Diseño Mecánico de una Plataforma Multi-Registro y Resultados de una Verificación de un Brazo...
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XXIV CONGRESO NACIONAL DE METROLOGIA 4 al 6 de diciembre de 2013. Mérida, Yucatán. Página 1/8 Diseño Mecánico de una Plataforma Multi-Registro y Resultados de una Verificación de un Brazo Articulado de Medir por Coordenadas Utilizando la Plataforma Brau Avila A. (1,2) *, Santolaria Mazo J. (2) , Valenzuela Galván M. (1,2) , Acero Cacho R. (3) , Aguilar Martín J. J. (2) (1) Universidad de Sonora, Departamento de Ingeniería Industrial, Rosales y Blvd. Luis Encinas S/N, C.P. 83000, Hermosillo, Sonora, México. *Email: [email protected] (2) Escuela de Ingeniería y Arquitectura, Universidad de Zaragoza, Departamento de Ingeniería de Diseño y Fabricación, Calle María de Luna 3, C.P. 50018, Zaragoza, España. (3) Centro Universitario de la Defensa, A.G.M. Carretera Huesca s/n, 50090 Zaragoza, España. Resumen En los últimos años se ha observado un notable incremento en el uso de los equipos de medir por coordenadas portátiles, debido a la necesidad de realizar verificaciones dimensionales en piezas de grandes dimensiones y de cumplir con las tolerancias de diseño cada vez más ajustadas de los procesos de fabricación, en sectores como el de máquina-herramienta, industria manufacturera, aeroespacial, aeronáutico, de energía, de transportes y otros. Lo anterior, sumado a la gran automatización de los procesos, característica de los tiempos actuales, hace indispensable el contar con métodos y equipos de medida que permitan medir de forma rápida, garantizando el cumplimiento de las tolerancias especificadas de los productos. Algunas desventajas que presentan los equipos portátiles tales como los brazos articulados de medir por coordenadas residen en las técnicas de procedimientos de verificación y optimización de parámetros. En este trabajo se presenta el diseño de una plataforma multi-registro cuyo objetivo final es simplificar de manera drástica los procedimientos de verificación de los equipos de medir por coordenadas portátiles y mejorar el uso de estos instrumentos dentro de los procesos industriales. Además se presentan los resultados de la verificación volumétrica de un brazo articulado de medir por coordenadas utilizando la plataforma multi-registro. Key Words, Equipos de medir por coordenadas portátiles, plataforma multi-registro, verificación volumétrica. 1. Introducción. En años recientes se ha incrementado considerablemente el uso de equipos de medir por coordenadas portátiles en los procesos industriales debido a su gran flexibilidad para realizar mediciones de gran complejidad y su bajo coste comparado con las máquinas de medir por coordenadas (MMC) tradicionales. Algunas desventajas que presentan los equipos portátiles tales como los brazos articulados de medir por coordenadas (BAMC) o laser trackers residen en las técnicas de procedimientos de verificación y optimización de parámetros [1–6]. Éstas técnicas se basan en la captura de datos con el instrumento de medida de un objeto patrón calibrado, como por ejemplo una barra patrón de esferas o un tetraedro patrón de esferas, dispuesto en varias posiciones dentro del volumen de medida del equipo con el fin de cubrir gran parte de su espacio de trabajo. El hecho de colocar el patrón alrededor del instrumento de medida, hace del procedimiento de verificación un proceso tedioso y de excesiva duración, además de hacer necesario el uso de soportes que permitan posicionar de manera rígida el patrón en distintas alturas y orientaciones respecto al equipo a verificar. En vista de lo
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En este trabajo se presenta el diseño de una plataforma multi-registro cuyo objetivo final es simplificar de manera drástica los procedimientos de verificación de los equipos de medir por coordenadas portátiles y mejorar el uso de estos instrumentos dentro de los procesos industriales. Además se presentan los resultados de la verificación volumétrica de un brazo articulado de medir por coordenadas utilizando la plataforma multi-registro.
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XXIV CONGRESO NACIONAL DE METROLOGIA 4 al 6 de diciembre de 2013. Mrida, Yucatn.
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Diseo Mecnico de una Plataforma Multi-Registro y Resultados de una
Verificacin de un Brazo Articulado de Medir por Coordenadas
Utilizando la Plataforma
Brau Avila A.
(1,2)*, Santolaria Mazo J.
(2), Valenzuela Galvn M.
(1,2), Acero Cacho R.
(3), Aguilar
Martn J. J.(2)
(1)
Universidad de Sonora, Departamento de Ingeniera Industrial, Rosales y Blvd. Luis Encinas
S/N, C.P. 83000, Hermosillo, Sonora, Mxico. *Email: [email protected] (2)
Escuela de Ingeniera y Arquitectura, Universidad de Zaragoza, Departamento de Ingeniera de
Diseo y Fabricacin, Calle Mara de Luna 3, C.P. 50018, Zaragoza, Espaa. (3)
Centro Universitario de la Defensa, A.G.M. Carretera Huesca s/n, 50090 Zaragoza, Espaa.
Resumen En los ltimos aos se ha observado un notable incremento en el uso de los equipos de medir por
coordenadas porttiles, debido a la necesidad de realizar verificaciones dimensionales en piezas de
grandes dimensiones y de cumplir con las tolerancias de diseo cada vez ms ajustadas de los
procesos de fabricacin, en sectores como el de mquina-herramienta, industria manufacturera,
aeroespacial, aeronutico, de energa, de transportes y otros. Lo anterior, sumado a la gran
automatizacin de los procesos, caracterstica de los tiempos actuales, hace indispensable el contar
con mtodos y equipos de medida que permitan medir de forma rpida, garantizando el
cumplimiento de las tolerancias especificadas de los productos. Algunas desventajas que presentan
los equipos porttiles tales como los brazos articulados de medir por coordenadas residen en las
tcnicas de procedimientos de verificacin y optimizacin de parmetros. En este trabajo se
presenta el diseo de una plataforma multi-registro cuyo objetivo final es simplificar de manera
drstica los procedimientos de verificacin de los equipos de medir por coordenadas porttiles y
mejorar el uso de estos instrumentos dentro de los procesos industriales. Adems se presentan los
resultados de la verificacin volumtrica de un brazo articulado de medir por coordenadas
utilizando la plataforma multi-registro.
Key Words, Equipos de medir por coordenadas porttiles, plataforma multi-registro, verificacin
volumtrica. 1. Introduccin. En aos recientes se ha incrementado
considerablemente el uso de equipos de medir
por coordenadas porttiles en los procesos
industriales debido a su gran flexibilidad para
realizar mediciones de gran complejidad y su
bajo coste comparado con las mquinas de
medir por coordenadas (MMC) tradicionales.
Algunas desventajas que presentan los equipos
porttiles tales como los brazos articulados de
medir por coordenadas (BAMC) o laser
trackers residen en las tcnicas de
procedimientos de verificacin y optimizacin
de parmetros [16]. stas tcnicas se basan
en la captura de datos con el instrumento de
medida de un objeto patrn calibrado, como
por ejemplo una barra patrn de esferas o un
tetraedro patrn de esferas, dispuesto en varias
posiciones dentro del volumen de medida del
equipo con el fin de cubrir gran parte de su
espacio de trabajo. El hecho de colocar el
patrn alrededor del instrumento de medida,
hace del procedimiento de verificacin un
proceso tedioso y de excesiva duracin,
adems de hacer necesario el uso de soportes
que permitan posicionar de manera rgida el
patrn en distintas alturas y orientaciones
respecto al equipo a verificar. En vista de lo
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anterior, la simplificacin y optimizacin de
las tcnicas de verificacin e identificacin de
parmetros es un tema de actualidad e
importancia en la literatura y la investigacin
en el rea.
En este trabajo se presenta el diseo de una
plataforma multi-registro cuyo objetivo final
es simplificar las tcnicas de verificacin e
identificacin de parmetros en IMCP. Se
presentan sus componentes mecnicos que
permiten alcanzar la repetibilidad y precisin
requeridas para llevar a cabo este tipo de
procedimientos. Adems, se explican los
sistemas mecnicos ms importantes acoplamientos cinemticos, sistemas de
elevacin, descenso y rotacin- que se utilizan
para alcanzar la repetibilidad de
posicionamiento de la plataforma necesaria
para ser utilizada en los procesos de
calibracin y verificacin de los equipos
porttiles. Finalmente se presentan los
resultados que se obtuvieron al realizar la
verificacin volumtrica de un BAMC
utilizando la plataforma multi-registro.
2. Componentes mecnicos y mecanismos de la plataforma multi-
registro.
La plataforma multi-registro est compuesta
por una placa fija o base (figura 1b) y una
placa mvil (figura 1a) que gira sobre la fija,
ambas de geometra hexagonal, con unas
dimensiones de 398.5 mm x 345 mm. La placa
mvil utiliza un mecanismo de elevacin
manual que le permite girar cada 60 con
respecto a la placa fija, lo que hace posible
colocar la placa mvil en 6 posiciones
diferentes con respecto a la placa fija. Para
referenciar cada una de estas posiciones se
utilizan acoplamientos cinemticos de
cilindros y esferas de acero dispuestos a 60 y
120 respectivamente [7,8]. Tambin ambas
placas tienen acopladas tres esferas de
caracterizacin de 20 mm de dimetro, las
cuales son utilizadas para determinar los
sistemas de coordenadas de cada una de las
placas. Estas esferas de caracterizacin son de
gran importancia en la calibracin de la
plataforma y durante el uso de la plataforma
en los procedimientos de verificacin.
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Figura 1. a) Componentes mecnicos de placa
mvil. b) Componentes mecnicos de placa
fija.
En la figura 1a y 1b se muestran los
componentes mecnicos ms importantes que
conforman la placa mvil y placa fija
respectivamente.
2.1. Mecanismo de elevacin.
El sistema de elevacin mecnico consiste en
un husillo a bolas, dos barras de acero con
movimiento horizontal y dentro de cada una
de las barras, se alojan dos esferas de 13 mm,
las cuales se encuentran debajo de unos
rodamientos esfricos sobresaliendo por un
agujero cilndrico en el centro del asiento de
esos rodamientos como se ilustra en las
figuras 2a y 2b. La separacin de la placa
mvil se logra al girar el husillo 180 en
sentido horario. Al girar el husillo se genera
un desplazamiento lineal de las dos barras de
acero que contienen las esferas de elevacin,
de manera que las esferas suben o bajan por la
barra y el alojamiento cilndrico, empujando el
rodamiento de bolas y elevando o
descendiendo la placa mvil.
Figura 2a y 2b. Ilustracin de mecanismo de
elevacin.
2.2. Mecanismo de rotacin y descenso.
Una vez que la placa mvil se eleva por medio
del sistema de elevacin, sta puede rotar
alrededor de su eje central. Esto se consigue
por medio de los rodamientos esfricos, los
cuales son guiados por un anillo en forma de
rodadura (figura 3b) que asegura un
movimiento rotacional. Debido a que los
acoplamientos cinemticos son colocados cada
60, la placa mvil se rotara 60 para registrar
una nueva posicin, para posteriormente,
descender acoplando perfectamente los
acoplamientos cinemticos.
Cuando la placa mvil se haya girado
manualmente los 60, el husillo se girar 180
de regreso, lo que ocasionar que las barras de
acero as como las esferas de elevacin y los
rodamientos esfricos regresen a su posicin
inicial, posicionando la placa mvil en
posicin cerrada como se muestra en la figura
3a. Para asegurarse que la placa mvil se ha
girado 60, se agregan 3 bulones de registro
atornillados a la placa fija con sus respectivos
alojamientos en la placa mvil. Cuando la
placa mvil desciende, los bulones de registro
debern quedar dentro de los alojamientos, ya
que en caso de no ser as, la rotacin no sera
exactamente de 60 por lo que se tendra que
subir de nuevo la placa mvil y completar la
rotacin hasta que los bulones de registro
encajen perfectamente en los alojamientos
como se puede observar en la figura 3c.
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Figura 3a y 3b. Mecanismos de rotacin y
descenso.
Una parte muy importante en el
funcionamiento de la plataforma durante la
verificacin de instrumentos porttiles, es el
poder ser capaz de medir la posicin de la
placa mvil con respecto a la placa fija con
una alta precisin. Para esto se utilizaron seis
sensores capacitivos con resolucin
nanomtrica (Lion Precision Probe C5-E Compact Driver). Tres de estos sensores se
colocan axialmente y los otros tres en
direccin tangencial al eje de giro de la
plataforma. Para amarrar los sensores
capacitivos a la placa fija de la plataforma se
disearon y fabricaron dos piezas diferentes
dependiendo de la posicin del sensor. En la
figura 4 se muestra la disposicin y rango de
operacin de los sensores capacitivos junto
con la pieza utilizada para su amarre a la placa
fija de la plataforma.
Figura 4. Sensores capacitivos con sus piezas
de amarre a la placa fija y rango de operacin.
Finalmente, el uso de los sensores capacitivos
en la calibracin de la plataforma y la
verificacin de instrumentos de medicin
porttiles (IMP) se detalla en [9,10]. Tambin
se explican los pasos necesarios para llevar a
cabo la calibracin de la plataforma y la
verificacin de IMP con la plataforma.
3. Verificacin de BAMC con plataforma multi-registro.
El BAMC utilizado en la realizacin de los
ensayos para la verificacin es un modelo
comercial marca Faro Brazo Platinum con
nmero de serie: P08-05- 0521419. El
volumen de medida del Brazo corresponde a
un dimetro de esfera de 2.4 metros y su
configuracin de medida es del tipo 2-2-3,
dando un total de siete grados de libertad con
giro ilimitado de sus articulaciones. La
precisin en la prueba de rendimiento
volumtrico del brazo de medida reportada por
el fabricante es de .043 mm y el palpador
utilizado en la verificacin es un palpador
rgido esfrico de material cermico de 6 mm
de dimetro. Para realizar la verificacin del
BAMC con la plataforma multi-registro se
tom como referencia la prueba de precisin
longitudinal volumtrica sugerida por la
norma ASME B89.4.22. Adems de esta
prueba, la norma ASME B89.4.22 propone las
pruebas de dimetro efectivo y la de
repetibilidad de punto, sin embargo a nuestro
juicio, la prueba de verificacin volumtrica
es ms confiable y efectiva para evaluar la
precisin del brazo en condiciones regulares
de trabajo. Esta prueba consiste en la medicin
de distancias materializadas por un artefacto
patrn calibrado, dispuesto en distintas
orientaciones del volumen de trabajo del
BAMC. Los patrones que materializan las
distancias pueden ser de distinta forma y
naturaleza siendo los ms habituales los
patrones escalonados y las barras de esferas.
El objetivo principal de esta prueba es
comprobar el funcionamiento del brazo en
todo su volumen de trabajo, por lo que debe
ser ms exigente que las pruebas anteriores.
Las recomendaciones sobre esta prueba
dividen el espacio de trabajo del brazo, que
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ser una esfera de dimetro igual a dos veces
la longitud del brazo a partir del eje de su
primera articulacin, en dos hemisferios
separados por el plano medio a la altura de la
base del brazo. Cada uno de estos hemisferios
se divide en cuatro cuadrantes, de modo que el
espacio total de trabajo del brazo queda
dividido en ocho octantes como se muestra en
la figura 5. La distancia a la base del brazo se
especifica como cercana o lejana, entendiendo
por cercana, la posicin en la que la barra se
encuentra a una distancia de la base menor que
la mitad de la longitud total del brazo, y por
lejana, la posicin ms all de la mitad de la
longitud del brazo.
Figura 5. Numeracin de los octantes del
volumen de trabajo de un brazo de medida.
El objeto patrn utilizado en la verificacin es
un patrn unidimensional que posee una lnea
de 15 esferas calibradas de cermica de
dimetro de 22 mm, ms una esfera auxiliar de
las mismas caractersticas fuera de la lnea
principal utilizada para alineacin del sistema
de referencia del patrn. La barra materializa
15 puntos como el centro de las esferas y 14
distancias entre ellos. Con esta informacin
ser posible materializar en el espacio de
trabajo del brazo distancias y puntos
nominales para la realizacin de los ensayos
de captura de puntos en la verificacin,
mediante un patrn unidimensional, tal y
como recomiendan las normas de evaluacin.
4. Resultados. Para llevar a cabo la verificacin del brazo de
medida se seleccionaron cinco orientaciones
de las recomendadas en las normas para
colocar la barra patrn de esferas, a las cuales
se hace referencia en adelante como Posicin
Barra Vertical, Posicin Barra Horizontal,
Posicin Barra Diag45abajo, Posicin Barra
Diag45arriba y Posicin Barra
Diagdos45arriba como se muestra en la figura
6.
Figura 6. Posiciones de la barra patrn.
Es de notar que medir estas cinco
orientaciones de la barra patrn de esferas en
las seis posiciones de la plataforma, es
equivalente a medir la barra en 30
orientaciones diferentes con respecto al brazo
de medida. Esto se debe a que cada vez que se
gira la plataforma a una nueva posicin para
que el brazo alcance una misma esfera, los
valores de los encoders angulares de sus
articulaciones sern diferentes, lo que permite
evaluar un espacio de trabajo diferente del
brazo de medida en cada posicin de la
plataforma. La norma ASME, en la prueba de
verificacin volumtrica recomienda colocar
la barra patrn en 20 orientaciones diferentes
para evaluar el volumen de trabajo del brazo,
lo que conlleva, como se ha mencionado, una
gran cantidad de tiempo y esfuerzo. En la
figura 7 se muestran las esferas que se miden
en la posiciones de la barra patrn Posicin
Barra Vertical (a), Posicin Barra Horizontal
(b), Posicin Barra Diag45abajo (c), Posicin
Barra Diag45arriba (d) y Posicin Barra
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Diagdos45arriba (e), junto con las distancias
que se materializan al medir dichas esferas.
Figura 7. Esferas medidas en las posiciones de
la barra patrn.
Las distancias de los centros de las esferas
materializadas con el brazo de medida se
comparan con las distancias calibradas del
patrn, lo que arroja un error en distancia que
corresponde a la desviacin entre la distancia
nominal del patrn y la distancia medida entre
los centros de las esferas palpadas. Para
determinar el centro de la esfera medida, se
palparon un total de 9 puntos distribuidos de la
siguiente manera: cuatro puntos distribuidos a
distancias iguales sobre el ecuador de la
esfera, cuatro puntos distribuidos a distancias
iguales a una latitud aproximada de 45 y
rotados 45 con respecto a los puntos sobre el
ecuador y un punto sobre el polo de la esfera.
El centro de la esfera se calcula con el mtodo
de mnimos cuadrados utilizando Matlab.
Como se evalan 60 errores para las
orientaciones de la barra patrn: Posicin
Barra Vertical, Posicin Barra Horizontal,
Posicin Barra Diag45abajo y 36 errores para
las posiciones Posicin Barra Diag45arriba y
Posicin Barra Diagdos45arriba, para cada
una de las 6 posiciones de la plataforma, se
obtienen entonces de 252 distancias y errores
en distancia para las cinco orientaciones de la
barra patrn.
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Figura 8. Errores en distancia para las 6
posiciones de la plataforma y orientaciones de
la barra patrn.
En la figura 8 se muestran los errores en
distancia cometidos por el brazo de medida
para las cinco orientaciones de la barra patrn
medidas en las seis posiciones de la
plataforma multi-registro. En todas las
orientaciones los errores en distancia son
menores a 91 m y el error en distancias
medio es de 20.3 m. En la tabla 1 se
muestran el mximo error en distancia
observado de los 252 errores, su valor
cuadrtico medio y la media de los errores en
distancia.
Tabla 1. Resultado del error cuadrtico medio
de la verificacin volumtrica del brazo (mm).
Error mximo de
los 252 errores 0.092
2RMS 0.059
Media de errores 0.0203
De acuerdo a la norma ASME B.89.4.22 para
evaluar la precisin volumtrica del brazo con
base en los parmetros detallados en la norma
ASME B.89.4.22 (desviacin mxima y dos
veces el valor cuadrtico medio) se compara el
resultado provisto por el fabricante del brazo
para esta prueba, que corresponde al error
cuadrtico medio mximo permitido de 0.043
mm, con los resultados expuestos en las tabla
1. Estos datos muestran que la mayora de los
errores en distancia cometidos por el brazo de
medida son menores que el valor determinado
por el fabricante. Adems, se debe aadir que
estos errores no muestran ninguna relacin
con el tipo de distancia medida, es decir, si
son distancias cortas o largas.
As pues, basndose en los resultados
observados en las mediciones para la
verificacin del brazo, se puede concluir que
el brazo de medida cumple con los
requerimientos de medida sealados por el
fabricante y que los errores son los esperados
para un instrumento de medida de estas
caractersticas.
5. Conclusiones. En este trabajo se presenta el diseo de una
plataforma multi-registro, as como de los
sistemas mecnicosacoplamientos cinemticos, sistemas de elevacin, descenso
y rotacin- que se utilizan para alcanzar la
repetibilidad de posicionamiento mecnica de
la plataforma necesaria para ser utilizada en
los procedimientos de verificacin de los
equipos de medicin por coordenadas
porttiles. Se resalta la ventaja principal de
utilizar la plataforma multi-registro sobre los
mtodos tradicionales actuales de
procedimientos de verificacin y se presentan
los resultados de la verificacin de un brazo
articulado de medir por coordenadas que
demuestra el correcto funcionamiento de la
plataforma, reduciendo el tiempo necesario
para este tipo de procedimientos de
aproximadamente una jornada laboral a un par
de horas.
Finalmente, se trabaja en la estimacin de la
incertidumbre al utilizar la plataforma multi-
registro mediante tcnicas numricas, debido a
la complejidad de aplicar propagacin de
errores (GUM) en el modelo al utilizar los
sensores capacitivos.
Agradecimientos. Agradecimiento del primer y tercer autor a la
Direccin General de Educacin Superior
Tecnolgica (DGEST) y el Consejo Nacional
de Ciencia y Tecnologa (CONACYT). Este
proyecto ha sido financiado por el gobierno de
Espaa a travs del proyecto INNPACTO
(IPT-2011-1191-020000) "Desarrollo de
nuevos sistemas avanzados de Control
Dimensional en procesos de fabricacin de
sectores de alto Impacto" (DICON).
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6. Referencias.
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[5] 2009, VDI/VDE 2617-10: Accuracy Of
Coordinate Measuring Machines -
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Coordinate Measurement Systems.
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[8] Anastasios J. H., Slocum A., and
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[9] Brau A., Santolaria J., Brosed F. J.,
Majarena A. C., and Aguilar J. J.,
2011, Mathematical Modelling of an Indexed Metrology Platform, 4th Manufacturing Engineering Society
International Conference, p. 8.
[10] Brau A., Santolaria J., Aguilar J. J., and
Pueo M., 2012, Capacitive sensors based kinematic modeling of an
indexed metrology platform ., International Conference of the euspen,
San Sebastian, Espaa, pp. 14.
