TUTORIAL BASICO

Glosario de trminos y conceptos usuales en metrologa

MIC Medios que informan sobre la calidad

Control dimensional

Actividad tecnolgica, dedicada a la recogida de informacin y su posterior procesamiento, teniendo como

objetivo la evaluacin de la conformidad de los productos industriales con sus especificaciones tcnico

dimensionales.

Medir

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

caracterstica, para asignarle un valor numrico: k = M/[u] Unidad Convenio de amplio reconocimiento sobre el tamao de una caracterstica, que por tradicin y principalmente por su invariabilidad y

repetibilidad se impone como referencia en el proceso de medir.

Trminos y conceptos asociados a la calibracin

Patrn

Muestra de magnitud de una caracterstica en relacin certificada con el patrn internacional, acreditada para

calibrar MIC, segn las competencias de la clase de precisin a la cual pertenece.

Trazabilidad

Cadena ininterrumpida de calibraciones registradas, que aseguran la conexin entre un MIC y el patrn de la

unidad de reconocimiento internacional para la caracterstica a medir.

Calibrar

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

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

certificada, con el fin de evaluar su incertidumbre.

Incertidumbre

Banda estrecha, con posicin simtrica 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 calibracin

Representacin grfica de la relacin matemtica existente entre los valores indicados por el instrumento o

el sistema sometido a la calibracin y el valor certificado del patrn de referencia, implicado como

mesurando.

Ajuste de un instrumento

Accin de mejora que consiste en modificar mediante componentes fsicos o mediante programas el

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

errores sistemticos.

Trminos y conceptos asociados a un instrumento

Estabilidad

Capacidad de un instrumento de medida de conservar sus caractersticas metrolgicas 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 medicin

Repetibilidad

Trmino que define el intervalo de incertidumbre de los resultados de la medicin repetitiva de un mismo

mesurando, bajo las mismas condiciones.

Reproductibilidad

Trmino que define el intervalo de incertidumbre de los resultados de la medicin repetitiva de un mismo

mesurando, bajo condiciones cambiantes.

Repetibilidad - Resultados sobre: Reproductibilidad - Resultados sobre:

Las mismas muestras

Con el mismo mtodo

En un mismo laboratorio

Por el mismo operario

Con el mismo equipo

Las mismas muestras

Con el mismo mtodo

En distintos laboratorios

Por diferentes operarios

Con varios equipos

Expresin del resultado

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

no cambia

Cuando la cifra que sigue inmediatamente a la ltima cifra a conservar es igual a 5 y est seguida por

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

est seguida por ninguna otra cifra o si solamente est seguida por ceros, la ltima cifra a conservar

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

Cuando la cifra que sigue inmediatamente a la ltima 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 metrologa segn DKD - 6

Parmetro Unidad Valor nominal Tolerancia Seguimiento

Temperatura oC 20 2 Termmetro de mercurio en vidrio

Humedad relativa del aire % 50 15 Higrmetro

Iluminacin lx > 400 Termmetro

Mquinas de medir tridimensionales

Las mquinas de medir por coordenadas (MMC), al igual que conocidas empresas pioneras de la electrnica en California (por ejemplo Hewlett Packard), nacieron en un garaje, esta vez de Turn. Italia haba convertido el eje Turn / Ivrea en el tercer pas exportador de mquina-herramienta, despus de Japn y Alemania y dejando atrs a los Estados Unidos, Francia, Inglaterra y muchos otros, lo que constituy sin duda un caldo de cultivo idneo para el desarrollo de metrologa de precisin. Sbitamente, Dan pas a exportar el 75-80% de su produccin

DEFINICIN DE MQUINA DE MEDIR POR COORDENADAS

La posicin de un punto en el espacio est 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 geomtrico que pase por ellos o que se aproxime al mximo.

Una mquina de medir tridimensional es capaz de definir unvocamente y con extrema precisin la posicin de estos puntos en un espacio tridimensional, y de calcular los parmetros significativos de las figuras geomtricas sobre las que han sido tomados estos puntos. Una mquina de medida por coordenadas es pues un instrumento de medida absoluta de precisin capaz de determinar la dimensin, forma, posicin y "actitud" (perpendicularidad, planaridad, etc.) de un objeto midiendo la posicin de distintos puntos de su propia superficie . APLICACIONES DE LAS MQUINAS DE MEDIR POR COORDENADAS Las mquinas de medir por coordenadas (MMC) se utilizan para las siguientes aplicaciones:

Control de la correspondencia entre un objeto fsico con sus especificaciones tericas (expresadas en un dibujo o en un modelo matemtico) en trminos de dimensiones, forma, posicin y actitud.

Definicin de caractersticas geomtricas dimensionales (dimensiones, forma, posicin y actitud) de un objeto, por ejemplo un molde cuyas caractersticas tericas son desconocidas.

TECNOLOGAS EMPLEADAS Mecnica de precisin

Una unidad de operacin por control numrico, o manual, que sea capaz de posicionar el elemento sensor en cualquier punto de su volumen de trabajo til Control numrico y computacin

Controles numricos multiaxiales (de 3 a 10 ejes), junto a una arquitectura distribuida para el control de la dinmica de las mquinas y de la necesaria elaboracin de los puntos de medida

Programas aplicativos

Programas orientados a soluciones de aplicaciones especficas, 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 "mquina" a la estructura mecnica, si bien, en realidad, la mquina es la combinacin de los cuatro elementos citados anteriormente. Los parmetros que caracterizan la estructura mecnica de una MMC son los siguientes:

Dimensiones Longitud de los ejes, por lo general cartesianos, que determinan el Volumen til de Trabajo (VUT) de la estructura mecnica. Las dimensiones pueden variar desde 1 dm3 hasta varias decenas de m3. Es fcil apreciar cmo las dimensiones de la estructura mecnica pueden influenciar fuertemente las dems caractersticas de la MMC: por ejemplo, el comportamiento frente a variaciones de la temperatura ambiente y, en particular, los de los Gradientes Trmicos Espaciales. Arquitectura

La arquitectura de las estructuras mecnicas de las mquinas de medir est ya consolidada. La arquitectura lo es en relacin a las dimensiones de la estructura mecnica y, en general, es posible afirmar que un tipo determinado de arquitectura tiende a encontrar el mejor compromiso entre: a) dinmica del sistema; b) su precisin; 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 til de trabajo oscila entre 0,3 y 8 m3

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

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

Recientemente ha aparecido otra configuracin, destinada a pequeas aplicaciones en operacin manual: la arquitectura Scara, ya conocida en el mundo de la robtica. Los volmenes tiles de trabajo de cada una de estas configuraciones se muestran en la Tabla.

Arquitectura VUT mnimo (m3 ) VUT mximo (m3 )

Puente 0.3 8

Gantry 6 100

Brazo horizontal 0.3 100

Tabla I.- Margen de volmenes tiles de trabajo segn arquitectura

La arquitectura en brazo horizontal se emplea tanto en estructuras relativamente pequeas como en la medida de piezas prismticas de precisin y de grandes carroceras.

Materiales

Histricamente, las MMC han sido instaladas en recintos de metrologa controlados trmicamente. Pero el impresionante desarrollo de la automatizacin de procesos ha generado la necesidad de realizar las mediciones en la misma ubicacin en la que se producen las piezas. Precisamente all donde las condiciones ambientales y, en particular, los gradientes trmicos espaciales y temporales pueden influir negativamente en la fiabilidad de los resultados.

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

Fig. 4.- Evolucin histrica y previsiones de las ventas de MMC segn su destino sea el laboratorio (en rojo) o el taller (en azul). La lnea negra es la suma de ambas curvas.

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

Cabinas de proteccin acondicionadas.

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

Materiales inertes a la tensin trmica (fibra de carbono, cermicas, etc.)

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

Materiales de rpida actualizacin de los coeficientes de su estructura molecular respecto a las variaciones trmicas, analizados mediante un programa de compensacin.

Esta ltima solucin resulta ser la ms adecuada.

Mediante el empleo de aleaciones de aluminio especiales es posible obtener rpidamente datos del comportamiento trmico de la estructura, eliminando as una gran parte del fenmeno de deformacin (considerable en mquinas grandes debido a los gradientes espaciales).

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

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 dilatacin lineal del acero tenemos que la expansin en la parte superior es:

lo que dar lugar a la deformacin que se muestra en la misma figura. Por otra parte, la velocidad de difusin trmica de ambos materiales es:

Estos coeficientes muestran cmo las aleaciones de aluminio reaccionan ms rpida y uniformemente a las tensiones trmicas que otros materiales. Una idea de la relacin la ofrece la siguiente expresin:

Fig. 5.- Deformacin de la estructura mecnica por gradiente trmico espacial

Podra hablarse mucho ms del comportamiento trmico de los materiales, pero nos limitaremos a tomar nota de lo que ha sido demostrado en trminos de la rapidez de adaptacin del aluminio frente a las variaciones de temperatura. Esto es de gran importancia, por permitir una aplicacin ptima de las tcnicas denominadas de Compensacin Trmica Estructural (CTE). La tcnica CTE ms avanzada (a escala industrial) se ilustra en los esquemas siguientes. Estn basadas principalmente en compensacin lineal, lo que permite una aproximacin ms racional a la deformacin.

Fig. 6.- Compensacin trmica de la estructura mecnica, tanto lineal como estructural

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

4 sensores trmicos para conocer la temperatura del transductor y la pieza a medir 12 sensores trmicos para conocer las variaciones en la estructura mecnica Un programa de compensacin basado en algoritmos especializados en el clculo de la

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

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

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

Precisin

Al referirnos a mquinas de medir por coordenadas, la primera idea que aparece es precisamente la precisin. Pero antes es preciso especificar la unidad en que se expresar. En realidad, el trmino precisin es inexacto: los valores que declaran los fabricantes indican precisamente lo contrario. Traduzcamos literalmente el trmino alemn (Meunsichereit) y establezcamos que el parmetro significativo que juzga la precisin de una MMC es la Incertidumbre de Medicin.

La incertidumbre de medicin

La incertidumbre de medicin (IM) es el error mximo que puede cometer una MMC durante la medicin de una longitud conocida y de la manera establecida por un estndar internacional. Los estndares ampliamente reconocidos en la actualidad para la certificacin de la IM de una MMC son:

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

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

Errores geomtricos de la estructura mecnica 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 slo de los ejes de la mquina (X, Y o Z)

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

Por lo general, la IM se expresa en trminos de +/- 2, obtenida segn la siguiente frmula:

a + b L/1.000 (en m), donde:

a (m) es la constante de error declarada por el fabricante para una MMC determinada b (m) es la variable de error en funcin de la longitud del bloque patrn, declarada por el

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

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

Fig. 8.- Incertidumbre de medicin

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

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

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

Las medidas de longitud se realizan midiendo una vez cada superficie empleando un bloque patrn. Se mide tres veces cada bloque patrn. Uno de los ensayos consiste en las nueve medidas tomadas sobre una serie de tres muestras en una posicin y orientacin 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 calibracin del bloque patrn y el valor medido por la MMC. En cada ensayo se obtienen tres valores U3. stos dependen de la longitud, y su valor no puede superar la frmula , donde "a" y "b" son constantes indicadas por el fabricante. Dinmica

Entendemos por dinmica las caractersticas de aceleracin y velocidad de posicionamiento de una MMC. Por supuesto, no slo estn relacionadas con la estructura mecnica sino tambin, de manera fundamental, con el control y firmware asociados. Sin embargo, las prestaciones dinmicas se ven observando la estructura mecnica durante su operacin. La velocidad y la aceleracin son

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

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

Es el parmetro ms importante cuando se considera la productividad de una MMC. Mediante estructuras con un ptima relacin masa/rigidez y un control adecuado se han alcanzado aceleraciones de hasta 3 m/s2. Tambin hay que subrayar que la aceleracin es el parmetro ms importante de cara a la reduccin de los tiempos de ciclo de medicin.

EL SISTEMA DE CONTROL

Tareas del sistema de control

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

1. Control de la actividad dinmica de una MMC: gestin de la estructura mecnica en sincronismo metrolgico y operacional con 3 a 10 ejes.

2. Control del programa de medicin gestin del conjunto de instrucciones necesario para la ejecucin automtica del programa de medida.

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

4. Gestin de la comunicacin hombre/mquina: gestin de la interaccin entre el usuario y la MMC

5. gestin de la comunicacin con el mundo exterior: gestin de la comunicacin entre la MMC y las redes locales

6. Subordinacin al ciclo de medida: sincronizacin de las actividad real de una MMC con eventos externos y asncronos.

7. Etc.

Estructura

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

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

1. Gestionan la comunicacin con el mundo exterior: gestin de la interfase con las redes locales con el fin de:

a) Transmitir los datos de medicin hacia un concentrador externo Transmitir los programas de medicin desde estaciones remotas de programacin b) I/F para la gestin remota de clulas de medicin

2. Gestionan la comunicacin hombre/mquina, con el fin de:

a) Efectuar la gestin local de la MMC b) Preparar o modificar los programas de medicin c) Procurar el rearranque de emergencia d) Efectuar diagnsticos

3. Gestionan el programa de pieza: programa de gestin de la medicin.

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

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

a) Puntos, lneas rectas, superficies, crculos, esferas, cilindros, etc. b) Colisos (cajeras), tambin cuadrados, elementos especiales para carroceras.

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

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

Clculo de la trayectoria de referencia Coordinacin de los ejes Clculo de las ecuaciones de control Gestin del lazo de posicin

2. Interfase con el nivel 3 (MMC): gestin del movimiento de los ejes de la mquina en base a la teora del movimiento calculada previamente:

Gestin de los movimientos.

Gestin de los sensores.

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

Gestin de la alimentacin.

Gestin de las emergencias.

Gestin de las entradas/salidas locales (por ejemplo, las de los sistemas de alimentacin).

El sistema de control y de proceso de datos, ilustrado aqu 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 mquina pueden ser manejadas como una nica 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 mquina de medir se generan a partir de un conjunto de programas que permiten la medicin con tcnicas predefinidas para cualquier tipo de pieza, y una evaluacin en tiempo real de los resultados. A continuacin analizaremos las tecnologas actualmente disponibles en los siguientes campos de actividad: a) programacin de pieza; b) anlisis de los resultados. Programacin de pieza

La programacin de pieza en una fase esencial de preparacin para la ejecucin (automtica o no) de un ciclo de inspeccin dimensional. El trmino "programacin de pieza" significa:

la definicin de las instrucciones a ser ejecutadas o interpretadas por la mquina (por ejemplo: eleccin del palpador, movimiento que conduzca a la obtencin de las coordenadas de cada punto, coordenadas nominales de los puntos a medir y movimiento de repliegue a la terminacin

la definicin de la secuencia de las instrucciones

la generacin del programa

Tcnicas de programacin de pieza

Existen tres tcnicas bsicas para efectuar la programacin de pieza

Programacin en lnea ("on line", autoaprendizaje)

Es la tcnica ms consolidada y empleada, a pesar de que requiere la disponibilidad simultnea de la MMC y de la pieza a medir Programacin fuera de lnea ("off line").

Esta tcnica, aunque conocida desde hace aos, est implantndose actualmente debido a la creciente fiabilidad de la tecnologa de soporte. Ello permite la creacin y la simulacin de un ciclo de medida mediante una estacin de CAD/CAM con funciones de inspeccin dimensional.

Programacin automtica fuera de lnea ("Automatic off line part programming").

Lamentablemente, esta tcnica ya no existe. La generacin de los programas de inspeccin y sus estrategias seran controladas por el propio software de aplicacin

Programacin de pieza en lnea El operador, mediante el empleo de programas de medicin bsicos, el dibujo de la pieza, la pieza fsica y la MMC, genera una a una las instrucciones del ciclo de inspeccin. En la mayor parte de los casos, especialmente cuando la pieza es compleja, es un proceso largo y tedioso. Durante la fase de programacin de pieza, la mquina de medicin no puede inspeccionar otras pieza, lo que resulta un fuerte inconveniente para las mquinas instaladas en la lnea de proceso. El inicio de la programacin de pieza est siempre sujeto a la disponibilidad fsica de la pieza.

Los programas de medicin han sido considerablemente desarrollados en un intento de simplificacin y de reduccin del tiempo, con el fin de optimizar la ejecucin del ciclo de inspeccin. El mejor ejemplo de avance en este terreno son las "subrutinas" o "procedimientos". Estn 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 ms vlidos y ampliamente usados para la programacin de elementos complejos. Los ejemplos de las figuras muestran dos tpicas subrutinas para la medida de elementos de carroceras: "Flush and gap" (opera y captura la diferencia entre la parte mvil y la parte fija de una carrocera) y "Ratio of the sheet metal curve". La secuencia y el modo de medicin estn automticamente definidos por el sistema: los datos nominales a introducir por el operador en un dispositivo de entrada concreto se ilustran grficamente en las figuras. Programacin de pieza fuera de lnea La programacin fuera de lnea permite la preparacin de un programa de inspeccin previamente a la produccin 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 programacin de pieza fuera de lnea

La mayor parte de proveedores de programas de CAD/CAM ofrecen actualmente aplicaciones CAM orientadas a metrologa. Estos programas, al emplear una descripcin matemtica de la pieza (CAD) y los instrumentos de emulacin de la MMC (orientados a CAM) o permiten la definicin y la simulacin en pantalla de un completo programa de inspeccin. El resultado final en la programacin de pieza "off line" est constituido por un fichero en formato DMIS (Dimensional Measuring Interface Standard), el estndar para la transferencia de programas de inspeccin entre el CAD/CAM y entornos de medicin. Una vez el programa DMIS ha sido transferido a la mquina puede ser inmediatamente ejecutado. Y de forma ideal, en teora! Porque en la prctica, aunque los tiempos de puesta en marcha se hayan reducido drsticamente, es casi siempre necesario llevar a cabo modificaciones locales, por ejemplo para aadir los elementos de fijacin de la pieza, que los sistemas CAD raramente contemplan. Para ejecutar un programa DMIS es tambin necesario, en la mayora de los casos, traducirlo a un lenguaje comprensible por el programa de medicin y y el sistema de control de la mquina. Salvo casos raros, las mquinas de medir slo son capaces de interpretar lenguajes propios y exclusivos de cada fabricante (propietary). Si bien la conversin de un lenguaje a otro presenta dificultades considerables, en particular cuando se pasa de un lenguaje evolucionado a otro que no lo es tanto (pinsese en traducir un programa en C a otro en Fortran!), las mquinas que adoptan DMIS como su lenguaje nativo son preferibles para esta tcnica "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 medicin pueden ser escritos en el mismo lenguaje fuente que el entorno CAD/CAM del usuario. Ello permite una compatibilidad idnea 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 prdida de informacin. Lo cual es por supuesto imposible con los lenguajes "propietarios". Programacin automtica fuera de lnea Las dos tcnicas de programacin de pieza descritas anteriormente tienen distintas ventajas e inconvenientes. En ningn caso, incluso cuando el programa de medicin es generado a nivel de

CAD/CAM o de MMC el resultado final, en trminos de tiempos de ciclo est considerablemente influenciado por el "factor humano", por la eficiencia de las estrategias de inspeccin adoptadas, etc. La programacin automtica fuera de lnea que, como hemos dicho, no es est disponible en la actualidad, permitira:

Generar el programa de medicin 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 programacin automtica de pieza fuera de lnea

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

Elegir la descripcin matemtica de la pieza a medir. Elegir, del contenido de una biblioteca informtica, el sistema de medicin en el que est

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

Elegir los elementos a medir. Iniciar la generacin automtica del programa de medicin.

Anlisis de los resultados

An 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 seran tiles sin una evaluacin de los resultados obtenidos. As pues, el anlisis de los resultados debe ser considerado no como un elemento auxiliar a la medicin, sino como una parte integral de la misma. Tradicionalmente, los sistemas de medicin generan un fichero grande y exhaustivo, de difcil interpretacin - incluso para quien ha realizado el programa de inspeccin.

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

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

Programas para el control estadstico de procesos

Los programas SPC (Statistical Process Control) analizan los resultados de la medicin generando informes estadsticos y tarjetas de control en tiempo real; permiten interpretar cmodamente los resultados de la medicin y evalan tendencias; controlan, en base a criterio personalizados y predefinidos, la tendencia de parmetros crticos, generando alarmas cuando tienden a salirse de los mrgenes establecidos y relacionan las condiciones crticas de la pieza con las anomalas del proceso que las ha producido.

Fig. 15.- Ejemplos de salida de programas de control estadstico de procesos. Puede observarse cmo los grficos de la pieza examinada facilitan la asociacin entre los resultados y el elemento que los ha generado

La arquitectura de estos programas est basada, por lo general, en una base de datos relacional que prepara los datos para ser analizados por programas especficos modulares. Cada mdulo est concebido para efectuar - ptimamente - un tipo concreto de anlisis; los distintos mdulos deben ser integrados entre s para que el usuario obtenga informes personalizados de acuerdo con sus necesidades especficas.

SENSORIALIDAD

El palpador

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

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

Continuo: En este modo, el palpador se mantiene en contacto con la pieza a medir, tomndose puntos a alta frecuencia de acuerdo con leyes de adquisicin determinadas. Los palpadores ms precisos (submicromtricos) forman parte de esta categora.

Independientemente de la categora, existen dos tipos de palpadores:

Tctiles: en ellos, tanto en modo punto a punto como en modo contnuo, el palpador entra en contacto con la pieza para permitir la adquisicin de datos.

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

Palpadores tctiles punto a punto

Tal como hemos dicho, son las ms 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 adopcin de un sistema isosttico que dispone de 3 series de esferas (elementos fijos) que alojan 3 cilindros (elementos mviles). Cada serie de esferas y su cilindro relacionado estn separados entre si unos 120

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 colisin con la pieza (figura 17).

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

Sensores tctiles contnuos

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

Los sensores analgicos en modo contnuo se emplean generalmente en las aplicaciones antes mencionadas: dispositivos de exploracin de alta precisin submicromtricos. En este tipo de sensores describiremos los de deflexin, autnticas mquinas de medir de precisin extremadamente elevada.

Los sensores de deflexin estn basados en el principio de la deformacin elstica de los materiales. El sistema de exploracin por deflexin consigue una resolucin muy elevada merced a transductores diferenciales, y se desplaza paralelamente a lo largo de los tres ejes cartesianos mediante un sistema paralelogramo elstico. La deflexin del sistema de exploracin es perpendicular a la superficie de la pieza y, para cada punto medido, la normal a la tangente de la superficie medida es tambin adquirida pasando a travs del propio punto.

El principio mecnico 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 evolucin en los ltimos aos, debido al desarrollo de tecnologas auxiliares tales como la miniaturizacin de compoenntes y los procesadores de alta velocidad y bajo coste. En metrologa dimensional, este tipo de sensorialidad puede adquirir gran importancia, debido a que:

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

bien una adquisicin contnua de alta velocidad. No est sometida a rozamientos mecnicos.

An considerando los avances indiscutibles que se han venido produciendo, especialmente mediante la visin artificial, en lo que respecta a la medicin de piezas medianas y grandes la solucin ms completa y satisfactoria sigue siendo la sensorialidad tctil.

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

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

El esquema de funcionamiento de un lser triangular de haz nico tpico se muestra en la figura 13. Cuando PO se encuentra con el fotosensor en XO genera una corriente. Dicha corriente circula a travs 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 funcin de las distancias X1 y X2. En teora podra ser una funcin lineal, pero no es as debido a la homogeneidad imperfecta del fotodetector. El valor de las corrientes I1 e I2 no es slo funcin de XO, sino tambin de PO.

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

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

Sistemas para la adquisicin de puntos en mquinas de medir por coordenadas

En los procesos de control de calidad se manifiesta constantemente la necesidad de sistemas de evaluacin ms acertada de las caractersticas geomtricas individuales o de subconjuntos de los productos industriales. Entre la diversidad de medios implicados en encontrar solucin al problema mencionado, la MMC (Mquina de Medir por Coordenadas) es el medio ms complejo y eficaz.

Fig. 1.- MMC actual vista general

INTRODUCCIN

A finales del ao1962, la firma italiana DEA construy la primera mquina de medicin en un garaje de Borgo San Paolo, cerca de Turn. En 1973 Zeiss cre la mquina UMM500, equipada con un palpador universal, un ordenador y un control numrico (CN). En esta composicin se encuentran por primera vez los dos elementos fundamentales que definen una maquina de medicin tridimensional moderna: el palpador universal y el ordenador. El palpador universal es un captador de posicin que, mediante contacto, permite localizar puntos sobre cualquier tipo de superficie. Si bien en sus inicios la adquisicin de puntos se realizaba nicamente por palpado, en la actualidad existen diversas soluciones para conseguir el mismo propsito. Denominaremos en lo que sigue sistema para la adquisicin de puntos (SAP) al subconjunto de la mquina que se relaciona con la muestra a medir para localizar puntos sobre las superficies de inters. El punto se considera como elemento geomtrico fundamental, sin dimensin, sin propiedades fsicas, como un ladrillo de todas las dems construcciones que realizar el software para identificar, localizar o relacionar entre si las caractersticas geomtricas de la muestra sometida a anlisis. La localizacin correcta de puntos sobre las superficies es un factor importante en la reduccin del error sistemtico de las MMC. A lo largo de su breve historia la MMC ha empleado distintos sistemas de adquisicin de puntos. Segn la forma de relacionarse con la muestra se pueden dividir en dos grupos: SAP por contacto, llamados tambin palpadores, o SAP sin contacto. La MMC se puede ubicar para acceder a cualquier punto dentro de su campo de trabajo en forma de paraleleppedo. Continuadamente y en cada uno de los ejes de la mquina se leen las coordenadas (X, Y, Z), pero se validan slo aquellos valores que corresponden a la posicin en la cual el SAP est en una relacin de incidencia con la superficie de inters. Este estado lo seala 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 posicin en movimiento, sin prdida de precisin, mientras que en un sistema pasivo la lectura es necesariamente esttica.

1. SAP POR CONTACTO

Se propone analizar la situacin 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, despus, 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 aplicacin de la siguiente frmula primitiva:

Donde:

P es la posicin leda en el regle del eje X Va es la velocidad de aproximacin 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 aproximacin (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 esttica (Va = 0) y, por este motivo:

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

1.1 SAP pasivo de punta viva

Este tipo de SAP se utiliz en las primeras MMC, que no eran otra cosa que lectores de coordenadas de un puntero. El nico 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 daos de estilo en la zona palpada y posibilidad de error derivado de la alteracin de la punta o de la superficie explorada. Para la calibracin de la punta se requiere un calibre cbico, con orientacin paralela a los ejes de la mquina. El origen del sistema de coordenadas est basado en puntos palpados sobre el calibre. La orientacin de la punta tiene que permitir el acceso a 3 caras adyacentes del calibre cbico.

1.2 SAP activo de sensor digital

Su estructura corresponde al esquema siguiente: una punta esfrica de rub entra en contacto con el objeto a explorar. Esta punta, solidaria a un vstago metlico, 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 seal elctrica. La fuerza graduable de un muelle obliga a los tres cilindros metlicos, orientados a 120 alrededor del eje del sistema, a que se mantengan tangentes a los tres pares de esferas, formando as un circuito elctrico serie - normal cerrado. Cuando la punta entra en contacto con la superficie a explorar se abre uno de los 6 contactos elctricos y la seal 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 seal la que manda la lectura de los tres regles de la MMC y tambin activa los sistemas de freno para detener el movimiento de aproximacin. Hablamos en este caso de un palpador dinmico, capaz de realizar adquisicin 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 medicin de piezas cuya mayora de sus caractersticas de inters estn 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 caractersticas con distintas orientaciones en 3D se puede utilizar una punta en estrella. Un sensor nico se activa por el contacto con la pieza de cualquiera de las 5 puntas de rub. Todas ellas tienen que estar habilitadas para medir mediante un proceso previo de calibracin y calificacin. En esta fase el programa evala para cada punta su radio dinmico y, para las puntas secundarias, evala las componentes axiales del vector de posicin respecto a la punta principal. El valor numrico de estos vectores, con el signo que deriva de sus orientaciones, es utilizado por el programa para compensar la posicin leda en los ejes. Para calibrar y cualificar se utiliza un calibre esfrico de incertidumbre certificada, de rango superior al conjunto de la MMC. Durante el proceso de medicin el usuario debe indicar al programa con cul de las cinco puntas va a tocar, y prevenir la colisin de los dems 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 bsico de un sensor de contacto

Fig. 5.- Circuito serie- normal cerrado

Fig. 6.- Palpador activo con sensor digital

1.4 SAP multiposicin 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 mltiples 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 posicin el palpador de manera manual e informa al programa de medicin cul es la nueva posicin en uso. Estas tareas pueden ralentizar el trabajo y precisan asistencia continua en ejecucin de programas de medicin de CN, que requieren el uso de distintas posiciones.

1.5 SAP multiposicin motorizado

Similar al anterior, incluye en su estructura motores para los giros necesarios en el cambio de posicin de la punta. Sus movimientos se pueden programar para la ejecucin en CN. Dispone de proteccin contra la colisin. En su estructura se pueden intercalar, adems de alargadores de punta (AP), unos brazos alargadores que facilitan el acceso a zonas incmodas. La calibracin y la calificacin de puntas se ejecutan con programas de CN. Se pueden escoger posiciones preferentes entre las ms de 670 posiciones disponibles. Para la medicin compleja de piezas repetitivas, que supone el uso de varias puntas de medicin, se puede optar por un sistema de cambio automtico de puntas, que permite la automatizacin completa del proceso de medicin. Observacin: Al explorar puntos individuales utilizando SAP digitales, con la compensacin de radio activada se comete un error geomtrico sistemtico si la aproximacin hacia el punto deseado no se realiza a lo largo de la normal a la superficie en este punto. En la figura 11 se sita el SAP en

donde R es el radio de la punta y a es el ngulo entre la direccin de la exploracin y la normal a la superficie en el punto de incidencia terico. Se constata que el error f disminuye si se utilizan esferas pequeas, o se anula cuando se explora a lo largo de la normal local a la

superficie, cumpliendo

2. SAP CONTACTO CONTINUO

La caracterstica particular de estos SAP es la posibilidad de realizar la exploracin en movimiento continuo con el palpador esfrico, 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 exploracin con desviaciones limitadas a un umbral preestablecido respeto a la posicin neutra. En tiempo real se realiza la lectura de las coordenadas X,Y,Z en los regles de la mquina. A estos valores se aplican las correcciones con valor y signo igual a las pequeas desviaciones de la esfera de exploracin respeto a su posicin neutra (con desviaciones nulas). En el interior de este SAP las pequeas desviaciones como las marcadas con DX y DZ se convierten en seal analgica mediante un sensor inductivo. Para facilidad de procesamiento, esta seal se convierte en formato digital. El programa realiza las correcciones de posicin y genera un fichero nube de puntos situados todos en una superficie offset de la zona de inters, 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 stas, definir por zonas unos tramos de superficies para conseguir la versin informtica del modelo explorado. El monitor fotografiado en la figura 14 presenta la informacin de 6 canales de entrada de datos. A la izquierda de la imagen se observan las coordenadas ledas en los tres regles de la mquina 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 propsito conseguir rpidamente un modelo informtico de superficies complejas, creadas por modelistas o estilistas. Basados en estos modelos se pueden elaborar en poco tiempo los programas de control numrico 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 visin por ordenador y en el uso de los sistemas de lser industrial permiten explorar superficies 3D sin necesidad de palpar. En estos casos sobre la zona de inters incide el eje ptico del sistema o un haz lser.

3.1. SAP con sensor CCD para 2D

Un rea CCD blanco/negro, un sistema de alumbrado y un sistema de lentes pticas son los componentes principales de este SAP. La MMC transporta el sensor con el eje ptico orientado perpendicular a uno de los planos del sistema de referencia. La adquisicin de puntos es confirmada por el operario en el momento en el que sita un cursor del sistema ptico encima del contorno de la pieza. El proceso se puede automatizar, funcin de la transicin blanco/negro, ajustando el alumbrado y el umbral de sensibilidad del sistema. Para obtener informacin de coordenadas 3D sobre una superficie se utiliza un haz lser con orientacin inclinada respeto al eje ptico del sistema. La imagen del punto lser proyectado sobre la superficie se recibe en un sensor CCD lineal. Utilizando algoritmos de clculo se pueden evaluar las tres coordenadas del punto de incidencia.

3.2. SAP lser vertical

En estos sistemas el haz lser tiene orientacin vertical fija, incide sobre la superficie de inters, se refleja en sta y retrocede a un sensor situado a un lado y otro del emisor. Relaciones geomtricas en el tringulo: Emisor, Punto, Receptor permiten evaluar las coordenadas 3D. Estos sistemas, caracterizados por su elevada velocidad de exploracin, ofrecen buenos resultados slo en superficies suaves con acabado superficial uniforme, sin brillos y en zonas con la normal a la superficie prxima a la direccin vertical.

3.3. SAP lser + vdeo

En estos SAP un haz lser, un sistema ptico y un sistema de alumbrado se complementan para solucionar en parte la problemtica del caso anterior. El haz lser es coaxial al eje del sistema ptico. La imagen del punto incidente sobre la superficie se focaliza mediante una lente especial de forma toroidal sobre un sensor de forma anular. La posicin del punto diana est evaluada mediante un proceso de triangulacin circular en el cual participan multitud de imgenes del mismo punto visto sobre segmentos de sensor, distribuidos alrededor. Con este sensor se elimina el efecto de orientacin del sensor respeto a la superficie. La velocidad de adquisicin est limitada slo por la velocidad de la lnea de comunicacin de datos. Acompaan al programa de usuario sistemas de procesado de imagen, que ayudan a identificar primitivas geomtricas (crculos, rectngulos, radios de enlace). El sistema de alumbrado con sus parmetros de trabajo se puede asociar al programa de exploracin para tratar de la misma manera las muestras repetitivas.

4. TENDENCIAS

El desarrollo de los SAP proseguir para dar mejores soluciones a la problemtica compleja de la medicin y digitalizacin. 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 lderes en cuanto a la incertidumbre y repetibilidad. De los sistemas con lser se espera la capacidad de orientarse en 5 ejes en posicin perpendicular a la superficie incidente. Para digitalizacin rpida de modelos se estn experimentando sistemas de adquisicin de imgenes grabadas en una cmara vdeo con libertad de movimiento y orientacin alrededor del modelo. La posicin y la orientacin de la cmara estn 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 inters. El

programa acta despus de la adquisicin, solapando imgenes en base a los patrones proyectados y reconstruyendo las formas 3D en base a las posiciones y las orientaciones, registradas en sincronismo con las imgenes grabadas. De este modo el proceso de adquisicin de datos se puede reducir a segundos. Se prev su aplicabilidad en la inspeccin de formas en tiempo real en lneas de fabricacin, con capacidad de reconocimiento de la desviacin de la forma prevista y exclusin de la muestra defectuosa.

Estndares de funcionamiento de las MMC

Para determinar la calidad de una mquina de medicin por coordenadas los fabricantes confan en los estndares de funcionamiento. Esos estndares son tiles para comparar el rendimiento de diferentes marcas, para determinar, de modo general, hasta qu punto la mquina va a medir las piezas como se espera que lo haga y para comprobar que la mquina funcione bien.

Sin embargo, hay distintos estndares de medicin o calibracin y eso suele causar confusiones no slo entre los clientes, sino entre los mismos fabricantes.

Hoy en da, hay tres estndares principales para verificar la precisin del funcionamiento de la mquina de medicin: ASME B89.4.1, VDI/VDE 2617 y ISO 10360. Las organizaciones de estndares de todo el mundo coinciden en que los tres son igual de buenos para evaluar el funcionamiento global de una mquina. Se diferencian por el tipo de metodologa. Las diferencias ms grandes son el nmero de ensayos realizados para evaluar el funcionamiento de la MMC y el modo como se escriben las especificaciones del funcionamiento. El estndar B89 realiza dos ensayos para evaluar el funcionamiento de la medicin 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 nico nmero para representar un campo de rendimiento. Por ejemplo, la estacin de medicin de Brown & Sharpe Gage 2000 tiene una especificacin del rendimiento volumtrico de 0.010 mm/325 mm. El nmero situado despus de la barra es la longitud de la esfera calibrada unida a una barra que se midi. Eso significa que el campo de longitudes medidas con la esfera calibrada unida a una barra en varias posiciones no es mayor a 10 micrmetros. Las especificaciones VDI/VDE y ISO representan el rendimiento de la medicin de la longitud en una frmula. El rendimiento volumtrico 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 6m (en realidad 5,625 m).

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

El trmino a es el valor que representa el error cometido mientras se mide alguna cosa de longitud 0. Los trminos b y L dividido por 1000 representan el aumento del error basado en la longitud que se est midiendo. La frmula representa una lnea que para la longitud medida 0 es el valor a, 4 micrmetros, por ejemplo, y sube por un gradiente definido por el trmino b. El trmino b es el nmero de micrmetros que aumenta el error para cada 1000mm de longitud L. As, la frmula U3 = 4 + 5L/1000 para la precisin volumtrica significa que el error para la longitud medida 0 es de 4 micrmetros y para cada metro adicional de longitud medida incrementa 5 micrmetros. U3 = 4 + 5L es como se representa normalmente la frmula.

La metodologa de la medicin es la misa para el estndar ISO, pero la frmula pasa a ser E = a + L/k donde k es el valor b en la frmula VDI/VDE dividido entre 1000. No hay especificaciones individuales axiales y planas; se incluyen en la especificacin volumtrica E.

El ensayo bsico con el estndar B89 del funcionamiento de la MMC incluye 5 mediciones:

1. Realizacin de varias mediciones de la posicin de una esfera fija. El campo (el mayor menos el menor) es la repetibilidad de la mquina.

2. Realizacin de varias mediciones con un pie de rey o lser en cada direccin axial. Esa es la precisin lineal de la mquina.

3. Realizacin de varias mediciones de una esfera calibrada unida a una barra (barra bola) en posiciones y orientaciones mltiples dentro del volumen de trabajo de la mquina. Ese es el rendimiento volumtrico de la mquina.

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

5. Medicin de la longitud de un bloque patrn corto en cuatro orientaciones. La medicin se compara con una especificacin de medicin de precisin bidireccional. Ese ensayo es sensible a errores de calificacin del sensor.

Hay algunas diferencias ms. Por ejemplo, el estndar VDI/VDE especifica un mtodo para la medicin de distancias muy largas, llamado mtodo 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 especficos para mquinas con mesas rotatorias. El estndar B89 tambin ofrece ensayos especficos para mltiples puntas de sensor, mediciones en diagonal con lser, funcionamiento bidireccional para mquinas horizontales de doble brazo y rendimiento con piezas pesadas. Los estndares generalmente necesitan que el ambiente en el que se realizan los ensayos de aceptacin estn dentro de los lmites especificados por el fabricante de la mquina, especialmente la de temperatura.

Los estndares VDI/VDE requieren ms o menos lo mismo. El estndar B89 permite realizar ensayos de aceptacin en cualquier ambiente. Si el ambiente no tiene las caractersticas especificadas por el proveedor, se realizan otros ensayos para determinar los efectos del ambiente sobre el funcionamiento de la mquina. Los resultados de esos ensayos se utilizan para modificar las especificaciones del funcionamiento de la mquina.

Hay otros estndares adems de esos tres. Los ms conocidos son el MMC Manufacturers Association Standard, MMCA; el estndar japons JIS B7440 y el estndar britnico BS 6808. Esos estndares tienen una aplicacin generalmente limitada, excepto en los pases de origen.

La cuestin de la precisin. La cuestin ms importante ahora mismo en los comits de estndares tanto de EE.UU como ISO es que aunque esos ensayos de funcionamiento ofrecen una caracterizacin global de la calidad de la mquina, no dan suficiente informacin al usuario sobre con qu punto de precisin puede medir la mquina una caracterstica como el dimetro de los cilindros de un bloque motor. Actualmente, los comits de estndares tcnicos de todo el mundo trabajan para determinar cmo se puede caracterizar lo que se conoce como incertidumbre de medicin especfica, es decir, el modo de describir el grado de precisin con el que la mquina puede realizar una tarea de medicin real.

AVANZADO

Verificacin de las prestaciones de una mquina de medicin por coordenadas

La normativa ISO 10360

La certificacin de las prestaciones metrolgicas de las mquinas de medicin por coordenadas est regulada por normativas internacionales que garantizan a los usuarios la conformidad del producto adquirido con los estndares definidos por las comisiones de reglamentacin en las que participan fabricantes, usuarios y autoridades de certificacin.

En los ltimos aos la ISO 10360 ha sido el estndar ms importante, con una mayor difusin. La Organizacin Internacional para la Estandarizacin (ISO) es una federacin mundial de organismos de estandarizacin nacionales. Los Estndares Internacionales los redactan comits tcnicos.

La ISO 10360 regula las pruebas de aceptacin y la verificacin de las prestaciones de las mquinas de medicin por coordenadas, conocidas como MMC.

El conjunto de las normas ISO 10360 define los criterios de aceptacin y de reverificacin de las mquinas de medicin y las adoptan las autoridades nacionales europeas de estandarizacin.

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

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 medicin por digitalizacin. Parte 5: MMC con sistemas de toma de datos con mltiples puntas.

Las pruebas de certificacin y aceptacin segn la ISO 10360-2

Las prestaciones de la mquina de medicin se verifican segn dos parmetros principales:

El Error Mximo Permitido (MPE) debe estar especificado por el fabricante y define los errores mximos E y P del sistema de medicin.

Estos dos parmetros permiten establecer las prestaciones de la mquina de medicin relativas a la longitud medida (MPEE) y a la toma de un punto (MPEP).

Los dos parmetros pueden estar declarados por el fabricante para el volumen de medicin completo o para un volumen reducido del cual se han especificado los lmites.

Error de indicacin de la longitud medida MPEE

La frmula con la que se define la inexactitud de la medicin 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, orientndolos en 7 direcciones distintas en el volumen de medicin, 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 lmites del MPEE especificado por el fabricante. No se admiten las mediciones fuera de tolerancia. Se admite repetir la prueba si en un mximo 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 calibracin de un dimetro entre 10 y 50 mm con un palpador que no sea paralelo a un eje de la MMC. Este parmetro se verifica en una sola posicin en el centro del volumen de medicin. El error de toma de punto P es la banda de dispersin 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 lmite MPEP especificado por el fabricante (Fig.2-3).

Figura 2

Figura 3

Verificacin de las prestaciones de digitalizacin

La verificacin de las prestaciones de digitalizacin estn descritas por la norma ISO 19360-4 y es aplicable para los palpadores punto a punto.

Las prestaciones de digitalizacin est determinada por los parmetros T i,j y t:

El fabricante de MMC puede especificar el Error Mximo Permitido para las prestaciones de digitalizacin segn las siguientes combinaciones:

MPETHP, MPETLP, MPETHN, MPETLN

Densidad de puntos Trayecto predefinido Trayecto no predefinido

Alta THP THN

Baja TLP TLN

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

a es el ngulo que define la inclinacin del palpador respecto al eje Z de la mquina de medicin. Se aconseja coger un ngulo de 45.

Las prestaciones de digitalizacin 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 dimetro 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

Verificacin de las prestaciones de una MMC segn la ISO 10360-5

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

En el caso de un cabezal fijo con mltiples puntas los parmetros son:

MPEMF, MPEMS, MPEML

Donde:

El procedimiento de verificacin consiste en medir la bola de calibracin con las 5 puntas que forman el cabezal (que han de tener la misma longitud) tomando 5 puntos cada una. El clculo 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 parmetros son:

MPEAF, MPEAS, MPEAL

Donde:

El procedimiento de verificacin consiste en medir la bola de calibracin en 5 posiciones del cabezal (perpendiculares entre ellas) tomando 5 puntos de cada una. El clculo 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 precisin en los sistemas de inspeccin mediante una conexin directa a CAD

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

Mejora del rendimiento

Programar las mquinas de medicin por coordenadas (MMC) con los datos importados de los sistemas CAD se est convirtiendo en una prctica habitual. Las ventajas de transferir los datos CAD a la MMC para la medicin estn mejorando la eficiencia de la programacin y el rendimiento del sistema de medicin. La utilizacin de datos provenientes del CAD tambin elimina algunos errores del operario asociados a la programacin de MMC sin CAD adems 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 importacin de datos CAD tambin tiene algunas limitaciones. El paso de datos desde los sistemas de CAD puede acarrear errores, aunque sean pequeos. El problema es debido a una mala traduccin del modelo CAD. La manifestacin ms comn de este problema son las separaciones evidentes entre las superficies y superficies que aparecen con mltiples capas. Tambin 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 segn el nmero de veces que haya sido traducido. Los sistemas modernos de CAD utilizan complejos algoritmos matemticos para definir superficies.

Puesto que cada desarrollador de sistemas CAD ha diseado de forma rpida y competitiva rutinas propias y particulares para definir y determinar matemticamente las diferentes partes que componen el modelo entero, los traductores comunes no son capaces de soportar todas las variedades de algoritmos y mdulos CAD. Tras una traduccin del sistema CAD y una importacin por parte del software de medicin no disponemos de ningn mtodo para comprobar los datos perdidos.

Otro aspecto de pasar los datos CAD al software de la mquina de medicin es la capacidad de soportar otros mdulos CAD. El trabajo de diseo se puede haber realizado en pequeas partes y haberlo ensamblado despus. En el contexto de la capacidad de comunicacin mundial actual, varios diseadores pueden guardar partes del diseo final forma independiente para ensamblarlas como una nica pieza.

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

Hacer un de CAD a las MMC

Hoy en da, hay varios mtodos para hacer un vinculo de datos CAD con los sistemas de medicin. Recientemente, Hexagon Metrology, S.A. ha desarrollado un nuevo mtodo llamado Direct CAD Interface (DCI) como una de las caractersticas de su software de inspeccin y medicin PC-DMIS. El metodo DCI se puede instalar tanto en las mquinas nuevas o en mquinas de otros fabricantes de MMC. El interfaz directo a CAD est disponible para programas como Catia, Unigraphics, Pro/Engineer, SDRC y el formato CAD comn, ACIS. Elimina la necesidad por parte del software de traducir el modelo original CAD, garantizando que se usan los datos precisos del diseo para la programacin de piezas. DCI permite que los usuarios usen la precisin de los datos del diseo original para crear programas de inspeccin off-line completos con MMC grficas, modelos de piezas y de fijaciones y simulaciones de la trayectoria del sensor, reduciendo el tiempo de programacin y mejorando la precisin.

DCI ofrece un mtodo 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 ms importante es el acceso a las rutinas matemticas junto con las superficies complejas de CAD, ofreciendo un 100% de confianza en la integridad de datos que se usan en la medicin. DCI tiene una amplia aplicacin, desde piezas simples a complejas superficies contorneadas como los ensamblajes de piezas de chapa. Para evaluar los beneficios de DCI, es importante entender cmo funcionan los otros mtodos de transferencia de datos CAD y cules son sus limitaciones.

Un mtodo muy comn es la traduccin del modelo, sacado de un fichero original CAD, al lenguaje del formato comn como Iges a travs de un convertidor interno del sistema CAD. El fichero en formato IGS se pasa entonces al software de medicin que tiene su propio convertidor interno para traducir el formato comn otra vez al lenguaje interno propio del software de medicin.

Este es el mtodo ms comn de importar datos CAD y soporta la mayora de paquetes de softwares de medicin. Es una solucin de bajo coste y es ideal para la medicin de piezas simples. Sin embargo, puesto que hay una doble traduccin, este mtodo puede producir errores de traduccin. Las incompatibilidades entre traductores pueden reducir la eficiencia de la operacin.

Otro mtodo es la traduccin del fichero original CAD al formato Iges a travs de un convertidor interno. Este fichero de formato comn IGS se pasa al software de medicin que usa el formato comn como su propio lenguaje interno. Puesto que este mtodo lee los ficheros originales al software del sistema de medicin, se cree que es una importacin pura de los datos CAD. No es as. El software del sistema de medicin o bien convierte este fichero de forma abierta o bien, con un traductor adjunto escondido, lo convierte a su propio lenguaje interno, as que an se tienen que traducir los datos. Durante la traduccin se pueden producir imprecisiones. Un tercer mtodo utiliza el mdulo central del sistema operativo CAD como el mdulo central del sistema operativo del software de medicin,

leyendo directamente los ficheros guardados en el sistema CAD. No se produce ninguna traduccin, ya que tanto CAD como la MMC estn utilizando el mismo formato original. Esta opcin tambin le permite al usuario de la MMC leer un fichero CAD original en el software de la MMC que usa el mismo mdulo central que CAD. La ventaja es que no se produce ninguna traduccin porque los dos paquetes de software utilizan un motor comn. La mayor desventaja de esta opcin es que el mdulo central del sistema operativo es slo el motor bsico y, ya que la mayora de sistemas CAD ahora utilizan mltiples mdulos incluso para el funcionamiento bsico, el mdulo central del sistema operativo no soportar todas estas actividades Hoy en da, los fabricantes necesitan una confianza del 100 en las operaciones de medicin. El uso de los datos de CAD en las aplicaciones de metrologa ofrece mejoras tanto en el rendimiento como en la produccin, pero hay una falta de precisin cuando los datos CAD se traducen para el uso metrolgico. Aunque estos errores sean pequeeces, las tolerancias cada vez ms ajustadas en la fabricacin de productos requiere una traduccin sin errores. El interfaz directo a CAD ofrece el uso de datos CAD sin traduccin para una mayor precisin y una mejorada eficiencia de inspeccin.

Dinmica de las mquinas de medicin de coordenadas

Medicin y Control

La dinmica de la mquina limita la precisin de medicin a altas velocidades de copiado, creando una

barrera frente a la medicin rpida. El copiado se diferencia de la activacin por contacto en que el

rendimiento de la dinmica de la mquina es mucho ms importante que el rendimiento esttico, con

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

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

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

dinmico.

Departamento Tcnico de Renishaw

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

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

centrado en la fabricacin de una mquina que pueda medir con precisin la ubicacin de puntos

diferenciados en todo su volumen. Esta funcin se recoge en la especificacin de precisin esttica de

la mquina. 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 aceleracin y, por tanto, las cargas de inercia estn siempre presentes. A medida que aumenta la velocidad, se incrementa la aceleracin. De hecho, la aceleracin aumenta mucho ms rpidamente, y vara 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 ningn tipo de compensacin dinmica. A medida que aumenta la velocidad, las fuerzas dinmicas dominan rpidamente el rendimiento de medicin de este sistema. No obstante, la mayora de las MMC se emplean en un entorno de produccin en el que son importantes los tiempos de los ciclos. Esto supone una gran ventaja a tener en cuenta si se desean unas mediciones ms rpidas.

Un ejemplo: El trazado muestra los datos obtenidos midiendo una misma superficie a dos velocidades distintas. Ilustra cmo se acumulan las fuerzas dinmicas segn 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 clculo preciso de la superficie. El trazo azul muestra las lecturas a alta velocidad sin corregir (150 mm/s / 6 pulg/s), y muestra cmo disminuye el tamao medido del orificio a medida que se acumulan las fuerzas centrpetas en el manguito segn la mquina se desplaza alrededor de la superficie. A estas velocidades, las fuerzas de inercia son hasta 225 veces ms altas que las alcanzadas durante un copiado a baja velocidad.

Los errores dinmicos aumentan con la velocidad

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

medicin 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 ms bajas si se necesita cierta precisin. Para obtener una precisin 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 dinmicos inducidos por la deflexin de la estructura de la mquina.

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

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

Necesitamos buscar la forma de cambiar la relacin entre velocidad y precisin, de forma que sea posible alcanzar velocidades ms altas manteniendo la precisin. Renishaw lo consigue mediante Renscan DC, una tcnica patentada de medicin de compensacin dinmica.

Copiados a baja y alta velocidad

Componentes del error dinmico

Qu factores determinan el error dinmico y cules se pueden compensar? La caracterstica principal

de los errores dinmicos es que son imprevisibles. Existen muchos factores que afectan a la dinmica

de la mquina, por lo que cualquier intento de prediccin de asignacin no sera prctico en la

mayora de los casos, salvo en los ms limitados. stos pueden agruparse como sigue:

Los factores que determinan el perfil de aceleracin de la mquina durante el ciclo de copiado incluyen:

Configuracin de la superficie: tamao, forma y orientacin, que definen el recorrido del desplazamiento de la mquina.

Velocidad de copiado: define la velocidad de destino que debe alcanzarse durante el copiado (considerando que la mayora 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 mquina: cunto puede acelerar para alcanzar la velocidad de copiado de destino?

Por cada perfil de aceleracin concreto, existen factores que aumentan la repeticin de errores dinmicos (deflexin de inercia), y pueden ser compensados por Renscan DC:

Ubicacin de la 'Macro': la rigidez de la estructura de la mquina y, en consecuencia, el rendimiento dinmico, vara durante todo el rango operativo. La posicin de la superficie que se va a medir es por tanto un factor significativo.

Condicin de la mquina: el estado de los rodamientos y el sistema motor, que puede ser el origen de una "inclinacin" durante el copiado.

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

Existen tambin otros factores que crean errores dinmicos no repetitivos menores (ruido del sistema) en un perfil de aceleracin determinado, y no son compensados por Renscan DC:

Condicin de la superficie: las superficies desiguales provocan vibraciones y determinados errores en la medicin.

Ruido del servo / estabilidad: la capacidad de la mquina para mantener una velocidad programada depende de los parmetros de control y del rendimiento electromecnico del sistema motor.

Estos errores dinmicos son de naturaleza ms aleatoria y, por tanto, no es posible compensarlos. No obstante, slo suponen una pequea parte del total de errores dinmicos.

Por ltimo, existen factores que no afectan al error dinmico:

'Micro' posicin: pequeas variaciones sobre la posicin nominal, la forma y el tamao de la superficie en una fabricacin y tolerancias integrantes normales.

Temperatura: los errores dinmicos son inmunes a la temperatura. Sin embargo, las variaciones de temperatura pueden tener un impacto en la precisin esttica y, en consecuencia, en el rendimiento de la medicin.

Compensacin de errores

La compensacin completa adaptada a la superficie que ofrece Renscan DC tiene en consideracin

estas principales variables dinmicas. Mediante una asignacin eficaz de los errores dinmicos

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

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

mquina. Esta capacidad de adaptacin a la mquina y a la tarea de medicin convierte a Renscan DC

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

La compensacin geomtrica de las mquinas de medicin por coordenadas

Tomar un punto en la superficie del objeto que se tiene que medir tcnicamente significa registrar las tres coordenadas cartesianas del centro de la punta del palpador de medicin. Estas coordenadas se sacan de trasductores que las leen en las reglas pticas situadas a lo largo de los ejes de la mquina. De este modo se entiende que la punta del utensilio sea slo la extremidad de una compleja cadena de componentes mecnicos y de vnculos cinemticos, y que una serie de errores de tipo esttico se van sumando a la cadena a causa de las deformaciones estructurales y de ensamblaje. Para poder obtener,

mediante varias lecturas, resultados de medicin lo ms precisos posible es necesario utilizar sofisticadas tcnicas para determinar los errores y su correccin.

Premisa

Ante todo se tiene que recordar que antes del avance de los sistemas de compensacin software de los errores de geometra, la precisin de las mquinas se consegua mediante laboriosas calibraciones mecnicas, cuya eficacia dependa de tcnicos altamente especializados. Actualmente, el uso de algoritmos matemticos para la correccin de errores hace que no sea necesaria la mecnica para que las caractersticas de repetibilidad y linealidad de los errores geomtricos sean aceptables dentro de unos valores determinados. Esto se consigue gracias a los resultados de alta calidad que ofrece la compensacin geomtrica, mejores de los que se conseguan de forma mecnica, a condicin de que los posicionamientos del cabezal de medicin sean muy repetibles.

Los errores geomtricos

Mquinas de puente

Los errores fundamentales (los parmetros) de los que se ocupan los algoritmos de compensacin son un total de 21 en las mquinas de puente: 9 errores de traslacin (6 de linealidad, 3 de posicionamiento), 9 errores de rotacin y 3 errores de cuadratura.

Figura 1a

Figura 1b

Figura 1c

Errores de posicionamiento de los ejes, debidos a la respuesta de las reglas pti cas y a la rotacin 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 rotacin de los ejes.

Fig. 1a

Errores de rotacin de los ejes entorno a cada uno de los 3 ejes. Con las disposiciones de una embarcacin 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

Mquinas gantry

Entre las grandes mquinas gantry que utilizan un segundo traductor de posicin 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 posicin del carro transversal. El resto de errores se tratan como en las mquinas de puente.

Mquinas de brazo horizontal

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

El primer parmetro, denominado Rcx, tiene en cuenta la rotacin rgida 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 parmetros, denominados Fzy y Rmx, corrigen los efectos de la deformacin del montante respecto al eje longitudinal (Fig.2).

Estos 3 componentes de correccin completan, para las mquinas de brazo horizontal, el modelo de compensacin que ya se ha descrito para las mquinas de brazo vertical.

En el caso de las mquinas horizontales de brazo doble son vlidas, por separado, todas las consideraciones precedentes. Los errores debidos a la correlacin de los dos brazos se compensan en la gestin del sistema de referencia que es comn a los dos volmenes de medicin.

Medicin de los errores y su compensacin

Cuando se acaban las operaciones de ensamblaje de la mquina, despus de haber realizado las verificaciones oportunas de funcionalidad y de un comportamiento dinmico correcto, se hace la medicin para determinar los errores geomtricos.

Estas operaciones se hacen aplicando al cabezal de herramientas de la mquina los instrumentos oportunos que permitirn medir los errores de rotacin y de traslacin de cada uno de los ejes. Ca da proceso se divide en pasos, que dependen del tipo de mquina y de la precisin que se quiere obtener.

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

1 fase: Errores de rotacin

Para medir los errores de rotacin Rxx, Ryy se utilizan niveles electrnicos de precisin montados en el cabezal de la mquina. 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 rotacin se utiliza un lser interferomtrico.

La rotacin relativa entre el retrorreflector (ptico que, en este caso est montado en un cabezal de la mquina) y el interferometro (ptico de referencia) la lee el lser mediante los diferentes pasos de compensacin que se consiguen a travs del eje que se est midiendo.

As como por el nivel de referencia, incluso el ptico de referencia tendr que ser slido con la mesa de las piezas.

2 fase: Error de roll del eje Z

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

Normalmente se mide la linealidad lser (esto se describe ms adelante). El ptico montado en el cabezal de la mquina se aplica a saltos, algo que puede ser ms o menos largo. As, la lectura diferencial entre dos mediciones obtenidas con el espaciamiento (offset) oportuno del ptico ofrecer los valores que se buscan.

3 fase: Errores de linealidad (rectilinealidad)

Se miden con el lser interferomtric