O que é uma máquina de medição de coordenadas?

UMMáquina de medição de coordenadas(CMM) é um dispositivo que mede a geometria dos objetos físicos, sentindo pontos discretos na superfície do objeto com uma sonda. Vários tipos de sondas são usados ​​em CMMs, incluindo luz mecânica, óptica, laser e branca. Dependendo da máquina, a posição da sonda pode ser controlada manualmente por um operador ou pode ser controlado por computador. Os CMMs normalmente especificam a posição de uma sonda em termos de deslocamento de uma posição de referência em um sistema de coordenadas cartesianas tridimensionais (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.

O típico CMM 3D “Bridge” 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 tridimensionais. Cada eixo possui um sensor que monitora a posição da sonda nesse eixo, normalmente com precisão do micrômetro. Quando a sonda entra em contato (ou de outra forma detecta) 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. Esse processo é repetido conforme necessário, movendo a investigação a cada vez, para produzir uma "nuvem de pontos" que descreve as áreas de interesse da superfície.

Um uso comum de CMMs está nos processos de fabricação e montagem para testar uma peça ou montagem em relação à intenção do projeto. Em tais aplicações, são geradas nuvens de pontos que são analisadas por meio de algoritmos de regressão para a construção de recursos. Esses pontos são coletados usando uma sonda que é posicionada manualmente por um operador ou automaticamente via controle direto de computador (DCC). Os CMMs DCC podem ser programados para medir repetidamente peças idênticas; Assim, um CMM automatizado é uma forma especializada de robô industrial.

Peças

As máquinas de medição de coordenadas incluem três componentes principais:

• A estrutura principal que inclui três eixos de movimento. O material usado para construir o quadro em movimento variou ao longo dos anos. Granito e aço foram usados ​​no início do CMM. Hoje, todos os principais fabricantes de CMM constroem quadros de liga de alumínio ou algum derivado e também usam cerâmica para aumentar a rigidez do eixo z para aplicações de varredura. Atualmente, poucos construtores de CMM ainda fabricam CMM de quadros de granito devido ao requisito de mercado para melhorar a dinâmica da metrologia e o aumento da tendência de instalar o CMM fora do laboratório de qualidade. Normalmente, apenas construtores de CMM de volume de baixo volume e fabricantes domésticos na China e na Índia ainda estão fabricando CMM de granito devido à abordagem de baixa tecnologia e fácil entrada para se tornar um construtor de quadros CMM. A tendência crescente para a varredura também exige que o eixo Z CMM seja mais rígido e novos materiais foram introduzidos, como carboneto de cerâmica e silício.
• Sistema de sondagem
• Sistema de coleta e redução de dados - normalmente inclui um controlador de máquina, computador de mesa e software de aplicativo.

Disponibilidade

Essas máquinas podem ser independentes, portáteis e portáteis.

Precisão

A precisão das máquinas de medição de coordenadas é normalmente dada como um fator de incerteza como uma função sobre a distância. Para um CMM usando uma sonda de toque, isso se refere à repetibilidade da sonda e à precisão das escalas lineares. A repetibilidade típica da sonda pode resultar em medições de entre 0,001 mm ou 0,00005 polegadas (meio décimo) em todo o volume de medição. Para máquinas de 3, 3+2 e 5 eixos, as sondas são rotineiramente calibradas 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 da Escócia na década de 1950 como resultado de uma necessidade direta de medir componentes de precisão em seus produtos militares, embora essa máquina tivesse apenas 2 eixos. Os primeiros modelos de três eixos começaram a aparecer na década de 1960 (DEA da Itália) e o controle de computadores estreou no início dos anos 1970, mas o primeiro CMM funcional foi desenvolvido e colocado à venda pela Browne & Sharpe em Melbourne, Inglaterra. (Leitz Alemanha produziu posteriormente uma estrutura de máquina fixa com tabela de movimento.

Nas máquinas modernas, a superestrutura do tipo pórtico tem duas pernas e é frequentemente chamada de ponte. Isso 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 na mesa de granito após o contorno da superfície vertical. Os rolamentos aéreos são o método escolhido para garantir viagens gratuitas de atrito. Nestes, o ar comprimido é forçado através de uma série de orifícios muito pequenos em uma superfície de mancal plana para fornecer uma almofada de ar suave, mas controlada, na qual o CMM pode se mover de uma maneira quase sem atrito, que pode ser compensada pelo 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 pena ou eixo vertical que se move para cima e para baixo pelo centro do carro. A sonda de toque forma o dispositivo de detecção no final da pena. O movimento dos eixos x, y e z descreve completamente o envelope medidor. As tabelas rotativas opcionais podem ser usadas para melhorar a acessibilidade da sonda de medição para peças de trabalho complicadas. A tabela rotativa como um eixo de quarta unidade não aprimora as dimensões de medição, que permanecem em 3D, mas fornece um grau de flexibilidade. Algumas sondas de toque são dispositivos rotativos, com a ponta da sonda capazes de girar verticalmente em mais de 180 graus e por uma rotação completa de 360 ​​graus.

Agora, os CMMs também estão disponíveis em uma variedade de outras formas. Isso inclui os braços CMM que usam medições angulares realizadas nas articulações do braço para calcular a posição da ponta da caneta e podem ser equipadas com sondas para varredura a laser e imagem óptica. Tais CMMs de braço são frequentemente usados ​​onde sua portabilidade é uma vantagem sobre os CMMs tradicionais do leito fixo- armazenando locais medidos, o software de programação também permite mover o próprio braço de medição e seu volume de medição, em torno da peça a ser medido durante uma rotina de medição. Como os braços CMM imitam a flexibilidade de um braço humano, eles também são capazes de alcançar o interior de partes complexas que não podiam ser sondadas usando uma máquina padrão de três eixos.

Sonda mecânica

Nos primeiros dias da medição de coordenadas (CMM), as sondas mecânicas foram montadas em um suporte especial no final da pena. Uma sonda muito comum foi feita por solda uma bola dura até o final de um eixo. Isso era ideal para medir uma gama inteira de superfícies planas, cilíndricas ou esféricas. Outras sondas foram fundamentadas em formas específicas, por exemplo, um quadrante, para permitir a medição de recursos especiais. Essas sondas foram mantidas fisicamente contra a peça de trabalho, com a posição no espaço sendo lida em uma leitura digital de 3 eixos (DRO) ou, em sistemas mais avançados, sendo registrados em um computador por meio de um dispositivo ou dispositivo semelhante. As medições realizadas por esse método de contato eram frequentemente não confiáveis, pois as máquinas eram movidas manualmente e cada operador de máquina aplicou diferentes quantidades de pressão na sonda ou adotou técnicas diferentes para a medição.

Um desenvolvimento adicional foi a adição de motores para dirigir cada eixo. Os operadores não precisavam mais tocar fisicamente a máquina, mas podiam acionar cada eixo usando uma caixa de mão com joysticks da mesma maneira que nos carros controlados remotos modernos. A precisão da medição e a precisão melhoraram drasticamente com a invenção da sonda de gatilho de toque eletrônico. O pioneiro deste novo dispositivo de sonda foi David McMurtry, que posteriormente formou o que agora é Renishaw Plc. Embora ainda seja um dispositivo de contato, a sonda tinha uma caneta de bola de aço com mola (posterior bola rubi). À medida que a sonda tocou a superfície do componente, a caneta desviou e simultaneamente enviou as informações de coordenadas x, y, z ao computador. Os erros de medição causados ​​por operadores individuais tornaram -se menores e o estágio foi preparado para a introdução das operações do CNC e a chegada de CMMs.

As sondas ópticas são sistemas de lente-CCD, que são movidos como os mecânicos e visam o ponto de interesse, em vez de tocar o material. A imagem capturada da superfície será fechada nas fronteiras de uma janela de medição, até que o resíduo seja adequado para contrastar entre zonas em preto e branco. A curva divisória pode ser calculada até um ponto, que é o ponto de medição desejado no espaço. As informações horizontais no CCD são 2D (XY) e a posição vertical é a posição do sistema de sondagem completo no suporte z-drive (ou outro componente de dispositivo).

Sistemas de sonda de varredura

Existem modelos mais recentes que possuem sondas que arrastam ao longo da superfície da peça, levando pontos em intervalos especificados, conhecidos como sondas de varredura. Esse método de inspeção CMM geralmente é mais preciso do que o método convencional de sonda de toque e, na maioria das vezes, também mais rápido.

A próxima geração de varredura, conhecida como varredura sem contato, que inclui triangulação de ponto único a laser de alta velocidade, varredura de linha a laser e varredura de luz branca, está avançando muito rapidamente. Este método usa vigas a laser ou luz branca projetada contra a superfície da peça. Muitos milhares de pontos podem ser tomados e usados ​​não apenas para verificar o tamanho e a posição, mas também para criar uma imagem 3D da peça. Esses "dados de nuvem pontual" podem ser transferidos para o software CAD para criar um modelo 3D funcionando 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 de coordenadas disponíveis no mercado (CMM) que têm um microprobio integrado ao sistema, vários sistemas especializados em laboratórios governamentais e qualquer número de plataformas de metrologia construídas na universidade para a Microescale Metrology. Embora essas máquinas sejam boas e, em muitos casos, excelentes plataformas de metrologia com escalas nanométricas, sua limitação primária é uma micro/nano sonda confiável, robusta e capaz.^{[citação necessária]}Os desafios para as tecnologias de sondagem em microescala incluem a necessidade de uma sonda de alta proporção, dando a capacidade de acessar características profundas e estreitas com forças de contato baixas, a fim de não danificar a superfície e a alta precisão (nível de nanômetro).^{[citação necessária]}Além disso, as sondas em microescala são suscetíveis a condições ambientais, como umidade e interações de superfície, como o estágio (causado por adesão, menisco e/ou forças de van der Waals, entre outros).^{[citação necessária]}

As tecnologias para obter a investigação em microescala incluem versão reduzida de sondas CMM clássicas, sondas ópticas e uma sonda de onda em pé, entre outras. No entanto, as tecnologias ópticas atuais não podem ser escalonadas o suficiente para medir a característica profunda e estreita, 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 rastreável de metrologia.

Princípios físicos

Sondas ópticas e/ou sondas a laser podem ser usadas (se possível em combinação), que alteram o CMMS para medir microscópios ou máquinas de medição de vários sensores. Sistemas de projeção marginal, sistemas de triangulação teodolita ou sistemas distantes e triangulação a laser não são chamados de máquinas de medição, mas o resultado da medição é o mesmo: um ponto espacial. As sondas a laser são usadas para detectar a distância entre a superfície e o ponto de referência na extremidade da cadeia cinemática (isto é: extremidade do componente Z-drive). Isso pode usar uma função interferométrica, variação de foco, deflexão da luz ou um princípio de sombreamento de feixe.

Máquinas de medição de coordenadas portáteis

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

Os CMMs portáteis com braços articulados têm 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 quase qualquer lugar. No entanto, os CMMs ópticos estão sendo cada vez mais usados ​​no setor. Projetado com câmeras compactas de matriz linear ou matriz (como o Microsoft Kinect), os CMMs ópticos são menores que os CMMs portáteis com os braços, não apresentam fios e permitem que os usuários façam facilmente medições 3D de todos os tipos de objetos localizados em quase qualquer lugar.

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

As trocas inerentes dos CMMs portáteis são a operação manual (eles sempre exigem que um humano os use). Além disso, sua precisão geral pode ser um pouco menos precisa do que a de um CMM do tipo ponte e é menos adequada para algumas aplicações.

Máquinas de medição de multisensor

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