¿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. Según el modelo, la posición de la sonda puede controlarse manualmente por un operador o mediante un ordenador. Las MMC suelen especificar la posición de la sonda en función de su desplazamiento respecto a 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 típica máquina de medición por coordenadas (MMC) de tipo 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 tridimensional. Cada eje cuenta con un sensor que monitoriza la posición de la sonda en dicho eje, generalmente con precisión micrométrica. Cuando la sonda entra en contacto con un punto específico del objeto (o lo detecta), la máquina toma muestras de 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 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 comprobar si una pieza o conjunto se ajusta 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 utilizando una sonda que un operario posiciona manualmente o automáticamente mediante control directo por ordenador (DCC). Las MMC DCC pueden programarse para medir repetidamente piezas idénticas; por lo tanto, una MMC automatizada es una forma especializada 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 CMM se utilizaban granito y acero. Hoy en día, todos los principales fabricantes de CMM construyen bastidores de aleación de aluminio o algún derivado, y también utilizan cerámica para aumentar la rigidez del eje Z en aplicaciones de escaneo. Pocos fabricantes de CMM siguen fabricando CMM con bastidor de granito debido a la demanda del mercado de una dinámica metrológica mejorada y a la creciente tendencia a instalar CMM fuera del laboratorio de calidad. Normalmente, solo los fabricantes de CMM de bajo volumen y los fabricantes nacionales de China e India siguen fabricando CMM de granito debido a su bajo nivel tecnológico y a la facilidad de entrada para convertirse en fabricante de bastidores de CMM. La creciente tendencia hacia el escaneo también exige 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 procesamiento de datos: normalmente incluye un controlador de máquina, un ordenador de sobremesa 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 el caso de una CMM con sonda táctil, esto se relaciona con la repetibilidad de la sonda y la precisión de las escalas lineales. La repetibilidad típica de la sonda permite obtener mediciones con una precisión de 0,001 mm o 0,00005 pulgadas (media décima) en todo el volumen de medición. Para máquinas de 3, 3+2 y 5 ejes, las sondas se calibran periódicamente con patrones trazables y el movimiento de la máquina se verifica mediante calibres para garantizar la precisión.

Partes específicas

Cuerpo de la máquina

La primera CMM fue desarrollada por la empresa escocesa Ferranti en la década de 1950 como resultado de la 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 por computadora debutó a principios de la década de 1970, pero la primera CMM funcional fue desarrollada y puesta a la venta 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 se suele denominar puente. Esta se desplaza libremente a lo largo de la mesa de granito, con una pata (a menudo denominada pata interior) siguiendo un riel guía fijado a un lado de la mesa. La pata opuesta (a menudo denominada pata exterior) simplemente descansa sobre la mesa de granito siguiendo el contorno de la superficie vertical. 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 muy pequeños en una superficie de apoyo plana para proporcionar un colchón de aire suave pero controlado sobre el que la CMM puede moverse de forma prácticamente sin fricción, lo cual se puede compensar 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 hacia arriba y hacia abajo a través del centro del carro. La sonda táctil constituye el dispositivo de detección en el extremo del husillo. El movimiento de los ejes X, Y y Z describe completamente el área de medición. Se pueden usar 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 cierta flexibilidad. Algunas sondas táctiles son dispositivos giratorios motorizados, con la punta de la sonda capaz de girar verticalmente más de 180 grados y realizar una rotación completa de 360 ​​grados.

Las máquinas de medición por coordenadas (MMC) ahora 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 imágenes ópticas. Estas MMC de brazo se utilizan a menudo donde su portabilidad representa una ventaja sobre las MMC tradicionales de mesa fija: al almacenar las ubicaciones medidas, el software de programación también permite mover el brazo de medición, y su volumen de medición, alrededor de la pieza a medir durante el proceso. Dado que los brazos de las MMC imitan la flexibilidad de un brazo humano, también suelen poder alcanzar el interior de piezas complejas que no podrían ser sondeadas 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 se fabricaba soldando una bola dura al extremo de un eje. Esto resultaba ideal para medir una amplia gama de superficies planas, cilíndricas o esféricas. Otras sondas se mecanizaban con formas específicas, como 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 indicador digital de posición (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 operario aplicaba diferentes presiones sobre la sonda o adoptaba distintas técnicas de medición.

Un avance posterior 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 un mando con joysticks, de forma similar a como se hace con los coches teledirigidos modernos. La exactitud y 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 empresa que hoy se conoce como Renishaw plc. Aunque seguía siendo un dispositivo de contacto, la sonda contaba con un estilete de bola de acero (más tarde de rubí) con resorte. Al tocar la superficie del componente, el estilete se desviaba y, simultáneamente, enviaba la información de las coordenadas X, Y, Z al ordenador. Los errores de medición causados ​​por los operarios se redujeron y se preparó el terreno para la introducción de las operaciones CNC y la consolidación de las máquinas de medición por coordenadas (CMM).

Las sondas ópticas son sistemas de lentes y CCD que se mueven como las mecánicas y se dirigen al punto de interés, en lugar de tocar el material. La imagen capturada de la superficie se encuadra dentro de los límites de una ventana de medición hasta que el residuo tenga el contraste adecuado entre las zonas blancas y negras. Se puede calcular la curva divisoria 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 corresponde a la posición del sistema de sondeo completo en el soporte Z-drive (u otro componente del dispositivo).

Sistemas de sonda de barrido

Existen modelos más recientes que incorporan sondas que se deslizan sobre la superficie de la pieza, tomando puntos a intervalos específicos; estas sondas se conocen como sondas de escaneo. Este método de inspección con máquina de medición por coordenadas (CMM) suele ser más preciso que el método convencional de sonda de contacto y, en la mayoría de los casos, también más rápido.

La próxima generación de escaneo, conocida como escaneo sin contacto, que incluye triangulación láser de punto único de alta velocidad, escaneo láser lineal y escaneo con luz blanca, está avanzando rápidamente. Este método utiliza haces láser o luz blanca proyectados sobre la superficie de la pieza. Se pueden capturar miles de puntos que se utilizan 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 a menudo en piezas blandas o delicadas, o para facilitar la ingeniería inversa.

Sondas de micrometrología

Los sistemas de sondeo para aplicaciones de metrología a microescala constituyen otro campo emergente. Existen varias máquinas de medición por coordenadas (MMC) disponibles comercialmente con una microsonda integrada, diversos sistemas especializados en laboratorios gubernamentales y numerosas plataformas de metrología desarrolladas en universidades para la medición a microescala. Si bien estas máquinas son buenas, e incluso excelentes en muchos casos, plataformas de metrología para escalas nanométricas, su principal limitación reside en la falta de una microsonda/nano fiable, robusta y capaz.^{[Se necesita citar]}Entre los retos que plantean las tecnologías de sondeo a microescala se incluye la necesidad de una sonda con una 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 (a nivel nanométrico).^{[Se necesita citar]}Además, las sondas a microescala son susceptibles a las condiciones ambientales, como la humedad y las interacciones superficiales, como la adherencia (causada por la adhesión, el menisco y/o las fuerzas de Van der Waals, entre otras).^{[Se necesita citar]}

Las tecnologías para realizar mediciones a microescala incluyen versiones reducidas de las sondas CMM clásicas, sondas ópticas y sondas de onda estacionaria, entre otras. Sin embargo, las tecnologías ópticas actuales no permiten una escala lo suficientemente pequeña como 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 y/o láser (si es posible, en combinación), lo que convierte 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 triangulación y distancia láser no se denominan 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 en el extremo de la cadena cinemática (es decir, el extremo del componente de accionamiento Z). Esto puede emplear una función interferométrica, variación de enfoque, desviación de la luz o un principio de sombreado del haz.

Máquinas portátiles de medición de coordenadas

Mientras que las máquinas de medición por coordenadas (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 de matriz (como la Microsoft Kinect), las MMC 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 ubicados en casi 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 los lugares más remotos 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 portátiles son su funcionamiento manual (siempre requieren la intervención humana). Además, su precisión general puede ser algo menor que la de una máquina de medición por coordenadas de puente, lo que las hace menos adecuadas para ciertas aplicaciones.

Máquinas de medición multisensor

Actualmente, la tecnología tradicional de medición por coordenadas (CMM) que utiliza sondas táctiles 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.