Los fabricantes demandan de sistemas de medición de alta fiabilidad

Máxima precisión incluso con las máquinas de mayor tamaño

Eneko Gómez-Acedo. Coordinador de la línea de investigación Medcon en IK4-Tekniker

07/07/2014

CIC marGUNE, Centro de Investigación Cooperativa de Fabricación de Alto Rendimiento, coordina la línea de investigación Medcon, cuyo objetivo es maximizar la precisión de la máquina-herramienta vasca y aumentar su competitividad mediante una nueva metodología. IK4-Tekniker, IK4-Ideko, Tecnalia y Aotek colaboran con CIC marGUNE en este proyecto.

Hoy en día la fabricación de piezas de gran tamaño es una fuerza impulsora en la industria de la máquina-herramienta. Esta demanda ha desafiado a los fabricantes de máquinas-herramienta a materializar diseños a una mayor escala a la vez que manteniendo la precisión de estas máquinas al nivel de las más pequeñas. Como ejemplo ilustrativo de una pieza de gran dimensión podemos tomar el buje de un aerogenerador. El volumen físico de esta pieza puede variar; los bujes montados en aerogeneradores de 2 MW tienen un volumen de 2.000 x 2.000 x 2.000 mm3. La exigencia en el mecanizado de estas piezas puede llegar a ser muy alta ya que pueden aparecer tolerancias de posicionamiento hasta 0,02 mm de precisión.

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La demanda de máquinas-herramienta de gran tamaño reta a sus fabricantes a materializar diseños a una mayor escala pero manteniendo la precisión al nivel de las más pequeñas.

Sin embargo, los constructores carecen de las herramientas apropiadas para evaluar la precisión de posicionamiento de las grandes máquinas de una manera práctica. El conjunto de instrumentos clásicos utilizados para la puesta a punto de la máquina tales como niveles, escuadras o interferómetros lineales se está quedando obsoleto para medir esta nueva familia de máquinas.

La tecnología de medición más adecuada para esta tarea parece ser la interferometría láser por su gran resolución y pequeña incertidumbre de medida. Otros dispositivos tales como el ‘ball bar’ son capaces de proporcionar mediciones precisas aunque en un rango demasiado pequeño como para verificar máquinas de grandes dimensiones.

Actualmente cada vez más talleres tienen acceso a dispositivos de medida basados en la interferometría láser con capacidad de seguimiento, habitualmente llamados laser tracker. Estos son muy útiles durante el montaje y puesta a punto de la máquina; sin embargo carecen de la incertidumbre de medida lo suficiente baja como para verificar la precisión de posicionamiento de la herramienta.

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El buje de un aerogenerador es un buen ejemplo ilustrativo de pieza de gran tamaño.

La manera en la que se ha superado esta dificultad no se ha basado tanto en el desarrollo de nuevos instrumentos sino en desarrollar nuevas metodologías de medida a la hora de utilizar los existentes. Recientemente han surgido varios enfoques que aprovechan la baja incertidumbre de medida del interferómetro láser y la capacidad de seguimiento. La idea consiste en la combinación de las medidas lineales de un interferómetro tomadas secuencialmente desde diferentes posiciones. Se realiza un cálculo matemático de la posición y orientación de la punta de herramienta siguiendo un esquema de multilateración similar al utilizado en los sistemas de navegación por satélite. La norma internacional ISO 230-1 para la verificación de máquinas-herramienta ha sido revisada en 2012 para incluir la metodología de multilateración láser en las verificaciones volumétricas, y también se han comercializado equipos específicamente destinados a este tipo de medidas.

Sin embargo, cuando se trabaja con máquinas-herramientas de gran tamaño, se hacen evidentes algunas limitaciones. Los experimentos realizados han demostrado que el principal obstáculo para alcanzar el límite teórico de la precisión del método de multilateración secuencial es la inestabilidad de las condiciones ambientales y el comportamiento térmico de la máquina.

Para superar estas dificultades, IK4-Tekniker ha desarrollado una innovadora metodología mediante la cual se puede obtener una serie de medidas conjugando los datos obtenidos mediante la multilateración láser, con la que se obtienen las posiciones de la herramienta, junto con medidas de inclinación obtenidas con dos niveles electrónicos de precisión, usados para obtener la orientación de la punta de herramienta en dos de los tres ejes cartesianos.

De esta manera se reduce el número de estaciones necesarias para medir las posiciones y orientaciones espaciales de la punta de herramienta de la máquina. El beneficio es doble, ya que la máquina sufre menores desviaciones térmicas durante la medición y además la medición resulta más económica. Asimismo, mediante el uso complementario de los niveles de precisión no sólo se reduce el tiempo de medida, sino que además se obtiene un valioso indicador de la estabilidad de la máquina durante el tiempo transcurrido. Esta metodología se apoya en un software de desarrollo propio que además de realizar los cálculos matemáticos de la medida, recomienda las mejores posiciones, calculadas mediante simulación, en las que habrá que colocar el equipo para obtener las menores incertidumbres de medida.

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Cada vez más talleres utilizan dispositivos de medida basados en la interferometría láser (o Laser Tracker) con capacidad de seguimiento, habitualmente llamados laser tracker. En la imagen, aplicación del Leica Absolute Tracker AT901 en la medición de un buje. Foto: Hexagon.

Gracias a la línea de investigación seguida por IK4-Tekniker se ha podido superar la limitación existente en el uso de las técnicas tradicionales de verificación de máquinas herramienta, que no permiten conocer de manera eficiente los errores de posicionamiento en todo el volumen de trabajo. Por medio de la novedosa técnica de la multilateración y haciendo uso de un equipo de medida basado en la interferometría laser con capacidad de seguimiento, y dos niveles electrónicos de precisión, se pueden determinar los errores de rectitud, posicionamiento y ortogonalidad en distintas zonas de la máquina, así como de las orientaciones de la punta de herramienta, en una sola jornada de trabajo.

El potencial de la metodología desarrollada por IK4-Tekniker permite a los fabricantes de máquinas herramienta optimizar el diseño de sus productos. Además, esta técnica es especialmente adecuada también para los usuarios de las máquinas, que gracias a la información que aporta la verificación volumétrica pueden determinar el grado de adecuación de una máquina en particular a un proceso determinado, así como realizar recalibraciones periódicas de la misma.

Como consecuencia de su innovadora apuesta, y gracias a la metodología de medida desarrollada, la Unidad de Metrología de IK4-Tekniker ha reforzado su abanico tecnológico, concebido para atender las necesidades de sus clientes industriales, con la nueva oferta de verificación volumétrica de máquinas herramienta. De esta manera ofrece un nuevo servicio de determinación de mapa de errores volumétricos que aporta datos para conocer el comportamiento de máquinas de gran tamaño y optimizar así su diseño o realizar ajustes periódicos.

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