Introdução
A coordenadamáquina de medição (CMM)é uma das ferramentas mais importantes na garantia de qualidade da fabricação moderna. De componentes automotivos a peças aeroespaciais, de implantes médicos a pacotes de semicondutores, os CMMs fornecem medições tri-dimensionais que confirmam se uma peça fabricada atende às especificações de projeto.
No entanto, apesar de toda a sua prevalência, as fontes de precisão em um CMM - e os fatores que limitam essa precisão - nem sempre são bem compreendidos fora da comunidade metrológica. Este artigo examina como funcionam os CMMs, o que permite sua precisão e quais fatores físicos e ambientais restringem a precisão com que podem medir.
A arquitetura básica de um CMM
Um CMM é fundamentalmente um dispositivo de medição-de posição 3D. Consiste em uma sonda móvel montada em uma estrutura estrutural que permite o movimento ao longo de três eixos ortogonais - X, Y e Z - sobre um volume de medição definido. A posição da sonda ao longo de cada eixo é rastreada por codificadores lineares de precisão, e as medições dimensionais de uma peça de trabalho são derivadas das posições registradas da sonda no momento do contato ou captura.
A estrutura estrutural de um CMM deve manter as relações geométricas entre os eixos - quadratura, retilineidade e planicidade - com alta precisão em todo o volume de medição e sob condições ambientais variadas. Desvios da geometria ideal na estrutura da máquina se traduzem diretamente em erros de medição.
O sistema de apalpador converte o contato do apalpador com a peça de trabalho em um sinal de disparo ou de posição. As pontas de prova-de toque geram um sinal quando desviadas de sua posição neutra. As sondas de varredura medem continuamente sua deflexão à medida que são movidas ao longo de uma superfície. Sondas a laser capturam dados de nuvens de pontos sem contato. Cada tipo de sonda possui características de precisão e nichos de aplicação distintos.
A mesa de granito: a base dimensional do CMM
Na base da maioria das CMMs do tipo-ponte e pórtico-, há uma placa de superfície de granito de precisão. Isso não é acidental - a mesa de granito é a principal referência dimensional da CMM no eixo vertical, e sua especificação de planicidade contribui diretamente para a precisão volumétrica geral da máquina.
Para uma CMM operando com uma especificação de precisão de 1–2 µm, a planicidade da mesa de granito pode ser especificada em 1–3 µm em toda a área de trabalho. Qualquer desvio na tabela que caia dentro do volume de medição passa a fazer parte do orçamento de erros geométricos da máquina.
O granito é usado em mesas CMM em vez de alternativas de metal por vários-motivos bem estabelecidos: estabilidade dimensional ao longo do tempo, baixa sensibilidade a mudanças de temperatura, caráter não{1}}magnético, características de amortecimento de vibração e capacidade de ser lapidado até obter alta planicidade. A tabela de granito também fornece uma referência estável e bem{3}}definida para a escala do eixo Z-do CMM.
Nas CMMs de maior precisão - aquelas usadas pelos institutos nacionais de metrologia e laboratórios de calibração - a mesa de granito pode ser verificada com tolerâncias de planicidade na faixa de 0,5–1 µm, e o volume total da máquina pode ser mapeado com um interferômetro a laser para caracterizar e corrigir todos os erros geométricos.
Os 21 erros geométricos de uma máquina de três{1}}eixos
Uma CMM de três{0}}eixos está sujeita a 21 erros geométricos independentes que caracterizam totalmente seu comportamento geométrico. Cada eixo linear contribui com seis erros: três translacionais (erro de posicionamento ao longo do eixo, retilineidade em duas direções transversais) e três rotacionais (guinada, inclinação e rotação). A combinação de três-eixos introduz três erros de quadratura entre pares de eixos.
Esses 21 erros não são aleatórios - eles são sistemáticos e repetíveis para uma determinada máquina em uma determinada condição. CMMs modernos de alta-precisão caracterizam todos os 21 erros geométricos por meio de um processo de calibração abrangente usando interferômetros a laser, esquadros de precisão e barras esféricas. Uma vez caracterizados, os erros são armazenados no computador da máquina e utilizados para corrigir as posições medidas em tempo real através de compensação de erros por software.
Esta abordagem - medição física de erros sistemáticos seguida de compensação de software - permite que os CMMs alcancem precisões volumétricas que sua precisão mecânica bruta por si só não poderia suportar. Uma máquina com 5 µm de erro geométrico mecânico bruto em alguma direção pode, após calibração e compensação geométrica completa, atingir precisão volumétrica de 1 µm em cenários típicos de medição.
Fatores ambientais que limitam a precisão do CMM
Mesmo uma CMM perfeitamente calibrada opera em um ambiente real, e os fatores ambientais são frequentemente a fonte dominante de incerteza de medição na prática.
A temperatura é a variável ambiental mais significativa. O padrão internacional para medições dimensionais (ISO 1) define 20 graus como temperatura de referência. Quando uma peça de trabalho, uma CMM e um artefato de referência estão todos em temperaturas diferentes - como normalmente ocorre quando uma peça vem de uma área de produção para uma sala de medição - as diferenças dimensionais resultantes podem ser significativas. Para uma peça de aço de 500 mm, um desvio de temperatura de 1 grau em relação a 20 graus introduz aproximadamente 5,85 µm de alteração de comprimento.
A vibração é o segundo principal fator ambiental. Vibrações do solo causadas por equipamentos pesados, tráfego de pedestres, sistemas HVAC e tráfego podem excitar a estrutura do CMM e introduzir ruído de medição. Por esse motivo, CMMs de alta{2}}precisão normalmente são instaladas em pisos-isolados contra vibração ou suportes antivibração-ativos.
A umidade não afeta diretamente a medição, mas a peça de trabalho: muitos metais apresentam pequenas, mas reais, alterações dimensionais com a umidade, e a alta umidade pode causar condensação nas superfícies que atrapalha a sondagem tátil.
As correntes de ar na sala de medição podem introduzir gradientes de temperatura dentro do volume de medição, causando expansão térmica local que difere da média da sala. Controlar o movimento do ar por meio de um projeto cuidadoso de HVAC faz parte das práticas recomendadas em metrologia de alta{1}}precisão.
Qualificação da sonda e sua importância
A sonda é a interface entre a CMM e a peça de trabalho. Sua precisão - especificamente sua repetibilidade e sua calibração correta em relação ao sistema de coordenadas CMM - é tão importante quanto a precisão geométrica da máquina.
As sondas-de acionamento por toque devem ser qualificadas usando uma esfera de referência de diâmetro e formato conhecidos, chamada bola de referência ou esfera de qualificação. Este processo determina o centro e o raio precisos da ponta do apalpador no sistema de coordenadas da máquina. Para sondas de varredura, o processo de calibração é mais elaborado, caracterizando o comportamento da sonda em toda a sua faixa de medição e em múltiplas direções de aproximação.
Em aplicações CMM de precisão, os artefatos de referência usados para qualificação da sonda são calibrados e rastreáveis de acordo com padrões de medição nacionais, mantendo uma cadeia ininterrupta de rastreabilidade desde a medição CMM até a definição internacional do medidor.
Rastreabilidade: a cadeia que torna as medições significativas
O resultado de uma medição de um CMM é tão significativo quanto sua rastreabilidade - a cadeia ininterrupta de comparações que liga a medição à definição fundamental de comprimento. Sem rastreabilidade, uma medição reportada não tem relação estabelecida com nenhum padrão e não pode ser comparada de forma significativa com medições feitas em outros laboratórios ou em outras máquinas.
Na prática, a rastreabilidade do CMM é estabelecida pela calibração dos codificadores lineares da máquina em relação às medições do interferômetro a laser, pelo uso de artefatos de referência calibrados (blocos de referência, esferas de referência, medidores escalonados) para verificar o desempenho da máquina e pela operação em um ambiente-com temperatura controlada que permite que as condições de medição sejam relatadas juntamente com o resultado da medição.
Os institutos nacionais de metrologia - que operam no ápice da hierarquia de rastreabilidade de medição - mantêm os padrões primários dos quais todas as calibrações de medição industriais derivam, em última análise, sua rastreabilidade. Esses institutos utilizam os CMMs e instrumentos especializados mais precisos do mundo, e os resultados de suas medições sustentam os sistemas de garantia de qualidade de setores industriais inteiros nacionais.
Conclusão
A máquina de medição por coordenadas é um triunfo da engenharia integrada: mecânica precisa, software sofisticado, sensores calibrados e ambiente controlado trabalhando juntos para produzir medições dimensionais que permitem a fabricação moderna. Compreender as fontes de precisão do CMM - a base estrutural do granito, os 21 erros geométricos e sua correção, os fatores ambientais, o sistema de sonda e a cadeia de rastreabilidade - é essencial para quem confia nas medições do CMM para tomar decisões de qualidade.
À medida que as tolerâncias de fabricação continuam a aumentar em todos os setores, as demandas por precisão, estabilidade e calibração das CMMs crescerão paralelamente. A engenharia fundamental por trás destas máquinas, desde a mesa de granito até ao topo, continuará a ser central para este desafio contínuo.