Qu'est-ce qu'une machine à mesurer tridimensionnelle ?

UNmachine de mesure de coordonnéesUne machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) est un appareil qui mesure la géométrie d'objets physiques en détectant des points discrets à leur surface à l'aide d'un palpeur. Différents types de palpeurs sont utilisés dans les MMT : mécaniques, optiques, laser et à lumière blanche. Selon la machine, la position du palpeur peut être contrôlée manuellement par un opérateur ou par ordinateur. Les MMT définissent généralement la position du palpeur en fonction de son déplacement par rapport à une position de référence dans un système de coordonnées cartésiennes tridimensionnel (axes XYZ). Outre le déplacement du palpeur selon les axes X, Y et Z, de nombreuses machines permettent également de contrôler l'angle du palpeur afin de mesurer des surfaces autrement inaccessibles.

La machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) classique de type « pont » permet le déplacement de la sonde selon trois axes, X, Y et Z, orthogonaux entre eux dans un système de coordonnées cartésiennes tridimensionnel. Chaque axe est équipé d'un capteur qui surveille la position de la sonde, généralement avec une précision micrométrique. Lorsque la sonde entre en contact avec un point précis de l'objet (ou le détecte par un autre moyen), la machine effectue un relevé des trois capteurs de position, mesurant ainsi la position de ce point sur la surface de l'objet, ainsi que le vecteur tridimensionnel de la mesure. Ce processus est répété autant de fois que nécessaire, en déplaçant la sonde à chaque itération, afin de produire un nuage de points décrivant les zones de surface d'intérêt.

Les machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) sont couramment utilisées dans les processus de fabrication et d'assemblage pour vérifier la conformité d'une pièce ou d'un assemblage aux spécifications de conception. Dans ces applications, des nuages ​​de points sont générés et analysés par des algorithmes de régression pour la reconstruction des caractéristiques. Ces points sont collectés à l'aide d'un palpeur positionné manuellement par un opérateur ou automatiquement par commande numérique directe (DCC). Les MMT DCC peuvent être programmées pour mesurer de manière répétée des pièces identiques ; une MMT automatisée est donc une forme spécialisée de robot industriel.

Parties

Les machines à mesurer tridimensionnelles comprennent trois composants principaux :

• La structure principale comprend trois axes de mouvement. Le matériau utilisé pour la construction du bâti mobile a évolué au fil des ans. Les premières machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) étaient fabriquées en granit et en acier. Aujourd'hui, les principaux fabricants de MMT utilisent des alliages d'aluminium ou des dérivés, ainsi que de la céramique pour accroître la rigidité de l'axe Z lors des applications de numérisation. De nos jours, rares sont les fabricants de MMT qui produisent encore des bâtis en granit, en raison des exigences du marché en matière de dynamique métrologique et de la tendance croissante à installer les MMT hors des laboratoires de contrôle qualité. Généralement, seuls les fabricants de MMT à faible volume et les fabricants locaux en Chine et en Inde continuent de produire des MMT en granit, en raison de la simplicité du processus et de la facilité d'accès au marché des bâtis de MMT. La tendance croissante à la numérisation exige également une plus grande rigidité de l'axe Z des MMT, ce qui a conduit à l'introduction de nouveaux matériaux tels que la céramique et le carbure de silicium.
• Système de sondage
• Système de collecte et de réduction des données — comprend généralement un contrôleur de machine, un ordinateur de bureau et un logiciel d'application.

Disponibilité

Ces machines peuvent être autonomes, portables et de poche.

Précision

La précision des machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) est généralement exprimée par un facteur d'incertitude en fonction de la distance. Pour une MMT à palpeur, ce facteur est lié à la répétabilité du palpeur et à la précision des échelles linéaires. La répétabilité typique d'un palpeur permet d'obtenir des mesures d'une précision de 0,001 mm ou 0,00005 pouce (un demi-dixième) sur l'ensemble du volume de mesure. Pour les machines à 3, 3+2 et 5 axes, les palpeurs sont étalonnés régulièrement à l'aide d'étalons traçables et le mouvement de la machine est vérifié par des comparateurs afin de garantir la précision.

Pièces spécifiques

Corps de la machine

La première machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) a été développée par la société écossaise Ferranti dans les années 1950, en réponse à un besoin direct de mesurer des composants de précision pour leurs produits militaires. Cependant, cette machine ne possédait que deux axes. Les premiers modèles à trois axes sont apparus dans les années 1960 (DEA, Italie) et la commande par ordinateur a fait son apparition au début des années 1970. Mais la première MMT fonctionnelle a été développée et commercialisée par Browne & Sharpe à Melbourne, en Angleterre. (Leitz, en Allemagne, a par la suite produit une machine à structure fixe avec table mobile.)

Dans les machines modernes, la superstructure de type portique comporte deux pieds et est souvent appelée pont. Ce dernier se déplace librement le long de la table en granit, l'un de ses pieds (souvent appelé pied intérieur) suivant un rail de guidage fixé sur un côté de la table. L'autre pied (souvent appelé pied extérieur) repose simplement sur la table en granit, épousant le contour vertical de sa surface. Les paliers à air sont la méthode privilégiée pour garantir un déplacement sans frottement. Dans ces paliers, de l'air comprimé est insufflé à travers une série de très petits orifices percés dans une surface d'appui plane, créant ainsi un coussin d'air lisse et contrôlé sur lequel la machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) peut se déplacer de manière quasi sans frottement, ce frottement pouvant être compensé par logiciel. Le déplacement du pont ou du portique le long de la table en granit constitue un axe du plan XY. Le pont du portique comprend un chariot qui se déplace entre les pieds intérieur et extérieur et constitue l'autre axe horizontal X ou Y. Le troisième axe de mouvement (axe Z) est obtenu grâce à l'ajout d'une broche verticale qui se déplace verticalement au centre du chariot. Le palpeur constitue le dispositif de détection à l'extrémité de la broche. Le mouvement des axes X, Y et Z définit entièrement l'espace de mesure. Des plateaux tournants optionnels permettent d'améliorer l'accessibilité du palpeur aux pièces complexes. Le plateau tournant, en tant que quatrième axe de déplacement, ne modifie pas les dimensions de mesure, qui restent tridimensionnelles, mais offre une plus grande flexibilité. Certains palpeurs à contact sont eux-mêmes des dispositifs rotatifs motorisés, leur pointe pouvant pivoter verticalement sur plus de 180 degrés et effectuer une rotation complète de 360 ​​degrés.

Les machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) sont désormais disponibles sous diverses autres formes. Parmi celles-ci, on trouve les bras de MMT qui utilisent des mesures angulaires prises au niveau des articulations du bras pour calculer la position de la pointe du stylet et qui peuvent être équipés de palpeurs pour la numérisation laser et l'imagerie optique. Ces MMT à bras sont souvent utilisées lorsque leur portabilité constitue un avantage par rapport aux MMT fixes traditionnelles : grâce à la mémorisation des positions mesurées, le logiciel de programmation permet également de déplacer le bras de mesure lui-même, ainsi que son volume de mesure, autour de la pièce à mesurer pendant une procédure de mesure. Du fait de leur flexibilité, similaire à celle d'un bras humain, les bras de MMT peuvent souvent atteindre l'intérieur de pièces complexes inaccessibles à une machine trois axes standard.

Sonde mécanique

Aux débuts de la mesure tridimensionnelle (MMT), les palpeurs mécaniques étaient fixés dans un porte-pales spécial à l'extrémité de la broche. Un palpeur très courant était constitué d'une bille dure soudée à l'extrémité d'une tige. Cette méthode était idéale pour mesurer une large gamme de surfaces planes, cylindriques ou sphériques. D'autres palpeurs étaient usinés selon des formes spécifiques, par exemple un quadrant, afin de permettre la mesure de caractéristiques particulières. Ces palpeurs étaient maintenus physiquement contre la pièce à usiner, leur position spatiale étant lue sur un afficheur numérique 3 axes (DRO) ou, dans les systèmes plus avancés, enregistrée dans un ordinateur au moyen d'une pédale ou d'un dispositif similaire. Les mesures effectuées par cette méthode de contact étaient souvent peu fiables, car les machines étaient déplacées manuellement et chaque opérateur exerçait une pression différente sur le palpeur ou utilisait des techniques de mesure différentes.

Une autre évolution majeure a consisté en l'ajout de moteurs pour l'entraînement de chaque axe. Les opérateurs n'avaient plus besoin de toucher physiquement la machine, mais pouvaient piloter chaque axe à l'aide d'un boîtier de commande équipé de joysticks, à la manière des voitures télécommandées modernes. La précision et l'exactitude des mesures se sont considérablement améliorées grâce à l'invention du palpeur électronique à déclenchement tactile. Le pionnier de ce nouveau dispositif de palpage était David McMurtry, qui a par la suite fondé l'actuelle société Renishaw plc. Bien qu'il s'agisse toujours d'un dispositif à contact, le palpeur était doté d'un stylet à bille d'acier (puis à bille de rubis) monté sur ressort. Au contact de la surface de la pièce, le stylet se déformait et transmettait simultanément les coordonnées X, Y et Z à l'ordinateur. Les erreurs de mesure dues aux opérateurs ont ainsi diminué, ouvrant la voie à l'introduction des opérations CNC et à l'avènement des machines à mesurer tridimensionnelles (MMT).

Les sondes optiques sont des systèmes lentille-CCD qui se déplacent comme les sondes mécaniques et sont pointées vers le point d'intérêt, au lieu d'entrer en contact avec le matériau. L'image de la surface capturée est encadrée par les bords d'une fenêtre de mesure, jusqu'à ce que le résidu soit suffisant pour obtenir un contraste entre les zones noires et blanches. La courbe de séparation peut être calculée jusqu'au point de mesure souhaité dans l'espace. Les informations horizontales sur le CCD sont 2D (XY) et la position verticale correspond à la position du système de palpage complet sur le support, le moteur Z (ou tout autre composant de l'appareil).

Systèmes de sondes à balayage

Il existe des modèles plus récents équipés de palpeurs qui se déplacent sur la surface de la pièce et effectuent des relevés à intervalles réguliers ; on les appelle palpeurs à balayage. Cette méthode d’inspection par machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) est souvent plus précise que la méthode conventionnelle par palpage manuel et généralement plus rapide.

La nouvelle génération de numérisation, dite numérisation sans contact, qui comprend la triangulation laser monopoint à haute vitesse, la numérisation linéaire laser et la numérisation par lumière blanche, progresse très rapidement. Cette méthode utilise des faisceaux laser ou de la lumière blanche projetés sur la surface de la pièce. Des milliers de points sont ainsi acquis et utilisés non seulement pour vérifier la taille et la position, mais aussi pour créer une image 3D de la pièce. Ces données de nuage de points peuvent ensuite être transférées vers un logiciel de CAO afin de créer un modèle 3D fonctionnel de la pièce. Ces scanners optiques sont souvent utilisés pour les pièces souples ou fragiles, ou pour faciliter la rétro-ingénierie.

Sondes de micrométrologie

Les systèmes de palpage pour les applications de métrologie à l'échelle micrométrique constituent un autre domaine émergent. Plusieurs machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) disponibles dans le commerce intègrent une microsonde, et l'on trouve également des systèmes spécialisés dans les laboratoires gouvernementaux, ainsi que de nombreuses plateformes de métrologie développées par les universités. Bien que ces machines soient performantes, voire excellentes dans de nombreux cas, pour la métrologie à l'échelle nanométrique, leur principale limitation réside dans la disponibilité d'une micro/nanosonde fiable, robuste et performante.^{[citation nécessaire]}Les défis des technologies de sondage à l'échelle micrométrique comprennent la nécessité d'une sonde à rapport d'aspect élevé permettant d'accéder à des structures profondes et étroites avec de faibles forces de contact afin de ne pas endommager la surface et une haute précision (niveau nanométrique).^{[citation nécessaire]}De plus, les sondes à l'échelle micrométrique sont sensibles aux conditions environnementales telles que l'humidité et aux interactions de surface telles que la friction (causée notamment par l'adhérence, le ménisque et/ou les forces de Van der Waals).^{[citation nécessaire]}

Les technologies permettant le sondage à l'échelle micrométrique comprennent notamment des versions miniaturisées des sondes CMM classiques, des sondes optiques et une sonde à ondes stationnaires. Cependant, les technologies optiques actuelles ne peuvent être miniaturisées suffisamment pour mesurer des structures profondes et étroites, et leur résolution optique est limitée par la longueur d'onde de la lumière. L'imagerie par rayons X fournit une image de la structure, mais aucune information métrologique traçable.

Principes physiques

Des sondes optiques et/ou laser peuvent être utilisées (si possible en combinaison), transformant ainsi les machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) en microscopes de mesure ou en machines de mesure multi-capteurs. Les systèmes de projection de franges, les systèmes de triangulation par théodolite ou les systèmes de télémétrie et de triangulation laser ne sont pas considérés comme des machines de mesure, mais le résultat de la mesure est identique : un point dans l’espace. Les sondes laser servent à mesurer la distance entre la surface et le point de référence situé à l’extrémité de la chaîne cinématique (c’est-à-dire l’extrémité du composant d’entraînement Z). Ce procédé peut reposer sur une fonction interférométrique, une variation de mise au point, une déviation de la lumière ou un principe d’ombrage du faisceau.

Machines de mesure de coordonnées portables

Alors que les MMT traditionnelles utilisent une sonde qui se déplace sur trois axes cartésiens pour mesurer les caractéristiques physiques d'un objet, les MMT portables utilisent soit des bras articulés, soit, dans le cas des MMT optiques, des systèmes de balayage sans bras qui utilisent des méthodes de triangulation optique et permettent une liberté de mouvement totale autour de l'objet.

Les machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) portables à bras articulés possèdent six ou sept axes équipés d'encodeurs rotatifs, au lieu d'axes linéaires. Légères (généralement moins de 9 kg), elles peuvent être transportées et utilisées quasiment partout. Cependant, les MMT optiques sont de plus en plus utilisées dans l'industrie. Conçues avec des caméras linéaires ou matricielles compactes (comme la Microsoft Kinect), les MMT optiques sont plus petites que les MMT portables à bras articulés, sans fil, et permettent de réaliser facilement des mesures 3D de tous types d'objets, quasiment partout.

Certaines applications non répétitives, telles que la rétro-ingénierie, le prototypage rapide et le contrôle à grande échelle de pièces de toutes tailles, sont parfaitement adaptées aux machines à mesurer tridimensionnelles portables. Les avantages de ces machines sont multiples. Elles offrent aux utilisateurs la possibilité d'effectuer des mesures 3D de tous types de pièces, même dans les endroits les plus reculés ou difficiles d'accès. Simples d'utilisation, elles ne nécessitent pas d'environnement contrôlé pour des mesures précises. De plus, leur coût est généralement inférieur à celui des machines à mesurer tridimensionnelles traditionnelles.

Les machines à mesurer tridimensionnelles portables présentent l'inconvénient d'être manuelles (elles nécessitent toujours l'intervention d'un opérateur). De plus, leur précision globale peut être légèrement inférieure à celle d'une machine à mesurer tridimensionnelle à portique, ce qui les rend moins adaptées à certaines applications.

Machines de mesure multisensorielles

La technologie traditionnelle des machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) utilisant des palpeurs est aujourd'hui souvent combinée à d'autres technologies de mesure, telles que des capteurs laser, vidéo ou à lumière blanche, pour fournir ce que l'on appelle la mesure multisensorielle.