Chì ghjè una macchina di misurazione à coordinate?

Unmacchina di misurazione à coordinate(CMM) hè un dispusitivu chì misura a geometria di l'uggetti fisichi rilevendu punti discreti nantu à a superficia di l'ughjettu cù una sonda. Diversi tipi di sonde sò aduprati in e CMM, cumprese meccaniche, ottiche, laser è luce bianca. Sicondu a macchina, a pusizione di a sonda pò esse cuntrullata manualmente da un operatore o pò esse cuntrullata da computer. E CMM specificanu tipicamente a pusizione di una sonda in termini di u so spustamentu da una pusizione di riferimentu in un sistema di coordinate cartesiane tridimensionale (vale à dì, cù assi XYZ). Oltre à spustà a sonda longu l'assi X, Y è Z, parechje macchine permettenu ancu di cuntrullà l'angulu di a sonda per permette a misurazione di superfici chì altrimenti serianu irraggiungibili.

A CMM "ponte" 3D tipica permette u muvimentu di a sonda longu à trè assi, X, Y è Z, chì sò ortogonali trà di elli in un sistema di coordinate cartesiane tridimensionale. Ogni asse hà un sensore chì monitorizza a pusizione di a sonda nantu à quell'asse, tipicamente cù una precisione micrometrica. Quandu a sonda cuntatta (o rileva altrimenti) una pusizione particulare nantu à l'ughjettu, a macchina campiona i trè sensori di pusizione, misurendu cusì a pusizione di un puntu nantu à a superficia di l'ughjettu, è ancu u vettore tridimensionale di a misurazione presa. Stu prucessu hè ripetutu secondu i bisogni, muvendu a sonda ogni volta, per pruduce una "nuvola di punti" chì descrive e superfici d'interessu.

Un usu cumunu di e CMM hè in i prucessi di fabricazione è di assemblaggio per pruvà una parte o un assemblaggio contr'à l'intenzione di cuncepimentu. In tali applicazioni, si generanu nuvole di punti chì sò analizzate via algoritmi di regressione per a custruzzione di caratteristiche. Quessi punti sò raccolti aduprendu una sonda chì hè posizionata manualmente da un operatore o automaticamente via Direct Computer Control (DCC). E CMM DCC ponu esse prugrammate per misurà ripetutamente parti identiche; cusì una CMM automatizata hè una forma specializata di robot industriale.

Pezzi

E macchine di misurazione à coordinate includenu trè cumpunenti principali:

• A struttura principale chì include trè assi di muvimentu. U materiale utilizatu per custruisce u quadru mobile hè variatu annantu à l'anni. U granitu è l'acciaiu sò stati utilizati in i primi CMM. Oghje tutti i principali pruduttori di CMM custruiscenu quadri da lega d'aluminiu o qualchì derivatu è utilizanu ancu a ceramica per aumentà a rigidità di l'asse Z per l'applicazioni di scansione. Pochi custruttori di CMM oghje fabricanu sempre CMM cù quadru di granitu per via di l'esigenza di u mercatu per una dinamica metrologica migliorata è di a tendenza crescente à installà CMM fora di u laburatoriu di qualità. Tipicamente solu i custruttori di CMM à bassu vulume è i pruduttori naziunali in Cina è India fabricanu sempre CMM in granitu per via di l'approcciu à bassa tecnulugia è di a facilità d'entrata per diventà un custruttore di quadri CMM. A tendenza crescente versu a scansione richiede ancu chì l'asse Z di a CMM sia più rigidu è sò stati introdutti novi materiali cum'è a ceramica è u carburu di siliciu.
• Sistema di sondaggio
• Sistema di raccolta è riduzione di dati - include tipicamente un controller di macchina, un urdinatore desktop è un software applicativu.

Disponibilità

Queste macchine ponu esse indipendenti, manuali è portatili.

Precisione

A precisione di e macchine di misurazione à coordinate hè tipicamente data cum'è un fattore d'incertezza cum'è una funzione annantu à a distanza. Per una CMM chì usa una sonda tattile, questu si riferisce à a ripetibilità di a sonda è à a precisione di e scale lineari. A ripetibilità tipica di a sonda pò dà risultati di misurazioni in 0,001 mm o 0,00005 pollici (mezu decimu) annantu à tuttu u vulume di misurazione. Per e macchine à 3, 3+2 è 5 assi, e sonde sò calibrate di rutina aduprendu standard tracciabili è u muvimentu di a macchina hè verificatu aduprendu calibri per assicurà a precisione.

Parti specifiche

Corpu di macchina

A prima CMM hè stata sviluppata da a cumpagnia Ferranti di Scozia in l'anni 1950 per via di un bisognu direttu di misurà cumpunenti di precisione in i so prudutti militari, ancu s'è sta macchina avia solu 2 assi. I primi mudelli à 3 assi anu cuminciatu à cumparisce in l'anni 1960 (DEA d'Italia) è u cuntrollu di l'urdinatore hà debuttatu à l'iniziu di l'anni 1970, ma a prima CMM funzionale hè stata sviluppata è messa in vendita da Browne & Sharpe in Melbourne, Inghilterra. (Leitz Germania hà dopu pruduttu una struttura di macchina fissa cù tavola mobile.

In e macchine muderne, a sovrastruttura di tipu gantry hà duie gambe è hè spessu chjamata ponte. Questa si move liberamente longu a tavola di granitu cù una gamba (spessu chjamata gamba interna) chì seguita una guida attaccata à un latu di a tavola di granitu. A gamba opposta (spessu a gamba esterna) si appoghja semplicemente nantu à a tavola di granitu seguendu u contornu di a superficia verticale. I cuscinetti d'aria sò u metudu sceltu per assicurà un viaghju senza attritu. In questi, l'aria compressa hè furzata attraversu una seria di fori assai chjuchi in una superficia di cuscinettu piatta per furnisce un cuscinu d'aria lisciu ma cuntrullatu nantu à u quale a CMM pò spustassi in una manera quasi senza attritu chì pò esse compensata per mezu di u software. U muvimentu di u ponte o di u gantry longu a tavola di granitu forma un asse di u pianu XY. U ponte di u gantry cuntene un carru chì attraversa trà e gambe interne è esterne è forma l'altru asse orizzontale X o Y. U terzu asse di muvimentu (asse Z) hè furnitu da l'aghjunta di una penna o mandrinu verticale chì si move in su è in giù attraversu u centru di u carru. A sonda tattile forma u dispusitivu di rilevamentu à a fine di a penna. U muvimentu di l'assi X, Y è Z descrive cumpletamente l'inviluppu di misurazione. E tavule rotative opzionali ponu esse aduprate per migliurà l'accessibilità di a sonda di misurazione à pezzi cumplessi. A tavola rotativa cum'è quartu asse di trasmissione ùn migliora micca e dimensioni di misurazione, chì restanu 3D, ma furnisce un certu gradu di flessibilità. Alcune sonde tattili sò essi stesse dispositivi rotativi motorizzati cù a punta di a sonda capace di girà verticalmente di più di 180 gradi è di una rotazione cumpleta di 360 gradi.

E CMM sò avà dispunibili ancu in una varietà d'altre forme. Quessi includenu i bracci CMM chì utilizanu misurazioni angulari pigliate à l'articuli di u bracciu per calculà a pusizione di a punta di u stilu, è ponu esse equipaggiati cù sonde per a scansione laser è l'imaghjini ottica. Tali CMM à bracciu sò spessu aduprate induve a so purtabilità hè un vantaghju rispetto à e CMM tradiziunali à lettu fissu - almacenendu e pusizioni misurate, u software di prugrammazione permette ancu di spustà u bracciu di misurazione stessu, è u so vulume di misurazione, intornu à a parte da misurà durante una rutina di misurazione. Siccomu i bracci CMM imitanu a flessibilità di un bracciu umanu, sò ancu spessu capaci di ghjunghje à l'internu di parti cumplesse chì ùn puderanu micca esse sondate cù una macchina standard à trè assi.

Sonda meccanica

À l'iniziu di a misurazione di coordinate (CMM), e sonde meccaniche eranu muntate in un supportu speciale à a fine di a penna. Una sonda assai cumuna era fatta saldendu una palla dura à a fine di un arburu. Questu era ideale per misurà una vasta gamma di superfici piane, cilindriche o sferiche. Altre sonde eranu rettificate in forme specifiche, per esempiu un quadrante, per permette a misurazione di caratteristiche speciali. Queste sonde eranu tenute fisicamente contr'à u pezzu di travagliu cù a pusizione in u spaziu letta da una lettura digitale à 3 assi (DRO) o, in sistemi più avanzati, registrata in un urdinatore per mezu di un interruttore à pedale o un dispositivu simile. E misurazioni effettuate cù questu metudu di cuntattu eranu spessu inaffidabili postu chì e macchine eranu mosse à manu è ogni operatore di macchina applicava diverse quantità di pressione nantu à a sonda o aduttava tecniche diverse per a misurazione.

Un ulteriore sviluppu hè statu l'aghjunta di motori per guidà ogni asse. L'operatori ùn avianu più bisognu di tuccà fisicamente a macchina, ma pudianu guidà ogni asse aduprendu una scatula manuale cù joystick in u listessu modu cum'è cù e vitture muderne telecomandate. A precisione è l'accuratezza di a misurazione sò migliurate dramaticamente cù l'invenzione di a sonda elettronica à trigger tattile. U pioniere di stu novu dispositivu di sonda hè statu David McMurtry chì hà dopu furmatu ciò chì hè oghje Renishaw plc. Ancu s'ellu era sempre un dispositivu di cuntattu, a sonda avia un stilo à sfera d'acciaio caricata da molla (più tardi sfera di rubino). Quandu a sonda hà toccu a superficia di u cumpunente, u stilo si deviava è simultaneamente mandava l'infurmazioni di e coordinate X, Y, Z à l'urdinatore. L'errori di misurazione causati da i singoli operatori sò diventati menu numerosi è a scena hè stata preparata per l'introduzione di l'operazioni CNC è a venuta di l'età di e CMM.

E sonde ottiche sò sistemi CCD à lenti, chì si movenu cum'è quelli meccanichi, è sò puntati versu u puntu d'interessu, invece di tuccà u materiale. L'imagine catturata di a superficia serà racchiusa in i bordi di una finestra di misurazione, finu à chì u residu sia adeguatu per cuntrastà trà e zone nere è bianche. A curva di divisione pò esse calculata finu à un puntu, chì hè u puntu di misurazione desideratu in u spaziu. L'infurmazione orizzontale nantu à u CCD hè 2D (XY) è a pusizione verticale hè a pusizione di u sistema di sonda cumpletu nantu à u supportu Z-drive (o un altru cumpunente di u dispositivu).

Sistemi di sonda di scansione

Ci sò mudelli più recenti chì anu sonde chì trascinanu longu a superficia di a parte pigliendu punti à intervalli specificati, cunnisciute cum'è sonde di scansione. Stu metudu d'ispezione CMM hè spessu più precisu chè u metudu cunvinziunale di a sonda tattile è a maiò parte di e volte ancu più veloce.

A prossima generazione di scansione, cunnisciuta cum'è scansione senza cuntattu, chì include a triangulazione laser à puntu unicu à alta velocità, a scansione laser à linea è a scansione à luce bianca, avanza assai rapidamente. Stu metudu usa fasci laser o luce bianca chì sò prughjettate contr'à a superficia di a parte. Parechje migliaia di punti ponu esse presi è aduprati micca solu per verificà a dimensione è a pusizione, ma ancu per creà una maghjina 3D di a parte. Questi "dati di nuvola di punti" ponu esse trasferiti à u software CAD per creà un mudellu 3D funzionale di a parte. Questi scanner ottici sò spessu aduprati nantu à parti morbide o delicate o per facilità l'ingegneria inversa.

Sonde di micrometrologia

I sistemi di sonda per l'applicazioni metrologiche à microscala sò un'altra area emergente. Ci sò parechje macchine di misurazione à coordinate (CMM) dispunibili in u cummerciu chì anu una microsonda integrata in u sistema, parechji sistemi specializati in i laboratori guvernamentali, è un numeru qualsiasi di piattaforme metrologiche custruite da l'università per a metrologia à microscala. Ancu s'è queste macchine sò bone è in parechji casi eccellenti piattaforme metrologiche cù scale nanometriche, a so limitazione principale hè una micro/nano sonda affidabile, robusta è capace.^{[citazione necessaria]}I sfidi per e tecnulugie di sondaggio à microscala includenu a necessità di una sonda à altu rapportu d'aspettu chì dà a capacità di accede à caratteristiche prufonde è strette cù forze di cuntattu basse in modu da ùn dannà a superficia è alta precisione (livellu nanometricu).^{[citazione necessaria]}Inoltre, e sonde à microscala sò suscettibili à e cundizioni ambientali cum'è l'umidità è l'interazzione superficiale cum'è l'attritu (causatu da l'adesione, u meniscu è/o e forze di Van der Waals frà altre).^{[citazione necessaria]}

E tecnulugie per ottene sonde microscala includenu versioni ridotte di sonde CMM classiche, sonde ottiche è una sonda à onda stazionaria frà altre. Tuttavia, e tecnulugie ottiche attuali ùn ponu esse scalate abbastanza per misurà caratteristiche prufonde è strette, è a risoluzione ottica hè limitata da a lunghezza d'onda di a luce. L'imaghjini à raggi X furnisce una maghjina di a caratteristica ma nisuna infurmazione metrologica tracciabile.

Principii fisichi

Sonde ottiche è/o sonde laser ponu esse aduprate (se pussibule in cumbinazione), chì cambianu e CMM in microscopi di misurazione o macchine di misurazione multi-sensore. I sistemi di pruiezione di frange, i sistemi di triangulazione di teodoliti o i sistemi di distanza laser è di triangulazione ùn sò micca chjamati macchine di misurazione, ma u risultatu di a misurazione hè u listessu: un puntu spaziale. E sonde laser sò aduprate per rilevà a distanza trà a superficia è u puntu di riferimentu à a fine di a catena cinematica (vale à dì: fine di u cumpunente Z-drive). Questu pò aduprà una funzione interferometrica, una variazione di focu, una deflessione di a luce o un principiu di ombreggiatura di u fasciu.

Macchine di misurazione à coordinate portatili

Mentre chì e CMM tradiziunali utilizanu una sonda chì si move nantu à trè assi cartesiani per misurà e caratteristiche fisiche di un ughjettu, e CMM portatili utilizanu bracci articulati o, in u casu di e CMM ottiche, sistemi di scansione senza bracci chì utilizanu metudi di triangulazione ottica è permettenu una libertà tutale di muvimentu intornu à l'ughjettu.

E CMM portatili cù bracci articulati anu sei o sette assi chì sò dotati di encoder rotativi, invece di assi lineari. I bracci portatili sò leggeri (tipicamente menu di 20 libbre) è ponu esse trasportati è aduprati guasi in ogni locu. Tuttavia, e CMM ottiche sò sempre più aduprate in l'industria. Cuncepite cù camere compatte lineari o à matrice (cum'è Microsoft Kinect), e CMM ottiche sò più chjuche di e CMM portatili cù bracci, ùn anu micca fili è permettenu à l'utilizatori di piglià facilmente misurazioni 3D di tutti i tipi d'uggetti situati guasi in ogni locu.

Certe applicazioni non ripetitive cum'è l'ingegneria inversa, a prototipazione rapida è l'ispezione à grande scala di pezzi di tutte e dimensioni sò ideali per e CMM portatili. I vantaghji di e CMM portatili sò multiplici. L'utilizatori anu a flessibilità di piglià misurazioni 3D di tutti i tipi di pezzi è in i lochi più remoti / difficili. Sò faciuli d'utilizà è ùn necessitanu micca un ambiente cuntrullatu per piglià misurazioni precise. Inoltre, e CMM portatili tendenu à costà menu di e CMM tradiziunali.

I compromessi inerenti di e CMM portatili sò l'operazione manuale (richiedenu sempre un umanu per aduprà). Inoltre, a so precisione generale pò esse un pocu menu precisa di quella di una CMM di tipu ponte è hè menu adatta per alcune applicazioni.

Macchine di misurazione multisensore

A tecnulugia CMM tradiziunale chì usa sonde tattili hè oghje spessu cumminata cù altre tecnulugie di misurazione. Questu include sensori laser, video o di luce bianca per furnisce ciò chì hè cunnisciutu cum'è misurazione multisensore.