TUTORIAL BASICO

Glosario de términos y conceptos usuales en metrología

MIC – Medios que informan sobre la calidad

Control dimensional

Actividad tecnológica, dedicada a la recogida de información y su posterior procesamiento, teniendo como

objetivo la evaluación de la conformidad de los productos industriales con sus especificaciones técnico –

dimensionales.

Medir

Evaluar con los medios apropiados el cociente que resulta al dividir por la unidad la magnitud de una

característica, para asignarle un valor numérico: k = M/[u] Unidad – Convenio de amplio reconocimiento

sobre el tamaño de una característica, que por tradición y principalmente por su invariabilidad y

repetibilidad se impone como referencia en el proceso de medir.

Términos y conceptos asociados a la calibración

Patrón

Muestra de magnitud de una característica en relación certificada con el patrón internacional, acreditada para

calibrar MIC, según las competencias de la clase de precisión a la cual pertenece.

Trazabilidad

Cadena ininterrumpida de calibraciones registradas, que aseguran la conexión entre un MIC y el patrón de la

unidad de reconocimiento internacional para la característica a medir.

Calibrar

Registrar y procesar y contrastar la información de salida de un MIC, en varios puntos a lo largo de su

escala, con el valor de confianza de un patrón (o combinaciones de patrones) que tiene(n) la trazabilidad

certificada, con el fin de evaluar su incertidumbre.

Incertidumbre

Banda estrecha, con posición simétrica respeto al valor de salida de un MIC, dentro de la cual la

probabilidad (p) de encontrar el valor verdadero de la magnitud medida, es superior al valor limite, que

corresponde a la clase de cobertura propuesta.

Para k = 2 p > 95 %

Resultado de la calibración

Representación gráfica de la relación matemática existente entre los valores indicados por el instrumento o

el sistema sometido a la calibración y el valor certificado del patrón de referencia, implicado como

mesurando.

Ajuste de un instrumento

Acción de mejora que consiste en modificar mediante componentes físicos o mediante programas el

resultado de salida de un instrumento, con el fin de compensar la curva de calibración. Así se eliminan los

errores sistemáticos.

Términos y conceptos asociados a un instrumento

Estabilidad

Capacidad de un instrumento de medida de conservar sus características metrológicas en el tiempo.

Mantenibilidad

Expresa la probabilidad de que, bajo las condiciones establecidas de uso y mantenimiento, el equipo

conserve su capacidad para realizar las funciones requeridas.

Conceptos asociados a un proceso de medición

Repetibilidad

Término que define el intervalo de incertidumbre de los resultados de la medición repetitiva de un mismo

mesurando, bajo las mismas condiciones.

Reproductibilidad

Término que define el intervalo de incertidumbre de los resultados de la medición repetitiva de un mismo

mesurando, bajo condiciones cambiantes.

Repetibilidad - Resultados sobre: Reproductibilidad - Resultados sobre:

Las mismas muestras

Con el mismo método

En un mismo laboratorio

Por el mismo operario

Con el mismo equipo

Las mismas muestras

Con el mismo método

En distintos laboratorios

Por diferentes operarios

Con varios equipos

Expresión del resultado

Cuando la cifra que sigue inmediatamente a la última cifra a conservar es inferior a 5, la ultima cifra

no cambia

Cuando la cifra que sigue inmediatamente a la última cifra a conservar es igual a 5 y está seguida por

al menos una cifra diferente de cero, la última cifra a conservar se aumenta en una unidad; pero si no

está seguida por ninguna otra cifra o si solamente está seguida por ceros, la última cifra a conservar

no cambia si es par, y aumenta en una unidad si es impar.

Cuando la cifra que sigue inmediatamente a la última cifra a conservar es superior a 5, la ultima cifra

aumenta en uno.

El redondeo no debe realizarse en varias etapas, sino solamente una vez.

Ejemplo: Pasar de cinco decimales a tres

7.90746 --> 7.907

7.90850 --> 7.908

7.90950 --> 7.910

7.99962 --> 8.000

Condiciones ambientales en metrología según DKD - 6

Parámetro Unidad Valor nominal Tolerancia Seguimiento

Temperatura oC 20 ± 2 Termómetro de mercurio en vidrio

Humedad relativa del aire % 50 ± 15 Higrómetro

Iluminación lx > 400 Termómetro

Máquinas de medir tridimensionales

Las máquinas de medir por coordenadas (MMC), al igual que conocidas empresas pioneras de la electrónica en California (por ejemplo Hewlett Packard), nacieron en un garaje, esta vez de Turín. Italia había convertido el eje Turín / Ivrea en el tercer país exportador de máquina-herramienta, después de Japón y Alemania y dejando atrás a los Estados Unidos, Francia, Inglaterra y muchos otros, lo que constituyó sin duda un caldo de cultivo idóneo para el desarrollo de metrología de precisión. Súbitamente, Dan pasó a exportar el 75-80% de su producción

DEFINICIÓN DE MÁQUINA DE MEDIR POR COORDENADAS

La posición de un punto en el espacio está definido, en coordenadas cartesianas, por los valores relativos de los tres ejes X, Y y Z con respecto a un sistema de referencia. Usando series de puntos, es posible construir el elemento geométrico que pase por ellos o que se aproxime al máximo.

Una máquina de medir tridimensional es capaz de definir unívocamente y con extrema precisión la posición de estos puntos en un espacio tridimensional, y de calcular los parámetros significativos de las figuras geométricas sobre las que han sido tomados estos puntos. Una máquina de medida por coordenadas es pues un instrumento de medida absoluta de precisión capaz de determinar la dimensión, forma, posición y "actitud" (perpendicularidad, planaridad, etc.) de un objeto midiendo la posición de distintos puntos de su propia superficie . APLICACIONES DE LAS MÁQUINAS DE MEDIR POR COORDENADAS Las máquinas de medir por coordenadas (MMC) se utilizan para las siguientes aplicaciones:

Control de la correspondencia entre un objeto físico con sus especificaciones teóricas (expresadas en un dibujo o en un modelo matemático) en términos de dimensiones, forma, posición y actitud.

Definición de características geométricas dimensionales (dimensiones, forma, posición y actitud) de un objeto, por ejemplo un molde cuyas características teóricas son desconocidas.

TECNOLOGÍAS EMPLEADAS Mecánica de precisión

Una unidad de operación por control numérico, o manual, que sea capaz de posicionar el elemento sensor en cualquier punto de su volumen de trabajo útil Control numérico y computación

Controles numéricos multiaxiales (de 3 a 10 ejes), junto a una arquitectura distribuida para el control de la dinámica de las máquinas y de la necesaria elaboración de los puntos de medida

Programas aplicativos

Programas orientados a soluciones de aplicaciones específicas, tales como engranajes, palas de turbina, etc. Sensorialidad

Dispositivos que escanean las coordenadas de los puntos que yacen en la superficie de la pieza a medir, con o sin contacto con la misma. ESTRUCTURA MECANICA Por lo general se denomina "máquina" a la estructura mecánica, si bien, en realidad, la máquina es la combinación de los cuatro elementos citados anteriormente. Los parámetros que caracterizan la estructura mecánica de una MMC son los siguientes:

Dimensiones Longitud de los ejes, por lo general cartesianos, que determinan el Volumen Útil de Trabajo (VUT) de la estructura mecánica. Las dimensiones pueden variar desde 1 dm3 hasta varias decenas de m3. Es fácil apreciar cómo las dimensiones de la estructura mecánica pueden influenciar fuertemente las demás características de la MMC: por ejemplo, el comportamiento frente a variaciones de la temperatura ambiente y, en particular, los de los Gradientes Térmicos Espaciales. Arquitectura

La arquitectura de las estructuras mecánicas de las máquinas de medir está ya consolidada. La arquitectura lo es en relación a las dimensiones de la estructura mecánica y, en general, es posible afirmar que un tipo determinado de arquitectura tiende a encontrar el mejor compromiso entre: a) dinámica del sistema; b) su precisión; c) facilidad de acceso a la pieza a medir. Las arquitecturas actualmente disponibles son: a) puente; b) Gantry; c) brazo horizontal. (Ver figuras 1 a 3).

Fig. 1.- Arquitectura en puente. El volumen útil de trabajo oscila entre 0,3 y 8 m3

Fig. 2.- Arquitectura Gantry. El volumen útil de trabajo oscila entre 6 y 100 m3

Fig. 3.- Arquitectura en brazo horizontal. El volumen útil de trabajo oscila entre 0,3 y 100 m3

Recientemente ha aparecido otra configuración, destinada a pequeñas aplicaciones en operación manual: la arquitectura Scara, ya conocida en el mundo de la robótica. Los volúmenes útiles de trabajo de cada una de estas configuraciones se muestran en la Tabla.

Arquitectura VUT mínimo (m3 ) VUT máximo (m3 )

Puente 0.3 8

Gantry 6 100

Brazo horizontal 0.3 100

Tabla I.- Margen de volúmenes útiles de trabajo según arquitectura

La arquitectura en brazo horizontal se emplea tanto en estructuras relativamente pequeñas como en la medida de piezas prismáticas de precisión y de grandes carrocerías.

Materiales

Históricamente, las MMC han sido instaladas en recintos de metrología controlados térmicamente. Pero el impresionante desarrollo de la automatización de procesos ha generado la necesidad de realizar las mediciones en la misma ubicación en la que se producen las piezas. Precisamente allí donde las condiciones ambientales y, en particular, los gradientes térmicos espaciales y temporales pueden influir negativamente en la fiabilidad de los resultados.

El gráfico de la figura 4 ilustra la anticipación de los datos de mercado según los cuales las MMC en laboratorio tienden a disminuir, mientras crecen los equipos en ambiente de taller.

Fig. 4.- Evolución histórica y previsiones de las ventas de MMC según su destino sea el laboratorio (en rojo) o el taller (en azul). La línea negra es la suma de ambas curvas.

Para conseguir estructuras mucho más inertes a las condiciones ambientales de taller se han desarrollado diversas soluciones:

Cabinas de protección acondicionadas.

Esta solución comporta problemas de coste y de espacio y no soluciona la diferencia de temperatura entre la pieza y la estructura.

Materiales inertes a la tensión térmica (fibra de carbono, cerámicas, etc.)

Esta es también una solución cara, y que acarrea fuertes problemas de disponibilidad de los productos semiacabados.

Materiales de rápida actualización de los coeficientes de su estructura molecular respecto a las variaciones térmicas, analizados mediante un programa de compensación.

Esta última solución resulta ser la más adecuada.

Mediante el empleo de aleaciones de aluminio especiales es posible obtener rápidamente datos del comportamiento térmico de la estructura, eliminando así una gran parte del fenómeno de deformación (considerable en máquinas grandes debido a los gradientes espaciales).

Supongamos por ejemplo que una barra soldada de acero cuya parte superior está situada a una altura de 1.620 mm del suelo y cuya parte inferior está a 1.370 mm (figura 5). Todo ello en un entorno térmico de las siguientes características:

Temperatura local a 1.620 mm: 23.16o Temperatura local a 1.370 mm: 23.00o

La diferencia de temperaturas en los extremos es pues de 0.16o. Al considerar la dilatación lineal del acero tenemos que la expansión en la parte superior es:

lo que dará lugar a la deformación que se muestra en la misma figura. Por otra parte, la velocidad de difusión térmica de ambos materiales es:

Estos coeficientes muestran cómo las aleaciones de aluminio reaccionan más rápida y uniformemente a las tensiones térmicas que otros materiales. Una idea de la relación la ofrece la siguiente expresión:

Fig. 5.- Deformación de la estructura mecánica por gradiente térmico espacial

Podría hablarse mucho más del comportamiento térmico de los materiales, pero nos limitaremos a tomar nota de lo que ha sido demostrado en términos de la rapidez de adaptación del aluminio frente a las variaciones de temperatura. Esto es de gran importancia, por permitir una aplicación óptima de las técnicas denominadas de Compensación Térmica Estructural (CTE). La técnica CTE más avanzada (a escala industrial) se ilustra en los esquemas siguientes. Están basadas principalmente en compensación lineal, lo que permite una aproximación más racional a la deformación.

Fig. 6.- Compensación térmica de la estructura mecánica, tanto lineal como estructural

El sistema de compensación está basado, esencialmente, en los componentes que se ilustran en la figura 6:

4 sensores térmicos para conocer la temperatura del transductor y la pieza a medir 12 sensores térmicos para conocer las variaciones en la estructura mecánica Un programa de compensación basado en algoritmos especializados en el cálculo de la

dilatación de los transductores y de la pieza debidas a las variaciones de temperatura y a las

deformaciones estructurales causadas por los gradientes térmicos. Desde un punto de vista experimental, véase la figura 7.

Fig. 7.- Ensayo de compensación térmica en un puente M/c (eje Y)

Precisión

Al referirnos a máquinas de medir por coordenadas, la primera idea que aparece es precisamente la precisión. Pero antes es preciso especificar la unidad en que se expresará. En realidad, el término precisión es inexacto: los valores que declaran los fabricantes indican precisamente lo contrario. Traduzcamos literalmente el término alemán (Meunsichereit) y establezcamos que el parámetro significativo que juzga la precisión de una MMC es la Incertidumbre de Medición.

La incertidumbre de medición

La incertidumbre de medición (IM) es el error máximo que puede cometer una MMC durante la medición de una longitud conocida y de la manera establecida por un estándar internacional. Los estándares ampliamente reconocidos en la actualidad para la certificación de la IM de una MMC son:

La VDI, para Europa y sus áreas de influencia La B89, para los Estados Unidos y sus áreas de influencia La JIS, para algunas áreas de Asia

Recientemente ha sido aprobado un estándar ISO que, por el momento, no está siendo muy empleado debido principalmente al mucho tiempo que requieren los ensayos que establece. La IM es el parámetro más significativo, pues contiene todos los posibles componentes de error:

Errores geométricos de la estructura mecánica Errores de los sensores Etc.

Al encontrarnos en suelo europeo, emplearemos la norma VDI. La IM puede ser expresada a tres niveles distintos:

U1, cuando se refiere a uno sólo de los ejes de la máquina (X, Y o Z)

U2, cuando se refiere a dos de los ejes de la máquina (XY, YZ o ZX) U3, cuando se refiere a los tres ejes.

Por lo general, la IM se expresa en términos de +/- 2, obtenida según la siguiente fórmula:

a + b L/1.000 (en µm), donde:

a (µm) es la constante de error declarada por el fabricante para una MMC determinada b (µm) es la variable de error en función de la longitud del bloque patrón, declarada por el

fabricante para una MMC determinada L (mm) es la longitud del bloque patrón

La fórmula indicada puede ser expresada en forma gráfica, tal como se muestra en la figura 8. Hay que destacar que el error no tiende (obviamente) al infinito, pero se convierte en asintótico para una longitud especificada por el fabricante.

Fig. 8.- Incertidumbre de medición

Como ha sido indicado, la incertidumbre de medida está estrechamente relacionada con las condiciones térmicas del entorno. Por tanto, el fabricante está obligado a especificar bajo qué condiciones de operación ha obtenido la IM declarada, por ejemplo de la siguiente manera:

Temperatura ambiente en el lugar de la instalación: +20o Gradiente térmico espacial: 1o C/m Tiempo máximo de gradiente térmico: 0.5 oC/h y 2oC/24h

Resumiendo: la incertidumbre volumétrica de medida (IVM), U3, corresponde a la diferencia entre la longitud del bloque patrón, orientado en el espacio, y su correspondiente valor medido por la MMC. Con el fin de verificar lo descrito hasta aquí, debe medirse un conjunto de tres bloques patrón en distintas zonas del volumen y/o orientaciones de la MMC. La longitud de estos tres bloques patrón debe corresponder, aproximadamente, a 1/3, 2/3 y 3/4 del recorrido útil del eje más largo de la MMC (hasta un máximo de 1.000 mm). Por razones prácticas, el conjunto de bloques patrón se alinean en el centro del volumen de medida de la máquina, aproximadamente con cada una de las diagonales.

Las medidas de longitud se realizan midiendo una vez cada superficie empleando un bloque patrón. Se mide tres veces cada bloque patrón. Uno de los ensayos consiste en las nueve medidas tomadas sobre una serie de tres muestras en una posición y orientación determinadas. Para cada una de las tres muestras medidas, la incertidumbre de medida de la longitud U3 es el valor absoluto de la mayor distancia que existe entre el valor de calibración del bloque patrón y el valor medido por la MMC. En cada ensayo se obtienen tres valores U3. Éstos dependen de la longitud, y su valor no puede superar la fórmula , donde "a" y "b" son constantes indicadas por el fabricante. Dinámica

Entendemos por dinámica las características de aceleración y velocidad de posicionamiento de una MMC. Por supuesto, no sólo están relacionadas con la estructura mecánica sino también, de manera fundamental, con el control y firmware asociados. Sin embargo, las prestaciones dinámicas se ven observando la estructura mecánica durante su operación. La velocidad y la aceleración son

importantes en relación con la Frecuencia de Muestreo que la MMC puede alcanzar: cuanto mayores sean estos valores, mayor será el número de piezas que podrán ser medidas por unidad de tiempo. Velocidad de posicionamiento

Casi siempre se expresa en forma vectorial. La mayor velocidad alcanzada está en el entorno de los 70 m/min. Aceleración

Es el parámetro más importante cuando se considera la productividad de una MMC. Mediante estructuras con un óptima relación masa/rigidez y un control adecuado se han alcanzado aceleraciones de hasta 3 m/s2. También hay que subrayar que la aceleración es el parámetro más importante de cara a la reducción de los tiempos de ciclo de medición.

EL SISTEMA DE CONTROL

Tareas del sistema de control

La tarea principal del control de una máquina herramienta es el gobierno de la dinámica, posiblemente muy sofisticada, de la propia máquina y de algunas funciones auxiliares. El sistema de control de una MMC realiza las siguientes funciones fundamentales:

1. Control de la actividad dinámica de una MMC: gestión de la estructura mecánica en sincronismo metrológico y operacional con 3 a 10 ejes.

2. Control del programa de medición gestión del conjunto de instrucciones necesario para la ejecución automática del programa de medida.

3. Proceso de datos de los puntos medidos: elaboración, a partir de los puntos tomados en la superficie de la pieza, del elemento geométrico

4. Gestión de la comunicación hombre/máquina: gestión de la interacción entre el usuario y la MMC

5. gestión de la comunicación con el mundo exterior: gestión de la comunicación entre la MMC y las redes locales

6. Subordinación al ciclo de medida: sincronización de las actividad real de una MMC con eventos externos y asíncronos.

7. Etc.

Estructura

Debido a la complejidad de estos cálculos, la estructura de los sistemas de control y de proceso de datos de las MMC multiaxiales se articula a distintos niveles, según la inteligencia lógica distribuida jerárquicamente (figura 9). El sistema se articula a dos niveles:

Nivel 1: Servidor del sistema (host). En este caso concreto una estación W/S AlphaStation de Digital Equipment. Los programas que contiene realizan las siguientes funciones:

1. Gestionan la comunicación con el mundo exterior: gestión de la interfase con las redes locales con el fin de:

a) Transmitir los datos de medición hacia un concentrador externo Transmitir los programas de medición desde estaciones remotas de programación b) I/F para la gestión remota de células de medición

2. Gestionan la comunicación hombre/máquina, con el fin de:

a) Efectuar la gestión local de la MMC b) Preparar o modificar los programas de medición c) Procurar el rearranque de emergencia d) Efectuar diagnósticos

3. Gestionan el programa de pieza: programa de gestión de la medición.

a) Instrucciones de posicionamiento b) Instrucciones de cálculo c) Instrucciones de acondicionamiento d) Direccionamiento de los resultados

4. Calculan los puntos medidos: cálculos a partir de los puntos tomados de:

a) Puntos, líneas rectas, superficies, círculos, esferas, cilindros, etc. b) Colisos (cajeras), también cuadrados, elementos especiales para carrocerías.

Nivel 2. Articulado, en este caso, alrededor de un coprocesador matemático Intel 80C187, este nivel tiene, esencialmente, tres tareas:

1. Interfase con el nivel 1: cálculo de las leyes dinámicas del movimiento en base a los comandos de posicionamiento recibidos del nivel 1:

Cálculo de la trayectoria de referencia Coordinación de los ejes Cálculo de las ecuaciones de control Gestión del lazo de posición

2. Interfase con el nivel 3 (MMC): gestión del movimiento de los ejes de la máquina en base a la teoría del movimiento calculada previamente:

Gestión de los movimientos.

Gestión de los sensores.

Gestión de las entradas/salidas de la estructura (aire, finales de carrera, etc.).

Gestión de la alimentación.

Gestión de las emergencias.

Gestión de las entradas/salidas locales (por ejemplo, las de los sistemas de alimentación).

El sistema de control y de proceso de datos, ilustrado aquí desde el punto de vista estructural, puede controlar desde 3 hasta 10 ejes. Adicionalmente, en el caso de una arquitectura en brazo horizontal, las dos caras de la máquina pueden ser manejadas como una única unidad con 10 ejes (figura 10) o como dos unidades separadas con 5 ejes cada una (figura 11).

Figs. 10 y 11

PROGRAMAS APLICATIVOS Los programas aplicativos de una máquina de medir se generan a partir de un conjunto de programas que permiten la medición con técnicas predefinidas para cualquier tipo de pieza, y una evaluación en tiempo real de los resultados. A continuación analizaremos las tecnologías actualmente disponibles en los siguientes campos de actividad: a) programación de pieza; b) análisis de los resultados. Programación de pieza

La programación de pieza en una fase esencial de preparación para la ejecución (automática o no) de un ciclo de inspección dimensional. El término "programación de pieza" significa:

la definición de las instrucciones a ser ejecutadas o interpretadas por la máquina (por ejemplo: elección del palpador, movimiento que conduzca a la obtención de las coordenadas de cada punto, coordenadas nominales de los puntos a medir y movimiento de repliegue a la terminación

la definición de la secuencia de las instrucciones

la generación del programa

Técnicas de programación de pieza

Existen tres técnicas básicas para efectuar la programación de pieza

Programación en línea ("on line", autoaprendizaje)

Es la técnica más consolidada y empleada, a pesar de que requiere la disponibilidad simultánea de la MMC y de la pieza a medir Programación fuera de línea ("off line").

Esta técnica, aunque conocida desde hace años, está implantándose actualmente debido a la creciente fiabilidad de la tecnología de soporte. Ello permite la creación y la simulación de un ciclo de medida mediante una estación de CAD/CAM con funciones de inspección dimensional.

Programación automática fuera de línea ("Automatic off line part programming").

Lamentablemente, esta técnica ya no existe. La generación de los programas de inspección y sus estrategias serían controladas por el propio software de aplicación

Programación de pieza en línea El operador, mediante el empleo de programas de medición básicos, el dibujo de la pieza, la pieza física y la MMC, genera una a una las instrucciones del ciclo de inspección. En la mayor parte de los casos, especialmente cuando la pieza es compleja, es un proceso largo y tedioso. Durante la fase de programación de pieza, la máquina de medición no puede inspeccionar otras pieza, lo que resulta un fuerte inconveniente para las máquinas instaladas en la línea de proceso. El inicio de la programación de pieza está siempre sujeto a la disponibilidad física de la pieza.

Los programas de medición han sido considerablemente desarrollados en un intento de simplificación y de reducción del tiempo, con el fin de optimizar la ejecución del ciclo de inspección. El mejor ejemplo de avance en este terreno son las "subrutinas" o "procedimientos". Están realizadas mediante una secuencia de instrucciones predefinidas que el operador debe completar insertando los valores nominales de cada elemento concreto en un dispositivo de entrada preformateado. Dada su extrema simplicidad, las "subrutinas" suponen uno de los instrumentos más válidos y ampliamente usados para la programación de elementos complejos. Los ejemplos de las figuras muestran dos típicas subrutinas para la medida de elementos de carrocerías: "Flush and gap" (opera y captura la diferencia entre la parte móvil y la parte fija de una carrocería) y "Ratio of the sheet metal curve". La secuencia y el modo de medición están automáticamente definidos por el sistema: los datos nominales a introducir por el operador en un dispositivo de entrada concreto se ilustran gráficamente en las figuras. Programación de pieza fuera de línea La programación fuera de línea permite la preparación de un programa de inspección previamente a la producción propiamente dicha de la pieza, y no exige de la MMC tareas adicionales a la que tiene adjudicada institucionalmente: medir.

Fig. 13.- Esquema de la programación de pieza fuera de línea

La mayor parte de proveedores de programas de CAD/CAM ofrecen actualmente aplicaciones CAM orientadas a metrología. Estos programas, al emplear una descripción matemática de la pieza (CAD) y los instrumentos de emulación de la MMC (orientados a CAM) o permiten la definición y la simulación en pantalla de un completo programa de inspección. El resultado final en la programación de pieza "off line" está constituido por un fichero en formato DMIS (Dimensional Measuring Interface Standard), el estándar para la transferencia de programas de inspección entre el CAD/CAM y entornos de medición. Una vez el programa DMIS ha sido transferido a la máquina puede ser inmediatamente ejecutado. Y de forma ideal, ¡en teoría! Porque en la práctica, aunque los tiempos de puesta en marcha se hayan reducido drásticamente, es casi siempre necesario llevar a cabo modificaciones locales, por ejemplo para añadir los elementos de fijación de la pieza, que los sistemas CAD raramente contemplan. Para ejecutar un programa DMIS es también necesario, en la mayoría de los casos, traducirlo a un lenguaje comprensible por el programa de medición y y el sistema de control de la máquina. Salvo casos raros, las máquinas de medir sólo son capaces de interpretar lenguajes propios y exclusivos de cada fabricante (propietary). Si bien la conversión de un lenguaje a otro presenta dificultades considerables, en particular cuando se pasa de un lenguaje evolucionado a otro que no lo es tanto (¡piénsese en traducir un programa en C a otro en Fortran!), las máquinas que adoptan DMIS como su lenguaje nativo son preferibles para esta técnica "off line". Otra ventaja que se deriva de los sistemas de medida que emplean DMIS como lenguaje nativo consiste en el hecho de que en el caso de ser necesarias modificaciones locales en el programa de medición pueden ser escritos en el mismo lenguaje fuente que el entorno CAD/CAM del usuario. Ello permite una compatibilidad idónea y una congruencia entre los dos entornos. En consecuencia, en cualquier momento, y a ambos lados, se pueden efectuar modificaciones en el programa de medida sin pérdida de información. Lo cual es por supuesto imposible con los lenguajes "propietarios". Programación automática fuera de línea Las dos técnicas de programación de pieza descritas anteriormente tienen distintas ventajas e inconvenientes. En ningún caso, incluso cuando el programa de medición es generado a nivel de

CAD/CAM o de MMC el resultado final, en términos de tiempos de ciclo está considerablemente influenciado por el "factor humano", por la eficiencia de las estrategias de inspección adoptadas, etc. La programación automática fuera de línea que, como hemos dicho, no es está disponible en la actualidad, permitiría:

Generar el programa de medición en entorno CAD/CAM (de forma similar a como ahora se realiza)

Eliminar completamente las variables relacionadas con las habilidades y experiencia del operador.

Fig. 14.- Esquema de la programación automática de pieza fuera de línea

Desde un punto de vista meramente operativo, el operador debería ser capaz, simplemente, de:

Elegir la descripción matemática de la pieza a medir. Elegir, del contenido de una biblioteca informática, el sistema de medición en el que está

previsto llevar a cabo la inspección (a este nivel todas las características del sistema elegido; por ejemplo los palpadores disponibles).

Elegir los elementos a medir. Iniciar la generación automática del programa de medición.

Análisis de los resultados

Aún estando fuera de dudas que para mantener un proceso de calidad bajo control es indispensable medir las piezas producidas, es igualmente obvio que las medidas no serían útiles sin una evaluación de los resultados obtenidos. Así pues, el análisis de los resultados debe ser considerado no como un elemento auxiliar a la medición, sino como una parte integral de la misma. Tradicionalmente, los sistemas de medición generan un fichero grande y exhaustivo, de difícil interpretación - incluso para quien ha realizado el programa de inspección.

El objetivo de un control de proceso eficiente es el de evitar y no monitorizar la producción de piezas fuera de tolerancias. Por encima de todo, es importante actuar a tiempo. Para ello, los resultados de la medición deben ser:

disponibles y listos para ser analizados en tiempo real, para cada una de las muestras consistentes, incorporables y analizados estadísticamente en tiempo real

Programas para el control estadístico de procesos

Los programas SPC (Statistical Process Control) analizan los resultados de la medición generando informes estadísticos y tarjetas de control en tiempo real; permiten interpretar cómodamente los resultados de la medición y evalúan tendencias; controlan, en base a criterio personalizados y predefinidos, la tendencia de parámetros críticos, generando alarmas cuando tienden a salirse de los márgenes establecidos y relacionan las condiciones críticas de la pieza con las anomalías del proceso que las ha producido.

Fig. 15.- Ejemplos de salida de programas de control estadístico de procesos. Puede observarse cómo los gráficos de la pieza examinada facilitan la asociación entre los resultados y el elemento que los ha generado

La arquitectura de estos programas está basada, por lo general, en una base de datos relacional que prepara los datos para ser analizados por programas específicos modulares. Cada módulo está concebido para efectuar - óptimamente - un tipo concreto de análisis; los distintos módulos deben ser integrados entre sí para que el usuario obtenga informes personalizados de acuerdo con sus necesidades específicas.

SENSORIALIDAD

El palpador

Como ya se ha indicado, la toma de las coordenadas de la superficie de la pieza a medir se efectúa mediante dispositivos muy sofisticados, denominados palpadores. Dichos palpadores se encuentran estrictamente conectados al Modo Exploración, que puede ser de dos tipos:

Punto a punto: El palpador entra en contacto con la pieza a medir y, sin detenerse, genera una señal que permite la adquisición de las coordenadas del punto allí donde el palpador ha "tocado" la pieza. Este tipo de palpador es el más empleado.

Continuo: En este modo, el palpador se mantiene en contacto con la pieza a medir, tomándose puntos a alta frecuencia de acuerdo con leyes de adquisición determinadas. Los palpadores más precisos (submicrométricos) forman parte de esta categoría.

Independientemente de la categoría, existen dos tipos de palpadores:

Táctiles: en ellos, tanto en modo punto a punto como en modo contínuo, el palpador entra en contacto con la pieza para permitir la adquisición de datos.

Sensores de no contacto: Se trata de sondas que permiten la adquisición de datos sin necesidad de entrar en contacto físico con la pieza a medir.

Palpadores táctiles punto a punto

Tal como hemos dicho, son las más comunes. Aunque existen diversos tipos, la mayor parte de ellas se basan en el principio ilustrado en la figura 16.

El principio de funcionamiento es muy simple: se basa en la adopción de un sistema isostático que dispone de 3 series de esferas (elementos fijos) que alojan 3 cilindros (elementos móviles). Cada serie de esferas y su cilindro relacionado están separados entre si unos 120 º

Cuando la esfera entra en contacto con la pieza, se mueve. Basta con un movimiento infinitesimal para abrir el circuito (figura 16)

El sistema registra (y "congela" las coordenadas del palpador en el momento en que el mismo ha entrado en colisión con la pieza (figura 17).

En este momento, las coordenadas X, Y y Z de la pieza "tocada" quedan disponibles para ser procesadas.

Sensores táctiles contínuos

En las MMD cuyo error es inferior a 2 micras el sensor adquiere una importancia fundamental, siendo necesario reducir aún más la incertidumbre de medida de la máquina. Esto es especialmente cierto en máquinas de laboratorio (por ejemplo para la certificación de otros instrumentos de medida: ISO 9000).

Los sensores analógicos en modo contínuo se emplean generalmente en las aplicaciones antes mencionadas: dispositivos de exploración de alta precisión submicrométricos. En este tipo de sensores describiremos los de deflexión, auténticas máquinas de medir de precisión extremadamente elevada.

Los sensores de deflexión están basados en el principio de la deformación elástica de los materiales. El sistema de exploración por deflexión consigue una resolución muy elevada merced a transductores diferenciales, y se desplaza paralelamente a lo largo de los tres ejes cartesianos mediante un sistema paralelogramo elástico. La deflexión del sistema de exploración es perpendicular a la superficie de la pieza y, para cada punto medido, la normal a la tangente de la superficie medida es también adquirida pasando a través del propio punto.

El principio mecánico de funcionamiento se muestra en la figura 19. El paralelogramo relativo al eje Z es "equilibrado" por un motor con el fin de evitar errores gravitacionales.

Sondas triangulares de no contacto

La sensorialidad de no contacto ha sufrido una notable evolución en los últimos años, debido al desarrollo de tecnologías auxiliares tales como la miniaturización de compoenntes y los procesadores de alta velocidad y bajo coste. En metrología dimensional, este tipo de sensorialidad puede adquirir gran importancia, debido a que:

Permite la medición de superficies blandas. Puede reducir los ciclos de medición mediante una medición de una sola vez (single shot) o

bien una adquisición contínua de alta velocidad. No está sometida a rozamientos mecánicos.

Aún considerando los avances indiscutibles que se han venido produciendo, especialmente mediante la visión artificial, en lo que respecta a la medición de piezas medianas y grandes la solución más completa y satisfactoria sigue siendo la sensorialidad táctil.

Limitémonos en este contexto a analizar el principio de funcionamiento de los sensores láser triangulares (single beam), que son actualmente los más empleados. Es preciso indicar que el tipo de sensor en cuestión presenta notables inconvenientes al explorar puntos en el interior de elementos huecos. El esquema de funcionamiento de un sensor láser triangular de haz único se muestra en la figura 20.

Este tipo de sensor funciona mediante luz difusa. El haz láser, generado por el diodo DL, es conducido hacia la superficie de la pieza que genera el "spot" PI. La luz resultante de la difracción es entonces conducida hacia el fotodetector PD, que consiste en un fotodiodo de gran superficie en contacto con un semiconductor altamente homogéneo (figura 21). El propósito evidente de este proceso es determinar, con la mayor precisión posible, la distancia X.

El esquema de funcionamiento de un láser triangular de haz único típico se muestra en la figura 13. Cuando PO se encuentra con el fotosensor en XO genera una corriente. Dicha corriente circula a través de X1 y X2 y por los electrodos C y C1. Al pasar por d, cierra el circuito.

La suma de las corrientes I1 e I2 es función de las distancias X1 y X2. En teoría podría ser una función lineal, pero no es así debido a la homogeneidad imperfecta del fotodetector. El valor de las corrientes I1 e I2 no es sólo función de XO, sino también de PO.

La señal analógica del fotodetector es entonces amplificada y filtrada; se le suprime asimismo la influencia de PO. Tras la correspondiente conversión analógica/digital, cada señal sufre un tratamiento destinado a compensar los errores de linealidad mediante un firmware especial.

Desde el punto de vista geométrico, el funcionamiento de un sensor triangular es muy sencillo: ver figura 22 y sus conclusiones.

Sistemas para la adquisición de puntos en máquinas de medir por coordenadas

En los procesos de control de calidad se manifiesta constantemente la necesidad de sistemas de evaluación más acertada de las características geométricas individuales o de subconjuntos de los productos industriales. Entre la diversidad de medios implicados en encontrar solución al problema mencionado, la MMC (Máquina de Medir por Coordenadas) es el medio más complejo y eficaz.

Fig. 1.- MMC actual – vista general

INTRODUCCIÓN

A finales del año1962, la firma italiana DEA construyó la primera máquina de medición en un garaje de Borgo San Paolo, cerca de Turín. En 1973 Zeiss creó la máquina UMM500, equipada con un palpador universal, un ordenador y un control numérico (CN). En esta composición se encuentran por primera vez los dos elementos fundamentales que definen una maquina de medición tridimensional moderna: el palpador universal y el ordenador. El palpador universal es un captador de posición que, mediante contacto, permite localizar puntos sobre cualquier tipo de superficie. Si bien en sus inicios la adquisición de puntos se realizaba únicamente por palpado, en la actualidad existen diversas soluciones para conseguir el mismo propósito. Denominaremos en lo que sigue sistema para la adquisición de puntos (SAP) al subconjunto de la máquina que se relaciona con la muestra a medir para localizar puntos sobre las superficies de interés. El punto se considera como elemento geométrico fundamental, sin dimensión, sin propiedades físicas, como un “ladrillo” de todas las demás construcciones que realizará el software para identificar, localizar o relacionar entre si las características geométricas de la muestra sometida a análisis. La localización correcta de puntos sobre las superficies es un factor importante en la reducción del error sistemático de las MMC. A lo largo de su breve historia la MMC ha empleado distintos sistemas de adquisición de puntos. Según la forma de relacionarse con la muestra se pueden dividir en dos grupos: SAP por contacto, llamados también palpadores, o SAP sin contacto. La MMC se puede ubicar para acceder a cualquier punto dentro de su campo de trabajo en forma de paralelepípedo. Continuadamente y en cada uno de los ejes de la máquina se leen las coordenadas (X, Y, Z), pero se validan sólo aquellos valores que corresponden a la posición en la cual el SAP está en una relación de incidencia con la superficie de interés. Este estado lo señala el usuario si se trata de palpadores pasivos, o un sensor integrado si es un SAP activo. Si el sistema es activo se puede leer la posición en movimiento, sin pérdida de precisión, mientras que en un sistema pasivo la lectura es necesariamente estática.

1. SAP POR CONTACTO

Se propone analizar la situación representada en la figura 2. En su desplazamiento a lo largo del eje X el palpador se aproxima a la cara plana de una pieza, orientada de forma perpendicular al eje. Como

eventos en el tiempo, primero tiene lugar el contacto de la pieza con el palpador y, después, y como resultado de ese contacto, en los SAP activos cambia el estado el sensor acoplado al palpador. Evaluar la abscisa A, como distancia a lo largo del eje X respeto al origen, supone la aplicación de la siguiente fórmula primitiva:

Donde:

P es la posición leída en el regle del eje X Va es la velocidad de aproximación Dt es el tiempo entre el momento del contacto del palpador con la pieza y el disparo del

sensor. k es el coeficiente del sentido de aproximación (k= 1 si se desplaza en X+; k=-1 si se desplaza

en X-) r es el radio de la punta del palpador.

En un palpador pasivo la lectura es estática (Va = 0) y, por este motivo:

Si además se utiliza un palpador de punta viva (r = 0), entonces:

1.1 SAP pasivo de punta viva

Este tipo de SAP se utilizó en las primeras MMC, que no eran otra cosa que lectores de coordenadas de un puntero. El único aspecto positivo de este tipo de palpador es su capacidad para localizar puntos reales sobre las superficies exploradas, debido al valor 0 del radio de su punta “viva”. El uso exclusivamente manual lo hace poco productivo. Hay riesgo de daños de estilo en la zona palpada y posibilidad de error derivado de la alteración de la punta o de la superficie explorada. Para la calibración de la punta se requiere un calibre cúbico, con orientación paralela a los ejes de la máquina. El origen del sistema de coordenadas está basado en puntos palpados sobre el calibre. La orientación de la punta tiene que permitir el acceso a 3 caras adyacentes del calibre cúbico.

1.2 SAP activo de sensor digital

Su estructura corresponde al esquema siguiente: una punta esférica de rubí entra en contacto con el objeto a explorar. Esta punta, solidaria a un vástago metálico, se puede acoplar, si es necesario, mediante un alargo o, si no, directamente (enroscada) al sensor binario, capaz de ofrecer un cambio de estado de una señal eléctrica. La fuerza graduable de un muelle obliga a los tres cilindros metálicos, orientados a 120º alrededor del eje del sistema, a que se mantengan tangentes a los tres pares de esferas, formando así un circuito eléctrico serie - normal cerrado. Cuando la punta entra en contacto con la superficie a explorar se abre uno de los 6 contactos eléctricos y la señal de salida cambia.

Fig. 2.- Palpando a lo largo del eje X

Fig.3.- Curva 3D interpolada por puntos digitalizados con punta “viva”

Es esta señal la que manda la lectura de los tres regles de la MMC y también activa los sistemas de freno para detener el movimiento de aproximación. Hablamos en este caso de un palpador dinámico, capaz de realizar adquisición de datos en movimiento. El programa gestiona las tres coordenadas del centro de la esfera en el momento del contacto con el objeto a medir. Este tipo de SAP es eficaz en medición de piezas cuya mayoría de sus características de interés están orientadas a lo largo de un eje, como en la figura 6.

1.3 SAP con puntas en “estrella”

Cuando es preciso medir y localizar características con distintas orientaciones en 3D se puede utilizar una punta en estrella. Un sensor único se activa por el contacto con la pieza de cualquiera de las 5 puntas de rubí. Todas ellas tienen que estar habilitadas para medir mediante un proceso previo de calibración y calificación. En esta fase el programa evalúa para cada punta su radio dinámico y, para las puntas secundarias, evalúa las componentes axiales del vector de posición respecto a la punta principal. El valor numérico de estos vectores, con el signo que deriva de sus orientaciones, es utilizado por el programa para compensar la posición leída en los ejes. Para calibrar y cualificar se utiliza un calibre esférico de incertidumbre certificada, de rango superior al conjunto de la MMC. Durante el proceso de medición el usuario debe indicar al programa con cuál de las cinco puntas va a tocar, y prevenir la colisión de los demás elementos de la punta en estrella. En aplicaciones para medir ranuras - como en la figura 8 - este tipo de punta es insustituible. Se pueden utilizar otras combinaciones de puntas conectadas a un mismo sensor en aplicaciones para medir engranajes.

Fig. 4.- Esquema del principio básico de un sensor de contacto

Fig. 5.- Circuito serie- normal cerrado

Fig. 6.- Palpador activo con sensor digital

1.4 SAP multiposición manual

Si se desea evitar las interferencias con la muestra y realizar exploraciones desde posiciones distintas y a bajo coste se puede disponer de SAP con múltiples orientaciones de la punta. Con dos giros en planos perpendiculares y contando con muy buena repetibilidad se puede calibrar y cualificar una multitud de posiciones discretas. En caso necesario, el operario cambia de posición el palpador de manera manual e informa al programa de medición cuál es la nueva posición en uso. Estas tareas pueden ralentizar el trabajo y precisan asistencia continua en ejecución de programas de medición de CN, que requieren el uso de distintas posiciones.

1.5 SAP multiposición motorizado

Similar al anterior, incluye en su estructura motores para los giros necesarios en el cambio de posición de la punta. Sus movimientos se pueden programar para la ejecución en CN. Dispone de protección contra la colisión. En su estructura se pueden intercalar, además de alargadores de punta (AP), unos brazos alargadores que facilitan el acceso a zonas incómodas. La calibración y la calificación de puntas se ejecutan con programas de CN. Se pueden escoger posiciones preferentes entre las más de 670 posiciones disponibles. Para la medición compleja de piezas repetitivas, que supone el uso de varias puntas de medición, se puede optar por un sistema de cambio automático de puntas, que permite la automatización completa del proceso de medición. Observación: Al explorar puntos individuales utilizando SAP digitales, con la compensación de radio activada se comete un error geométrico sistemático si la aproximación hacia el punto deseado no se realiza a lo largo de la normal a la superficie en este punto. En la figura 11 se sitúa el SAP en

donde R es el radio de la punta y a es el ángulo entre la dirección de la exploración y la normal a la superficie en el punto de incidencia teórico. Se constata que el error f disminuye si se utilizan esferas pequeñas, o se anula cuando se explora a lo largo de la normal local a la

superficie, cumpliendo

2. SAP CONTACTO CONTINUO

La característica particular de estos SAP es la posibilidad de realizar la exploración en movimiento continuo con el palpador esférico, tangente a la superficie. Una controladora dedicada, con la ayuda del programa, genera las dos componentes de una fuerza que mantiene el sensor en un plano de exploración con desviaciones limitadas a un umbral preestablecido respeto a la posición neutra. En tiempo real se realiza la lectura de las coordenadas X,Y,Z en los regles de la máquina. A estos valores se aplican las correcciones con valor y signo igual a las pequeñas desviaciones de la esfera de exploración respeto a su posición neutra (con desviaciones nulas). En el interior de este SAP las pequeñas desviaciones como las marcadas con DX y DZ se convierten en señal analógica mediante un sensor inductivo. Para facilidad de procesamiento, esta señal se convierte en formato digital. El programa realiza las correcciones de posición y genera un fichero nube de puntos situados todos en una superficie offset de la zona de interés, separada a una distancia equivalente al valor del radio de la punta del palpador implicado en el proceso de digitalizado. Estos puntos se pueden utilizar un sistema CAD para construir curvas y, mediante éstas, definir por zonas unos tramos de superficies para conseguir la versión informática del modelo explorado. El monitor fotografiado en la figura 14 presenta la información de 6 canales de entrada de datos. A la izquierda de la imagen se observan las coordenadas leídas en los tres regles de la máquina y, al lado a la derecha, las desviaciones recogidas en el SAP de contacto continuo. La ayuda de los SAP de contacto continuo es muy eficaz en los procesos de reingenieria de productos, que tiene como propósito conseguir rápidamente un modelo informático de superficies complejas, creadas por modelistas o estilistas. Basados en estos modelos se pueden elaborar en poco tiempo los programas de control numérico para el proceso de mecanizado de la figura del molde, destinado a producir grandes series de estos productos.

3. SAP SIN CONTACTO

Los progresos realizados en el desarrollo de los sistemas de visión por ordenador y en el uso de los sistemas de láser industrial permiten explorar superficies 3D sin necesidad de palpar. En estos casos sobre la zona de interés incide el eje óptico del sistema o un haz láser.

3.1. SAP con sensor CCD para 2D

Un área CCD blanco/negro, un sistema de alumbrado y un sistema de lentes ópticas son los componentes principales de este SAP. La MMC transporta el sensor con el eje óptico orientado perpendicular a uno de los planos del sistema de referencia. La adquisición de puntos es confirmada por el operario en el momento en el que sitúa un cursor del sistema óptico encima del contorno de la pieza. El proceso se puede automatizar, función de la transición blanco/negro, ajustando el alumbrado y el umbral de sensibilidad del sistema. Para obtener información de coordenadas 3D sobre una superficie se utiliza un haz láser con orientación inclinada respeto al eje óptico del sistema. La imagen del punto láser proyectado sobre la superficie se recibe en un sensor CCD lineal. Utilizando algoritmos de cálculo se pueden evaluar las tres coordenadas del punto de incidencia.

3.2. SAP láser vertical

En estos sistemas el haz láser tiene orientación vertical fija, incide sobre la superficie de interés, se refleja en ésta y retrocede a un sensor situado a un lado y otro del emisor. Relaciones geométricas en el triángulo: Emisor, Punto, Receptor permiten evaluar las coordenadas 3D. Estos sistemas, caracterizados por su elevada velocidad de exploración, ofrecen buenos resultados sólo en superficies suaves con acabado superficial uniforme, sin brillos y en zonas con la normal a la superficie próxima a la dirección vertical.

3.3. SAP láser + vídeo

En estos SAP un haz láser, un sistema óptico y un sistema de alumbrado se complementan para solucionar en parte la problemática del caso anterior. El haz láser es coaxial al eje del sistema óptico. La imagen del punto incidente sobre la superficie se focaliza mediante una lente especial de forma toroidal sobre un sensor de forma anular. La posición del punto diana está evaluada mediante un proceso de triangulación circular en el cual participan multitud de imágenes del mismo punto visto sobre segmentos de sensor, distribuidos alrededor. Con este sensor se elimina el efecto de orientación del sensor respeto a la superficie. La velocidad de adquisición está limitada sólo por la velocidad de la línea de comunicación de datos. Acompañan al programa de usuario sistemas de procesado de imagen, que ayudan a identificar primitivas geométricas (círculos, rectángulos, radios de enlace). El sistema de alumbrado con sus parámetros de trabajo se puede asociar al programa de exploración para tratar de la misma manera las muestras repetitivas.

4. TENDENCIAS

El desarrollo de los SAP proseguirá para dar mejores soluciones a la problemática compleja de la medición y digitalización. En actualidad no existe un sistema bueno para todas las situaciones, y los diversos sistemas coexisten y se complementan. De los sistemas sin contacto se esperan mejoras en cuanto a la dependencia del brillo y el acabado superficial. Los sistemas por contacto se mantienen líderes en cuanto a la incertidumbre y repetibilidad. De los sistemas con láser se espera la capacidad de orientarse en 5 ejes en posición perpendicular a la superficie incidente. Para digitalización rápida de modelos se están experimentando sistemas de adquisición de imágenes grabadas en una cámara vídeo con libertad de movimiento y orientación alrededor del modelo. La posición y la orientación de la cámara están relacionadas mediante un radiolocator con un punto fijo que sirve de origen. Patrones de sombra en forma de mallas se proyectan sobre la zona de interés. El

programa actúa después de la adquisición, solapando imágenes en base a los patrones proyectados y reconstruyendo las formas 3D en base a las posiciones y las orientaciones, registradas en sincronismo con las imágenes grabadas. De este modo el proceso de adquisición de datos se puede reducir a segundos. Se prevé su aplicabilidad en la inspección de formas en tiempo real en líneas de fabricación, con capacidad de reconocimiento de la desviación de la forma prevista y exclusión de la muestra defectuosa.

Estándares de funcionamiento de las MMC

Para determinar la calidad de una máquina de medición por coordenadas los fabricantes confían en los estándares de funcionamiento. Esos estándares son útiles para comparar el rendimiento de diferentes marcas, para determinar, de modo general, hasta qué punto la máquina va a medir las piezas como se espera que lo haga y para comprobar que la máquina funcione bien.

Sin embargo, hay distintos estándares de medición o calibración y eso suele causar confusiones no sólo entre los clientes, sino entre los mismos fabricantes.

Hoy en día, hay tres estándares principales para verificar la precisión del funcionamiento de la máquina de medición: ASME B89.4.1, VDI/VDE 2617 y ISO 10360. Las organizaciones de estándares de todo el mundo coinciden en que los tres son igual de buenos para evaluar el funcionamiento global de una máquina. Se diferencian por el tipo de metodología. Las diferencias más grandes son el número de ensayos realizados para evaluar el funcionamiento de la MMC y el modo como se escriben las especificaciones del funcionamiento. El estándar B89 realiza dos ensayos para evaluar el funcionamiento de la medición de la longitud. VDI/VDE 2617 realiza tres ensayos y ISO 10360 realiza dos ensayos, uno es para el sensor. Las especificaciones B89 utilizan un único número para representar un campo de rendimiento. Por ejemplo, la estación de medición de Brown & Sharpe Gage 2000 tiene una especificación del rendimiento volumétrico de 0.010 mm/325 mm. El número situado después de la barra es la longitud de la esfera calibrada unida a una barra que se midió. Eso significa que el campo de longitudes medidas con la esfera calibrada unida a una barra en varias posiciones no es mayor a 10 micrómetros. Las especificaciones VDI/VDE y ISO representan el rendimiento de la medición de la longitud en una fórmula. El rendimiento volumétrico de Gage 2000 se presenta en el formato VDI/VDE como U3 = 4 + 5L/1000. Lo que significa que sobre la misma longitud medida de 325mm, no puede haber un error mayor a 6µm (en realidad 5,625 µm).

Ensayos de funcionamiento. Los estándares VDI/VDE y ISO utilizan mediciones hechas con un pie de rey o un juego de bloques patrones equivalentes. En el estándar VDI/VDE el calibre se mide en tres posiciones: axial (U1), plana (U2) y volumétrica (U3). Las diferencias entre las longitudes medidas y las longitudes tomadas por el calibre se comparan en la fórmula U= a + b x L/1000 para la especificación VDI/VDE.

El término “a” es el valor que representa el error cometido mientras se mide alguna cosa de longitud 0. Los términos “b” y “L” dividido por 1000 representan el aumento del error basado en la longitud que se está midiendo. La fórmula representa una línea que para la longitud medida 0 es el valor “a”, 4 micrómetros, por ejemplo, y sube por un gradiente definido por el término “b”. El término “b” es el número de micrómetros que aumenta el error para cada 1000mm de longitud “L”. Así, la fórmula U3 = 4 + 5L/1000 para la precisión volumétrica significa que el error para la longitud medida 0 es de 4 micrómetros y para cada metro adicional de longitud medida incrementa 5 micrómetros. U3 = 4 + 5L es como se representa normalmente la fórmula.

La metodología de la medición es la misa para el estándar ISO, pero la fórmula pasa a ser E = a + L/k donde “k” es el valor “b” en la fórmula VDI/VDE dividido entre 1000. No hay especificaciones individuales axiales y planas; se incluyen en la especificación volumétrica “E”.

El ensayo básico con el estándar B89 del funcionamiento de la MMC incluye 5 mediciones:

1. Realización de varias mediciones de la posición de una esfera fija. El campo (el mayor menos el menor) es la repetibilidad de la máquina.

2. Realización de varias mediciones con un pie de rey o láser en cada dirección axial. Esa es la precisión lineal de la máquina.

3. Realización de varias mediciones de una esfera calibrada unida a una barra (barra bola) en posiciones y orientaciones múltiples dentro del volumen de trabajo de la máquina. Ese es el rendimiento volumétrico de la máquina.

4. Realización de varias mediciones de una esfera calibrada unida a una barra en cuatro posiciones diagonales en planos verticales. En cada posición, la esfera calibrada unida a una barra se mide con dos offsets de sensor en ángulo recto y se determina la diferencia de la longitud medida. Las diferencias se comparan con una especificación de errores de offset del sensor.

5. Medición de la longitud de un bloque patrón corto en cuatro orientaciones. La medición se compara con una especificación de medición de precisión bidireccional. Ese ensayo es sensible a errores de calificación del sensor.

Hay algunas diferencias más. Por ejemplo, el estándar VDI/VDE especifica un método para la medición de distancias muy largas, llamado método bloque, y para el uso de otros tipos de calibre como "allplates" y anillos calibrados para el ensayo del sensor. Tanto VDI/VDE como B89 ofrecen ensayos específicos para máquinas con mesas rotatorias. El estándar B89 también ofrece ensayos específicos para múltiples puntas de sensor, mediciones en diagonal con láser, funcionamiento bidireccional para máquinas horizontales de doble brazo y rendimiento con piezas pesadas. Los estándares generalmente necesitan que el ambiente en el que se realizan los ensayos de aceptación estén dentro de los límites especificados por el fabricante de la máquina, especialmente la de temperatura.

Los estándares VDI/VDE requieren más o menos lo mismo. El estándar B89 permite realizar ensayos de aceptación en cualquier ambiente. Si el ambiente no tiene las características especificadas por el proveedor, se realizan otros ensayos para determinar los efectos del ambiente sobre el funcionamiento de la máquina. Los resultados de esos ensayos se utilizan para modificar las especificaciones del funcionamiento de la máquina.

Hay otros estándares además de esos tres. Los más conocidos son el MMC Manufacturers’ Association Standard, MMCA; el estándar japonés JIS B7440 y el estándar británico BS 6808. Esos estándares tienen una aplicación generalmente limitada, excepto en los países de origen.

La cuestión de la precisión. La cuestión más importante ahora mismo en los comités de estándares tanto de EE.UU como ISO es que aunque esos ensayos de funcionamiento ofrecen una caracterización global de la calidad de la máquina, no dan suficiente información al usuario sobre con qué punto de precisión puede medir la máquina una característica como el diámetro de los cilindros de un bloque motor. Actualmente, los comités de estándares técnicos de todo el mundo trabajan para determinar cómo se puede caracterizar lo que se conoce como “incertidumbre de medición específica”, es decir, el modo de describir el grado de precisión con el que la máquina puede realizar una tarea de medición real.

AVANZADO

Verificación de las prestaciones de una máquina de medición por coordenadas

La normativa ISO 10360

La certificación de las prestaciones metrológicas de las máquinas de medición por coordenadas está regulada por normativas internacionales que garantizan a los usuarios la conformidad del producto adquirido con los estándares definidos por las comisiones de reglamentación en las que participan fabricantes, usuarios y autoridades de certificación.

En los últimos años la ISO 10360 ha sido el estándar más importante, con una mayor difusión. La Organización Internacional para la Estandarización (ISO) es una federación mundial de organismos de estandarización nacionales. Los Estándares Internacionales los redactan comités técnicos.

La ISO 10360 regula las pruebas de aceptación y la verificación de las prestaciones de las máquinas de medición por coordenadas, conocidas como MMC.

El conjunto de las normas ISO 10360 define los criterios de aceptación y de reverificación de las máquinas de medición y las adoptan las autoridades nacionales europeas de estandarización.

Consta de varias partes, cada una se encarga de tests y pruebas específicos:

Parte 1: Vocabulario. Parte 2: MMC para medir dimensiones lineares. Parte 3: MMC con cuatro ejes y mesa giratoria. Parte 4: MMC con funciones de medición por digitalización. Parte 5: MMC con sistemas de toma de datos con múltiples puntas.

Las pruebas de certificación y aceptación según la ISO 10360-2

Las prestaciones de la máquina de medición se verifican según dos parámetros principales:

El Error Máximo Permitido (MPE) debe estar especificado por el fabricante y define los errores máximos E y P del sistema de medición.

Estos dos parámetros permiten establecer las prestaciones de la máquina de medición relativas a la longitud medida (MPEE) y a la toma de un punto (MPEP).

Los dos parámetros pueden estar declarados por el fabricante para el volumen de medición completo o para un volumen reducido del cual se han especificado los límites.

Error de indicación de la longitud medida MPEE

La fórmula con la que se define la inexactitud de la medición de la longitud del volumen es:

Donde:

La prueba se debe realizar con 5 componentes certificados (bloques patrones o pies de rey) de diversas longitudes, orientándolos en 7 direcciones distintas en el volumen de medición, medir cada uno 3 veces para obtener un total de 105 mediciones (Fig.1).

Figura 1

Todos los resultados de las 105 mediciones (100%) tienen que estar dentro de los límites del MPEE especificado por el fabricante. No se admiten las mediciones fuera de tolerancia. Se admite repetir la prueba si en un máximo de 5 mediciones de la longitud, de las 35 realizadas, hay uno de los tres valores repetidos fuera de la zona de conformidad.

Error de toma de punto MPEP

El error de toma de punto P se verifica midiendo 25 puntos en una bola de calibración de un diámetro entre 10 y 50 mm con un palpador que no sea paralelo a un eje de la MMC. Este parámetro se verifica en una sola posición en el centro del volumen de medición. El error de toma de punto P es la banda de dispersión de las 25 distancias radiales entre los puntos medidos y el centro de la bola que se calcula utilizando las 25 tomas de punto, es decir . El error P resultante tiene que estar dentro del límite MPEP especificado por el fabricante (Fig.2-3).

Figura 2

Figura 3

Verificación de las prestaciones de digitalización

La verificación de las prestaciones de digitalización están descritas por la norma ISO 19360-4 y es aplicable para los palpadores punto a punto.

Las prestaciones de digitalización está determinada por los parámetros T i,j y t:

El fabricante de MMC puede especificar el Error Máximo Permitido para las prestaciones de digitalización según las siguientes combinaciones:

MPETHP, MPETLP, MPETHN, MPETLN

Densidad de puntos Trayecto predefinido Trayecto no predefinido

Alta THP THN

Baja TLP TLN

La digitalización con alta densidad de puntos es particularmente significativa en las digitalizaciones para definir el error de la forma, por ejemplo en el caso de las redondeces.

El error de digitalización se verifica digitalizando una bola de calibración por cuatro secciones definidas en el tiempo establecido por el fabricante. Los resultados de la digitalización definen el centro y el radio de la bola. El error Ti,j se calcula como la banda de dispersión del radio de la bola definido por todos los puntos de digitalización.

a es el ángulo que define la inclinación del palpador respecto al eje Z de la máquina de medición. Se aconseja coger un ángulo de 45º.

Las prestaciones de digitalización de la MMC se aceptan si:

El error no es superior al MPETi,j especificado por el fabricante.

La diferencia entre los radios calculados y la mitad del diámetro certificado de la bola no es mayor al MPETi,j.

El tiempo total empleado para la prueba no es superior a t como se especifica (Fig.4).

Figura 4

Verificación de las prestaciones de una MMC según la ISO 10360-5

La parte 5 de la norma 10360 regula la verificación de las prestaciones de una máquina de medición con cabezal fijo y múltiples puntas (punta de estrella) o una MMC con cabezal de medición articulada (por ejemplo Renishaw PH 10M/MQ).

En el caso de un cabezal fijo con múltiples puntas los parámetros son:

MPEMF, MPEMS, MPEML

Donde:

El procedimiento de verificación consiste en medir la bola de calibración con las 5 puntas que forman el cabezal (que han de tener la misma longitud) tomando 5 puntos cada una. El cálculo de los tres errores MF, MS y ML tiene que utilizar los 125 puntos medidos (Fig. 5).

Figura 5

En el caso de cabezal articulado los parámetros son:

MPEAF, MPEAS, MPEAL

Donde:

El procedimiento de verificación consiste en medir la bola de calibración en 5 posiciones del cabezal (perpendiculares entre ellas) tomando 5 puntos de cada una. El cálculo de los tres errores AF, AS y AL tiene que utilizar los 125 puntos medidos (Fig. 6-7-8).

Figura 6

Figura 7

Figura 8

Eficiencia y precisión en los sistemas de inspección mediante una conexión directa a CAD

Mediante DCI, los operarios pueden simular programas de medición de piezas usando un modelo de la pieza preciso descargado del sistema CAD.

Mejora del rendimiento

Programar las máquinas de medición por coordenadas (MMC) con los datos importados de los sistemas CAD se está convirtiendo en una práctica habitual. Las ventajas de transferir los datos CAD a la MMC para la medición están mejorando la eficiencia de la programación y el rendimiento del sistema de medición. La utilización de datos provenientes del CAD también elimina algunos errores del operario asociados a la programación de MMC sin CAD además de permitir programar la MMC de un modo off-line, sin necesidad de tener la pieza ni estar conectado a la maquina de medir.

Sin embargo, como todas las mejoras, la importación de datos CAD también tiene algunas limitaciones. El paso de datos desde los sistemas de CAD puede acarrear errores, aunque sean pequeños. El problema es debido a una mala traducción del modelo CAD. La manifestación más común de este problema son las separaciones evidentes entre las superficies y superficies que aparecen con múltiples capas. También hay errores que no podemos ver pero que existen en los datos traducidos. A menudo los datos CAD ya han sido traducidos a varios sistemas CAD antes de que se traduzcan por parte del software de la MMC. Esto puede crea errores según el número de veces que haya sido traducido. Los sistemas modernos de CAD utilizan complejos algoritmos matemáticos para definir superficies.

Puesto que cada desarrollador de sistemas CAD ha diseñado de forma rápida y competitiva rutinas propias y particulares para definir y determinar matemáticamente las diferentes partes que componen el modelo entero, los traductores comunes no son capaces de soportar todas las variedades de algoritmos y módulos CAD. Tras una traducción del sistema CAD y una importación por parte del software de medición no disponemos de ningún método para comprobar los datos perdidos.

Otro aspecto de pasar los datos CAD al software de la máquina de medición es la capacidad de soportar otros módulos CAD. El trabajo de diseño se puede haber realizado en pequeñas partes y haberlo ensamblado después. En el contexto de la capacidad de comunicación mundial actual, varios diseñadores pueden guardar partes del diseño final forma independiente para ensamblarlas como una única pieza.

Puesto que el sistema CAD sólo guarda partes en su fichero original, es imposible leer sin una estructura de base de datos propia de CAD. Los módulos futuros significan otra mejora de los sistemas CAD que harán que los traductores se queden atrás.

Hacer un de CAD a las MMC

Hoy en día, hay varios métodos para hacer un vinculo de datos CAD con los sistemas de medición. Recientemente, Hexagon Metrology, S.A. ha desarrollado un nuevo método llamado Direct CAD Interface (DCI) como una de las características de su software de inspección y medición PC-DMIS. El metodo DCI se puede instalar tanto en las máquinas nuevas o en máquinas de otros fabricantes de MMC. El interfaz directo a CAD está disponible para programas como Catia, Unigraphics, Pro/Engineer, SDRC y el formato CAD común, ACIS. Elimina la necesidad por parte del software de traducir el modelo original CAD, garantizando que se usan los datos precisos del diseño para la programación de piezas. DCI permite que los usuarios usen la precisión de los datos del diseño original para crear programas de inspección off-line completos con MMC gráficas, modelos de piezas y de fijaciones y simulaciones de la trayectoria del sensor, reduciendo el tiempo de programación y mejorando la precisión.

DCI ofrece un método para descargar la forma de piezas complejas, lo cual permite realizar programas de piezas. La arquitectura abierta de PC-DMIS usa la funcionalidad de entrada a la arquitectura interna del sistema CAD. El aspecto más importante es el acceso a las rutinas matemáticas junto con las superficies complejas de CAD, ofreciendo un 100% de confianza en la integridad de datos que se usan en la medición. DCI tiene una amplia aplicación, desde piezas simples a complejas superficies contorneadas como los ensamblajes de piezas de chapa. Para evaluar los beneficios de DCI, es importante entender cómo funcionan los otros métodos de transferencia de datos CAD y cuáles son sus limitaciones.

Un método muy común es la traducción del modelo, sacado de un fichero original CAD, al lenguaje del formato común como Iges a través de un convertidor interno del sistema CAD. El fichero en formato IGS se pasa entonces al software de medición que tiene su propio convertidor interno para traducir el formato común otra vez al lenguaje interno propio del software de medición.

Este es el método más común de importar datos CAD y soporta la mayoría de paquetes de softwares de medición. Es una solución de bajo coste y es ideal para la medición de piezas simples. Sin embargo, puesto que hay una doble traducción, este método puede producir errores de traducción. Las incompatibilidades entre traductores pueden reducir la eficiencia de la operación.

Otro método es la traducción del fichero original CAD al formato Iges a través de un convertidor interno. Este fichero de formato común IGS se pasa al software de medición que usa el formato común como su propio lenguaje interno. Puesto que este método lee los ficheros originales al software del sistema de medición, se cree que es una importación pura de los datos CAD. No es así. El software del sistema de medición o bien convierte este fichero de forma abierta o bien, con un traductor adjunto escondido, lo convierte a su propio lenguaje interno, así que aún se tienen que traducir los datos. Durante la traducción se pueden producir imprecisiones. Un tercer método utiliza el módulo central del sistema operativo CAD como el módulo central del sistema operativo del software de medición,

leyendo directamente los ficheros guardados en el sistema CAD. No se produce ninguna traducción, ya que tanto CAD como la MMC están utilizando el mismo formato original. Esta opción también le permite al usuario de la MMC leer un fichero CAD original en el software de la MMC que usa el mismo módulo central que CAD. La ventaja es que no se produce ninguna traducción porque los dos paquetes de software utilizan un motor común. La mayor desventaja de esta opción es que el módulo central del sistema operativo es sólo el motor básico y, ya que la mayoría de sistemas CAD ahora utilizan múltiples módulos incluso para el funcionamiento básico, el módulo central del sistema operativo no soportará todas estas actividades Hoy en día, los fabricantes necesitan una confianza del 100 en las operaciones de medición. El uso de los datos de CAD en las aplicaciones de metrología ofrece mejoras tanto en el rendimiento como en la producción, pero hay una falta de precisión cuando los datos CAD se traducen para el uso metrológico. Aunque estos errores sean pequeñeces, las tolerancias cada vez más ajustadas en la fabricación de productos requiere una traducción sin errores. El interfaz directo a CAD ofrece el uso de datos CAD sin traducción para una mayor precisión y una mejorada eficiencia de inspección.

Dinámica de las máquinas de medición de coordenadas

Medición y Control

La dinámica de la máquina limita la precisión de medición a altas velocidades de copiado, creando una

barrera frente a la medición rápida. El copiado se diferencia de la activación por contacto en que el

rendimiento de la dinámica de la máquina es mucho más importante que el rendimiento estático, con

un reparto de inercia de la carga. Esto genera desviaciones en la estructura muy difíciles de predecir.

Los sistemas de copiado convencionales alcanzan la precisión mediante desplazamientos lentos. Esto

compromete la productividad de inspección y es lo que Renishaw denomina barrera de rendimiento

dinámico.

Departamento Técnico de Renishaw

Podemos empezar poniendo un en ejemplo de errores dinámicos. El copiado induce fuerzas de inercia

que generan errores de medición si no se corrigen. Tradicionalmente, los fabricantes de MMC se han

centrado en la fabricación de una máquina que pueda medir con precisión la ubicación de puntos

diferenciados en todo su volumen. Esta función se recoge en la especificación de precisión estática de

la máquina. Asimismo, los fabricantes de sensores se han centrado en proporcionar un sensor

repetitivo que facilite este tipo de mediciones.

Estos temas siguen siendo de vital importancia. Sin embargo, el copiado ha cambiado las reglas del juego introduciendo otro factor: las fuerzas de inercia.

Al medir los puntos diferenciados, estas fuerzas de inercia son normalmente insignificantes. Durante el copiado, la aceleración y, por tanto, las cargas de inercia están siempre presentes. A medida que aumenta la velocidad, se incrementa la aceleración. De hecho, la aceleración aumenta mucho más rápidamente, y varía con el cuadrado de la velocidad de copiado sobre una trayectoria de curva normal.

Las fuerzas de inercia a baja velocidad son insignificantes, por tanto, es en esta zona en la que deben funcionar los sistemas de copiado convencionales, que no tienen ningún tipo de compensación dinámica. A medida que aumenta la velocidad, las fuerzas dinámicas dominan rápidamente el rendimiento de medición de este sistema. No obstante, la mayoría de las MMC se emplean en un entorno de producción en el que son importantes los tiempos de los ciclos. Esto supone una gran ventaja a tener en cuenta si se desean unas mediciones más rápidas.

Un ejemplo: El trazado muestra los datos obtenidos midiendo una misma superficie a dos velocidades distintas. Ilustra cómo se acumulan las fuerzas dinámicas según aumenta la velocidad, lo que genera un aumento de errores en la forma.

El trazo rojo muestra las lecturas a baja velocidad (10 mm/s / 0,4 pulg/s), que proporciona un cálculo preciso de la superficie. El trazo azul muestra las lecturas a alta velocidad sin corregir (150 mm/s / 6 pulg/s), y muestra cómo disminuye el tamaño medido del orificio a medida que se acumulan las fuerzas centrípetas en el manguito según la máquina se desplaza alrededor de la superficie. A estas velocidades, las fuerzas de inercia son hasta 225 veces más altas que las alcanzadas durante un copiado a baja velocidad.

Los errores dinámicos aumentan con la velocidad

Según aumenta la velocidad, se incrementan los errores, formando una barrera contra la

medición a alta velocidad.

Las MMC modernas pueden desplazarse a altas velocidades - varios cientos de mm/s. Sin embargo, los copiados normales tienen que hacerse a velocidades mucho más bajas si se necesita cierta precisión. Para obtener una precisión aceptable en piezas de poca tolerancia, los sistemas de copiado convencionales realizan las mediciones a baja velocidad - generalmente, menos de 20 mm/s (0,8 pulg/s).

Evidentemente, existe la posibilidad de copiar a una velocidad muy superior, siempre que se puedan superar los errores dinámicos inducidos por la deflexión de la estructura de la máquina.

El gráfico de errores frente a velocidad muestra el incremento de errores en una tasa de aumento de velocidad, ya que las fuerzas de inercia están relacionadas con la aceleración, a su vez relacionada con el cuadrado de la velocidad.

Emax es el error máximo permitido en la medición de una superficie concreta. Como regla general, debe ser aproximadamente un 10% de la tolerancia de la superficie. Al trazar este error en el gráfico podemos ver la velocidad máxima, S1, a la que se debe copiar la superficie.

Necesitamos buscar la forma de cambiar la relación entre velocidad y precisión, de forma que sea posible alcanzar velocidades más altas manteniendo la precisión. Renishaw lo consigue mediante Renscan DC, una técnica patentada de medición de compensación dinámica.

Copiados a baja y alta velocidad

Componentes del error dinámico

¿Qué factores determinan el error dinámico y cuáles se pueden compensar? La característica principal

de los errores dinámicos es que son imprevisibles. Existen muchos factores que afectan a la dinámica

de la máquina, por lo que cualquier intento de predicción de asignación no sería práctico en la

mayoría de los casos, salvo en los más limitados. Éstos pueden agruparse como sigue:

Los factores que determinan el perfil de aceleración de la máquina durante el ciclo de copiado incluyen:

Configuración de la superficie: tamaño, forma y orientación, que definen el recorrido del desplazamiento de la máquina.

Velocidad de copiado: define la velocidad de destino que debe alcanzarse durante el copiado (considerando que la mayoría de los copiados empiezan a velocidad cero, por lo que la velocidad no se mantiene durante todo el copiado).

Rendimiento del motor y el servo de la máquina: ¿cuánto puede acelerar para alcanzar la velocidad de copiado de destino?

Por cada perfil de aceleración concreto, existen factores que aumentan la repetición de errores dinámicos (deflexión de inercia), y pueden ser compensados por Renscan DC:

Ubicación de la 'Macro': la rigidez de la estructura de la máquina y, en consecuencia, el rendimiento dinámico, varía durante todo el rango operativo. La posición de la superficie que se va a medir es por tanto un factor significativo.

Condición de la máquina: el estado de los rodamientos y el sistema motor, que puede ser el origen de una "inclinación" durante el copiado.

Aunque no se pueden predecir, estos errores dinámicos son repetitivos. Esto significa que es posible compensarlos, siempre que se cumplan determinadas condiciones.

Existen también otros factores que crean errores dinámicos no repetitivos menores (‘ruido’ del sistema) en un perfil de aceleración determinado, y no son compensados por Renscan DC:

Condición de la superficie: las superficies desiguales provocan vibraciones y determinados errores en la medición.

Ruido del servo / estabilidad: la capacidad de la máquina para mantener una velocidad programada depende de los parámetros de control y del rendimiento electromecánico del sistema motor.

Estos errores dinámicos son de naturaleza más aleatoria y, por tanto, no es posible compensarlos. No obstante, sólo suponen una pequeña parte del total de errores dinámicos.

Por último, existen factores que no afectan al error dinámico:

'Micro' posición: pequeñas variaciones sobre la posición nominal, la forma y el tamaño de la superficie en una fabricación y tolerancias integrantes normales.

Temperatura: los errores dinámicos son inmunes a la temperatura. Sin embargo, las variaciones de temperatura pueden tener un impacto en la precisión estática y, en consecuencia, en el rendimiento de la medición.

Compensación de errores

La compensación completa adaptada a la superficie que ofrece Renscan DC tiene en consideración

estas principales variables dinámicas. Mediante una ‘asignación’ eficaz de los errores dinámicos

inducidos por cada superficie del componente, es posible medir con precisión las piezas siguientes a

alta velocidad, siempre que tengan el mismo tamaño nominal y se encuentren en la misma zona de la

máquina. Esta capacidad de adaptación a la máquina y a la tarea de medición convierte a Renscan DC

en un sistema altamente flexible que aumenta el rendimiento de medición de la MMC.

La compensación geométrica de las máquinas de medición por coordenadas

Tomar un punto en la superficie del objeto que se tiene que medir técnicamente significa registrar las tres coordenadas cartesianas del centro de la punta del palpador de medición. Estas coordenadas se sacan de trasductores que las “leen” en las reglas ópticas situadas a lo largo de los ejes de la máquina. De este modo se entiende que la punta del utensilio sea sólo la extremidad de una compleja cadena de componentes mecánicos y de vínculos cinemáticos, y que una serie de errores de tipo estático se van sumando a la cadena a causa de las deformaciones estructurales y de ensamblaje. Para poder obtener,

mediante varias lecturas, resultados de medición lo más precisos posible es necesario utilizar sofisticadas técnicas para determinar los errores y su corrección.

Premisa

Ante todo se tiene que recordar que antes del avance de los sistemas de compensación software de los errores de geometría, la precisión de las máquinas se conseguía mediante laboriosas calibraciones mecánicas, cuya eficacia dependía de técnicos altamente especializados. Actualmente, el uso de algoritmos matemáticos para la corrección de errores hace que no sea necesaria la mecánica para que las características de repetibilidad y linealidad de los errores geométricos sean aceptables dentro de unos valores determinados. Esto se consigue gracias a los resultados de alta calidad que ofrece la compensación geométrica, mejores de los que se conseguían de forma mecánica, a condición de que los posicionamientos del cabezal de medición sean muy repetibles.

Los errores geométricos

Máquinas de puente

Los errores fundamentales (los parámetros) de los que se ocupan los algoritmos de compensación son un total de 21 en las máquinas de puente: 9 errores de traslación (6 de linealidad, 3 de posicionamiento), 9 errores de rotación y 3 errores de cuadratura.

Figura 1a

Figura 1b

Figura 1c

Errores de posicionamiento de los ejes, debidos a la respuesta de las reglas ópti cas y a la rotación de los ejes.

Fig. 1a

Errores de linealidad de los ejes respecto a los ejes transversales. Se deben a la linealidad imperfecta de los trayectos de desplazamiento y a los efectos de rotación de los ejes.

Fig. 1a

Errores de rotación de los ejes entorno a cada uno de los 3 ejes. Con las disposiciones de una embarcación se denominan rool, pitch y jaw. Se deben a la linealidad imperfecta de los trayectos de desplazamiento y a las deformaciones estructurales producidas durante el ensamblaje.

Fig. 1b

Errores de cuadratura entre parejas de ejes. Se deben a las imperfecciones de ensamblaje de la estructura.

Fig. 1c

Máquinas gantry

Entre las grandes máquinas gantry que utilizan un segundo traductor de posición a lo largo del eje longitudinal, el error de posicionamiento tiene en cuenta incluso el valor que lee el traductor que funciona en el secundario, proporcionalmente a la posición del carro transversal. El resto de errores se tratan como en las máquinas de puente.

Máquinas de brazo horizontal

Todos los parámetros que se han descrito para las máquinas de puente se aplican y se gestionan en las máquinas de brazo horizontal. En este tipo de máquinas se han de tener en cuenta tres parámetros que se deben al hundimiento que provoca el peso del brazo horizontal que deforma, dependiendo de su extensión, la geometría del montante y de algunos componentes a los que va unido.

El primer parámetro, denominado Rcx, tiene en cuenta la rotación rígida del montante respecto al eje longitudinal causada por las deformaciones de la estructura a las que va unido el montante (Fig.2).

Los otros dos parámetros, denominados Fzy y Rmx, corrigen los efectos de la deformación del montante respecto al eje longitudinal (Fig.2).

Estos 3 componentes de corrección completan, para las máquinas de brazo horizontal, el modelo de compensación que ya se ha descrito para las máquinas de brazo vertical.

En el caso de las máquinas horizontales de brazo doble son válidas, por separado, todas las consideraciones precedentes. Los errores debidos a la correlación de los dos brazos se compensan en la gestión del sistema de referencia que es común a los dos volúmenes de medición.

Medición de los errores y su compensación

Cuando se acaban las operaciones de ensamblaje de la máquina, después de haber realizado las verificaciones oportunas de funcionalidad y de un comportamiento dinámico correcto, se hace la medición para determinar los errores geométricos.

Estas operaciones se hacen aplicando al cabezal de herramientas de la máquina los instrumentos oportunos que permitirán medir los errores de rotación y de traslación de cada uno de los ejes. Ca da proceso se divide en pasos, que dependen del tipo de máquina y de la precisión que se quiere obtener.

Seguidamente se describen las fases principales de compensación. Al finalizar cada fase los valores que se obtienen se introducen en el mapa de compensaciones y rendición para poder corregir el efecto de estos errores.

1ª fase: Errores de rotación

Para medir los errores de rotación Rxx, Ryy se utilizan niveles electrónicos de precisión montados en el cabezal de la máquina. Estos valores se pueden medir de forma diferencial respecto a los que se obtienen de otros niveles (niveles de referencia) situados en la mesa.

Para medir el resto de errores de rotación se utiliza un láser interferométrico.

La rotación relativa entre el retrorreflector (óptico que, en este caso está montado en un cabezal de la máquina) y el interferometro (óptico de referencia) la lee el láser mediante los diferentes pasos de compensación que se consiguen a través del eje que se está midiendo.

Así como por el nivel de referencia, incluso el óptico de referencia tendrá que ser sólido con la mesa de las piezas.

2ª fase: Error de roll del eje Z

Esta fase es delicada y compleja. Esta rotación no se puede medir con los métodos que ya hemos descrito.

Normalmente se mide la linealidad láser (esto se describe más adelante). El óptico montado en el cabezal de la máquina se aplica a saltos, algo que puede ser más o menos largo. Así, la lectura diferencial entre dos mediciones obtenidas con el espaciamiento (offset) oportuno del óptico ofrecerá los valores que se buscan.

3ª fase: Errores de linealidad (rectilinealidad)

Se miden con el láser interferométrico. Para detectarlos se utilizan unos componentes ópticos que permiten tomar las desviaciones transversales que el óptico móvil (montado en el cabezal de la máquina) cumple respecto a un óptico de referencia durante los movimientos por el eje de medición. El óptico fijo (retrorreflector) se sitúa normalmente en el lado opuesto del cabezal láser.

4ª fase: Errores de posicionamiento y errores de cuadratura

Los errores de posicionamiento normalmente se detectan con el láser interferométrico. De forma parecida a las rotaciones, el retrorreflector se monta en el cabezal de la máquina y el interferometro será el óptico de referencia. Este se sitúa cerca del cabezal láser.

En la fase de detección de los errores de posicionamiento, es importante tener en cuenta la temperatura de las reglas ópticas, a causa de su expansión térmica. El procedimiento de compensación prevé que la temperatura a la que la máquina hace mediciones correctas es de 20 ºC. Cuando se midan los errores de posicionamiento se tendrán en cuenta las diferentes temperaturas de las reglas ópticas y su coeficiente de dilatación.

Los errores de cuadratura se obtienen de mediciones diferenciales de un calibre, que se pondrá en dos posiciones para cada uno de los 3 planos coordinados en el volumen de medición. El calibre se medirá haciendo una diagonal del plano y luego haciendo una diagonal opuesta en el mismo plano.

Verificación de la fórmula de la incertidumbre de medición

Una vez acabada la fase de corrección de las cuadraturas y activada la última parte del algoritmo de compensación, se repiten las mediciones de las diagonales volumétricas en los calibres de referencia. A través de estas operaciones se verifican las prestaciones de la máquina de medición respecto a la fórmula de incertidumbre de medición prevista.

Verificación periódica de las prestaciones metrológicas del sistema

La normativa de certificación de la calidad de cada empresa dice que los instrumentos de medición se verifiquen periódicamente y si es necesario que se reparen. En esto se incluyen las máquinas de medición por coordenadas, como instrumentos de referencia para controlar las piezas de producción.

No sólo se tienen que seguir las normativas, sino sobre todo las reglas normales de sentido común, esto es la base para gestionar bien todos los equipos de medición y de producción.

Dea recomienda que las máquinas de medición se verifiquen y se reparen anualmente. Dadas las pocas necesidades mecánicas de las máquinas de medición, la intervención se resuelve en la mayoría de los casos con una verificación normal de las prestaciones, a no ser que haya variaciones estructurales o funcionales ocurridas durante el uso de la máquina a causa de:

Hundimientos de la estructura mecánica (improbables a no ser que se produzcan colisiones accidentales)

Uso indebido de la máquina Olvido de las operaciones de mantenimiento preventivo Hundimiento del pavimento Efectos de vibraciones provocadas por el ambiente (máquinas en funcionamiento, el paso de

carriles transportadores, etc.). La máquina no está bien aislada. Uso de los rodillos de desplazamiento cuando están presentes Deterioro de las prestaciones de los sensores o de las reglas ópticas. La calibración periódica consiste en una serie de operaciones de mantenimiento y de

verificaciones funcionales y metrológicas: Control del estado de los órganos mecánicos y estructurales Verificación general de las condiciones de funcionamiento de la máquina Limpieza de las guías de desplazamiento Limpieza de las reglas ópticas Tensión de las correas de transmisión Control y reparación Verificación de las prestaciones metrológicas (véase el párrafo “Verificación de la fórmula de

incertidumbre de medición”)

Sólo en caso de una diferencia apreciable con relación a la última verificación se procede a la reparación de la máquina con los instrumentos necesarios

Los palpadores con contacto

Con el siguiente artículo iniciamos una sección técnica dedicada a uno de los elementos clave de un sistema de medición dimensional: el sensor, o como se le suele llamar, el palpador. Dedicamos este primer artículo al palpador más común, el palpador por contacto, punto a punto. En las próximas revistas nos ocuparemos de las evoluciones más recientes de la digitalización de la medición, de los sensores de digitalización continua y de los sensores óptico-electrónicos. El sistema del palpador es el centro de la máquina de medición y el resultado de las mediciones que se toman dependen en gran parte de las características metrológicas del tipo de palpador que se utiliza.

El palpador está formado por varias partes que son las siguientes:

Cuerpo del palpador: es la parte que contiene los órganos móviles y los sistemas de transducción; está conectado de forma mecánica y electrónica a la MMC;

Aguja del palpador: es un palito rígido y ligero hecho de acero, fibra de carbono o cerámica: Elemento palpador o punta: la punta de la aguja es la que tiene contacto con la pieza

(normalmente es una esfera); la punta puede estar hecha de varios materiales como rubí sintético, nitruro de silicio o circonita sintética.

Los palpadores se pueden clasificar según su modo de funcionamiento:

Palpador pasivo: está constituido por elementos rígidos que no se pueden deformar. El palpador pasivo se tiene que llevar para que tenga contacto con la pieza en el punto que se quiera medir y, por tanto, se tiene que dar una orden al sistema para poder tomar el punto, normalmente accionando un botón o un pedal.

Palpador trigger: dan una señal eléctrica de tipo on/off al entrar en contacto con la pieza. La posición del punto en el volumen coordinado de la MMC se toma “al vuelo”, ya que el propio palpador, cuando toma contacto con la pieza, genera una señal eléctrica que sirve para memorizar las coordenadas.

Palpador proporcional (o analógico): da una señal eléctrica proporcional al desplazamiento del elemento sensible desde la posición 0 (deflexión). Los palpadores proporcionales tienen un

cierto número de transductores de posiciones internas dependiendo de su grado de libertad, por tanto, son idóneos para medir de modo continuo formas que son desconocidas.

Palpador sin contacto: da una señal eléctrica cuando la posición relativa entre la pieza y el palpador tiene características predefinidas, es el caso de los sistemas ópticos sensibles a las variaciones de luz o a colores de la imagen o incluso a través de la triangularización de rayos de luz estructurada.

Y según su configuración:

Sistema palpador articulado: sistema de palpador que se puede orientar en diferentes posiciones angulares a través de dispositivos manuales o automáticos de posicionamiento. Esos dispositivos se suelen llamar cabezales orientables.

Cabezal articulado

Sistema palpador múltiple: una configuración de múltiples palpadores se puede conseguir con una serie de agujas unidas al mismo palpador (configuración de múltiples agujas) o con cabezales que pueden utilizar más de un palpador (configuración de múltiples palpadores).

Configuración de varias puntas

Sistema de cambio de puntas

• Sistemas con cambio automático del palpador: un caso particular de palpadores múltiples es el que lleva dispositivos que permiten sustituir de forma automática el palpador que se está usando, ya sea simple o múltiple, por otra configuración distinta.

Sistema de cambio automático de palpador

La calificación del sistema de palpadores

La calificación es la operación en la que se pone el centro del palpador en relación con un punto fijo de la estructura de la MMC y con la que se determina el radio dinámico del propio palpador.

El radio del palpador se define como dinámico ya que se determina teniendo en cuenta la flexión de las agujas y de las prolongaciones, de los retrasos de obtención de la señal y de otros fenómenos eventuales que reducen el valor físico de radio de la esfera del palpador.

El radio dinámico se utiliza para corregir las coordenadas de los puntos de medición indicados y transformarlos en las coordenadas de los puntos correctos.

Los parámetros de identificación del palpador, radios y coordenadas del centro de la esfera de las puntas se pueden ver afectados por errores en el momento de la calificación. Lo que no se puede compensar de esos errores se define como residuo de error, que se suma a las otras contribuciones activas y que ya están presentes en el momento de la calificación como por ejemplo la repetibilidad del propio sistema de palpadores.

Por tanto, es evidente la importancia de reducir al mínimo todo lo que contribuya a la incertidumbre durante la calificación del sistema del palpador.

Elementos que contribuyen a la incertidumbre en la calificación del palpador

La fuerza de deflexión anisótropa del palpador

Uno de los principales elementos que contribuyen a la incertidumbre de la medición del radio dinámico del palpador es la acción de la fuerza de deflexión.

Se trata de la fuerza necesaria para accionar la parte sensible del palpador y generar la señal de adquisición de las informaciones. Es una característica de los palpadores tigger. En el caso de los palpadores proporcionales la adquisición de las informaciones se hace después de conseguir un valor de deflexión predefinido.

La fuerza de deflexión aplicada al elemento de contacto con la pieza provoca la flexión del sistema del palpador y contribuye en gran parte a la reducción aparente del radio de la esfera de la aguja. Esa fuerza, que se puede medir estadísticamente y depende del sistema de palpador que se utilice, se puede amplificar por factores dinámicos (velocidad, aceleración) activos durante el contacto.

Un palpador es isótropo cuando sus propiedades no dependen de las direcciones de la toma de datos.

El palpador trigger tiene anisotropía porque la rigidez del sistema no es infinita y la fuerza necesaria para generar el accionamiento del contacto eléctrico varía al cambiar la dirección de aplicación de la fuerza. Eso sucede debido a la tecnología utilizada en los palpadores trigger que prevén el apoyo del sistema móvil en tres puntos situados a 120º de distancia dentro de una circunferencia.

Representación de la fuerza de deflexión típica de un palpador no isotrópico

Representación de la fuerza de deflexión típica de un palpador isotrópico En el plano XY, la fuerza varía según la posición de los puntos de apoyo, lo que se traduce en una variación del espacio que hay entre el punto de contacto efectivo y el punto en el que tiene contacto físico el palpador. Ese espacio se llama recorrido y aumenta al aumentar la fuerza del muelle de llamada y la flexión de la punta.

A menudo, la flexión de la punta es inferior en la dirección Z respecto a la flexión en el plano XY, así pues, el recorrido en la dirección Z suele ser mucho menor al recorrido medio del plano XY. Eso se compensa por el hecho que la fuerza de deflexión en la dirección Z es casi 10 veces mayor a la fuerza de deflexión en el plano XY.

La fuerza de deflexión se suma al componente fuerza peso ejercido en la punta del palpador. Es variable según la disposición del mismo en todas las direcciones distintas a la vertical.

El fenómeno es particularmente sensible en el caso de los palpadores orientables. La fuerza de deflexión debe ser regulada al máximo, según sea necesario en las distintas condiciones, para impedir tomas de puntos falsas al pasar de una dirección horizontal a una vertical, teniendo en cuenta no sólo el aspecto estático sino también el dinámico (fuerzas de inercia aplicadas al baricentro de la punta durante variaciones de dirección y velocidad del movimiento de la MMC).

Como consecuencia de lo dicho hasta ahora, el radio esfera dinámico del palpador no es constante en todas la direcciones de acercamiento; depende de las fuerzas activas y de la elasticidad del sistema, las cuales no son constantes.

Repetibilidad (unidireccional). A parte del conjunto MMC+palpador, la repetibilidad (unidireccional) es una característica que se expresa como la diferencia entre el valor máximo y mínimo de las coordenadas del mismo punto físico, tomado repetitivamente y en igualdad de condiciones. La repetibilidad depende de la dirección de aplicación de la fuerza de deflexión. La especificación de repetibilidad 2µm en el plano XY para un palpador trigger clásico es de 0,35 µm para una punta de 10 mm de largo y una fuerza de deflexión de 70 mN.

Longitud de la punta. Algunos componentes requieren el uso de palpadores bastante largos. Se puede conseguir mediante elementos de extensión interpuestos entre el cuerpo del palpador y el cabezal o mediante agujas de longitudes distintas, a veces se ensamblan componentes además de elementos modulares disponibles en un kit. Si se aumenta la dependencia de la flexibilidad a la dirección del empuje, se amplifican los elementos que contribuyen a la anisotropía y a la repetibilidad.

Efecto de la masa de la aguja. Las astas de las agujas de una longitud superior a algunas decenas de milímetro están hechas de fibra de carbono o de cerámica, lo que las hace más

rígidas y ligeras comparadas con agujas de las mismas dimensiones hechas en acero. Las agujas largas requieren una tensión mayor del muelle de retorno y por tanto una fuerza de deflexión mayor. Con ello se busca equilibrar el peso de la aguja cuando el palpador está en posición horizontal o cuando la fuerza de inercia se aplica al palpador debido a las variaciones de trayectoria y de velocidad de la máquina de medición.

Velocidad, aceleración y distancia de acercamiento. El aumento de la velocidad de la toma de puntos puede tener efectos en el comportamiento metrológico del palpador en si, y se refleja de forma negativa en el comportamiento del palpador aplicado a la MMC ya que se amplifica el efecto de retraso en la adquisición de las cotas y la inestabilidad del movimiento. Las prestaciones del sistema del palpador aplicado a la MMC se garantizan sólo si en el momento de la toma de datos la velocidad es constante y si está dentro de los límites especificados por el fabricante. La distancia de acercamiento tiene que permitir amortiguar las oscilaciones eventuales que se pueden verificar durante todo el movimiento de medición. Recordamos a modo de ejemplo que con una aceleración de 100 mm/s2 y una velocidad de 500 mm/min, el espacio recorrido en la aceleración es de unos 0,34 mm.

Consejos prácticos para el usuario

Utilizar puntas cortas y rígidas: Cuanto mayor sea la flexión de la punta, menor será la precisión. Se tienen que elegir puntas con la longitud mínima permitida por las aplicaciones y si es posible utilizar una única punta. Se tiene que evitar la combinación de muchas extensiones. Las puntas de los palpadores de una longitud superior a decenas de milímetros están hechas de fibra de carbono o cerámica, son más rígidas y ligeras en comparación con las que tienen las mismas dimensiones pero que están hechas de acero. El ensamblaje de puntas compuestas de varios elementos se tiene que hacer según las especificaciones del fabricante.

Utilizar puntas con esferas grandes: Esto permitirá tener la máxima luz entre la esfera y la barra manteniendo una longitud útil buena con suficiente rigidez. El uso de esferas de diámetro grande reduce el efecto de la rugosidad de la superficie de la pieza.

La longitud de las puntas: Las prolongaciones aumentan la penetración de la toma de datos ya que extienden la punta respecto el cuerpo del palpador. El uso de prolongaciones puede influir en los resultados de la toma de datos ya que se reduce la rigidez. Cuando la aplicación requiera una penetración extensa, se aconseja elegir prolongaciones de cerámica o de fibra de carbono. El uso de composiciones de prolongaciones se tiene que evitar para no reducir excesivamente la rigidez del sistema del palpador y para evitar los efectos potenciales de anisotropía. Cuando la ausencia de prolongaciones adecuadas y la urgencia lleven a la composición de prolongaciones será necesario ensamblar las prolongaciones más cortas lejos del cuerpo del palpador para minimizar la flexión.

La fuerza de deflexión:

La regulación de la fuerza de deflexión ha de tener en cuenta las prescripciones del fabricante del sistema, el peso total de la composición de puntas y de la posición de montaje de las puntas.

Con una punta muy larga y muy pesada montada en horizontal en un palpador trigger clásico será necesario aumentar la fuerza de deflexión para evitar tomas falsas de puntos generadas por el movimiento y las eventuales vibraciones de la MMC o del ambiente. Se aconseja consultar el catálogo de las puntas para determinar la masa complexiva de la composición utilizada y si es posible elegir puntas de cerámica o de fibra de carbono.

Calificación del palpador

Se tienen que aplicar estrategias de medición que prevean un elevado número de tomas de puntos. Los parámetros calculados por las operaciones de calificación se tienen que afinar mediante un número suficiente de informaciones. Estas se obtienen incrementando el número de puntos que se toman con la esfera y eventualmente realizando calificaciones en diferentes puntos del volumen de medición de la MMC.

Cuando sea posible, la calificación tiene que hacerse de forma próxima a la pieza de medición para minimizar los residuos de error variables según la posición del palpador en el volumen de medición.

Uso del palpador

Es muy importante que la velocidad de medición sea idéntica a la que se usa para calificar el palpador ya que, al variar la velocidad del palpador, varía el radio dinámico del palpador. El acercamiento tiene que mantener una distancia de seguridad.

La verificación funcional

Las prestaciones del sistema del palpador se pueden ver comprometidas por el uso, por condiciones ambientales desfavorables, por colisiones eventuales, por un montaje incorrecto de los elementos, por la regularización de la fuerza de deflexión o por la composición de las puntas.

Por tanto, se aconseja que en los casos en los que las condiciones de medición sean particularmente delicadas (tolerancias reducidas, elementos difíciles de medir), se efectúe un nivel preliminar o verificaciones periódicas para determinar el nivel de fiabilidad de los resultados. Estas verificaciones se pueden realizar con muestras con defectos como esferas, anillos, bloques de verificación, lo más representativos posible de los elementos que se miden en realidad.

Las verificaciones se pueden realizar también en elementos que se tienen que medir, realizados con un buen acabado superficial y con errores de forma presumiblemente reducidos. Se podrían aislar como ejemplo en el laboratorio una serie de elementos de producción “típicos” para definir los objetivos.

Estas verificaciones no tienen que ser muy costosas, en cuanto a utensilios y a tiempo necesario para las mediciones.

Recambios

Siempre se ha de tener un palpador y un set de puntas de recambio para utilizarlos sólo para hacer la comparación con los que se usan normalmente y en caso de emergencia.

El aseguramiento de la fiabilidad diaria de las MMC permite optimización, planificación y

ahorro en calibraciones

¿Que operador de metrología en el inicio de su jornada no ha tenido la duda si su Máquina de Medición por Coordenadas (MMC) está en buenas condiciones o no? ¿Habrá sufrido algún golpe, algún desajuste? ¿Tenemos la sala adecuadamente acondicionada? ¿Cada cuando tengo que calibrar la MMC? ¿Como puedo documentar la fiabilidad conforme a las normas ISO? Los departamentos de I+D+i de las empresas de metrología están obligadas a dar respuesta a todas estas preguntas. Sección realizada con el asesoramiento técnico de Hexagon Metrology, S.A

Recientemente se han producido destacadas novedades en este sentido, concretamente ha sido en el pasado mes de julio cuando se presentaron en el marco de las jornadas de metrología “Tardes de Innovación 2005”, que se realizaron en el Centro de Precisión Hexagon Metrology – IMH. Las instalaciones del Instituto de Máquina y Herramienta acogieron la presentación del dispositivo Check-

master, proyecto en el cual han participado en su desarrollo las empresas Renishaw, Hexagon Metrology S.A. y el Laboratorio de Metrología y Metrotecnia de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Madrid (LMM-ETSII).

Check-master es un dispositivo de control de la fiabilidad las MMC, pensado para ser fácil, rápido y automático (un test completo se puede realizar en menos de 10 min.). El sistema realiza un test en modo completamente automático, y permite un control y aseguramiento diario o semanal de la máquina, previniendo posibles incidencias o evaluando las consecuencias de colisiones acontecidas. Permite también el almacenamiento de datos y aporta herramientas que permiten optimizar los ciclos de calibración.

El Check-master sustituye con enormes ventajas para los controles frecuentes, a voluminosos dispositivos como los “stepgauge”, las barras patrón o otros utensilios como placas, prismas o esferas.

Una vez realizado el ciclo de mediciones con el dispositivo, el software diseñado suministra de forma automática, un indicador de fiabilidad de 1 al 10 que indica como se encuentra la MMC con respecto a las especificaciones originales del fabricante. Un índice superior a 5 indica que se encuentra dentro de sus especificaciones. Además del indicador de fiabilidad, un semáforo indica si el sistema está “OK” (verde), “CRÍTICO” (amarillo), “FUERA ESPECIFICACIONES” (rojo). Diferentes herramientas gráficas incluidas en el paquete, permiten visualizar también de forma directa la evolución en el tiempo, y el detalle de cada uno de los ensayos realizados.

Las aplicaciones y ventajas del dispositivo son múltiples, ya que su ejecución es muy ágil, permite un control y aseguramiento diario o semanal de la máquina, previniendo posibles incidencias o evaluando las consecuencias de colisiones acontecidas. El sistema permite realizar un análisis de la MMC y de este modo optimizar los periodos de mantenimiento y calibración obteniendo una mayor fiabilidad y unos costes de mantenimiento reducidos al suprimirse calibraciones innecesarias. Si se dispone de varias máquinas se puede comparar las distintas calidades de los equipos y su evolución en el tiempo

A pesar de que el sistema suministra una clara y sintética información, existen para su elaboración complejos algoritmos de cálculo que consideran distintas variables como los resultados del ensayo, las especificaciones originales de la máquina y otros parámetros.

El software del Check-master ha sido el fruto de un desarrollo conjunto entre el Laboratorio de Metrología y Metrotecnia de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Madrid (LMM-ETSIIM) y los ingenieros de Hexagon Metrology en España. Es necesario señalar la amplia experiencia del Laboratorio de Metrologia de la ETSII de Madrid en el desarrollo de procedimientos de calibración de equipos de medición, siendo actualmente el laboratorio español de metrología dimensional cuya acreditación (hoy ENAC, anteriormente SCI) es mas antigua (1983).

Características principales

Sistema de montaje y configuración muy simple. La ejecución del ensayo se realiza de forma rápida y automática.

Los resultados del ensayo son de fácil interpretación. El sistema goza de máxima flexibilidad. El sistema es ágil, robusto, ocupa muy poco espacio y es absolutamente manejable. Verificación conforme a las especificaciones referidas a la Norma ISO-10360/2. Permite controlar varias máquinas, con archivos históricos independientes. Funciona con prácticamente todas las máquinas y softwares del mercado.

Ventajas y soluciones

Permite controlar de forma sencilla la repetibilidad y la capacidad de medición volumétrica de la MCC.

Suministra información clara del estado de la MMC respecto de sus especificaciones, que se traduce en un efectivo Aseguramiento de la Calidad.

Evita realizar calibraciones innecesarias y permite determinar cuándo es necesario llevarlas a cabo.

Por sus prestaciones reduce los costes de mantenimiento y los rechazos de producción. Facilita los procesos de mantenimiento preventivo y predictivo, orientando al usuario sobre

qué acciones llevar a cabo en función del resultado del análisis. Proporciona un análisis detallado de la evolución del comportamiento de la MMC y la previsión

de posibles problemas.

Operativa de funcionamiento

Check-master es una aplicación intuitiva y sencilla de utilizar que consta de una pantalla principal desde la que se accede a un formulario de configuración. En él se definen los diferentes parámetros del ensayo (longitud de la varilla, número de niveles, puntos por nivel, velocidad del ensayo y datos de la MMC).

Una vez definida la configuración se procede a ejecutar el ensayo, que nos va guiando mediante una serie de mensajes en la ventana del programa de medición.

Una vez finalizada la ejecución del ensayo, el programa realiza el cálculo de los resultados y muestra cuales son los índices representativos de la capacidad de la MMC.

Paralelamente también pueden visualizarse diversos gráficos con los datos sobre la situación de los puntos medidos en los distintos niveles, así como información sobre la evolución de los índices a lo largo del tiempo. Con esta información el usuario tendrá criterios para interpretar los cambios en el comportamiento de la MMC.

Herramienta de verificación

Con el pack del dispositivo Check-master se suministran también las varillas adecuadas al volumen de medición, que garantizan la posibilidad de utilizarlo con cualquier MMC, independientemente de sus dimensiones.

La varilla para ejecutar el ensayo se asienta en una esfera de rubí de precisión situada en una torreta ajustable. El apoyo permite un pivotamiento muy preciso alo largo de 360º en horizontal y de +/- 45º en vertical. En el extremo de la varilla se encuentra una bola de carburo de tungsteno y unas guías entre las que se inserta la punta de la sonda. La varilla se mueve sobre una superficie esférica truncada de radio R.

Check-master efectúa el cálculo del radio medio obtenido en el ensayo y las desviaciones respecto a este radio, así como los índices representativos del estado de la MMC en referencia a sus especificaciones.

También es posible evaluar la repetibilidad comparando los resultados obtenidos en las mismas posiciones.

Tolerancias dimensionales y geométricas

1. Consideraciones generales

En el diseño de los productos industriales, la definición geométrica general de las piezas se realiza mediante la acotación. Las piezas individuales se pueden considerar como una combinación de formas geométricas primitivas y/o formas geométricas complejas. Las formas geométricas primitivas imitan prismas, cilindros, conos, toros, esferas etc. Las formas geométricas complejas son aquellas partes de las piezas que están delimitadas por superficies construidas partiendo de curvas B-spline, NURBS, etc. La acotación expresa el tamaño y la ubicación tridimensional de estas formas en la composición de la pieza. En el diseño manual se empieza con un croquis, en el cual las formas se definen según la capacidad de aproximación visual del autor. A continuación se realiza el dibujo a escala, acotado. En esta representación se intenta guardar una proporcionalidad entre la representación y la realidad. La mayoría de los diseños actuales se generan en entornos CAD y este método tiene como objetivo la creación de un modelo tridimensional. En este modelo, a veces llamado “virtual” las formas son perfectas. En la realidad no hay que olvidar que es imposible obtener formas perfectas. El grado de aproximación a la perfección depende de las exigencias funcionales de las piezas y también del coste limite de fabricación. Las piezas que más se aproximan a la forma perfecta suelen salir muy caras.

2. Tolerancias dimensionales

Para poder clasificar y valorar la calidad de las piezas reales se han introducido las tolerancias dimensionales. Mediante estas se establece un límite superior y otro inferior, dentro de los cuales tienen que estar las piezas buenas. Según este criterio, todas las dimensiones deseadas, llamadas también dimensiones nominales, tienen que ir acompañadas de unos límites, que les definen un campo de tolerancia. Muchas cotas de los planos, llevan estos límites explícitos, a continuación del valor nominal.

Todas aquellas cotas que no están acompañadas de límites dimensionales explícitas tendrán que cumplir las exigencias de las normas de Tolerancias generales (DIN 16901 / 1973, EN22768-2 / 1993 etc) que se definen en el campo del diseño, en la proximidad del cajetín. Después del proceso de medición, siguiendo el significado de las tolerancias dimensionales las piezas industriales se pueden clasificar en dos grupos: Buenas y Malas. Al primer grupo pertenecen aquellas piezas, cuyas dimensiones quedan dentro del campo de tolerancia.

Las del segundo grupo se pueden subdividir en Malas por Exceso de material y Malas por Defecto de material. En tecnologías de fabricación por arranque de material las piezas de la primera subdivisión podrían mejorar, mientras que las de la segunda subdivisión en general son irrecuperables.

3. Tolerancias geométricas

Las tolerancias geométricas se especifican para aquellas piezas que han de cumplir funciones importantes en un conjunto, de las que depende la fiabilidad del producto. Estas tolerancias pueden controlar formas individuales o definir relaciones entre distintas formas. Es usual la siguiente clasificación de estas tolerancias:

Formas primitivas: rectitud, planicidad, redondez, cilindricidad Formas complejas: perfil, superficie Orientación: paralelismo, perpendicularidad, inclinación Ubicación: concentricidad, posición Oscilación: circular radial, axial o total

Valorar el cumplimento de estas exigencias, complementarias a las tolerancias dimensionales, requiere medios metrológicos y métodos de medición complejos.

Guía para la especificación apropiada de la tolerancia geométrica.

Para avanzar en la comprensión de estas tolerancias consultar: ASME 14.5.1M / 1984 ISO 8015 / 1985 UNE 1-121 / 1991 TrON 2001

Calidad y Calibración

1. Norma ISO 9000:94 (EN 29000)

La ISO (International Standards Organization) es la Organización Internacional para la Estandarización. Fue

creada en 1946 y está constituida por institutos nacionales de estandarización (normalización) de países

grandes y pequeños, industrializados y en desarrollo, de todas les regiones del mundo. La ISO desarrolla

voluntariamente normas y recomendaciones que contribuyen a que el desarrollo, la fabricación y el

suministro de productos y servicios sea más eficiente, seguro y limpio. Este valor añadido hace que el

comercio entre los países sea más fácil y equitativo. Las normas ISO también sirven para salvaguardar los

derechos de los consumidores y usuarios.

La ISO desarrolla solamente las normas que son requeridas por el mercado. Este trabajo se lleva a término

por expertos de los sectores industriales, técnicos y comerciales que han requerido la normalización para

que, seguidamente, la puedan utilizar. Publicadas bajo la designación de “International Standards”, las

normas ISO representan un acuerdo internacional general para conseguir el estado de armonía de una

tecnología o servicio determinado.

Llega, pues, la familia de normas ISO 9000, que es el conjunto de normas y recomendaciones

internacionales que sirven de base para el establecimiento de sistemas de gestión de calidad. El ISO/TC 176

es el comité técnico responsable de desarrollar y mantener esta familia de normas ISO 9000, procurando

para los sistemas de calidad, confianza (convicción de calidad) y tecnologías de apoyo, y dando pautas que

sirvan de guía en la selección y uso de estas normas. Las normas hasta hace poco más frecuentemente

utilizadas como base para crear sistemas de calidad son las ISO 9001:1994, ISO 9002:1994 e ISO

9003:1994.

ISO 9001:1994: Guía necesaria para demostrar y asegurar el sistema de calidad en proyecto, diseño,

desarrollo, instalación, fabricación y mantenimiento, de un producto o servicio.

ISO 9002:1994: Guía necesaria para demostrar la capacidad de producción, instalación de un producto o

servicio.

ISO 9003:1994: Guía necesaria para demostrar la capacidad de control de un producto o servicio mediante la

inspección y ensayo finales.

Han sido adoptadas en más de 50 países de todo del mundo. Estas normas han sido sustituidas e integradas

en la actualidad en una sola norma UNE-EN ISO 9001:2000, orientada más claramente a los requisitos del

sistema de gestión de la calidad de una organización que tenga que reflejar mejores y modernos enfoques y

prácticas de gestión, y mejorar las prácticas de organización habituales.

2. La calidad en los laboratorios

En la mayoría de casos, para la obtención de unos buenos niveles de calidad dentro de la diversidad de

actividades desarrolladas en las empresas es necesaria la realización de medidas sobre el producto. La

calidad de estas medidas depende en gran parte de la calidad global de un laboratorio, ya sea exterior o

interior a la empresa.

Con la finalidad de promover el aseguramiento de la calidad en los laboratorios dentro de la Unión Europea

(UE) se llegó al establecimiento de la norma EN 45001 referente a los criterios técnicos generales para el

funcionamiento de los laboratorios de ensayo. Como indica el primer punto de la norma, es de aplicación a

los laboratorios de ensayo incluidos los de calibración, con independencia al sector al que pertenezcan

(antiguamente la Guía ISO/CEI 25 era específica para los laboratorios de calibración). Estas dos normas han

sido sustituidas hace poco por la nueva norma ISO 17025, fruto de la experiencia extraída de la aplicación

de las dos anteriores, y en ella se especifican los criterios generales determinantes de la competencia técnica

de los laboratorios y de sus actividades. Las normas EN 45000 (ISO 17025) representan, para los

organismos de evaluación de la conformidad u organismos de acreditación, organismos de calibración o

ensayos, entidades de inspección, etc., lo que la serie EN 29000 (ISO 9000) representa para empresas.

Cada miembro de la UE tiene una Entidad Nacional responsable para cada tipo de acreditación,

(acreditación significa reconocimiento formal por parte de la entidad autorizada de que una organización de

nivel inferior es competente para la actividad solicitada). EAL-Calibration (European co-operation for

Accreditation of Laboratories Calibration), antes WECC (Western European Calibration Cooperation) y en

la actualidad EA, es una organización de todos los países miembros de la UE que acredita el cumplimiento

de las anteriores normas por parte de éstos. Del contenido de todas estas normas destacaremos dos puntos:

1. Los equipos de medida y ensayo utilizados en el laboratorio y que tengan un efecto sobre la

exactitud o validez de los ensayos habrán de calibrarse antes de su puesta en servicio y,

posteriormente, cuando sea necesario de acuerdo con el programa de calibración establecido, ya que

las características de medida de los equipos se degradan con el paso del tiempo y de uso.

El programa global de calibración de los equipos ha de concebirse y aplicarse de forma que, cuando

sea aplicable, pueda asegurarse la trazabilidad de las medidas efectuadas por el laboratorio en

relación con patrones nacionales o internacionales disponibles. Cuando no sea aplicable la

trazabilidad en relación con patrones nacionales o internacionales, el laboratorio de ensayos habrá de

poner de manifiesto satisfactoriamente la correlación o la exactitud de los resultados de los ensayos.

Así pues, en el caso de que no sea posible encontrar laboratorios que permitan que los patrones de referencia

de cualquier laboratorio de metrología tengan una adecuada trazabilidad a patrones nacionales o

internacionales, se buscará trazabilidad en laboratorios de reconocida solvencia, con lo que será preciso

hacer una validación a través de materiales de referencia, intercomparaciones dentro del propio laboratorio,

o por medio de su participación en una comparación de ensayos interlaboratorios.

ISO 17025 comparativo ISO 9001

Aunque ISO 17025 incluye muchas de las características y requerimientos ISO 9001, su enfoque es

específico en competencia técnica para verificación y calibración. Existen requerimientos para:

Trazabilidad de las medidas y conocimiento de la incertidumbre de dicha medida

Estructura y organización de actividades de laboratorio

Calificación y competencia del personal Identificación del personal clave

Esquema de aprobación, firmas (y sellado)

Utilización del equipo de medida, prueba y calibración

Informe de resultados

ISO 17025 requiere de un mayor grado de competencia técnica que los requisitos impuestos por ISO 9001.

La selección de auditores incluirá personal especialista en disciplinas de metrología o prueba.

Las aportaciones de ISO 17025 y que la diferencian de ISO 9001 son:

Requerimientos más prescriptivos

Factores que promuevan independencia en la medida

Designar personal técnico y gerencia competente en temas de calidad

Aspectos de confidencia y protección de propiedad intelectual

Requisitos con mayor alcance específico para evaluar Identificar y definir metodología para asegurar

consistencia de la calibración

Requisitos de ambiente y plantel físico en donde se realizan la medida y la calibración

Aspectos de organización, sanidad y limpieza en las premisas de actividades

Requisitos específicos para segregar, mantener, manipular y almacenar

Medida y trazabilidad a patrones de calibración reconocidos (internacionalmente) y extender a

medida, pruebas y ensayos según sea apropiado

Metodología consistente para pruebas, ensayos y calibración

Datos e información relevante a los requerimientos contractuales (de cliente regulatorio y esquema

industrial)

Controles estrictos sobre procesos y actividades incluido cuando se contraten las mismas

Registros de los aspectos previamente indicadas

3. Calibración

Calibración, de acuerdo con el vocabulario internacional de términos fundamentales y generales de

metrología (VIM), es aquel conjunto de operaciones con las que se establece, en unas condiciones

especificadas (como hemos expuesto anteriormente) la correspondencia entre los valores indicados en el

instrumento, equipo o sistema de medida, o por los valores representados por una medida materializada o

material de referencia, y los valores conocidos correspondientes a una magnitud de medida o patrón,

asegurando así la trazabilidad de las medidas a las correspondientes unidades básicas del Sistema

Internacional (SI) y procediendo a su ajuste o expresando esta correspondencia por medio de tablas o curvas

de corrección.

De esta definición se deduce que para calibrar un instrumento o patrón es necesario disponer de uno de

mayor precisión que proporcione el valor convencionalmente verdadero que es el que se empleará para

compararlo con la indicación del instrumento sometido a calibración. Esto se realiza mediante una cadena

ininterrumpida y documentada de comparaciones hasta llegar al patrón, y que constituye lo que llamamos

trazabilidad.

Así pues, la calibración puede implicar simplemente esta determinación de la desviación en relación un

valor nominal de un elemento patrón, o bien incluir la corrección (ajuste) para minimizar los errores.

¿Para qué calibrar?

El envejecimiento de los componentes, los cambios de temperatura y el estrés mecánico que soportan los

equipos deteriora poco a poco sus funciones. Cuando esto sucede, los ensayos y las medidas comienzan a

perder confianza y se resienten tanto el diseño como la calidad del producto. Esta realidad no puede ser

eludida, pero sí detectada y limitada, por medio del proceso de calibración.

La correcta calibración de los equipos proporciona la seguridad de que los productos o servicios que se

ofrecen reúnen las especificaciones requeridas. Cada vez son más numerosas las razones que llevan a los

fabricantes a calibrar sus equipos de medida, con el fin de:

Mantener y verificar el buen funcionamiento de los equipos

Responder a los requisitos establecidos en las normas de calidad

Garantizar la fiabilidad y trazabilidad de las medidas.

La calibración de un instrumento permite determinar su incertidumbre, valor fundamental, dentro de un

sistema de calidad, para la agrupación de los instrumentos en categorías metrológicas para su posterior

utilización. El resultado de una calibración es lo que se recoge en el certificado de calibración.

4. Trazabilidad

Anteriormente se ha indicado que la trazabilidad es la propiedad del resultado de una medida por la que este

resultado se puede relacionar o referir a los patrones o referencias del más alto nivel y a través de éstos a las

unidades fundamentales del SI por medio de una cadena ininterrumpida de comparaciones.

Cuando la cadena se recorre en sentido contrario, es decir, de arriba hacia abajo, se habla de diseminación de

la unidad. Así se tiene una estructura piramidal en la que en la base se encuentran los instrumentos utilizados

en las operaciones de medida corrientes de un laboratorio. Cada escalón o paso intermedio de la pirámide se

obtiene del que le precede y da lugar al siguiente por medio de una operación de calibración. A cada escalón

se encuentran instrumentos y patrones que a su vez actúan como patrones o referencias de los siguientes.

Como cada comparación de la cadena introduce nuevas causas de error que originan nuevas contribuciones a

la incertidumbre del resultado, que se suman a la incertidumbre con la que se conoce el valor del patrón de

partida, se precisa que la incertidumbre de los patrones primarios sean muy inferiores a los necesarios en las

aplicaciones ordinarias. Esta agrupación piramidal es lo que se denomina plan de calibración y validación,

que asegurará que todos los equipos y patrones tengan la adecuada trazabilidad a patrones nacionales o

internacionales.

Dos son siempre las preguntas que se plantean al llegar a este punto:

¿Que equipos se pueden calibrar internamente?

En principio todos para los que:

Se disponga de los patrones adecuados

Se disponga de los procedimientos o instrucciones de calibración y medios técnicos y humanos

adecuados

Se garantice la compatibilidad de los requisitos de las medidas realizadas con estos equipos con los

resultados de la calibración

De cualquier manera, los patrones utilizados en las calibraciones internas habrán de calibrarse externamente.

¿Que ha de contener un certificado de calibración?

El contenido mínimo de un certificado de calibración es:

Identificación del equipo calibrado

Identificación de los patrones utilizados y garantía de su trazabilidad

Referencia al procedimiento o instrucción de calibración utilizado

Condiciones ambientales durante la calibración

Resultados de la calibración

Incertidumbre asociada a la medida

Fecha de calibración

Firma (o equivalente) del responsable de la calibración

Aparte de lo anteriormente detallado, ha de contener cualquier otro requisito especificado por el cliente en el

contrato o pedido.

Alineación apropiada en máquinas de medir por coordenadas

La inspección de las piezas industriales es una fase final importante tanto en el proceso de producción de serie como en el desarrollo de piezas nuevas. Esta fase, analizada como método para la evaluación de la calidad, supone la recogida de información sobre la muestra sometida análisis y su procesamiento para valorar la conformidad de la muestra con sus especificaciones geométricas. En

algunos casos particulares basta con un control dimensional, pero cada vez son más las piezas para las cuales, además de la conformidad dimensional, se exige un control de forma, orientación o localización de las distintas características de la pieza en un sistema de referencia. Traian Onaciu / Director Departamento Metrología - Fundació Ascamm Centre Tecnològic

INTRODUCCIÓN

Tal tipo de inspección se realiza en general en Máquinas de Medir por Coordenadas (MMC). La actividad de fijar la pieza en el campo de trabajo supone sujetarla con útiles dedicados (calibres) o elementos de fijación de uso general, anulando sus seis grados de libertad de movimiento. La alineación se realiza sobre la pieza fijada, que consiste en definir el sistema de referencia idóneo de la pieza mediante sus características representativas.

En otras palabras: alinear significa poner la pieza en posición y la orientación “privilegiadas”, conforme con el deseo del autor de su diseño, expresado en el plano de la pieza o en su modelo informático. Los resultados de la inspección dependen de la calidad del proceso de alineación, y de ahí deriva la importancia de esta fase de trabajo metrológico.

Para el desarrollo correcto de la fase de alineación y la inspección en general es necesario realizar previamente un estudio de la pieza.

1. ESTUDIO DE LA PIEZA

En un proceso analítico, utilizando la muestra como modelo real y su plano como modelo virtual, el metrólogo tratará de entender la composición de formas que constituyen la pieza.

Forma característica (FC).

atributo fundamental de cada pieza, es la combinación racional de formas elementales que permite distinguir las piezas, la que asegura la funcionalidad de la pieza en un conjunto.

Forma tecnológica (FT).

Es la que surge tras el proceso de desarrollo de la tecnología de fabricación, y que adjunta los requisitos de funcionalidad y factibilidad. En ésta, las formas elementales sencillas se combinan con formas elementales complejas para evitar zonas críticas acumuladoras de tensiones (generadas por dificultades de expulsión, temperaturas, presiones, cargas, etc.) durante el proceso de fabricación o en funcionamiento. El incumplimiento de alguno de estos requisitos conduce a formas atecnológicas.

Fig. 1.- Formas atecnológicas Forma tecnológica

Formas elementales sencillas (FELSEN).

Son aquellas zonas de la pieza que se materializan en elementos geométricos primitivos tales como prismas, pirámides, cilindros, conos, esferas, toros. Estas son las formas más habituales para alinear.

Formas elementales complejas (FELCOM).

Son las zonas delimitadas por curvas tridimensionales complejas, o definibles sólo mediante ecuaciones de grado elevado. Por lo general no son útiles para alinear, pero si son predominantes y con importancia funcional (helicoidales, paraboloides, etc.). También se pueden utilizar para alinear con la ayuda de un programa de medición apropiado (PC-DMIS, LIMA, HOLOS etc.).

fig. 2.- Formas elementales sencillas (FELSEN) y formas elementales comlejas (FELCOM)

2. EVALUACIÓN DE LAS FORMAS

En un proceso analítico, cualquier pieza se puede descomponer en formas elementales sencillas y/o formas elementales complejas, tal que:

FT = S FELSEN(i) + S FELCOM(j)

Conocer la pieza como forma tecnológica significa poder describir, ubicar y orientar las formas presentes en la composición. En otras palabras, poder contestar para cada uno de sus elementos a las preguntas: ¿Cómo está? ¿Dónde se sitúa? ¿Cuál es su orientación?

Las FELSEN se pueden describir con las dimensiones específicas, ubicar mediante las coordenadas de algún punto representativo y orientar utilizando los ángulos.

En el modelo virtual de la pieza - expresión de su forma tecnológica como plano sobre papel o modelo informático 3D - esta información definitoria se expresa mediante cotas. Tanto las coordenadas como

los ángulos no son más que derivados de la dimensión de tipo longitud, entendida como distancia entre dos puntos representativos, sea de la misma o de distintas características (es habitual el uso del término genérico característica para nombrar formas primitivas, sin más detalles).

En la evaluación de muchas cotas con la MMC se procede simplemente a la lectura de coordenadas y, dado que éstas se evalúan a lo largo de los ejes del sistema, es fundamental que el sistema de referencia sea el apropiado. Lo mismo ocurre en la inspección de las FELCOM, donde se practica una evaluación discreta mediante coordenadas de puntos tomados sobre estas zonas. El problema es aún más complejo, debido a que en la recogida de puntos discretos no se puede conseguir una compensación correcta del radio de la punta de exploración si el movimiento de aproximación no se realiza en dirección perpendicular a la superficie

3. MÉTODOS PARA ALINEAR

Existen normas, tales como ISO 5459 o ANSI Y14.5.1, que indican cómo deben alinearse las piezas industriales. La aplicación correcta de estas normas facilita mucho el proceso de inspección. Estas normas asignan al diseñador de la pieza la responsabilidad de definir el sistema de referencia, mediante características representativas y restricciones sobre éstas, que se van a reflejar en el plano mediante una simbología cuya lectura e interpretación permiten al metrólogo reproducir el razonamiento del diseñador.

Fig. 4.- Simbología relacionada con la alineación

A menudo la alineación de la pieza deriva del conjunto al que pertenece para asegurar un fácil montaje, evitar interferencias o asegurar la funcionalidad. Algunos componentes o subconjuntos del automóvil se inspeccionan en un sistema de referencia, que puede tener el origen fuera del volumen de trabajo de la MMC.

Siempre y cuando exista en el plano alguna información sobre la alineación, se procede a alinear respetando las exigencias marcadas. Si en el plano falta la información relativa a la alineación, se recomienda utilizar alguno de los métodos presentados a continuación.

3.1. Método plano, línea, punto

Escoger la característica más representativa de la pieza para definir el datum primarium [A]. Con este fin, se pueden utilizar planos definidos por varios puntos o ejes de cilindros. Al obtener así el primer eje (Z) la pieza pierde tres grados de libertad: dos giros (Rx, Ry) y una traslación (Tz). Obsérvese que el incumplimiento de la exigencia de forma (planitud, cilindricidad) descalifica la característica para su uso en alineación. Tal ocurrencia debe ser comentada, con el beneficiario de la pieza antes de proseguir, con el fin de encontrar una solución alternativa

Definir una dirección por varios puntos proyectada sobre el plano perpendicular al primer eje. Este será datum secundarium [B]. La imposición de esta dirección como segundo eje (X) determina la pérdida de otros dos grados de libertad (Rz y Ty) de la pieza. El incumplimiento de la exigencia de forma (rectitud) descalifica la característica para su uso en alineación

Fijar en un punto representativo de la pieza (borde, centro de un círculo, etc.) el datum terciarium [C]. Con ello se bloquea el último grado de libertad, (Tx) de la pieza en inspección.

La placa de la figura 5 sirve para ilustrar el uso de este método. Los seis grados de libertad están marcados con Tx, Ty, Tz (traslaciones) y Rx, Ry, Rz (giros).

Fig. 5.- Bloqueo de los seis grados de libertad

3.2 Método BESTFIT

Identificar puntos representativos sobre la pieza en el sistema de referencia de la MMC. Estos puntos suelen ser centros de taladros, intersección 3D entre ejes de cilindros o también resultado de la relación geométrica entre elementos medidos. Se requiere un mínimo de 4 puntos, pero con más puntos el resultado final mejora.

Editar la matriz de coordenadas teóricas de los puntos medidos, respetando el orden de exploración

Llamar al programa informático, capaz de calcular (relacionando las coordenadas reales con las teóricas) las traslaciones y los giros necesarios para generar el sistema de referencia más acertado. El programa realiza iteraciones de cálculo hasta que la desviación estándar de los errores sea mínima.

Hay que hacer una observación al respecto: las coordenadas de los puntos medidos en el sistema resultante se aproximan a los valores teóricos con muy poca probabilidad de coincidir. Eventuales traslaciones para realizar una coincidencia empeoran las coordenadas de los demás puntos.

3.3 Método de alineación por comparación con el modelo informático

En los programas actuales de inspección de piezas se dispone de potentes utilidades de alineación, capaces de alinear piezas con formas complejas mediante puntos medidos sobre la muestra. Es necesario disponer del modelo informático 3D de la pieza. En una analogía con BESTFIT es éste - el modelo informático – el que se relaciona con la muestra real, fijada en la MMC, para encontrar la alineación. La iteración actúa tanto en los cálculos como en la toma de puntos de apoyo. Se requiere un mínimo de 6 puntos, con distribución integradora, para conseguir una buena alineació n. La complejidad del proceso no permite ahora entrar en más detalles.

Precauciones generales a tener en cuenta

En la identificación de características que sirven para la alineación, procurar tomar puntos en movimiento de aproximación perpendicular a la superficie

En la alineación por un plano, definido en 3 niveles, asegurarse de que la pieza queda fijada en una posición tal que este plano teórico sea paralelo a uno de los planos de proyección de la máquina de medir

Verificar la validez de la alineación después de cada transformación gráfica, midiendo los elementos de referencia

Al finalizar con éxito la fase de alineación, hay que guardar bajo nombre seguro el sistema correcto.

4. ¿ES POSIBLE ALINEAR POR SÓLO TRES PUNTOS?

Encontrar respuesta a esta pregunta ha sido uno de los retos del grupo de trabajo del Laboratorio de Metrología de Asacmm Centro Tecnológico. Esta preocupación surgió de necesidades prácticas como:

Inspección de tubos doblados, alineados por las coordenadas de los puntos de intersección entre los segmentos cilíndricos componentes;

Inspección de subconjuntos de automoción, alineados por las coordenadas de los puntos de fijación de las mismas.

Se pretendía simular el comportamiento durante el montaje mediante la alineación, de forma que el primer punto montado cumpla las 3 coordenadas, el segundo punto se obliga a cumplir sólo 2 coordenadas (montaje en orificio alargado) y el tercer punto se obliga a cumplir sólo una de las coordenadas (montaje en orificio mayor). La figura 6 reproduce esta situación.

En esta representación el punto A debe cumplir los valores de X, Y, Z previstos, el punto B dispone de libertad en el cumplimiento de la coordenada Y, mientras que el punto C sólo tiene que cumplir la coordenada X.

Fig. 6.- Fijación por tres puntos con distintos grados de libertad

El uso del método BESTFIT o del método de alineación por comparación con el modelo informático no puede cumplir exigencias de trato diferencial para los puntos de interés. Fue esta la necesidad que dio impulso al desarrollo de un programa dedicado, bautizado A3P, capaz de solucionar problemas de alineación por solo 3 puntos. La abstracción matemática del problema conduce a dos soluciones. Resultó complicada la tarea de elegir la solución correcta. Esto es similar al estudio estático del

sistema de barras, terminadas en tres esferas, como se ve en la representación esquemática de la figura 7.

El extremo A del sistema de barras es una articulación esférica, que dispone de tres giros y tiene los tres traslados bloqueados. La esfera del extremo B descarga su peso en un prisma “V” orientado a lo largo del eje X. De esta forma el extremo B se obliga a cumplir las coordenadas Y más Z y dispone de libertad de traslación a lo largo del eje X. El extremo con la esfera C descansa sobre la placa base y se obliga a cumplir solo la coordenada en Z. Se puede imaginar que girando el sistema alrededor del eje que forman los centros de las esferas A y B resultan dos posiciones de equilibrio (una marcada con trazos) para el extremo C. Aunque las dos cumplen la altura Z, sólo una resultará con valores en X e Y próximos a lo previsto.

Fig. 7.- Equilibrio estático con dos soluciones

Un proceso lógico similar está implementado en el programa A3P, escrito en “Tutor for Windows”. Este programa permite la introducción interactiva de las coordenadas teóricas de los puntos, después la medición de los puntos reales y, seguidamente, realiza el proceso de cálculo que ofrece:

Información sobre la desviación de las distancias entre los tres puntos reales respecto a las distancias teóricas;

Información sobre el error de posición de los puntos segundo y tercero (el primero siempre coincide);

Sistema de referencia apropiado, en el cual el primer punto cumple las tres coordenadas, el segundo cumple dos coordenadas y el tercero solo una de las coordenadas propuestas.

Aplicación en inspección de tubos

Aplicación en inspección de conjunto de pieza

dy ("TRZ = ",TRZ," ROZX = ",ROZX) dy (" ") dy("Se constatan estas deformaciones:") dy("DAB = ",DAB," DAC = ",DAC," DBC = ",DBC) dy("Se consiguen estos errores de posición:") dy("EPA = ",EPA," EPB = ",EPB," EPC = ",EPC) if ((EPB lt U) AND (EPC lt U )) then dy("Pieza y alineación casi perfectas !!!") elsif ((EPB gt 250*U) OR (EPC gt 250*U)) then dy("No es una alineación apropiada !!!") end_if FORA: endstat end_program

Final de instrucciones en el programa fuente A3P

5. COMENTARIOS

Si las tres distancias entre los puntos participantes en el proceso resultan alargadas, tenemos una pieza con error en el cálculo del coeficiente de contracción;

Si dos de las distancias reales son menores que las teóricas y la tercera es mayor, tenemos una pieza deformada, retorcida;

El error de posición del tercer punto, entendido como el radio de la esfera que incluye el punto real y tiene como centro el punto teórico, es también un indicador sintético para expresar el grado de conformidad entre la pieza real y su modelo teórico.

6. PERSPECTIVAS

Se propone seguir el desarrollo del programa para que sea capaz de analizar entre las coordenadas de varios puntos (no más de 9) cuáles son los tres puntos que ofrecen la alineación más acertada sobre la base del mínimo error de posición.

Se propone intercomparación de resultados e intercambio de información con otras entidades metrológicas

Detallismo en la medición

En el proceso de medición de una pieza intervienen distintos medios para controlar la conformidad de la pieza con las especificaciones del plano. A menudo, las piezas presentan zonas estrechas de difícil acceso donde es necesario implicar medios expertos para poder dar respuesta a las especificaciones del plano. Mónica Mora Técnico especialista del Departamento de Metrología de la Fundación Ascamm

Con la ayuda de un proyector de perfiles es posible realizar las mediciones en 2D sobre la sombra ampliada de la zona del detalle de interés, con un factor de ampliación conocido.

La actividad complementaria a este proceso metrológico supone la preparación de los cortes pertinentes, que vienen especificados en el plano. Con este fin se puede emplear sierra de disco, sierra de hilo con recubrimiento de diamantes etc.

Es muy importante la fijación de la muestra en el sistema de corte para corprender la zona de interés, el plano medio, el centro geométrico del detalle. Una vez obtenida la sección hay que pulir la superficie y limpiarla de las posibles rebabas inherentes al proceso de corte.

En piezas tipo connector con elementos alargados, en consola, elásticos o de baja rigidez que podrían sufrir deformaciones remanentes o alteraciones en la zona de interés durante el proceso de corte, realizamos probetas de éstas, rigidizando su estructura en una resina liquida y con buena fluidez que después de 24h están lista para el proceso de corte.

Antes de empezar a medir hay que idear un buen sistema de fijación sobre la mesa de cristal del proyector de perfiles, para evitar posibles riesgos de movilidad.

Las dimensiones a medir suelen ser radios muy pequeños, zonas con acabado en forma de chaflán o cotas que refieren a zonas muy estrechas, donde el acceso con la punta de rubí del palpador de una máquina tridimensional u otro medio metrológico es imposible.

Es posible la medición directa, utilizando la lectura de los regles de desplazamiento de los ejes o también la medición asistida por un software específicos, capaz de definir primitivas geométricas y encontrar la relación geométrica de interés.

En los conjuntos pequeños hay que medir sobre la imgn ampliada por un factor de ampliación de valor conocido

Medición de serie de muestras

La homologación de una pieza es un requisito necesario para garantizar su validez. Es en esta fase cuando se requiere un informe dimensional con relación a las especificaciones de su diseño, que se pueden clasificar en tres grupos de importancia. En el primero se incluyen las que tienen una importancia funcional; en el segundo las que son más susceptibles a cambios en el proceso de fabricación; y en el tercero las que no tienen importancia funcional y solo sirven para la definición

geométrica. En el proceso de fabricación de una pieza existen factores que afectan directamente en la estabilidad de sus dimensiones tales como el clima, el material, la máquina, el operario y el desgaste de herramienta. La suma de esta variabilidad y la que genera el propio sistema de medición crea una gran incertidumbre cuando se mide una sola muestra, puesto que pueden haber cotas dentro del campo de tolerancia que en otras muestras podrían estar fuera de éste, o viceversa. David Planella Jefe de Servicios de Metrología de la Fundación Ascamm

Medir varias muestras para reducir la incertidumbre

Para hacer frente a esta problemática se plantea la necesidad de medir varias muestras y hacer uso de herramientas estadísticas para el cálculo de valores como el Cp o el Cpk, que dan una idea de la capacidad del proceso. Cuanto mayor sea el número de muestras a medir, menor será la incertidumbre sobre la capacidad del proceso. Pero lo correcto es encontrar un equilibrio entre la criticidad de las especificaciones y el número de muestras a medir, para no encarecer el proceso de medición.

En este proceso de medición se debe intentar controlar al máximo los factores que pueden aumentar la incertidumbre de la medida. Para ello las medidas se realizarán en un local acondicionado a temperatura y humedad constante, se automatizarán las mediciones con medios de control C NC siempre que sea posible, se emplearán instrumentos de medida calibrados y trazables con una incertidumbre como mínimo seis veces inferior al campo de tolerancia, y se dedicarán esfuerzos en materia de la sujeción de la pieza para proceder a medirla, especialmente si se trata de una pieza de plástico.

En el mejor de los casos, junto a la pieza se habrá diseñado un útil de fijación especifico que asegurará la repetibilidad en la posición de todas las muestras. Pero cuando no se dispone de un útil de fijación, deben ser los metrólogos los responsables de idear un sistema que sujete la pieza con la suficiente fuerza para que no se mueva durante la medición - pero sin llegar a deformar su estructura - que permita un acceso fácil a todas las características a medir y que asegure una buena repetibilidad en el posicionamiento de todas las muestras.

Recomendación: Una comprobación recomendable, antes de iniciar las mediciones de las distintas muestras, es la de medir una sola muestra repetidas veces, poniéndola y quitándola cada vez en el sistema de fijación, con ello comprobaremos cual es el “ruido” de medida de nuestro sistema de fijación, que en cualquier caso deberá ser inferior a la incertidumbre del instrumento de medida.

Lo correcto es encontrar un equilibrio entre la criticidad de las especificaciones y el número de muestras a medir

Una comprobación recomendable antes del inicio del ensayo es medir una sola muestra repetidas veces

Procedimiento para la exploración discreta de redondez y/o cilindricidad

Ante la continua necesidad de evaluar tolerancias geométricas en el departamento de Metrología de la Fundació Ascamm han sido desarrollados diversos procedimientos de exploración, adquisición y procesamiento de datos para responder a necesidades de GD&T. José Valero García - Jefe de servicios de Metrología de la Fundación Ascamm // Francesc Rivillas Cañaveras - Técnico especialista en Metrología de la Fundación Ascamm

Estos desarrollos están fundamentados en el uso de nuestros medios de adquisición 3D de la mejor incertidumbre. Los medios de adquisición por escaneado continuo de incertidumbre equivalente presentes en el mercado representan una inversión sin viabilidad para nuestras necesidades actuales, así que estos desarrollos se iniciaron también a raíz de la necesidad de complementar las prestaciones de nuestros recursos con funciones novedosas de desarrollo propio. Este es el caso del procedimiento de escaneado mediante el cual podemos evaluar - según necesidades - la redondez y/o la cilindricidad.

Estos han sido los requisitos de partida en el desarrollo del procedimiento:

Repetibilidad y trazabilidad de los datos recogidos Capacidad de adaptación a la variabilidad de la demanda Ejecución autómata para disminuir errores y mejorar tiempos de ejecución Compatibilidad de los datos de salida con las hojas de calculo y el entorno gráfico. Sistema de referencia local para iniciar el proceso

La adquisición de datos se puede realizar en cualquiera de nuestras MMC en ejecución automática, gobernada por CN de la familia Brown & Sharpe. Al principio del programa se pasa por una fase de diálogo en la cual el operario contesta a las preguntas:

¿Nombre para el fichero de resultados? ¿Diámetro a explorar? ¿Número total de puntos a explorar? ¿Altura inicial de la exploración? ¿Por cuántos niveles? ¿Paso entre niveles?

El programa escrito con variables parametrizadas es capaz de calcular la senda de exploración según los parámetros de entrada, gobernar los movimientos de la máquina y del cabezal PH9, abrir el fichero de resultados, salvar todos los datos adquiridos y por último evaluar la redondez si exploró un solo nivel o la cilindricidad si exploró dos o mas niveles.

El formato de escritura de los datos de exploración es compatible con las hojas de calculo de Excel. Es allí donde se identifican los puntos extremos, marcando la posición angular y la altura del punto más próximo al centro y lo mismo para el punto más lejano. Para todos los puntos situados entre estos dos límites se aplica una ampliación radial 10X con el fin de conseguir una representación gráfica enfatizando en las zonas con error de forma.

Los resultados procesados se guardan en un formato compatible con el sistema CAD Unigraphics. El contorno explorado se representa en este sistema como una curva Spline, pasando por todos los puntos correlativos situados en un mismo nivel. Se representan luego las dos circunferencias concéntricas correspondientes a los radios extremos entre las cuales se desarrolla todo el contorno. La representación concluye trazando las líneas que marcan las posiciones angulares de los diámetros mínimo y máximo.

El resultado sintético se presenta como en la figura siguiente:

Se puede observar que los diámetros extremos pueden resultar de combinaciones de radios que no necesariamente implican los puntos de tangencia con los círculos límite. Tal tipo de información de tipo gráfico es de gran utilidad en la metrología correctiva. El moldista utiliza esta información para realizar las correcciones locales necesarias para mejorar el producto.

La versatilidad de este procedimiento ha brindado la posibilidad de aplicarlo en distintos proyectos:

Solución para la mejora de la estanqueidad en los acoplamientos cónicos de los tubos de transfusión en aplicaciones médicas - Motecsa

Solución para la mejora de la redondez en la zona de acoplamiento de los depósitos de radiadores para el sistema de refrigeración en motores de automóvil - Tramec.

Los diámetros extremos pueden resultar de combinaciones de radios que no necesariamente implican los puntos de tangencia con los círculos límite

La tabla de los resultados procesados señala en color rojo el punto más cercano al centro y de color azul el punto más lejano.

Inspección geométrica: método mejorable para la calidad

Durante - y al final - de los procesos productivos o de desarrollo de piezas industriales, éstas son sometidas a varias pruebas, inspecciones, verificaciones. La actividad tecnológica dedicada a la adquisición y proceso de datos para evaluar la conformidad de las piezas industriales con las formas previstas en el plano se denomina inspección geométrica. Conocer una pieza con sus formas características significa poder describir, ubicar y orientar las formas presentes en la pieza. En otras palabras, poder contestar para cada una de estas formas a las preguntas: ¿Cómo está? ¿Dónde se sitúa? ¿Cuál es su orientación?. Traian Onaciu - Director Departamento Metrología - Fundació Ascamm Centre Tecnològic

La información resultante de este proceso sirve para la homologación o la mejoría de la tecnología de fabricación. El esquema siguiente describe y localiza el proceso de inspección en el proceso productivo.

Diagrama del proceso de la inspección geométrica

Para realizar inspecciones geométricas, en los laboratorios de metrología se dispone de una diversidad de medios. Operarios más medios forman un sistema complejo, versátil pero no perfecto. Para mejorarlo es necesario aplicarle correcciones, con el fin de mantener la incertidumbre por debajo de un umbral aceptable. Corregir supone conocer, identificar, evaluar y eliminar errores.

Errores de medición

De un proceso de medición resulta el valor a para una magnitud cuyo verdadero valor es x.

Denominamos error de medición a la diferencia: e = a – x

Dejando aparte de los errores accidentales debidos a la falta de atención o al uso inapropiado de los instrumentos utilizados, los errores de medición son inevitables. Las causas se pueden buscar en la incertidumbre de los instrumentos (errores instrumentales) y también en la actuación del operario en el proceso de ajuste a cero o lectura de los valores (errores subjetivos). A veces los errores instrumentales aparecen como errores regulares, que pueden ser constantes o sistemáticos.

Para ejemplificar, la hora que muestra un reloj de precisión mal sincronizado con la hora mundial está afectada por un error constante. Si la hora se lee en otro reloj que se adelanta con tres minutos cada día, se trata de un error sistemático.

La magnitud de este error depende del tiempo transcurrido de la ultima puesta a cero (cumple la sistemática de una ley). Estos errores constantes o sistemáticos resultan a veces inevitables. Por suerte la regularidad de estos errores permite su detección y eliminación del resultado.

Errores de observación

Las cosas son diferentes en el caso de los errores irregulares o aleatorios. Éstos también son inevitables, pero su eliminación no siempre es posible. Se deben principalmente a la subjetividad del operario, pero pueden aparecer también por causas externas aleatorias e incontrolables.

Para encontrar un valor aproximado a de una magnitud x se efectúa a veces una única medición. De esta evaluación no se puede extraer conclusión alguna sobre el error aleatorio de medición. Efectuando n mediciones sobre el mesurando x se dispone de las aproximaciones: a1, a2,.... an. Los valores resultados no coinciden especialmente cuando la resolución del instrumento es suficientemente pequeña, pero estos valores incluyen el error aleatorio que depende del operario. Con las aproximaciones ai se pueden escribir n ecuaciones:

Sistema de ecuaciones indeterminado

Los métodos de compensación ofrecen procedimientos para obtener un valor aproximado aceptable a con una probabilidad conocida. Los errores ei , aunque individualmente son incontrolables, en su totalidad cumplen unas leyes (por ejemplo la ley de los errores de Gauss) y en esto reside la solución del problema.

Enfoque sobre un error sistemático

De la diversidad de errores potenciales, esta vez se propone analizar sólo un tipo de error geométrico, sistemático, que puede ocurrir en el proceso de inspección de puntos con máquinas de medir por coordenadas (MMC).

Para identificar puntos sobre las características a inspeccionar, la mayoría de las MMC utilizan una punta esférica, (más habitual de rubí industrial) montada en sondas pasivas. El sistema de procesamiento de datos de la máquina es capaz de realizar la correcta compensación del radio del palpador, excepto para puntos individuales que se exploran a lo largo de una dirección que no es perpendicular a la superficie en la zona de contacto. Es éste el caso que se propone analizar.

Las demandas de inspección de puntos sobre superficies se pueden encontrar en los planos expresadas en tablas de coordenadas. En general se imponen dos de las coordenadas y se pide el valor de la tercera, tal como se puede ver en la figura siguiente:

Exigencias de inspección expresadas en Tabla de coordenadas

Para simplificar el análisis se limita a una situación 2D como en la figura siguiente. La representación

gráfica es el detalle ampliado de la situación en el momento del palpado. Se ha marcado con K la

característica sobre la cual se quiere inspeccionar el punto deseado D, situado a la distancia d a lo largo del

eje x del sistema de referencia REFSYS.

Detalle de situación en el momento de palpado

La esfera de rubí de la sonda de exploración con el centro en E y de radio r se aproxima al punto D. Se

propone analizar las alternativas disponibles:

Alternativa a)

Movimiento: manual; consigna: x = d; dirección: YPLUS

Se puede constatar que por este camino el punto D es inalcanzable, debido a la orientación de la

característica (inclinada con el ángulo a ). En el camino se interpone el punto I en el cual la sonda toca la

característica. El sistema considera que toca con el punto mas adelantado de la esfera, en la dirección de

exploración, marcado con C. De este modo, en la evaluación de la coordenada y del punto D aparece el error

f, de la distancia que falta por recorrer entre los puntos C y D.

En el triángulo E I D el ángulo I = 90 °

Por lo cual: h

h

sustituyendo:

Sí se desee eliminar el error: f = 0 resulta una solución inviable: r = 0

o del otro factor:

la otra solución:

En el caso representado, para una sonda de Ø2 mm y ángulo a de 25º el error sistemático f es de 103 µm.

Resultado: punto tomado = falso; x = valor esperado; y = falso.

Alternativa b)

Movimiento: manual; consigna: x = d + t; dirección: YPLUS

De este modo se alcanza el punto deseado D, pero en la evaluación de la coordenada y aparece el error s de

la distancia que sobra en el desplazamiento a lo largo del eje y.

Soluciones: ó

Se repite, similar al caso anterior, que para disminuir el error se puede reducir el radio y para eliminarlo es

necesario explorar a lo largo de la perpendicular local a la superficie.

Resultado: punto tomado = correcto; x = valor inesperado; y = falso.

Alternativa c)

Movimiento: manual; consigna: x = d + t; dirección: YPLUS

Al tomar en cálculo los cosenos directorios de la orientación, el sistema evalúa correctamente las

coordenadas del punto tocado, pero con la incomodidad de explorar en una posición a calcular:

Resultado: punto tomado = correcto; x = correcto; y = correcto.

Explorando en ejecución manual a lo largo del otro eje X es equivalente a las situaciones anteriores con

errores mayores, resultados de la orientación aun peor.

Alternativa d)

Movimiento: automático

Se programa el proceso para ejecución en control numérico, partiendo de un punto de seguridad en dirección

perpendicular a la característica de interés.

Resultado: punto tomado = correcto; x = correcto; y = correcto.

Alternativa e)

Si se dispone de sonda activa, capaz de realizar exploración continua en ejecución automática se elimina

este tipo de error. La curva resultada se puede procesar en el sistema de medición, o importar en un sistema

CAD. Un ejemplo se ve en la figura siguiente:

Contorno explorado con sonda activa en contacto continuo

Alternativa f)

En el entorno 3D la problemática es aún más compleja por lo cual, para una evaluación correcta de

coordenadas de puntos, distribuidos sobre superficies complejas es necesario recurrir a la ayuda de un

software apropiado.

Al disponer del modelo informático para una pieza, mediante el software de medición programada PC-

DMIS en el Laboratorio de Metrología de la Fundación Ascamm Centre Tecnològic podemos elaborar

programas de inspección de superficies complejas, antes de tener la muestra de la pieza. Se trabaja según los

principios de la ingeniería concurrente en entorno virtual, simulador de la máquina asignada y la pieza en

desarrollo. De este modo, con los programas de inspección simulados, listos a la entrega de muestras se

consigue una reducción importante en el tiempo de inspección. El uso de esta tecnología resulta provechoso

por que da solución a la escasez de tiempo para la fase de inspección, situada cerca del final en los procesos

de desarrollo de piezas.

Simulado de inspección comparativa con el modelo informático

Consejos prácticos

Aunque el error no se puede eliminar totalmente se recomienda trabajar con la pulcritud necesaria

para eliminar los errores constantes y sistemático.

Si el resultado de una medición se sitúa fuera del campo de tolerancia previsto para esta magnitud, se

recomienda repetir la medición (si es posible con distintos instrumentos y/o por distintos operarios)

tantas veces hasta que los resultados convergen hacía un mismo valor

Es inapropiado medir arcos de circulo con un desarrollo menor a 90 grados alrededor del propio

centro, utilizando medios de exploración discreta. En estos casos salen resultados más fiables en

inspecciones con sonda activa y palpado continuo.

Es necesario recomendar los cosenos directorios de la dirección perpendicular a la superficie en la

zona de exploración, para obtener los resultados sin error geométrico cuando se localizan puntos con

sonda pasiva, en ejecución manual, sobre características 3D que no están orientadas en posición

privilegiada (perpendicular a uno de los ejes) respecto al sistema de referencia.

Se recomienda utilizar puntas esféricas con el radio mínimo disponible.

Para inspección en serie de muestras es preferible la ejecución autómatica, programada en control

numérico, para eliminar la subjetividad del operario.

Recurrir a la ayuda del software apropiado para inspeccionar puntos distribuidos sobre características

complejas.

Operarios más medios forman un sistema complejo, versátil pero no perfecto. Para mejorarlo es necesario

aplicarle correcciones

PRACTICO

Instalar las MMC directamente en el taller y gestionarlas como un elemento más de la producción...

El uso de las máquinas de medición por coordenadas (MMC) en las salas de control de calidad se presenta de forma cada vez más frecuente como una solución menos adecuada para conseguir un retorno rápido y eficaz de las informaciones sobre el proceso. La posibilidad de instalar la MMC directamente en el taller y de gestionarla como un elemento más de la actividad de producción permite tener el proceso bajo control en todo momento y por lo tanto intervenir de forma instantánea si hay anomalías de calidad. Además, esa reactividad permite reducir en gran medida el tiempo de puesta a punto de la línea lo que contribuye a disminuir el tiempo necesario para lanzar un producto nuevo en el mercado. De forma gradual, las MMC han ido afianzándose y han remplazado los tradicionales calibres dedicados, por ahora no tienen rival en cuanto a rapidez para tomar datos, pero están limitadas por la capacidad de realizar sólo mediciones relativas, es decir confrontando una pieza muestra, y por la falta total de flexibilidad.

La adopción de la “medición flexible en el taller” hace evolucionar la estrategia de control de calidad dimensional de la empresa.

Figura 1. Variaciones dimensionales lineales

Figura 2. Variaciones dimensionales no lineales

La filosofía del control tradicional “adjusting by failure” (corrección del proceso después de detectar una anomalía) se puede sustituir por un concepto más apropiado “mastered adjusting” (control en tiempo real de los fallos del proceso para prevenir la producción de las piezas defectuosas y obtener las informaciones fundamentales para optimizar el proceso). Las principales características técnicas que le tiene que pedir el usuario a una MMC para poder satisfacer de forma eficaz y eficiente los requisitos aplicativos del control dimensional en el taller son:

• Gran dinamismo, para garantizar una frecuencia elevada de piezas de control.

• Precisión suficiente para respetar las tolerancias del proyecto.

• Facilidad de uso, para que el sistema pueda ser utilizado por los usuarios sin que haya consecuencias metrológicas.

• Simplicidad de las operaciones de carga/descarga, y cuando sea necesario poder integrarse en el flujo productivo.

• Posibilidad de generar el programa de medición fuera de la línea.

• Protecciones adecuadas, tanto de la máquina respecto al ambiente como en términos de seguridad del operario.

Para poder satisfacer esos requisitos, las máquinas de medición de taller se diseñan con unas soluciones tecnológicas particulares que las hacen muy resistentes al ambiente externo.

Temperatura del ambiente

La temperatura del ambiente y los gradientes térmicos, son los factores más importantes para mantener los objetivos de precisión de una MMC. Los estándares internacionales consideran correctas las dimensiones de los cuerpos físicos a la temperatura de 20º C, pero las condiciones térmicas de un ambiente de producción son variadas y dependen de los gradientes térmicos en el tiempo y en el espacio. Sin embargo, se puede observar una mejora gradual de las condiciones ambientales en el taller, hay la tendencia a disminuir los puntos extremos de temperatura, aunque aun se encuentran ambientes de producción con temperaturas medias variables entre los 18ºC y los 35ºC y gradientes de 10ºC/24h.

Figura 3. Comparación entre la tecnología Tricision y la tradicional

Figura 4. Máquina de medición GLOBAL con tecnología ACTIV

Influencia de la temperatura en la MMC

Casi todos los materiales se expanden cuando aumenta la temperatura. Los materiales de alta conductibilidad térmica, como el aluminio, tienden a uniformar de forma rápida la propia temperatura y la del ambiente externo con lo que son muy sensibles a los gradientes térmicos, aunque recuperan rápidamente un estado de equilibrio térmico. Los materiales de baja conductibilidad térmica, como el granito, siguen muy lentamente las variaciones térmicas del ambiente lo que les hace menos sensibles a rápidos gradientes térmicos, aunque tardan más en alcanzar un estado de transición térmico-dimensional. En ambos casos, para obtener los resultados de medición correctos cuando hay gradientes es indispensable recurrir a técnicas de compensación para poder obtener los resultados de la medición en condiciones de enfriamiento. También se tiene que tener en cuenta la influencia de la temperatura para la pieza que se mide; para simplificar el tema separaremos los problemas que se refieren a la máquina de medición de los que se refieren a la pieza. Esos últimos los trataremos en otro artículo. El hecho que la temperatura media del ambiente sea muy diferente de la que las normativas internacionales consideran como enfriamiento (20ºC) y de las calibraciones de la máquina, en principio no tendría que representar un problema. En condiciones de estabilidad térmica es posible prever el comportamiento de la MMC y compensarlo. La mayoría de MMC están diseñadas para garantizar que sus componentes se puedan dilatar de forma lineal (fig 1) Así las máquinas se pueden compensar mediante técnicas de compensación lineal que llevan automáticamente todas las mediciones a la temperatura de 20ºC. Sin embargo, la rapidez con la que se producen las variaciones térmicas (gradientes temporales) y la estratificación de la temperatura en la zona (gradientes espaciales) tienden a crear distribuciones de temperatura en la MMC que no son uniformes y como consecuencia se crean distorsiones en sus componentes (fig.2), que en general son más difíciles de compensar. Para que el usuario pueda evaluar y confrontar correctamente las prestaciones de una MMC, las normas vigentes, como ISO, imponen siempre a los productores la descripción de las temperaturas (absoluta, gradientes horarios, diarios y volumétricos) a las que se garantizan las precisiones de la máquina.

Soluciones y tecnologías

Materiales y estructura

Con los años, los productores de MMCs han desarrollado dos escuelas de pensamiento basadas en la elección de materiales y las técnicas de compensación. Así pues, existen en el mercado tanto máquinas de medición realizadas con materiales de baja conductibilidad térmica, en las que se privilegia la estabilidad a corto plazo y transistores lentos en un medio/largo plazo, como máquinas con materiales de una elevada conductibilidad térmica, con transistores rápidos que permiten llegar

rápidamente a condiciones de equilibrio térmico. En general, la mejor elección es la que se basa en estructuras lo más simétricas posibles, combinadas con soluciones técnicas que permiten hacer una representación fiable del modelo geométrico-estructural de la máquina y, por tanto, del modelo de compensación. La rigidez de la estructura es una característica muy importante que se puede obtener si se crea el diseño adecuado. Por ejemplo, una sección triangular del carro transversal de la máquina (tecnología Tricision y Slant) permite obtener una mejor relación rigidez/masa respecto a una sección rectangular. Como se puede observar en fig.3. Con las guías de deslizamiento dispuestas a la misma distancia, el centro de gravedad resulta más bajo en la sección triangular, lo que le da mayor rigidez y estabilidad a la máquina. Sin embargo, sea cual sea el sistema de compensación utilizado, con las tecnologías actuales no es posible obtener en el taller el mismo nivel de precisión y de fiabilidad que el de la medición en un ambiente controlado.

Compensación térmica estructural

Las técnicas de compensación térmica lineal, como hemos visto, sólo pueden compensar parcialmente los efectos térmicos que el ambiente de taller ejerce sobre la máquina de medición. Por esa razón, en Hexagon Metrology se utilizan sistemas avanzados que se basan en la compensación térmica estructural para poder compensar los errores generados por las distorsiones de la estructura de la máquina causadas por los gradientes térmicos. La tecnología A.C.T.I.V. (Adaptive Compensation of Temperatura Induced Variations) está basada, por un lado en la elección del diseño y de los materiales de la MMC y por otro en tomas realizadas mediante sondas térmicas, dispuestas en los puntos críticos de la máquina, fig. 4. Avanzados algoritmos de cálculo determinan los valores de dilatación y de distorsión de la estructura y se utilizan para corregir en tiempo real los datos de medición que se han tomado de la pieza, fig. 5. Para que este sistema de compensación resulte eficaz, la MMC debe tener una elevada estabilidad dimensional. En tal caso, se han utilizado materiales de una elevada conductibilidad térmica que permiten alcanzar rápidamente estados de equilibrio térmico, y cuando posible homogéneos, para minimizar las distorsiones. Con esta solución, la máquina de medición y las piezas están normalmente a la misma temperatura, es decir, a temperatura ambiente. Los datos que se obtienen de una MMC de puente móvil plasmados en el diagrama Fig.6 confirman la eficacia de la tecnología A.C.T.I.V. a la hora de reducir la incertidumbre de medición en presencia de amplias variaciones térmicas (de 15 a 30 ºC con un gradiente de 10ºC/24h). La opción “Clima” está disponible para ambientes más controlados, en los que las variaciones térmicas entran en el campo de 16-26ºC con un gradiente máximo de 5ºC/24h.

Figura 5. Esquema funcional de la tecnología ACTIV

Figura 6. Gráfico resultante de las compensaciones ACTIV

Celdas y cabinas

En otros casos, las MMC están instaladas en celdas ventiladas o condicionadas (fig. 7) que minimizan los efectos de la temperatura y de los gradientes térmicos y mantienen un nivel de humedad constante. Además, las celdas protegen la máquina del polvo y los lubrificantes del ambiente. Normalmente las celdas acogen sólo la máquina de medición; a veces las cabinas se adaptan para acoger, además de la máquina, un puesto de trabajo para el operario. Así se garantiza el funcionamiento de la máquina en condiciones de seguridad total. Las celdas ventiladas tienen como objetivo llevar la estructura de la máquina a la temperatura del ambiente externo con gradientes térmicos más lentos y evitar las estratificaciones de temperatura en el volumen de la máquina. Evidentemente, los efectos térmicos se minimizan pero no se eliminan y por tanto, para evitar que las prestaciones metrológicas de la máquina se degraden de forma incontrolada, es indispensable que se apliquen en la MMC los sistemas de compensación más idóneos. Las celdas condicionadas mantienen la MMC a una temperatura de trabajo óptima y constante, lo cual permite trabajar a la máquina en condiciones de estabilidad térmica. Se ha observado que con esa solución, el ciclo de toma de datos se realiza a una temperatura diferente de la de la pieza que se mide.

Figura 7. Celda de medición DEA FDG2000

Aplique la metrología por coordenadas en su taller

La integración de las máquinas de medición por coordenadas (MMC) con el proceso de mecanizado permite utilizar datos dimensionales precisos para obtener un verdadero control del proceso. David Genest - Brown & Sharpe

Los pioneros de la fabricación mecánica sabían que, cuanto más se acercaran las piezas a sus dimensiones ideales, mejor sería el ajuste entre si y su funcionamiento. Sabían que la información dimensional obtenida durante el proceso de medición de la pieza podía ser usado como una comprobación de las condiciones del proceso de fabricación. Si un orificio estaba desviado de su centro, debía haber una razón. La medición dimensional precisa podía señalar el camino hacia la solución.

La necesidad práctica de medir las piezas con exactitud fue el catalizador d el desarrollo de un sistema de instrumentos de medición de precisión tales como el calibrador, el micrómetro, las galgas de altura y otros dispositivos. De todas las herramientas utilizadas para medir las dimensiones de las piezas, las máquinas de medición por coordenadas (MMC) son las que presentan mayor capacidad.

Las máquinas de medición por coordenadas adquieren información dimensional detallada desplazando un palpador a través de las superficies de la pieza de trabajo. La mayoría de las MMC adquieren los datos utilizando un palpador que detecta el contacto con puntos individuales de la pieza de trabajo. Esta técnica de medida de puntos individuales puede recoger datos, por lo general, a velocidades máximas de 50 ó 60 puntos por minuto (velocidades considerablemente mayores que las obtenidas con instrumentos manuales de medición).

Las MMC como herramientas de control de proceso

Lo que hace valiosa la metrología por coordenadas como herramienta de control de procesos es que puede ser usada para medir con exactitud objetos en un amplio margen de tamaños y configuraciones geométricas, y discernir la relación entre diferentes propiedades de una pieza de trabajo. Esta flexibilidad, y la velocidad de operación de la medición por coordenadas comparada con las técnicas de superficies planas y de galgas fijas, significa que los resultados de la medición pueden ser utilizados para refinar de una manera económica aplicaciones de procesos de fabricación, además de analizar las tendencias del mismo.

La dificultad con la metrología por coordenadas, a pesar de su indudable valía, ha sido que las rutinas de medición debían ser frecuentemente realizadas fuera de línea por técnicos especialmente entrenados, que eran retirados de las operaciones de fabricación. Las inspecciones fuera de línea de este tipo se convirtieron más en una herramienta de control y aseguramiento de calidad para verificar montajes o descubrir piezas que no cumplen especificaciones antes de ser enviadas a los clientes que en un verdadero control del proceso. Con la introducción de las técnicas de control estadístico de procesos, en cambio, los técnicos de calidad podían usar los datos dimensionales adquiridos por las MMC para estudiar tendencias de no conformidad y ofrecer este análisis al personal de fabricación. A su vez, el personal de fabricación usa esta información para corregir las variaciones del proceso que producían dichas no-conformidades. En cualquier caso, estas correcciones de proceso ocurrían a menudo después de que piezas producidas fueran desechadas o reprocesadas para ajustarlas a las especificaciones.

Esta máquina de medición de brazo horizontal y control directo por ordenador ha sido construida para realizar un amplio rango de tareas de medición en el taller. Entre esas operaciones están la inspección de piezas prismáticas y de paredes delgadas (como carrocerías de automóviles y subconjuntos), la verificación automática y manual de superficies de forma libre, operaciones continuas de barrido para copiado de matrices y moldes, y operaciones de “marcado como rechazado”.

En el taller se pueden instalar grandes MMC tipo pórtico, integradas con equipo ya existente de manipulación de piezas, para permitir al fabricante la medición rápida de piezas extremadamente grandes, con altos niveles de exactitud y repetibilidad.

Esta MMC de taller es la primera de una serie de sistemas de medida flexibles construidos para proporcionar mediciones e inspección en ambientes de producción. Utiliza una red de sensores térmicos colocados en áreas críticas de la máquina y un software de compensación térmica con un algoritmo avanzado para extrapolar los valores de expansión y distorsión a partir de los datos de sensores. De esta manera, la influencia de la temperatura es cancelada en un amplio rango de condiciones

Traslado de las MMC al taller

Durante las dos últimas décadas se ha producido una tendencia hacia la integración de la velocidad, flexibilidad y exactitud de las MMC con las operaciones del taller. Uno de los factores que ha impulsado esta tendencia es la creciente demanda de una producción con tolerancias tan ajustadas que hasta las más pequeñas divergencias de proceso pueden producir piezas inutilizables.

Las mediciones se han ido integrando cada vez más con el proceso de mecanizado. Por ejemplo, en las líneas de transferencia se ha unido físicamente a la línea una estación de medida. En otros casos, la integración de la medida ha sido facilitada por algunos tipos de mecanismo de transferencia, tales como vehículos guiados, carros, dispositivos de manipulación o transportadores aéreos, que transfieren las piezas desde la máquina-herramienta hasta la MMC para su inspección.

La ventaja de las inspecciones en taller es que, ubicando la inspección dimensional en las proximidades de las operaciones de fabricación, se ejercer un mayor control sobre el proceso que cuando los datos son adquiridos en una localización remota. El incremento del control reduce la probabilidad de producir piezas fuera de tolerancia, lo que significa menos rechazos y reproceso.

Hay también otros beneficios. La medición integrada en el taller es realizada normalmente por los operadores de las máquinas, lo que reduce la necesidad de inspectores especiales. Además, las mediciones en taller pueden ser empleadas para compilar bases de datos históricas de comportamiento de las máquinas, las herramientas, las piezas, las paletas y las fijaciones durante el proceso real de mecanizado.

Las máquinas de medición por coordenadas utilizadas en estas aplicaciones tienen la ventaja de ser flexibles. Es decir, con un simple cambio de programa de software pueden ser utilizadas para inspeccionar piezas con diferentes dimensiones, e igualmente fijaciones, paletas y herramientas.

Las interfaces para el software (a la medida del cliente) son particularmente útiles en las instalaciones de máquinas de medición de taller, especialmente cuando se inspeccionan familias de piezas. En lugar de escribir un nuevo programa para cada pieza dentro de una familia, puede configurarse una interfaz gráfica para hacerle preguntas al operario que ayuden al software a determinar qué elementos deben ser medidos.

Cómo instalar correctamente una MMC en el taller

La integración de las MMC en el taller ha supuesto un reto tecnológico para los fabricantes. El objetivo es garantizar un comportamiento de alta precisión a una velocidad compatible con el flujo de producción.

El obstáculo principal es la variación de temperatura y el efecto que ésta tiene en la pieza de a medir y en la máquina de medida. Una primera solución para este problema fue el aislamiento de una máquina MMC tradicional para protegerla de gradientes térmicos y acondicionar el ambiente dentro del recinto para mantener la temperatura constante. En la práctica, esta solución encerró a la MMC en un ambiente de laboratorio. Si bien ésta es una buena solución en algunas circunstancias, tiene el inconveniente de sacrificar la capacidad de producción a cambio de la exactitud. Encerrar la máquina de medida en un ambiente controlado presenta algunas dificultades en la carga y descarga de las piezas, además de que la pieza debe aclimatarse a la temperatura del recinto de medida antes de poder realizar las medidas.

Un nuevo enfoque es la compensación de la dilatación y distorsión térmicas con una mezcla de soluciones hardware y software que disponen de una red de sensores ubicados en lugares críticos de la estructura de la máquina. Los sensores leen la temperatura en la estructura de la máquina y un potente algoritmo extrapola los valores de la dilatación y la distorsión. Con estos datos el software es capaz de compensar el estado térmico actual de la máquina, de tal manera que la influencia de las

variaciones de temperatura prácticamente se cancelan para una amplia gama de condiciones. El resultado es que es posible hacer inspecciones dimensionales con una exactitud comparable con la del laboratorio, mientras se trabaja en un ambiente de taller.

El software hace la integración más fácil

Si bien el hardware es fundamental para el funcionamiento de la máquina de medición por coordenadas en el taller, el software desempeña un papel no menos importante.

El software MMC ha sido afinado de tal manera que no se requieren conocimientos o experiencia en programación para poner en marcha los más sofisticados programas. Prácticamente, todo el nuevo software de MMC consiste en programas estándar manejados con menús y un conjunto de pantallas de ayuda. De esta forma, el software para cualquier procedimiento particular es muy fácil de usar, y puede ser adaptado a aplicaciones individuales del cliente utilizando un lenguaje sencillo en lugar de un lenguaje específico de programación ligado a un complicado sistema operativo.

Actualmente, existe una amplia gama de software. Por ejemplo, hay programas para control estadístico de producción, aplicaciones de chapa, programas para álabes de turbinas y engranajes, entre otros muchos.

Conjugar el diseño con la fabricación

Se está desarrollando una nueva generación de software para proporcionar el flujo de información que realmente enlace la función de diseño con la fabricación mediante el lenguaje común de la metrología. Este nuevo software establece un puente entre el diseño y la fabricación gracias a una implementación común de las tolerancias de diseño y entre la fabricación y el diseño, proporcionando, en línea y bajo demanda, información sobre el proceso a los ingenieros de diseño.

Por ejemplo, se está diseñando nuevo software para servir de interfase directa con el CAD/CAM y con los sistemas de inspección fuera de línea, de tal manera que los modelos de CAD no tengan que ser traducidos cuando se cargan al sistema de inspección. Así, tanto el equipo de diseño como el de fabricación pueden efectuar un análisis preciso y consistente de las tolerancias que el sistema de fabricación deberá mantener para determinar de una manera completa y sin ambigüedades el cumplimiento de especificaciones.

La mayoría del software de medida e inspección disponible hoy en día es específico del fabricante, y no interactúa fácilmente con otros sistemas. Sin embargo, al software de la próxima generación se adaptará a cualquier fase del proceso de fabricación. La interfase con el operador de este nuevo software habrá sido diseñada para autoadaptarse al tipo de dispositivo de medición que se esté utilizando. Ésta reconocerá si el operador está usando un instrumento de medida manual, como un calibrador, o una máquina de medición por coordenadas con todas sus funciones. El software sólo presentará las funciones que sean requeridas para las aplicaciones que vayan a ser usadas. Esta función permitirá a los usuarios la selección de la herramienta de medida más apropiada para cada tarea, maximizando el uso de los equipos de medida. También agregará valor a todos los sistemas de medición, haciéndolos más integrables con el proceso de fabricación en lugar de aislarlos en laboratorios de inspección.

El desarrollo de nuevo software, incluso el actualmente disponible, cuenta a menudo con arquitectura abierta y está orientado a objetos. Esto significa que los usuarios pueden añadir al sistema sus propios procedimientos de inspección y paquetes de análisis. Al sistema básico de software también pueden incorporárse paquetes metrológicos desarrollados por terceros. El potencial de desarrollo de nuevas formas de aproximarse a las aplicaciones de inspección y medida es prácticamente ilimitado.

El barrido agrega nuevas dimensiones a la medición en el taller

En la medida en que las piezas fabricadas se hacen más pequeñas y las tolerancias requeridas son menores, es preciso adquirir y analizar más datos para poder determinar la viabilidad del proceso de fabricación. Las MMC con funciones de barrido proporcionan los medios para ello. El barrido es simplemente una forma de recoger automáticamente un conjunto de coordenadas de puntos para definir con exactitud la forma de la pieza de trabajo.

La función de barrido se consideró en algún momento exclusiva de los fabricantes de alta tecnología, porque las MMC capaces de realizar barrido y el software para manejarlo eran costosos y de difícil adquisición. Sin embargo, hoy los avances en software y en tecnología de sensores han hecho las máquinas MMC considerablemente más asequibles.

Los nuevos sensores combinarán elementos de las tecnologías óptica, de video y láser en dispositivos que puedan barrer rápidamente formas complejas y superficies, y recoger con exactitud datos dimensionales.

Algunos de esos sensores pueden leer hasta 20.000 puntos por segundo con extrema exactitud. Combinados con estos sensores, se dispondrá de poderosas máquinas matemáticas que analizarán rápidamente losla gran cantidad de datos dimensionales que estos sistemas pueden generar.

La integración de la metrología por coordenadas en el taller ¿es un concepto que permanecerá, o será solamente un capricho pasajero?

Es seguro que, cuanto más próxima esté la inspección dimensional al proceso, más útiles son las posibilidades de control para el usuario. Los puntos clave son la exactitud y la productividad. Las MMC que llegan al mercado son más rápidas, más precisas y más asequibles que sus predecesoras de hace solamente unos pocos años. Además, han sido diseñadas teniendo en cuenta la integración con el taller. El mayor valor de la metrología en el taller no es solamente la posibilidad de integración con el proceso, sino la unión que permite entre el objetivo de diseño y la función de fabricación. Este es el salto cualitativo que dará continuidad a las mejoras de calidad que son una parte integral del diseño, la ingeniería y la fabricación.

Elección de un sistema de medición de taller

Hay algunas consideraciones importantes que se deben tener en cuenta a la hora de elegir un sistema de medición para ser integrado dentro de las operaciones de taller. Las más importantes son:

Fiabilidad. ¿El sistema de medición es lo suficientemente robusto para acoplarse a los sistemas de producción? Esto es esencial si los sistemas de producción van a volverse dependientes del sistema de medición para el control del proceso.

Productividad. El sistema de medición debe ser lo suficientemente rápido para soportar la producción de las máquinas-herramienta.

Entorno. Es posible que se requieran inversiones adicionales para integrar efectivamente el sistema de medición en las operaciones de producción. Por ejemplo: ¿Es necesario amortiguar vibraciones? ¿El sistema requiere cimentaciones especiales? ¿Es necesario un sistema de manipulación? Un proveedor de sistemas de medición puede ayudarlo a evaluar su aplicación específica.

Facilidad de uso. El sistema de medición debe ser lo suficientemente fácil de usar por personal no técnico. Sin embargo, es importante la disponibilidad de formación por parte de su proveedor para actualizar los conocimientos del operario, de manera que pueda obtener el máximo provecho del sistema.

Mantenimiento. ¿Sus actuales operaciones de mantenimiento serán suficientes para soportar el sistema de medición? Algunos proveedores de sistemas de medición ofrecen mantenimiento preventivo y servicios de calibración que ayudan a satisfacer las necesidades adicionales de su personal de mantenimiento.

La ventaja de las inspecciones en taller es que, ubicando la inspección dimensional en las proximidades de las operaciones de fabricación, se ejercer un mayor control sobre el proceso que cuando los datos son adquiridos en una localización remota

El software de la próxima generación se adaptará a cualquier fase del proceso de fabricación

El potencial de desarrollo de nuevas formas de aproximarse a las aplicaciones de inspección y medida es prácticamente ilimitado

Las nuevas MMC son más rápidas, más precisas y más asequibles que sus predecesorass. Además, han sido diseñadas teniendo en cuenta la integración con el taller

¿Cómo seleccionar una MMC?

El control de proceso y la garantía de calidad de las operaciones de producción modernas dependen cada vez más del rendimiento de las máquinas de medición por coordenadas (MMC). Durante los últimos 20 años, las MMC han sustituido los métodos tradicionales de medición con calibres y fijaciones y han reducido el tiempo y la mano de obra requeridos en las operaciones de control de calidad. Redacción MetalUnivers

Las MMC no solamente presentan la capacidad de inspeccionar dimensiones geométricas estándar, sino que además inspeccionan piezas de forma especial tales como engranajes, árboles de levas, superficies de sustentación y muchas otras. En un ambiente de producción tradicional, cada una de esas inspecciones especiales requeriría de una máquina específicamente diseñada para inspeccionar una de esas formas.

La calidad del producto no depende únicamente de la calidad de las herramientas que se usan en producción, sino también de la precisión y de la repetibilidad de las máquinas de medición e inspección. Un conjunto de máquinas de bajo coste y bajo rendimiento combinadas con una MMC de alta precisión garantiza la calidad del producto porque sólo las piezas que estén dentro de tolerancias pasarán la inspección de la MMC.

Por el contrario, un conjunto de máquinas de producción de alta calidad combinadas con una máquina de medición de bajo coste y baja precisión no puede garantizar la calidad de los productos. Un cierto porcentaje de piezas fuera de tolerancias siempre se le pasarán por alto a la inspección de la MMC de baja precisión y, del mismo modo, será rechazado un cierto porcentaje de piezas dentro de tolerancias.

En consecuencia, la elección de una MMC es una decisión clave. El objetivo de este artículo es ayudarle a seleccionar la MMC que cumpla sus necesidades específicas de precisión y aplicación.

Campo mínimo de medición

El primer criterio de selección importante es la determinación del campo mínimo de medición necesario. El campo de medición suele depender de las dimensiones de la pieza a medir, aunque en ocasiones sea más complicado qde lo que parece.

Por ejemplo, si la configuración de la pieza y la rutina de inspección necesitan usar extensiones de sensor y fijaciones, el campo mínimo de medición que se va a necesitar será considerablemente mayor que las dimensiones de la pieza. Como guía para elegir su MMC, elija una máquina cuyos campos de medición de X, Y y Z sean el doble del ancho, el largo y la altura de la pieza más grande que necesite medir.

Incertidumbre mínima

El segundo criterio de selección es la incertidumbre mínima requerida. Las incertidumbres y los procedimientos de ensayo para las MMC están descritas según ISO 103602. Algunos fabricantes de MMC no se rigen por la ISO 103602, sino que usan otros estándares tales como MMCA, VDI/VDE 2617, B89 y JIS. Sin embargo, para comparar las MMC de distintos fabricantes asegúrese de que compara las mismas especificaciones. La mayoría de fabricantes de MMC ofrecen sus especificaciones en un amplio formato para ofrecer soporte a sus clientes de todo el mundo. Además, si usted es una empresa internacional, es prudente solicirtar las especificaciones de la MMC en formato ISO 103602, pues se está convirtiendo en un estándar internacional. Eso no simplemente le permite comparar entre competidores, sino también comparar la máquina nueva con sus máquinas instaladas por todo el mundo.

La ISO 103602, en vigor desde 1994, especifica dos incertidumbres: la incertidumbre de la medición de la longitud volumétrica (E) y la incertidumbre de la toma de datos volumétrica (R). Para verificar la incertidumbre de la medición de la longitud volumétrica es necesario un conjunto de bloques patrón o una step gage (figura 1). El usuario selecciona siete puntos distintos (posición y dirección) dentro del volumen de medición de la MMC para el ensayo. Para cada uno de los siete puntos, cinco estándares materiales (longitud) se miden tres veces cada uno para un total de 105 mediciones. Los resultados de todas ellas tienen que estar dentro de la tolerancia especificada por el fabricante.

Para verificar la incertidumbre de la toma de datos se emplea una esfera de precisión de entre 10 mm y 50 mm con un certificado de forma y diámetro (figura 2). El ensayo consiste en medir 25 puntos equidistantes en la esfera. R se calcula añadiendo los valores absolutos de la desviación mínima y máxima de la forma radial. El resultado se obtiene en micras (µm), y en el cálculo se usan los 25 puntos.

Esos ensayos son muy específicos tanto en definición como en ejecución .Es importante recordar que la incertidumbre de la MMC bajo ciertas condiciones de operación pude ser mayor de lo que especificado por el fabricante, debido al uso de extensiones del sensor, sensores largos o de poco cuerpo, mesas rotatorias, cabezales giratorios, cambios de temperatura y contaminantes del ambiente de la planta de producción.

Por ejemplo, en la figura 3, E y R según están especificadas vienen determinadas por una punta fijada directamente al cabezal del sensor sin extensiones ni rotación. Sin embargo, la mayoría de piezas requieren configuraciones de sensor complejas para las cuales E y R no están especificadas.

Puede que una pieza requiera la combinación de varias puntas de sensor, extensiones, rotación del cabezal del sensor y tal vez un cambio de sensor durante la inspección (figura 4). Debido a estas diferencias se suele aplicar un ratio de incertidumbre para la tolerancia cuando se calcula una especificación requerida para una MMC determinada. Este ratio puede variar mucho dependiendo de los factores descritos más arriba, la complejidad de la tarea de medición y el mismo proceso. Los ratios más típicos varían de 1:3 a 1:20 con 1:5 y 1:10 siendo los más comunes. Para mantener un ratio de incertidumbre de 1:5 para la tolerancia de la pieza, la especificación de la MMC tendría que ser cinco veces más precisa que la tolerancia a inspeccionar.

En casi todas las piezas, las CMS tienen que inspeccionar tres tipos de características: diámetros y distancias, tolerancias de posición y tolerancias de forma. Se tiene que realizar un análisis de la incertidumbre requerida para cada grupo.

Para las tolerancias de distancia y diámetro, refiérase al dibujo de la pieza y situar el diámetro para las distancias con las tolerancias más ajustadas. Debido a que la longitud depende de la incertidumbre volumétrica, una tolerancia mayor en una característica muy larga puede presentar más dificultades

que una tolerancia muy ajustada en una característica pequeña. La figura 5 ilustra la forma de calcular la incertidumbre de medición de la longitud volumétrica que requiere la máquina.

Puesto que las tolerancias de posición definen normalmente un diámetro de tolerancia, sólo se usa el ratio para determinar la desviación del centro nominal. La figura 6 ilustra el método que se emplea para calcular la incertidumbre que requiere la máquina. Las tolerancias de las formas incluye redondez, planitud, rectitud, cilindricidad y forma del perfil. La figura 7 ilustra el cálculo de la incertidumbre de medición de la máquina para tolerancias de la forma.

Tolerancia Distancia o diámetro (mm)

10 100 300 600 1000

± 0,003 mm 0,3+L/1000

± 0,005 mm 0,5+L/900 0,4+L/1000

± 0,007 mm 0,7+L/700 0,6+L/900 0,4+L/1000

± 0,010 mm 1,0+L/400 0,8+L/500 0,6+L/750 0,4+L/1000

± 0,015 mm 1,5+L/300 1,2+L/300 0,8+L/450 0,5+L/600 0,5+L/1000

± 0,020 mm 2,0+L/250 1,6+L/250 1,3+L/450 0,8+L/500 0,8+L/800

± 0,030 mm 3,0+L/250 2,6+L/250 2,0+L/300 1,5+L/400 1,0+L/500

± 0,050 mm 5,0+L/150 4,3+L/150 3,5+L/200 2,6+L/250 1,7+L/300

± 0,070 mm 7,0+L/100 6,0+L/100 5,0+L/150 4,0+L/200 2,0+L/200

± 0,100 mm 1,0+L/100 9,0+L/100 7,0+L/100 6,0+L/150 4,0+L/150

Fig. 5.- Cálculo de la incertidumbre de medición de la longitud volumétrica requerida

Ejemplo: Un diámetro de 20 mm tiene una tolerancia de ± 0.020 mm Para la inspección de esa característica se necesita una MMC con E=1.3 + L/450 (mm)

Tolerancia de posición

Distancia del dato (mm)

10 100 300 600 1000

0,005 mm 0,25+L/1000

0,010 mm 0,5+L/900 0,4+L/1000

0,015 mm 0,7+L/500 0,6+L/600 0,4+L/1000

0,020 mm 1,0+L/400 0,8+L/500 0,6+L/750 0,4+L/1000

0,030 mm 1,5+L/250 1,2+L/350 0,8+L/450 0,6+L/700 0,5+L/1000

0,050 mm 2,5+L/200 2,2+L/300 1,6+L/350 1,2+L/450 0,8+L/600

0,070 mm 3,5+L/200 3,0+L/200 2,5+L/300 1,5+L/300 1,0+L/400

0,100 mm 5,0+L/150 4,3+L/150 3,5+L/200 2,6+L/250 1,7+L/300

0,200 mm 10+L/100 9,0+L/100 7,0+L/100 6,0+L/150 4,0+L/150

Fig. 6.- Método para calcular la incertidumbre de posición requerida

Ejemplo: Un agujero tiene una tolerancia de posición de 0.05mm La distancia del dato es de 100 mm. Para la inspección de esa característica se necesitaría una MMC con E=2.2 +L/300 (mm)

Tolerancia de forma [µm]

5 7 10 15 20 30 50

R [µm] 0,5 0,7 1 1,5 2 3 5

Fig. 7.- Cálculo de la incertidumbre de medición para tolerancias de la forma

Ejemplo: Un diámetro de 20 mm tiene una tolerancia de redondez de 0.007 mm. Para la inspección de esa característica se necesitaría una MMC con R =0.7 mm R está especificada para áreas relativamente pequeñas (a partir de 30 mm)

Atención a la vibración sísmica

La incertidumbre de cada MMC depende en gran medida de las condiciones ambientales. En consecuencia, los fabricantes de MMC suelen especificar el margen de temperatura, variación de temperatura por hora, variación de temperatura por día y variación de la temperatura por metro dentro de los cuales cada MMC alcanza sus especificaciones. Hay que tener en cuenta estas variables a la hora de seleccionar la MMC apropiada.

Además, hay que tener en cuenta también el nivel de vibración del suelo con el fin de optimizar el rendimiento de la MMC. La mayoría de MMC indican la vibración máxima que pueden soportar para cumplir las especificaciones. También se pueden comprar sistemas de amortiguación de vibración activa y pasiva para instalar la máquina en ambientes severos sin que eso afecte a las expectativas de rendimiento.

Es importante realizar un estudio completo de la vibración sísmica que pueda haber en el sitio donde se instalará la máquina si se cree que la vibración puede ser un problema. Todos los fabricantes de MMC ofrecen programas para rutinas de medición básicas. Algunos también ofrecen programas para piezas con superficies más complejas tales como lo engranajes sin fin, turbinas o compresores de

tornillo, por indicar sólo algunos. Asegúrese de que entiende la complejidad de la rutina de medición que necesita para inspeccionar sus piezas y elija software que realizará las tareas de medición que necesita.

Rendimiento de la máquina

Los requisitos del rendimiento también se deben tener en cuenta. Cuantas más piezas pueda inspeccionar una MMC por día, menor será el coste de inspección por pieza. La aceleración y el número de puntos a tomar por minuto son los factores que determinan el rendimiento global. El rendimiento también sepuede aumentar con la configuración de fijaciones especiales.

La selección de la MMC más apropiada para sus aplicaciones requiere investigación y reflexión, pero no hace falta que lo haga solo. Los fabricantes de MMC tienen especialistas que trabajaran con usted para ayudarle a elegir la máquina que mejor se adapta a sus necesidades.

Instalación de una MMC: atención al entorno

Los costes asociados a una máquina de medir por coordenadas van generalmente más allá de la propia máquina. En efecto, la ubicación de la misma y las condiciones de su entorno deben cumplir diversos requisitos para que los resultados de la medición sean fiables. Ferran Puig

Una MMC puedee ser instalada en distintos ambientes de trabajo, que en mayor o menor medida estarán bajo la influencia de los siguientes factores externos:

1. Suciedad

a. Ambientes limpios b. Ambientes contaminados: partículas en suspensión (humedad, aceite, polvo, otras partículas)

2. Temperatura / humedad

a. Gradientes térmicos temporales b. Gradientes térmicos espaciales c. Humedad relativa

3. Vibraciones

a. Frecuencia b. Amplitud

En función de estas tres variables puede actuarse de distintas maneras. Una de ellas es utilizar una máquina adecuada, pensada para que su comportamiento sea inerte frente a alguno de estos parámetros. La otra, acondicionar el ambiente para dejar la máquina a salvo de estos factores perturbadores.

Para contrarrestar los efectos de las partículas en suspensión puede carenarse la máquina, o incluso ser presurizada internamente para evitar que penetren las partículas. Por el contrario, puede aislarse la máquina en una cabina.

En el caso de la compensación térmica se puede hablar de compensación térmica lineal o compensación térmica estructural. La compensación lineal sólo considera la variación que puede

experimentar el sensor lineal en función de la temperatura mientras la estructural, más completa, tiene en cuenta el efecto de las variaciones de la temperatura en la estructura mecánica.

La opción de emplear cabinas con temperatura y humedad controladas depende del tamaño de la máquina, pues para grandes volúmenes la opción puede acarrear un coste demasiado elevado, mientras que para volúmenes de unos 100 m2 puede ser la opción más adecuada. Hay que señalar que, para evitar los gradientes espaciales, es decir, para garantizar que la temperatura sea idéntica en cualquier punto de la mecánica evitando así deformaciones estructurales, es preciso conseguir una elevada recirculación del aire.

Para eliminar el efecto de las vibraciones existen dos opciones: emplear una cimentación o masa sísmica o bien aislar exclusivamente la máquina mediante elementos antivibrantes activos o pasivos (amortiguadores neumáticos, resortes, elementos viscosos, etc.). Su utilización depende de las dimensiones de la máquina, y de la amplitud y frecuencia de las vibraciones. Cuando se plantea la instalación de una máquina de medir en un ambiente industrial (prensas de estampación, inyección, líneas de mecanizado, forja, etc.), es conveniente realizar un estudio detallado de las vibraciones.

¿Las MMT en lazo cerrado?

Imaginemos un sistema de control de lazo cerrado en el que interviene una máquina de medir. No es una idea disparatada pensar que con el valor y dirección del error se puedan tomar acciones sobre el proceso de fabricación. Vamos a ser un poco más ambiciosos y consideremos que las acciones correctoras son generadas de forma automática por un algoritmo de cálculo más o menos sofisticado....el resultado sería sorprendente, podríamos eliminar la zona de "piezas rechazadas" de nuestras fábricas. Ferran Puig Director de MetalUnivers Si bien desde un punto de vista teórico este razonamiento es posible, su aplicación al mundo real es algo más compleja.

En primer lugar, no todos los procesos de fabricación en los que el control dimensional del producto es determinante, permiten la modificación en tiempo real de las variables del propio proceso. En otros casos es imposible por la naturaleza de la línea de producción (línea transfer versus centros de mecanizado) que sacrifica su flexibilidad a favor de la productividad. Finalmente no podemos olvidar que en la mayoría de los casos es difícil establecer una relación directa entre la causa y el efecto producido por una variación de los parámetros de control, ya sea por desconocimiento del propio proceso o dificultad en describir / formular dicha relación.

Existen aplicaciones puntuales en las que funcionan de forma satisfactoria lazos cerrados de control, donde el sensor es una MMC. Por regla general la señal de error actúa sobre el programa de mecanizado de una máquina a control numérico, en función de la tendencia más que del valor absoluto de las mediciones. En resumen, estamos compensando la degradación de la máquina o el desgaste de la herramienta de corte, acción nada despreciable si tenemos en cuenta el ahorro en tiempo (mantenimiento) y dinero (cambio del útil de corte) que ello representa.