Máquina de medición de coordenadas

Las máquinas de medición por coordenadas incluyen tres componentes principales:

• La estructura principal incluye tres ejes de movimiento. El material utilizado para construir el bastidor móvil ha variado a lo largo de los años. En las primeras máquinas de medición por coordenadas (MMC) se utilizaban granito y acero. Actualmente, los principales fabricantes de MMC construyen bastidores con materiales como granito, aleación de aluminio o algún derivado, y cerámica para aumentar la rigidez del eje Z en aplicaciones de escaneo. Pocos fabricantes de MMC siguen produciendo MMC con bastidor de granito debido a las exigencias del mercado de una dinámica metrológica mejorada y a la creciente tendencia a instalar MMC fuera del laboratorio de control de calidad. Esta tendencia creciente hacia el escaneo también requiere que el eje Z de la MMC 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 procesamiento de datos , que normalmente incluye un controlador de máquina, un ordenador de sobremesa y un software de aplicación.

Estas máquinas están disponibles en versiones fijas o portátiles.

La precisión de las máquinas de medición por coordenadas se suele expresar como un factor de incertidumbre en función de la distancia. En el caso de una CMM con sonda táctil , esto se relaciona con la repetibilidad de la sonda y la precisión de las escalas lineales. La repetibilidad típica de la sonda permite obtener mediciones con una precisión de una micra 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 periódicamente con patrones trazables y el movimiento de la máquina se verifica mediante calibres para garantizar la precisión.

La primera CMM fue desarrollada por la empresa escocesa Ferranti en la década de 1950 ^{[ 1 ]} como resultado de la 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 comercializada por Browne & Sharpe en Melbourne, Inglaterra. Posteriormente, Leitz Alemania produjo una estructura de máquina fija con mesa móvil.

En las máquinas modernas, la superestructura tipo pórtico tiene dos patas y se suele denominar puente. Esta se desplaza libremente a lo largo de la mesa de granito, con una pata (a menudo denominada pata interior) siguiendo un riel guía fijado a un lado de la mesa. La pata opuesta (a menudo denominada pata exterior) simplemente descansa 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, se fuerza aire comprimido 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 forma prácticamente sin fricción, lo cual se puede compensar 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 se desplaza 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 husillo vertical que se mueve hacia arriba y hacia abajo a través del centro del carro. La sonda táctil constituye el dispositivo de detección en el extremo del husillo. El movimiento de los ejes X, Y y Z describe completamente el área de medición. Se pueden usar mesas giratorias opcionales para facilitar el acceso de la sonda de medición a piezas complejas. La mesa giratoria, como cuarto eje de accionamiento, no aumenta las dimensiones de medición, que siguen siendo tridimensionales, pero sí proporciona cierta flexibilidad. Algunas sondas táctiles 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 de medición por coordenadas (MMC) ahora también están disponibles en diversas configuraciones. Entre ellas se incluyen brazos de MMC que utilizan mediciones angulares tomadas en las articulaciones del brazo para calcular la posición de la punta del palpador, y que pueden equiparse con sondas para escaneo láser e imágenes ópticas. Estas MMC de brazo se utilizan a menudo cuando su portabilidad representa una ventaja sobre las MMC tradicionales de mesa fija: 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 a medir durante el proceso. Dado que los brazos de las MMC imitan la flexibilidad de un brazo humano, también suelen poder alcanzar el interior de piezas complejas que no podrían ser sondeadas con una máquina estándar de tres ejes.

En los inicios de la medición por coordenadas, las sondas mecánicas se acoplaban a un soporte especial en el extremo del husillo. Una sonda muy común se fabricaba soldando una bola dura al extremo de un eje. Esto resultaba ideal para medir una amplia gama de superficies planas, cilíndricas o esféricas. Otras sondas se mecanizaban con formas específicas, como un cuadrante, para permitir la medición de características especiales. Estas sondas se sujetaban físicamente contra la pieza de trabajo y su posición en el espacio se leía mediante un indicador digital de posición (DRO) de 3 ejes o, en sistemas más avanzados, se registraba en un ordenador mediante un pedal o dispositivo similar. Las mediciones realizadas con este método de contacto solían ser poco fiables, ya que las máquinas se movían manualmente y cada operario aplicaba diferentes presiones sobre la sonda o adoptaba distintas técnicas de medición.

Un avance posterior fue la incorporación de motores para accionar cada eje. Los operarios ya no tenían que tocar físicamente la máquina, sino que podían accionar cada eje mediante un mando con joysticks, de forma muy similar a como se hace con los coches teledirigidos modernos. La exactitud y precisión de las mediciones mejoraron drásticamente con la invención de la sonda electrónica de contacto. El pionero de este nuevo dispositivo de sonda fue David McMurtry, quien posteriormente fundó lo que hoy es Renishaw plc . ^{[ 2 ]} Aunque seguía siendo un dispositivo de contacto, la sonda tenía un estilete de bola de acero (más tarde de rubí) con resorte. Al tocar la superficie del componente, el estilete se desviaba y, simultáneamente, enviaba la información de las coordenadas X, Y, Z al ordenador. Los errores de medición causados ​​por los operarios individuales se redujeron, y se preparó el terreno para la introducción de las operaciones CNC y la consolidación de las CMM.

Las sondas ópticas son sistemas de lentes y CCD que se mueven como las mecánicas y se dirigen al punto de interés, en lugar de tocar el material. La imagen capturada de la superficie se encuadra dentro de los límites de una ventana de medición hasta que el residuo tenga el contraste adecuado entre las zonas blancas y negras. Se puede calcular la curva divisoria 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 corresponde a la posición del sistema de sondeo completo en el soporte Z-drive (u otro componente del dispositivo).

Existen modelos más recientes que incorporan sondas que se deslizan sobre la superficie de la pieza tomando puntos a intervalos específicos; estas sondas se conocen como sondas de escaneo. Este método de inspección con máquina de medición por coordenadas (CMM) suele ser más preciso que el método convencional de sonda de contacto 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 punto único de alta velocidad, ^{[ 3 ]} escaneo láser de línea, ^{[ 4 ]} y escaneo de luz blanca, ^{[ 5 ]} está avanzando muy rápidamente. Este método utiliza haces láser o luz blanca que se proyectan sobre la superficie de la pieza. Se pueden tomar miles de puntos que se utilizan 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 a un 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 ]} Existen varias máquinas de medición de coordenadas disponibles comercialmente que tienen una microsonda integrada en el sistema, varios sistemas especializados en laboratorios gubernamentales y un número de plataformas de metrología construidas por universidades para metrología a microescala. Si bien estas máquinas son buenas y, en muchos casos, excelentes plataformas de metrología con escalas nanométricas, su principal limitación es una microsonda/nano confiable, robusta y capaz. Los desafíos para las tecnologías de sondeo a microescala incluyen la necesidad de una sonda de alta relación de aspecto que permita acceder a características profundas y estrechas con bajas fuerzas de contacto para no dañar la superficie y alta precisión (nivel nanométrico). Además, las microsondas son susceptibles a condiciones ambientales como la humedad y las interacciones superficiales como la adherencia (causada por adhesión , menisco y/o fuerzas de Van der Waals , entre otras).

Las tecnologías para lograr mediciones a microescala incluyen versiones reducidas de sondas CMM clásicas, sondas ópticas y una sonda de onda estacionaria , ^{[ 8 ]} entre otras. Sin embargo, las tecnologías ópticas actuales no pueden reducirse lo suficiente como 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 trazable.

Principios físicos

Se pueden utilizar sondas ópticas y láser (si es posible, en combinación), lo que convierte a las CMM en microscopios de medición o máquinas de medición multisensor. Los sistemas de proyección de franjas, los sistemas de triangulación de teodolito y los sistemas de triangulación y distancia láser no se denominan máquinas de medición, pero el resultado de la medición es el mismo: un punto en el espacio. 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 emplear una función interferométrica, variación de enfoque , desviación de la luz o un principio de sombreado del haz.