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Las arquitecturas posibles de las máquinas de medición por coordenadas

Sección realizada con el asesoramiento técnico de Hexagon Metrology, S.A.01/04/2005

En la anterior edición de MetalUnivers, en el mes de febrero, veíamos, gracias a un texto de la asociación IA-CMM traducido por Hexagon, cómo las máquinas de medición por coordenadas (CMM) se basan en cuatro elementos tecnológicos. Quedaba pendiente el análisis detallado de las diferentes arquitecturas posibles que vemos a continuación.

Las arquitecturas que se usan son las siguientes:

  • Cantilever con mesa fija
  • Puente móvil
  • Gantry
  • Puente en forma de “L”
  • Puente fijo
  • Cantilever con mesa móvil
  • Columna
  • Brazo móvil, brazo horizontal
  • Mesa fija brazo horizontal
  • Brazo articulado

Todos estos tipos de arquitecturas no tienen la misma difusión, por varias razones, por ejemplo, algunas son adecuadas para CMMs de grandes dimensiones y por tanto, que no se usan con tanta frecuencia. Otras, simplemente no aportan ninguna ventaja comparado con arquitecturas que son más fáciles y baratas de producir. Por tanto, sólo hablaremos de las que tienen una mayor difusión en la industria.

Las arquitecturas de las CMM

La arquitectura de una CMM cambia según una serie de parámetros, el más importante es el volumen de medición. Algunos tipos de arquitectura se diseñaron en un principio para controlar las máquinas manualmente. Por tanto, intentar crear CMMs grandes con esos tipos de estructura sería imposible o ilógico, debido a consideraciones ergonómicas y de prestaciones.

Otro aspecto muy importante es la accesibilidad a la pieza que se tiene que medir. No seria conveniente utilizar una CMM de puente vertical para una pieza en la que la mayor parte de características se tienen que medir en direcciones perpendiculares al eje de Z .

Además, la tendencia es maximizar la “rigidez” de la estructura reduciendo a la vez la “masa”, para conseguir la mayor aceleración (y deceleración) posible .

Los parámetros dinámicos de la CMM se pueden malinterpretar fácilmente; por tanto es muy importante mirar las cifras que expresan estos valores y saberlas entender.

A continuación se describen las arquitecturas de CMM más utilizadas, el lector que desee tener una visión general sobre ese tema puede consultar la publicación ISO 10360-1.

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Axis= eje

Guideways=guías

Sensor=sensor

Machine base=Base de la máquina

Figura 1. Esquema de arquitectura “Cantilever”

Cantilever con mesa fija

Es un tipo de arquitectura que actualmente no se usa mucho y que en un principio se aplicó a CMMs manuales. Ese tipo de arquitectura se describe en la ISO 10360-1 del siguiente modo:

“Es una CMM que utiliza tres componentes que se mueven por guías de forma perpendicular entre ellos, el sensor se encuentra en el primer componente, que se mueve de forma vertical en relación con el segundo. La combinación del primer componente con el segundo se mueve horizontalmente al tercero. El tercer componente está agarrado sólo por un extremo. Cantilever se mueve horizontalmente respecto a la base de la máquina donde se encuentra la pieza”.

Se ha de tener en cuenta (y eso servirá para todo el artículo) que ISO incluye la siguiente nota a todos los tipos de arquitectura: “Las direcciones que se indican son a modo de información. Existen otros modos”.

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Figura 2. Una CMM con arquitectura “Cantilever”
El movimiento de los ejes de una CMM cantilever manual se consigue cogiendo la punta y a través de ella mover los ejes de la máquina a la posición que se desee. Como todas las máquinas de medición por coordenadas manuales, incluso las que se basan en el tipo de arquitectura en cuestión, dependen en gran medida de la habilidad del operario, sin embargo, un operario que haya recibido la formación necesaria puede alcanzar un nivel de medición muy bueno y repetible.

Sin embargo, trabajar con la punta para acelerar y decelerar la masa de las partes móviles de la máquina puede llevar a la deflexión de la propia máquina. Eso puede cambiar las características metrológicas del sistema.

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Axis= eje

Guideways=guías

Sensor=sensor

Machine base=Base de la máquina

Figura 3. Esquema de arquitectura de Puente Móvil

Puente móvil

Se trata sin lugar a dudas del tipo de CMMs más utilizadas. Se ha perfeccionado con el paso de los años. Esta arquitectura ha permitido alcanzar un equilibrio perfecto entre la perfección estructural y la eficiencia funcional.

Las máquinas de medición de puente móvil son versátiles y adecuadas para muchas aplicaciones en piezas simples, complejas y de superficie irregular. Ese tipo de arquitectura se describe en la ISO 10360-1 del siguiente modo:

“Es una CMM que utiliza tres componentes que se mueven por guías de forma perpendicular entre ellos, el sensor se encuentra en el primer componente, que se mueve de forma vertical en relación con el segundo. La combinación del primer componente con el segundo se mueve horizontalmente al tercero. El tercer componente está agarrado por dos piernas situadas a lados opuestos de la base de la máquina y se mueve horizontalmente respecto a la base de la máquina donde se encuentra la pieza”.

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Figura 4. Una CMM con arquitectura de “puente móvil”
La máquina de medición por coordenadas de puente móvil es la más utilizada en la industria. Gracias a este tipo de arquitectura se han podido crear máquinas con volúmenes de medición muy grandes; a modo de ejemplo, las más pequeñas tienen 0,1 dm3 y las más grandes 8m3, este es el límite al que es posible medir con el puente móvil de forma eficiente. El movimiento de los ejes de las máquinas con puente móvil se puede tener con como manual o digital.

El éxito de este tipo de máquinas se debe básicamente a una serie de factores:

  • La accesibilidad a la pieza que se tiene que medir
  • Ergonomía
  • Rendimiento dinámico
  • Rendimiento metrológico
  • Estructura isostática (normalmente no necesita fundamentos)
  • Fácil manejo
  • Volúmenes de medición adecuados para la medición de componentes complejos de dimensiones compatibles con los centros de producción más comunes
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Axis= eje

Guideways=guías

Sensor=sensor

Machine base=Base de la máquina

Figura 5. Esquema de arquitectura Gantry

Además, el gran número de CMMs de puente móvil que se instalan cada año en todo el mundo, ha promocionado el desarrollo de accesorios y opciones que han mejorado aún más la versalidad de este tipo de arquitectura .

Gantry

Este tipo de arquitectura permite crear los auténticos “gigantes” en CMMs ; con esta arquitectura se han podido crear máquinas con un volumen de medición mayor a 100m3. Debido a las dificultades técnicas que se tienen que superar para crear estas enormes CMMs, se produjo una verdadera lucha con la tecnología para diseñar estos gigantes de la metrología, este diseño se utilizaría más tarde para máquinas en serie.

Incluso si no se utilizan tanto como las de puente móvil, las CMM gantry son el único instrumento de medición para medir con precisión componentes muy grandes como los motores grandes o las complejas estructuras aeroespaciales, etc.

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FIgura 6. Una CMM con arquitectura “gantry” (y doble carro)
Respecto al puente móvil, las CMM gantry permiten minimizar las masas móviles (en dimensiones comparables), tiene ventajas que son evidentes cuando una CMM gantry muy grande se describe según la ISO 1036-1 del siguiente modo:

“Es una CMM que utiliza tres componentes que se mueven por guías de forma perpendicular entre ellos, el sensor se encuentra en el primer componente, que se mueve de forma vertical en relación con el segundo. La combinación del primer componente con el segundo se mueve horizontalmente al tercero. El tercer componente se mueve de forma horizontal por dos guías que se levantan a ambos lados de la máquina por encima de la base donde se encuentra la pieza ”.

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