¿Qué es una máquina de medición de coordenadas?

Amáquina de medición de coordenadas(CMM) es un dispositivo que mide la geometría de objetos físicos mediante la detección de puntos discretos en su superficie con una sonda. En las CMM se utilizan diversos tipos de sondas, como mecánicas, ópticas, láser y de luz blanca. Dependiendo de la máquina, la posición de la sonda puede ser controlada manualmente por un operador o por computadora. Las CMM suelen especificar la posición de una sonda en función de su desplazamiento desde una posición de referencia en un sistema de coordenadas cartesianas tridimensional (es decir, con ejes XYZ). Además de mover la sonda a lo largo de los ejes X, Y y Z, muchas máquinas también permiten controlar su ángulo para medir superficies que de otro modo serían inaccesibles.

La CMM 3D "puente" típica permite el movimiento de la sonda a lo largo de tres ejes, X, Y y Z, ortogonales entre sí en un sistema de coordenadas cartesianas tridimensional. Cada eje cuenta con un sensor que monitoriza la posición de la sonda en dicho eje, generalmente con precisión micrométrica. Cuando la sonda contacta (o detecta) una ubicación específica en el objeto, la máquina muestrea los tres sensores de posición, midiendo así la ubicación de un punto en la superficie del objeto, así como el vector tridimensional de la medición realizada. Este proceso se repite según sea necesario, moviendo la sonda cada vez, para generar una "nube de puntos" que describe las áreas superficiales de interés.

Un uso común de las CMM es en los procesos de fabricación y ensamblaje para probar una pieza o ensamblaje según el diseño previsto. En estas aplicaciones, se generan nubes de puntos que se analizan mediante algoritmos de regresión para la construcción de características. Estos puntos se recopilan mediante una sonda posicionada manualmente por un operador o automáticamente mediante Control Directo por Computadora (DCC). Las CMM DCC pueden programarse para medir repetidamente piezas idénticas; por lo tanto, una CMM automatizada es un tipo especializado de robot industrial.

Regiones

Las máquinas de medición de coordenadas incluyen tres componentes principales:

• La estructura principal que incluye tres ejes de movimiento. El material utilizado para construir el marco móvil ha variado con los años. El granito y el acero se usaban en las primeras CMM. Hoy en día, todos los principales fabricantes de CMM construyen marcos de aleación de aluminio o algún derivado y también usan cerámica para aumentar la rigidez del eje Z para aplicaciones de escaneo. Pocos fabricantes de CMM hoy en día todavía fabrican CMM con marco de granito debido a la demanda del mercado de una dinámica metrológica mejorada y la creciente tendencia a instalar CMM fuera del laboratorio de calidad. Típicamente, solo los fabricantes de CMM de bajo volumen y los fabricantes nacionales en China e India todavía fabrican CMM de granito debido al enfoque de baja tecnología y la fácil entrada para convertirse en un fabricante de marcos de CMM. La creciente tendencia hacia el escaneo también requiere que el eje Z de la CMM sea más rígido y se han introducido nuevos materiales como la cerámica y el carburo de silicio.
• Sistema de sondeo
• Sistema de recopilación y reducción de datos: normalmente incluye un controlador de máquina, una computadora de escritorio y un software de aplicación.

Disponibilidad

Estas máquinas pueden ser independientes, portátiles y de mano.

Exactitud

La precisión de las máquinas de medición por coordenadas se suele expresar como un factor de incertidumbre en función de la distancia. En una MMC con sonda de contacto, esto se relaciona con la repetibilidad de la sonda y la precisión de las escalas lineales. La repetibilidad típica de la sonda puede resultar en mediciones con una precisión de 0,001 mm o 0,00005 pulgadas (media décima) en todo el volumen de medición. En las máquinas de 3, 3+2 y 5 ejes, las sondas se calibran periódicamente con estándares trazables y el movimiento de la máquina se verifica con galgas para garantizar la precisión.

Piezas específicas

Cuerpo de la máquina

La primera CMM fue desarrollada por la empresa Ferranti de Escocia en la década de 1950 como resultado de la necesidad directa de medir componentes de precisión en sus productos militares, aunque esta máquina solo contaba con dos ejes. Los primeros modelos de tres ejes comenzaron a aparecer en la década de 1960 (DEA de Italia) y el control por computadora debutó a principios de la década de 1970. Sin embargo, la primera CMM funcional fue desarrollada y comercializada por Browne & Sharpe en Melbourne, Inglaterra. (Posteriormente, Leitz Alemania produjo una estructura de máquina fija con mesa móvil).

En las máquinas modernas, la superestructura tipo pórtico tiene dos patas y suele denominarse puente. Esta se mueve libremente a lo largo de la mesa de granito; una de ellas (a menudo denominada pata interior) sigue un riel guía fijado a un lado de la mesa. La pata opuesta (a menudo pata exterior) simplemente se apoya sobre la mesa siguiendo el contorno vertical de la superficie. Los cojinetes de aire son el método preferido para garantizar un desplazamiento sin fricción. En estos, se fuerza aire comprimido a través de una serie de orificios muy pequeños en una superficie de apoyo plana para crear un colchón de aire suave pero controlado sobre el cual la MMC puede moverse prácticamente sin fricción, lo cual puede compensarse mediante software. El movimiento del puente o pórtico a lo largo de la mesa de granito forma un eje del plano XY. El puente del pórtico contiene un carro que se desplaza entre las patas interior y exterior y forma el otro eje horizontal X o Y. El tercer eje de movimiento (eje Z) se proporciona mediante la adición de un husillo vertical que se mueve verticalmente a través del centro del carro. La sonda de contacto constituye el dispositivo de detección en el extremo del eje. El movimiento de los ejes X, Y y Z describe completamente el área de medición. Se pueden utilizar mesas giratorias opcionales para facilitar el acceso de la sonda de medición a piezas complejas. La mesa giratoria, como cuarto eje de accionamiento, no mejora las dimensiones de medición, que se mantienen en 3D, pero sí proporciona cierta flexibilidad. Algunas sondas de contacto son dispositivos rotatorios motorizados cuya punta puede girar verticalmente más de 180 grados y 360 grados.

Las CMM ahora también están disponibles en una variedad de otras formas. Estas incluyen brazos de CMM que utilizan mediciones angulares tomadas en las articulaciones del brazo para calcular la posición de la punta del palpador y pueden equiparse con sondas para escaneo láser e imágenes ópticas. Estas CMM de brazo se utilizan a menudo cuando su portabilidad supone una ventaja sobre las CMM de bancada fija tradicionales: al almacenar las ubicaciones medidas, el software de programación también permite mover el propio brazo de medición, y su volumen de medición, alrededor de la pieza a medir durante una rutina de medición. Dado que los brazos de CMM imitan la flexibilidad de un brazo humano, también suelen ser capaces de acceder al interior de piezas complejas que no podrían palparse con una máquina estándar de tres ejes.

Sonda mecánica

En los inicios de la medición por coordenadas (MMC), las sondas mecánicas se instalaban en un soporte especial en el extremo del eje. Una sonda muy común se fabricaba soldando una esfera rígida al extremo de un eje. Esto era ideal para medir una amplia gama de superficies planas, cilíndricas o esféricas. Otras sondas se rectificaban con formas específicas, por ejemplo, un cuadrante, para permitir la medición de características especiales. Estas sondas se sujetaban físicamente contra la pieza de trabajo, y su posición en el espacio se leía desde un lector digital (DRO) de 3 ejes o, en sistemas más avanzados, se registraba en un ordenador mediante un pedal o dispositivo similar. Las mediciones realizadas con este método de contacto solían ser poco fiables, ya que las máquinas se movían manualmente y cada operador aplicaba una presión diferente sobre la sonda o adoptaba técnicas de medición distintas.

Un desarrollo posterior fue la adición de motores para accionar cada eje. Los operadores ya no tenían que tocar físicamente la máquina, sino que podían accionar cada eje mediante una caja de control con joysticks, de forma muy similar a como se hace con los coches modernos a control remoto. La exactitud y precisión de las mediciones mejoraron drásticamente con la invención de la sonda electrónica de activación por contacto. El pionero de este nuevo dispositivo de sonda fue David McMurtry, quien posteriormente fundó lo que hoy es Renishaw plc. Aunque seguía siendo un dispositivo de contacto, la sonda tenía una aguja de bola de acero accionada por resorte (posteriormente, bola de rubí). Al tocar la superficie del componente, la aguja se desviaba y enviaba simultáneamente la información de las coordenadas X, Y, Z al ordenador. Los errores de medición causados ​​por operadores individuales se redujeron y se sentó las bases para la introducción de las operaciones CNC y la llegada de la era de las CMM.

Las sondas ópticas son sistemas de lentes CCD que se mueven como las mecánicas y apuntan al punto de interés, en lugar de tocar el material. La imagen capturada de la superficie se encierra en los bordes de una ventana de medición hasta que el residuo es suficiente para contrastar las zonas blancas y negras. La curva divisoria se puede calcular hasta un punto, que es el punto de medición deseado en el espacio. La información horizontal del CCD es 2D (XY) y la posición vertical es la posición del sistema de sonda completo en el soporte Z-drive (u otro componente del dispositivo).

Sistemas de sonda de escaneo

Existen modelos más nuevos con sondas que se deslizan por la superficie de la pieza, tomando puntos a intervalos específicos, conocidas como sondas de escaneo. Este método de inspección de CMM suele ser más preciso que el método convencional de sonda de contacto y, en la mayoría de los casos, también más rápido.

La nueva generación de escaneo, conocida como escaneo sin contacto, que incluye la triangulación láser de punto único de alta velocidad, el escaneo láser lineal y el escaneo con luz blanca, está avanzando rápidamente. Este método utiliza rayos láser o luz blanca que se proyectan sobre la superficie de la pieza. Se pueden tomar miles de puntos y utilizarlos no solo para comprobar el tamaño y la posición, sino también para crear una imagen 3D de la pieza. Estos datos de la nube de puntos se pueden transferir posteriormente a software CAD para crear un modelo 3D funcional de la pieza. Estos escáneres ópticos se suelen utilizar en piezas blandas o delicadas o para facilitar la ingeniería inversa.

Sondas de micrometrología

Los sistemas de sondeo para aplicaciones de metrología a microescala son otra área emergente. Existen varias máquinas de medición de coordenadas (MMC) disponibles comercialmente con una microsonda integrada, varios sistemas especializados en laboratorios gubernamentales y numerosas plataformas de metrología construidas por universidades para la metrología a microescala. Si bien estas máquinas son buenas, y en muchos casos excelentes, plataformas de metrología con escalas nanométricas, su principal limitación reside en una microsonda/nano fiable, robusta y capaz.^{[cita necesaria]}Los desafíos para las tecnologías de sondeo a microescala incluyen la necesidad de una sonda con una relación de aspecto alta que permita acceder a características estrechas y profundas con fuerzas de contacto bajas para no dañar la superficie y con alta precisión (nivel nanométrico).^{[cita necesaria]}Además, las sondas a microescala son susceptibles a condiciones ambientales como la humedad y las interacciones superficiales como la fricción (causada por adhesión, menisco y/o fuerzas de Van der Waals, entre otras).^{[cita necesaria]}

Las tecnologías para lograr sondeos a microescala incluyen versiones reducidas de las sondas CMM clásicas, sondas ópticas y una sonda de onda estacionaria, entre otras. Sin embargo, las tecnologías ópticas actuales no pueden reducirse lo suficiente para medir características profundas y estrechas, y la resolución óptica está limitada por la longitud de onda de la luz. Las imágenes de rayos X proporcionan una imagen de la característica, pero no información metrológica trazable.

Principios físicos

Se pueden utilizar sondas ópticas o láser (si es posible en combinación), lo que convierte las MMC en microscopios de medición o máquinas de medición multisensor. Los sistemas de proyección de franjas, los sistemas de triangulación con teodolito o los sistemas de distancia y triangulación láser no se denominan máquinas de medición, pero el resultado de la medición es el mismo: un punto espacial. Las sondas láser se utilizan para detectar la distancia entre la superficie y el punto de referencia al final de la cadena cinemática (es decir, el final del componente de accionamiento Z). Esto puede utilizar una función interferométrica, la variación del enfoque, la desviación de la luz o un principio de sombreado del haz.

Máquinas portátiles de medición de coordenadas

Mientras que las CMM tradicionales utilizan una sonda que se mueve sobre tres ejes cartesianos para medir las características físicas de un objeto, las CMM portátiles utilizan brazos articulados o, en el caso de las CMM ópticas, sistemas de escaneo sin brazos que utilizan métodos de triangulación óptica y permiten una libertad total de movimiento alrededor del objeto.

Las CMM portátiles con brazos articulados tienen seis o siete ejes equipados con codificadores rotatorios, en lugar de ejes lineales. Los brazos portátiles son ligeros (normalmente pesan menos de 9 kg) y se pueden transportar y utilizar prácticamente en cualquier lugar. Sin embargo, las CMM ópticas se utilizan cada vez más en la industria. Diseñadas con cámaras compactas lineales o matriciales (como Microsoft Kinect), las CMM ópticas son más pequeñas que las portátiles con brazos, no tienen cables y permiten a los usuarios realizar fácilmente mediciones 3D de todo tipo de objetos en prácticamente cualquier lugar.

Ciertas aplicaciones no repetitivas, como la ingeniería inversa, el prototipado rápido y la inspección a gran escala de piezas de todos los tamaños, son ideales para las CMM portátiles. Sus ventajas son múltiples. Los usuarios tienen la flexibilidad de tomar mediciones 3D de todo tipo de piezas, incluso en las ubicaciones más remotas o difíciles. Son fáciles de usar y no requieren un entorno controlado para tomar mediciones precisas. Además, las CMM portátiles suelen ser más económicas que las tradicionales.

Las desventajas inherentes de las CMM portátiles son su operación manual (siempre requieren la intervención de una persona). Además, su precisión general puede ser algo menor que la de una CMM de tipo puente y son menos adecuadas para ciertas aplicaciones.

Máquinas de medición multisensor

La tecnología CMM tradicional, que utiliza sondas de contacto, suele combinarse actualmente con otras tecnologías de medición, como sensores láser, de vídeo o de luz blanca, para proporcionar lo que se conoce como medición multisensor.