Strumenti portatili per misure a coordinate

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La macchina di misura a coordinate o Coordinate-Measuring Machine, CMM, è uno strumento che serve a verificare la correttezza delle dimensioni geometriche delle parti meccaniche misurando le coordinate di alcuni punti considerati fondamentali per il riscontro della forma progettata.

In altre parole, elaborando opportunamente la collezione delle coordinate di posizione dei punti rilevati è possibile ricostruire una rappresentazione matematica delle superfici dell’oggetto e valutarne le tolleranze dimensionali vincolanti. L’idea venne all’ingegnere scozzese Harry Odgen della Ferranti Company a metà degli anni 50 per accelerare la verifica della qualità dei pezzi prodotti dalle macchine utensili che in quegli anni cominciavano a montare rudimentali sistemi a controllo numerico.

La prima macchina CMM aveva un sistema di coordinate a tre assi sui quali erano montate numerose fotocellule e la misura era fatta da un operaio specializzato appoggiando manualmente una sonda meccanica detta tastatore sui punti critici del pezzo e calcolando l’uno dopo l’altro la posizione esatta dei contatti dalla lettura delle fotocellule. Bastava un minuto per accertare se la posizione dei punti più importanti fosse corretta e perciò la tecnica venne ulteriormente sviluppata negli anni 60 da moltissime altre industrie.

Fra esse risalta in modo particolare il lavoro dell’ingegner Franco Sartorio di Moncalieri scomparso due anni fa e considerato un autorevole pioniere della meccatronica mondiale, il quale perfezionò e automatizzò il processo di misura realizzando nel 1963 Alpha, la prima macchina di misura a coordinate commercializzata nel mondo.

Sartorio fondò la DEA (Digital Electronics Automation) che fu la prima azienda a vendere macchine CMM alle industrie automobilistiche e fra i suoi clienti c’erano persino Volkswagen, Ford, Toyota e Boeing. Dagli anni 70 in poi la tecnica viene computerizzata e adottata in tutto il mondo e le sonde cominciano a diventare ottiche grazie all’uso dei laser che consentono misure istantanee più precise e dei materiali pregiati come il carbonio e il titanio per le sonde.

Questi vantaggi sono notevoli soprattutto con gli oggetti delicati e inoltre la flessibilità d’implementazione dei rilevatori a diodi consente di realizzare sonde portatili comode da maneggiare e in grado di effettuare scansioni complete su sei assi ricavando le coordinate di un gran numero di punti anche seguendo linee preimpostate che permettono di effettuare verifiche a scansione ripetute sulle superfici sospettate di subire deformazioni irregolari fra un processo e l’altro.

Più recentemente le misure a coordinate sono utilizzate anche nella progettazione per rilevare le superfici più idonee per conformare i prototipi su misura di qualsivoglia geometria ospitante. In altri termini, data una parte complessa di una macchina si possono individuare le coordinate di alcuni punti fondamentali che permettono di disegnare il modello di una forma perfettamente adattata che può essere inserita in quella parte per svolgere una determinata funzione meccanica, elettromagnetica o sensoristica.

D’altra parte le CMM sono state sviluppate e fabbricate in diversi formati detti a ponte (Bridge CMM), a portale (Gantry CMM), a braccio (Arm CMM) e più recentemente portatili (Portable o Handheld CMM). Le prime tre categorie richiedono grandi e solidi telai oltre a un’adeguata supervisione numerica e perciò si usano prevalentemente in fabbrica nella verifica dei pezzi in linea e nei laboratori adeguatamente attrezzati per i test di collaudo o per la prototipazione, mentre per quanto riguarda gli strumenti portatili le applicazioni stanno attualmente moltiplicandosi grazie all’intrinseca versatilità di questa tecnologia che può essere utilizzata su scale dimensionali separate anche da più ordini di grandezza e almeno per ora già dai cm fino agli hm.

Sonde CMM palmari

Fig. 1 – Aicon 3D Systems MoveInspect Technology con sonda CMM palmare ha un raggio d’azione da 5 o da 8 m e precisione di 20 o 50 µm e può eseguire misure ripetute a 1 MHz per il rilievo delle deformazioni

Aicon 3D Systems fin dal 1990 progetta e sviluppa sistemi di metrologia ottica per applicazioni industriali e ha da poco acquisito la società tedesca Breuckmann specializzata nei CAD 3D per l’ispezione topometrica dei lavorati di metallo. Insieme propongono la MoveInspect Technology basata sulla misura a coordinate CMM e utilizzabile con una sonda a contatto ergonomica e facilmente maneggiabile con attorno uno, due o tre rilevatori che incorporano sia i LED che i sensori CCD. Il sistema è componibile in vari modi e permette di eseguire rapidamente collaudi precisi anche sulle superfici complesse.

La versione su camera digitale DPA Mobile da 24,5 Mpixel permette misure singole su volumi di circa 1 m³ con accuratezza di 20 µm, mentre la versione MoveInspect HR è disponibile con una, due o tre camere da 5 Mpixel dove la prima è la versione Start per misure fino a 5 m e accuratezza di 0,2 mm, la seconda Large rileva fino a 8 m con accuratezza di 50 µm e la terza Precise misura fino a 5 m con precisione di 20 µm. La versione MoveInspect HF ha due camere da 1,3 Mpixel capaci di ripetere le misure fino a 2 m con precisione di 0,1 mm alla frequenza di 1 MHz ed è quindi adatta all’acquisizione degli spostamenti dei punti soggetti a deformazione e, inoltre, ci sono altre versioni specifiche per applicazioni custom.

Fig. 2 – Creaform HandyProbe e MetraSCAN sono sistemi CMM portatili che consentono la verifica tridimensionale diretta delle superfici con accuratezza fino a 22 µm

Creaform dal 2002 progetta e sviluppa soluzioni CAD, scanner e stampa per la prototipazione 3D non solo in ambito industriale ma anche nel medicale. Si trovano svariate sonde CMM nel suo listino come la piccola HandyProbe che insieme alla doppia camera C-Track può permettere di misurare le coordinate delle superfici fino a circa 4 m con accuratezza di 22 µm e la possibilità di ripetere le misure al ritmo di 30 punti al secondo.

Recentemente ha introdotto lo scanner laser MetraSCAN Optical 3D basato sullo stesso principio delle misure a coordinate CMM che però monta sia i LED sia i rilevatori ottici sopra un unico piccolo telaio sferico che consente di evitare l’installazione dei rilevatori C-Track esterni e quindi eseguire direttamente le verifiche di conformità grazie al peso di 2 kg che permette di indossarlo come un guanto per orientarlo sulle superfici da verificare ed eseguire scansioni con misure ripetute al ritmo di 36 punti al secondo. L’accuratezza sui tre assi di misura è di 85 µm nel range termico da 15 a 40 °C e c’è anche una versione MetroSCAN-R per montaggio su robot.

Fig. 3 – Geodetic Systems correda con 16 diverse sonde a contatto il suo sistema di misura V-STARS che può così eseguire rilievi CMM su qualsiasi tipo di materiale e qualsiasi forma superficiale

Geodetic Systems progetta e produce soluzioni di metrologia a elevate prestazioni soprattutto per l’industria automotive e aeronavale. Il suo prodotto di punta è il sistema di misura dimensionale CMM V-STARS la cui versione base V-Stars S è composta da una fotocamera portatile singola dotata di tecnologia S-Mode con cui può eseguire fotografie multiple con accuratezza di 25 µm sugli oggetti fino a 4 m e poi comporre le immagini per ricostruire la loro forma tridimensionale da visualizzare su PC.

V-Stars M è la versione con due rilevatori ottici DynaMo ad alta velocità e accuratezza di 70 µm con cui si possono misurare le coordinate in 3D delle posizioni dei punti che l’operatore tocca con la sonda e scattare anche foto ripetute al ritmo di 10 punti al secondo. Più sofisticata è la versione V-Stars D che può usare due rilevatori DynaMo D5 con accuratezza di 70 µm oppure due D12 da 50 µm in un range che può arrivare fino a 20 m e con la possibilità di ripetere le foto regolando il ritmo da 3 a 10 al secondo. Ampia è la gamma delle sonde a contatto disponibili in 16 modelli diversi per poter effettuare le rilevazioni 3D su qualsiasi tipo di superficie e qualsiasi genere di materiale, eventualmente con l’ausilio dell’apposito supporto per il montaggio sui robot.

Fig. 4 – Hexagon Metrology propone le sonde portatili B-Probe e T-Probe per misure a coordinate in un raggio di 10 e 30 m dal rilevatore ottico e con accuratezza di 0,2 e 0,03 mm

Hexagon Metrology fa parte del gruppo svedese Hexagon che, oltre ai prestigiosi marchi Leica (di origine svizzera), Leitz (tedesco) e Sheffield (USA), ha acquisito anche la piemontese DEA stabilendo nel suo storico sito di Grugliasco la filiale italiana per la distribuzione dei prodotti di metrologia 3D con tecnologia elettro-ottica per l’industria automobilistica, aeronautica, energetica e medicale, nonché il centro di assistenza tecnica.

Oltre a numerose macchine CMM a portale che conservano ancora la denominazione originale DEA e Leitz, Hexagon produce e distribuisce anche gli strumenti CMM portatili della serie Leica fra cui troviamo tastatori a contatto e sensori intercambiabili a scansione sia per il montaggio sulle macchine utensili sia portatili per l’uso nei sistemi CMM custom. B-Probe è la nuova sonda portatile ultra compatta alimentata con pile AAA che garantiscono 6 ore di funzionamento continuo e ne permettono l’uso in un raggio di 10 m dal rilevatore.

L’accuratezza è di 0,2 mm e, inoltre, applicando un apposito retroriflettore si può estendere la distanza dal rilevatore a un raggio di 160 m. T-Probe è la sonda Leica “Walk-Around” caratterizzata da un’estrema semplicità d’uso e configurazione ed è particolarmente diffusa nelle catene di montaggio automotive. Ha un’accuratezza di 30 µm e un raggio d’azione di 30 m che può essere ampliato fino a 50 m. Le due sonde si accoppiano ai rispettivi rilevatori ottici Absolute Tracker AT402 e AT901 e si gestiscono con il software specifico per la metrologia SpatialAnalyzer.

Fig. 5 – La seconda generazione della sonda portatile Opti-Probe di InspecVision ha una precisione di 110 µm nel campo d’azione standard di 37 m3 ma il kit è scalabile a dimensioni maggiori

InspecVision dal 2003 si è specializzata nei sistemi di visione 2D e 3D per l’ispezione delle superfici degli oggetti e per il reverse engineering 3D a elevate prestazioni con accuratezza tipica nell’ordine della decina di µm. L’estrema versatilità d’uso caratterizza il suo kit portatile per la misura a coordinate giunto già alla sua seconda generazione e composto dalla sonda Opti-Probe, da uno o più rilevatori ottici e da un qualsiasi PC, i quali, oltre alla praticità e alla grande precisione, offrono minimi costi di manutenzione.

La sonda wireless Opti-Probe è leggerissima per un comodo utilizzo da parte dell’operatore che può maneggiarla per rilevare le coordinate dei punti importanti delle superfici lavorate toccandole appena senza recarvi danno. Sul telaio monta delle piastrine riflessive che sono il bersaglio dei due rilevatori distanti circa un metro sui quali vi sono alcuni diodi LED a luce bianca e due fotodiodi CCD che rilevano istantaneamente la posizione sui tre assi della punta della sonda a qualche metro di distanza fino a un volume massimo di 37 m³, ma il sistema è scalabile e se si usano più rilevatori posizionati a griglia allora è possibile ampliare il raggio d’azione a un volume molto maggiore con precisione standard di 110 µm che può migliorare a 40 µm nelle misure ripetute sui singoli punti.

Fig. 6 – Il sistema di misura dimensionale CMM Metronor MetroArm con camera CCD e sonda a contatto di carbonio a forma di penna disponibile con sette tipi diversi di punte al titanio

Metronor dal 1989 sviluppa e produce sistemi di misura elettro-ottici per metrologia industriale e per l’allineamento di precisione dei dispositivi non solo industriali ma anche militari. Fra i suoi prodotti per la fotogrammetria ha progettato e realizzato una linea di strumenti CMM portatili che offre nella nuova versione MetroArm composta da una camera digitale CCD e da una sonda di carbonio a forma di penna che pesa circa mezzo kg con cui si possono rilevare le coordinate di posizione con accuratezza di 80 µm a distanza da 1,5 a 4,5 m dalla camera in un volume d’azione di circa 11 m³.

Più completi sono i sistemi SOLO e DUO con rispettivamente una o due camere CCD su treppiede, sonda in carbonio e laptop con software PowerInspect tutti connessi wireless. Questi sistemi consentono misure CMM con accuratezza di 25 µm e sei gradi di libertà sulle aree fino a 20 m e permettono di eseguire scansioni ripetute su gruppi di punti per rilevare le deformazioni superficiali. La penna è in due versioni per misure fino a 5 oppure a 25 m e ci sono ben sette diverse punte di titanio adatte per il contatto con svariati tipi di materiali e su svariate forme superficiali.

Lucio Pellizzari

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