Máquinas de Medir por Coordenadas

MÁQUINAS DE MEDIR POR COORDENADAS (MMC)

mmc

Una máquina de medición por coordenadas (MMC) es un dispositivo que permite la medición de características geométricas de un objeto o pieza. Esta máquina puede ser controlada manualmente por un operador o automáticamente mediante CNC. Mediante sensores, que pueden ser mecánicos, ópticos, láser, entre otros, se obtiene información que luego es traducida en coordenadas espaciales. Una MMC precisa de un software de metrología apropiado, según los requerimientos de la medición y el tipo de equipo.

Las máquinas de medición por coordinadas pueden ofrecer a una empresa una larga lista de beneficios. Al ofrecer una medición precisa de los objetos para el diseño, la evaluación, el perfil de prueba y la ingeniería inversa, puede realizar controles en áreas que normalmente serían difíciles de medir con instrumentos estándar.

Industrias más relevantes donde se utilizan las MMC:

  • Automotriz
  • Aeroespacial
  • Generación de energía
  • Estampado
  • Moldes
  • Metalmecánica

MMC tradicionales

La típica MMC de “puente” 3D permite el movimiento de la sonda a lo largo de tres ejes, X, Y y Z, que son ortogonales entre sí, en un sistema cartesiano de coordenadas tridimensional. Cada eje tiene un sensor que monitorea la posición de la sonda en ese eje, generalmente con precisión micrométrica. Cuando la sonda entra en contacto (o detecta de otra manera una ubicación particular) en el objeto, la máquina muestrea los tres sensores de posición, midiendo así la ubicación de un punto en la superficie del objeto.

Un uso común de las MMC es en los procesos de fabricación y ensamblaje para probar una pieza o conjunto en contra de la intención del diseño (modelo 3D o matemático). En sectores como el automotriz o autopartista es muy común realizar un control de calidad con estos equipos. Por ejemplo, se generan nubes de puntos que se analizan mediante algoritmos de regresión para la construcción de características. Estos puntos se recopilan mediante el uso de una sonda que un operador coloca manualmente o automáticamente a través del control por computadora (CNC). Las MMC CNC se pueden programar para medir repetidamente partes idénticas, por lo que una MMC automática es una forma especializada de robot industrial.

Algunos usos más comunes de una MMC son:

  • Inspección por lotes
  • Control estadístico de procesos (CEP)
  • Control dimensional para aprobación de primeras muestras
  • Control de calibres de control (fixtures o gages)
  • Análisis del sistema de medición (MSA)
  • Ingeniería inversa (con un componente real genero el modelo matemático)
  • Inspección de herramental para try-out

Tipos de MMC

La arquitectura de una máquina medidora por coordenadas cambia dependiendo de varios parámetros entre los que se encuentran las direcciones de desplazamiento de sus componentes, cómo se realizan estos y su volumen de medición. La norma UNE-EN ISO 10360-1 realiza una clasificación de los distintos tipos (ver figura 1). Cada una de ellas cuenta con una serie de ventajas e inconvenientes que la harán más adecuada para unas aplicaciones determinadas en detrimento de otras para las que no será tan eficaz.

tipos mmc

Figura1.

Tipología más habitual de máquinas medidoras por coordenadas:

  1. A) Cantilever con mesa fija. (Cantilever significa “Viga voladiza”)
  2. B) Cantilever con mesa móvil.
  3. C) Puente en forma de L.
  4. D) Puente móvil (son las más comunes)
  5. E) Puente fijo.
  6. F) Tipo pórtico (gantry: similar a un puente grúa).
  7. G) De columna.
  8. H) De brazo horizontal, con cabeza móvil.
  9. I) De brazo horizontal y mesa fija.
  10. J) De brazo horizontal y mesa fija, con plato giratorio.
  11. K) De brazo horizontal y mesa móvil [UNE-EN ISO 10360-1, 2001].

La primera de ellas es la máquina de cantiléver. Consta de tres componentes móviles a lo largo de tres guías perpendiculares entre sí. El sistema de palpado va solidario con el primer componente, el cual se mueve verticalmente respecto al segundo y ambos se desplazan respecto al tercero horizontalmente. Éste, además, se mueve horizontalmente con respecto de la base de la máquina a través de unas guías y se encuentra apoyado en un solo extremo. Existen dos posibilidades de diseño: la de mesa fija, en la cual la pieza se sitúa sobre la base de la máquina, y la de mesa móvil, en la que la pieza va directamente colocada sobre el tercer componente.

Es un tipo de arquitectura que no se utiliza mucho actualmente y originalmente se aplicaba en máquinas medidoras por coordenadas manuales. Como la mesa de apoyo no incluye las guías de movimiento, se pueden medir piezas relativamente pesadas sin influir esto en la precisión de la medida. Al ser la parte móvil bastante ligera, es una máquina bastante ágil en modo manual y trabaja a altas velocidades en modo automático.

El volumen de medida es largo en una dirección pero limitado en los otros dos ejes, por lo que es particularmente adecuada para medir piezas largas y delgadas. Además, al tener tres lados abiertos, posee una buena accesibilidad a todas las partes de la pieza.

Como inconveniente, cabe destacar que al tomar medidas en el extremo del brazo de medida, la inclinación de éste puede provocar pequeñas variaciones en las medidas, lo cual debe ser corregido mediante el software de control de la máquina. Además, las frecuencias naturales del sistema son menores, lo cual limita el tamaño de la máquina.

Una modificación de ésta es la de tipo puente en forma de L. En ella, el tercer componente se mueve horizontalmente sobre dos guías, una al nivel de la base y otra por encima de ésta, es decir, incorpora un soporte en el lado opuesto de la viga en cantilever. Como normalmente son adaptaciones de ésta, suelen tener velocidades de trabajo lentas y poseen bajas frecuencias de resonancia, lo que limita su tamaño.

Otro tipo de máquina sería la MMC de puente móvil. Tiene tres componentes que se mueven a lo largo de guías perpendiculares entre sí y el sistema de palpado va solidario con el primero de ellos. Este primero, además, se mueve verticalmente respecto al segundo y juntos se mueven horizontalmente respecto al tercero. Este último se apoya sobre dos columnas, las cuales reposan en lados opuestos de la base de la máquina, y se mueve horizontalmente respecto a la base sobre la que se sitúa la pieza.

Es la más utilizada en la industria y sus volúmenes de medida varían desde los más pequeños, de 0,1 dm³, hasta los más grandes, de 8 m³, siendo éste el límite en el cual es posible realizar mediciones de una forma eficiente. Se pueden medir piezas con un rango de tamaños pequeño-medio y da lugar a valores de incertidumbre pequeños, siendo posible por lo tanto conseguir una gran precisión en la medida. Además, el movimiento de los ejes puede ser manual o automático.

La ventaja de este tipo de MMC con respecto del anterior es que las imprecisiones debidas a la existencia de un único brazo desaparecen al contar, en este caso, con dos. Sin embargo, al existir una columna a cada lado, podrían originarse problemas de accesibilidad de la sonda dependiendo del tipo de piezas que se deseen medir.

mmc navarra

Figura 2. Máquina medidora por coordenadas de puente móvil perteneciente a la Universidad Pública de Navarra.

En la Figura 2 se muestra una imagen de la máquina medidora por coordenadas perteneciente a la Universidad Pública de Navarra (UPNA). Dicha máquina, que es de puente móvil, es una DEA Global Image Clima con cabezal articulado del tipo PH10MQ. El programa de medición que emplea es PC-DMISTM 3.7, que es uno de los más extendidos y populares dentro del campo de las máquinas medidoras por coordenadas. La incertidumbre específica (u) de la máquina viene dada por la siguiente expresión: u = (1,7 + 3·L/1.000) µm, donde L representa la longitud que se desea evaluar. Asimismo, su volumen de medida viene dado por: 850 mm (X) x 1460 mm (Y) x 780 mm (Z).

Una variación de este tipo de máquina sería la de puente fijo en la que el puente permanece rígidamente unido al resto de la máquina y es la mesa en la que se sitúan las piezas la que proporciona un grado de libertad, ya que se mueve horizontalmente con respecto del puente.

Esta estructura rígida hace que sea la MMC de mayor precisión y se suele utilizar en la calibración de patrones. Sin embargo, su rendimiento no es muy bueno ya que su velocidad de trabajo se ve reducida por el hecho de que la mesa móvil tiene un peso bastante elevado.

Un cuarto tipo de máquina es la de tipo pórtico o gantry. Según la norma UNE-EN ISO 10360-1, se encuentra compuesta por tres componentes que se mueven a lo largo de guías perpendiculares entre sí, estando el sistema de palpado fijo al primer componente, el cual se encuentra posicionado y se mueve verticalmente respecto al segundo. El conjunto del primero y del segundo se mueven horizontalmente respecto al tercero y éste se mueve horizontalmente sobre dos raíles encajados en la base de la máquina, uno a cada lado de ésta.

Es la máquina de mayor volumen de medida ya que puede llegar hasta 100 m3, o incluso hasta volúmenes bastante superiores al anterior, y se utiliza para realizar mediciones precisas en piezas muy grandes, tales como motores, vehículos o componentes de estructuras aeroespaciales.

Otra ventaja es que su arquitectura permite un acceso libre a todas las partes del volumen de medida. Además, el hecho de que únicamente la viga horizontal se mueva hace que la precisión sea bastante aceptable, incluso para las más grandes. La configuración básica suele ser relativamente económica pero si se requieren características especiales que aumenten la precisión, los costes pueden verse incrementados de manera importante.

El siguiente tipo de máquina sería la de columna [UNE-EN ISO 10360-1, 2001]. El movimiento horizontal se realiza mediante la mesa en la que se sitúa la pieza y el sistema de palpado se desplaza verticalmente sobre una columna fija. Esta configuración puede dar lugar a un gran precisión pero al tener una estructura con forma de C, puede verse afectada por variaciones térmicas. Esto hace que sean utilizadas en ambientes especialmente acondicionados, es decir, sin grandes gradientes térmicos, tales como laboratorios de metrología y no tanto en entornos productivos.

Finalmente, el último tipo de MMC que se contempla en esta clasificación sería la de brazo horizontal [UNE-EN ISO 10360-1, 2001] que, a su vez, puede contar con diferentes configuraciones: con cabezal móvil, con mesa fija, con mesa fija y plato giratorio o con mesa móvil, entre otras.

La primera de ellas, de cabezal móvil, está compuesta por tres componentes que se mueven a lo largo de guías perpendiculares entre sí. El sistema de palpado va fijo al primer componente y se mueve horizontalmente respecto al segundo. Ambos se mueven verticalmente respecto al tercero que se mueve también horizontalmente con respecto a la base de la máquina donde se sitúa la pieza. En la de mesa fija, la diferencia es que el primer componente sólo se apoya en el segundo componente en un extremo en disposición tipo cantilever. La de mesa fija y plato giratorio es similar pero incorpora un plato giratorio en la mesa de la máquina y, sobre éste, se coloca la pieza que se quiere medir. Finalmente, la de mesa móvil es similar pero la pieza se sitúa directamente sobre el tercer componente.

Todas ellas tienen como ventaja su excelente accesibilidad a todas las partes de la pieza que se desea medir y su alta velocidad de trabajo, lo que las hace adecuadas para su uso en el sector de la automoción, por ejemplo, a la hora de medir carrocerías o motores. Por el contrario, la precisión se ve un poco afectada por la falta de rigidez de sus componentes, lo que obliga muchas veces a compensar las posibles variaciones mediante el software de control de la máquina. Su brazo móvil puede llegar a tener un campo de medida de hasta 25 m.
MMC en la Universidad Austral – Pilar, Buenos Aires. Argentina

En el siguiente ejemplo vemos la máquina de medir Zeiss Pro Premium instalada en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Austral, en Pilar, Argentina.

La misma consta de dos brazos transversales que pueden trabajar en conjunto tomando la misma referencia (cero en los 3 ejes) o pueden trabajar como máquinas independientes. Este tipo de máquinas se utiliza mucho en empresas automotrices, como ser Volkswagen, Mercedes Benz o Ford.

En este caso particular trabaja con los Software de medición Holos NT y Caligo. Ambos permiten medir distintos tipos de componentes, y están especialmente orientados a la medición de piezas irregulares, por ejemplo las partes de un vehículo.

Presenta un campo de trabajo de 3 metros en el eje Y (Transversal) 3 metros en el eje Z (Altura) y 6 metros en el eje X (Longitudinal).

Sus cabezales son giratorios, lo cual permite acceder a distintos puntos de medición. Termina siendo una máquina muy versátil a la hora de medir y con gran precisión.

INFOGRAFIA

Figura 3. Máquinas de medir por coordenadas de ejes transversales. Facultad de Ingeniería de la Universidad Austral.

Ver más en: http://www.austral.edu.ar/ingenieria/index.php/transferencia-tecnologica/#laboratorios
Conclusión

Es importante comprender que la máquina de medir por coordenadas no reemplaza los instrumentos de medición convencionales (calibres, micrómetros, etc). Sino que brinda otras características como ser velocidad en la medición, reducción de incertidumbre por factor humano, flexibilidad a la hora de medir, etc.

Si pudieramos agrupar todas las máquinas de medir en dos grandes grupos, diríamos que un grupo son las máquinas de puente y otro las máquinas de brazos transversales. Las primeras se utilizan en medición de piezas regulares generalmente mecanizadas, y las segundas en piezas irregulares generalmente de chapa.

Todas las máquinas funcionan con un software de medición, similares entre ellos, que utilizan ciertas características y referencias a la hora medir, tema que abordaremos en los próximos posteos.

Bibliografia

https://en.wikipedia.org/wiki/Coordinate-measuring_machine

http://www.visionmeasurementmachine.com/sale-8197071-cmm-3d-coordinate-measurement-machine-duo-drive-workshop-large-size-gantry-type.html

http://www.interempresas.net/Medicion/Articulos/102185-Estudio-acerca-de-la-tipologia-de-las-maquinas-medidoras-por-coordenadas-(MMC).html

http://avon-dynamic.co.uk/what-is-cmm/http://www.cenam.mx/ammc/queSonMMC.aspx

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