Che cos'è una macchina di misura a coordinate?

UNMacchina di misura a coordinateLa macchina di misura a coordinate (CMM) è un dispositivo che misura la geometria di oggetti fisici rilevando punti discreti sulla superficie dell'oggetto tramite una sonda. Nelle CMM vengono utilizzati diversi 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 tramite un sistema di controllo computerizzato. Le CMM specificano in genere la posizione della sonda in termini di spostamento rispetto a una posizione di riferimento in un sistema di coordinate cartesiane tridimensionali (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 permettere la misurazione di superfici altrimenti irraggiungibili.

La tipica macchina di misura a coordinate (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. Ciascun asse è dotato di un sensore che monitora la posizione della sonda su quell'asse, in genere 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, nonché 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 (macchine di misura a coordinate) si riscontra nei processi di produzione e assemblaggio, dove vengono testate per verificare la conformità di un componente o di un assieme alle specifiche di progetto. In tali applicazioni, vengono generate nuvole di punti che vengono analizzate tramite algoritmi di regressione per la ricostruzione di caratteristiche. Questi punti vengono raccolti 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 rappresenta una forma specializzata di robot industriale.

Parti

Le macchine di misura a coordinate comprendono tre componenti principali:

• La struttura principale comprende tre assi di movimento. 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 realizzano telai in lega di alluminio o derivati, utilizzando anche la ceramica per aumentare la rigidità dell'asse Z nelle applicazioni di scansione. Oggi, pochi produttori di CMM realizzano ancora CMM con telaio in granito, a causa delle esigenze del mercato per una migliore dinamica metrologica e della crescente tendenza a installare le CMM al di fuori del laboratorio di controllo qualità. In genere, solo i produttori di CMM a basso volume e i produttori nazionali in Cina e India continuano a realizzare CMM con telaio in granito, a causa della tecnologia relativamente semplice e della facilità di accesso al settore. La crescente tendenza verso la scansione richiede inoltre una maggiore rigidità dell'asse Z delle CMM, e per questo sono stati introdotti nuovi materiali come la ceramica e il carburo di silicio.
• Sistema di sonda
• Sistema di raccolta ed elaborazione dati: in genere comprende un controllore di macchina, un computer desktop e un software applicativo.

Disponibilità

Queste macchine possono essere autonome, portatili e a mano.

Precisione

L'accuratezza delle macchine di misura a coordinate viene in genere espressa come fattore di incertezza in funzione della distanza. Per una CMM che utilizza una sonda di contatto, questo fattore è correlato alla ripetibilità della sonda e all'accuratezza delle scale lineari. La ripetibilità tipica della sonda può garantire misurazioni entro 0,001 mm o 0,00005 pollici (mezzo decimo di pollice) sull'intero volume di misura. 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 mediante calibri per garantirne la precisione.

Parti specifiche

Corpo macchina

La prima CMM (macchina di misura a coordinate) fu sviluppata dalla Ferranti Company scozzese 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, 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, Inghilterra. (Successivamente Leitz Germania produsse una struttura fissa con tavola mobile).

Nelle macchine moderne, la sovrastruttura a portale ha due gambe ed è spesso chiamata ponte. Questa si muove liberamente lungo il piano in granito, con una gamba (spesso detta gamba interna) che segue una guida fissata a un lato del piano. La gamba opposta (spesso detta gamba esterna) poggia semplicemente sul piano in granito seguendone il profilo verticale. I cuscinetti ad aria sono il metodo scelto per garantire un movimento senza attrito. In questi cuscinetti, l'aria compressa viene forzata attraverso una serie di fori molto piccoli in una superficie di appoggio piana per fornire un cuscinetto d'aria fluido ma controllato su cui la CMM può muoversi in modo quasi privo di attrito, che può essere compensato tramite software. Il movimento del ponte o portale lungo il piano in granito costituisce un asse del piano XY. Il ponte del portale contiene un carrello che si sposta tra le gambe interna ed esterna e costituisce l'altro asse orizzontale X o Y. Il terzo asse di movimento (asse Z) è fornito dall'aggiunta di un mandrino verticale che si muove verticalmente attraverso il centro del carrello. La sonda di contatto costituisce il dispositivo di rilevamento all'estremità del mandrino. Il movimento degli assi X, Y e Z descrive completamente l'area di misura. È possibile utilizzare tavole rotanti opzionali per migliorare l'accessibilità della sonda di misura a pezzi complessi. La tavola rotante, come quarto asse di azionamento, non aumenta le dimensioni di misura, che rimangono tridimensionali, ma offre un certo grado di flessibilità. Alcune sonde di contatto sono esse stesse dispositivi rotanti motorizzati, con la punta della sonda in grado di ruotare verticalmente di oltre 180 gradi e di compiere una rotazione completa di 360 gradi.

Le macchine di misura a coordinate (CMM) sono ora disponibili anche in diverse altre configurazioni. Tra queste, i bracci CMM che utilizzano misurazioni angolari effettuate in corrispondenza delle giunture del braccio per calcolare la posizione della punta dello stilo e che possono essere equipaggiati con sonde per la scansione laser e l'imaging ottico. Tali bracci CMM sono spesso utilizzati laddove la loro portabilità rappresenta un vantaggio rispetto alle tradizionali CMM a letto 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 procedura di misurazione. Poiché i bracci CMM imitano la flessibilità di un braccio umano, sono spesso in grado di raggiungere anche le parti interne di componenti complessi che non potrebbero essere ispezionate con una macchina a tre assi standard.

Sonda meccanica

Agli albori della misurazione a coordinate (CMM), le sonde meccaniche venivano montate in un apposito supporto all'estremità del mandrino. Una sonda molto comune era costituita dalla saldatura di 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 fisicamente appoggiate al pezzo in lavorazione e la loro posizione nello spazio veniva letta da un visualizzatore digitale a 3 assi (DRO) o, nei sistemi più avanzati, 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 movimentate manualmente e ogni operatore applicava una pressione diversa sulla sonda o adottava tecniche di misurazione differenti.

Un ulteriore sviluppo fu l'aggiunta di motori per azionare ciascun asse. Gli operatori non dovevano più toccare fisicamente la macchina, ma potevano azionare ciascun asse utilizzando un pannello di controllo con joystick, in modo molto simile alle moderne auto telecomandate. L'accuratezza e la precisione delle misurazioni migliorarono drasticamente con l'invenzione della sonda elettronica a contatto. Il pioniere di questo nuovo dispositivo di misurazione fu David McMurtry, che in seguito fondò quella che oggi è Renishaw plc. Sebbene fosse ancora un dispositivo a contatto, la sonda era dotata di 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 fletteva e inviava simultaneamente le informazioni sulle coordinate X, Y, Z al computer. Gli errori di misurazione causati dai singoli operatori si ridussero e si crearono le premesse per l'introduzione delle operazioni CNC e l'avvento delle macchine di misura a coordinate (CMM).

Le sonde ottiche sono sistemi lente-CCD che si muovono come quelle meccaniche e sono puntate sul punto di interesse, anziché toccare il materiale. L'immagine della superficie catturata viene racchiusa nei bordi di una finestra di misurazione, fino a quando il residuo non è sufficiente a creare un contrasto tra zone bianche e nere. La curva di divisione può essere calcolata fino a un punto, che rappresenta il punto di misurazione desiderato nello spazio. Le informazioni orizzontali sul CCD sono bidimensionali (XY) e la posizione verticale corrisponde alla posizione dell'intero sistema di sonda sul supporto con azionamento Z (o altro componente del dispositivo).

sistemi di sonda a scansione

Esistono modelli più recenti dotati di sonde che scorrono lungo la superficie del pezzo, rilevando punti a intervalli specifici; queste sonde sono note come sonde di scansione. Questo metodo di ispezione CMM è spesso più preciso del metodo convenzionale con sonda a contatto e, nella maggior parte dei casi, anche più veloce.

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

Sonde di micrometrologia

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

Le tecnologie per la misurazione su scala micrometrica includono versioni in scala ridotta delle classiche sonde CMM, sonde ottiche e sonde a onde stazionarie, tra le altre. Tuttavia, le attuali tecnologie ottiche non possono essere ridotte a dimensioni sufficientemente piccole 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 nessuna informazione metrologica tracciabile.

Principi fisici

È possibile utilizzare sonde ottiche e/o laser (possibilmente in combinazione), trasformando così le macchine di misura a coordinate (CMM) in microscopi di misura o macchine di misura multisensore. I sistemi di proiezione di frange, i sistemi di triangolazione con teodolite o i sistemi di triangolazione e misurazione laser non sono definiti macchine di misura, ma il risultato della misurazione 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 (ad esempio, l'estremità del componente dell'asse Z). A tale scopo si può ricorrere a una funzione interferometrica, alla variazione di messa a fuoco, alla deflessione della luce o al principio di ombreggiatura del fascio.

Macchine portatili di misura a coordinate

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 oppure, nel caso delle CMM ottiche, sistemi di scansione senza bracci che impiegano metodi di triangolazione ottica e consentono la totale libertà di movimento attorno all'oggetto.

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

Alcune applicazioni non ripetitive, come l'ingegneria inversa, la prototipazione rapida e l'ispezione su larga scala di componenti di tutte le dimensioni, sono ideali per le macchine di misura a coordinate (CMM) portatili. I vantaggi delle CMM portatili sono molteplici. Gli utenti hanno la flessibilità di effettuare misurazioni 3D di tutti i tipi di componenti, anche nei luoghi più remoti o difficili da raggiungere. Sono facili da usare e non richiedono un ambiente controllato per ottenere misurazioni accurate. Inoltre, le CMM portatili tendono ad avere un costo inferiore rispetto alle CMM tradizionali.

I compromessi intrinseci delle CMM portatili sono il funzionamento manuale (richiedono sempre la presenza di un operatore umano per essere utilizzate). Inoltre, la loro precisione complessiva può essere leggermente inferiore a quella di una CMM a ponte e risultano meno adatte ad alcune applicazioni.

Macchine di misura multisensore

Oggi la tecnologia CMM tradizionale, che utilizza sonde di contatto, viene spesso combinata con altre tecnologie di misurazione. Queste includono sensori laser, video o a luce bianca, per fornire quella che viene definita misurazione multisensore.