Che cosa è una macchina di misura a coordinate?

UNmacchina di misura a coordinate(CMM) è un dispositivo che misura la geometria di oggetti fisici rilevando punti discreti sulla superficie dell'oggetto con una sonda. Nelle CMM vengono utilizzati vari tipi di sonde, tra cui sonde meccaniche, ottiche, laser e a luce bianca. A seconda della macchina, la posizione della sonda può essere controllata manualmente da un operatore o può essere controllata da un computer. Le CMM in genere specificano la posizione di una sonda in termini di spostamento da una posizione di riferimento in un sistema di coordinate cartesiane tridimensionale (ovvero con assi XYZ). Oltre a spostare la sonda lungo gli assi X, Y e Z, molte macchine consentono anche di controllare l'angolo della sonda per consentire la misurazione di superfici che altrimenti sarebbero irraggiungibili.

La tipica CMM 3D "a ponte" consente il movimento della sonda lungo tre assi, X, Y e Z, ortogonali tra loro in un sistema di coordinate cartesiane tridimensionale. Ogni asse è dotato di un sensore che monitora la posizione della sonda su quell'asse, tipicamente con precisione micrometrica. Quando la sonda entra in contatto (o rileva in altro modo) un punto specifico sull'oggetto, la macchina campiona i tre sensori di posizione, misurando così la posizione di un punto sulla superficie dell'oggetto e il vettore tridimensionale della misurazione effettuata. Questo processo viene ripetuto secondo necessità, spostando la sonda ogni volta, per produrre una "nuvola di punti" che descrive le aree superficiali di interesse.

Un utilizzo comune delle CMM è nei processi di produzione e assemblaggio per testare un componente o un assemblaggio rispetto all'intento progettuale. In tali applicazioni, vengono generate nuvole di punti che vengono analizzate tramite algoritmi di regressione per la costruzione delle feature. Questi punti vengono acquisiti utilizzando una sonda posizionata manualmente da un operatore o automaticamente tramite Controllo Diretto Computerizzato (DCC). Le CMM DCC possono essere programmate per misurare ripetutamente componenti identici; pertanto, una CMM automatizzata è una forma specializzata di robot industriale.

Parti

Le macchine di misura a coordinate comprendono tre componenti principali:

• La struttura principale, che comprende tre assi di movimento, è stata progettata per essere integrata con il telaio mobile. Il materiale utilizzato per la costruzione del telaio mobile è variato nel corso degli anni. Nelle prime macchine di misura a coordinate (CMM) si utilizzavano granito e acciaio. Oggi, tutti i principali produttori di CMM costruiscono telai in lega di alluminio o in un suo derivato e utilizzano anche la ceramica per aumentare la rigidità dell'asse Z per le applicazioni di scansione. Pochi costruttori di CMM oggi producono ancora CMM con telaio in granito, a causa della richiesta di mercato di migliori dinamiche metrologiche e della crescente tendenza a installare le CMM al di fuori del laboratorio di qualità. In genere, solo i costruttori di CMM a basso volume e i produttori nazionali in Cina e India continuano a produrre CMM in granito, a causa dell'approccio a bassa tecnologia e della facilità di accesso alla produzione di telai per CMM. La crescente tendenza alla scansione richiede anche una maggiore rigidità dell'asse Z delle CMM e sono stati introdotti nuovi materiali come la ceramica e il carburo di silicio.
• Sistema di sondaggio
• Sistema di raccolta e riduzione dei dati: in genere comprende un controller della macchina, un computer desktop e un software applicativo.

Disponibilità

Queste macchine possono essere indipendenti, portatili e portatili.

Precisione

La precisione delle macchine di misura a coordinate è in genere espressa come un fattore di incertezza in funzione della distanza. Per una CMM che utilizza un tastatore a contatto, questo fattore è correlato alla ripetibilità del tastatore e all'accuratezza delle scale lineari. La ripetibilità tipica del tastatore può portare a misurazioni entro 0,001 mm o 0,00005 pollici (mezzo decimo) sull'intero volume di misura. Per le macchine a 3, 3+2 e 5 assi, i tastatori vengono calibrati regolarmente utilizzando standard tracciabili e il movimento della macchina viene verificato utilizzando calibri per garantirne la precisione.

Parti specifiche

Corpo macchina

La prima CMM fu sviluppata dalla Ferranti Company of Scotland negli anni '50, in risposta all'esigenza diretta di misurare componenti di precisione nei loro prodotti militari, sebbene questa macchina avesse solo 2 assi. I primi modelli a 3 assi iniziarono ad apparire negli anni '60 (DEA in Italia) e il controllo computerizzato debuttò all'inizio degli anni '70, ma la prima CMM funzionante fu sviluppata e messa in vendita da Browne & Sharpe a Melbourne, in Inghilterra. (Leitz Germania produsse successivamente una macchina con struttura fissa e tavola mobile.

Nelle macchine moderne, la sovrastruttura a portale ha due gambe ed è spesso chiamata ponte. Questa si muove liberamente lungo il tavolo in granito con una gamba (spesso chiamata gamba interna) che segue una guida fissata su un lato del tavolo in granito. La gamba opposta (spesso gamba esterna) poggia semplicemente sul tavolo in granito seguendo il contorno della superficie verticale. I cuscinetti ad aria compressa sono il metodo scelto per garantire uno spostamento senza attrito. In questi, l'aria compressa viene forzata attraverso una serie di fori molto piccoli in una superficie di appoggio piana per creare un cuscino d'aria liscio ma controllato su cui la CMM può muoversi in modo pressoché privo di attrito, che può essere compensato tramite software. Il movimento del ponte o portale lungo il tavolo in granito forma un asse del piano XY. Il ponte del portale contiene un carrello che attraversa tra le gambe interne ed esterne e forma l'altro asse orizzontale X o Y. Il terzo asse di movimento (asse Z) è fornito dall'aggiunta di un cannotto o mandrino verticale che si muove verso l'alto e verso il basso attraverso il centro del carrello. Il tastatore costituisce il dispositivo di rilevamento all'estremità del cannotto. Il movimento degli assi X, Y e Z descrive completamente il campo di misura. È possibile utilizzare tavole rotanti opzionali per migliorare l'accessibilità del tastatore di misura a pezzi complessi. La tavola rotante come quarto asse di azionamento non migliora le dimensioni di misura, che rimangono 3D, ma offre un certo grado di flessibilità. Alcuni tastatori a contatto sono essi stessi dispositivi rotanti motorizzati, con la punta del tastatore in grado di ruotare verticalmente di oltre 180 gradi e di effettuare una rotazione completa di 360 gradi.

Le CMM sono ora disponibili anche in una varietà di altre forme. Tra queste, i bracci CMM che utilizzano misurazioni angolari effettuate in corrispondenza delle articolazioni del braccio per calcolare la posizione della punta dello stilo e possono essere dotati di sonde per la scansione laser e l'imaging ottico. Questi bracci CMM sono spesso utilizzati quando la loro portabilità rappresenta un vantaggio rispetto alle tradizionali CMM a bancale fisso: memorizzando le posizioni misurate, il software di programmazione consente anche di spostare il braccio di misura stesso, e il suo volume di misura, attorno al pezzo da misurare durante una routine di misura. Poiché i bracci CMM imitano la flessibilità di un braccio umano, sono spesso in grado di raggiungere anche l'interno di pezzi complessi che non potrebbero essere ispezionati utilizzando una macchina a tre assi standard.

Sonda meccanica

Agli albori della misura a coordinate (CMM), le sonde meccaniche venivano inserite in un apposito supporto all'estremità del cannotto. Una sonda molto comune veniva realizzata saldando una sfera rigida all'estremità di un albero. Questa soluzione era ideale per misurare un'ampia gamma di superfici piane, cilindriche o sferiche. Altre sonde venivano rettificate in forme specifiche, ad esempio a quadrante, per consentire la misurazione di caratteristiche particolari. Queste sonde venivano tenute fisicamente a contatto con il pezzo in lavorazione e la posizione nello spazio veniva letta da un visualizzatore digitale a 3 assi (DRO) o, nei sistemi più avanzati, veniva registrata in un computer tramite un interruttore a pedale o un dispositivo simile. Le misurazioni effettuate con questo metodo a contatto erano spesso inaffidabili poiché le macchine venivano spostate manualmente e ogni operatore applicava una pressione diversa sulla sonda o adottava tecniche di misurazione diverse.

Un ulteriore sviluppo fu l'aggiunta di motori per l'azionamento di ciascun asse. Gli operatori non dovevano più toccare fisicamente la macchina, ma potevano azionare ciascun asse utilizzando una pulsantiera con joystick, in modo molto simile a quanto avviene con le moderne auto radiocomandate. L'accuratezza e la precisione delle misurazioni migliorarono notevolmente con l'invenzione della sonda elettronica a contatto. Il pioniere di questo nuovo dispositivo di misura fu David McMurtry, che in seguito fondò quella che oggi è Renishaw plc. Sebbene fosse ancora un dispositivo a contatto, la sonda aveva uno stilo a sfera d'acciaio (in seguito a sfera di rubino) caricato a molla. Quando la sonda toccava la superficie del componente, lo stilo si defletteva e inviava simultaneamente le informazioni sulle coordinate X, Y e Z al computer. Gli errori di misurazione causati dai singoli operatori diminuirono e si posero le basi per l'introduzione delle operazioni CNC e l'avvento delle macchine di misura a coordinate (CMM).

Le sonde ottiche sono sistemi CCD a lenti, che vengono mossi come quelli meccanici e puntati sul punto di interesse, anziché toccare il materiale. L'immagine catturata della superficie viene racchiusa nei bordi di una finestra di misura, fino a quando il residuo non raggiunge un contrasto adeguato tra le zone nere e quelle bianche. La curva di demarcazione può essere calcolata fino a un punto, che corrisponde al punto di misura desiderato nello spazio. Le informazioni orizzontali sul CCD sono 2D (XY) e la posizione verticale corrisponde alla posizione dell'intero sistema di tastatura sul supporto Z-drive (o altro componente del dispositivo).

Sistemi di sonda a scansione

Esistono modelli più recenti dotati di sonde che strisciano lungo la superficie dei punti di presa del pezzo a intervalli specifici, note come sonde di scansione. Questo metodo di ispezione con CMM è spesso più accurato del metodo tradizionale con sonda a contatto e, nella maggior parte dei casi, anche più veloce.

La prossima generazione di scansione, nota come scansione senza contatto, che include la triangolazione laser a punto singolo ad alta velocità, la scansione laser lineare e la scansione a luce bianca, sta avanzando molto rapidamente. Questo metodo utilizza raggi laser o luce bianca proiettati sulla superficie del componente. È quindi possibile acquisire migliaia di punti e utilizzarli non solo per verificarne dimensioni e posizione, ma anche per creare un'immagine 3D del componente. Questi "dati a nuvola di punti" possono quindi essere trasferiti a un software CAD per creare un modello 3D funzionante del componente. Questi scanner ottici sono spesso utilizzati su componenti morbidi o delicati o per facilitare il reverse engineering.

Sonde micrometrologiche

I sistemi di misura per applicazioni metrologiche su scala micrometrica rappresentano un altro settore emergente. Esistono diverse macchine di misura a coordinate (CMM) disponibili in commercio che integrano una microsonda, diversi sistemi specializzati presso laboratori governativi e numerose piattaforme metrologiche universitarie per la metrologia su scala micrometrica. Sebbene queste macchine siano valide e in molti casi eccellenti piattaforme metrologiche con scale nanometriche, il loro limite principale è una sonda micro/nano affidabile, robusta e performante.^{[citazione necessaria]}Le sfide per le tecnologie di sondaggio su microscala includono la necessità di una sonda con un elevato rapporto di aspetto che consenta di accedere a caratteristiche profonde e strette con basse forze di contatto in modo da non danneggiare la superficie e con un'elevata precisione (livello nanometrico).^{[citazione necessaria]}Inoltre, le sonde su microscala sono sensibili alle condizioni ambientali, quali l'umidità e alle interazioni superficiali, come l'attrito (causato, tra le altre, da adesione, menisco e/o forze di Van der Waals).^{[citazione necessaria]}

Le tecnologie per ottenere sondaggi su scala micrometrica includono, tra le altre, versioni ridotte delle classiche sonde CMM, sonde ottiche e una sonda a onda stazionaria. Tuttavia, le attuali tecnologie ottiche non possono essere ridimensionate a sufficienza per misurare caratteristiche profonde e strette, e la risoluzione ottica è limitata dalla lunghezza d'onda della luce. L'imaging a raggi X fornisce un'immagine della caratteristica, ma non informazioni metrologiche tracciabili.

Principi fisici

È possibile utilizzare sonde ottiche e/o sonde laser (se possibile in combinazione), trasformando le CMM in microscopi di misura o macchine di misura multisensore. I sistemi di proiezione a frange, i sistemi di triangolazione con teodolite o i sistemi di misura laser a distanza e triangolazione non sono considerati macchine di misura, ma il risultato della misura è lo stesso: un punto nello spazio. Le sonde laser vengono utilizzate per rilevare la distanza tra la superficie e il punto di riferimento all'estremità della catena cinematica (ovvero: l'estremità del componente Z-drive). Questo può utilizzare una funzione interferometrica, una variazione di fuoco, la deflessione della luce o un principio di ombreggiamento del fascio.

Macchine di misura a coordinate portatili

Mentre le CMM tradizionali utilizzano una sonda che si muove su tre assi cartesiani per misurare le caratteristiche fisiche di un oggetto, le CMM portatili utilizzano bracci articolati o, nel caso delle CMM ottiche, sistemi di scansione senza bracci che impiegano metodi di triangolazione ottica e consentono una totale libertà di movimento attorno all'oggetto.

Le CMM portatili con bracci articolati hanno sei o sette assi dotati di encoder rotativi, anziché assi lineari. I bracci portatili sono leggeri (in genere pesano meno di 9 kg) e possono essere trasportati e utilizzati praticamente ovunque. Tuttavia, le CMM ottiche sono sempre più utilizzate nel settore. Progettate con telecamere lineari o a matrice compatta (come Microsoft Kinect), le CMM ottiche sono più piccole delle CMM portatili con bracci, non hanno cavi e consentono agli utenti di eseguire facilmente misurazioni 3D di tutti i tipi di oggetti situati praticamente ovunque.

Alcune applicazioni non ripetitive, come il reverse engineering, la prototipazione rapida e l'ispezione su larga scala di componenti di tutte le dimensioni, sono ideali per le CMM portatili. I vantaggi delle CMM portatili sono molteplici. Gli utenti hanno la flessibilità di effettuare misurazioni 3D di tutti i tipi di componenti e anche nei luoghi più remoti/difficili. Sono facili da usare e non richiedono un ambiente controllato per effettuare misurazioni accurate. Inoltre, le CMM portatili tendono a costare meno delle CMM tradizionali.

I compromessi intrinseci delle CMM portatili sono il funzionamento manuale (richiedono sempre l'intervento di un operatore). Inoltre, la loro precisione complessiva può essere leggermente inferiore a quella di una CMM a ponte e risulta meno adatta ad alcune applicazioni.

Macchine di misura multisensore

La tecnologia CMM tradizionale che utilizza sonde a contatto è oggi spesso combinata con altre tecnologie di misura, tra cui sensori laser, video o a luce bianca, per fornire la cosiddetta misurazione multisensore.