Cos'è una CMM e come funziona

Il risultato finale dev'essere una macchina affidabile, che sia molto precisa, misuri velocemente i pezzi e sia relativamente poco sensibile all'ambiente in cui opera. Il fattore chiave per raggiungere questo obiettivo è la gestione attenta dell'errore intrinseco della macchina.Storicamente i miglioramenti della precisione di misura delle CMM sono stati prodotti quasi interamente dalla precisione meccanica dell'hardware, e dalla capacità di mantenere la stabilità termica dell'ambiente operativo. Originariamente, allo scopo di ottenere la sempre maggiore precisione di misura necessaria a supportare le tolleranze sempre più ridotte dei pezzi, i componenti delle CMM dovevano essere costruiti in modo ancora più preciso: struttura della macchina più rigida, guide più diritte, azionamenti più fluidi, righe più precise e così via.Allo stesso tempo l'ambiente operativo doveva essere controllato sempre di più per ridurre gli effetti degli errori di misura indotti termicamente. Questa tendenza nella progettazione si è tradotta in un aumento dei costi per il cliente a causa del crescente valore aggiunto dei componenti fisici. Ovviamente questa strada non poteva essere percorsa all'infinito, né dal punto di vista dei costi, né da quello dei ritorni in diminuzione a causa delle specifiche sempre più strette della precisione meccanica e termica. È impossibile costruire una struttura che non presenti alcun errore. Qualche errore strutturale intrinseco rimarrà sempre. Ciò che serviva era un progresso che comportasse un cambiamento di paradigma per soddisfare l'esigenza crescente di CMM precise, affidabili, rapide ed economiche, e che fornissero anche flessibilità per quanto riguarda l'ambiente operativo.

Donna con maschera

L'introduzione e il continuo perfezionamento delle tecniche di compensazione dell'errore di misura a livello software negli ultimi decenni ha permesso ai costruttori di CMM di interrompere questa tendenza e soddisfare le esigenze dei clienti in modo efficace. La compensazione degli errori di misura a livello software, tuttavia, non è un toccasana per i problemi di progettazione, né permette ai costruttori di CMM di progettare in maniera approssimativa, scegliere materiali inadeguati o lesinare sulla qualità.

Essenzialmente la CMM utilizza un sistema di riferimento che definisce la posizione dei punti nello spazio. Questo sistema di riferimento viene realizzato fisicamente nella struttura meccanica della CMM per mezzo di righe lineari. Si impiega un sistema di rilevamento unitamente alle righe lineari per identificare la posizione dei punti di misura sul pezzo che si sta misurando. In una CMM teorica con una struttura "meccanicamente perfetta", le letture X, Y, Z delle righe corrisponderebbero perfettamente alla posizione effettiva della punta del tastatore sul pezzo. In realtà, poiché la CMM "meccanicamente perfetta" non esiste, molte fonti di errore contribuiscono a formare una piccola differenza tra le letture della riga e la vera posizione del tastatore. Questo viene definito errore di misura.

Il problema di come compensare l'errore intrinseco presente in qualunque struttura di CMM è stato risolto con la compensazione software degli errori, che è basata sull'idea che se possiamo capire e caratterizzare matematicamente le fonti di errore di misura prevedibili di una CMM, il software del controllo della CMM può correggere automaticamente le misure. In questo senso, la compensazione software degli errori è semplicemente un metodo per correggere gli errori sistematici delle letture della riga ottica nella posizione della punta del tastatore, riportate dalle righe delle CMM.

Questa funzione è stata introdotta per la prima volta sulle CMM alcuni decenni fa. Nel tempo questi metodi di compensazione sono diventati sempre più sofisticati e comprendono sia gli errori geometrici statici, sia ogni tipo di errore geometrico dinamico e indotto dalla temperatura. Gli errori geometrici statici sono gli errori causati da imperfezioni microscopiche nella forma delle guide e delle righe ottiche che causano errori nella posizione misurata della punta del tastatore quando la macchina è ferma. Gli errori termici sono cambiamenti nella geometria della macchina causati da variazioni di temperatura. Nella sua forma più elementare, la correzione degli errori termici comprende la semplice correzione lineare delle righe dovuta all'espansione e contrazione, fino a metodi più elaborati di compensazione dei cambiamenti non-lineari indotti termicamente nella struttura.

Poiché è possibile solo correggere gli errori noti, sistematici, ben caratterizzati, un requisito importante per un'applicazione riuscita della compensazione software degli errori è una CMM ripetibile e prevedibile. Una CMM, cioè, che si basi su robusti principi di progettazione e sia costruita con componenti pregiati da tecnici molto qualificati, addestrati ad assemblare una macchina della qualità di costruzione meccanica più elevata possibile.  

I principali parametri di progettazione strutturali della CMM comprendono il peso della massa mobile e le caratteristiche statiche, dinamiche e termiche della struttura fisica. L'impiego di componenti leggeri nella parte mobile della struttura riduce le forze necessarie per l'accelerazione, permettendo così di usare motori più potenti e con minore produzione di calore, e allo stesso tempo causando minore distorsione della struttura dovuta a inerzia.

La sfida della progettazione consiste nel trovare un buon compromesso tra rigidità e peso. La scelta del materiale è quindi estremamente importante, soprattutto perché incide sugli altri requisiti della stabilità termica e delle caratteristiche dinamiche. Da questo punto di vista l'alluminio è particolarmente interessante. Sebbene abbia un peso specifico molto simile a quello del granito, i moderni processi di estrusione permettono di costruire elementi di alluminio di grandi dimensioni con il materiale collocato in modo specifico dove ha il massimo impatto sulla rigidità. Le pareti relativamente sottili con il materiale più lontano dall'asse neutro di flessione darà luogo alla maggiore rigidità strutturale con il minimo peso. È importante che l'accumulo di gradienti termici nella struttura sia minimo per poter minimizzare la distorsione del frame.
I gradienti possono accumularsi quando un componente risponde lentamente alle oscillazioni di temperatura. Un buon esempio è rappresentato da una lastra di granito esposta a variazioni di temperatura. Per la bassa conduttività termica del granito e la grande massa, il calore si propaga lentamente nel materiale. Questo dà luogo a una distribuzione della temperatura non uniforme all'interno del granito. Se questa distribuzione è asimmetrica (alto e basso rispetto al centro), questo dà luogo a differenze nell'espansione o contrazione delle superfici superiore e inferiore, e di conseguenza piega il granito. Perché infatti anche il granito si piega. D'altro canto, l'alluminio ha un coefficiente elevato di conduttività termica. Il calore entra in una struttura di alluminio e si propaga rapidamente nel materiale, evitando l'accumulo di gradienti termici e la flessione che ne deriva.
Il basso coefficiente di conduttività termica del granito produce una lenta conduzione del calore che può originare elevati gradienti termici in una spessa lastra di granito. Come mostra la figura (esagerata per maggior chiarezza), questo fa flettere il granito perché le superfici opposte si espandono o si contraggono in modo diverso. L'alluminio, d'altra parte, conduce rapidamente calore per il suo coefficiente molto maggiore di conduttività termica, evitando la distorsione geometrica indotta dal calore.