O que é máquina de medição por coordenadas?

Amáquina de medição por coordenadas(CMM) é um dispositivo que mede a geometria de objetos físicos detectando pontos discretos na superfície do objeto com uma sonda.Vários tipos de sondas são usados ​​em CMMs, incluindo mecânica, óptica, laser e luz branca.Dependendo da máquina, a posição da sonda pode ser controlada manualmente por um operador ou pode ser controlada por computador.CMMs normalmente especificam a posição de uma sonda em termos de seu deslocamento 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 que o ângulo da sonda seja controlado para permitir a medição de superfícies que de outra forma seriam inacessíveis.

A típica “ponte” CMM 3D 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 naquele eixo, normalmente com precisão micrométrica.Quando a sonda entra em contato (ou detecta de outra forma) um local específico 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.Este processo é repetido conforme necessário, movendo a sonda de 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 montagem em relação à intenção do projeto.Nessas aplicações são geradas nuvens de pontos que são analisadas por meio de algoritmos de regressão para construção de características.Esses pontos são coletados por meio de uma sonda posicionada manualmente por um operador ou automaticamente via Direct Computer Control (DCC).Os CMMs DCC podem ser programados para medir repetidamente peças idênticas;portanto, um CMM automatizado é uma forma especializada de robô industrial.

Peças

As máquinas de medição por coordenadas incluem três componentes principais:

• A estrutura principal que inclui três eixos de movimento.O material utilizado para construir a estrutura móvel variou ao longo dos anos.Granito e aço foram usados ​​nos primeiros CMMs.Hoje, todos os principais fabricantes de CMM constroem estruturas em liga de alumínio ou algum derivado e também usam cerâmica para aumentar a rigidez do eixo Z para aplicações de digitalização.Poucos construtores de CMM hoje ainda fabricam CMM com estrutura de granito devido à exigência do mercado por uma melhor dinâmica de metrologia e à tendência crescente de instalar CMM fora do laboratório de qualidade.Normalmente, apenas construtores de CMM de baixo volume e fabricantes nacionais na China e na Índia ainda fabricam CMM de granito devido à abordagem de baixa tecnologia e à fácil entrada para se tornar um construtor de estruturas de CMM.A tendência crescente de 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 software aplicativo.

Disponibilidade

Essas máquinas podem ser independentes, portáteis e portáteis.

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 usa um apalpador, isso está relacionado à repetibilidade do apalpador e à precisão das escalas lineares.A repetibilidade típica da sonda pode resultar em medições 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, os apalpadores são calibrados rotineiramente usando padrões rastreáveis ​​e o movimento da máquina é verificado usando medidores para garantir a precisão.

Peças específicas

Corpo da máquina

O primeiro CMM foi desenvolvido pela Ferranti Company of Scotland na década de 1950 como resultado de uma 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 por computador estreou no início da década de 1970, mas a primeira CMM funcional foi desenvolvida e colocada à venda pela Browne & Sharpe em Melbourne, Inglaterra.(Leitz Alemanha posteriormente produziu uma estrutura de máquina fixa com mesa móvel.

Nas máquinas modernas, a superestrutura do tipo pórtico tem duas pernas e costuma ser chamada de ponte.Ele se move livremente ao longo da mesa de granito com uma perna (geralmente chamada de perna interna) seguindo um trilho-guia preso a um lado da mesa de granito.A perna oposta (geralmente a perna externa) simplesmente repousa sobre a mesa de granito seguindo o contorno vertical da superfície.Os rolamentos pneumáticos 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 rolamento plana para fornecer uma almofada de ar suave, mas controlada, sobre a qual a CMM pode se mover quase sem atrito, o que pode ser compensado por meio de 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 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 sensor na extremidade da pena.O movimento dos eixos X, Y e Z descreve completamente o envelope de medição.Mesas rotativas opcionais podem ser usadas para melhorar a acessibilidade da sonda de medição a peças de trabalho complicadas.A mesa rotativa como quarto eixo de acionamento não melhora as dimensões de medição, que permanecem 3D, mas proporciona um certo grau de flexibilidade.Algumas sondas de toque são dispositivos rotativos alimentados com a ponta da sonda capaz de girar verticalmente mais de 180 graus e uma rotação completa de 360 ​​graus.

Os CMMs agora também estão disponíveis em vários outros formatos.Isso inclui braços CMM que usam medições angulares feitas nas articulações do braço para calcular a posição da ponta da caneta e podem ser equipados com sondas para digitalização a laser e imagens ópticas.Tais CMMs de braço são frequentemente usadas onde sua portabilidade é uma vantagem em relação às CMMs de leito fixo tradicionais - ao armazenar 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 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 primeiros dias da medição por coordenadas (CMM), as sondas mecânicas eram instaladas em um suporte especial na extremidade da pena.Uma sonda muito comum era feita soldando uma bola dura na extremidade de um eixo.Isto foi ideal para medir uma ampla gama de superfícies planas, cilíndricas ou esféricas.Outras sondas foram retificadas em formatos específicos, por exemplo um quadrante, para permitir a medição de características especiais.Essas sondas eram mantidas fisicamente contra a peça de trabalho e a posição no espaço era lida a partir de 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 realizadas por este 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 a máquina, mas podiam acionar cada eixo usando uma caixa manual com joysticks, da mesma forma que acontece com os carros modernos controlados remotamente.A exatidão e a precisão da medição melhoraram dramaticamente com a invenção da sonda eletrônica de disparo por toque.O pioneiro deste novo dispositivo de apalpador foi David McMurtry, que posteriormente formou o que hoje é a Renishaw plc.Embora ainda fosse um dispositivo de contato, a sonda tinha uma ponta de esfera de aço com mola (mais tarde esfera de rubi).Quando a sonda tocou a superfície do componente, a caneta desviou e enviou simultaneamente as informações das coordenadas X, Y, Z para o computador.Os erros de medição causados ​​por operadores individuais tornaram-se menores e o cenário estava preparado para a introdução das operações CNC e a maturidade das CMMs.

As sondas ópticas são sistemas CCD de lentes, 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 adequado para contrastar entre as zonas pretas e brancas.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 do sistema de apalpação completo no suporte Z-drive (ou outro componente do dispositivo).

Sistemas de sondagem de varredura

Existem modelos mais recentes que possuem sondas que se arrastam ao longo da superfície da peça, tomando pontos em intervalos especificados, conhecidas como sondas de varredura.Este método de inspeção CMM é muitas vezes mais preciso do que o método convencional de sonda de 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 por luz branca, está avançando muito rapidamente.Este método utiliza feixes de laser ou luz branca que são projetados contra a superfície da peça.Muitos milhares de pontos podem então ser obtidos 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

Os sistemas de sondagem para aplicações de metrologia em microescala são outra área emergente.Existem várias máquinas de medição por coordenadas (CMM) disponíveis comercialmente que possuem uma microssonda integrada ao sistema, vários sistemas especializados em laboratórios governamentais e inúmeras plataformas de metrologia construídas em 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 proporção que dê a capacidade de acessar recursos profundos e estreitos com baixas forças de contato para 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 superficiais, como aderência (causada por adesão, menisco e/ou forças de Van der Waals, entre outras).^{[citação necessária]}

As tecnologias para obter sondagens em microescala incluem versões reduzidas de sondas CMM clássicas, sondas ópticas e uma sonda de onda estacionária, entre outras.No entanto, as tecnologias ópticas atuais não podem ser dimensionadas 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 do recurso, mas nenhuma informação metrológica rastreável.

Princípios físicos

Sondas ópticas e/ou sondas laser podem ser usadas (se possível em combinação), que transformam CMMs em microscópios de medição ou máquinas de medição multissensor.Sistemas de projeção de franja, sistemas de triangulação de teodolito ou sistemas de triangulação e distância a laser não são chamados de máquinas de medição, mas o resultado da medição é o mesmo: um ponto espacial.Sondas laser são usadas para detectar a distância entre a superfície e o ponto de referência no final da cadeia cinemática (ou seja: final do componente Z-drive).Isto pode usar uma função interferométrica, variação de foco, deflexão de luz ou um princípio de sombreamento de 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 digitalização sem braços que usam métodos de triangulação óptica e permitem total liberdade de movimento. ao redor do objeto.

As CMMs portáteis com braços articulados possuem seis ou sete eixos equipados com codificadores rotativos, em vez de eixos lineares.Os braços portáteis são leves (normalmente menos de 20 libras) e podem ser transportados e usados ​​em praticamente qualquer lugar.No entanto, os CMMs ópticos estão sendo cada vez mais utilizados na indústria.Projetadas com câmeras compactas lineares ou matriciais (como o Microsoft Kinect), as CMMs ópticas são menores que as CMMs portáteis com braços, não possuem fios e permitem que os usuários façam facilmente medições 3D 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 dos CMMs portáteis são múltiplos.Os usuários têm flexibilidade para realizar medições 3D de todos os tipos de peças e nos locais mais remotos/difíceis.Eles são fáceis de usar e não requerem um ambiente controlado para fazer medições precisas.Além disso, as CMMs portáteis tendem a custar menos que as CMMs tradicionais.

As vantagens inerentes aos CMMs portáteis são a operação manual (eles sempre exigem um ser humano para usá-los).Além disso, sua precisão geral pode ser um pouco menos precisa do que a de uma CMM tipo ponte e é menos adequada para algumas aplicações.

Máquinas de medição multisensor

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