Ce este o mașină de măsurat în coordonate?

Omașină de măsurat în coordonate(CMM) este un dispozitiv care măsoară geometria obiectelor fizice prin detectarea unor puncte discrete de pe suprafața obiectului cu o sondă. În CMM-uri se utilizează diverse tipuri de sonde, inclusiv mecanice, optice, laser și cu lumină albă. În funcție de mașină, poziția sondei poate fi controlată manual de un operator sau poate fi controlată de computer. CMM-urile specifică de obicei poziția unei sonde în funcție de deplasarea sa față de o poziție de referință într-un sistem de coordonate carteziene tridimensional (adică, cu axe XYZ). Pe lângă mișcarea sondei de-a lungul axelor X, Y și Z, multe mașini permit, de asemenea, controlul unghiului sondei pentru a permite măsurarea suprafețelor care altfel ar fi inaccesibile.

Mașina CMM 3D „punte” tipică permite mișcarea palpatorului de-a lungul a trei axe, X, Y și Z, care sunt ortogonale una față de cealaltă într-un sistem de coordonate carteziene tridimensional. Fiecare axă are un senzor care monitorizează poziția palpatorului pe acea axă, de obicei cu precizie micrometrică. Când palpatorul contactează (sau detectează în alt mod) o anumită locație pe obiect, mașina eșantionează cei trei senzori de poziție, măsurând astfel locația unui punct de pe suprafața obiectului, precum și vectorul tridimensional al măsurătorii efectuate. Acest proces se repetă după cum este necesar, mișcând palpatorul de fiecare dată, pentru a produce un „nor de puncte” care descrie suprafețele de interes.

O utilizare obișnuită a CMM-urilor este în procesele de fabricație și asamblare pentru a testa o piesă sau un ansamblu în funcție de intenția de proiectare. În astfel de aplicații, se generează nori de puncte care sunt analizați prin algoritmi de regresie pentru construirea caracteristicilor. Aceste puncte sunt colectate utilizând o sondă poziționată manual de către un operator sau automat prin intermediul controlului direct al computerului (DCC). CMM-urile DCC pot fi programate să măsoare în mod repetat piese identice; astfel, un CMM automat este o formă specializată de robot industrial.

Piese

Mașinile de măsurat în coordonate includ trei componente principale:

• Structura principală, care include trei axe de mișcare. Materialul utilizat pentru construirea cadrului mobil a variat de-a lungul anilor. Granitul și oțelul au fost folosite în primele CMM-uri. Astăzi, toți producătorii majori de CMM construiesc cadre din aliaj de aluminiu sau alte derivate și folosesc, de asemenea, ceramică pentru a crește rigiditatea axei Z pentru aplicațiile de scanare. Puțini constructori de CMM-uri încă mai produc CMM-uri cu ramă din granit, datorită cerințelor pieței pentru o dinamică metrologică îmbunătățită și tendinței crescânde de a instala CMM-uri în afara laboratorului de calitate. De obicei, doar constructorii de CMM-uri cu volum mic și producătorii autohtoni din China și India încă mai produc CMM-uri din granit, datorită abordării tehnologice reduse și a accesului facil pentru a deveni constructor de cadre CMM. Tendința crescândă către scanare necesită, de asemenea, ca axa Z a CMM-ului să fie mai rigidă, iar noi materiale au fost introduse, cum ar fi ceramica și carbura de siliciu.
• Sistem de sondare
• Sistem de colectare și reducere a datelor — include de obicei un controler al mașinii, un computer desktop și un software de aplicație.

Disponibilitate

Aceste mașini pot fi independente, manuale și portabile.

Precizie

Precizia mașinilor de măsurat în coordonate este de obicei dată ca factor de incertitudine, în funcție de distanță. Pentru o mașină de măsurat în coordonate (CMM) care utilizează o sondă tactilă, aceasta se referă la repetabilitatea sondei și la precizia scalelor liniare. Repetabilitatea tipică a sondei poate duce la măsurători cu o marjă de eroare de 0,001 mm sau 0,00005 inch (o jumătate de zecime) pe întregul volum de măsurare. Pentru mașinile cu 3, 3+2 și 5 axe, sondele sunt calibrate în mod curent folosind standarde trasabile, iar mișcarea mașinii este verificată folosind calibre pentru a asigura precizia.

Părți specifice

Corpul mașinii

Prima CMM a fost dezvoltată de compania Ferranti din Scoția în anii 1950, ca urmare a nevoii directe de a măsura componente de precizie în produsele lor militare, deși această mașină avea doar 2 axe. Primele modele cu 3 axe au început să apară în anii 1960 (DEA din Italia), iar controlul computerizat a debutat la începutul anilor 1970, dar prima CMM funcțională a fost dezvoltată și pusă în vânzare de Browne & Sharpe în Melbourne, Anglia. (Leitz Germania a produs ulterior o structură fixă ​​a mașinii cu masă mobilă.)

În mașinile moderne, suprastructura de tip portal are două picioare și este adesea numită punte. Aceasta se mișcă liber de-a lungul mesei de granit, cu un picior (adesea denumit picior interior) urmând o șină de ghidare atașată la o parte a mesei de granit. Piciorul opus (adesea piciorul exterior) se sprijină pur și simplu pe masa de granit, urmând conturul suprafeței verticale. Rulmenții de aer sunt metoda aleasă pentru a asigura o deplasare fără frecare. În acestea, aerul comprimat este forțat printr-o serie de găuri foarte mici într-o suprafață plană de rulment pentru a oferi o pernă de aer netedă, dar controlată, pe care CMM-ul se poate mișca aproape fără frecare, ceea ce poate fi compensat prin software. Mișcarea punții sau a portalului de-a lungul mesei de granit formează o axă a planului XY. Puntea portalului conține un cărucior care se deplasează între picioarele interioare și exterioare și formează cealaltă axă orizontală X sau Y. A treia axă de mișcare (axa Z) este asigurată prin adăugarea unei pene verticale sau a unui ax care se mișcă în sus și în jos prin centrul căruciorului. Palpatorul tactil formează dispozitivul de detectare de la capătul penei. Mișcarea axelor X, Y și Z descrie complet domeniul de măsurare. Mesele rotative opționale pot fi utilizate pentru a îmbunătăți accesibilitatea palpatorului de măsurare la piesele de prelucrat complicate. Masa rotativă, ca a patra axă de acționare, nu îmbunătățește dimensiunile de măsurare, care rămân 3D, dar oferă un grad de flexibilitate. Unele palpatoare tactile sunt ele însele dispozitive rotative motorizate, cu vârful palpatorului capabil să se rotească vertical cu mai mult de 180 de grade și printr-o rotație completă de 360 ​​de grade.

Mașinile de măsurat în masă (CMM) sunt disponibile acum și într-o varietate de alte forme. Acestea includ brațe CMM care utilizează măsurători unghiulare efectuate la articulațiile brațului pentru a calcula poziția vârfului stylusului și pot fi echipate cu sonde pentru scanare laser și imagistică optică. Astfel de CMM-uri cu braț sunt adesea utilizate acolo unde portabilitatea lor este un avantaj față de CMM-urile tradiționale cu pat fix - prin stocarea locațiilor măsurate, software-ul de programare permite, de asemenea, mișcarea brațului de măsurare în sine și a volumului său de măsurare în jurul piesei care urmează să fie măsurată în timpul unei rutine de măsurare. Deoarece brațele CMM imită flexibilitatea unui braț uman, acestea sunt adesea capabile să ajungă și în interiorul pieselor complexe care nu ar putea fi palpate folosind o mașină standard cu trei axe.

Sondă mecanică

La începuturile măsurării în coordonate (CMM), palpatoarele mecanice erau montate într-un suport special la capătul penei. O palpatoare foarte comună era realizată prin lipirea unei bile dure la capătul unui ax. Aceasta era ideală pentru măsurarea unei game întregi de suprafețe plane, cilindrice sau sferice. Alte palpatoare erau șlefuite la forme specifice, de exemplu un cadran, pentru a permite măsurarea caracteristicilor speciale. Aceste palpatoare erau ținute fizic pe piesa de prelucrat, poziția în spațiu fiind citită de pe un afișaj digital pe 3 axe (DRO) sau, în sisteme mai avansate, fiind înregistrată într-un computer prin intermediul unui comutator de picior sau a unui dispozitiv similar. Măsurătorile efectuate prin această metodă de contact erau adesea nesigure, deoarece mașinile erau mișcate manual, iar fiecare operator de mașină aplica cantități diferite de presiune asupra palpatoarei sau adopta tehnici diferite pentru măsurare.

O altă dezvoltare a fost adăugarea de motoare pentru acționarea fiecărei axe. Operatorii nu mai trebuiau să atingă fizic mașina, ci puteau acționa fiecare axă folosind o cutie de viteze cu joystick-uri, în același mod ca în cazul mașinilor moderne cu telecomandă. Acuratețea și precizia măsurătorilor s-au îmbunătățit dramatic odată cu invenția palpatorului electronic cu declanșator tactil. Pionierul acestui nou dispozitiv de palpare a fost David McMurtry, care ulterior a format ceea ce este acum Renishaw plc. Deși încă un dispozitiv de contact, palpatorul avea un stylus cu bilă de oțel acționată de un arc (mai târziu bilă de rubin). Pe măsură ce palpatorul atingea suprafața componentei, stylusul se devia și trimitea simultan informațiile despre coordonatele X, Y, Z către computer. Erorile de măsurare cauzate de operatorii individuali au devenit mai puține, iar scena a fost pregătită pentru introducerea operațiunilor CNC și maturizarea mașinilor CMM.

Sondele optice sunt sisteme CCD cu lentilă, care se mișcă la fel ca cele mecanice și sunt îndreptate către punctul de interes, în loc să atingă materialul. Imaginea capturată a suprafeței va fi inclusă în marginile unei ferestre de măsurare, până când reziduul este adecvat pentru a contrasta între zonele alb-negru. Curba de divizare poate fi calculată până la un punct, care este punctul de măsurare dorit în spațiu. Informația orizontală de pe CCD este 2D (XY), iar poziția verticală este poziția întregului sistem de palpare pe stativul Z-drive (sau altă componentă a dispozitivului).

Sisteme de sonde de scanare

Există modele mai noi care au sonde care se deplasează de-a lungul suprafeței piesei, luând puncte la intervale specificate, cunoscute sub numele de sonde de scanare. Această metodă de inspecție CMM este adesea mai precisă decât metoda convențională cu palpare tactilă și, de cele mai multe ori, mai rapidă.

Următoarea generație de scanare, cunoscută sub numele de scanare fără contact, care include triangulație laser de mare viteză cu un singur punct, scanare laser liniară și scanare cu lumină albă, avansează foarte rapid. Această metodă utilizează fie fascicule laser, fie lumină albă, care sunt proiectate pe suprafața piesei. Mii de puncte pot fi apoi luate și utilizate nu numai pentru a verifica dimensiunea și poziția, ci și pentru a crea o imagine 3D a piesei. Aceste „date de tip nor de puncte” pot fi apoi transferate către software CAD pentru a crea un model 3D funcțional al piesei. Aceste scanere optice sunt adesea utilizate pe piese moi sau delicate sau pentru a facilita ingineria inversă.

Sonde de micrometrologie

Sistemele de palpare pentru aplicații metrologice la scară micrometrică reprezintă un alt domeniu emergent. Există mai multe mașini de măsurat în coordonate (CMM) disponibile comercial care au o microsondă integrată în sistem, mai multe sisteme specializate în laboratoarele guvernamentale și o serie de platforme metrologice construite de universități pentru metrologia la scară micrometrică. Deși aceste mașini sunt platforme metrologice bune și în multe cazuri excelente cu scale nanometrice, limitarea lor principală este o micro/nanosondă fiabilă, robustă și capabilă.^{[citare necesară]}Provocările tehnologiilor de sondare la microscară includ necesitatea unei sonde cu raport de aspect ridicat, care să ofere posibilitatea de a accesa caracteristici adânci și înguste cu forțe de contact reduse, astfel încât să nu se deterioreze suprafața și să aibă o precizie ridicată (la nivel nanometric).^{[citare necesară]}În plus, sondele la scară microscopică sunt susceptibile la condiții de mediu, cum ar fi umiditatea și interacțiunile de suprafață, cum ar fi frecarea (cauzată de aderență, menisc și/sau forțe Van der Waals, printre altele).^{[citare necesară]}

Tehnologiile pentru realizarea sondelor la scară micrometrică includ versiuni reduse ale sondelor CMM clasice, sonde optice și sonde cu undă staționară, printre altele. Cu toate acestea, tehnologiile optice actuale nu pot fi scalate suficient de mult pentru a măsura caracteristici adânci și înguste, iar rezoluția optică este limitată de lungimea de undă a luminii. Imagistica cu raze X oferă o imagine a caracteristicii, dar nu și informații metrologice trasabile.

Principii fizice

Se pot utiliza sonde optice și/sau sonde laser (dacă este posibil în combinație), care transformă mașinile de măsurat în microscoape de măsurare sau mașini de măsurare multi-senzor. Sistemele de proiecție a franjurilor, sistemele de triangulație cu teodolit sau sistemele de telemetrie laser și triangulație nu se numesc mașini de măsurare, dar rezultatul măsurării este același: un punct spațial. Sondele laser sunt utilizate pentru a detecta distanța dintre suprafață și punctul de referință de la capătul lanțului cinematic (adică: capătul componentei de acționare Z). Aceasta poate utiliza o funcție interferometrică, variația focalizării, devierea luminii sau un principiu de umbrire a fasciculului.

Mașini portabile de măsurare a coordonatelor

În timp ce CMM-urile tradiționale utilizează o sondă care se mișcă pe trei axe carteziene pentru a măsura caracteristicile fizice ale unui obiect, CMM-urile portabile utilizează fie brațe articulate, fie, în cazul CMM-urilor optice, sisteme de scanare fără braț care utilizează metode de triangulație optică și permit libertate totală de mișcare în jurul obiectului.

CMM-urile portabile cu brațe articulate au șase sau șapte axe echipate cu encodere rotative, în loc de axe liniare. Brațele portabile sunt ușoare (de obicei, mai puțin de 20 de kilograme) și pot fi transportate și utilizate aproape oriunde. Cu toate acestea, CMM-urile optice sunt din ce în ce mai utilizate în industrie. Proiectate cu camere compacte liniare sau matriceale (cum ar fi Microsoft Kinect), CMM-urile optice sunt mai mici decât CMM-urile portabile cu brațe, nu au fire și permit utilizatorilor să efectueze cu ușurință măsurători 3D ale tuturor tipurilor de obiecte situate aproape oriunde.

Anumite aplicații nerepetitive, cum ar fi ingineria inversă, prototiparea rapidă și inspecția la scară largă a pieselor de toate dimensiunile, sunt ideale pentru CMM-urile portabile. Avantajele CMM-urilor portabile sunt multiple. Utilizatorii au flexibilitatea de a efectua măsurători 3D ale tuturor tipurilor de piese și în cele mai îndepărtate/dificile locații. Sunt ușor de utilizat și nu necesită un mediu controlat pentru a efectua măsurători precise. Mai mult, CMM-urile portabile tind să coste mai puțin decât CMM-urile tradiționale.

Compromisurile inerente ale CMM-urilor portabile sunt operarea manuală (necesită întotdeauna o persoană pentru a le utiliza). În plus, precizia lor generală poate fi oarecum mai puțin precisă decât cea a unei CMM de tip punte și este mai puțin potrivită pentru anumite aplicații.

Mașini de măsurare multisenzoriale

Tehnologia CMM tradițională, care utilizează palpatoare tactile, este adesea combinată astăzi cu alte tehnologii de măsurare. Acestea includ senzori laser, video sau de lumină albă pentru a oferi ceea ce este cunoscut sub numele de măsurare multisenzor.