Notizie - Guida completa alle macchine e alle misure CMM

Che cosa è una macchina CMM?

Immaginate una macchina CNC in grado di effettuare misurazioni estremamente precise in modo altamente automatizzato. Ecco cosa fanno le macchine CMM!

CMM sta per "Coordinate Measuring Machine" (Macchina di Misura a Coordinate). Sono forse i dispositivi di misura 3D più evoluti in termini di flessibilità, precisione e velocità.

Applicazioni delle macchine di misura a coordinate

Le macchine di misura a coordinate sono preziose ogni volta che è necessario effettuare misurazioni accurate. E più complesse o numerose sono le misurazioni, più vantaggioso è l'utilizzo di una CMM.

In genere, le macchine di misura a coordinate (CMM) vengono utilizzate per l'ispezione e il controllo qualità. In altre parole, servono a verificare che il pezzo soddisfi i requisiti e le specifiche del progettista.

Possono anche essere utilizzati perfare ingegneria inversaparti esistenti effettuando misurazioni accurate delle loro caratteristiche.

Chi ha inventato le macchine CMM?

Le prime macchine CMM furono sviluppate dalla Ferranti Company in Scozia negli anni '50. Erano necessarie per la misurazione di precisione di componenti nei settori aerospaziale e della difesa. Le prime macchine avevano solo 2 assi di movimento. Le macchine a 3 assi furono introdotte negli anni '60 dalla DEA in Italia. Il controllo computerizzato arrivò nei primi anni '70, introdotto dalla Sheffield negli Stati Uniti.

Tipi di macchine CMM

Esistono cinque tipi di macchine di misura a coordinate:

CMM a ponte: in questo design, il più comune, la testa della CMM è montata su un ponte. Un lato del ponte scorre su una rotaia sul bancale, mentre l'altro è supportato da un cuscino d'aria o da un altro metodo sul bancale, senza rotaia di guida.
CMM a sbalzo: il cantilever sostiene il ponte solo su un lato.
CMM a portale: il portale utilizza una guida su entrambi i lati, come una fresatrice CNC. Si tratta in genere delle CMM più grandi, quindi necessitano di un supporto aggiuntivo.
CMM a braccio orizzontale: immaginate un cantilever, ma con l'intero ponte che si muove su e giù lungo il singolo braccio anziché sul proprio asse. Queste sono le CMM meno precise, ma possono misurare componenti sottili e di grandi dimensioni come le carrozzerie.
CMM portatile a braccio: queste macchine utilizzano bracci articolati e sono in genere posizionate manualmente. Anziché misurare direttamente XYZ, calcolano le coordinate in base alla posizione di rotazione di ciascun giunto e alla distanza nota tra i giunti.

Ognuno di essi presenta vantaggi e svantaggi a seconda del tipo di misurazione da effettuare. Questi tipi si riferiscono alla struttura della macchina che viene utilizzata per posizionarla.sondarispetto alla parte misurata.

Ecco una tabella utile per comprendere i pro e i contro:

Tipo di CMM	Precisione	Flessibilità	Ideale per la misurazione
Ponte	Alto	Medio	Componenti di medie dimensioni che richiedono elevata precisione
A sbalzo	Più alto	Basso	Componenti più piccoli che richiedono una precisione molto elevata
Braccio orizzontale	Basso	Alto	Componenti di grandi dimensioni che richiedono bassa precisione
Gantry	Alto	Medio	Componenti di grandi dimensioni che richiedono elevata precisione
Braccio portatile	Il più basso	Più alto	Quando la portabilità è in assoluto il criterio più importante.

Le sonde sono normalmente posizionate nelle tre dimensioni: X, Y e Z. Tuttavia, macchine più sofisticate consentono anche di modificare l'angolazione delle sonde, consentendo la misurazione in punti altrimenti inaccessibili. Anche le tavole rotanti possono essere utilizzate per migliorare l'accessibilità di diverse caratteristiche.

Le CMM sono spesso realizzate in granito e alluminio e utilizzano cuscinetti ad aria

La sonda è il sensore che determina dove si trova la superficie del pezzo quando viene effettuata una misurazione.

I tipi di sonda includono:

Meccanico
Ottico
Laser
Luce bianca

Le macchine di misura a coordinate vengono utilizzate in generale in tre modi:

Reparti di controllo qualità: in genere vengono tenuti in camere bianche con temperatura controllata per massimizzarne la precisione.
Officina: qui le CMM sono posizionate tra le macchine CNC per facilitare l'esecuzione di ispezioni all'interno di una cella di produzione, con spostamenti minimi tra la CMM e la macchina in cui vengono lavorati i pezzi. Questo consente di effettuare le misurazioni in anticipo e potenzialmente con maggiore frequenza, con conseguenti risparmi grazie all'identificazione tempestiva degli errori.
Portatile: le CMM portatili sono facili da spostare. Possono essere utilizzate in officina o persino trasportate in un sito lontano dalla sede di produzione per misurare i pezzi sul campo.

Quanto sono precise le macchine CMM (accuratezza CMM)?

La precisione delle macchine di misura a coordinate varia. Generalmente, puntano a una precisione micrometrica o superiore. Ma non è così semplice. Innanzitutto, l'errore può essere funzione della dimensione, quindi l'errore di misura di una CMM può essere specificato con una formula breve che include la lunghezza della misurazione come variabile.

Ad esempio, la CMM Global Classic di Hexagon è classificata come una CMM multiuso conveniente e specifica la sua precisione come:

1,0 + L/300 µm

Queste misure sono in micron e L è espressa in mm. Quindi, supponiamo di voler misurare la lunghezza di un elemento di 10 mm. La formula sarebbe 1,0 + 10/300 = 1,0 + 1/30 ovvero 1,03 micron.

Un micron è un millesimo di mm, ovvero circa 0,00003937 pollici. Quindi l'errore nella misurazione della lunghezza di 10 mm è di 0,00103 mm o 0,00004055 pollici. Meno di mezzo decimo, un errore davvero piccolo!

D'altra parte, dovremmo avere una precisione 10 volte superiore a quella che stiamo cercando di misurare. Quindi, se potessimo fidarci di questa misurazione solo fino a 10 volte quel valore, ovvero 0,00005 pollici, l'errore sarebbe comunque piuttosto piccolo.

Le cose si complicano ulteriormente per le misurazioni con una CMM in officina. Se la CMM è ospitata in un laboratorio di ispezione a temperatura controllata, è di grande aiuto. Ma in officina, le temperature possono variare notevolmente. Esistono diversi modi in cui una CMM può compensare le variazioni di temperatura, ma nessuno è perfetto.

I produttori di CMM spesso specificano la precisione per un intervallo di temperatura e, secondo lo standard ISO 10360-2 per la precisione delle CMM, un intervallo tipico è compreso tra 18 e 22 °C. Questo è ottimo, a meno che la temperatura in officina non superi gli 86 °F d'estate. In tal caso, non si dispone di una specifica precisa per l'errore.

Alcuni produttori forniscono una serie di intervalli o fasce di temperatura con specifiche di precisione diverse. Ma cosa succede se ci si trova in più di un intervallo per la stessa serie di componenti in momenti diversi del giorno o in giorni diversi della settimana?

Si inizia a dover creare un budget di incertezza che tenga conto dei casi peggiori. Se questi casi peggiori comportano tolleranze inaccettabili per i componenti, sono necessarie ulteriori modifiche al processo:

È possibile limitare l'uso della CMM a determinati orari della giornata, quando le temperature rientrano in intervalli più favorevoli.
È possibile scegliere di lavorare solo parti o caratteristiche con tolleranze inferiori in determinati momenti della giornata.
Le CMM migliori potrebbero avere specifiche migliori per i tuoi intervalli di temperatura. Potrebbero valerne la pena, anche se possono essere molto più costose.

Naturalmente, queste misure avranno un impatto devastante sulla tua capacità di pianificare con precisione i tuoi lavori. Improvvisamente, pensi che un migliore controllo del clima in officina potrebbe essere un investimento utile.

Come puoi vedere, tutta questa faccenda della misurazione diventa parecchio complicata.

L'altro ingrediente che va di pari passo è il modo in cui vengono specificate le tolleranze da verificare con la CMM. Il gold standard è il dimensionamento e la tolleranza geometrica (GD&T). Consultate il nostro corso introduttivo sul GD&T per saperne di più.

Software CMM

Le CMM utilizzano diversi tipi di software. Lo standard è chiamato DMIS, acronimo di Dimensional Measurement Interface Standard. Sebbene non sia l'interfaccia software principale per tutti i produttori di CMM, la maggior parte di essi la supporta almeno.

I produttori hanno creato le proprie versioni esclusive per aggiungere attività di misurazione non supportate da DMIS.

DMIS

Come accennato, DMIS è lo standard, ma come il codice G del CNC, esistono molti dialetti tra cui:

PC-DMIS: la versione di Hexagon
OpenDMIS
TouchDMIS: Perceptron

MCOSMOS

MCOSTMOS è il software CMM di Nikon.

Calipso

Calypso è un software CMM di Zeiss.

Software CMM e CAD/CAM

In che modo il software e la programmazione CMM si relazionano al software CAD/CAM?

Esistono molti formati di file CAD diversi, quindi verifica con quali è compatibile il tuo software CMM. L'integrazione più completa si chiama Model Based Definition (MBD). Con MBD, il modello stesso può essere utilizzato per estrarre le dimensioni per la CMM.

MDB è piuttosto all'avanguardia, quindi non è ancora utilizzato nella maggior parte dei casi.

Sonde, dispositivi e accessori per CMM

Sonde CMM

Sono disponibili vari tipi e forme di sonde per agevolare numerose applicazioni diverse.

Apparecchiature CMM

Le attrezzature di fissaggio consentono di risparmiare tempo durante il carico e lo scarico dei pezzi su una CMM, proprio come su una macchina CNC. È possibile acquistare anche CMM dotate di caricatori automatici di pallet per massimizzare la produttività.