Cos'è la 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 meccaniche, ottiche, laser e a luce bianca.A seconda della macchina, la posizione della sonda può essere controllata manualmente da un operatore o controllata da un computer.Le CMM tipicamente specificano la posizione di una sonda in termini di spostamento da una posizione di riferimento in un sistema di coordinate cartesiane tridimensionale (cioè 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 “a ponte” 3D consente il movimento della sonda lungo tre assi, X, Y e Z, che sono ortogonali tra loro in un sistema di coordinate cartesiane tridimensionale.Ciascun asse ha un sensore che monitora la posizione della sonda su quell'asse, tipicamente con precisione micrometrica.Quando la sonda contatta (o rileva in altro modo) 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 effettuata.Questo processo viene ripetuto secondo necessità, spostando ogni volta la sonda, per produrre una “nuvola di punti” che descrive le aree superficiali di interesse.

Un uso comune delle CMM è nei processi di produzione e assemblaggio per testare una parte o un assieme rispetto all'intento progettuale.In tali applicazioni vengono generate nuvole di punti che vengono analizzate tramite algoritmi di regressione per la costruzione di feature.Questi punti vengono raccolti utilizzando una sonda posizionata manualmente da un operatore o automaticamente tramite Direct Computer Control (DCC).Le CMM DCC possono essere programmate per misurare ripetutamente parti identiche;quindi 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.Il materiale utilizzato per costruire il telaio mobile è variato nel corso degli anni.Nelle prime CMM venivano utilizzati granito e acciaio.Oggi tutti i principali produttori di CMM costruiscono telai in lega di alluminio o derivati ​​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 del mercato di una migliore dinamica metrologica e della crescente tendenza a installare 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 del facile accesso per diventare un costruttore di telai CMM.La crescente tendenza alla scansione richiede inoltre che l'asse Z della CMM sia più rigido e siano stati introdotti nuovi materiali come la ceramica e il carburo di silicio.
• Sistema di sondaggio
• Sistema di raccolta e riduzione dei dati: in genere include 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 viene generalmente fornita come fattore di incertezza in funzione della distanza.Per una CMM che utilizza un tastatore, ciò si riferisce alla ripetibilità della sonda e alla precisione delle scale lineari.La ripetibilità tipica della sonda può comportare misurazioni entro 0,001 mm o 0,00005 pollici (mezzo decimo) sull'intero volume di misurazione.Per le macchine a 3, 3+2 e 5 assi, le sonde vengono regolarmente calibrate utilizzando standard tracciabili e il movimento della macchina viene verificato utilizzando calibri per garantire la precisione.

Parti specifiche

Corpo macchina

La prima CMM fu sviluppata dalla Ferranti Company of Scotland negli anni '50 come risultato della necessità 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 d'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 ha successivamente prodotto una macchina a struttura fissa con tavola mobile.

Nelle macchine moderne, la sovrastruttura a portale ha due gambe ed è spesso chiamata ponte.Questo si muove liberamente lungo il tavolo in granito con una gamba (spesso chiamata gamba interna) seguendo un binario di guida fissato su un lato del tavolo in granito.La gamba opposta (spesso la gamba esterna) poggia semplicemente sul tavolo in granito seguendo il contorno della superficie verticale.I cuscinetti ad aria sono il metodo scelto per garantire una corsa senza attrito.In questi, l'aria compressa viene forzata attraverso una serie di fori molto piccoli su una superficie piana di appoggio per fornire un cuscino d'aria liscio ma controllato su cui la CMM può muoversi quasi senza attrito, compensabile tramite software.Il movimento del ponte o del portale lungo la tavola di 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 supporto o mandrino verticale che si muove su e giù attraverso il centro del carrello.Il tastatore costituisce il dispositivo di rilevamento all'estremità della colonna.Il movimento degli assi X, Y e Z descrive completamente l'area di misura.È possibile utilizzare tavole rotanti opzionali per migliorare l'avvicinamento della sonda di misura a pezzi complicati.La tavola rotante come quarto asse di azionamento non migliora le dimensioni di misura, che rimangono 3D, ma offre una certa flessibilità.Alcuni tastatori a contatto sono essi stessi dispositivi rotanti motorizzati con la punta della sonda 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.Questi includono bracci CMM che utilizzano misurazioni angolari effettuate sulle 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.Tali CMM a braccio vengono spesso utilizzate laddove la loro portabilità rappresenta un vantaggio rispetto alle tradizionali CMM a letto fisso: memorizzando le posizioni misurate, il software di programmazione consente inoltre di spostare il braccio di misura 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, spesso sono anche in grado di raggiungere l'interno di parti complesse che non potrebbero essere sondate utilizzando una macchina standard a tre assi.

Sonda meccanica

Agli albori della misurazione a coordinate (CMM), le sonde meccaniche venivano inserite in un supporto speciale all'estremità della colonna.Una sonda molto comune veniva realizzata saldando una sfera dura all'estremità di un albero.Questo era ideale per misurare un'intera gamma di superfici piane, cilindriche o sferiche.Altre sonde sono state rettificate secondo forme specifiche, ad esempio un quadrante, per consentire la misurazione di caratteristiche speciali.Queste sonde venivano tenute fisicamente contro il pezzo in lavorazione con la posizione nello spazio letta da un lettore digitale a 3 assi (DRO) o, nei sistemi più avanzati, veniva registrata in un computer tramite un interruttore a pedale o dispositivo simile.Le misurazioni effettuate con questo metodo di contatto erano spesso inaffidabili poiché le macchine venivano spostate manualmente e ciascun operatore della macchina applicava quantità diverse di pressione sulla sonda o adottava tecniche diverse per la misurazione.

Un ulteriore sviluppo è stata l'aggiunta di motori per l'azionamento di ciascun asse.Gli operatori non dovevano più toccare fisicamente la macchina ma potevano guidare ciascun asse utilizzando una pulsantiera dotata di joystick, più o meno allo stesso modo delle moderne auto telecomandate.L'accuratezza e la precisione della misurazione sono migliorate notevolmente con l'invenzione della sonda elettronica a contatto.Il pioniere di questo nuovo dispositivo sonda è stato David McMurtry che successivamente ha formato quella che oggi è Renishaw plc.Sebbene fosse ancora un dispositivo di contatto, la sonda aveva uno stilo con sfera d'acciaio caricata a molla (in seguito sfera di rubino).Quando la sonda toccava la superficie del componente, lo stilo si defletteva e contemporaneamente inviava le informazioni sulle coordinate X, Y, Z al computer.Gli errori di misurazione causati dai singoli operatori diminuirono e furono gettate le basi per l'introduzione delle operazioni CNC e per il raggiungimento della maggiore età delle CMM.

Le sonde ottiche sono sistemi a lenti-CCD, che si muovono come quelle meccaniche e sono puntate sul punto di interesse, invece di toccare il materiale.L'immagine catturata della superficie verrà racchiusa entro i bordi di una finestra di misurazione, finché il residuo non sarà adeguato al contrasto tra le zone bianche e nere.La curva divisoria può essere calcolata fino a un punto, che è il punto di misurazione desiderato nello spazio.Le informazioni orizzontali sul CCD sono 2D (XY) e la posizione verticale è la posizione dell'intero sistema di tastatura sul supporto Z-drive (o altro componente del dispositivo).

Sistemi di sonde di scansione

Esistono modelli più recenti dotati di sonde che si trascinano lungo la superficie della parte prendendo punti a intervalli specifici, noti come sonde di scansione.Questo metodo di ispezione CMM è spesso più accurato del metodo convenzionale con tastatore e nella maggior parte dei casi anche più veloce.

La prossima generazione di scansione, nota come scansione senza contatto, che comprende la triangolazione laser a punto singolo ad alta velocità, la scansione laser a linea e la scansione a luce bianca, sta avanzando molto rapidamente.Questo metodo utilizza raggi laser o luce bianca proiettati contro la superficie della parte.È possibile quindi acquisire molte migliaia di punti e utilizzarli non solo per verificare dimensioni e posizione, ma anche per creare un'immagine 3D della parte.Questi “dati della nuvola di punti” possono quindi essere trasferiti al software CAD per creare un modello 3D funzionante della parte.Questi scanner ottici vengono spesso utilizzati su parti morbide o delicate o per facilitare il reverse engineering.

Sonde per micrometrologia

I sistemi di tastatura per applicazioni metrologiche su microscala sono un’altra area emergente.Esistono diverse macchine di misura a coordinate (CMM) disponibili in commercio che hanno una microsonda integrata nel sistema, diversi sistemi speciali presso laboratori governativi e un numero qualsiasi di piattaforme metrologiche costruite dalle università per la metrologia su microscala.Sebbene queste macchine siano buone e in molti casi eccellenti piattaforme metrologiche con scale nanometriche, il loro limite principale è una micro/nano sonda affidabile, robusta e capace.^{[citazione necessaria]}Le sfide per le tecnologie di sondaggio su microscala includono la necessità di una sonda ad alto rapporto d'aspetto che dia la possibilità di accedere a elementi profondi e stretti con basse forze di contatto in modo da non danneggiare la superficie e un'elevata precisione (a livello nanometrico).^{[citazione necessaria]}Inoltre, le sonde su microscala sono sensibili alle condizioni ambientali come l'umidità e alle interazioni superficiali come l'attrito (causato, tra gli altri, da forze di adesione, menisco e/o Van der Waals).^{[citazione necessaria]}

Le tecnologie per ottenere il sondaggio su microscala includono, tra le altre, versioni ridotte delle classiche sonde CMM, sonde ottiche e una sonda a onde stazionarie.Tuttavia, le attuali tecnologie ottiche non possono essere sufficientemente ridotte da 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 nessuna informazione metrologica tracciabile.

Principi fisici

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

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 braccio che utilizzano metodi di triangolazione ottica e consentono 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.Le armi portatili sono leggere (in genere meno di 20 libbre) e possono essere trasportate e utilizzate quasi ovunque.Tuttavia, le CMM ottiche vengono sempre più utilizzate nel settore.Progettate con fotocamere lineari o a matrice compatte (come Microsoft Kinect), le CMM ottiche sono più piccole delle CMM portatili con bracci, non presentano cavi e consentono agli utenti di effettuare facilmente misurazioni 3D di tutti i tipi di oggetti situati quasi ovunque.

Alcune applicazioni non ripetitive come il reverse engineering, la prototipazione rapida e l'ispezione su larga scala di parti 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 parti e nelle località più remote/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 un essere umano per utilizzarle).Inoltre, la loro precisione complessiva può essere leggermente inferiore a quella di una CMM di tipo a ponte ed è meno adatta per alcune applicazioni.

Macchine di misura multisensore

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