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Máquinas de medir tridimensionales

Maurizio Ercole - Director de I+D de Brown & Sharpe - dea15/02/2003
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, Dea 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).

Fig1.jpg (20395 bytes) Fig2.jpg (8061 bytes) Fig3.jpg (8799 bytes)
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.

Fig4.gif (20634 bytes) 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:

12 x 0.16 x 1.285 = 2,46 µm

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:

Acero: STDfe = 13.10-6
Aluminio: STDal = 95.10-6

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:

TCCratio = TCCal / TCCfe = 178/25 = 7,12
STDratio = STDal / STDfe = 95.10-6 / 13.10-6 = 7,30

Fig5.jpg (10382 bytes)
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.

Fig6b.gif (44562 bytes)
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.
Fig7.gif (88298 bytes)

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
Fig8.gif (2334 bytes) 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 U3 = a + bL/1.000, 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:

Fig9.gif (67585 bytes)

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).

Fig10.gif (7414 bytes) 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.

Fig13.gif (73452 bytes)

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) opermiten 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.
Fig14.gif (80598 bytes)

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.

Fig12a.gif (26670 bytes) Fig12b.gif (23455 bytes)

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.

SPClr.gif (9687 bytes) 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

Pulsar aquí para una imagen de mayor calidad

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 conectado 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.

Contínuo. 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 categoria.

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 induscutibles 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.

Empresas o entidades relacionadas

Hewlett Packard Española, S.L.
Hexagon Manufacturing Intelligence

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