Cos'è la macchina di misurazione delle coordinate?

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

Il tipico "ponte" 3D CMM consente il movimento della sonda lungo tre assi, X, Y e Z, che sono ortogonali tra loro in un sistema di coordinate cartesiane tridimensionali. Ogni asse ha un sensore che monitora la posizione della sonda su quell'asse, in genere con precisione micrometrica. Quando i contatti della sonda (o altrimenti rilevano) una particolare posizione sull'oggetto, la macchina campiona i tre sensori di posizione, misurando così la posizione di un punto sulla superficie dell'oggetto, nonché il vettore tridimensionale della misurazione presa. Questo processo viene ripetuto se necessario, spostando la sonda ogni volta, per produrre una "nuvola di punti" che descriva le aree di interesse.

Un uso comune di CMM è nei processi di produzione e assemblaggio per testare una parte o un assemblaggio rispetto all'intento di progettazione. In tali applicazioni, vengono generate nuvole di punti che vengono analizzate tramite algoritmi di regressione per la costruzione di caratteristiche. Questi punti vengono raccolti utilizzando una sonda posizionata manualmente da un operatore o automaticamente tramite il controllo diretto del computer (DCC). I CMM DCC possono essere programmati per misurare ripetutamente parti identiche; Pertanto un CMM automatizzato è una forma specializzata di robot industriale.

Parti

Le macchine a misurazione delle coordinate includono tre componenti principali:

• La struttura principale che include tre assi di movimento. Il materiale utilizzato per costruire il telaio in movimento è variato nel corso degli anni. Il granito e l'acciaio sono stati usati nei primi CMM. Oggi tutti i principali produttori di CMM costruiscono frame dalla lega di alluminio o alcuni derivati ​​e usano anche la ceramica per aumentare la rigidità dell'asse Z per le applicazioni di scansione. Pochi costruttori CMM oggi producono ancora cornice di granito CMM a causa dei requisiti di mercato per migliorare le dinamiche della metrologia e aumentare la tendenza per installare CMM al di fuori del laboratorio di qualità. In genere solo costruttori CMM a basso volume e produttori nazionali in Cina e India stanno ancora producendo CMM di granito a causa dell'approccio a bassa tecnologia e di un facile ingresso per diventare un costruttore di telaio CMM. La crescente tendenza alla scansione richiede anche che l'asse CMM Z sia più rigido e che siano stati introdotti nuovi materiali come carburo di ceramica e silicio.
• Sistema di sondaggio
• Sistema di raccolta e riduzione dei dati: in genere include un controller macchina, un computer desktop e un software applicativo.

Disponibilità

Queste macchine possono essere indipendenti, portatili e portatili.

Precisione

L'accuratezza delle macchine di misurazione delle coordinate è in genere somministrata come fattore di incertezza come funzione sopra la distanza. Per un CMM che utilizza una sonda a touch, ciò si riferisce alla ripetibilità della sonda e all'accuratezza delle scale lineari. La ripetibilità tipica della sonda può comportare misurazioni all'interno di .001 mm o 0,00005 pollici (mezzo decimo) sull'intero volume di misurazione. Per macchine da 3, 3+2 e 5 assi, le sonde vengono regolarmente calibrate utilizzando standard tracciabili e il movimento della macchina viene verificato usando i calibri per garantire l'accuratezza.

Parti specifiche

Corpo macchina

Il primo CMM è stato sviluppato dalla Ferranti Company della Scozia negli anni '50 a seguito di una necessità diretta di misurare i 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 d'Italia) e il controllo del computer debuttarono nei primi anni '70, ma il primo CMM che lavorava fu sviluppato e messo in vendita da Browne & Sharpe a Melbourne, in Inghilterra. (Leitz Germany ha successivamente prodotto una struttura a macchina fissa con tavolo in movimento.

Nelle macchine moderne, la sovrastruttura di tipo cavalletto ha due gambe e viene spesso chiamata ponte. Questo si muove liberamente lungo il tavolo del granito con una gamba (spesso indicata come la gamba interna) seguendo una guida guida attaccata a un lato del tavolo di granito. La gamba opposta (spesso esterna) poggia semplicemente sul tavolo del granito seguendo il contorno della superficie verticale. I cuscinetti dell'aria sono il metodo scelto per garantire un viaggio gratuito. In questi, l'aria compressa viene forzata attraverso una serie di fori molto piccoli in una superficie del cuscinetto piatto per fornire un cuscino di aria liscio ma controllato su cui il CMM può muoversi in modo quasi senza attrito che può essere compensato attraverso il software. Il movimento del ponte o del cavalletto lungo il tavolo del granito forma un asse del piano XY. Il ponte del cavalletto contiene una carrozza che attraversa 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 una penna verticale o un mandrino che si sposta su e giù attraverso il centro del carrello. La sonda touch forma il dispositivo di rilevamento all'estremità della penna. Il movimento degli assi X, Y e Z descrive completamente l'involucro di misurazione. Le tabelle rotanti opzionali possono essere utilizzate per migliorare l'accessibilità della sonda di misurazione a pezzi complicati. La tabella rotante come asse di quarta unità non migliora le dimensioni di misurazione, che rimangono 3D, ma fornisce un grado di flessibilità. Alcune sonde touch sono essi stessi dispositivi rotanti alimentati con la punta della sonda in grado di girare verticalmente attraverso più di 180 gradi e attraverso una rotazione a 360 gradi.

I CMM sono ora disponibili anche in una varietà di altre forme. Questi includono i bracci CMM che utilizzano misurazioni angolari prese sui giunti del braccio per calcolare la posizione della punta dello stilo e possono essere dotati di sonde per la scansione laser e l'imaging ottico. Tali CMM del braccio sono spesso utilizzati in cui la loro portabilità è un vantaggio rispetto ai tradizionali CMM a letto fisso, memorizzando posizioni misurate, il software di programmazione consente anche di spostare il braccio di misurazione stesso e il suo volume di misurazione, attorno alla parte da misurare durante una routine di misurazione. Poiché i bracci CMM imitano la flessibilità di un braccio umano, sono spesso in grado di raggiungere gli interni di parti complesse che non possono essere sondate usando una macchina a tre assi standard.

Sonda meccanica

All'inizio della misurazione delle coordinate (CMM), le sonde meccaniche sono state inserite in un supporto speciale all'estremità della penna. Una sonda molto comune è stata fatta saldando una palla dura fino alla fine di un albero. Questo era l'ideale per misurare un'intera gamma di superfici a faccia piatta, cilindriche o sferiche. Altre sonde sono state macinate su forme specifiche, ad esempio un quadrante, per consentire la misurazione di caratteristiche speciali. Queste sonde sono state fisicamente detenute contro il pezzo con la posizione nello spazio letta da una lettura digitale a 3 assi (DRO) o, in sistemi più avanzati, che sono state accettate in un computer mediante un interruttore a pedale o un dispositivo simile. Le misurazioni prese con questo metodo di contatto erano spesso inaffidabili poiché le macchine venivano spostate a mano e ciascun operatore della macchina ha applicato diverse quantità di pressione sulla sonda o adottate tecniche diverse per la misurazione.

Un ulteriore sviluppo è stato l'aggiunta di motori per guidare ogni asse. Gli operatori non dovevano più toccare fisicamente la macchina ma potevano guidare ogni asse usando una boxbola con joystick più o meno allo stesso modo delle moderne auto controllate. L'accuratezza della misurazione e la precisione sono migliorate drasticamente con l'invenzione della sonda del trigger del tocco elettronico. Il pioniere di questo nuovo dispositivo di sonda era David McMurtry che successivamente ha formato quello che oggi è Renishaw Plc. Sebbene sia ancora un dispositivo di contatto, la sonda aveva uno stilo in acciaio caricato a molla (sfera di rubino). Mentre la sonda toccava la superficie del componente, lo stilo deviava e simultaneamente inviava le informazioni di coordinate X, Y, Z al computer. Gli errori di misurazione causati dai singoli operatori sono diventati meno e il palcoscenico è stato fissato per l'introduzione delle operazioni CNC e la maturità dell'età del CMMS.

Le sonde ottiche sono sistemi di lenti-CCD, che vengono spostati come quelli meccanici e mirano nel punto di interesse, invece di toccare il materiale. L'immagine catturata della superficie sarà racchiusa nei bordi di una finestra di misurazione, fino a quando il residuo è adeguato al contrasto tra le zone in bianco e nero. La curva di divisione può essere calcolata in un punto, che è il punto di misurazione ricercato nello spazio. Le informazioni orizzontali sul CCD sono 2D (XY) e la posizione verticale è la posizione del sistema di sondaggio completo sul tiro Z-Drive (o altri componenti del dispositivo).

Sistemi di scansione della sonda

Esistono modelli più recenti che hanno sonde che si trascinano lungo la superficie della parte che prendono punti a intervalli specificati, noti come sonde di scansione. Questo metodo di ispezione CMM è spesso più accurato rispetto al metodo convenzionale e più volte più velocemente.

La prossima generazione di scansione, nota come scansione non contatto, che include triangolazione a punto singolo laser ad alta velocità, scansione della linea laser e scansione della luce bianca, sta avanzando molto rapidamente. Questo metodo utilizza travi laser o luce bianca proiettate contro la superficie della parte. Molte migliaia di punti possono quindi essere prelevati e utilizzati non solo per verificare la dimensione e la posizione, ma anche per creare un'immagine 3D della parte. Questo "Dati Point-Cloud" può quindi essere trasferito al software CAD per creare un modello 3D funzionante della parte. Questi scanner ottici sono spesso utilizzati su parti morbide o delicate o per facilitare il reverse ingegneria.

Sonde di micrometrologia

I sistemi di sondaggio per applicazioni di metrologia della microscala sono un'altra area emergente. Esistono diverse macchine di misurazione delle coordinate disponibili in commercio (CMM) che hanno una microprobe integrata nel sistema, diversi sistemi speciali presso i laboratori governativi e qualsiasi numero di piattaforme di metrologia costruita dall'università per la metrologia della microscala. Sebbene queste macchine siano buone e in molti casi eccellenti piattaforme metrologiche con scale nanometriche, la loro limitazione primaria è una sonda micro/nano affidabile, robusta e capace.^{[Citazione necessaria]}Le sfide per le tecnologie di sondaggio microscale includono la necessità di una sonda elevata di proporzioni che danno la possibilità di accedere a caratteristiche profonde e strette con forze di contatto basse in modo da non danneggiare la superficie e l'alta precisione (livello di nanometro).^{[Citazione necessaria]}Inoltre, le sonde microscale sono suscettibili a condizioni ambientali come l'umidità e le interazioni superficiali come la stazione (causate da adesione, menisco e/o forze di van der Waals tra gli altri).^{[Citazione necessaria]}

Le tecnologie per ottenere sondaggi in microscala includono la versione ridimensionata di sonde CMM classiche, sonde ottiche e una sonda d'onda permanente tra gli altri. Tuttavia, le attuali tecnologie ottiche non possono essere ridimensionate abbastanza piccole da misurare una caratteristica profonda e stretta e la risoluzione ottica è limitata dalla lunghezza d'onda della luce. L'imaging a raggi X fornisce un'immagine della funzione ma nessuna informazione metrologica rintracciabile.

Principi fisici

Le sonde ottiche e/o le sonde laser possono essere utilizzate (se possibile in combinazione), che cambiano CMMS in misurazione di microscopi o macchine di misurazione multi-sensore. I sistemi di proiezione marginale, i sistemi di triangolazione di teodolite o i sistemi distanti e di triangolazione laser non sono chiamati macchine di misurazione, ma il risultato di misurazione è lo stesso: un punto spaziale. Le sonde laser sono usate per rilevare la distanza tra la superficie e il punto di riferimento all'estremità della catena cinematica (cioè: fine del componente Z-Drive). Questo può utilizzare una funzione interferometrica, una variazione di messa a fuoco, una deflessione della luce o un principio di ombreggiatura del raggio.

Macchine a misurazione delle coordinate portatili

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

I CMM portatili con bracci articolati hanno sei o sette assi equipaggiati con encoder rotanti, anziché assi lineari. I bracci portatili sono leggeri (in genere meno di 20 libbre) e possono essere trasportati e utilizzati quasi ovunque. Tuttavia, i CMM ottici vengono sempre più utilizzati nel settore. Progettati con telecamere di array lineari o matrice compatta (come Microsoft Kinect), i CMM ottici sono più piccoli dei CMM portatili con braccia, non dispongono di fili e consentono agli utenti di prendere facilmente misurazioni 3D di tutti i tipi di oggetti situati quasi ovunque.

Alcune applicazioni non ripetitive come reverse ingegneria, prototipazione rapida e ispezione su larga scala di parti di tutte le dimensioni sono ideali per CMM portatili. I vantaggi dei CMM portatili sono multifland. Gli utenti hanno la flessibilità nell'assunzione di misurazioni 3D di tutti i tipi di parti e nelle posizioni più remote/difficili. Sono facili da usare e non richiedono un ambiente controllato per adottare misurazioni accurate. Inoltre, i CMM portatili tendono a costare meno dei CMM tradizionali.

I compromessi intrinseci dei CMM portatili sono un funzionamento manuale (richiedono sempre un essere umano per usarli). Inoltre, la loro precisione complessiva può essere in qualche modo meno accurata di quella di un bridge di tipo CMM ed è meno adatta per alcune applicazioni.

Macchine a misurazione multisensor

La tecnologia CMM tradizionale che utilizzano sonde touch è oggi spesso combinata con altre tecnologie di misurazione. Ciò include sensori laser, video o di luce bianca per fornire ciò che è noto come misurazione multisensore.