Guida completa alla macchina di misura a coordinate (CMM) e alle relative procedure di misurazione.

Che cos'è una macchina CMM?

Immaginate una macchina a controllo numerico (CNC) in grado di effettuare misurazioni estremamente precise in modo altamente automatizzato. Ecco cosa fanno le macchine di misura a coordinate (CMM)!

CMM è l'acronimo di "Coordinate Measuring Machine" (macchina di misura a coordinate). Si tratta probabilmente dei dispositivi di misura 3D per eccellenza, in termini di combinazione di flessibilità, precisione e velocità.

Applicazioni delle macchine di misura a coordinate

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

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

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

Chi ha inventato le macchine di misura a coordinate (CMM)?

Le prime macchine di misura a coordinate (CMM) furono sviluppate dalla Ferranti Company in Scozia negli anni '50. Erano necessarie per la misurazione di precisione dei componenti nei settori aerospaziale e della difesa. Le primissime 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 all'inizio degli anni '70, introdotto dalla Sheffield negli Stati Uniti.

Tipologie di macchine CMM

Esistono cinque tipi di macchine di misura a coordinate:

• Macchina di misura a coordinate (CMM) a ponte: in questo tipo di configurazione, la più comune, la testa della CMM scorre su un ponte. Un lato del ponte scorre su una guida sul basamento, mentre l'altro è supportato da un cuscino d'aria o da un altro sistema presente sul basamento, senza l'ausilio di una guida.
• Macchina di misura a sbalzo (CMM): La struttura a sbalzo supporta il ponte solo da un lato.
• Macchina di misura a portale (CMM): 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.
• Macchina di misura a coordinate (CMM) a braccio orizzontale: immaginate una struttura a sbalzo, ma con l'intero ponte che si muove verticalmente lungo un singolo braccio anziché sul proprio asse. Queste sono le CMM meno precise, ma possono misurare componenti di grandi dimensioni e di spessore ridotto, come ad esempio le carrozzerie delle automobili.
• Macchina di misura a coordinate (CMM) portatile con braccio articolato: queste macchine utilizzano bracci articolati e sono generalmente posizionate manualmente. Anziché misurare direttamente le coordinate XYZ, calcolano le coordinate a partire dalla posizione di rotazione di ciascun giunto e dalla lunghezza nota tra i giunti.

Ciascuno ha vantaggi e svantaggi a seconda dei tipi di misurazioni da effettuare. Questi tipi si riferiscono alla struttura della macchina che viene utilizzata per posizionare il suosondarelativo alla parte misurata.

Ecco una pratica tabella che aiuta a comprendere i pro e i contro:

Le sonde vengono normalmente posizionate in tre dimensioni: X, Y e Z. Tuttavia, le macchine più sofisticate consentono anche di modificare l'angolo delle sonde, permettendo così di effettuare misurazioni in punti altrimenti irraggiungibili. È inoltre possibile utilizzare tavole rotanti per migliorare l'accessibilità a diverse aree.

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

La sonda è il sensore che determina la posizione della superficie del pezzo al momento della misurazione.

Le tipologie di sonda includono:

• Meccanico
• Ottico
• Laser
• Luce bianca

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

• Reparti di controllo qualità: qui i prodotti vengono generalmente conservati in camere bianche a temperatura controllata per massimizzarne la precisione.
• Reparto produzione: Qui le CMM sono posizionate tra le macchine CNC per facilitare le ispezioni all'interno di una cella di produzione, riducendo al minimo gli spostamenti tra la CMM e la macchina in cui vengono lavorati i pezzi. Ciò consente di effettuare le misurazioni in anticipo e potenzialmente con maggiore frequenza, con conseguenti risparmi grazie all'individuazione precoce degli errori.
• Portatili: le CMM portatili sono facili da spostare. Possono essere utilizzate in officina o persino portate in un sito remoto rispetto allo stabilimento di produzione per misurare i pezzi sul campo.

Quanto sono precise le macchine CMM (precisione CMM)?

La precisione delle macchine di misura a coordinate (CMM) varia. Generalmente, l'obiettivo è raggiungere una precisione micrometrica o superiore. Tuttavia, non è così semplice. Innanzitutto, l'errore può dipendere dalle dimensioni, quindi l'errore di misura di una CMM può essere specificato tramite una formula semplificata che include la lunghezza della misura come variabile.

Ad esempio, la CMM Global Classic di Hexagon è elencata come una CMM multiuso economica e ne specifica la precisione come segue:

1.0 + L/300um

Queste misure sono espresse in micron e L è specificata 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 millimetro, ovvero circa 0,00003937 pollici. Quindi l'errore nella misurazione della nostra lunghezza di 10 mm è di 0,00103 mm o 0,00004055 pollici. Si tratta di meno di mezzo decimo di millimetro: un errore davvero piccolo!

D'altra parte, si dovrebbe avere una precisione 10 volte superiore a quella che stiamo cercando di misurare. Ciò significa che potremmo fidarci di questa misurazione solo fino a 10 volte quel valore, ovvero 0,00005 pollici. Un errore comunque piuttosto piccolo.

La situazione si complica ulteriormente per le misurazioni con CMM in officina. Se la CMM è collocata in un laboratorio di ispezione a temperatura controllata, ciò è di grande aiuto. Tuttavia, in officina, le temperature possono variare notevolmente. Esistono diversi metodi per compensare le variazioni di temperatura con una CMM, 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 64-72°F (18-22°C). Questo è ottimo, a meno che la temperatura in officina non raggiunga gli 86°F in estate. In tal caso, non si dispone di una specifica adeguata per l'errore.

Alcuni produttori forniscono una serie di intervalli di temperatura con diverse specifiche di precisione. Ma cosa succede se, per lo stesso lotto di pezzi, ci si trova in più intervalli in momenti diversi della giornata o in giorni diversi della settimana?

Bisogna iniziare a creare un budget di incertezza che tenga conto degli scenari peggiori. Se questi scenari peggiori comportano tolleranze inaccettabili per i componenti, saranno necessari ulteriori cambiamenti di processo:

• È possibile limitare l'utilizzo della CMM a determinati momenti della giornata, quando le temperature rientrano in intervalli più favorevoli.
• È possibile scegliere di lavorare solo i pezzi o le caratteristiche con tolleranze più basse in determinati momenti della giornata.
• Le macchine di misura a coordinate (CMM) di fascia alta potrebbero avere specifiche migliori per i vostri intervalli di temperatura. Potrebbe valerne la pena, anche se il costo è decisamente più elevato.

Ovviamente queste misure avranno un impatto negativo sulla tua capacità di pianificare accuratamente i lavori. All'improvviso ti viene da pensare che un migliore controllo climatico in officina potrebbe essere un investimento valido.

Come potete vedere, tutta questa faccenda delle misurazioni diventa piuttosto complicata.

L'altro elemento fondamentale è la definizione delle tolleranze da verificare con la CMM. Lo standard di riferimento è la quotatura e tolleranza geometrica (GD&T). Per saperne di più, consulta il nostro corso introduttivo sulla GD&T.

Software CMM

Le macchine di misura a coordinate (CMM) utilizzano diversi tipi di software. Lo standard di riferimento si chiama 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.

I produttori hanno creato i propri gusti esclusivi per aggiungere funzioni di misurazione non supportate da DMIS.

DMIS

Come già accennato, DMIS è lo standard, ma, come per il codice G delle macchine CNC, esistono molti dialetti, tra cui:

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

MCOMOS

MCOSTMOS è il software CMM di Nikon.

Calipso

Calypso è un software per macchine di misura a coordinate (CMM) sviluppato da Zeiss.

CMM e software CAD/CAM

Qual è la relazione tra il software e la programmazione CMM e il software CAD/CAM?

Esistono molti formati di file CAD diversi, quindi verifica con quali il software della tua CMM è compatibile. L'integrazione più avanzata è chiamata Model Based Definition (MBD). Con MBD, il modello stesso può essere utilizzato per estrarre le quote per la CMM.

MDB è una tecnologia piuttosto all'avanguardia, quindi non viene ancora utilizzata nella maggior parte dei casi.

Sonde, dispositivi di fissaggio e accessori per macchine di misura a coordinate (CMM).

Sonde CMM

Sono disponibili diverse tipologie e forme di sonde per facilitare svariate applicazioni.

Dispositivi di fissaggio CMM

Le attrezzature di fissaggio consentono di risparmiare tempo nelle operazioni di carico e scarico dei pezzi su una macchina di misura a coordinate (CMM), proprio come avviene sulle macchine CNC. Esistono persino CMM dotate di caricatori automatici di pallet per massimizzare la produttività.

Prezzo della macchina CMM

Le nuove macchine di misura a coordinate hanno un prezzo che parte da 20.000-30.000 dollari e può arrivare a superare il milione di dollari.

Posizioni lavorative legate all'utilizzo della macchina di misura a coordinate (CMM) in un'officina meccanica

CMM Manager

Programmatore CMM

Operatore CMM