Que é a máquina de medir por coordenadas?

Amáquina de medir por coordenadas(CMM) é un dispositivo que mide a xeometría de obxectos físicos detectando puntos discretos na superficie do obxecto cunha sonda.En CMM utilízanse varios tipos de sondas, incluíndo mecánica, óptica, láser e luz branca.Dependendo da máquina, a posición da sonda pode ser controlada manualmente por un operador ou pode ser controlada por ordenador.Os 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 típica 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 cartesianas tridimensionais.Cada eixe ten un sensor que supervisa a posición da sonda nese eixe, normalmente con precisión micrométrica.Cando a sonda entra en contacto (ou detecta doutro xeito) unha localización particular do 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 medida tomada.Este proceso repítese segundo sexa necesario, movendo a sonda cada vez, para producir unha "nube de puntos" que describe as áreas de superficie de interese.

Un uso común das CMM é nos procesos de fabricación e montaxe para probar unha peza ou conxunto contra 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 é colocada manualmente por un operador ou automaticamente mediante o Control Directo por Computador (DCC).Os CMM DCC pódense programar para medir repetidamente pezas idénticas;polo tanto, un CMM automatizado é unha forma especializada de robot industrial.

Pezas

As máquinas de medición de coordenadas inclúen tres compoñentes principais:

• A estrutura principal que inclúe tres eixes de movemento.O material utilizado para construír o cadro móbil foi variando ao longo dos anos.Granito e aceiro utilizáronse nos primeiros CMM.Hoxe todos os principais fabricantes de CMM constrúen cadros 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 hoxe aínda fabrican CMM de marco de granito debido á esixencia do mercado para mellorar a dinámica da 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 nacionais en China e India seguen fabricando CMM de granito debido ao enfoque de baixa tecnoloxía e á facilidade de entrada para converterse nun constructor de cadros CMM.A crecente tendencia á dixitalización tamén require que o eixe Z 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 sobremesa e un software de aplicación.

Dispoñibilidade

Estas máquinas poden ser independentes, portátiles e portátiles.

Precisión

A precisión das máquinas de medición de coordenadas dáse normalmente como un factor de incerteza en función da distancia.Para un CMM que usa unha sonda táctil, isto está relacionado coa repetibilidade da sonda e a precisión das escalas lineais.A repetibilidade típica da sonda pode dar lugar a medicións de 0,001 mm ou 0,00005 polgadas (media décima) sobre todo o volume de medición.Para máquinas de 3, 3+2 e 5 eixes, as sondas calibran habitualmente utilizando estándares rastreables e o movemento da máquina verifícase mediante calibres para garantir a precisión.

Partes específicas

Corpo da máquina

A primeira CMM foi desenvolvida pola Ferranti Company of Scotland na década de 1950 como resultado da necesidade directa de medir compoñentes de precisión nos seus produtos militares, aínda que esta máquina só tiña 2 eixos.Os primeiros modelos de 3 eixes comezaron a aparecer na década de 1960 (DEA de Italia) e o control por ordenador debutou a principios dos anos 70, pero a primeira CMM en funcionamento foi desenvolvida e posta á venda por Browne & Sharpe en Melbourne, Inglaterra.(Leitz Alemaña posteriormente produciu unha estrutura de máquina fixa con mesa móbil.

Nas máquinas modernas, a superestrutura tipo pórtico ten dúas patas e adoita chamarse ponte.Isto móvese libremente ao longo da mesa de granito cunha pata (moitas veces denominada perna interior) seguindo un carril guía unido a un lado da mesa de granito.A pata oposta (moitas veces perna exterior) simplemente descansa sobre a mesa de granito seguindo o contorno da superficie vertical.Os rodamentos de aire son o método elixido para garantir unha viaxe sen rozamento.Nestes, o aire comprimido é forzado a través dunha serie de orificios moi pequenos nunha superficie plana para proporcionar unha almofada de aire suave pero controlada sobre a que a CMM pode moverse de forma case sen rozamento que se pode compensar a través do 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 atravesa entre as patas interior e exterior e forma o outro eixe horizontal X ou Y.O terceiro eixe de movemento (eixe Z) é proporcionado pola adición dunha pluma ou fuso vertical que se move cara arriba e abaixo polo centro do carro.A sonda táctil forma o dispositivo de detección no extremo da pluma.O movemento dos eixes X, Y e Z describe completamente a envolvente de medición.Pódense usar mesas rotativas opcionais para mellorar a accesibilidade da sonda de medición a pezas complicadas.A mesa xiratoria como cuarto eixe motriz non mellora as dimensións de medición, que seguen sendo 3D, pero si proporciona un certo grao de flexibilidade.Algunhas sondas táctiles son en si mesmos dispositivos rotativos alimentados coa punta da sonda capaz de xirar verticalmente máis de 180 graos e cunha rotación total de 360 ​​graos.

Os CMM agora tamén están dispoñibles nunha variedade de outras formas.Estes inclúen brazos CMM que usan medicións angulares tomadas nas articulacións do brazo para calcular a posición da punta do estilete e poden equiparse con sondas para dixitalización con láser e imaxes ópticas.Estes CMM de brazo úsanse a miúdo cando a súa portabilidade é unha vantaxe sobre os CMM de cama fixa tradicionais: ao almacenar lugares medidos, o software de programación tamén permite mover o propio brazo de medición e o seu volume de medición ao redor da peza que se vai medir durante unha rutina de medición.Debido a que os brazos CMM imitan a flexibilidade dun brazo humano, tamén son capaces de alcanzar o interior de pezas complexas que non se puideron sondar cunha máquina estándar de tres eixes.

Sonda mecánica

Nos primeiros días da medición de coordenadas (CMM), as sondas mecánicas encaixáronse nun soporte especial no extremo da pluma.Unha sonda moi común fíxose soldando unha bola dura ao extremo dun eixe.Isto era ideal para medir toda unha gama de superficies planas, cilíndricas ou esféricas.Outras sondas foron rectificadas a formas específicas, por exemplo un cuadrante, para permitir a medición de características especiais.Estas sondas foron suxeitadas fisicamente contra a peza de traballo coa posición no espazo que se lía desde unha lectura dixital de 3 eixes (DRO) ou, en sistemas máis avanzados, que se rexistraba nun ordenador mediante un interruptor de pé ou dispositivo similar.As medicións tomadas por este método de contacto a miúdo non eran fiables xa que as máquinas movíanse a man e cada operador aplicaba diferentes cantidades de presión sobre a sonda ou adoptaba diferentes técnicas para a medición.

Outro desenvolvemento foi a adición de motores para conducir cada eixe.Os operadores xa non tiñan que tocar fisicamente a máquina, senón que podían dirixir cada eixe mediante unha caixa de man con joysticks de xeito moi parecido ao dos modernos coches con mando a distancia.A precisión e a precisión da medición melloraron drasticamente coa invención da sonda electrónica de gatillo táctil.O pioneiro deste novo dispositivo de sonda foi David McMurtry que posteriormente formou o que hoxe é Renishaw plc.Aínda que aínda era un dispositivo de contacto, a sonda tiña unha bola de aceiro cargada por resorte (máis tarde bola de rubí).Cando a sonda tocou a superficie do compoñente, o estilete desviouse e simultaneamente enviou a información das coordenadas X,Y,Z ao ordenador.Os erros de medición causados ​​polos operadores individuais diminuíron e preparouse o escenario para a introdución das operacións CNC e a maioría de idade das CMM.

As sondas ópticas son sistemas de lentes-CCD, que se moven como as mecánicas, e están dirixidas ao punto de interese, en lugar de tocar o material.A imaxe captada da superficie pecharase nos bordos dunha xanela de medición, ata que o residuo sexa o adecuado para contrastar as zonas brancas e negras.A curva de división pódese calcular ata un punto, que é o punto de medición desexado no espazo.A información horizontal do 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 sondas de exploración

Hai modelos máis novos que teñen sondas que arrastran pola superficie da peza tomando puntos a intervalos especificados, coñecidas como sondas de exploración.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 próxima xeración de dixitalización, coñecida como dixitalización sen contacto, que inclúe a triangulación dun único punto con láser de alta velocidade, a dixitalización de liñas láser e a dixitalización de luz branca, avanza moi rapidamente.Este método utiliza raios láser ou luz branca que se proxectan contra a superficie da peza.Moitos miles de puntos pódense tomar e utilizar non só para comprobar o tamaño e a posición, senón tamén para crear unha imaxe 3D da peza.Estes "datos da nube de puntos" pódense transferir ao software CAD para crear un modelo 3D de traballo 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 das áreas emerxentes.Existen varias máquinas de medición de coordenadas (CMM) dispoñibles comercialmente que teñen unha microsonda integrada no sistema, varios sistemas especializados en laboratorios gobernamentais e calquera número de plataformas de metroloxía construídas na universidade 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 sonda micro/nano fiable, robusta e capaz.^{[cita necesaria]}Os retos das 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 unha alta precisión (nivel nanómetro).^{[cita necesaria]}Ademais, as sondas a microescala son susceptibles a condicións ambientais como a humidade e as interaccións superficiais como a sticción (causada pola adhesión, o menisco e/ou as forzas de Van der Waals entre outras).^{[cita necesaria]}

As tecnoloxías para lograr o sondeo 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 pequenas para medir características profundas e estreitas, e a resolución óptica está limitada pola lonxitude de onda da luz.As imaxes de raios X proporcionan unha imaxe da función pero non hai información de metroloxía rastrexable.

Principios físicos

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

Máquinas portátiles de medición de coordenadas

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

As CMM portátiles con brazos articulados teñen seis ou sete eixes que están equipados con codificadores rotativos, en lugar de eixes lineais.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 matriciales (como Microsoft Kinect), as CMM ópticas son máis pequenas que as CMM portátiles con brazos, non teñen cables e permiten que os usuarios tomen facilmente medicións en 3D de todo tipo de obxectos situados en case calquera lugar.

Algunhas aplicacións non repetitivas, como a enxeñaría inversa, a creación de prototipos rápidos e a inspección a gran escala de pezas de todos os tamaños, son idóneas para CMM portátiles.Os beneficios das CMM portátiles son múltiples.Os usuarios teñen a flexibilidade de tomar medidas en 3D de todo tipo de pezas e nos lugares máis remotos/difíciles.Son fáciles de usar e non precisan dun ambiente controlado para tomar medidas precisas.Ademais, as CMM portátiles tenden a custar menos que as CMM tradicionais.

As compensacións inherentes das CMM portátiles son a operación manual (sempre precisan dun humano para usalas).Ademais, a súa precisión xeral pode ser algo menos precisa que a dunha CMM tipo ponte e é menos adecuada para algunhas aplicacións.

Máquinas de medición multisensor

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