Qu'est-ce que la machine de mesure des coordonnées?

UNcoordonner la machine à mesurer(CMM) est un appareil qui mesure la géométrie des objets physiques en détectant des points discrets à la surface de l'objet avec une sonde. Divers types de sondes sont utilisés dans le CMMS, notamment la lumière mécanique, optique, laser et blanche. Selon la machine, la position de la sonde peut être contrôlée manuellement par un opérateur ou elle peut être contrôlée par ordinateur. Le CMMS spécifie généralement la position d'une sonde en termes de déplacement à partir d'une position de référence dans un système de coordonnées cartésiennes tridimensionnel (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 à l'angle de la sonde d'être contrôlée pour permettre la mesure des surfaces qui seraient autrement inaccessibles.

Le CMM «Bridge» 3D typique permet le mouvement de la sonde le long de trois axes, x, y et z, qui sont orthogonaux les uns aux autres dans un système de coordonnées cartésiennes tridimensionnel. Chaque axe a un capteur qui surveille la position de la sonde sur cet axe, généralement avec précision micrométrique. Lorsque la sonde contacte (ou détecte autrement) un emplacement particulier sur l'objet, la machine échantillonne les trois capteurs de position, mesurant ainsi l'emplacement d'un point à 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.

Une utilisation courante du CMMS est dans les processus de fabrication et d'assemblage pour tester une pièce ou un assemblage contre l'intention de conception. Dans de telles applications, des nuages ​​de points sont générés qui sont analysés via des algorithmes de régression pour la construction de fonctionnalités. Ces points sont collectés en utilisant une sonde qui est positionnée manuellement par un opérateur ou automatiquement via un contrôle d'ordinateur direct (DCC). Le CMMS DCC peut être programmé pour mesurer à plusieurs reprises des pièces identiques; Ainsi, un CMM automatisé est une forme spécialisée de robot industriel.

Parties

Les machines de mesure des coordonnées comprennent trois composants 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 ont été utilisés dans les premiers CMM. Aujourd'hui, tous les principaux fabricants de CMM construisent des cadres à partir d'alliage d'aluminium ou d'un dérivé et utilisent également de la céramique pour augmenter la rigidité de l'axe Z pour les applications de balayage. Aujourd'hui, peu de constructeurs CMM fabriquent encore un cadre de granit en raison des besoins du marché pour une amélioration de la dynamique de métrologie et une tendance croissante à installer CMM en dehors du laboratoire de qualité. En règle générale, seuls les constructeurs CMM à faible volume et les fabricants nationaux en Chine et en Inde fabriquent toujours du Granite CMM en raison d'une approche de faible technologie et d'une entrée facile pour devenir un générateur de cadre CMM. La tendance croissante vers le balayage nécessite également que l'axe CMM Z soit plus rigide et que 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, ordinaires de poche et portables.

Précision

La précision des machines de mesure des coordonnées est généralement donnée comme facteur d'incertitude en fonction de la distance. Pour un CMM utilisant une sonde tactile, cela concerne la répétabilité de la sonde et la précision des échelles linéaires. La répétabilité de sonde typique peut entraîner des mesures de 0,001 mm ou .00005 pouces (demi-dixième) sur l'ensemble du volume de mesure. Pour les machines 3, 3 + 2 et 5 axes, les sondes sont systématiquement calibrées à l'aide de normes traçables et le mouvement de la machine est vérifié à l'aide de jauges pour assurer la précision.

Pièces spécifiques

Corps machine

Le premier CMM a été développé par la Ferranti Company of Scotland dans les années 1950 à la suite d'un besoin direct de mesurer les composants de précision dans leurs produits militaires, bien que cette machine n'avait que 2 axes. Les premiers modèles de 3 axes ont commencé à apparaître dans les années 1960 (DEA d'Italie) et le contrôle informatique a fait ses débuts au début des années 1970, mais le premier CMM qui fonctionne a été développé et mis en vente par Browne & Sharpe à Melbourne, en Angleterre. (Leitz Allemagne a produit par la suite une structure de machine fixe avec table en mouvement.

Dans les machines modernes, la superstructure de type portique a deux jambes et est souvent appelée pont. Cela se déplace librement le long de la table de granit avec une jambe (souvent appelée jambe intérieure) après un rail de guidage attaché à un côté de la table de granit. La jambe opposée (souvent à l'extérieur) repose simplement sur la table de granit suivant le contour de surface vertical. Les roulements à air sont la méthode choisie pour assurer un voyage sans friction. Dans ceux-ci, l'air comprimé est forcé par une série de très petits trous dans une surface de palier plat pour fournir un coussin d'air lisse mais contrôlé sur lequel le CMM peut se déplacer de manière presque sans friction qui peut être compensée par le logiciel. Le mouvement du pont ou du portique le long de la table de granit forme un axe du plan XY. Le pont du portique contient une voiture qui traverse les jambes intérieures et extérieures et forme l'autre axe horizontal x ou y. Le troisième axe de mouvement (axe z) est fourni par l'ajout d'une plume verticale ou d'une broche 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 pleinement l'enveloppe de mesure. Des tables rotatives en option peuvent être utilisées pour améliorer l'accessible de la sonde de mesure aux pièces compliquées. La table rotative en tant qu'axe du quatrième entraînement n'améliore pas les dimensions de mesure, qui restent 3D, mais il offre un degré de flexibilité. Certaines sondes tactiles sont elles-mêmes des dispositifs rotatifs alimentés avec la pointe de la sonde capable de pivoter verticalement à plus de 180 degrés et par une rotation complète à 360 degrés.

Le CMMS est désormais également disponible sous une variété d'autres formes. Il s'agit notamment des bras CMM qui utilisent des mesures angulaires prises aux joints du bras pour calculer la position de la pointe du stylet, et peuvent être équipées de sondes pour le balayage laser et l'imagerie optique. Ces CMM de bras sont souvent utilisés lorsque leur portabilité est un avantage par rapport au CMMS à lit fixe traditionnel - en stockant les emplacements mesurés, les logiciels de programmation permet également de déplacer le bras de mesure lui-même et son volume de mesure, autour de la pièce à mesurer pendant une routine de mesure. Parce que les bras CMM imitent la flexibilité d'un bras humain, ils sont également souvent capables d'atteindre l'intérieur de pièces complexes qui ne pouvaient pas être sondées à l'aide d'une machine à trois axes standard.

Sonde mécanique

Au début de la mesure des coordonnées (CMM), des sondes mécaniques ont été installées dans un support spécial à l'extrémité de la plume. Une sonde très commune a été réalisée en soudant une balle dure à l'extrémité d'un arbre. Cela était idéal pour mesurer toute une gamme de surfaces à face plate, cylindriques ou sphériques. D'autres sondes étaient des formes spécifiques, par exemple un quadrant, pour permettre la mesure des caractéristiques spéciales. Ces sondes ont été maintenues physiquement contre la pièce avec la position dans l'espace lu à partir d'une lecture numérique à 3 axes (DRO) ou, dans des systèmes plus avancés, connectés à un ordinateur au moyen d'un commutateur ou d'un appareil similaire. Les mesures prises par cette méthode de contact n'étaient souvent pas fiables à mesure que les machines étaient déplacées à la main et que chaque opérateur de machine a appliqué différentes quantités de pression sur la sonde ou a adopté des techniques différentes pour la mesure.

Un développement supplémentaire a été l'ajout de moteurs pour conduire chaque axe. Les opérateurs n'avaient plus à toucher physiquement la machine, mais pouvaient conduire chaque axe à l'aide d'une boîte à main avec des joysticks de la même manière que avec les voitures à télécommande modernes. La précision de la mesure et la précision se sont considérablement améliorées avec l'invention de la sonde de déclenchement tactile électronique. Le pionnier de ce nouveau dispositif de sonde était David McMurtry qui a ensuite formé ce qui est maintenant Renishaw plc. Bien que toujours un dispositif de contact, la sonde avait un stylet à balle en acier à ressort (plus tard Ruby Ball). Lorsque la sonde a touché la surface du composant, le stylet a dévié et a simultanément envoyé les informations x, y, z à l'ordinateur. Les erreurs de mesure causées par les opérateurs individuels sont devenues moins élevées et la scène a été définie pour l'introduction des opérations CNC et la maturité du CMMS.

Les sondes optiques sont des systèmes Lens-CCD, qui sont déplacés comme les 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 adéquat pour contraster entre les zones noires et blanches. La courbe de division peut être calculée à un point, qui est le point de mesure recherché dans l'espace. Les informations horizontales sur le CCD sont 2D (XY) et la position verticale est la position du système de sondage complet sur le stand Z-Drive (ou un autre composant de périphérique).

Systèmes de sonde à numérisation

Il existe de nouveaux modèles qui ont des sondes qui traînent le long de la surface des points de prise de pièce à des intervalles spécifiés, appelés sondes à balayage. Cette méthode d'inspection CMM est souvent plus précise que la méthode tactile conventionnelle et la plupart du temps plus rapidement.

La prochaine génération de balayage, appelée balayage sans contact, qui comprend une triangulation à point laser à haute vitesse, un balayage de ligne laser et un balayage de lumière blanche, progresse très rapidement. Cette méthode utilise des faisceaux laser ou de la lumière blanche qui sont projetées sur 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 aussi pour créer une image 3D de la pièce. Ces «données ponctuelles» peuvent ensuite être transférées vers le logiciel CAO pour créer un modèle 3D fonctionnel de la pièce. Ces scanners optiques sont souvent utilisés sur des pièces douces ou délicates ou pour faciliter l'ingénierie inverse.

Sondes de micrométrologie

Les systèmes de sondage pour les applications de métrologie microscopique sont une autre zone émergente. Il existe plusieurs machines de mesure des coordonnées (CMM) disponibles dans le commerce qui ont une microsonde intégrée dans le système, plusieurs systèmes de spécialité dans les laboratoires gouvernementaux et un certain nombre de plateformes de métrologie de construction universitaire pour la métrologie à microscope. Bien que ces machines soient bonnes et, dans de nombreux cas, excellentes plates-formes de métrologie à échelle nanométrique, leur principale limitation est une sonde micro / nano fiable, robuste et capable.^{[Citation nécessaire]}Les défis pour les technologies de sondage à l'échelle microscopique comprennent la nécessité d'une sonde à rapport d'aspect élevé donnant la possibilité d'accéder aux caractéristiques étroites et étroites avec des forces de contact faibles afin de ne pas endommager la surface et la haute précision (niveau nanométrique).^{[Citation nécessaire]}De plus, les sondes à l'échelle microscopique sont sensibles aux conditions environnementales telles que l'humidité et les interactions de surface telles que la striction (causée par l'adhésion, le ménisque et / ou les forces de van der Waals).^{[Citation nécessaire]}

Les technologies pour obtenir le sondage à microscope comprennent la version réduite des sondes CMM classiques, les sondes optiques et une sonde à ondes permanentes, entre autres. Cependant, les technologies optiques actuelles ne peuvent pas être mises à l'échelle suffisamment petites pour mesurer la caractéristique profonde et étroite et la résolution optique est limitée par la longueur d'onde de la lumière. L'imagerie aux rayons X fournit une image de la fonctionnalité mais aucune information de métrologie traçable.

Principes physiques

Des sondes optiques et / ou des sondes laser peuvent être utilisées (si possible en combinaison), qui modifient le CMMS en microscopes de mesure ou des machines à mesure multi-capteurs. Les systèmes de projection de franges, les systèmes de triangulation de théodolite ou les systèmes laser éloignés et de triangulation ne sont pas appelés machines de mesure, mais le résultat de 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.-à-d. Extrémité du composant à disque Z). Cela peut utiliser une fonction interférométrique, une variation de mise au point, une déviation de la lumière ou un principe d'observation du faisceau.

Machines de mesure de coordonnées portables

Alors que les CMM traditionnels utilisent une sonde qui se déplace sur trois axes cartésiens pour mesurer les caractéristiques physiques d'un objet, les CMM portables utilisent des bras articulés ou, dans le cas des CMMs 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.

Le CMMS portable avec des bras articulés a six ou sept axes équipés de cocoteurs rotatifs, au lieu de axes linéaires. Les bras portables sont légers (généralement moins de 20 livres) et peuvent être transportés et utilisés presque n'importe où. Cependant, les CMM optiques sont de plus en plus utilisés dans l'industrie. Conçu avec des caméras compactes linéaires ou matricielles (comme le Microsoft Kinect), les CMMs optiques sont plus petits que les CMM portables avec des bras, ne comportent pas de fils et permettent aux utilisateurs de prendre facilement des mesures 3D de tous les types d'objets situés presque partout.

Certaines applications non répétitions telles que l'ingénierie inverse, le prototypage rapide et l'inspection à grande échelle des parties de toutes tailles sont idéalement adaptées au CMMS portable. Les avantages du CMMS portable sont multiples. Les utilisateurs ont la flexibilité de prendre des mesures 3D de tous les types de pièces et dans les endroits les plus éloignés / difficiles. Ils sont faciles à utiliser et ne nécessitent pas un environnement contrôlé pour prendre des mesures précises. De plus, le CMMS portable a tendance à coûter moins cher que le CMMS traditionnel.

Les compromis inhérents des CMMs portables sont un fonctionnement manuel (ils nécessitent toujours un humain pour les utiliser). De plus, leur précision globale peut être un peu moins précise que celle d'un pont de type CMM et est moins adaptée à certaines applications.

Machines de mesure multisensor

La technologie CMM traditionnelle utilisant des sondes tactiles est aujourd'hui souvent combinée avec d'autres technologies de mesure. Cela inclut les capteurs laser, vidéo ou d'éclairage blanc pour fournir ce que l'on appelle la mesure multisensor.