UNmachine à mesurer tridimensionnelleUne MMT est un appareil qui mesure la géométrie d'objets physiques en détectant des points discrets à leur surface à l'aide d'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 de la sonde en fonction de son déplacement par rapport à une position de référence dans un système de coordonnées cartésiennes tridimensionnel (axes XYZ). Outre le déplacement de la sonde selon les axes X, Y et Z, de nombreuses machines permettent également de contrôler l'angle de la sonde afin de mesurer des surfaces autrement inaccessibles.
La MMT 3D « pont » classique permet le déplacement de la sonde selon trois axes orthogonaux dans un système de coordonnées cartésiennes tridimensionnelles (X, Y et Z). Chaque axe est équipé d'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) un emplacement précis de l'objet, la machine échantillonne les trois capteurs de position, mesurant ainsi la position d'un point à la surface de l'objet, ainsi que le vecteur tridimensionnel de la mesure effectuée. Ce processus est répété autant de fois que nécessaire, en déplaçant la sonde à chaque fois, afin de produire un « nuage de points » décrivant les zones de surface 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 ces applications, des nuages de points sont générés, puis analysés par des algorithmes de régression pour la construction de caractéristiques. Ces points sont collectés à l'aide d'une sonde positionnée manuellement par un opérateur ou automatiquement par commande directe par ordinateur (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 de mesure de coordonnées comprennent trois composants principaux :
- La structure principale comprend trois axes de mouvement. Les matériaux utilisés pour la construction du cadre mobile ont varié au fil des ans. Le granit et l'acier étaient utilisés dans les premières MMT. Aujourd'hui, tous les principaux fabricants de MMT fabriquent des cadres en alliage d'aluminium ou un dérivé, et utilisent également la céramique pour augmenter la rigidité de l'axe Z pour les applications de numérisation. Aujourd'hui, peu de fabricants de MMT fabriquent encore des MMT à cadre en granit, en raison de la demande du marché pour une meilleure dynamique métrologique et de la tendance croissante à installer des MMT hors du laboratoire de contrôle qualité. Généralement, seuls les fabricants de MMT à faible volume et les fabricants nationaux en Chine et en Inde fabriquent encore des MMT en granit, en raison de leur faible technologie et de la facilité d'accès à la fabrication de cadres de MMT. La tendance croissante à la numérisation exige également une rigidité accrue de l'axe Z des MMT, 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 de données — comprend généralement un contrôleur de machine, un ordinateur de bureau et un logiciel d’application.
Disponibilité
Ces machines peuvent être autonomes, portatives et portables.
Précision
La précision des machines de mesure tridimensionnelle est généralement exprimée sous la forme d'un facteur d'incertitude en fonction de la distance. Pour une MMT utilisant un palpeur, cela se rapporte à la répétabilité du palpeur et à la précision des règles linéaires. La répétabilité typique du palpeur peut donner des mesures de l'ordre de 0,001 mm ou 0,00005 pouce (un demi-dixième) sur l'ensemble du volume de mesure. Pour les machines 3, 3+2 et 5 axes, les palpeurs sont systématiquement étalonnés selon des normes traçables et le mouvement de la machine est vérifié à l'aide de jauges pour garantir la précision.
Pièces spécifiques
Corps de la machine
La première MMT a été développée par la société écossaise Ferranti dans les années 1950, répondant à un besoin urgent de mesurer des composants de précision pour ses produits militaires. Cette machine ne disposait cependant que de deux axes. Les premiers modèles à trois axes ont fait leur apparition dans les années 1960 (DEA en Italie) et la commande par ordinateur a fait ses débuts au début des années 1970. La première MMT fonctionnelle a été développée et commercialisée par Browne & Sharpe à Melbourne, en Angleterre. (Leitz Allemagne a ensuite produit une machine à structure fixe avec table mobile.)
Sur les machines modernes, la superstructure de type portique comporte deux pieds, souvent appelés pont. Elle se déplace librement le long de la table en granit : un pied (souvent appelé pied intérieur) suit un rail de guidage fixé d'un côté de la table. Le pied opposé (souvent le pied extérieur) repose simplement sur la table en granit, suivant le contour vertical de la surface. Les paliers à air sont la méthode privilégiée pour garantir un déplacement sans frottement. Dans ces derniers, l'air comprimé est propulsé à travers une série de très petits trous pratiqués dans une surface plane, créant ainsi un coussin d'air fluide et contrôlé sur lequel la MMT peut se déplacer quasiment sans frottement, ce qui peut être compensé par 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 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'un fourreau vertical ou d'une broche qui monte et descend au centre du chariot. Le palpeur constitue le dispositif de détection à l'extrémité du fourreau. Le mouvement des axes X, Y et Z décrit entièrement l'enveloppe de mesure. Des tables rotatives optionnelles peuvent être utilisées pour améliorer l'accessibilité du palpeur aux pièces complexes. L'utilisation d'une table rotative comme quatrième axe d'entraînement n'améliore pas les dimensions de mesure, qui restent 3D, mais offre une certaine flexibilité. Certains palpeurs sont eux-mêmes des dispositifs rotatifs motorisés, dont la pointe peut pivoter verticalement sur plus de 180 degrés et effectuer une rotation complète sur 360 degrés.
Les MMT sont désormais disponibles sous diverses formes. Parmi celles-ci, on trouve des bras de MMT qui utilisent des mesures angulaires prises aux articulations pour calculer la position de la pointe du stylet et peuvent être équipés de sondes pour le balayage laser et l'imagerie optique. Ces bras de MMT sont souvent utilisés lorsque leur portabilité constitue un avantage par rapport aux MMT à banc fixe traditionnelles : en enregistrant les positions mesurées, le logiciel de programmation permet également de déplacer le bras de mesure et son volume de mesure autour de la pièce à mesurer lors d'une routine de mesure. Grâce à leur flexibilité, les bras de MMT imitent celle d'un bras humain et permettent souvent d'atteindre l'intérieur de pièces complexes qui ne pourraient pas être palpées avec une machine trois axes standard.
Sonde mécanique
Aux débuts de la mesure tridimensionnelle (MMT), les palpeurs mécaniques étaient fixés dans un support spécial à l'extrémité du fourreau. Un palpeur très courant était fabriqué en soudant une bille dure à l'extrémité d'un arbre. Cette méthode était idéale pour mesurer toute une gamme de surfaces planes, cylindriques ou sphériques. D'autres palpeurs étaient rectifiés selon des formes spécifiques, par exemple un quadrant, pour permettre la mesure de caractéristiques particulières. Ces palpeurs étaient maintenus physiquement contre la pièce, 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 prises 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 adoptait des techniques de mesure différentes.
Une autre avancée fut 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'une boîte à main équipée de joysticks, à la manière des voitures télécommandées modernes. L'exactitude et la précision des mesures furent considérablement améliorées grâce à l'invention du palpeur électronique à déclenchement par contact. Le pionnier de ce nouveau dispositif de palpage fut David McMurtry, qui fonda plus tard l'entreprise aujourd'hui Renishaw plc. Bien qu'il s'agisse toujours d'un dispositif de contact, le palpeur était équipé d'un stylet à bille d'acier à ressort (plus tard à bille de rubis). Lorsque le palpeur touchait la surface du composant, le stylet se déviait et transmettait simultanément les coordonnées X, Y, Z à l'ordinateur. Les erreurs de mesure causées par les opérateurs individuels diminuèrent, ouvrant la voie à l'introduction des commandes numériques et à l'avènement des MMT.
Tête de sonde automatisée motorisée avec sonde à déclenchement tactile électronique
Les sondes optiques sont des systèmes CCD à lentilles, qui se déplacent comme les sondes mécaniques et sont orientées vers le point d'intérêt, au lieu de toucher le matériau. L'image capturée de la surface est délimitée par une fenêtre de mesure, jusqu'à ce que le résidu soit suffisant pour assurer le contraste entre les zones noires et blanches. La courbe de division peut être calculée jusqu'à un point, qui correspond au point de mesure souhaité dans l'espace. L'information horizontale sur le CCD est en 2D (XY) et la position verticale correspond à la position du système de palpage complet sur le support Z-drive (ou un autre composant de l'appareil).
Systèmes de sondes à balayage
Il existe des modèles plus récents équipés de palpeurs qui se déplacent le long de la surface de la pièce et prennent des points à intervalles réguliers. Ce type de palpeur est souvent plus précis et généralement plus rapide que la méthode traditionnelle par palpeur.
La nouvelle génération de numérisation, dite sans contact, qui comprend la triangulation laser à point unique à haute vitesse, la numérisation laser linéaire et la numérisation en lumière blanche, progresse très rapidement. Cette méthode utilise des faisceaux laser ou de la lumière blanche projetés sur la surface de la pièce. Plusieurs milliers de points peuvent alors être enregistrés 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 pour créer un modèle 3D fonctionnel de la pièce. Ces scanners optiques sont souvent utilisés sur des pièces souples ou fragiles, ou pour faciliter la rétro-ingénierie.
- Sondes de micrométrologie
Les systèmes de palpage pour les applications de métrologie à micro-échelle constituent un autre domaine émergent. Plusieurs machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) du commerce intègrent une micro-sonde, ainsi que des systèmes spécialisés dans les laboratoires gouvernementaux et de nombreuses plateformes de métrologie universitaires dédiées à la métrologie à micro-échelle. Bien que ces machines soient performantes, voire excellentes, à l'échelle nanométrique, leur principale limite réside dans la fiabilité, la robustesse et la performance de leur micro-/nano-sonde.[citation nécessaire]Les défis des technologies de sondage à micro-échelle incluent la nécessité d'une sonde à rapport hauteur/largeur 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 nécessaire]De plus, les sondes à micro-échelle sont sensibles aux conditions environnementales telles que l'humidité et les interactions de surface telles que le frottement (causé par l'adhésion, le ménisque et/ou les forces de Van der Waals, entre autres).[citation nécessaire]
Les technologies permettant de réaliser des sondages à micro-échelle incluent, entre autres, des versions réduites des sondes MMT classiques, des sondes optiques et une sonde à ondes stationnaires. Cependant, les technologies optiques actuelles ne permettent pas de mesurer des structures profondes et étroites, et la 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 les MMT en microscopes de mesure ou en machines de mesure multicapteurs. Les systèmes de projection de franges, les systèmes de triangulation par théodolite ou les systèmes de télémétrie et de triangulation laser ne sont pas appelés machines de mesure, mais le résultat de mesure est le même : un point spatial. Les sondes laser servent à détecter la distance entre la surface et le point de référence à l'extrémité de la chaîne cinématique (c'est-à-dire l'extrémité du composant d'entraînement en Z). Cela peut utiliser une fonction interférométrique, une variation de focalisation, 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 numérisation sans bras qui utilisent des méthodes de triangulation optique et permettent une liberté de mouvement totale autour de l'objet.
Les MMT portables à bras articulés possèdent six ou sept axes équipés d'encodeurs rotatifs, au lieu d'axes linéaires. Légers (généralement moins de 9 kg), les bras portables peuvent être transportés et utilisés quasiment partout. Cependant, les MMT optiques sont de plus en plus utilisées dans l'industrie. Conçues avec des caméras compactes linéaires ou matricielles (comme la Kinect de Microsoft), les MMT optiques sont plus petites que les MMT portables à bras, sans fil, et permettent aux utilisateurs de prendre facilement des mesures 3D de tous types d'objets, situés quasiment n'importe où.
Certaines applications non répétitives, telles que la rétro-ingénierie, le prototypage rapide et l'inspection à grande échelle de pièces de toutes tailles, sont parfaitement adaptées aux MMT portables. Leurs avantages sont multiples. Les utilisateurs bénéficient de la flexibilité nécessaire pour prendre des mesures 3D de tous types de pièces, même dans les endroits les plus reculés ou difficiles d'accès. Elles sont faciles à utiliser et ne nécessitent pas d'environnement contrôlé pour des mesures précises. De plus, les MMT portables sont généralement moins chères que les MMT traditionnelles.
Les inconvénients inhérents aux MMT portables sont leur utilisation manuelle (elles nécessitent toujours une intervention humaine). De plus, leur précision globale peut être légèrement inférieure à celle d'une MMT à pont et elles sont moins adaptées à certaines applications.
Machines de mesure multicapteurs
La technologie MMT traditionnelle utilisant des palpeurs est aujourd'hui souvent associée à d'autres technologies de mesure, notamment des capteurs laser, vidéo ou à lumière blanche, pour fournir ce que l'on appelle des mesures multicapteurs.
Date de publication : 29 décembre 2021