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

UNmachine à mesurer tridimensionnelle(CMM) est un appareil qui mesure la géométrie d'objets physiques en détectant des points discrets sur la surface de l'objet avec une sonde.Différents types de sondes sont utilisés dans les MMT, notamment mécaniques, optiques, laser et à lumière blanche.Selon la machine, la position de la sonde peut être contrôlée manuellement par un opérateur ou par ordinateur.Les MMT spécifient généralement la position d'une sonde en termes de son déplacement par rapport à une position de référence dans un système de coordonnées cartésiennes tridimensionnelles (c'est-à-dire avec des axes XYZ).En plus de déplacer la sonde le long des axes X, Y et Z, de nombreuses machines permettent également de contrôler l'angle de la sonde pour permettre la mesure de surfaces qui autrement seraient inaccessibles.

La MMT « pont » 3D typique permet le mouvement du palpeur le long de trois axes, X, Y et Z, qui sont orthogonaux les uns aux autres dans un système de coordonnées cartésiennes tridimensionnelles.Chaque axe possède un capteur qui surveille la position de la sonde sur cet axe, généralement avec une précision micrométrique.Lorsque la sonde entre en contact (ou détecte autrement) un emplacement particulier sur l'objet, la machine échantillonne les trois capteurs de position, mesurant ainsi l'emplacement d'un point sur la surface de l'objet, ainsi que le vecteur tridimensionnel de la mesure prise.Ce processus est répété si nécessaire, en déplaçant la sonde à chaque fois, pour produire un « nuage de points » qui décrit les surfaces d'intérêt.

Les MMT sont couramment utilisées dans les processus de fabrication et d'assemblage pour tester une pièce ou un assemblage par rapport à l'intention de conception.Dans de telles applications, des nuages ​​de points sont générés et analysés via des algorithmes de régression pour la construction de fonctionnalités.Ces points sont collectés à l'aide d'une sonde positionnée manuellement par un opérateur ou automatiquement via Direct Computer Control (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.

les pièces

Les machines à mesurer tridimensionnelles comprennent trois éléments principaux :

• La structure principale qui comprend trois axes de mouvement.Le matériau utilisé pour construire le cadre mobile a varié au fil des ans.Le granit et l'acier étaient utilisés dans les premiers CMM.Aujourd'hui, tous les principaux fabricants de MMT fabriquent des cadres en alliage d'aluminium ou en dérivé et utilisent également de la céramique pour augmenter la rigidité de l'axe Z pour les applications de numérisation.Aujourd'hui, peu de constructeurs de MMT fabriquent encore des MMT à cadre en granit en raison des exigences du marché en matière de dynamique métrologique améliorée et de la tendance croissante à installer les MMT en dehors du laboratoire de qualité.En règle générale, seuls les constructeurs de MMT en faible volume et les fabricants nationaux en Chine et en Inde fabriquent encore des MMT en granit en raison d'une approche peu technologique et d'une entrée facile pour devenir un constructeur de cadres de MMT.La tendance croissante au scanning nécessite également que l'axe Z de la MMT soit plus rigide et de nouveaux matériaux ont été introduits 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, portatives ou portables.

Précision

La précision des machines de mesure de coordonnées est généralement donnée sous forme de facteur d'incertitude en fonction de la distance.Pour une MMT utilisant un palpeur, cela concerne la répétabilité du palpeur et la précision des échelles linéaires.La répétabilité typique de la sonde peut donner lieu à des mesures de moins 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 régulièrement calibrés à l'aide d'étalons traçables et le mouvement de la machine est vérifié à l'aide de jauges pour garantir la précision.

Pièces spécifiques

Corps de machine

La première MMT a été développée par la société Ferranti d'Écosse dans les années 1950 en réponse à un besoin direct de mesurer des composants de précision dans leurs produits militaires, bien que cette machine n'ait que 2 axes.Les premiers modèles à 3 axes ont commencé à apparaître dans les années 1960 (DEA d'Italie) et le contrôle par ordinateur a fait ses débuts au début des années 1970, mais la première MMT fonctionnelle a été développée et mise en vente par Browne & Sharpe à Melbourne, en Angleterre.(Leitz Allemagne a ensuite produit une structure de machine fixe avec table mobile.

Dans les machines modernes, la superstructure de type portique a deux pieds et est souvent appelée pont.Celui-ci se déplace librement le long de la table en granit avec un pied (souvent appelé pied intérieur) suivant un rail de guidage fixé sur un côté de la table en granit.Le pied opposé (souvent extérieur) repose simplement sur la table en granit en suivant le contour vertical de la surface.Les coussinets d'air sont la méthode choisie pour garantir un déplacement sans friction.Dans ceux-ci, l'air comprimé est forcé à travers une série de très petits trous dans une surface d'appui plate pour fournir un coussin d'air lisse mais contrôlé sur lequel la MMT peut se déplacer de manière quasiment sans frottement, ce qui peut être compensé par un logiciel.Le mouvement du pont ou du portique le long de la table en granit forme un axe du plan XY.Le pont du portique contient un chariot qui traverse entre les pieds intérieur et extérieur et forme l'autre axe horizontal X ou Y.Le troisième axe de mouvement (axe Z) est assuré par l'ajout d'une plume ou d'une broche verticale qui se déplace de haut en bas à travers le centre du chariot.La sonde tactile forme le dispositif de détection à l'extrémité de la plume.Le mouvement des axes X, Y et Z décrit entièrement l'enveloppe de mesure.Des tables rotatives en option peuvent être utilisées pour améliorer l'accessibilité de la sonde de mesure aux pièces complexes.La table rotative comme quatrième axe d'entraînement n'améliore pas les dimensions de mesure, qui restent en 3D, mais offre une certaine flexibilité.Certaines sondes tactiles sont elles-mêmes des dispositifs rotatifs alimentés avec la pointe de la sonde capable de pivoter verticalement sur plus de 180 degrés et sur une rotation complète de 360 ​​degrés.

Les MMT sont désormais également disponibles sous diverses autres formes.Il s'agit notamment des bras CMM qui utilisent des mesures angulaires prises au niveau des articulations du bras pour calculer la position de la pointe du stylet, et peuvent être équipés de sondes pour le balayage laser et l'imagerie optique.De telles MMT à bras sont souvent utilisées lorsque leur portabilité constitue un avantage par rapport aux MMT à lit fixe traditionnelles. En stockant les emplacements mesurés, le logiciel de programmation permet également de déplacer le bras de mesure lui-même et son volume de mesure autour de la pièce à mesurer au cours d'une routine de mesure.Parce que les bras de MMT imitent la flexibilité d'un bras humain, ils sont également souvent capables d'atteindre l'intérieur de pièces complexes qui ne pourraient pas être sondées à l'aide d'une machine standard à trois axes.

Sonde mécanique

Au début de la mesure de coordonnées (CMM), les sondes mécaniques étaient installées dans un support spécial au bout de la plume.Une sonde très courante était fabriquée en soudant une bille dure à l’extrémité d’un arbre.C'était idéal pour mesurer toute une gamme de surfaces planes, cylindriques ou sphériques.D'autres sondes ont été meulées selon des formes spécifiques, par exemple un quadrant, pour permettre la mesure de caractéristiques spéciales.Ces sondes étaient physiquement maintenues contre la pièce à usiner, la position dans l'espace étant lue à partir d'un affichage numérique à 3 axes (DRO) ou, dans des systèmes plus avancés, étant enregistrée dans un ordinateur au moyen d'une pédale ou d'un dispositif similaire.Les mesures prises par cette méthode de contact étaient souvent peu fiables car les machines étaient déplacées à la main et chaque opérateur de machine appliquait différentes pressions sur la sonde ou adoptait des techniques de mesure différentes.

Un autre développement a été l'ajout de moteurs pour entraîner chaque axe.Les opérateurs n'avaient plus besoin de toucher physiquement la machine mais pouvaient piloter chaque axe à l'aide d'une boîte à main dotée de joysticks, à peu près de la même manière qu'avec les voitures télécommandées modernes.L'exactitude et la précision des mesures se sont considérablement améliorées avec l'invention de la sonde électronique à déclenchement tactile.Le pionnier de ce nouveau dispositif de sonde était David McMurtry, qui a ensuite créé ce qui est aujourd'hui Renishaw plc.Bien qu'il s'agisse encore d'un dispositif de contact, la sonde était équipée d'un stylet à bille d'acier à ressort (plus tard à bille de rubis).Lorsque la sonde touchait la surface du composant, le stylet déviait et envoyait simultanément les informations de coordonnées X, Y, Z à l'ordinateur.Les erreurs de mesure causées par des opérateurs individuels sont devenues moins nombreuses et le décor était planté pour l'introduction des opérations CNC et l'avènement des MMT.

Les sondes optiques sont des systèmes à lentilles CCD, qui se déplacent comme les sondes mécaniques et visent le point d'intérêt au lieu de toucher le matériau.L'image capturée de la surface sera enfermée dans les bordures d'une fenêtre de mesure, jusqu'à ce que le résidu soit suffisant pour contraster entre les zones noires et blanches.La courbe de division peut être calculée jusqu'à un point qui est le point de mesure souhaité dans l'espace.Les informations horizontales sur le CCD sont 2D (XY) et la position verticale est la position du système de palpage complet sur le support Z-drive (ou autre composant de l'appareil).

Systèmes de sondes de balayage

Il existe des modèles plus récents dotés de sondes qui glissent le long de la surface de la pièce en prenant des points à des intervalles spécifiés, appelés sondes de balayage.Cette méthode d'inspection sur MMT est souvent plus précise que la méthode conventionnelle au palpeur et la plupart du temps également plus rapide.

La prochaine génération de numérisation, connue sous le nom de numérisation sans contact, qui comprend la triangulation laser à point unique à grande vitesse, la numérisation par ligne laser et la numérisation à lumière blanche, progresse très rapidement.Cette méthode utilise soit des faisceaux laser, soit de la lumière blanche projetée contre la surface de la pièce.Plusieurs milliers de points peuvent ensuite être pris et utilisés non seulement pour vérifier la taille et la position, mais également pour créer une image 3D de la pièce.Ces « données de nuage de points » peuvent ensuite être transférées vers un logiciel de CAO pour créer un modèle 3D fonctionnel de la pièce.Ces scanners optiques sont souvent utilisés sur des pièces molles ou délicates ou pour faciliter la rétro-ingénierie.

Sondes de micrométrologie

Les systèmes de sondage pour les applications de métrologie à l’échelle microscopique constituent un autre domaine émergent.Il existe plusieurs machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) disponibles dans le commerce dotées d'une microsonde intégrée au système, plusieurs systèmes spécialisés dans les laboratoires gouvernementaux et un certain nombre de plates-formes de métrologie construites par des universités pour la métrologie à micro-échelle.Bien que ces machines soient de bonnes et dans de nombreux cas d'excellentes plates-formes de métrologie avec des échelles nanométriques, leur principale limitation est une sonde micro/nano fiable, robuste et performante.^{[citation requise]}Les défis des technologies de sondage à l'échelle micrométrique incluent la nécessité d'une sonde à rapport d'aspect élevé permettant d'accéder à des caractéristiques profondes et étroites avec de faibles forces de contact afin de ne pas endommager la surface et une haute précision (niveau nanométrique).^{[citation requise]}De plus, les sondes micrométriques sont sensibles aux conditions environnementales telles que l'humidité et aux interactions de surface telles que le frottement (causé par l'adhésion, le ménisque et/ou les forces de Van der Waals, entre autres).^{[citation requise]}

Les technologies permettant de réaliser des sondages à l'échelle microscopique comprennent, entre autres, une version réduite des sondes CMM classiques, des sondes optiques et une sonde à ondes stationnaires.Cependant, les technologies optiques actuelles ne peuvent pas être suffisamment réduites pour mesurer des caractéristiques profondes et étroites, et la résolution optique est limitée par la longueur d’onde de la lumière.L'imagerie aux rayons X fournit une image de la caractéristique mais aucune information métrologique traçable.

Principes physiques

Des sondes optiques et/ou des sondes laser peuvent être utilisées (si possible en combinaison), qui transforment les MMT en microscopes de mesure ou en machines de mesure multicapteurs.Les systèmes de projection de franges, les systèmes de triangulation à théodolite ou les systèmes de distance et de triangulation laser ne sont pas appelés machines de mesure, mais le résultat de la mesure est le même : un point spatial.Les sondes laser sont utilisées pour détecter la distance entre la surface et le point de référence à l'extrémité de la chaîne cinématique (c'est-à-dire : fin du composant Z-drive).Cela peut utiliser une fonction interférométrique, une variation de focalisation, une déviation de la lumière ou un principe d'ombrage du faisceau.

Machines à mesurer tridimensionnelles 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 numérisation sans bras qui utilisent des méthodes de triangulation optique et permettent une totale liberté de mouvement. autour de l'objet.

Les MMT portables à bras articulés ont six ou sept axes équipés d'encodeurs rotatifs, au lieu d'axes linéaires.Les bras portables sont légers (généralement moins de 20 livres) et peuvent être transportés et utilisés presque partout.Cependant, les MMT optiques sont de plus en plus utilisées dans l'industrie.Conçues avec des caméras compactes linéaires ou matricielles (comme la Microsoft Kinect), les MMT optiques sont plus petites que les MMT portables avec bras, ne comportent aucun fil et permettent aux utilisateurs de prendre facilement des mesures 3D de tous types d'objets situés presque n'importe où.

Certaines applications non répétitives telles que l'ingénierie inverse, le prototypage rapide et l'inspection à grande échelle de pièces de toutes tailles conviennent parfaitement aux MMT portables.Les avantages des MMT portables sont multiples.Les utilisateurs ont la possibilité de prendre des mesures 3D de tous types de pièces et dans les endroits les plus éloignés/difficiles.Ils sont faciles à utiliser et ne nécessitent pas d’environnement contrôlé pour prendre des mesures précises.De plus, les MMT portables ont tendance à coûter moins cher que les MMT traditionnelles.

Les compromis inhérents aux MMT portables sont le fonctionnement manuel (elles nécessitent toujours un humain pour les utiliser).De plus, leur précision globale peut être légèrement moins précise que celle d'une MMT de type pont et est moins adaptée à certaines applications.

Machines de mesure multicapteurs

La technologie MMT traditionnelle utilisant des palpeurs est aujourd'hui souvent combinée avec d'autres technologies de mesure.Cela inclut des capteurs laser, vidéo ou de lumière blanche pour fournir ce que l'on appelle une mesure multicapteur.