O que é uma máquina de medição por coordenadas?

UMmáquina de medição por coordenadasUma Máquina de Medição por Coordenadas (MMC) é um dispositivo que mede a geometria de objetos físicos através da detecção de pontos discretos na superfície do objeto com uma sonda. Vários tipos de sondas são usados ​​em MMCs, incluindo sondas 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 MMCs normalmente especificam a posição da sonda em termos de seu deslocamento a partir de uma posição de referência em um sistema de coordenadas cartesianas tridimensional (ou seja, com eixos XYZ). Além de mover a sonda ao longo dos eixos X, Y e Z, muitas máquinas também permitem o controle do ângulo da sonda para possibilitar a medição de superfícies que seriam inacessíveis de outra forma.

A típica máquina de medição por coordenadas (MMC) 3D do tipo "ponte" permite o movimento da sonda ao longo de três eixos, X, Y e Z, que são ortogonais entre si em um sistema de coordenadas cartesianas tridimensional. Cada eixo possui um sensor que monitora a posição da sonda nesse eixo, geralmente com precisão micrométrica. Quando a sonda entra em contato (ou detecta de alguma forma) uma determinada localização no objeto, a máquina amostra os 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 da superfície de interesse.

Uma aplicação comum das CMMs (Máquinas de Medição por Coordenadas) é em processos de fabricação e montagem para testar uma peça ou conjunto em relação ao projeto original. Nessas aplicações, nuvens de pontos são geradas e analisadas por meio de algoritmos de regressão para a construção de características. Esses pontos são coletados utilizando uma sonda posicionada manualmente por um operador ou automaticamente por meio de Controle Direto por Computador (DCC). As 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 por 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 eram usados ​​nos primeiros 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 escaneamento. Poucos fabricantes de CMMs ainda produzem CMMs com estrutura de granito devido à demanda do mercado por dinâmica metrológica aprimorada e à crescente tendência de instalar CMMs fora do laboratório de controle de qualidade. Normalmente, apenas fabricantes de CMMs de baixo volume e fabricantes nacionais na China e na Índia ainda produzem CMMs de granito devido à abordagem de baixa tecnologia e à facilidade de entrada no mercado de fabricantes de estruturas de CMMs. A crescente tendência de escaneamento também exige que o eixo Z do 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 (MMCs) é normalmente expressa como um fator de incerteza em função da distância. Para uma MMC com apalpador de contato, isso se relaciona à repetibilidade do apalpador e à precisão das escalas lineares. A repetibilidade típica do apalpador pode resultar em medições com precisão de 0,001 mm ou 0,00005 polegadas (meio décimo de polegada) em todo o volume de medição. Para máquinas de 3, 3+2 e 5 eixos, os apalpadores são calibrados rotineiramente usando padrões rastreáveis ​​e o movimento da máquina é verificado com instrumentos de medição para garantir a precisão.

Partes específicas

Corpo da máquina

A primeira máquina de medição por coordenadas (MMC) foi desenvolvida pela empresa escocesa Ferranti na década de 1950, como resultado da necessidade direta de medir componentes de precisão em seus produtos militares, embora essa máquina tivesse apenas 2 eixos. Os primeiros modelos de 3 eixos começaram a aparecer na década de 1960 (DEA da Itália) e o controle por computador estreou no início da década de 1970, mas a primeira MMC funcional foi desenvolvida e comercializada pela Browne & Sharpe em Melbourne, Inglaterra. (Posteriormente, a Leitz da Alemanha produziu uma estrutura de máquina fixa com mesa móvel).

Em máquinas modernas, a superestrutura tipo pórtico possui duas pernas e é frequentemente chamada de ponte. Ela se move livremente ao longo da mesa de granito, com uma perna (geralmente chamada de perna interna) seguindo um trilho guia fixado em um dos lados da mesa. A perna oposta (geralmente chamada de 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. Nesses mancais, o ar comprimido é forçado através de uma série de orifícios muito pequenos em uma superfície plana de apoio, proporcionando uma almofada de ar suave, porém controlada, sobre a qual a CMM (Máquina de Medição por Coordenadas) pode se mover de maneira praticamente sem atrito, o qual 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 se desloca entre as pernas interna e externa, formando o outro eixo horizontal X ou Y. O terceiro eixo de movimento (eixo Z) é fornecido pela adição de um eixo vertical ou fuso que se move para cima e para baixo através do centro do carro. A ponta de contato funciona como o dispositivo sensor na extremidade do eixo. O movimento dos eixos X, Y e Z descreve completamente a área de medição. Mesas rotativas opcionais podem ser usadas para facilitar o acesso da sonda de medição a peças complexas. A mesa rotativa, como um quarto eixo de acionamento, não amplia as dimensões de medição, que permanecem tridimensionais, mas proporciona um grau de flexibilidade. Algumas sondas de contato são dispositivos rotativos motorizados, com a ponta da sonda capaz de girar verticalmente em mais de 180 graus e realizar uma rotação completa de 360 ​​graus.

As máquinas de medição por coordenadas (MMCs) também estão disponíveis em diversos outros formatos. Entre eles, estão os braços de MMC que utilizam medições angulares feitas nas articulações do braço para calcular a posição da ponta de contato, e podem ser equipados com sondas para escaneamento a laser e imagens ópticas. Esses braços de MMC são frequentemente utilizados quando sua portabilidade representa uma vantagem em relação às MMCs tradicionais de mesa fixa — ao armazenar as localizações das medições, o software de programação também permite movimentar 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 MMC imitam a flexibilidade de um braço humano, eles também costumam conseguir 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 (MMC), as sondas mecânicas eram fixadas em um suporte especial na extremidade da haste. Uma sonda muito comum era feita soldando-se uma esfera dura na ponta 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 pressionadas contra a peça de trabalho, com a posição no espaço sendo lida por um leitor digital de 3 eixos (DRO) ou, em sistemas mais avançados, registrada em um computador por meio de um pedal ou dispositivo similar. As medições feitas por esse método de contato eram frequentemente imprecisas, pois as máquinas eram movidas manualmente e cada operador aplicava diferentes níveis de pressão na sonda ou adotava técnicas distintas para a medição.

Um desenvolvimento posterior foi a adição de motores para acionar cada eixo. Os operadores não precisavam mais tocar fisicamente na máquina, podendo acionar cada eixo usando um controle manual com joysticks, de forma semelhante aos modernos carros de controle remoto. A precisão e a exatidão das medições melhoraram drasticamente com a invenção da sonda eletrônica de contato. O pioneiro desse novo dispositivo foi David McMurtry, que posteriormente fundou a empresa que hoje é a Renishaw plc. Embora ainda fosse um dispositivo de contato, a sonda possuía uma ponta de contato com esfera de aço (posteriormente, esfera de rubi) acionada por mola. Quando a sonda tocava a superfície do componente, a ponta de contato se defletia e enviava simultaneamente as informações das coordenadas X, Y e Z para o computador. Os erros de medição causados ​​por operadores individuais tornaram-se menos frequentes e o cenário estava pronto para a introdução das operações CNC e o surgimento das máquinas de medição por coordenadas (MMCs).

As sondas ópticas são sistemas de lentes CCD que se movem como as sondas mecânicas e são direcionadas para o ponto de interesse, em vez de tocarem o material. A imagem capturada da superfície fica delimitada por uma janela de medição, até que o contraste entre as zonas pretas e brancas seja suficiente. A curva divisória pode ser calculada até um ponto, que representa o ponto de medição desejado no espaço. A informação horizontal no CCD é bidimensional (XY) e a posição vertical corresponde à posição de todo o sistema de sondagem no eixo Z (ou outro componente do dispositivo).

Sistemas de sonda de varredura

Existem modelos mais recentes que possuem sondas que deslizam sobre a superfície da peça, coletando pontos em intervalos específicos, conhecidas como sondas de varredura. Esse método de inspeção por CMM costuma ser mais preciso do que o método convencional de contato por sonda e, na maioria das vezes, também mais rápido.

A próxima geração de digitalização, conhecida como digitalização sem contato, que inclui triangulação a laser de alta velocidade em um único ponto, digitalização a laser em linha e digitalização com luz branca, está avançando muito rapidamente. Esse método utiliza feixes de laser ou luz branca projetados contra a superfície da peça. Milhares de pontos podem então ser coletados e usados ​​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 (MMC) disponíveis comercialmente com uma microsonda integrada ao sistema, vários 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 em escala nanométrica, sua principal limitação é a disponibilidade de uma micro/nanosonda confiável, robusta e capaz.^{[citação necessária]}Os desafios para as tecnologias de sondagem em microescala incluem a necessidade de uma sonda com alta relação de aspecto, que permita o acesso a características profundas e estreitas com baixas forças de contato, de forma a não danificar a superfície, e alta precisão (nível nanométrico).^{[citação necessária]}Além disso, as sondas em microescala são suscetíveis a condições ambientais como umidade e interações de superfície como adesão (causada por forças de adesão, menisco e/ou Van der Waals, entre outras).^{[citação necessária]}

As tecnologias para alcançar a medição em microescala incluem versões reduzidas das sondas CMM clássicas, sondas ópticas e sondas 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 radiografia fornece uma imagem da característica, mas não informações metrológicas rastreáveis.

Princípios físicos

Sondas ópticas e/ou sondas a laser podem ser usadas (se possível em combinação), transformando as máquinas de medição por coordenadas (MMCs) em microscópios de medição ou máquinas de medição multissensor. Sistemas de projeção de franjas, sistemas de triangulação por teodolito 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 no espaço. As sondas a laser são usadas para detectar a distância entre a superfície e o ponto de referência na extremidade da cadeia cinemática (ou seja, a extremidade do componente de acionamento do eixo Z). Isso pode ser feito usando uma função interferométrica, variação de foco, deflexão da luz ou o princípio de sombreamento do feixe.

Máquinas portáteis de medição por 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 escaneamento sem braços que utilizam métodos de triangulação óptica e permitem total liberdade de movimento ao redor do objeto.

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

Certas aplicações não repetitivas, como engenharia reversa, prototipagem rápida e inspeção em larga escala de peças de todos os tamanhos, são ideais para máquinas de medição por coordenadas (MMCs) portáteis. Os benefícios das MMCs portáteis são múltiplos. Os usuários têm a flexibilidade de realizar medições 3D de todos os tipos de peças, mesmo em locais remotos ou de difícil acesso. São fáceis de usar e não exigem um ambiente controlado para realizar medições precisas. Além disso, as MMCs portáteis tendem a ser mais baratas do que as MMCs tradicionais.

As desvantagens inerentes às máquinas de medição por coordenadas (MMCs) portáteis são a operação manual (elas sempre exigem um operador humano). Além disso, sua precisão geral pode ser um pouco menor do que a de uma MMC do tipo ponte, sendo menos adequada para algumas aplicações.

Máquinas de medição multissensor

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