroloxía construídas na universidade para metroloxía a escala microscala. Aínda que estas máquinas son boas e, en moitos casos, excelentes plataformas de metroloxía con escalas nanométricas, a súa limitación principal é unha sonda de micro/nano fiable, robusta e capaz.^{[citación necesaria]}Os retos para as tecnoloxías de sondaxe a microescala inclúen a necesidade dunha sonda de alta relación de aspecto que dá a capacidade de acceder a características profundas e estreitas con forzas de contacto baixas para non danar a superficie e a alta precisión (nivel de nanómetro).^{[citación necesaria]}Ademais, as sondas a microescala son susceptibles a condicións ambientais como a humidade e as interaccións superficiais como a estancia (causada por forzas de adhesión, menisco e/ou van der Waals entre outras).^{[citación necesaria]}

As tecnoloxías para lograr a sondaxe a microescala inclúen a versión reducida de sondas CMM clásicas, sondas ópticas e unha sonda de onda permanente entre outras. Non obstante, as tecnoloxías ópticas actuais non se poden escalar o suficientemente pequenas como para medir a característica profunda, estreita e a resolución óptica está limitada pola lonxitude de onda da luz. A imaxe de raios X proporciona unha imaxe da función pero non hai información de metroloxía rastrexable.

Principios físicos

Pódense usar sondas ópticas e/ou sondas láser (se é posible en combinación), que cambian CMMs a medir microscopios ou máquinas de medida multi-sensor. Os sistemas de proxección de franxas, sistemas de triangulación de teodolito ou sistemas de triangulación láser e triangulación non se chaman máquinas de medida, pero o resultado de 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: final do compoñente Z-Drive). Isto pode usar unha función interferométrica, variación de enfoque, desvío de luz ou un principio de sombreado de feixe.

Máquinas de medida de coordenadas portátiles

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

Os CMM portátiles con brazos articulados teñen seis ou sete eixes equipados con codificadores rotativos, en vez de eixes lineais. Os brazos portátiles son lixeiros (normalmente inferiores a 20 libras) e pódense levar e usarse case en calquera lugar. Non obstante, os CMM ópticos están a ser cada vez máis empregados na industria. Deseñado con cámaras de matriz lineais ou matrices compactas (como o Microsoft Kinect), os CMM ópticos son menores que os CMMs portátiles con brazos, non presentan fíos e permiten aos usuarios tomar medidas 3D facilmente de todo tipo de obxectos situados case en calquera lugar.

Algunhas aplicacións non repetitivas como a enxeñaría inversa, o prototipado rápido e a inspección a gran escala de partes de todos os tamaños son ideal para os CMM portátiles. Os beneficios dos CMM portátiles son multifold. Os usuarios teñen a flexibilidade para tomar medidas 3D de todo tipo de pezas e nos lugares máis remotos/difíciles. Son fáciles de usar e non precisan un ambiente controlado para tomar medidas precisas. Ademais, os CMM portátiles tenden a custar menos que os CMM tradicionais.

Os compromisos inherentes dos CMM portátiles son operacións manuais (sempre requiren un ser humano para usalos). Ademais, a súa precisión global pode ser algo menos precisa que a dun CMM de tipo ponte e é menos adecuada para algunhas aplicacións.

Máquinas de medición de multisensores

A tecnoloxía CMM tradicional que usa sondas táctiles adoita combinar a miúdo con outras tecnoloxías de medición. Isto inclúe sensores láser, vídeo ou luz branca para proporcionar o que se coñece como medición multisensor.