Una máquina de medición de coordenadas ( CMM ) es un dispositivo que mide la geometría de objetos físicos detectando puntos discretos en la superficie del objeto con una sonda. En las CMM se utilizan varios tipos de sondas, siendo las más comunes los sensores mecánicos y láser, aunque existen sensores ópticos y de luz blanca. Dependiendo de la máquina, la posición de la sonda puede ser controlada manualmente por un operador o puede estar controlada por computadora . Las CMM normalmente especifican la posición de una sonda en términos de su desplazamiento desde una posición de referencia en un sistema de coordenadas cartesiano tridimensional (es decir, con ejes XYZ). Además de mover la sonda a lo largo de los ejes X, Y y Z, muchas máquinas también permiten controlar el ángulo de la sonda para permitir la medición de superficies que de otro modo serían inalcanzables.
La típica MMC de "puente" 3D permite el movimiento de la sonda a lo largo de tres ejes, X, Y y Z, que son ortogonales entre sí en un sistema de coordenadas cartesianas tridimensional. Cada eje tiene un sensor que monitorea la posición de la sonda en ese eje, con una precisión típica del orden de micras . Cuando la sonda entra en contacto (o detecta de otra manera) una ubicación particular en el objeto, la máquina toma muestras de los sensores de posición del eje, midiendo así la ubicación de un punto en la superficie del objeto, así como el vector tridimensional de la medición tomada. Este proceso se repite según sea necesario, moviendo la sonda cada vez, para producir una "nube de puntos" que describe las áreas de superficie de interés. Los puntos pueden ser medidos manualmente por un operador o automáticamente mediante Control Directo por Computadora (DCC) o automáticamente usando programas escritos; por lo tanto, una CMM automatizada es una forma especializada de robot industrial .
Un uso común de las CMM es en procesos de fabricación y ensamblaje para probar una pieza o ensamblaje según la intención del diseño. Los puntos medidos se pueden utilizar para verificar la distancia entre entidades. También se pueden utilizar para construir características geométricas como cilindros y planos, etc. para GD&T , como se pueden evaluar la redondez , la planitud y la perpendicularidad .
Las máquinas de medición de coordenadas incluyen tres componentes principales:
Estas máquinas están disponibles como estacionarias o portátiles.
La precisión de las máquinas de medición de coordenadas generalmente se da como un factor de incertidumbre en función de la distancia. Para una MMC que utiliza una sonda táctil, esto se relaciona con la repetibilidad de la sonda y la precisión de las escalas lineales. La repetibilidad típica de la sonda puede dar como resultado mediciones dentro de 0,001 mm (un micrón) o 0,00005 pulgadas (media diezmilésima) en todo el volumen de medición. Para máquinas de 3, 3+2 y 5 ejes, las sondas se calibran de forma rutinaria utilizando estándares trazables y el movimiento de la máquina se verifica mediante medidores para garantizar la precisión.
La primera MMC fue desarrollada por la Compañía Ferranti de Escocia en los años 50 [1] como resultado de una necesidad directa de medir componentes de precisión en sus productos militares, aunque esta máquina solo tenía 2 ejes. Los primeros modelos de 3 ejes comenzaron a aparecer en la década de 1960 (DEA de Italia / LK del Reino Unido) y el control por computadora debutó a principios de la década de 1970, pero la primera CMM funcional fue desarrollada y puesta a la venta por Browne & Sharpe en Melbourne, Inglaterra. (Leitz Alemania produjo posteriormente una estructura de máquina fija con mesa móvil. [ cita necesaria ]
En las máquinas modernas, la superestructura tipo pórtico tiene dos patas y a menudo se la denomina puente. Se mueve libremente a lo largo de la mesa de granito con una pata (a menudo denominada pata interior) siguiendo un riel guía sujeto a un lado de la mesa de granito. La pata opuesta (a menudo la pata exterior) simplemente descansa sobre la mesa de granito siguiendo el contorno de la superficie vertical. Los cojinetes neumáticos son el método elegido para garantizar un desplazamiento sin fricción. En estos, el aire comprimido se fuerza a través de una serie de orificios muy pequeños en una superficie de apoyo plana para proporcionar un colchón de aire suave pero controlado sobre el cual la CMM puede moverse casi sin fricción, lo que puede compensarse mediante software. El movimiento del puente o pórtico a lo largo de la mesa de granito forma un eje del plano XY. El puente del pórtico contiene un carro que atraviesa entre las patas interior y exterior y forma el otro eje horizontal X o Y. El tercer eje de movimiento (eje Z) se obtiene mediante la adición de una pluma o husillo vertical que se mueve hacia arriba y hacia abajo a través del centro del carro. La sonda táctil forma el dispositivo sensor en el extremo de la pluma. El movimiento de los ejes X, Y y Z describe completamente el ámbito de medición. Se pueden utilizar mesas giratorias opcionales para mejorar la accesibilidad de la sonda de medición a piezas de trabajo complicadas. La mesa giratoria como cuarto eje de accionamiento no mejora las dimensiones de medición, que siguen siendo 3D, pero ofrece cierta flexibilidad. Algunas sondas táctiles son en sí mismas dispositivos giratorios accionados con la punta de la sonda capaz de girar verticalmente más de 180 grados y una rotación completa de 360 grados.
Las CMM ahora también están disponibles en una variedad de otras formas. Estos incluyen brazos CMM que utilizan mediciones angulares tomadas en las articulaciones del brazo para calcular la posición de la punta del lápiz y pueden equiparse con sondas para escaneo láser e imágenes ópticas. Estas MMC de brazo se utilizan a menudo cuando su portabilidad es una ventaja sobre las MMC de lecho fijo tradicionales: al almacenar las ubicaciones medidas, el software de programación también permite mover el brazo de medición y su volumen de medición alrededor de la pieza que se va a medir durante una rutina de medición. Debido a que los brazos de las CMM imitan la flexibilidad de un brazo humano, a menudo también pueden llegar al interior de piezas complejas que no podrían sondearse con una máquina estándar de tres ejes.
En los primeros días de la medición de coordenadas (MMC), se colocaban sondas mecánicas en un soporte especial al final de la pluma. Una sonda muy común se fabricaba soldando una bola dura al extremo de un eje. Esto era ideal para medir una amplia gama de superficies planas, cilíndricas o esféricas. Otras sondas se tallaron en formas específicas, por ejemplo, un cuadrante, para permitir la medición de características especiales. Estas sondas se sostenían físicamente contra la pieza de trabajo y la posición en el espacio se leía desde una lectura digital de 3 ejes (DRO) o, en sistemas más avanzados, se registraba en una computadora mediante un interruptor de pie o dispositivo similar. Las mediciones tomadas mediante este método de contacto a menudo eran poco confiables ya que las máquinas se movían a mano y cada operador de la máquina aplicaba diferentes cantidades de presión sobre la sonda o adoptaba diferentes técnicas para la medición. [ cita necesaria ]
Otro avance fue la incorporación de motores para accionar cada eje. Los operadores ya no tenían que tocar físicamente la máquina, sino que podían conducir cada eje utilizando una caja de mano con joysticks de forma muy similar a como lo hacen los coches modernos controlados a distancia. La exactitud y la precisión de las mediciones mejoraron drásticamente con la invención de la sonda de disparo electrónico por contacto. El pionero de este nuevo dispositivo de sonda fue David McMurtry , quien posteriormente formó lo que hoy es Renishaw plc . [2] Aunque todavía era un dispositivo de contacto, la sonda tenía un lápiz de bola de acero con resorte (más tarde bola de rubí). Cuando la sonda tocó la superficie del componente, el lápiz se desvió y simultáneamente envió la información de las coordenadas X,Y,Z a la computadora. Los errores de medición causados por operadores individuales disminuyeron y se preparó el escenario para la introducción de operaciones CNC y la mayoría de edad de las CMM.
Las sondas ópticas son sistemas de lentes CCD que se mueven como las mecánicas y apuntan al punto de interés, en lugar de tocar el material. La imagen capturada de la superficie quedará encerrada en los bordes de una ventana de medición, hasta que el residuo sea adecuado para contrastar entre las zonas blancas y negras. La curva divisoria se puede calcular hasta un punto que es el punto de medición deseado en el espacio. La información horizontal en el CCD es 2D (XY) y la posición vertical es la posición del sistema de sondeo completo en el soporte Z-drive (u otro componente del dispositivo).
Hay modelos más nuevos que tienen sondas que se arrastran a lo largo de la superficie de la pieza tomando puntos a intervalos específicos, conocidas como sondas de escaneo. Este método de inspección con MMC suele ser más preciso que el método de sonda táctil convencional y, en la mayoría de los casos, también más rápido.
La próxima generación de escaneo, conocida como escaneo sin contacto, que incluye triangulación láser de un solo punto de alta velocidad, [3] escaneo de líneas láser, [4] y escaneo de luz blanca, [5] está avanzando muy rápidamente. Este método utiliza rayos láser o luz blanca que se proyectan contra la superficie de la pieza. Luego se pueden tomar y utilizar muchos miles de puntos no sólo para comprobar el tamaño y la posición, sino también para crear una imagen 3D de la pieza. Estos "datos de nube de puntos" pueden luego transferirse al software CAD para crear un modelo 3D funcional de la pieza. Estos escáneres ópticos se suelen utilizar en piezas blandas o delicadas o para facilitar la ingeniería inversa .
Los sistemas de sondeo para aplicaciones de metrología a microescala son otra área emergente. [6] [7] Hay varias máquinas de medición de coordenadas (CMM) disponibles comercialmente que tienen una microsonda integrada en el sistema, varios sistemas especializados en laboratorios gubernamentales y cualquier cantidad de plataformas de metrología construidas por universidades para metrología a microescala. Aunque estas máquinas son buenas y en muchos casos excelentes plataformas de metrología con escalas nanométricas, su principal limitación es una micro/nano sonda confiable, robusta y capaz. [ cita necesaria ] Los desafíos para las tecnologías de sondeo a microescala incluyen la necesidad de una sonda de alta relación de aspecto que brinde la capacidad de acceder a características profundas y estrechas con bajas fuerzas de contacto para no dañar la superficie y alta precisión (nivel nanométrico). [ cita necesaria ] Además, las sondas a microescala son susceptibles a condiciones ambientales como la humedad y las interacciones de la superficie, como la fricción (causada por adherencia , menisco y / o fuerzas de Van der Waals , entre otras). [ cita necesaria ]
Las tecnologías para lograr sondeos a microescala incluyen una versión reducida de las sondas CMM clásicas, sondas ópticas y una sonda de onda estacionaria [8], entre otras. Sin embargo, las tecnologías ópticas actuales no pueden escalarse lo suficientemente pequeñas como para medir características estrechas y profundas, y la resolución óptica está limitada por la longitud de onda de la luz. Las imágenes de rayos X proporcionan una imagen de la característica pero no información metrológica rastreable.
Se pueden utilizar sondas ópticas y/o sondas láser (si es posible en combinación), que convierten las MMC en microscopios de medición o máquinas de medición multisensor. Los sistemas de proyección de franjas, los sistemas de triangulación con teodolito o los sistemas de triangulación y distancia por láser no se llaman máquinas de medición, pero el resultado de la medición es el mismo: un punto espacial. Se utilizan sondas láser para detectar la distancia entre la superficie y el punto de referencia al final de la cadena cinemática (es decir, el final del componente de accionamiento Z). Esto puede utilizar una función interferométrica, variación de enfoque , desviación de la luz o un principio de sombreado del haz.
Mientras que las CMM tradicionales utilizan una sonda que se mueve sobre tres ejes cartesianos para medir las características físicas de un objeto, las CMM portátiles utilizan brazos articulados o, en el caso de las CMM ópticas, sistemas de escaneo sin brazos que utilizan métodos de triangulación óptica y permiten una total libertad de movimiento. alrededor del objeto.
Las CMM portátiles con brazos articulados tienen seis o siete ejes equipados con codificadores rotativos, en lugar de ejes lineales. Los brazos portátiles son livianos (generalmente menos de 20 libras) y pueden transportarse y usarse casi en cualquier lugar. Sin embargo, las CMM ópticas se utilizan cada vez más en la industria. Diseñadas con cámaras compactas lineales o matriciales (como Microsoft Kinect), las CMM ópticas son más pequeñas que las CMM portátiles con brazos, no cuentan con cables y permiten a los usuarios tomar fácilmente mediciones 3D de todo tipo de objetos ubicados en casi cualquier lugar.
Ciertas aplicaciones no repetitivas, como la ingeniería inversa , la creación rápida de prototipos y la inspección a gran escala de piezas de todos los tamaños, son ideales para las CMM portátiles. Los beneficios de las CMM portátiles son múltiples. Los usuarios tienen la flexibilidad de tomar mediciones 3D de todo tipo de piezas y en las ubicaciones más remotas/difíciles. Son fáciles de usar y no requieren un entorno controlado para tomar medidas precisas. Además, las CMM portátiles tienden a costar menos que las tradicionales.
Las desventajas inherentes de las CMM portátiles son la operación manual (siempre requieren que un humano las use). Además, su precisión general puede ser algo menos exacta que la de una MMC tipo puente y es menos adecuada para algunas aplicaciones.
La tecnología tradicional de MMC que utiliza sondas táctiles hoy en día se combina a menudo con otras tecnologías de medición. Esto incluye sensores láser, de vídeo o de luz blanca para proporcionar lo que se conoce como medición multisensor. [9]
Para verificar el rendimiento de una máquina de medición por coordenadas, está disponible la serie ISO 10360. Esta serie de normas definen las características del sistema de palpado y el error de medición de longitud:
La serie ISO 10360 consta de las siguientes partes:
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