Współrzędnościowe maszyny pomiarowe (WMP) pozwalają mierzyć obiekty o skomplikowanych kształtach przez rekonstrukcję współrzędnych ich powierzchni. Jest to możliwe dzięki systemom pomiarowym w trzech osiach oraz sondzie, która lokalizuje punkty na powierzchni. Tego typu urządzenia często pracują w trybie automatycznym, wykorzystując napędy sprzęgnięte z systemami pomiarowymi oraz połączenie z komputerem, który na bieżąco rejestruje współrzędne punktów powierzchni. Taki pomiar cechuje się dużą dokładnością i pozwala uzyskać wymiary przedmiotów, których nie dałoby się zmierzyć wystarczająco dokładnie za pomocą innych narzędzi, np. dużych obiektów (motoryzacja, lotnictwo), obiektów o nierównej powierzchni czy ulegających deformacji podczas pomiaru.

W zależności od rodzaju głowicy pomiar odbywa się stykowo lub bezstykowo, a informacja o mierzonym przedmiocie powstaje jako zbiór punktów, przetwarzany następnie na charakterystykę wymiarów danego obiektu. Głowice stykowe są zakończone często kulką szafirową, którą należy dotknąć element, aby uzyskać punkt pomiarowy. Nadają się one do gładkich powierzchni o płaskich, sferycznych lub cylindrycznych kształtach. Mają jednak pewne wady: mogą dawać różne wyniki w przypadku różnych twardości materiału, a wręcz uniemożliwiać pomiary delikatnych powierzchni, dlatego często lepszym rozwiązaniem są głowice optyczne – bezstykowe. Korzystają one z laserów lub innych źródeł światła i badają odpowiedź powierzchni na impuls. Niektóre bezstykowe głowice pozwalają także na pomiar w trybie skaningowym, są dużo szybsze i dokładniejsze niż sondy stykowe.

Mobilne ramiona pomiarowe
Zasada pomiaru współrzędnościowych maszyn jest na tyle uniwersalna, że powstały różne typy ich konstrukcji, dostosowane do pomiaru obiektów o różnych wielkościach i kształtach, a także otoczenia i trybu pracy. Do pomiaru pojazdów wykorzystuje się konstrukcje mostowe, mniejsze obiekty mierzy się za pomocą maszyn typu portalowego posiadających ruchomy stół lub portal z przymocowaną sondą. Tego typu maszyny to rozwiązania montowane na stałe, natomiast ostatnio na popularności zyskują mobilne ramiona pomiarowe. Dzięki ich budowie można je stosować poza laboratorium, przy liniach produkcyjnych lub dowolnie, wygodnie zmieniać ich miejsce pracy.

Ramiona pomiarowe, w przeciwieństwie do konwencjonalnych maszyn, mają sześć albo siedem osi, a informacja o współrzędnych powierzchni uzyskiwana jest przez określenie kątów wzajemnego ich położenia. Pomiar odbywa się w ten sposób, że zmienia się wygięcie ramion, przesuwając sondą wzdłuż powierzchni mierzonego elementu. W porównaniu ze stacjonarnymi maszynami ramiona wykazują jednak gorszą dokładność.

Takie urządzenie składa się z ramion wykonanych z włókna węglowego (lub rzadziej stopu aluminium) o dobrej sztywności i odporności na wpływy temperatury, z przeciwwagi, które ułatwia przemieszczanie konstrukcji i nadaje stabilność maszynie, enkoderów kątowych zamontowanych w przegubach, przekazujących informację o położeniu, a także głowicy pomiarowej. Oprócz tego wyróżnia się uchwyt operatora (powinien zapewniać izolację cieplną), uchwyt mocowania ramienia do powierzchni lub statyw do umieszczenia na podłodze. Standardowo ramię podłącza się do komputera z odpowiednim oprogramowaniem, które automatycznie rejestruje współrzędne elementu. Obecnie na rynku są dostępne zarówno oprogramowania uniwersalne, które działają z różnymi głowicami, jak i programy dostarczane przez poszczególnych producentów. Kalibracja ramion pomiarowych odbywa się na kuli wzorcowej.

Szeroki zakres pomiarowy
Firmy tworzące ramiona pomiarowe oferują rozwiązania pozwalające na rozszerzenie zakresu pomiarowego. W ten sposób zwykły zakres pomiarowy (ok. 1,2-3,6 m w zależności od maszyny) może zostać powiększony nawet do kilkudziesięciu metrów. Typowe rozwiązanie polega na osadzeniu w betonowym lub stalowym podłożu siatki stożków, która potem służy jako odniesienie dla ramion pomiarowych. Po zetknięciu końcówki ramienia z trzema kolejnymi stożkami następuje wyznaczenie położenia maszyny. Dokładność pomiaru w tak rozszerzonym zakresie pomiarowym zależy od dokładności ramienia, a także kwalifikacji położenia stożków, która obarczona jest niewielkim błędem: wykonuje się ją za pomocą pomiarów laserowych po zbudowaniu siatki, dlatego dokładność nie zależy od jakości montażu. Ważną zaletą tego rozwiązania jest możliwość pracy wielu ramion jednocześnie i operowanie na jednym, obiektywnym układzie współrzędnych. W ten sposób zakres pomiaru można zwiększyć do przestrzeni o boku kilku lub nawet kilkudziesięciu metrów. Inny system oparty na podobnym pomyśle siatki korzysta ze szkieletu czworościanu (o krawędziach ok. 0,5-1 m), którego wierzchołki stanowią punkty odniesienia. Po zeskanowaniu trzech wierzchołków system determinuje położenie ramienia, korzystając z faktu, że krawędzie bryły mają rożne długości, dzięki czemu kombinacja trzech wierzchołków jest jednoznaczna. Takie rozwiązanie zwiększa około 2-3 razy zakres pomiarowy. Dodatkową jego zaletą jest fakt, że system jest przenośny i można nim operować w trudniej dostępnych miejscach, na przykład takich jak kokpity samolotów. Firma FARO w celu rozszerzenia zakresu pomiaru wymyśliła inne rozwiązanie – Laser Tracker polegające na tym, że ramię pomiarowe wyposaża się w reflektor odbijający wiązkę laserową wysyłaną przez urządzenie śledzące (laser tracker), które wyznacza położenie ramienia za pomocą odbitego sygnału. Laser może namierzać ramiona w odległości do 35 m, co w sumie rozszerza zakres pomiaru do 70 m, jeśli laser śledzący umieści się w optymalnym miejscu. System sprawdzi się zwłaszcza w przypadku, gdy więcej ramion pomiarowych pracuje równocześnie (na przykład przy linii produkcyjnej).

Głowice laserowe
Ostatnio na popularności zyskują głowice laserowe do pomiarów skaningowych, które składają się z lasera (emitera wiązki) i detektora (który rejestruje wiązkę odbitą od przedmiotu). W ten sposób urządzenie może rejestrować nawet kilkaset tysięcy punktów na sekundę. Tego typu urządzenia nadają się zwłaszcza do tworzenia trójwymiarowych modeli CAD obiektów.

O zainteresowaniu tego typu głowicami świadczy to, że firmy wyposażają je w wiele udogodnień i pracują nad innowacyjnymi rozwiązaniami. Standardem jest wyposażanie głowic w moduły łączności bezprzewodowej, takie jak Bluetooth i Wi-Fi, oraz oferowanie różnych końcówek pomiarowych. Firma FARO Technologies w swoim skanerze Cobalt Array 3D Imager montuje zintegrowany system przetwa rzania danych, który przyspiesza działanie urządzenia, a tym samym zapewnia większą dokładność pomiaru. Model Edge tego producenta dysponuje własnym wyświetlaczem oraz korekcją na zmiany temperatury. Firma Hexagon Metrology stawia natomiast na modularność, pozwalając na montowanie różnych typów głowic (także innych producentów) do swojego flagowego modelu: ramienia pomiarowego ROMER, dostępnego w różnych długościach (1,5- -4,5 m). Zastosowanie enkoderów absolutnych pozwala na pracę od razu po uruchomieniu. Do modelu ROMER można dodawać rozszerzenia, tzw. „Feature Pack”, czyli na przykład bardziej pojemne baterie czy dodatkowy interfejs skanerów. Hexagon specjalizuje się też w końcówkach do kontroli rur.

Producenci dbają o odpowiednią przeciwwagę ramion, tak aby obsługa nie była uciążliwa, nawet gdy operatorzy trzymają ramię tylko jedną ręką. Elementem konstrukcji mechanicznej ramienia jest też uchwyt mocujący ramię do podłoża. Ramiona mogą być mocowane również do specjalnych stojaków lub wózków pozwalających swobodnie przemieszczać je w obrębie hali produkcyjnej.

Inżynieria odwrotna
Ramiona pomiarowe znajdują zastosowanie w procesach montażowych i wielkogabarytowych, a jeśli pracują w trybie skaningowym, sprawdzają się także w tzw. inżynierii odwrotnej: trójwymiarowy model CAD, który powstaje jako wynik pomiaru, można porównać ze wzorcem, uzyskując w ten sposób informację o odchyłkach od wartości nominalnych. Inżynieria odwrotna pozwala też łatwo tworzyć dokumentację trójwymiarową elementów, a także kopiować przedmioty, których rysunkami się nie dysponuje. Inne zastosowania ramion to kontrola w czasie rzeczywistym podczas produkcji, kontrolowanie pierwszej serii wyrobów, a także ustawianie przyrządów obróbkowych i uchwytów mocujących.

Szacuje się, że rynek współrzędnościowych maszyn pomiarowych będzie się rozwijał, zwłaszcza ze względu na rosnącą produkcję i zainteresowanie ze strony przemysłu motoryzacyjnego. Rozwój ramion pomiarowych napędzają też sektor urządzeń medycznych i inżynieria odwrotna, dlatego prawdopodobnie niedługo firmy projektujące i produkujące WMP będą rozszerzać swoją ofertę o coraz ciekawsze produkty.