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Los Errores de la Industria de CMM

Originalmente todas las maquinas de medición por coordenadas fueron fabricadas con una precisión muy alta y mecánicamente exactas. Estas fueron necesitadas por ensambladoras para seleccionar partes y por el requerimiento de  producción de partes con tolerancias muy cerradas. Gentes altamente entrenadas y cuidadosas fueron los que se encargaron de la manufactura de las maquinas CMM´s, y gentes con las mismas habilidades fueron necesarios para instalar y reproducir la exactitud en las plantas de los clientes. No era raro que los fabricantes de CMM´s ofrecieran dos tipos de CMM´s para el mismo modelo; una de exactitud estándar y otra de alta exactitud, mas dedicada, con mas cuidados y atención en el ensamblado y en el proceso final de calibración.

El primer error de las técnicas de mapeo fueron introducido a principio de los ochenta, con la ayuda de la corrección de los ejes individuales de las CMM, dado a que las escalas son no-lineales; antes de la introducción de la corrección lineal de error por software, las escalas fueron “lastimadas” por el uso de tensioadores de escalas. Este técnica de mapeo es perfectamente aceptable desde el punto de vista que permite dar una exactitud adecuada con el visualizador de un Laser Interferometro, de esta manera se podría garantizar exactitud en la CMM SIN comprometer la exactitud intrínseca de la estructura de la CMM.

En cualquier dispositivo de 3 ejes, existen 21 parametros con un error potencial: Rectitud (2) por eje, “Pitch”, “Yaw”, “Roll” y la linealidad por cada eje, y la cuadratura con respecto de cada eje con otro para completar finalmente los 21 parámetros.

Para poder ofrecer grandes volúmenes y estilos de CMMs con exactitudes comparables a los modelos de puente, los Manufactureros de CMM´s desarrollaron técnicas de compensación de error. Esas maquinas fueron construidas tan exactas como fueron posible, se capturaron los datos de error durante el proceso de calibración, estos datos sirvieron de entrada al software de corrección para asegurar la exactitud de la maquina. Esta técnica de corrección de error fue utilizada eventualmente para maquinas pequeñas y medianas. Los fabricantes han usado diferentes nombres para promover esta técnica. El nombre de MEA fue usada por Sheffield, la cual significa “Microprcessor Enhanced Accuracy”. El uso de técnicas de corrección no ponía el compromiso de construir con calidad y permitía a los fabricantes ofrecer mas exactitud a los usuarios finales. La magnitud de los errores introducidos dentro del mapeo era muy pequeña y generalmente limitada por el error en la escala y el error en la cuadratura, que eran indicativos de una exactitud intrínseca de la construcción de la maquina CMM.

Al finalizar la década de los ochenta, los fabricantes de CMM afrontan una presión severa en precio debido a que la industria manufacturera reduce costos. Una solución seguida fue la de construir CMM con aluminio; lo cual inicio la tendencia intuitiva que se volvió norma. Y así mas compañías fueron reduciendo personal y tratando de ser mas eficientes y tratando que el ahorro generado fuera aplicado directamente a sus productos. El único problema que sobresaltaba era el de cómo hacer maquinas CMM de aluminio exactas. La respuesta: Colocar todos los errores que traía el hacer una estructura de aluminio dentro del mapeo de error y forzar el mapeo para que la estructura fuera exacta. El mapeo fue diseñado solo para cumplir la exactitud estándar que estaba de moda y asistir al fabricante para que pasara “la prueba”. Uno por uno de los fabricantes fueron atraídos por las estructuras de aluminio y por sus reducidos costos de fabricación. Los fabricantes fueron dependientes, entonces, del software de corrección de error. Su confianza en esta técnica fundamental se incremento con el tiempo y subsecuentemente permitió que las tolerancias de fabricación fueran menos cerradas, como también tenían que mejorar en recolectar los errores y procedimientos de mapeo. Hoy en día las maquinas CMM son construidas por personal que no necesariamente tienen que tener grandes habilidades y las maquinas no son precisas sino hasta que son mapeadas y puestas bajo especificaciones.

Los mapeos de CMM tuvieron una evolución similar. En un inicio el mapeo manejaba los errores en la escala y después también los errores de cuadratura. Estos no eran herramientas para la corrección de los 21 paramentos y trabajaban bien cuando los errores que se tenían que corregir eran “estáticos” y fácilmente reproducibles. Así como usted espera que los Mapeos de CMM fueron diseñados para asistir al fabricante en pasar su “Prueba” de exactitud que ellos mismos diseñaban. Hoy en día el mapeo de CMMs sigue prevaleciendo, y uno de los problemas legales prevalece: No existe una certificación ala integridad del mapeo por una persona independiente!!!. ¿Cómo puede ser?. La mayoría del software de medición es evaluado a través de un algoritmo de PTB o NIST. Desafortunadamente, estos logaritmos no son validos para algoritmos de mapeo o modelos de mapeo. La situación se empeora cuando se considera el numero de mapeos, ya que cada fabricante tendría variantes por cada tipo de maquina. Por eso no hay que admirarse que cuando dos maquinas miden la misma parte nos dan diferentes resultados!!!. Al no estar la industria gobernada, el usuario de CMMs esta a merced del fabricante y de su prueba de exactitud que use.

Las maquinas CMM de aluminio no ofrecen ningún beneficio, mas que el precio para los usuarios finales. Ellos fueron introduciéndolo al mercado por su propio razonamiento. La industria fabricante de CMM de aluminio anuncia que el Aluminio es el material perfecto para construir CMMs (Pues claro ellos lo hacen!!!), ¿Como? Si el coeficiente de expansión es por lo menos 4 veces mas que el del granito y su peso especifico es solo 1% menos que el granito. La realidad es que el aluminio permite técnicas de producción en masa que fue introducida a la industria que era ineficiente y perdía dinero. El Aluminio NO ES un material del área de metrología, el Granito SI ES, yo creo que por esta razón todas las CMM usan mesas de granito.

Ventajas Metrologicas usando diversos materiales en una CMM

Material

Peso especifico

(Kg/dm3)

Coeficiente de Expansion (1/K)

Razón de difusión de temperatura (W/mK)

Modulo de Elastizidad (103N/mm2)

Rankeo de Material Metrologico

Acero

7.25

10.4x10-6

42-63

90-180

+++++++

Aluminio

2.7

23.8x10-6

210

72

++

Cerámico

3.85

8.0x10-6

28

370

+++++++

Granito

2.8

6.5x10-6

3.5

NIL

++++++++++

Pocas compañías son las que siguen fabricando CMMs con las técnicas originales y son competitivas y rentables. Una de esas compañías es Wenzel de Alemania, que a crecido dramáticamente dejando a un lado las tendencias del aluminio y  el mapeo del error, y por consecuencia se a mantenido como el cuarto mas grande fabricante de CMMs en el mundo. Wenzel a entregado estructuras de CMMs con tolerancias exactas. Construidas por hombres de negocios y cumpliendo con tolerancias competitivas sin el uso de técnicas de corrección de error de los 21 mapeos. La llave del éxito de Wenzel son las instalaciones de fabricación verticalmente integradas donde la inversión a sido en la gente, en el proceso de manufactura e ingeniería.

La mayoría de los fabricantes de maquinas de coordenadas de aluminio también “Candadean” los mapeos de error, para prevenir el exceso del cliente. Tal vez por lo embarazoso que resultaría que se dieran cuenta de las magnitudes con las cuales tienen que compensar, o tal vez por la cantidad de dinero que los clientes tienen que pagar anualmente, y que solo ellos como fabricantes pueden corregir y que ellos niegan permitir a otros ajustar sus mapeos, ya que año con año las estructuras de aluminio cambian con el tiempo y los mapeos tienen que ser corregidos año con año.

Además el mapeo del error es adquirido durante la calibración con la estructura de la CMM estática, y es comparada con el proceso de medición dinámico. La calibración del palpador es parte integral del uso de la CMM, el diámetro estático difiere del obtenido durante una calibración dinámica del mismo palpador. Entonces ¿Como puede ser usado el mapeo del error estático dinámicamente con exactitud?.

El hacer “Casa” (Home) en la CMM es requerido cada vez que se inicializa el sistema de medición. Normalmente la CMM dispara el final de viaje en los interruptores de cada eje para hacer “Home”. La repetibilidad de la maquina para hacer “Home” es ±5mm, este Home es creado dinámicamente y en esta posición coloca al mapeo en cero. Un mapeo del error con una posición tan grande de 5mm puede significar un gran impacto con los datos medidos compensados.

La mayoría del Software de CMM tiene algoritmos de medición que han sido certificados por un cuerpo nacional de acreditación tal como PTB; No existe ninguna acreditación para el creador de los algoritmos de mapeo del error. ¿Por qué No?, Los creadores de CMM de aluminio se validan sus complejas formulas matemáticas para proveer exactitudes volumétricas 3d en CMM´s. ¿Volarías en una aeroplano con un software no validado que maneje el piloto automático? ¿Podría ser que le permitieran al aeroplano dejar tierra?.

El mapeo del error es ciertamente un “arte oscuro” y en cierta manera la industria prefiere no discutir. ¿Por qué no?, ¿Hay algo que esconder? 

Las CMMs construidas mecánicamente exactas en los 70s y 80s se mantienen en uso regular hoy en día; ¿Que vida útil puedes esperar de las maquinas de aluminio hechas hoy en día?.

Wenzel esta orgulloso de poder cotizar CMM exactas con y sin mapeo de error. La diferencias mínimas indican que las estructuras que Wenzel construye son intrínsicamente exactas. Tal vez la industria de CMM debería preguntarse que tan exacto es su producto si se le quita el mapeo de error...

En una CMM Wenzel la exactitud es construida no agregada y nosotros hacemos una constante pregunta a la industria CMM:

"¿Porque mapear cuando se puede lapear?

Keith Mills

Presidente de Xspect Solutions

 

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February 5, 2012

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