Introduzione
La coordinatamacchina di misura (CMM)è uno degli strumenti più importanti nella moderna garanzia della qualità della produzione. Dai componenti automobilistici alle parti aerospaziali, dagli impianti medici ai pacchetti di semiconduttori, le CMM forniscono le misurazioni tri-dimensionali che confermano se una parte prodotta soddisfa le specifiche di progettazione.
Tuttavia, nonostante la loro prevalenza, le fonti di precisione in una CMM - e i fattori che limitano tale precisione - non sono sempre ben compresi al di fuori della comunità metrologica. Questo articolo esamina come funzionano le CMM, cosa ne consente l'accuratezza e quali fattori fisici e ambientali limitano la precisione con cui possono misurare.
L'architettura di base di una CMM
Una CMM è fondamentalmente un dispositivo di misurazione della posizione-3D. È costituito da una sonda mobile montata su una struttura strutturale che consente il movimento lungo tre assi ortogonali - X, Y e Z - su un volume di misurazione definito. La posizione della sonda lungo ciascun asse viene tracciata da encoder lineari di precisione e le misurazioni dimensionali di un pezzo vengono derivate dalle posizioni registrate della sonda al momento del contatto o della cattura.
La struttura strutturale di una CMM deve mantenere le relazioni geometriche tra gli assi - ortogonalità, rettilineità e planarità - con elevata precisione sull'intero volume di misurazione e in condizioni ambientali variabili. Le deviazioni dalla geometria ideale nella struttura della macchina si traducono direttamente in errori di misurazione.
Il sistema della sonda converte il contatto della sonda con il pezzo in un segnale di attivazione o di posizione. Le sonde a contatto-generano un segnale quando vengono deviate dalla loro posizione neutra. Le sonde di scansione misurano continuamente la loro deflessione mentre vengono spostate lungo una superficie. Le sonde laser acquisiscono i dati della nuvola di punti senza contatto. Ciascun tipo di sonda ha caratteristiche di precisione e nicchie applicative distinte.
Il tavolo di granito: il fondamento dimensionale della CMM
Alla base della maggior parte delle CMM di tipo-a ponte e a portale-si trova una piastra di superficie di precisione in granito. Ciò non è casuale - il tavolo in granito è il riferimento dimensionale primario della CMM sull'asse verticale e le sue specifiche di planarità contribuiscono direttamente alla precisione volumetrica complessiva della macchina.
Per una CMM che opera con una specifica di precisione di 1–2 µm, la planarità della tavola in granito potrebbe essere specificata a 1–3 µm sull'intera area di lavoro. Qualsiasi deviazione nella tabella che rientra nel volume di misurazione diventa parte del budget di errore geometrico della macchina.
Il granito viene utilizzato per le tavole CMM piuttosto che per le alternative metalliche per diversi motivi ben-stabiliti: stabilità dimensionale nel tempo, bassa sensibilità alle variazioni di temperatura, carattere non-magnetico, caratteristiche di smorzamento delle vibrazioni e capacità di essere lappato fino a raggiungere un'elevata planarità. La tabella Granit fornisce inoltre un riferimento stabile e ben definito per la scala dell'asse Z della CMM.
Nelle CMM con la massima precisione - quelle utilizzate dagli istituti nazionali di metrologia e dai laboratori di calibrazione - il tavolo in granito può essere verificato con tolleranze di planarità nell'intervallo di 0,5–1 µm e l'intero volume della macchina può essere mappato con un interferometro laser per caratterizzare e correggere tutti gli errori geometrici.
I 21 errori geometrici di una macchina a tre-assi
Una CMM a tre-assi è soggetta a 21 errori geometrici indipendenti che ne caratterizzano pienamente il comportamento geometrico. Ciascun asse lineare contribuisce con sei errori: tre traslazionali (errore di posizionamento lungo l'asse, rettilineità in due direzioni trasversali) e tre rotazionali (imbardata, beccheggio e rollio). La combinazione di tre-assi introduce tre errori di ortogonalità tra coppie di assi.
Questi 21 errori non sono casuali - sono sistematici e ripetibili per una determinata macchina in una determinata condizione. Le moderne CMM ad alta{3}}precisione caratterizzano tutti i 21 errori geometrici attraverso un processo di calibrazione completo che utilizza interferometri laser, squadre di precisione e barre a sfera. Una volta caratterizzati, gli errori vengono memorizzati nel computer della macchina e utilizzati per correggere le posizioni misurate in tempo reale attraverso la compensazione degli errori del software.
Questo approccio - misurazione fisica degli errori sistematici seguita dalla compensazione software - consente alle CMM di raggiungere accuratezze volumetriche che la loro precisione meccanica da sola non potrebbe supportare. Una macchina con 5 µm di errore geometrico meccanico grezzo in una certa direzione può, dopo calibrazione e compensazione geometrica completa, raggiungere una precisione volumetrica di 1 µm in scenari di misurazione tipici.
Fattori ambientali che limitano la precisione della CMM
Anche una CMM perfettamente calibrata opera in un ambiente reale e, nella pratica, i fattori ambientali sono spesso la fonte principale di incertezza di misura.
La temperatura è la variabile ambientale più significativa. Lo standard internazionale per le misurazioni dimensionali (ISO 1) definisce 20 gradi come temperatura di riferimento. Quando un pezzo, una CMM e un manufatto di riferimento si trovano tutti a temperature diverse - come accade comunemente quando una parte arriva da un piano di produzione a una sala di misurazione - le differenze dimensionali risultanti possono essere significative. Per una parte in acciaio da 500 mm, una deviazione della temperatura di 1 grado da 20 gradi introduce una variazione di lunghezza di circa 5,85 µm.
Le vibrazioni sono il secondo principale fattore ambientale. Le vibrazioni del terreno dovute ad attrezzature pesanti, traffico pedonale, sistemi HVAC e traffico possono eccitare la struttura della CMM e introdurre rumore di misurazione. Per questo motivo, le macchine di misura ad alta-precisione vengono generalmente installate su pavimenti-isolati dalle vibrazioni o su supporti antivibranti attivi-.
L'umidità non influisce direttamente sulla misurazione ma sul pezzo da lavorare: molti metalli mostrano cambiamenti dimensionali piccoli ma reali con l'umidità, e un'umidità elevata può causare condensa sulle superfici che disturba il rilevamento tattile.
Le correnti d'aria nella sala di misurazione possono introdurre gradienti di temperatura all'interno del volume di misurazione, provocando un'espansione termica locale diversa dalla media della stanza. Il controllo del movimento dell'aria attraverso un'attenta progettazione HVAC fa parte delle migliori pratiche nella metrologia ad alta-precisione.
Qualificazione della sonda e sua importanza
La sonda è l'interfaccia tra la CMM e il pezzo. La sua precisione - in particolare la sua ripetibilità e la sua corretta calibrazione rispetto al sistema di coordinate della CMM - è importante quanto la precisione geometrica della macchina.
Le sonde a contatto-devono essere qualificate utilizzando una sfera di riferimento di diametro e forma noti, denominata sfera di riferimento o sfera di qualificazione. Questo processo determina il centro e il raggio precisi della punta della sonda nel sistema di coordinate della macchina. Per le sonde a scansione, il processo di calibrazione è più elaborato e caratterizza il comportamento della sonda nell'intero intervallo di misurazione e in molteplici direzioni di approccio.
Nelle applicazioni CMM di precisione, gli artefatti di riferimento utilizzati per la qualificazione della sonda sono essi stessi calibrati e tracciabili rispetto agli standard di misurazione nazionali, mantenendo una catena ininterrotta di tracciabilità dalla misurazione CMM alla definizione internazionale del misuratore.
Tracciabilità: la catena che dà significato alle misurazioni
Un risultato di misurazione di una CMM è significativo tanto quanto la sua tracciabilità - la catena ininterrotta di confronti che collega la misurazione alla definizione fondamentale di lunghezza. Senza tracciabilità, una misurazione riportata non ha alcuna relazione stabilita con nessuno standard e non può essere confrontata in modo significativo con misurazioni effettuate in altri laboratori o su altre macchine.
In pratica, la tracciabilità della CMM viene stabilita calibrando gli encoder lineari della macchina rispetto alle misurazioni dell'interferometro laser, utilizzando artefatti di riferimento calibrati (blocchetti di riferimento, sfere di riferimento, calibri a gradino) per verificare le prestazioni della macchina e operando in un ambiente a temperatura-controllata che consenta di riportare le condizioni di misurazione insieme al risultato della misurazione.
Gli istituti nazionali di metrologia - che operano al vertice della gerarchia di tracciabilità delle misurazioni - mantengono gli standard primari da cui tutte le tarature di misurazione industriale derivano in definitiva la loro tracciabilità. Questi istituti utilizzano le CMM e gli strumenti specializzati più accurati al mondo, e i risultati delle loro misurazioni sono alla base dei sistemi di garanzia della qualità di interi settori manifatturieri nazionali.
Conclusione
La macchina di misura a coordinate è un trionfo dell'ingegneria integrata: meccanica precisa, software sofisticato, sensori calibrati e ambiente controllato che lavorano insieme per produrre misurazioni dimensionali che consentono la produzione moderna. Comprendere le fonti della precisione della CMM - la base strutturale in granito, i 21 errori geometrici e la loro correzione, i fattori ambientali, il sistema di sonde e la catena di tracciabilità - è essenziale per chiunque si affidi alle misurazioni CMM per prendere decisioni sulla qualità.
Poiché le tolleranze di produzione continuano a restringersi nei vari settori, le esigenze di precisione, stabilità e calibrazione delle CMM cresceranno parallelamente. L’ingegneria alla base di queste macchine, dal tavolo in granito in su, rimarrà centrale in questa sfida continua.