O que é uma máquina de medição de coordenadas?

UMmáquina de medição de coordenadasUma CMM (Calibração de Massas) é um dispositivo que mede a geometria de objetos físicos por meio da detecção de pontos discretos na superfície do objeto com uma sonda. Diversos tipos de sondas são utilizados em CMMs, incluindo mecânicas, ópticas, a laser e de luz branca. Dependendo da máquina, a posição da sonda pode ser controlada manualmente por um operador ou por computador. As CMMs normalmente especificam a posição de uma sonda em termos de seu deslocamento a partir de uma posição de referência em um sistema de coordenadas cartesianas tridimensional (ou seja, com eixos X, Y e Z). Além de mover a sonda ao longo dos eixos X, Y e Z, muitas máquinas também permitem o controle do ângulo da sonda para permitir a medição de superfícies que, de outra forma, seriam inacessíveis.

A típica CMM "ponte" 3D permite o movimento da sonda ao longo de três eixos, X, Y e Z, ortogonais entre si em um sistema de coordenadas cartesianas tridimensional. Cada eixo possui um sensor que monitora a posição da sonda naquele eixo, normalmente com precisão micrométrica. Quando a sonda entra em contato (ou detecta) um local específico no objeto, a máquina coleta amostras dos três sensores de posição, medindo assim a localização de um ponto na superfície do objeto, bem como o vetor tridimensional da medição realizada. Esse processo é repetido conforme necessário, movendo a sonda a cada vez, para produzir uma "nuvem de pontos" que descreve as áreas de superfície de interesse.

Um uso comum de CMMs é em processos de fabricação e montagem para testar uma peça ou conjunto em relação à intenção do projeto. Nessas aplicações, são geradas nuvens de pontos que são analisadas por meio de algoritmos de regressão para a construção de características. Esses pontos são coletados por meio de uma sonda posicionada manualmente por um operador ou automaticamente por meio do Controle Direto por Computador (DCC). CMMs com DCC podem ser programadas para medir repetidamente peças idênticas; portanto, uma CMM automatizada é uma forma especializada de robô industrial.

Peças

As máquinas de medição de coordenadas incluem três componentes principais:

• A estrutura principal inclui três eixos de movimento. O material usado para construir a estrutura móvel variou ao longo dos anos. Granito e aço foram usados ​​nas primeiras CMMs. Hoje, todos os principais fabricantes de CMMs constroem estruturas de liga de alumínio ou algum derivado e também usam cerâmica para aumentar a rigidez do eixo Z para aplicações de digitalização. Poucos construtores de CMMs hoje ainda fabricam CMMs com estrutura de granito devido à exigência do mercado por dinâmica metrológica aprimorada e à tendência crescente de instalar CMMs fora do laboratório de qualidade. Normalmente, apenas construtores de CMMs de baixo volume e fabricantes nacionais na China e na Índia ainda fabricam CMMs de granito devido à abordagem de baixa tecnologia e à fácil entrada para se tornar um construtor de estruturas de CMMs. A tendência crescente para a digitalização também exige que o eixo Z da CMM seja mais rígido e novos materiais foram introduzidos, como cerâmica e carboneto de silício.
• Sistema de sondagem
• Sistema de coleta e redução de dados — normalmente inclui um controlador de máquina, um computador desktop e um software aplicativo.

Disponibilidade

Essas máquinas podem ser independentes, portáteis e de mão.

Precisão

A precisão das máquinas de medição por coordenadas é normalmente dada como um fator de incerteza em função da distância. Para uma CMM que utiliza uma sonda de toque, isso se relaciona à repetibilidade da sonda e à precisão das escalas lineares. A repetibilidade típica da sonda pode resultar em medições com precisão de 0,001 mm ou 0,00005 polegada (meio décimo) em todo o volume de medição. Para máquinas de 3, 3+2 e 5 eixos, as sondas são calibradas rotineiramente usando padrões rastreáveis ​​e o movimento da máquina é verificado usando medidores para garantir a precisão.

Partes específicas

Corpo da máquina

A primeira CMM foi desenvolvida pela Ferranti Company of Scotland na década de 1950, como resultado da necessidade direta de medir componentes de precisão em seus produtos militares, embora esta máquina tivesse apenas 2 eixos. Os primeiros modelos de 3 eixos começaram a aparecer na década de 1960 (DEA da Itália) e o controle computadorizado estreou no início da década de 1970, mas a primeira CMM funcional foi desenvolvida e colocada à venda pela Browne & Sharpe em Melbourne, Inglaterra. (A Leitz Germany posteriormente produziu uma estrutura de máquina fixa com mesa móvel.)

Em máquinas modernas, a superestrutura do tipo pórtico possui duas pernas e é frequentemente chamada de ponte. Ela se move livremente ao longo da mesa de granito com uma perna (frequentemente chamada de perna interna) seguindo um trilho-guia fixado em um dos lados da mesa de granito. A perna oposta (frequentemente a perna externa) simplesmente repousa sobre a mesa de granito, seguindo o contorno vertical da superfície. Mancais de ar são o método escolhido para garantir um deslocamento sem atrito. Nestes, o ar comprimido é forçado através de uma série de orifícios muito pequenos em uma superfície de apoio plana para fornecer uma almofada de ar suave, mas controlada, sobre a qual a CMM pode se mover de maneira quase sem atrito, o que pode ser compensado por software. O movimento da ponte ou pórtico ao longo da mesa de granito forma um eixo do plano XY. A ponte do pórtico contém um carro que atravessa entre as pernas internas e externas e forma o outro eixo horizontal X ou Y. O terceiro eixo de movimento (eixo Z) é fornecido pela adição de uma haste ou fuso vertical que se move para cima e para baixo através do centro do carro. A sonda de toque forma o dispositivo de detecção na extremidade da haste. O movimento dos eixos X, Y e Z descreve completamente o envelope de medição. Mesas rotativas opcionais podem ser utilizadas para melhorar a acessibilidade da sonda de medição a peças complexas. A mesa rotativa como quarto eixo de acionamento não melhora as dimensões de medição, que permanecem tridimensionais, mas proporciona um certo grau de flexibilidade. Algumas sondas de toque são, elas próprias, dispositivos rotativos motorizados, com a ponta da sonda capaz de girar verticalmente em mais de 180 graus e em uma rotação completa de 360 ​​graus.

As CMMs agora também estão disponíveis em uma variedade de outros formatos. Isso inclui braços de CMM que usam medições angulares feitas nas articulações do braço para calcular a posição da ponta da agulha e podem ser equipados com sondas para varredura a laser e imagens ópticas. Essas CMMs de braço são frequentemente utilizadas onde sua portabilidade é uma vantagem em relação às CMMs de leito fixo tradicionais – ao armazenar os locais medidos, o software de programação também permite mover o próprio braço de medição e seu volume de medição ao redor da peça a ser medida durante uma rotina de medição. Como os braços de CMM imitam a flexibilidade de um braço humano, eles também são frequentemente capazes de alcançar o interior de peças complexas que não poderiam ser sondadas usando uma máquina padrão de três eixos.

Sonda mecânica

Nos primórdios da medição por coordenadas (CMM), sondas mecânicas eram encaixadas em um suporte especial na extremidade da pena. Uma sonda muito comum era feita soldando uma esfera rígida na extremidade de um eixo. Isso era ideal para medir uma ampla gama de superfícies planas, cilíndricas ou esféricas. Outras sondas eram retificadas em formatos específicos, por exemplo, um quadrante, para permitir a medição de características especiais. Essas sondas eram fisicamente mantidas contra a peça de trabalho com a posição no espaço sendo lida a partir de um leitor digital de 3 eixos (DRO) ou, em sistemas mais avançados, sendo registrada em um computador por meio de um pedal ou dispositivo semelhante. As medições feitas por esse método de contato muitas vezes não eram confiáveis, pois as máquinas eram movidas manualmente e cada operador da máquina aplicava diferentes quantidades de pressão na sonda ou adotava técnicas diferentes para a medição.

Um desenvolvimento adicional foi a adição de motores para acionar cada eixo. Os operadores não precisavam mais tocar fisicamente na máquina, mas podiam acionar cada eixo usando uma caixa de mão com joysticks, da mesma forma que com carros modernos controlados remotamente. A exatidão e a precisão da medição melhoraram drasticamente com a invenção do apalpador eletrônico de toque. O pioneiro desse novo dispositivo de apalpador foi David McMurtry, que posteriormente formou o que hoje é a Renishaw plc. Embora ainda fosse um dispositivo de contato, o apalpador tinha uma ponta de esfera de aço (mais tarde esfera de rubi) acionada por mola. Conforme a ponta tocava a superfície do componente, a ponta desviava e simultaneamente enviava as informações das coordenadas X, Y e Z para o computador. Os erros de medição causados ​​por operadores individuais diminuíram e o cenário estava pronto para a introdução de operações CNC e o amadurecimento das CMMs.

Sondas ópticas são sistemas de lentes CCD, que se movem como as mecânicas e são direcionadas ao ponto de interesse, em vez de tocar o material. A imagem capturada da superfície será delimitada pelas bordas de uma janela de medição, até que o resíduo seja suficiente para contrastar entre as zonas preta e branca. A curva divisória pode ser calculada até um ponto, que é o ponto de medição desejado no espaço. A informação horizontal no CCD é 2D (XY) e a posição vertical é a posição completa do sistema de sondagem no acionamento Z do suporte (ou outro componente do dispositivo).

Sistemas de sonda de varredura

Existem modelos mais recentes com sondas que se arrastam pela superfície da peça, atingindo pontos em intervalos específicos, conhecidas como sondas de varredura. Este método de inspeção por CMM costuma ser mais preciso do que o método convencional de sondagem por toque e, na maioria das vezes, também mais rápido.

A próxima geração de escaneamento, conhecida como escaneamento sem contato, que inclui triangulação de ponto único a laser de alta velocidade, escaneamento de linha a laser e escaneamento de luz branca, está avançando muito rapidamente. Este método utiliza feixes de laser ou luz branca projetados contra a superfície da peça. Milhares de pontos podem então ser obtidos e utilizados não apenas para verificar o tamanho e a posição, mas também para criar uma imagem 3D da peça. Esses "dados de nuvem de pontos" podem então ser transferidos para um software CAD para criar um modelo 3D funcional da peça. Esses scanners ópticos são frequentemente usados ​​em peças macias ou delicadas ou para facilitar a engenharia reversa.

Sondas de micrometrologia

Sistemas de sondagem para aplicações de metrologia em microescala são outra área emergente. Existem diversas máquinas de medição por coordenadas (CMM) disponíveis comercialmente com uma microsonda integrada ao sistema, diversos sistemas especializados em laboratórios governamentais e inúmeras plataformas de metrologia construídas por universidades para metrologia em microescala. Embora essas máquinas sejam boas e, em muitos casos, excelentes plataformas de metrologia com escalas nanométricas, sua principal limitação é uma sonda micro/nano confiável, robusta e capaz.^{[citação necessária]}Os desafios para tecnologias de sondagem em microescala incluem a necessidade de uma sonda de alta relação de aspecto, que permita acessar recursos profundos e estreitos com baixas forças de contato para não danificar a superfície e alta precisão (nível nanométrico).^{[citação necessária]}Além disso, sondas em microescala são suscetíveis a condições ambientais, como umidade, e interações de superfície, como atrito (causado por forças de adesão, menisco e/ou Van der Waals, entre outras).^{[citação necessária]}

As tecnologias para realizar sondagens em microescala incluem versões reduzidas das sondas CMM clássicas, sondas ópticas e uma sonda de onda estacionária, entre outras. No entanto, as tecnologias ópticas atuais não podem ser reduzidas o suficiente para medir características profundas e estreitas, e a resolução óptica é limitada pelo comprimento de onda da luz. A imagem de raios X fornece uma imagem da característica, mas não fornece informações metrológicas rastreáveis.

Princípios físicos

Sondas ópticas e/ou sondas a laser podem ser utilizadas (se possível em combinação), o que transforma as CMMs em microscópios de medição ou máquinas de medição multissensores. Sistemas de projeção de franjas, sistemas de triangulação de teodolitos ou sistemas de distância e triangulação a laser não são chamados de máquinas de medição, mas o resultado da medição é o mesmo: um ponto espacial. Sondas a laser são usadas para detectar a distância entre a superfície e o ponto de referência no final da cadeia cinemática (ou seja, no final do componente de acionamento Z). Isso pode utilizar uma função interferométrica, variação de foco, deflexão de luz ou um princípio de sombreamento de feixe.

Máquinas portáteis de medição de coordenadas

Enquanto as CMMs tradicionais usam uma sonda que se move em três eixos cartesianos para medir as características físicas de um objeto, as CMMs portáteis usam braços articulados ou, no caso das CMMs ópticas, sistemas de varredura sem braço que usam métodos de triangulação óptica e permitem total liberdade de movimento ao redor do objeto.

CMMs portáteis com braços articulados possuem seis ou sete eixos equipados com codificadores rotativos, em vez de eixos lineares. Braços portáteis são leves (normalmente menos de 9 kg) e podem ser transportados e usados ​​em praticamente qualquer lugar. No entanto, CMMs ópticas estão sendo cada vez mais utilizadas na indústria. Projetadas com câmeras compactas lineares ou matriciais (como o Microsoft Kinect), as CMMs ópticas são menores do que as CMMs portáteis com braços, não possuem fios e permitem que os usuários realizem medições 3D facilmente de todos os tipos de objetos localizados em praticamente qualquer lugar.

Certas aplicações não repetitivas, como engenharia reversa, prototipagem rápida e inspeção em larga escala de peças de todos os tamanhos, são ideais para CMMs portáteis. Os benefícios das CMMs portáteis são múltiplos. Os usuários têm a flexibilidade de realizar medições 3D de todos os tipos de peças e nos locais mais remotos/difíceis. São fáceis de usar e não requerem um ambiente controlado para realizar medições precisas. Além disso, as CMMs portáteis tendem a custar menos do que as CMMs tradicionais.

As desvantagens inerentes das CMMs portáteis são a operação manual (elas sempre exigem um humano para utilizá-las). Além disso, sua precisão geral pode ser um pouco menor do que a de uma CMM do tipo ponte e são menos adequadas para algumas aplicações.

Máquinas de medição multissensor

A tecnologia tradicional de CMM, que utiliza sondas de toque, é hoje frequentemente combinada com outras tecnologias de medição. Isso inclui sensores a laser, de vídeo ou de luz branca, para fornecer o que é conhecido como medição multissensor.