Cos'è una macchina CMM?

5 apr 2021
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RIEPILOGO

Da decenni ormai le aziende che necessitano di misurazioni estremamente accurate si rivolgono alle CMM. Ma più recentemente un’altra soluzione è entrata in gioco, una che offre molti vantaggi rispetto alle CMM, tra cui portabilità, facilità d’uso, sicurezza per le superfici/nessun contatto necessario, misurazioni tra le 10 e le 50 volte più veloci e altro ancora.

I VANTAGGI DELLE CMM
alta precisione, affidabilità, durata
GLI SVANTAGGI DELLE CMM
costi, bassa velocità, lunga curva di apprendimento
ALTERNATIVA: SCANNER 3D
convenienti, veloci, facili da usare, senza contatto

Introduzione

Avere delle misurazioni lineari accurate è fondamentale in qualsiasi società da millenni. Il primo vero strumento di metrologia è stato il corpo umano stesso, le unità di misura erano la larghezza di un dito, un piede o un cubito (distanza dal gomito alla punta del dito medio). Da allora abbiamo percorso molta strada.

Alla fine abbiamo inventato righelli, calibri e metri a nastro. Questi strumenti sono ancora con noi al giorno d’oggi e hanno un posto ben meritato nella cassetta degli attrezzi della metrologia. Ma poi, tra la fine degli anni ’50 e l’inizio degli anni ’60, apparvero sul mercato le prime CMM a tre assi. Arrivammo così alla comparsa di CMM portatili con bracci di misurazione all’inizio degli anni ’80.

A ogni anno passato, la tecnologia è diventata sempre migliore, rendendo le moderne CMM una scelta preferita da migliaia di utenti in tutto il mondo per l’ispezione della qualità.

Al di là del regno del controllo di qualità, le macchine di misura a coordinate, controllate o programmate, sono state utilizzate anche nel reverse engineering, nella prototipazione rapida e in altri campi.

Come funzionano le macchine CMM

Misura CMM di ingranaggi a vite in acciaio temprato

Immagina di prendere il tuo dito e farlo passare su un oggetto, usiamo come esempio una mappa in rilievo. Fai scorrere la punta del dito lungo il bordo di una catena montuosa, attraverso una valle profonda, e poi sali fino alla vetta più alta. Mentre lo fai, le coordinate di longitudine (X), latitudine (Y) e altitudine (Z) della punta del dito cambiano mentre ti muovi.

PUNTO CHIAVE

Una sonda a contatto registra i punti sulle superfici della parte o dell’oggetto da misurare.

Una macchina di misura a coordinate funziona in modo simile. Per illustrare questo processo, ci concentreremo sull’utilizzo di una CMM con una sonda touch-trigger, senza dubbio la sonda CMM più popolare in uso oggi. Questa sonda altamente sensibile registra i punti lungo le superfici della parte o dell’oggetto da misurare.

I tre assi (XYZ) dove la sonda tocca l’oggetto vengono registrati dalla CMM e, se combinati con dozzine a centinaia di altre misurazioni XYZ, vengono utilizzati per misurare con precisione l’oggetto o la parte, spesso a scopo di ispezione. Queste misurazioni vengono quindi confrontate con le specifiche per verificare che la parte sia conforme a standard accettabili.

Categorie di macchine CMM

I quattro tipi di base di macchine CMM includono ponte, cantilever, a portale e braccio orizzontale. Tra queste, le CMM a ponte sono, senza dubbio, le più popolari, in grado di fornire capacità di misurazione precise al micrometro. La loro relativa convenienza è dovuta ai bassi costi di produzione.

Un lotto di parti di macchine ingegnerizzate

Le CMM cantilever, progettate per lavorare con oggetti e parti più piccole, sono normalmente adatte per l’utilizzo in officina dove il loro accesso aperto su tre lati ne rende comodo l’utilizzo da parte degli operatori. Le CMM a portale offrono l’ottima precisione di una CMM a ponte, ma per parti grandi e pesanti. Essendo montate a pavimento, le macchine a portale richiedono una solida base per l’installazione.

Le CMM a braccio orizzontale sono le meno accurate di tutte, ma offrono molteplici vantaggi durante l’ispezione di oggetti e componenti più grandi, in particolare con maggiori volumi di produzione, come quelli che si trovano spesso nell’industria automobilistica, navale e ferroviaria. Finché le specifiche di tolleranza critica non superano le prestazioni della CMM scelta, i bracci orizzontali possono essere soluzioni di ispezione convenienti.

Tipi di sonde CMM

Sono disponibili vari tipi di sonde CMM, comprese sonde touch-trigger, sonde di misurazione dello spostamento, sonde di prossimità e sonde multisensore.

Cominciamo con le sonde touch-trigger. Affinché possano ritrasmettere le loro coordinate al processore della CMM, devono essere portate a contatto con la superficie dell’oggetto da misurare. Invece le sonde di misurazione dello spostamento funzionano scansionando la parte o il componente, con la sonda che trasmette un flusso di dati di misurazione della superficie alla CMM.

Le sonde di prossimità funzionano in modo simile alle sonde di misura dello spostamento, in quanto non richiedono che la sonda entri in contatto fisico con l’oggetto. La differenza delle sonde di prossimità è il loro utilizzo di laser o tecnologie video piuttosto che di sensori optoelettrici, utilizzati dalle sonde di misurazione dello spostamento.

Tecnico CMM e robot che catturano una parte di automobile

Punti di forza delle macchine CMM

Voltate qualche pagina in qualsiasi giornale di metrologia e vi verrà mostrato come le CMM possono fornire un’incredibile accuratezza e precisione submillimetrica su una grande varietà di geometrie. Inoltre, le principali macchine di misura a coordinate continueranno a funzionare per anni. Investire in tale tecnologia può essere fatto aspettandosi che l’attrezzatura continui a funzionare per un decennio o più.

PUNTO CHIAVE

Le CMM possono fornire un’incredibile accuratezza e precisione submillimetrica su un’ampia varietà di geometrie.

Le macchine di misura a coordinate possono essere una soluzione efficace per il controllo di parti e componenti sia durante la pre-produzione che durante l’ispezione in linea o finale. Quando vengono utilizzate all’interno di un flusso di lavoro di ispezione della qualità consolidato, le CMM, con la loro costante capacità di misurare con precisione anche nell’intervallo submillimetrico, possono far risparmiare tempo e denaro e persino prevenire il sorgere di cause legali e catastrofi.

Svantaggi

Costi, installazione, programmazione

La fascia di prezzo di una macchina di misura a coordinate di qualità può variare da circa 50.000 $ fino a 250.000 $ o più, a seconda delle caratteristiche e delle prestazioni. Anche se di solito tale acquisto è da farsi una volta ogni dieci anni, può comunque essere una spesa notevole. Anche l’installazione è un costo secondario da prendere in considerazione. Le CMM devono essere installate correttamente in una stanza con adeguata ventilazione, su una lastra antivibrante, con una fornitura costante di aria compressa a portata di mano.

Ispezione di un blocco motore con una CMM

In totale l’attrezzatura più l’installazione possono far salire il prezzo di una macchina di misura a coordinate affidabile, ma di fascia media, fino a 500.000 $, se non oltre. Poi c’è da considerare la formazione per utilizzarla. Essendo strumenti metrologici, le CMM devono essere utilizzate da esperti con le necessarie capacità tecniche. Ciò richiede tempo e formazione. Inoltre, tali tecnici esperti sono molto richiesti in tutto il settore.

Una volta che una macchina CMM è in posizione e pronta per l’uso, con un operatore qualificato a fianco, oltre alla calibrazione iniziale richiede anche di essere programmata per i tipi di parti e oggetti da misurare regolarmente. Le ispezioni di una volta sola di componenti insoliti possono richiedere molto tempo per l’installazione, poiché normalmente richiedono una programmazione apposita da fare in anticipo.

PUNTO CHIAVE

Gli oggetti di grandi dimensioni, come quelli comunemente visti nel settore aerospaziale, automobilistico e persino archeologico, possono richiedere periodi di tempo eccessivamente lunghi per misurarli adeguatamente.

Poiché le CMM richiedono che le parti siano posizionate correttamente, quindi tenute ferme prima della misurazione, gli operatori devono tenere conto di questo tempo aggiuntivo per ciascun oggetto. Inoltre gli oggetti di grandi dimensioni, come quelli comunemente visti nel settore aerospaziale, automobilistico e persino archeologico, possono richiedere periodi di tempo eccessivamente lunghi per misurarli adeguatamente. Ciò può trasformarsi in un compito estremamente faticoso per l’operatore.

Misurazioni lente, affaticamento dell’operatore, rischio di danni

Un esempio di questa situazione è quando degli archeologi marittimi hanno tentato di utilizzare una macchina CMM (braccio Faro) per misurare con precisione le assi di legno lunghe 8 metri di una nave dell’era vichinga. Ogni asse ha richiesto più di due ore di misurazione con la macchina CMM. Con 228 assi davanti a loro, il team di 4 persone avrebbe impiegato più di un anno per elaborare il tutto tramite quel dispositivo.

Un archeologo marittimo che cattura i pezzi di antiche navi in legno con Artec Eva

Avendo una scadenza in rapido avvicinamento, gli archeologi si sono rivolti alla scansione 3D. In contrasto con la loro macchina CMM, lo scanner 3D portatile che hanno scelto ha catturato ed elaborato tutti i 228 legni a colori ad alta risoluzione in un solo mese. Ogni asse è stata catturata in soli 5-10 minuti. E il livello di dettaglio delle scansioni è stato sufficiente per le analisi dendrocronologiche per determinare in modo specifico l’origine di questo antico legno.

A parte i lunghi tempi di misurazione, quando si ispezionano pezzi con una macchina CMM, utilizzando i tipi più comuni di sonde, è necessario portare la sonda a contatto con ogni superficie da misurare. Questo può rivelarsi impegnativo, soprattutto quando alcune sezioni di una parte sono bloccate o in luoghi difficili da raggiungere. Ciò può comportare l’impossibilità di misurare quella superficie, e di doverla ricreare successivamente tramite software. Di conseguenza, la precisione è destinata a risentirne.

Macchina CMM che misura le dimensioni di un ricambio per auto

Inoltre l’esigenza di contatto delle macchine CMM ne preclude l’utilizzo in numerose applicazioni. Non solo la sonda di misura può deformare la gomma o le parti morbide quando le tocca, causando imprecisioni, ma non è raro che le sonde CMM infliggano danni a diversi materiali. Possono sorgere facilmente graffi, tagli e altri difetti sulla superficie.

Per questo motivo i metodi di misurazione senza contatto come la scansione 3D sono soluzioni di misurazione indispensabili nei campi più diversi, come il reverse engineering e l’archeologia, il controllo di qualità e la conservazione storica, nonché la medicina legale e altro. Gli esperti di tutto il mondo sanno che quando sono in gioco oggetti di alto valore o prove giuridiche, non dovrebbe sussistere alcuna possibilità che si verifichi un danno irreversibile.

La Scansione 3D come valida alternativa

Come accennato in precedenza gli scanner 3D portatili e desktop professionali possono essere una soluzione efficace anche per le attività di controllo qualità, ispezione o reverse engineering più esigenti. In qualsiasi fase di un flusso di lavoro di produzione, in fabbrica, sulla banchina di carico o altrove, in pochi minuti uno scanner di questo tipo può catturare in 3D submillimetrico ciò che una macchina CMM rigidamente fissata al suo posto potrebbe richiedere un’ora o più a misurare.

Velocità, facilità d’uso, portabilità

Un vivido esempio di quanto detto è avvenuta al British Museum, quando una squadra di due persone è stata incaricata di catturare più di 400 fragili calchi in gesso del XIX secolo di antichi monumenti Maya in poche settimane. La misurazione con contatto fisico era fuori discussione, a causa dei possibili danni, per non parlare dei vincoli di tempo. La precisione fino al submillimetro era essenziale, ricercatori e musei aspettavano con ansia i modelli virtuali e stampati in 3D.

PUNTO CHIAVE

Gli scanner 3D professionali sono abbastanza facili da utilizzare e possono essere una soluzione rapida ed efficace anche per le attività di controllo qualità, ispezione o reverse engineering più esigenti.

Ogni calco in gesso di dimensioni medio-grandi è stato scansionato in soli 10 minuti. Tutte le superfici, comprese le incisioni profonde e di difficile accesso e i bordi curvi, sono state meticolosamente catturate in 3D a colori ad alta risoluzione. Anche se una macchina CMM fosse stata un’opzione sicura, il tempo richiesto per ogni calco sarebbe stato di ben oltre un’ora, trasformando questo progetto urgente in un’opera lunga mesi e mesi.

Calchi di scansione 3D dei monumenti Maya con Artec Eva al British Museum

I migliori scanner 3D sono abbastanza facili da usare: dopo appena un’ora o due di allenamento anche i principianti assoluti possono incamminarsi sulla strada della competenza 3D. Ciò significa che il personale di qualsiasi azienda sarà più che in grado di apprendere e utilizzare questa tecnologia per attività di controllo della qualità.

Prezzi convenienti, software intuitivo, acquisizione dei dati sicura per la superficie

A differenza delle CMM, gli scanner 3D non richiedono costi di installazione, la formazione è solitamente inclusa e il prezzo finale è una frazione di quello dell’altra soluzione. Leggeri e completamente portatili per l’utilizzo in ufficio e presso i siti di clienti vicini o lontani, questi scanner 3D di alta qualità sono progettati per durare molti anni.

Se il dispositivo che scegli viene fornito con miglioramenti regolari del software di scansione che moltiplicano la risoluzione e l’accuratezza, anche anni dopo, lo scanner fornirà sempre risultati migliori rispetto al giorno in cui lo hai estratto dalla scatola.

Modelli 3D di una parte metallica creata con lo stesso scanner, Artec Eva. Un aggiornamento ad Artec Studio con modalità HD migliora notevolmente i risultati.

Quando si tratta di acquisire dati chiari e senza imprecisioni dei tuoi oggetti, in particolare per le ispezioni, lo scanner 3D professionale che selezioni dovrebbe includere un software di elaborazione della scansione facile da usare, con funzionalità di reporting visivo semplici come la mappatura della distanza di superficie. Inoltre, l’integrazione con pacchetti di ispezione completi, ad esempio Geomagic Control X, è un vantaggio considerevole.

La scansione senza contatto al 100% si traduce in zero rischi di danni a qualsiasi oggetto con cui stai lavorando. Potrebbe trattarsi di parti aerospaziali in silicone che non accettano tolleranza di errori, fossili vecchi di millenni, prove forensi cruciali su una scena del crimine, reperti museali inestimabili, ecc. Compagnie di assicurazioni, ispettori della qualità e personale di musei sono tra i tanti che tirano un sospiro di sollievo per questi vantaggi, soprattutto se in passato hanno dovuto affrontare le conseguenze dei danni di misurazioni con contatto.

Catturare un antico coccodrillo fossilizzato in Kenya, con Artec Eva

Tempo di immissione sul mercato più rapido, miriadi di applicazioni, possibilità di automazione

Negli ultimi anni le soluzioni di scansione 3D portatili sono state adottate da produttori di tutti i tipi. Tali tecnologie offrono al management dell’azienda il potere di raggiungere standard precisissimi e definiti fin dalle prime fasi del ciclo di produzione. In questo modo, è possibile ottimizzare al minimo il numero di cicli di progettazione-produzione-test, risparmiando così tempo e denaro significativi, eliminando i tassi di rifiuto dei clienti ed evitando azioni legali.

L’elevato grado di mobilità degli scanner 3D portatili e desktop, insieme ai loro rapidi tempi di acquisizione, apre la possibilità di condividere tali dispositivi tra più reparti. Non appena un’azienda si rende conto che il suo scanner 3D può essere utilizzato non solo per l’ispezione di qualità ad alta precisione, ma anche per il reverse engineering, la formazione VR/AR, la prototipazione rapida e altro, il ROI di questa tecnologia può essere spinto al massimo.

I recenti sviluppi nel campo dell’intelligenza artificiale e nella tecnologia di scansione 3D hanno portato in primo piano le soluzioni di scansione 3D automatizzate. Con quasi nessun intervento umano richiesto, lotti di parti e oggetti identici tra loro e altamente complessi vengono catturati utilizzando i percorsi di scansione più adeguati, ottenendo acquisizioni di superficie rapide e complete con la massima precisione. In termini di ispezioni, pre o post-produzione, le soluzioni di scansione 3D desktop professionali e braccio robotico possono ridurre i tempi di consegna individuando con precisione eventuali variazioni e difetti. Il risultato è un flusso di lavoro più fluido e snello, con costi dei materiali inferiori, meno resi e standard di qualità superiori.

Conclusioni

Artec Leo: lo scanner 3D veloce con precisione sub-millimetrica con elaborazione automatica wireless integrata

Innegabilmente, le macchine CMM possono essere soluzioni efficaci per i flussi di lavoro metrologici odierni. Tuttavia, bisognerebbe considerare attentamente altre tecnologie di misurazione prima di qualsiasi decisione di acquisto. Come indicato sopra, per molte aziende e organizzazioni, le moderne soluzioni di scansione 3D portatili e desktop offrono una lunga serie di vantaggi rispetto alle CMM.

PUNTO CHIAVE

Per molte aziende e organizzazioni, le moderne soluzioni di scansione 3D portatili e desktop offrono una lunga serie di vantaggi rispetto alle CMM.

Il modo migliore per decidere è vedere di persona. Inizia organizzando una dimostrazione di una macchina CMM accanto a una soluzione di scansione 3D professionale, portatile o desktop, a seconda delle esigenze della tua applicazione. Stila in anticipo un elenco delle tue esigenze. Quindi, dopo ogni dimostrazione, con le quotazioni dei prezzi per ciascuna soluzione alla mano, assicurati di tenere conto dei costi dell’operatore e del possibile utilizzo del dispositivo da parte di altri reparti della tua azienda.

In sintesi, le soluzioni di scansione 3D portatili e desktop professionali possono offrire a chiunque, indipendentemente dalla formazione professionale, la potenza dell’acquisizione digitale portatile e submillimetrica e della misurazione a livello metrologico, a una frazione dei costi e delle responsabilità di manutenzione di una macchina CMM.

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SCRITTO DA:
matthew-mcmillion

Matthew McMillion

Giornalista tecnico

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