Desbloqueie Todo o Potencial da Sua Máquina de Medição por Coordenadas

Por mais de 50 anos, máquinas de medição por coordenadas (CMMs) têm melhorado a produtividade e qualidade de medição. O poder das CMMs tornou muitas tarefas complexas de inspeção parecerem quase triviais. Com tanta capacidade de medição, é possível que operadores estejam tomando suas CMMs como garantidas?

CMMs frequentemente são caras, com software sofisticado e especificações de precisão complicadas, ainda assim muitas CMMs são usadas diária, bem-sucedida e eficientemente por operadores, mesmo aqueles com conhecimento limitado de sua CMM. Como com muita tecnologia moderna, o uso diário de CMMs torna-se mais fácil, enquanto o nível de conhecimento necessário para suportar adequadamente a tecnologia pode se tornar bastante alto. Vamos dar uma olhada mais de perto em alguns dos principais problemas para ajudar operadores a entender e usar melhor suas CMMs.

Introduzidas na década de 1950, as primeiras CMMs eram instrumentos de inspeção manuais equipados com sondas de cilindro cônico que podiam ser usadas para medir rapidamente a distância entre furos em duas dimensões. O objetivo destas primeiras CMMs era reduzir horas de tempo de inspeção de layout para apenas alguns minutos. Embora ainda tenham semelhanças com as CMMs originais, as CMMs modernas de hoje vêm em tantos estilos diferentes que o termo sistemas de medição por coordenadas, não máquinas, está sendo usado com mais frequência. CMMs tradicionais de três eixos ainda são bastante populares, mas braços articulados, laser trackers, scanners ópticos, raio-X, sensores de sondagem avançados, bem como sistemas de medição em linha de alta velocidade e outras tecnologias para medições 3-D continuam a crescer e mudar o mercado tradicional de CMM.

Calibração de CMM

A tecnologia avançada na CMM tornou a compreensão da precisão das medições de CMM complicada. Quando pensamos e gerenciamos a qualidade de qualquer processo de medição, frequentemente focamos em dois problemas separados: um sendo a precisão do equipamento de medição, e o segundo sendo a precisão e repetibilidade do processo de medição. A precisão do equipamento de medição é frequentemente gerenciada através de calibração e verificação adequadas contra as especificações originais do fabricante. A situação é a mesma para CMMs, mas a calibração é mais complexa.

A calibração de algo simples, como um bloco padrão, é fácil de entender. É um padrão de comprimento, e portanto, você calibra o comprimento. Para paquímetros ou micrômetros, que medem comprimentos, você os calibra para medir comprimentos. CMMs frequentemente têm múltiplos eixos de movimento, sensores de sondagem diversos e vêm equipadas com software para medir quase tudo. Diferente do bloco padrão ou paquímetro, você não pode calibrar separadamente uma CMM para cada tarefa de medição que ela realiza, pois isso não seria economicamente prático. Também não é muito útil calibrar separadamente os componentes mecânicos de uma CMM, como a precisão de um eixo de medição individual ou a esquadria entre eixos, porque todos os componentes trabalham juntos e sua influência nos resultados de medição é complicada.

CMMs, em vez disso, são calibradas realizando uma série de medições de comprimento através do volume de medição da CMM. Procedimentos de teste padronizados e bem documentados têm estado disponíveis desde meados dos anos 1980, o mais recente dos quais é o padrão internacional ISO 10360-2:2009, que foi adotado nos Estados Unidos como ASME B89.4.10360.2. O teste primário é simplesmente conhecido como o teste E, onde E significa erro de indicação. O teste envolve fazer 105 medições de comprimento diferentes através do volume de medição e em várias orientações, e então comparar os valores de teste com a especificação declarada pelo fabricante. O padrão de referência mais comum usado para calibração de CMM é um bloco escalonado, que não é diferente de uma série de blocos padrão de diferentes comprimentos. Outros padrões de referência, como um interferômetro a laser que é popular para CMMs grandes, também são permitidos per o último padrão ISO 10360-2.

Uma calibração de CMM seguindo os padrões ISO e ASME é uma verificação geral do sistema. Se o teste falhar na conformidade, então ajustes podem ser necessários. Para completar os ajustes, medições adicionais, como a esquadria entre dois eixos, podem precisar ser medidas e corrigidas. Se o teste passar, então o operador da CMM tem confiança na precisão geral da CMM; no entanto, como CMMs podem ser usadas para tantas tarefas diferentes, consideração deve ser dada a entender os erros adicionais devido ao uso específico da CMM.

Repetibilidade de CMM

Ao avaliar a qualidade de processos de medição, é bastante comum completar algum tipo de estudo de repetibilidade. Em muitas indústrias isso é chamado de estudo de repetibilidade e reprodutibilidade do medidor, ou GR&R. O propósito do estudo de repetibilidade é procurar variação no processo de medição, ao longo de um período de tempo relativamente curto, que complementa a avaliação de longo prazo da calibração do equipamento. Qualquer estudo GR&R ou de repetibilidade precisa ser desenhado para avaliar adequadamente fontes prováveis de variação, por exemplo, erros no processo de medição. Para equipamentos de medição operados manualmente tradicionalmente, habilidade do operador e a interação entre o operador e equipamento de medição é importante, e às vezes a fonte mais dominante de erro. Para CMMs totalmente automatizadas, estas fontes de erro podem desaparecer.

Para qualquer processo de medição automatizado, a repetibilidade pode parecer bastante pequena devido ao desenho do estudo de repetibilidade não ser sensível às fontes reais de variação. Para CMMs, o estudo deve incluir a influência da calibração dos sensores de sondagem (às vezes chamada qualificação de ponta de sonda) junto com considerar a influência da distribuição e número de pontos de medição tomados, por exemplo, a estratégia de amostragem. Ambas as fontes de erro são específicas para uma tarefa de medição única e geralmente não são bem cobertas na calibração da CMM. Se realizando um estudo GR&R, a reprodutibilidade pode ser alterada de estudar diferentes operadores para estudar diferentes calibrações de ponta de sonda.

Compensação de Temperatura

Muitas CMMs hoje vêm equipadas com sistemas de compensação de temperatura embutidos. Estes sistemas de comp temp podem fazer um trabalho incrível de compensar e corrigir grandes erros térmicos associados com a CMM ou a peça medida não estando na temperatura de referência padrão de 20° C (68° F). No entanto, se um sistema de comp temp não estiver sendo usado corretamente, estes sistemas podem introduzir erros extremamente grandes.

Considere uma situação onde um operador de CMM decide não usar o sistema ignorando os sensores da peça ou definindo o coeficiente de expansão térmica da peça como zero. O operador pode estar pensando que ele seguirá a prática tradicionalmente boa de medição de termicamente "mergulhar" a peça medida no equipamento de medição para trazê-los à mesma temperatura, e portanto, não precisar corrigir os erros térmicos. Embora esta abordagem tenha funcionado por décadas em equipamentos de medição tradicionais sem comp temp, o operador pode não estar ciente de que o sistema de comp temp ainda está ativamente trabalhando para corrigir a CMM, e apenas a CMM, para 20° C, enquanto a peça não está sendo corrigida. Ao ignorar o uso dos sensores da peça, uma diferença de temperatura é criada que poderia resultar em erros significativamente grandes e desconhecidos.

Para CMMs com comp temp, a melhor abordagem é colocar os sensores de temperatura da peça na peça medida. Se essa abordagem não for conveniente, então os sensores de temperatura poderiam ser colocados perto da peça medida, por exemplo, integrados em algum fixador segurando a peça. Desta maneira, uma medição relativamente precisa da temperatura da peça ainda pode ser feita mesmo se os sensores de temperatura não estiverem em contato com a peça. Se não há plano de usar os sensores de temperatura da peça, então o sistema inteiro deve ser desligado, o que geralmente só pode ser feito por um engenheiro de serviço do fabricante da CMM.

Questões GD&T

O software de medição em CMMs introduziu o primeiro uso generalizado de métodos de medição digitais e computacionais. Software de CMM tem funções e botões baseados nos símbolos e significados nos padrões de dimensionamento e tolerância geométrica (GD&T) como ASME Y14.5. Embora isso tenha introduzido muito debate entre especialistas sobre o que é um método de medição "correto" (se um até existe), o problema mais prático para operadores de CMM é que diferentes métodos ou abordagens de software podem mudar significativamente os resultados de medição. Duas CMMs diferentes, ambas operando dentro da especificação e com repetibilidade suficiente, podem dar resultados radicalmente diferentes devido a escolhas feitas pelo operador ou no software.

Os desenvolvedores de software de CMM adorariam consertar uma única melhor abordagem para medir qualquer tolerância GD&T particular, e algumas empresas até alegarão que seu software de medição "cumpre ASME Y14.5", mas isso é infelizmente impossível e incorreto. Padrões GD&T como ASME Y14.5 têm regras para definir projeto de peça, não para como medir, então ASME Y14.5 não é um padrão para o qual qualquer medição já, ou jamais, cumprirá. Além disso, sempre há um propósito por trás de por que cada medição é feita, e esse propósito deve ser levado em consideração ao determinar o melhor método de medição. Desenvolvedores de software de CMM precisam fornecer uma gama de ferramentas que possam satisfazer as necessidades de muitos usuários diferentes, bem como engenheiros de aplicação que forneçam a orientação necessária aos seus clientes.

O melhor método de medição para um operador pode ser muito diferente do de outro, mesmo quando medindo peças ou tolerâncias similares. Produtividade de medição, custos, riscos legais e outros problemas devem ser equilibrados apropriadamente para encontrar a melhor solução. Bom planejamento de medição dimensional não pode ser negligenciado, mesmo que o botão na CMM faça parecer fácil. Planejamento de medição é provavelmente a maior questão de implementação que todos os operadores de CMM devem gerenciar. As opções de hardware e software em CMMs hoje são vastas e poderosas, e empresas precisam desenvolver melhores práticas operacionais para garantir que todos os riscos de implementação estão sendo gerenciados. Um bom guia para planejamento de medição é o padrão dos EUA, ASME B89.7.2-2014 Planejamento de Medição Dimensional.

Operação de CMM no futuro será muito diferente do que hoje. Software avançado de CMM já está disponível que permite que programas de medição sejam gerados em segundos baseados em modelos digitais de peças. Programadores de CMM no futuro não terão que dar muita atenção em como medir uma peça específica, mas precisarão entender princípios de metrologia e tolerância para desenvolver melhores práticas e regras de medição que podem então ser implantadas para todas as medições de CMM. Tecnologia de CMM continua a avançar com benefícios crescentes em precisão melhorada, capacidade adicional e tempo de medição reduzido. Para CMMs, como para qualquer tecnologia que usamos, à medida que as ferramentas se tornam mais avançadas, o tipo e nível de suporte também devem se tornar mais avançados.

Publicado anteriormente na Quality Magazine.