Máquina de medición por coordenadas

Este artículo necesita citas adicionales para su verificación . Por favor, ayude a mejorar este artículo añadiendo citas de fuentes fiables . El material sin fuentes puede ser cuestionado y eliminado. Buscar fuentes:  «Máquina de medición de coordenadas» – noticias  · periódicos  · libros  · académico  · JSTOR ( septiembre de 2009 ) ( Aprenda cómo y cuándo eliminar este mensaje )

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 también existen sensores ópticos y de luz blanca. Según la máquina, la posición de la sonda puede ser controlada manualmente por un operador o puede ser controlada por computadora . Las CMM generalmente especifican la posición de una sonda en términos de su desplazamiento desde una posición de referencia en un sistema de coordenadas cartesianas tridimensionales (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 CMM "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 micrones . Cuando la sonda entra en contacto (o detecta de otro modo) con 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 se pueden medir manualmente por un operador, automáticamente a través del Control directo por computadora (DCC) o automáticamente utilizando programas con scripts; por lo tanto, una CMM automatizada es una forma especializada de robot industrial .

Un uso común de las CMM es en los procesos de fabricación y ensamblaje para probar una pieza o ensamblaje en relación con el diseño previsto. Los puntos medidos se pueden utilizar para verificar la distancia entre las características. También se pueden utilizar para construir características geométricas como cilindros y planos para GD&T, de modo que se puedan evaluar aspectos como la redondez , la planitud y la perpendicularidad .

Las máquinas de medición de coordenadas incluyen tres componentes principales:

• La estructura principal incluye tres ejes de movimiento. El material utilizado para construir el marco móvil ha variado a lo largo de los años. En las primeras CMM se utilizaban granito y acero. Hoy en día, todos los principales fabricantes de CMM construyen marcos de materiales como granito, aleación de aluminio o algún derivado y cerámica para aumentar la rigidez del eje Z para aplicaciones de escaneo. Hoy en día, pocos fabricantes de CMM siguen fabricando CMM con marco de granito debido a los requisitos del mercado de una dinámica metrológica mejorada y a las tendencias crecientes de instalar CMM fuera del laboratorio de calidad. La creciente tendencia hacia el escaneo también requiere que el eje Z de la CMM sea más rígido, y se han introducido nuevos materiales como el granito negro, la cerámica y el carburo de silicio.
• Un sistema de sondeo.
• Un sistema de recopilación y reducción de datos: normalmente incluye un controlador de máquina, una computadora de escritorio y un software de aplicación.

Estas máquinas están disponibles como estacionarias y portátiles.

La precisión de las máquinas de medición de coordenadas se suele dar como un factor de incertidumbre en función de la distancia. En el caso de una CMM que utiliza una sonda de contacto , 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 con un margen de error de una micra o 0,00005 pulgadas (media diezmilésima) en todo el volumen de medición. En el caso de las 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 utilizando calibres para garantizar la precisión.

La primera CMM fue desarrollada por la empresa Ferranti de Escocia en la década de 1950 ^[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 (fabricados por DEA de Italia y 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 requerida ]}

En las máquinas modernas, la superestructura tipo pórtico tiene dos patas y a menudo se la llama puente. Esta se mueve libremente a lo largo de la mesa de granito con una pata (a menudo denominada pata interior) siguiendo un riel guía unido a un lado de la mesa de granito. La pata opuesta (a menudo pata exterior) simplemente se apoya sobre la mesa de granito siguiendo el contorno de la superficie vertical. Los cojinetes de aire 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 que la CMM puede moverse de una manera casi sin fricción que se puede compensar a través del 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. El tercer eje de movimiento (eje Z) se proporciona mediante la adición de un eje o husillo vertical que se mueve hacia arriba y hacia abajo a través del centro del carro. La sonda de contacto forma el dispositivo de detección en el extremo del eje. El movimiento de los ejes X, Y y Z describe completamente el área de medición. Se pueden utilizar mesas giratorias opcionales para mejorar la accesibilidad de la sonda de medición a piezas de trabajo complejas. La mesa giratoria como cuarto eje de accionamiento no mejora las dimensiones de medición, que siguen siendo 3D, pero sí proporciona un grado de flexibilidad. Algunas sondas de contacto son dispositivos giratorios motorizados con la punta de la sonda capaz de girar verticalmente más de 180° y realizar una rotación completa de 360°.

Las máquinas CMM también están disponibles en una variedad de otras formas. Estas incluyen brazos CMM que utilizan mediciones angulares tomadas en las articulaciones del brazo para calcular la posición de la punta del palpador, y pueden equiparse con sondas para escaneo láser e imágenes ópticas. Estas máquinas CMM con brazos se utilizan a menudo cuando su portabilidad es una ventaja sobre las máquinas CMM de bancada fija tradicionales: al almacenar las ubicaciones medidas, el software de programación también permite mover el brazo de medición en sí, y su volumen de medición, alrededor de la pieza que se va a medir durante una rutina de medición. Debido a que los brazos CMM imitan la flexibilidad de un brazo humano, también suelen ser capaces de alcanzar el interior de piezas complejas que no podrían palparse utilizando una máquina estándar de tres ejes.

En los primeros tiempos de la medición por coordenadas, las sondas mecánicas se colocaban en un soporte especial en el extremo de la caña. 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 rectificaban hasta obtener formas específicas, por ejemplo, un cuadrante, para permitir la medición de características especiales. Estas sondas se sujetaban físicamente contra la pieza de trabajo y la posición en el espacio se leía desde un lector digital de tres ejes (DRO) o, en sistemas más avanzados, se registraba en una computadora por medio de un pedal o un dispositivo similar. Las mediciones tomadas con este método de contacto a menudo no eran 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 requerida ]}

Un desarrollo posterior fue la adición de motores para accionar cada eje. Los operadores ya no tenían que tocar físicamente la máquina, sino que podían accionar cada eje utilizando una caja de mano con joysticks de la misma manera que con los modernos automóviles controlados a distancia. La precisión y exactitud de la medición mejoraron drásticamente con la invención de la sonda de activación por contacto electrónico. El pionero de este nuevo dispositivo de sonda fue David McMurtry , quien posteriormente formó lo que ahora es Renishaw plc . ^[2] Aunque todavía era un dispositivo de contacto, la sonda tenía un palpador de bola de acero accionado por resorte (más tarde bola de rubí). Cuando la sonda tocaba la superficie del componente, el palpador se desviaba y simultáneamente enviaba la información de las coordenadas X, Y, Z a la computadora. Los errores de medición causados ​​por operadores individuales se hicieron menos, y el escenario estaba listo para la introducción de operaciones CNC y la llegada de la edad de oro de las CMM.

Las sondas ópticas son sistemas de lentes y 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 se encierra en los bordes de una ventana de medición, hasta que el residuo es 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).

Existen modelos más nuevos que tienen sondas que se desplazan por la superficie de la pieza mientras toman puntos a intervalos específicos, conocidas como sondas de escaneo. Este método de inspección de CMM suele ser más preciso que el método convencional de sonda de contacto y, en la mayoría de los casos, también es más rápido.

La próxima generación de escaneo, conocida como escaneo sin contacto, que incluye la triangulación de punto único láser de alta velocidad ^[3] , el escaneo de línea láser ^{[4] y el 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 muchos miles de puntos y utilizarlos no solo para verificar el tamaño y la posición, sino también para crear una imagen 3D de la pieza. Estos " datos de nube de puntos " se pueden transferir luego al software CAD para crear un modelo 3D funcional de la pieza. Estos escáneres ópticos se utilizan a menudo en piezas blandas o delicadas o para facilitar la ingeniería inversa .

Sondas de micrometrología

Los sistemas de sondeo para aplicaciones de metrología a microescala son otra área emergente. ^{[6] [7]} Hay varias máquinas de medición de coordenadas 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 requerida ]} 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 requerida ]} Además, las sondas a microescala son susceptibles a las condiciones ambientales como la humedad y las interacciones de la superficie como la fricción estática (causada por la adhesión , el menisco y/o las fuerzas de Van der Waals , entre otras). ^{[ cita requerida ]}

Las tecnologías para lograr un sondeo a microescala incluyen versiones reducidas 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 para medir características profundas y estrechas, 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.

Principios físicos

Se pueden utilizar sondas ópticas y sondas láser (si es posible en combinación), que convierten las CMM en microscopios de medición o máquinas de medición multisensor. Los sistemas de proyección de franjas, los sistemas de triangulación con teodolito y los sistemas de distancia y triangulación láser no se denominan máquinas de medición, pero el resultado de la medición es el mismo: un punto espacial. Las sondas láser se utilizan para detectar la distancia entre la superficie y el punto de referencia en el extremo de la cadena cinemática (es decir, el extremo del componente de accionamiento Z). Esto puede utilizar una función interferométrica, variación del foco , 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 rotatorios, en lugar de ejes lineales. Los brazos portátiles son livianos (normalmente pesan menos de 20 libras) y se pueden transportar y usar prácticamente en cualquier lugar. Sin embargo, las CMM ópticas se utilizan cada vez más en la industria. Diseñadas con cámaras lineales o matriciales compactas (como Microsoft Kinect), las CMM ópticas son más pequeñas que las CMM portátiles con brazos, no tienen cables y permiten a los usuarios tomar fácilmente mediciones 3D de todo tipo de objetos ubicados prácticamente en 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 y difíciles. Son fáciles de usar y no requieren un entorno controlado para tomar mediciones precisas. Además, las CMM portátiles tienden a costar menos que las CMM tradicionales.

Las desventajas inherentes de las CMM portátiles son su operación manual (siempre requieren de un humano para usarlas). Además, su precisión general puede ser algo menos precisa que la de una CMM de tipo puente y es menos adecuada para algunas aplicaciones.

La tecnología CMM tradicional que utiliza sondas de contacto se combina hoy en día con otras tecnologías de medición, como sensores láser, de vídeo o de luz blanca, para proporcionar lo que se conoce como medición multisensorial. ^[9]

Para verificar el rendimiento de una máquina de medición por coordenadas, se dispone de la serie de normas ISO 10360. Esta serie de normas define las características del sistema de palpación y el error de medición de longitud:

• _Forma P : desviación de sondeo al medir la forma de una esfera
• P _Tamaño : desviación de sonda al medir el tamaño de una esfera
• E _Uni : desviación de la longitud de medición en esferas desde una dirección
• E _Bi : desviación de la longitud de medición en esferas de izquierda a derecha

La serie ISO 10360 consta de las siguientes partes:

• ISO 10360-1 Especificaciones geométricas de productos (GPS) - Pruebas de aceptación y reverificación para máquinas de medición de coordenadas (CMM) - Parte 1: Vocabulario
• ISO 10360-2 Especificaciones geométricas de productos (GPS) - Pruebas de aceptación y reverificación para máquinas de medición de coordenadas (CMM) - Parte 2: CMM utilizadas para medir dimensiones lineales
• ISO 10360-7 Especificaciones geométricas de productos (GPS) - Pruebas de aceptación y reverificación para máquinas de medición de coordenadas (CMM) - Parte 7: CMM equipadas con sistemas de sondeo de imágenes
• ISO 10360-8 Especificaciones geométricas de productos (GPS) - Pruebas de aceptación y reverificación para sistemas de medición de coordenadas (CMS) - Parte 8: CMM con sensores ópticos de distancia

• Esquema de metrología y medición
• Lista de instrumentos de medida
• Máquina de medición universal
• Escáner 3D

Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Máquinas de medición de coordenadas .