MÁQUINAS DE MEDICIÓN POR COORDENADAS

Las primeras máquinas de coordenadas en realidad fueron las máquinas de trazos, que son instrumentos con tres ejes mutuamente perpendiculares a fin de alcanzar coordenadas volumétricas en un sistema cartesiano para localizar un punto en el espacio sobre una pieza con tres dimensiones. Se conoce que a finales del año 1962, la firma italiana DEA construyó la primera máquina de medición cerca de Turín, Italia. 

Posteriormente en 1973 la compañía Carl Zeiss creó una máquina, equipada con un palpador, un ordenador y un control numérico. Desde entonces han surgido muchas marcas y modelos de máquinas de coordenadas, que se distinguen entre sí por sus materiales de fabricación utilizados, software utilizado, versatilidad, alcances de medición, etc. 

La Máquina de Medición por Coordenadas (CMM) puede ser definida como "una máquina que emplea tres componentes móviles que se trasladan a lo largo de guías con recorridos ortogonales, para medir una pieza por determinación de las coordenadas X, Y y Z de los puntos de la misma con un palpador de contacto o sin él y sistema de medición del desplazamiento (escala), que se encuentran en cada uno de los ejes", figura 8.17.Como las mediciones están representadas en el sistema tridimensional, la CMM puede efectuar diferentes tipos de medición como: dimensional, posicional, desviaciones geométricas y mediciones de contorno.

Los procedimientos de medición y procesamiento de datos de las CMM, poseen una serie de características que se describen a continuación: Primeramente se tiene un sistema de posicionamiento que provoca que el palpador, figura 8.18, alcance cualquier posición en X, Y o Z; este sistema de posicionamiento puede ser accionado a través de unos motores, que a su vez, poseen unos codificadores ópticos rotatorios, los que producirán una señal adecuada para activar un contador que incrementar su número en relación a la posición del eje con respecto de su origen.

En este sistema como en otros es de primordial importancia la existencia de un origen para poder determinar la posición. El sistema dispondrá además de un palpador que al ser accionado, hará que los datos del contador del sistema de posicionamiento sean trabajados por la unidad principal de la CMM y sean transformados en coordenadas X, Y y Z y además se apliquen las fórmulas programadas para después desplegar los datos en una pantalla de cristal líquido. Los softwares comerciales básicos de CMM cuando menos, manejan los elementos geométricos regulares como son el punto, la línea, el plano, el círculo, la esfera, el cilindro y el cono ·

Aplicaciones de las máquinas de medir por coordenadas 

Las máquinas de medir por coordenadas (CMM) se utilizan para las siguientes aplicaciones: • Control de la correspondencia entre un objeto físico con sus especificaciones teóricas (expresadas en un dibujo o en un modelo matemático) en términos de dimensiones, forma, posición y actitud. • Definición de características geométricas dimensionales (dimensiones, forma, posición y actitud) de un objeto, por ejemplo un molde cuyas características teóricas son desconocidas.

Instalación de una CMM: Atención al entorno Los costes asociados a una máquina de medir por coordenadas van generalmente más allá de la propia máquina. En efecto, la ubicación de la misma y las condiciones de su entorno deben cumplir diversos requisitos para que los resultados de la medición sean fiables. Una CMM puede ser instalada en distintos ambientes de trabajo, que en mayor o menor medida estarán bajo la influencia de los siguientes factores externos:

1. Suciedad a. Ambientes limpios b. Ambientes contaminados: partículas en suspensión (humedad, aceite, polvo, otras partículas)

2. Temperatura / humedad a. Gradientes térmicos temporales b. Gradientes térmicos espaciales c. Humedad relativa

3. Vibraciones 

a. Frecuencia 

b. Amplitud 

En función de estas tres variables puede actuarse de distintas maneras. Una de ellas es utilizar una máquina adecuada, pensada para que su comportamiento sea inerte frente a alguno de estos parámetros. La otra, acondicionar el ambiente para dejar la máquina a salvo de estos factores perturbadores.

Las arquitecturas de las CMM 

La arquitectura de una CMM cambia según una serie de parámetros, el más importante es el volumen de medición. Algunos tipos de arquitectura se diseñaron en un principio para controlar las máquinas manualmente. Por tanto, intentar crear CMMs grandes con esos tipos de estructura sería imposible o ilógico, debido a consideraciones ergonómicas y de prestaciones. Otro aspecto muy importante es la accesibilidad a la pieza que se tiene que medir. No seria conveniente utilizar una CMM de puente vertical para una pieza en la que la mayor parte de características se tienen que medir en direcciones perpendiculares al eje de Z . Además, la tendencia es maximizar la “rigidez” de la estructura reduciendo a la vez la “masa”, para conseguir la mayor aceleración (y deceleración) posible.

Los parámetros dinámicos de la CMM se pueden malinterpretar fácilmente; por tanto es muy importante mirar las cifras que expresan estos valores y saberlas entender. 

Las arquitecturas mas utilizadas son las siguientes: 

• Cantilever con mesa fija 
• Puente móvil 
• Gantry 
• Puente en forma de “L” 
• Puente fijo 
• Cantilever con mesa móvil 
• Columna 
• Brazo móvil, brazo horizontal 
• Mesa fija brazo horizontal 
• Brazo articulado 

Todos estos tipos de arquitecturas no tienen la misma difusión, por varias razones, por ejemplo, algunas son adecuadas para CMMs de grandes dimensiones y por tanto, que no se usan con tanta frecuencia. Otras, simplemente no aportan ninguna ventaja comparado con arquitecturas que son más fáciles y baratas de producir. Por tanto, sólo se describen las que tienen una mayor difusión en la industria. 

A continuación se describen las arquitecturas de CMM más utilizadas, el lector que desee tener una visión general sobre ese tema puede consultar la publicación ISO 10360-1.

Cantilever con mesa fija 

Es un tipo de arquitectura que actualmente no se usa mucho y que en un principio se aplicó a CMMs manuales. Ese tipo de arquitectura se describe en la ISO 10360-1 del siguiente modo: “Es una CMM que utiliza tres componentes que se mueven por guías de forma perpendicular entre ellos, el sensor se encuentra en el primer componente, que se mueve de forma vertical en relación con el segundo. La combinación del primer componente con el segundo se mueve horizontalmente al tercero. El tercer componente está agarrado sólo por un extremo. Cantilever se mueve horizontalmente respecto a la base de la máquina donde se encuentra la pieza”.

Se ha de tener en cuenta (y eso servirá para todo el artículo) que ISO incluye la siguiente nota a todos los tipos de arquitectura: “Las direcciones que se indican son a modo de información. Existen otros modos”.

El movimiento de los ejes de una CMM cantilever manual se consigue cogiendo la punta y a través de ella mover los ejes de la máquina a la posición que se desee. Como todas las máquinas de medición por coordenadas manuales, incluso las que se basan en el tipo de arquitectura en cuestión, dependen en gran medida de la habilidad del operario, sin embargo, un operario que haya recibido la formación necesaria puede alcanzar un nivel de medición muy bueno y repetible. Sin embargo, trabajar con la punta para acelerar y decelerar la masa de las partes móviles de la máquina puede llevar a la deflexión de la propia máquina. Eso puede cambiar las características metrológicas del sistema.

Puente móvil 

Se trata sin lugar a dudas del tipo de CMMs más utilizadas. Se ha perfeccionado con el paso de los años. Esta arquitectura ha permitido alcanzar un equilibrio perfecto entre la perfección estructural y la eficiencia funcional, figura 8.16.

Las máquinas de medición de puente móvil son versátiles y adecuadas para muchas aplicaciones en piezas simples, complejas y de superficie irregular. Ese tipo de arquitectura se describe en la ISO 10360-1 del siguiente modo: 

“Es una CMM que utiliza tres componentes que se mueven por guías de forma perpendicular entre ellos, el sensor se encuentra en el primer componente, que se mueve de forma vertical en relación con el segundo. La combinación del primer componente con el segundo se mueve horizontalmente al tercero. El tercer componente está agarrado por dos piernas situadas a lados opuestos de la base de la máquina y se mueve horizontalmente respecto a la base de la máquina donde se encuentra la pieza”.

La máquina de medición por coordenadas de puente móvil es la más utilizada en la industria. Gracias a este tipo de arquitectura se han podido crear máquinas con volúmenes de medición muy grandes; a modo de ejemplo, las más pequeñas tienen 0,1 dm3 y las más grandes 8m3, este es el límite al que es posible medir con el puente móvil de forma eficiente. El movimiento de los ejes de las máquinas con puente móvil se puede tener con como manual o digital. 

El éxito de este tipo de máquinas se debe básicamente a una serie de factores: 

• La accesibilidad a la pieza que se tiene que medir 
• Ergonomía 
• Rendimiento dinámico 
• Rendimiento metrológico 
• Estructura isostática (normalmente no necesita fundamentos) 
• Fácil manejo 
• Volúmenes de medición adecuados para la medición de componentes complejos de dimensiones compatibles con los centros de producción más comunes 

Además, el gran número de CMMs de puente móvil que se instalan cada año en todo el mundo, ha promocionado el desarrollo de accesorios y opciones que han mejorado aún más la versalidad de este tipo de arquitectura . 

Gantry 

Este tipo de arquitectura permite crear los auténticos “gigantes” en CMMs ; con esta arquitectura se han podido crear máquinas con un volumen de medición mayor a 100m3. Debido a las dificultades técnicas que se tienen que superar para crear estas enormes CMMs, se produjo una verdadera lucha con la tecnología para diseñar estos gigantes de la metrología, este diseño se utilizaría más tarde para máquinas en serie. 

Incluso si no se utilizan tanto como las de puente móvil, las CMM gantry son el único instrumento de medición para medir con precisión componentes muy grandes como los motores grandes o las complejas estructuras aeroespaciales, etc.

Respecto al puente móvil, las CMM gantry permiten minimizar las masas móviles (en dimensiones comparables), tiene ventajas que son evidentes cuando una CMM gantry muy grande se describe según la ISO 1036-1 del siguiente modo: 

“Es una CMM que utiliza tres componentes que se mueven por guías de forma perpendicular entre ellos, el sensor se encuentra en el primer componente, que se mueve de forma vertical en relación con el segundo. La combinación del primer componente con el segundo se mueve horizontalmente al tercero. El tercer componente se mueve de forma horizontal por dos guías que se levantan a ambos lados de la máquina por encima de la base donde se encuentra la pieza ”. 

Brazos articulados de medida: 

Son brazos que los puedes llevar a medir a la pieza que te interese, buscando una buena zona de agarre para posteriormente calibrar medir, estos brazos no son muy precisos pero puede ser la única opción de medir en una situación especial. 

• Incertidumbre alta, es decir, menos precisión 
• Gran movilidad

De un brazo horizontal: necesitan más espacio (más utilizada en automoción). 

• Grandes rangos de medición. 
• Buena accesibilidad. 
• Incertidumbre alta, es decir, menor precisión.

De 2 brazos: Se utilizan en automoción normalmente y cada brazo mide un lateral del vehículo, llegando a tener precisiones de centésimas de milímetro (más utilizada en automoción).

• Grandes rangos de medición. Buena accesibilidad. 
• Incertidumbre alta, es decir, menos precisión.

En cuanto a las ventajas de este tipo de maquinaria destacan: 

1. Aumento de productividad en las mediciones tanto para geometrías sencillas como sobre todo para geometrías complejas (reducción de tiempos de medición). 

2. Mejora de la precisión 

3. Posibilidad de control estadístico 

4. Almacenamiento de datos y generación automática de informes 

Pero este tipo de máquinas tienen también una serie de inconvenientes: 

1. Necesidad de personal cualificado formado 

2. Inversión elevada 

3. Actualizaciones de programas/mantenimiento de la instalación,… 

4. Tiempos de programación elevados que se justifican sobre todo para la medición repetitiva en serie. 

No obstante estos inconvenientes, este tipo de máquinas son las más extendidas en la industria y su integración en el proceso productivo supuso en su día una auténtica revolución en el proceso de verificación dimensional.