Desarrollo de las tecnologías de medición para las necesidades de la producción del mecanizado

Con la evolución de la maquinaria y de sus procesos relacionados, los fabricantes de piezas de mediano y gran volumen enfrentan mayores requerimientos de inspección en términos de frecuencia, medición de elementos y estadísticas de producción, así como especificaciones de mayor precisión. Los fabricantes buscan los avances en la tecnología de la medición, como la velocidad en los ciclos de medición, la capacidad para revisar piezas con mayor precisión y la capacidad para medir con precisión los elementos geométricos y las formas libres.

La tecnología de la metrología ha recorrido un largo camino durante los últimos cinco años y existen herramientas disponibles para satisfacer estos requerimientos de inspección. Por supuesto, la solución adecuada depende de la necesidades particulares del usuario final. Se analizarán los tres diferentes, pero efectivos, enfoques para la medición precisa de piezas torneadas en el entorno de la producción de mediano a alto volumen.

Centros para la medición sin contacto de piezas torneadas

La industria de implantes dentales es un buen ejemplo de un sector que usa los sistemas de medición sin contacto optoelectrónicos. Los fabricantes producen diversas variaciones en forma y tamaño de los componentes principales de un implante dental 'central' al girar/roscar los cortes como se haría usando tecnología CNC en un entorno de producción de alto volumen. Los implantes, también conocidos como prótesis, son piezas humanas de recambio y, por lo tanto, su calidad es de extrema importancia; todas las dimensiones funcionales deben ser inspeccionadas en un base del 100%

Los componentes son muy pequeños, normalmente de menos de 4mm de diámetro, con diversas dimensiones que son muy difíciles y costosas de medir usando los métodos de calibres tradicionales, como los proyectores ópticos, los microscopios para fabricantes de herramientas o herramientas manuales como los micrómetros. Con demandas crecientes en los niveles de producción y de calidad, además de la variedad y el volumen de los componentes producidos con mayores criterios de medición, los sistemas de medición sin contacto eran la siguiente frontera en la metrología para este sector.

Actualmente, un solo equipo de medición de perfil giratorio automático sin contacto, como el TESASCAN 25, puede estar especializado con un elemento de 2 o 3 tornos CNC para generar un tipo de producto. El objeto que se mide se fija en un árbol de sujeción giratorio que da vueltas (si es necesario) mientras que una luz proyecta el perfil sobre una colección del arreglo del sensor, la cual digitaliza la imagen. El software mide entonces los elementos programados previamente  usando la imagen digitalizada como guía. El ciclo típico para 12 dimensiones en una pieza es de 28 segundos. A menudo, los ingenieros de producción son responsables de la programación de la pieza, lo cual se lleva a cabo on y off-line, mientras que los operadores usan el sistema de medición para inspeccionar de forma automática los componentes. Los operadores CNC pueden revisar todas las dimensiones externas con una sola pieza de equipo. Los equipos de perfil, como el TESASCAN, ofrecen ventajas sobre los sistemas láser tanto en términos de precisión general, velocidad y los tipos de elementos que se pueden medir.

Una vez que cada componente es medido, es posible visualizar simultáneamente los resultados de forma numérica y gráfica, con la facilidad de analizar estadísticamente los datos de medición en forma de histogramas, gráficas de control e informes de capacidad. Esta capacidad, previamente imposible con los métodos manuales de inspección, ha proporcionado una base estadística para determinar las tendencias de los procesos y el ajuste de las herramientas de la máquina individual. Una ventaja adicional es la posibilidad de darle seguimiento a los datos de medición en máquinas individuales usando un número de lote o un número de identificación de la herramienta de la máquina introducido por el operador.

La máquina puede efectuar la medición automática de roscas si incorpora un dispositivo de balanceo que inclina la pieza para una mejor medición de las roscas mecanizadas, conocido como compensación del ángulo de ataque.

Otra ventaja de este tipo de herramientas es la escalabilidad. Si un taller donde se fabrican piezas de torno tiene la capacidad de producir productos finales de diversos tamaños, es posible adquirir los centros de las piezas de torno que albergará piezas mucho más grandes; de hasta 500 mm de largo y de 80mm de diámetro. Sin embargo, este tipo de herramientas también tiene limitaciones. Generalmente solo pueden albergar una sola pieza a la vez, y deben cargarse y descargarse manualmente, aún si el ciclo de medición es automático. Si el elemento que será medido no es visible en el perfil, como un canal de mecanización, no será posible medirlo.

Sistemas de visión

Para el mecanizado de la producción, uno de los primeros beneficios que ofrece la tecnología de medición visual consiste en la velocidad del resultado como se encuentra en la aplicación de una válvula de pistón de automoción. Por ejemplo, al medir con un método convencional, las válvulas de pistón pueden tardar hasta una hora o más solo para obtener las mediciones de la pieza. Además, el tiempo de inspección no incluye la compilación de los datos ni el análisis estadístico necesario para muchos de estos componentes. Con la introducción de los sistemas de medición rápida de visión, el proceso completo de inspección se puede reducir a menos de 5 a 10 minutos por pieza.

Un componente como la válvula de un pistón también tiene formas exóticas y una mezcla de radios que requieren de inspección. Una vez más, la tecnología de medición de visión proporciona la solución correcta. Al usar herramientas de cálculo de perfil, la tarea de medición de curvas muy complejas se reduce a un barrido sencillo del perfil. Agregar sencillez al uso de herramientas de cálculo es la capacidad de referenciar un CAD de soporte con un paquete de software, como PC-DMIS Vision. Con algunos pasos sencillos, el modelo CAD se adjunta a la pieza física para permitir el soporte de apuntar y medir con un clic en la medición de perfiles complejos. Este proceso es posible para muchos tipos de piezas, como los pequeños componentes médicos con tolerancias de perfil de micras, o componentes electrónicos con mediciones de huecos y altura en los niveles de submicras.

Existen muchos otros tipos de piezas que son ideales para la metrología de visión. Generalmente, los datos de las piezas se toman en cuestión de segundos y se apoyan en bandejas de coger y colocar, lo cual reduce la manipulación por parte del operador. La ubicación y la forma de los rasgos se puede medir a partir de los datos adquiridos. El rango de precio de estos sistemas generalmente se basa en la capacidad, velocidad y precisión, lo que resulta en sistemas que se adaptan a una gran variedad de presupuestos. Un sistema de visión como el Hexagon Optiv Classic se adapta a un presupuesto básico. En el otro extremo del espectro, un Hexagon Optiv Performance ofrece gran precisión, del orden de submicras. La metrología de visión se puede llamar la herramienta de micrometrología del futuro.

La visión de la metrología continúa desarrollándose. La introducción de sensores múltiples interactivos ha revolucionado verdaderamente la forma de efectuar las mediciones 3D en sistemas basados en la visión. Los diversos sensores proporcionan los bloques de construcción para expandir o mejorar un sistema de visión. Estas mejoras pueden ser táctiles, como los palpadores que soportan tolerancias por debajo de un par de micras y que ofrecen la capacidad de la articulación, si es necesario. La articulación permite efectuar la medición de elementos que pueden no estar en línea con la visión del sensor. Además, los sensores sin contacto, como los palpadores de escaneo láser y de luz blanca, pueden trabajar con precisiones por debajo de los niveles de las submicras y, en algunos casos muy especiales, niveles de precisión de angstrom. El láser proporciona soporte selectivo para mediciones de formas usando un eje giratorio o de inclinación en tiempo real. La tecnología de sensores de luz blanca resulta ideal para ciertos elementos muy pequeños, como pequeños repegues y formas 3D. La correlación de estos sensores en combinación con el sensor óptico ofrece un beneficio sin igual y la agilidad de los sistemas de visión.

Sistemas de sensores de activación por contacto

La solución final para el mecanizado de la producción ofrece la mejor opción de resultados, e involucra la incorporación de sensores de activación por contacto en el centro mismo de torneado. La siguiente empresa ha repetido los beneficios de un sistema con estas características. Davromatic Precision Ltd. de Rugby, UK, es el segundo proveedor principal para las industrias aeroespacial, de defensa y de maquinaria pesada. En un día cualquiera, la empresa debe hacer equilibrio como fabricante de piezas torneadas de precisión. Por un lado, deben producir con alta precisión piezas torneadas y fresadas con tolerancias de tan solo +/- 8 micras. Por el otro, deben mantener los costos lo más bajo posible La inversión de un centro de torneado-fresado con un sistema de sensor de activación por contacto resulta ser la más económica.

Con un volumen de producción extremadamente alto, cada pausa en la producción y cada ajuste manual del centro de torneado, afecta la productividad y la rentabilidad del trabajo. Para asegurar la calidad de las piezas con altas tolerancias y evitar la deriva del proceso, se requería de una solución de metrología integrada para la supervisión y el ajuste de los parámetros del mecanizado.

Davromatic implementó un sistema de sensor táctil infrarrojo y con cableado directo por M&H Inprocess Messtechnik GmbH, que permite que los tornos giratorios con cabezales móviles para inspeccionar contornos torneados y fresados, mientras que la pieza sigue en la máquina en el eje del contador. El sensor táctil se instala en un soporte fijo cerca del eje del cabezal principal, para mover las piezas cortadas para la medición dimensional del sensor táctil por el eje del contador.

La medición de dimensiones críticas, como el diámetro exterior, la longitud y ancho de las secciones transversales hexagon y las superficies fresadas se logra en tan solo algunos segundos y ya que el proceso de medición se lleva a cabo en el eje del contador, se puede efectuar independientemente del eje principal, lo cual reduce el impacto a la producción más adelante.

Davromatic también ha obtenido beneficios secundarios del sistema en términos de controlar el desgaste de la herramienta y un fallo prematuro. Algunas aleaciones usadas en la producción han contribuido a que se presente un desgaste inconsistente y heterogéneo de la herramienta, lo cual provoca que la producción queda fuera de tolerancia rápidamente. La toma de muestras de cada pieza ha permitido controlar en tiempo real esta situación, por lo que es posible cambiar los insertos antes de desperdiciar material costoso y perder tiempo de producción.

En general, la capacidad de alcanzar un intervalo del 100% de muestreo automáticamente y efectuar ajustes a las herramientas de la máquina durante el proceso ha permitido a Davromatic incrementar la productividad en aproximadamente 20%, mientras que el desperdicio se reduce prácticamente a cero.

Este escenario representa un extraordinario resultado exitoso en la medición de procesos. Sin embargo, esta técnica tiene también algunas importantes limitaciones. Primero, ya que este método emplea un palpador táctil, todo lo que se deba medir debe ser posible ser tocado. Dependiendo de la pieza, algunos elementos pueden ser demasiado pequeños para ser tocados, o un solo palpador táctil puede no ser adecuado para inspeccionar todo lo que sea necesario medir. La geometría complicada puede estar más allá de la capacidad de un sistema como este. Segundo, no representa una verificación independiente de la calidad de la pieza. Si la máquina en si misma es imprecisa, los resultados pueden ser no fiables. Algunos programas de calidad o clientes pueden requerir la verificación independiente de los resultados. Una opción puede ser usar un sistema de palpador táctil para analizar y controlar la producción en combinación con una solución offline para la verificación final.

Mirando hacia adelante

La buena noticia es que existen más opciones que nunca para inspeccionar piezas torneadas, desde procesos off-line a in-process e incluso soluciones híbridas que incorporan una combinación de técnicas y equipo.

En conclusión, ya que la fabricación de los componentes cilíndricos continúa desarrollándose y creciendo, una gran variedad de sistemas de metrología cumplen con los requerimientos de calidad y con las necesidades de presupuestos específicos de este sector. Todos los componentes, desde los tornillos óseos hasta válvulas y elementos plásticos se pueden medir con fiabilidad. Los estándares actuales de fabricación requieren rapidez y una gran precisión, y la industria de la medición está lista para ofrecer una solución satisfactoria. El resultado final puede traer reducciones significativas en el tiempo de inspección y control de procesos mejorado, ambos contribuyendo considerablemente a cualquier línea de producción de los fabricantes.