Metrologia a contatto e ottica

Poiché i requisiti di qualità dei componenti sono sempre più elevati, il controllo delle dimensioni geometriche, e una documentazione accurata, sono essenziali nel processo di produzione. Prima di acquistare un nuovo sistema di misura 3D, ci si chiede quale sia la tecnologia più adatta alle proprie necessità. È necessario un sistema di misura 3D a contatto che catturi tutti i punti rilevanti con una sonda? Oppure è preferibile un sistema ottico di misura 3D che digitalizza intere superfici senza contatto? Questo articolo spiega le funzioni di base di entrambi i metodi e ne analizza i vantaggi, le differenze e i campi di applicazione nel settore automotive.

Nel campo del controllo dimensionale dei componenti, le macchine di misura a coordinate (CMM) sono i sistemi più noti della metrologia tradizionale. Le CMM lavorano con sistemi di misura a contatto o a scansione. Per la misurazione, la sonda viene posizionata nel punto di misura desiderato. In alternativa, è possibile utilizzare una tavola rotante controllata per ruotare un componente. Il software di misura collegato calcola le geometrie standard dai singoli punti acquisiti e ne ricava i valori effettivi per le caratteristiche dell’oggetto da ispezionare.

La tecnologia di misura a contatto assicura un’elevatissima precisione ed è quindi la prima scelta per la misurazione di componenti di alta qualità. Una CMM fissa può misurare punti con una precisione di un millesimo di millimetro. Ad oggi, una precisione così elevata non può ancora essere raggiunta con la metrologia 3D ottica.

La metrologia 3D ottica è adatta se i requisiti di precisione sono nell’ordine del centesimo di millimetro. Se si desidera acquistare un nuovo sistema di misura e non si è sicuri di volerne uno a contatto o ottico, la prima cosa da fare è individuare i requisiti di precisione necessari. Una regola empirica afferma che l’accuratezza del sistema di misura dovrebbe sempre essere aumentata di un fattore da cinque a dieci rispetto alla massima tolleranza richiesta da misurare. Questo significa che: Se la tolleranza di una caratteristica è, ad esempio, di 0.1 mm, il dispositivo di misura deve avere una precisione di almeno 0.02 mm.

Nel settore automotive, ingranaggi, alberi a gomito e blocchi motore sono i classici candidati per le misurazioni a contatto: Le tolleranze e le precisioni da rispettare per questi componenti richiedono il massimo grado di precisione possibile. Un ingranaggio del settore automotive richiede normalmente una precisione di 1 µ o superiore. Attualmente questa precisione è a malapena ottenibile con i sistemi di misura ottici.

L’aspetto negativo della misurazione a contatto è l’elevato investimento in termini di tempo se è richiesta una maggiore quantità di dati: Il campionamento di centinaia di punti di misura su un componente può richiedere molto tempo, a volte diverse ore. Pertanto, un controllo completo è a malapena possibile in produzione a causa dell’investimento di tempo e del fatto che molte CMM spesso non possono essere collocate direttamente sulla linea produttiva. Per risparmiare tempo, è possibile ridurre la quantità di punti di misura a scapito della densità dei dati. In questo caso, il rapporto tra l’investimento in termini di tempo e la densità dei dati deve essere sempre soppesato con attenzione.

A prescindere da quanti punti di misurazione siano stati acquisiti con la massima cura: non è possibile misurare l’intera superficie dell’oggetto di misura. È qui che entra in gioco la metrologia ottica: La metrologia ottica non solo è più veloce, ma crea anche un’immagine digitale dell’intero oggetto di misura e fornisce quindi informazioni qualitative più dettagliate rispetto alla metrologia a contatto.

La procedura di misurazione con i sistemi ottici di misura 3D è molto semplice: il componente viene posizionato davanti al sensore, manualmente o con un robot. Quindi, inizia l’acquisizione delle immagini: il sensore di misura cattura passo dopo passo ogni lato dell’oggetto di misura. Per catturare l’intera superficie, è necessario spostare il componente, in modo che il sensore possa catturare tutte le aree oppure spostare il sensore stesso intorno all’oggetto analizzato. Quindi, il software di misura collegato trasforma automaticamente tutte le singole misure in un sistema di coordinate comune. Il risultato è una nuvola di punti 3D della superficie completa dell’oggetto. I dati di misura generati consentono di eseguire diverse analisi, ad esempio il confronto nominale/effettivo a superficie intera della geometria dell’oggetto o la verifica degli elementi GD&T. Sulla base delle rappresentazioni delle deviazioni cromatiche è possibile riconoscere facilmente le aree problematiche e quindi migliorare in modo mirato il processo di produzione. In questo modo si possono evitare inutili cicli di iterazione.

Un altro vantaggio della metrologia ottica 3D: la procedura di misurazione è estremamente rapida. La digitalizzazione di componenti complessi richiede solo pochi minuti, a volte solo pochi secondi.

Sono molti gli esempi di utilizzo della metrologia ottica 3D nel settore automotive: dalla pianificazione dei processi per l’analisi della capacità delle macchine al controllo qualità automatizzato negli impianti di stampaggio e nella produzione di carrozzerie, dal controllo dei pezzi fusi, forgiati e in plastica all’ottimizzazione dei processi nell’assemblaggio finale.

Ormai sono sempre più numerosi i sistemi di misura che combinano entrambi i metodi di misura: per accelerare la misura e rendere possibile la misurazione di superfici sensibili al tatto, le CMM possono essere dotate di un sensore ottico. D’altra parte, i sistemi di misura ottici possono essere ampliati con una sonda, in modo da poter catturare aree di un componente otticamente difficili da raggiungere, come fori profondi, tasche o sottosquadri. A questo proposito, occorre tenere presente un aspetto importante: l’accuratezza dei sistemi ottici di misura 3D non può essere aumentata da una sonda aggiuntiva. È solo possibile acquisire ulteriori caratteristiche dell’oggetto su strutture complesse.

Per il controllo ottico delle dimensioni 3D, ZEISS ha sviluppato la serie di scanner 3D industriali ATOS. Gli scanner ottici 3D funzionano senza contatto e forniscono rapidamente immagini digitali ad alta risoluzione del componente. Per questo, ATOS combina l’hardware più recente con un software intelligente.