¿Qué es una máquina de medición por coordenadas?

Amáquina de medición de coordenadasUna máquina de medición por coordenadas (MMC) es un dispositivo que mide la geometría de objetos físicos mediante la detección de puntos discretos en su superficie con una sonda. En las MMC se utilizan diversos tipos de sondas, como mecánicas, ópticas, láser y de luz blanca. Dependiendo de la máquina, la posición de la sonda puede controlarse manualmente por un operador o mediante un sistema informático. Las MMC suelen especificar la posición de la 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 el ángulo de la sonda para medir superficies que de otro modo serían inaccesibles.

La típica máquina de medición por coordenadas (MMC) 3D de tipo puente 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, generalmente con precisión micrométrica. Cuando la sonda entra en contacto con (o detecta) una ubicación específica en el objeto, la máquina registra la posición de los tres sensores, 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, desplazando la sonda en cada iteración, para generar una nube de puntos que describe las áreas de interés de la superficie.

Un uso común de las máquinas de medición por coordenadas (MMC) es en los procesos de fabricación y ensamblaje para verificar que una pieza o conjunto se ajuste al 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 que un operario posiciona manualmente o automáticamente mediante control directo por computadora (DCC). Las MMC con DCC pueden programarse para medir repetidamente piezas idénticas; por lo tanto, una MMC automatizada es un tipo especializado de robot industrial.

Regiones

Las máquinas de medición por coordenadas incluyen tres componentes principales:

• La estructura principal incluye tres ejes de movimiento. El material utilizado para construir el bastidor móvil ha variado a lo largo de los años. En las primeras máquinas de medición por coordenadas (MMC) se utilizaban granito y acero. Hoy en día, los principales fabricantes de MMC construyen bastidores con aleación de aluminio o algún derivado, y también utilizan cerámica para aumentar la rigidez del eje Z en aplicaciones de escaneo. Algunos fabricantes de MMC aún utilizan bastidores de granito debido a la demanda del mercado de una mejor dinámica metrológica y a la creciente tendencia a instalar MMC fuera del laboratorio de calidad. Generalmente, solo los fabricantes de MMC de bajo volumen y los fabricantes nacionales en China e India siguen fabricando MMC de granito debido a su enfoque tecnológico menos avanzado y a la facilidad para convertirse en fabricante de bastidores de MMC. La creciente tendencia hacia el escaneo también exige que el eje Z de la MMC sea más rígido, por lo que 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 software de aplicación.

Disponibilidad

Estas máquinas pueden ser independientes, portátiles y de mano.

Exactitud

La precisión de las máquinas de medición por coordenadas (MMC) se suele expresar como un factor de incertidumbre en función de la distancia. En una MMC con palpador, esto se relaciona con la repetibilidad del palpador y la precisión de las escalas lineales. La repetibilidad típica del palpador permite 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, los palpadores se calibran periódicamente con patrones trazables y el movimiento de la máquina se verifica con galgas para garantizar la precisión.

partes específicas

Cuerpo de la máquina

La primera máquina de medición por coordenadas (MMC) fue desarrollada por la empresa escocesa Ferranti en la década de 1950 como respuesta a la necesidad de medir componentes de precisión en sus productos militares, si bien 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 ordenador debutó a principios de la década de 1970, pero la primera MMC operativa fue desarrollada y comercializada por Browne & Sharpe en Melbourne, Inglaterra. (Posteriormente, Leitz, Alemania, produjo una estructura fija con mesa móvil).

En las máquinas modernas, la superestructura tipo pórtico consta de dos patas y suele denominarse puente. Esta se desplaza libremente sobre la mesa de granito, con una de sus patas (a menudo llamada pata interior) siguiendo una guía lateral fijada a uno de los lados de la mesa. La pata opuesta (a menudo pata exterior) simplemente descansa sobre la mesa de granito, siguiendo el contorno vertical de la superficie. Los cojinetes de aire son el método elegido para garantizar un desplazamiento sin fricción. En estos, se fuerza aire comprimido a través de una serie de orificios diminutos en una superficie de apoyo plana para proporcionar un colchón de aire suave pero controlado sobre el cual la máquina de medición por coordenadas (MMC) puede moverse prácticamente sin fricción, lo cual se compensa mediante software. El movimiento del puente o pórtico sobre 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, formando el otro eje horizontal X o Y. El tercer eje de movimiento (eje Z) se obtiene mediante la adición de un husillo vertical que se mueve hacia arriba y hacia abajo a través del centro del carro. La sonda táctil constituye el sensor en el extremo del husillo. 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 modifica las dimensiones de medición, que siguen siendo tridimensionales, pero sí proporciona mayor flexibilidad. Algunas sondas de contacto son dispositivos rotatorios motorizados con una punta que puede girar verticalmente más de 180 grados y rotar 360 grados.

Actualmente, las máquinas de medición por coordenadas (MMC) también están disponibles en diversas configuraciones. Entre ellas se incluyen brazos de MMC que utilizan mediciones angulares tomadas en las articulaciones del brazo para calcular la posición de la punta del palpador, y que pueden equiparse con sondas para escaneo láser e imagen óptica. Estas MMC de brazo se utilizan con frecuencia cuando su portabilidad supone una ventaja frente a las MMC tradicionales de bancada fija. Al almacenar las ubicaciones medidas, el software de programación permite desplazar el propio brazo de medición, y su volumen de medición, alrededor de la pieza a medir durante el proceso. Gracias a que los brazos de las MMC imitan la flexibilidad de un brazo humano, también suelen poder acceder al interior de piezas complejas que no podrían ser palpadas con una máquina estándar de tres ejes.

sonda mecánica

En los inicios de la medición por coordenadas (MMC), las sondas mecánicas se acoplaban a un soporte especial en el extremo del husillo. Una sonda muy común consistía en soldar una bola dura al extremo de un eje. Esta 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 mediante un lector digital de 3 ejes (DRO) 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 operario aplicaba una presión diferente sobre la sonda o utilizaba técnicas de medición distintas.

Otro avance importante fue la incorporación de motores para accionar cada eje. Los operarios ya no tenían que tocar físicamente la máquina, sino que podían controlar cada eje mediante una caja de control manual con joysticks, de forma muy similar a los coches teledirigidos modernos. La exactitud y la precisión de las mediciones mejoraron drásticamente con la invención de la sonda electrónica de contacto. El pionero de este nuevo dispositivo fue David McMurtry, quien posteriormente fundó la actual Renishaw plc. Aunque seguía siendo un dispositivo de contacto, la sonda contaba con un palpador de bola de acero (posteriormente de rubí) accionado por resorte. Al tocar la superficie de la pieza, el palpador se deformaba y enviaba simultáneamente la información de coordenadas X, Y, Z al ordenador. Los errores de medición causados ​​por los operarios se redujeron y se sentaron las bases para la introducción de las operaciones CNC y la consolidación de las MMC.

Las sondas ópticas son sistemas de lentes y CCD que se desplazan de forma similar a las mecánicas y se dirigen al punto de interés, en lugar de tocar el material. La imagen capturada de la superficie se delimita dentro de una ventana de medición hasta que el residuo sea suficiente para contrastar las zonas blancas y negras. La curva divisoria se calcula hasta un punto, que corresponde al punto de medición deseado en el espacio. La información horizontal en el CCD es bidimensional (XY) y la posición vertical corresponde a la posición del sistema de sonda completo sobre el eje Z del soporte (u otro componente del dispositivo).

Sistemas de sonda de escaneo

Existen modelos más recientes con sondas que se deslizan por la superficie de la pieza tomando puntos a intervalos específicos; estas sondas se conocen como sondas de escaneo. Este método de inspección CMM suele ser más preciso que el método convencional de palpado 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 alta velocidad de un solo punto, el escaneo láser lineal y el escaneo de luz blanca, está avanzando rápidamente. Este método utiliza haces láser o luz blanca que se proyectan sobre la superficie de la pieza. Se pueden capturar miles de puntos que sirven 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 a un software CAD para crear un modelo 3D funcional de la pieza. Estos escáneres ópticos se utilizan frecuentemente en piezas blandas o delicadas, o para facilitar la ingeniería inversa.

sondas de micrometrología

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

Entre las tecnologías para realizar mediciones a microescala se incluyen versiones reducidas de las sondas CMM clásicas, sondas ópticas y sondas de onda estacionaria, entre otras. Sin embargo, las tecnologías ópticas actuales no pueden miniaturizarse lo suficiente para medir características profundas y estrechas, y su 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 (preferiblemente combinadas) para transformar las máquinas de medición por coordenadas (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 consideran máquinas de medición, pero el resultado de la medición es el mismo: un punto en el espacio. Las sondas láser se utilizan para detectar la distancia entre la superficie y el punto de referencia situado al final de la cadena cinemática (es decir, al final del componente del eje Z). Esto puede lograrse mediante una función interferométrica, variación de enfoque, deflexión de la luz o el principio de sombreado del haz.

máquinas portátiles de medición de coordenadas

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

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

Ciertas aplicaciones no repetitivas, como la ingeniería inversa, la creación rápida de prototipos y la inspección a gran escala de piezas de todos los tamaños, son ideales para las máquinas de medición por coordenadas (MMC) portátiles. Las ventajas de las MMC portátiles son múltiples. Los usuarios tienen la flexibilidad de realizar mediciones 3D de todo tipo de piezas, incluso en las ubicaciones más remotas o de difícil acceso. Son fáciles de usar y no requieren un entorno controlado para obtener mediciones precisas. Además, las MMC portátiles suelen ser más económicas que las MMC tradicionales.

Las principales desventajas de las máquinas de medición por coordenadas (MMC) portátiles son su funcionamiento manual (siempre requieren la intervención de una persona). Además, su precisión general puede ser algo menor que la de una MMC de puente y resultan menos adecuadas para algunas aplicaciones.

Máquinas de medición multisensor

Actualmente, la tecnología CMM tradicional que utiliza palpadores se combina a menudo con otras tecnologías de medición. Esto incluye sensores láser, de vídeo o de luz blanca para proporcionar lo que se conoce como medición multisensor.