¿Qué es la máquina de medición de coordenadas?

Acoordinar la máquina de medir(CMM) es un dispositivo que mide la geometría de los objetos físicos al sentir puntos discretos en la superficie del objeto con una sonda. Se utilizan varios tipos de sondas en CMMS, incluidos la luz mecánica, óptica, láser y blanca. Dependiendo de la máquina, la posición de la sonda puede ser controlada manualmente por un operador o puede estar controlada por computadora. Los CMM típicamente especifican la posición de una sonda en términos de su desplazamiento desde una posición de referencia en un sistema de coordenadas cartesianas tridimensionales (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 el ángulo de la sonda para permitir la medición de superficies que de otro modo serían inalcanzables.

El típico CMM "puente" 3D permite el movimiento de la sonda a lo largo de tres ejes, x, y y z, que son ortogonales entre sí en un sistema de coordenadas cartesianas tridimensionales. Cada eje tiene un sensor que monitorea la posición de la sonda en ese eje, típicamente con precisión micrométrica. Cuando la sonda contacta (o detecta) una ubicación particular en el objeto, la máquina muestra 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 tomada. Este proceso se repite según sea necesario, moviendo la sonda cada vez, para producir una "nube de puntos" que describe las áreas superficiales de interés.

Un uso común de CMM es en los procesos de fabricación y ensamblaje para probar una parte o ensamblaje contra la intención de diseño. En tales aplicaciones, se generan nubes puntuales que se analizan a través de algoritmos de regresión para la construcción de características. Estos puntos se recopilan utilizando una sonda que un operador coloca manualmente o automáticamente mediante control directo de computadora (DCC). Los CMM de DCC se pueden programar para medir repetidamente piezas idénticas; Por lo tanto, un CMM automatizado es una forma especializada 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 a lo largo de los años. El granito y el acero se usaron en los primeros CMM. Hoy en día, todos los principales fabricantes de CMM construyen marcos a partir de aleación de aluminio o alguna derivada y también usan cerámica para aumentar la rigidez del eje Z para las aplicaciones de escaneo. Pocos constructores de CMM hoy en día todavía fabrican un marco de granito CMM debido al requisito de mercado para mejorar la dinámica de la metrología y aumentar la tendencia para instalar CMM fuera del laboratorio de calidad. Por lo general, solo los constructores CMM de bajo volumen y los fabricantes nacionales en China e India todavía están fabricando CMM de granito debido al enfoque de bajo tecnología y una fácil entrada para convertirse en un constructor de marcos CMM. La tendencia creciente hacia el escaneo también requiere que el eje CMM Z sea más rígido y se han introducido nuevos materiales, como cerámica y carburo de silicio.
• Sistema de sondeo
• Sistema de recopilación y reducción de datos: generalmente incluye un controlador de máquina, una computadora de escritorio y un software de aplicación.

Disponibilidad

Estas máquinas pueden ser independientes, portátiles y portátiles.

Exactitud

La precisión de las máquinas de medición de coordenadas generalmente se dan como un factor de incertidumbre en función de la distancia. Para un CMM que usa una sonda táctil, esto se relaciona con la repetibilidad de la sonda y la precisión de las escalas lineales. La repetibilidad típica de la sonda puede dar como resultado mediciones de .001 mm o .00005 pulgadas (media décima) sobre todo el volumen de medición. Para las máquinas de 3, 3+2 y 5 eje, las sondas se calibran de forma rutinaria utilizando estándares rastreables y el movimiento de la máquina se verifica utilizando medidores para garantizar la precisión.

Partes específicas

Cuerpo de máquina

El primer CMM fue desarrollado por la Compañía Ferranti de Escocia en la década de 1950 como resultado de una necesidad directa de medir componentes de precisión en sus productos militares, aunque esta máquina solo tenía 2 ejes. Los primeros modelos de 3 ejes comenzaron a aparecer en la década de 1960 (DEA de Italia) y el control de la computadora debutó a principios de la década de 1970, pero el primer CMM que trabaja fue desarrollado y pudo a la venta a Melbourne, Inglaterra. (Leitz Alemania produjo posteriormente una estructura de máquina fija con tabla móvil.

En las máquinas modernas, la superestructura de tipo pórtico tiene dos patas y a menudo se llama puente. Esto se mueve libremente a lo largo de la mesa de granito con una pierna (a menudo denominada pierna interior) siguiendo un riel guía unido a un lado de la mesa de granito. La pierna opuesta (a menudo fuera de la pierna) simplemente descansa sobre la tabla de granito después del contorno de la superficie vertical. Los rodamientos de aire son el método elegido para garantizar el viaje sin fricción. En estos, el aire comprimido se ve obligado a través de una serie de agujeros muy pequeños en una superficie de rodamiento plana para proporcionar un cojín de aire liso pero controlado en el que el CMM puede moverse de una manera casi sin fricción que puede compensarse a través del 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 atraviesa entre las piernas interiores y exteriores y forma el otro eje horizontal X o Y. El tercer eje de movimiento (eje z) se proporciona mediante la adición de una pluma o huso vertical que se mueve hacia arriba y hacia abajo a través del centro del carro. La sonda táctil forma el dispositivo de detección en el extremo de la pluma. El movimiento de los ejes X, Y y Z describe completamente la envoltura de medición. Se pueden usar tablas rotativas opcionales para mejorar la accesibilidad de la sonda de medición a piezas de trabajo complicadas. La tabla rotativa como el cuarto eje de transmisión no mejora las dimensiones de medición, que permanecen en 3D, pero proporciona un grado de flexibilidad. Algunas sondas táctiles son dispositivos rotativos alimentados con la punta de la sonda capaz de girar verticalmente a más de 180 grados y a través de una rotación completa de 360 ​​grados.

Los CMM ahora también están disponibles en una variedad de otras formas. Estos incluyen brazos CMM que usan mediciones angulares tomadas en las juntas del brazo para calcular la posición de la punta del lápiz óptico, y pueden equiparse con sondas para el escaneo láser y las imágenes ópticas. Dichos CMM de brazo a menudo se usan donde su portabilidad es una ventaja sobre los CMM de lecho fijo tradicional, al almacenar ubicaciones medidas, el software de programación también permite mover el brazo de medición en sí y su volumen de medición, alrededor de la pieza a medir durante una rutina de medición. Debido a que los brazos CMM imitan la flexibilidad de un brazo humano, a menudo también pueden alcanzar el interior de las piezas complejas que no se pueden sondear utilizando una máquina estándar de tres ejes.

Sonda mecánica

En los primeros días de la medición de coordenadas (CMM), las sondas mecánicas se instalaron en un titular especial en el extremo de la pluma. Se realizó una sonda muy común soldando una bola dura hasta el final de un eje. Esto era ideal para medir una gama completa de superficies planas, cilíndricas o esféricas. Otras sondas fueron molidas a formas específicas, por ejemplo, un cuadrante, para permitir la medición de características especiales. Estas sondas se mantuvieron físicamente contra la pieza de trabajo con la posición en el espacio que se lee desde una lectura digital de 3 ejes (DRO) o, en sistemas más avanzados, se registró en una computadora por medio de un desglose o dispositivo similar. Las mediciones tomadas por este método de contacto a menudo no eran confiables ya que las máquinas se movían a mano y cada operador de la máquina aplicaba diferentes cantidades de presión sobre la sonda o adoptó técnicas diferentes para la medición.

Un desarrollo adicional fue la adición de motores para conducir cada eje. Los operadores ya no tenían que tocar físicamente la máquina, sino que podían conducir cada eje con un cuadro de mano con joysticks de la misma manera que con los modernos autos controlados a distancia. La precisión de la medición y la precisión mejoraron dramáticamente con la invención de la sonda de activación del tacto electrónico. El pionero de este nuevo dispositivo de sonda fue David McMurtry, quien posteriormente formó lo que ahora es Renishaw PLC. Aunque todavía es un dispositivo de contacto, la sonda tenía un lápiz de acero cargado de resorte (luego rubí bola). A medida que la sonda tocaba la superficie del componente, el lápiz se desvió y simultáneamente envió la información de coordenadas X, Y, Z a la computadora. Los errores de medición causados ​​por los operadores individuales se hicieron menos y la etapa se estableció para la introducción de operaciones de CNC y la mayoría de edad de CMMS.

Las sondas ópticas son los sistemas de lente-CCD, que se mueven como los mecánicos, y están dirigidos al punto de interés, en lugar de tocar el material. La imagen capturada de la superficie estará encerrada en los bordes de una ventana de medición, hasta que el residuo sea adecuado para contrastar entre las zonas en blanco y negro. La curva divisoria se puede calcular hasta un punto, que es el punto de medición deseado en el espacio. La información horizontal en el CCD es 2D (XY) y la posición vertical es la posición del sistema de sondeo completo en el stand z-drive (u otro componente del dispositivo).

Sistemas de sonda de escaneo

Hay modelos más nuevos que tienen sondas que se arrastran a lo largo de la superficie de la parte que toma puntos a intervalos especificados, conocidos como sondas de escaneo. Este método de inspección de CMM es a menudo más preciso que el método convencional de sonda táctil y la mayoría de las veces también más rápido.

La próxima generación de escaneo, conocida como escaneo sin contacto, que incluye triangulación de punto único láser de alta velocidad, escaneo de línea láser y escaneo de luz blanca, avanza muy rápidamente. Este método utiliza vigas láser o luz blanca que se proyectan contra la superficie de la pieza. Muchos miles de puntos se pueden tomar y usar no solo para verificar el tamaño y la posición, sino también para crear una imagen 3D de la pieza. Estos "datos de nube de puntos" se pueden transferir al software CAD para crear un modelo 3D que funcione de la pieza. Estos escáneres ópticos a menudo se usan en piezas suaves o delicadas o para facilitar la ingeniería inversa.

Probaciones de micrometología

Los sistemas de sondeo para aplicaciones de metrología de microescala son otra área emergente. Existen varias máquinas de medición de coordenadas (CMM) disponibles comercialmente que tienen una microprobe integrada en el sistema, varios sistemas especializados en los laboratorios gubernamentales y cualquier cantidad de plataformas de metrología construidas por la universidad para metrología de microescala. Aunque estas máquinas son buenas y, en muchos casos, excelentes plataformas de metrología con escalas nanométricas, su limitación principal es una sonda micro/nano confiable, robusta y capaz.^{[Cita necesaria]}Los desafíos para las tecnologías de sondeo a microescala incluyen la necesidad de una sonda de relación de aspecto alta que brinde la capacidad de acceder a características profundas y estrechas con fuerzas de contacto bajas para no dañar la superficie y la alta precisión (nivel nanómetro).^{[Cita necesaria]}Además, las sondas de microescala son susceptibles a condiciones ambientales, como la humedad y las interacciones superficiales, como la esticción (causada por la adhesión, el menisco y/o las fuerzas de Van der Waals, entre otras).^{[Cita necesaria]}

Las tecnologías para lograr sondeo de microescala incluyen la versión escalada de sondas CMM clásicas, sondas ópticas y una sonda de onda estacionaria, entre otras. Sin embargo, las tecnologías ópticas actuales no se pueden escalar lo suficientemente pequeñas como para medir una característica profunda y estrecha, y la resolución óptica está limitada por la longitud de onda de la luz. Las imágenes de rayos X proporcionan una imagen de la función pero sin información de metrología rastreable.

Principios físicos

Se pueden usar sondas ópticas y/o sondas láser (si es posible en combinación), que cambian CMMS a microscopios de medición o máquinas de medición de múltiples sensores. Los sistemas de proyección marginal, los sistemas de triangulación de teodolito o los sistemas de triangulación láser distantes y de triangulación no se denominan máquinas de medición, pero el resultado de medición es el mismo: un punto espacial. Las sondas láser se usan para detectar la distancia entre la superficie y el punto de referencia en el extremo de la cadena cinemática (es decir: extremo del componente Z-Drive). Esto puede usar una función interferométrica, variación de enfoque, desviación de la luz o un principio de sombreado del haz.

Máquinas de medición de coordenadas portátiles

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

Los CMM portátiles con brazos articulados tienen seis o siete ejes equipados con codificadores rotativos, en lugar de ejes lineales. Los brazos portátiles son livianos (generalmente menos de 20 libras) y se pueden transportar y usar en casi cualquier lugar. Sin embargo, los CMM ópticos se utilizan cada vez más en la industria. Diseñadas con cámaras de matriz lineal o matriz compactas (como el Microsoft Kinect), los CMM ópticos son más pequeños que los CMM portátiles con brazos, cuentan con cables y permiten a los usuarios tomar mediciones 3D fácilmente de todo tipo de objetos ubicados en casi cualquier lugar.

Ciertas aplicaciones no repetitivas, como ingeniería inversa, prototipos rápidos e inspección a gran escala de partes de todos los tamaños, son ideales para CMM portátiles. Los beneficios de los CMM portátiles son múltiples. Los usuarios tienen la flexibilidad de tomar medidas 3D de todo tipo de piezas y en las ubicaciones más remotas/difíciles. Son fáciles de usar y no requieren un entorno controlado para tomar mediciones precisas. Además, los CMM portátiles tienden a costar menos que los CMM tradicionales.

Las compensaciones inherentes de CMM portátiles son operación manual (siempre requieren que un humano los use). Además, su precisión general puede ser algo menos precisa que la de un puente tipo CMM y es menos adecuado para algunas aplicaciones.

Máquinas multisensor

La tecnología CMM tradicional que usa sondas táctiles a menudo se combina hoy con otra tecnología de medición. Esto incluye sensores de láser, video o luz blanca para proporcionar lo que se conoce como medición multisensor.