TRABAJO METROLOGIA 2011-2012

Metrologa Industrial

Escuela Superior de IngenieraMster Universitario en Ingeniera Fabricacin


Roco Fernndez Garca

1


1. ObjetivosEn este trabajo se pretende primero dar una visin general de la metrologa industrial, centrndose luego en la metrologa en la industria aeronutica, en la cual se ir haciendo una pequea evolucin sobre los diferentes equipos segn aplicacin, rangos de medicin y precisin que se han ido utilizando hasta la actualidad.

2. Introduccin a la Metrologa Industrial.No existe una definicin clara y completa de la Metrologa, con la que al menos los metrlogos se encuentren satisfechos, fuera de la clsica que la define como ciencia de la medicin[1]. Sin duda ello es debido a que, estando latente en prcticamente todas las facetas de la vida diaria, casi nadie es consciente de ello. En un intento de definicin lo ms completa posible, se propone la siguiente: La Metrologa es la ciencia que tiene por objeto el estudio de las magnitudes medibles, los sistemas de unidades, los mtodos y tcnicas de medicin y la valoracin de la calidad de las mediciones, facilitando el progreso cientfico y el desarrollo tecnolgico y en consecuencia el bienestar social y la calidad de vida.[2] La Metrologa comprende pues todos los aspectos, tanto tericos como prcticos, que se refieren a las mediciones, cualesquiera que sean sus incertidumbres, y en cualesquiera de los campos de la ciencia y de la tecnologa en que tengan lugar. Cubre tres actividades principales: La definicin de las unidades de medida internacionalmente aceptadas. La realizacin de las unidades de medida por mtodos cientficos. El establecimiento de las cadenas de trazabilidad, determinando y documentando el valor y exactitud de una medicin y diseminando dicho conocimiento. La Metrologa se considera habitualmente dividida en tres categoras, cada una de ellas con diferentes niveles de complejidad y exactitud: 1. La Metrologa Cientfica, que se ocupa de la organizacin y el desarrollo de los patrones de medida y de su mantenimiento (el nivel ms alto). 2.La Metrologa Industrial, que asegura el adecuado funcionamiento de los instrumentos de medicin empleados en la industria y en los procesos de produccin y verificacin. 3. La Metrologa Legal, que se ocupa de aquellas mediciones que influyen sobre la transparencia de las transacciones comerciales, la salud y la seguridad de los ciudadanos.[1]

2


3. Introduccin a la metrologa industrial en el sector aeronutico.

Histricamente, los altos requisitos de seguridad en el sector aeronutico resultaban en que la industria (constructores y proveedores) centrara sus esfuerzos en el mbito de calidad en aspectos fundamentalmente concernientes al producto. Sin embargo, en los ltimos aos este sector comparte con otros segmentos de actividad industrial, como automocin o electrnica, la necesidad de ser competitivos en coste y plazo, garantizando a la vez la calidad en el producto. Una de las principales caractersticas constructivas del sector aeronutico est relacionada con las grandes dimensiones que tienen incluso las aeronaves de capacidad reducida. Este hecho obliga a las empresas de esta industria a disponer de unas infraestructuras dimensionadas de forma que puedan manipularse conjuntos de gran volumen. En fase de produccin se requiere maquinaria capaz de alojar grandes piezas e incluso en la fase de montaje las gradas y tiles utilizados llegan a tener dimensiones superiores a las de las alas o el fuselaje de la aeronave que se est fabricando. Este hecho dificulta el cumplimiento de los rigurosos estndares de calidad y efectivamente el mayor reto consiste no solamente en la fabricacin propiamente dicha de los conjuntos y los tiles necesarios para su montaje, sino en el control dimensional y alineacin del conjunto, figura 1.

Figura 1. Alineacin de conjuntos.

3


Construir aviones ha supuesto siempre buscar un complicado equilibrio entre el tamao de sus componentes y la exigencia de confeccionarlos minuciosamente. Ms que ningn otro aparato, los aviones materializan el concepto de que el diablo est en los detalles, porque en los pequeos fallos estriba el riesgo de un funcionamiento incorrecto, como una mayor resistencia al aire o una reducida autonoma de vuelo. Antes, las estructuras de gran tamao, como alas, fuselajes o estabilizadores verticales, eran difciles de fabricar de forma que fuesen idnticas entre s, porque no haba forma de medirlas correctamente. La tendencia avanza hacia transiciones ms suaves y, en la medida de lo posible, hacia diseos sin juntas. Est desapareciendo incluso el omnipresente remache, al menos de las superficies exteriores, para dejar paso a composites que fluyen sin interrupcin de una seccin a otra. La aplicacin de los materiales compuestos en aeronutica, al igual que en otros sectores industriales, ha tomado una importancia relevante en los ltimos aos. Este tipo de materiales aportan numerosas ventajas y beneficios respecto a los tradicionales componentes metlicos, que a paridad de resistencia, tienen un peso muy superior. Los materiales compuestos aportan adems una buena tolerancia a daos estructurales, una mayor estabilidad trmica y, por supuesto, una excelente resistencia a la corrosin. Sin embargo, debido a la menor uniformidad respecto a los materiales metlicos, los materiales compuestos presentan algunos inconvenientes desde un punto de vista de precisin dimensional. Esto se debe a la propia naturaleza de los materiales, que estn sujetos a deformaciones producidas por la propia estructura y por el proceso de fabricacin, que puede causar expansiones trmicas no uniformes, tensiones residuales inducidas por el curado, etc. La precisin geomtrica de las piezas es un factor clave en la reduccin de los costes de ensamblaje y la reduccin de costes de no calidad y por este motivo los controles dimensionales no slo se aplican al final del proceso de fabricacin sino que existen medidas para asegurar que el propio proceso es capaz de generar piezas aceptables, tanto dimensionalmente como en trminos de integridad estructural. [3]

4


4. Evolucin en los equipos y sistemas de metrologa aeronutico.Desde la antigedad para conocer las medidas de una pieza se han utilizado una serie de herramientas tradicionales como son la regla de acero, el pie de rey, la cinta mtrica, etc. Estas herramientas ofrecen una precisin pobre para las necesidades que se tienen en el sector aeronutico y han ido siendo remplazadas por otros equipos con mayor tecnologa y precisin. Se van a ver los diferentes equipos que se han ido utilizando hasta la actualidad.

Teodolito

El teodolito era el procedimiento normalizado tradicional de medicin para objetos de ms de 6 metros, pero estos aparatos se inventaron para medir la altitud de globos sonda, no para determinar con exactitud el extremo de un larguero forjado, a 15 o 30 metros de distancia. Aunque las mediciones efectuadas con el teodolito puedan ser realmente precisas, estn sujetas a interpretacin y, como tales, no son siempre reproducibles. Adems, los teodolitos son lentos, y medir unos pocos cientos de puntos puede llevar hasta varios das, en funcin de los obstculos encontrados.

MMC La Mquina de Medicin por Coordenadas (a partir de ahora MMC) puede ser definida como "una mquina que emplea tres componentes mviles que se trasladan a lo largo de guas con recorridos ortogonales, para medir una pieza por determinacin de las coordenadas X,Y y Z de los puntos de la misma con un palpador de contacto o sin l y un sistema de medicin del desplazamiento (escala),que se encuentran en cada uno de los ejes", figura 2.

Figura 2. Mquina de medir por coordenadas.

5


Como las mediciones estn representadas en el sistema tridimensional, la MMC puede efectuar diferentes tipos de medicin como son: dimensional, posicional, desviaciones geomtricas y mediciones de contorno. Los procedimientos de medicin y procesamiento de datos de las MMC, poseen una serie de caractersticas que se describen a continuacin: Primeramente se tiene un sistema de posicionamiento que provoca que el palpador alcance cualquier posicin en X, Y o Z; este sistema de posicionamiento ser accionado a travs de unos motores, que a su vez, poseen unos codificadores pticos rotatorios, los que producirn una seal adecuada para activar un contador que incrementa su nmero en relacin a la posicin 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 posicin. El sistema dispondr adems de un palpador que al ser accionado, har que los datos del contador del sistema de posicionamiento sean trabajados por la unidad principal de la MMC y sean transformados en coordenadas X, Y y Z y adems que se apliquen las frmulas programadas para despus desplegar los datos en una pantalla de cristal lquido. El sistema tambin posee una palanca de control que acciona directamente los servomotores provocando un desplazamiento manual de cada uno de los ejes. Por tanto las MMC son instrumentos que sirven para realizar mediciones dimensionales y de desviaciones de la regularidad geomtrica de objetos con forma simple o compleja. Aunque las Mquinas de Medicin por Coordenadas son diferentes entre s, dependiendo del volumen de medicin y la aplicacin para las que son fabricadas, todas operan bajo el mismo principio: el registro de una pieza con una tcnica de medicin punto a punto, asignando a cada uno de stos una terna de coordenadas referido a un sistema coordenado en 3D; y la vinculacin numrica de las coordenadas asignadas a los puntos, con una geometra espacial completa de la pieza a travs de un software de medicin en un equipo de procesamiento de datos. Una Mquina de Medida por Coordenadas es pues un instrumento de medida absoluta de precisin capaz de determinar la dimensin, forma, posicin y actitud de un objeto midiendo la posicin de distintos puntos de su propia superficie. Gracias a estas mquinas, hoy en da se trabaja mediante la toma de puntos en el espacio. Con estos puntos se construyen lneas, planos, crculos, etc., que tratados con los adecuados algoritmos matemticos permiten medir elementos geomtricos simples o complejos, como es el caso de las piezas fabricadas en las lneas de produccin de la industria aeronutica o automovilstica. Un volumen considerable de las piezas mecanizadas, tanto de la industria aeronutica como de la automovilstica, son de formas muy complejas con superficies de geometra irregular (aleta de un automvil, ala de un avin, etc.), lo que hace difcil tanto la programacin de las mquinas que deben realizar el mecanizado como el

6


proceso mismo de mecanizado. Esta dificultad hace que sean frecuentes los errores durante el proceso de puesta a punto de la fabricacin de piezas de este tipo, lo que requiere la realizacin de pruebas previas del proceso de fabricacin, el control dimensional de las piezas fabricadas y la correccin de los programas de control numrico. El proceso debe llevarse a cabo tantas veces como sea necesario, hasta conseguir unas piezas con las dimensiones acordes a las tolerancias exigidas. Este proceso es enormemente costoso y ello justifica la existencia de programas de ordenador que simulan el proceso de mecanizado, con lo que se reduce enormemente el proceso de puesta a punto de la fabricacin. No obstante, aun haciendo simulaciones de los procesos de mecanizado, es muy frecuente la existencia de errores en la fabricacin que slo se comprueban durante el proceso de control dimensional de las piezas fabricadas. El proceso completo es lento y como parte del mismo es necesario el uso de Mquinas de Medidas por Coordenadas con el software necesario para la programacin automtica del proceso de medida, as como personal debidamente cualificado.[2] Brazo articulado de medida:

Los brazos de medicin porttiles (figura 3) han cambiado de una forma radical la tecnologa de medicin. Realizan mediciones 3D de un modo sencillo y rpido con gran movilidad. Se pueden llevar a medir la pieza que te interese, buscando una buena zona de agarre para posteriormente calibrar y medir. Como resultado, se eleva la productividad del usuario y se reduce drsticamente el tiempo de medicin. A pesar de tener una incertidumbre alta y por tanto ser menos precisos, pueden ser la nica opcin de medir en una situacin especial. [4]

Figura 3. Brazo articulado de medida.

7


Laser tracker El sistema de seguimiento lser (figura 4) permite una medicin precisa, rpida y reproducible a grandes distancias. Son capaces de recopilar cientos de puntos en horas en vez de das. Los sistemas de seguimiento lser han desplazado a los teodolitos y se han convertido en la nueva puerta de entrada del diseo, el modelado, la produccin de herramientas, la fabricacin y el control de calidad en el sector aeronutico de todo el mundo.

Figura 4. Lser tracker.

Un sistema de seguimiento lser puede montarse en cualquier sitio, en un estudio de diseo o una fbrica, y su enorme rango operativo permite capturar las alas de los aviones ms grandes jams concebidos. El funcionamiento del instrumento es sencillo. El sistema se monta en un trpode y emite un lser que se refleja en un objetivo ubicado en el punto que va a medirse. A medida que el operario desplaza el objetivo de un punto a otro y la luz refleja de vuelta hacia el sistema de seguimiento, se efecta el clculo de la distancia a cada punto, con una precisin que alcanza los 0,003 mm. El laser tracker usa como palpadores unas esferas con un retroreflector incluido (SMR). El sistema enva un haz de lser a un reflector esfrico. A travs de ondas luminosas se calcula la distancia entre el tracker y el espejo reflector. As el tracker indica en tiempo real la posicin del reflector. Este proceso se repite mil veces por segundo, de forma que el haz de laser no pierda el SMR, incluso cuando ste est en movimiento. En la figura 5 se muestran los componentes del laser tracker.

8


Figura 5. Componentes del lser tracker.

El seguimiento lser est conectado a un ordenador porttil donde se verifican las mediciones instantneas comparndolas con las de un fichero CAD maestro. Como es preciso y sencillo de manejar, muchos usuarios tambin lo aplican a piezas de tamao moderado, alrededor de un metro de la dimensin ms larga. La velocidad de medicin de un sistema de seguimiento lser es al menos 20 veces ms rpida que la de los teodolitos. Gracias a esa velocidad, los tcnicos pueden tomar instantneas dimensionales de un proyecto mientras hacen cambios incrementales en un modelo o en el diseo de una herramienta, y despus medirlos con el lser para ver cmo interactan las piezas o las superficies entre s. Dado que cada ciclo de medicin slo suele llevar un par de minutos, los ajustes pueden ser pequeos, dando la posibilidad al equipo de diseo y a los fabricantes de herramientas de acercarse cautelosamente a la forma final que estn buscando. La posibilidad de repeticin y sustitucin de piezas y conjuntos existe desde hace tiempo, pero la calidad no deja de mejorar. Con ello se presenta tambin la necesidad de pensar de antemano cmo se agrupan y montan los subconjuntos. En la actualidad, la atencin que reciben las herramientas es an mayor que en generaciones anteriores de aeronaves, tanto en las piezas metlicas como en las de composite. La principal estructura de una herramienta aeroespacial es su bastidor. El bastidor es una estructura soldada de gran resistencia que suele fabricarse con el mismo material que la propia pieza, de manera que ambos se contraigan y dilaten al mismo ritmo (debido a los cambios de temperatura).

9


Luego estn las plataformas, que son zonas protegidas en las que se apoyan las piezas. Pueden ser lisas (planas) o curvas, segn el tamao y la forma de cada pieza. Adems, cuentan con unos sistemas de fijacin que sujetan las piezas con firmeza. . Y por ltimo aparece el posicionador de orificios. Los posicionadores de orificios tienen patillas de diversas formas, utilizadas por el operario para colocar correctamente la pieza en la herramienta. Las plataformas son perfectas para sujetar la pieza, pero, por lo general, slo la aseguran en una direccin. Los posicionadores de orificios se usan entonces para garantizar el posicionamiento repetitivo de la pieza en el conjunto final. Esto puede hacerse usando patillas que coincidan con los orificios o las ranuras y que limiten el movimiento en direcciones u orientaciones especficas. En su conjunto, estos detalles configuran los sistemas de control que garantizan el diseo buscado. Cuando los ingenieros de herramientas disean conjuntos, primero los colocan sueltos y luego ajustan la ubicacin de cada detalle con un seguidor lser hasta que el conjunto cumpla con lo especificado en el fichero CAD. Una herramienta de montaje contiene los detalles de ubicacin de piezas que permiten mantener unidos varios componentes, de forma que puedan ensamblarse para crear el conjunto. Las diversas herramientas de montaje pueden tener funciones variadas. En general, la primera herramienta de montaje sirve para agrupar los componentes principales, mientras que las siguientes ubican bastidores, travesaos y otras estructuras de soporte de la pieza. La ltima herramienta coloca el recubrimiento sobre el conjunto final, fijndolo al bastidor. Durante la creacin de una herramienta, el sistema de seguimiento lser primero sirve para colocar en su sitio la estructura del bastidor. Despus, se usa para fijar los detalles, asegurndose de que las patillas y las plataformas estn todas en sus ubicaciones correctas. El seguimiento lser tambin facilita la medicin directa con respecto a un fichero CAD a la hora de definir detalles con formas complejas. Una herramienta de fabricacin tiene los mismos detalles de ubicacin que una herramienta de montaje, pero agrega detalles como boquillas de perforacin y otras estructuras que permiten la fabricacin de las piezas. Adems de lo que un sistema lser pueda medir en una herramienta de montaje, las mediciones tambin confirman que tanto las boquillas de perforacin como las guas de formas complejas para encaminar o recortar piezas estn en la posicin correcta. Una vez instalada una herramienta, el sistema de seguimiento lser se emplea para medir todos los detalles y puntos de referencia y asegurarse de que estn bien colocados, as como para establecer un sistema de referencia patrn para el futuro mantenimiento e inspeccin de la herramienta.

10


Los ambientes con cambios de temperatura son otra situacin en la que el seguimiento lser simplifica la configuracin de la herramienta. Cada 5 segundos, el instrumento toma muestras de la temperatura ambiente, la presin y la humedad, compensando automticamente los cambios medioambientales para asegurar los resultados exactos del seguimiento lser. La herramienta se expande o se contrae en funcin de los cambios del entorno. Mediante un software, el usuario puede compensar la expansin o la contraccin de la herramienta, de acuerdo con la aleacin o los puntos de referencia previamente medidos, obtenidos durante el proceso de homologacin/calibracin. El trabajo puede escalarse de acuerdo con esos datos. Las fijaciones para las piezas remachadas se configuran de forma similar. La mayora empiezan con una plancha plana sobre la que se disponen las abrazaderas de sujecin para colocar las piezas sueltas. Cuando se han decidido las posiciones de ajuste perfecto en una herramienta de referencia de modelado, el seguidor lser se convierte en el nexo entre la referencia y la herramienta de trabajo. Con el lser, los ingenieros se aseguran de que las abrazaderas de la herramienta son exactamente iguales a las de referencia. Una vez bloqueados los tornillos de fijacin en las abrazaderas, la herramienta queda lista para generar la primera pieza. El diseo de aeronaves es inseparable del diseo de herramientas y, actualmente, ambas disciplinas siguen vas paralelas de desarrollo. En cuanto se ha consolidado un concepto de diseo, el sistema de seguimiento lser interviene para disear modelos fsicos, garantizando que tanto las piezas como las herramientas estn en consonancia con los modelos virtuales. Las modificaciones (por ejemplo, un nuevo perfil de unin del ala al fuselaje) se analizan capturando los cambios con el seguimiento lser; despus, estos datos se llevan a un programa de anlisis de superficies donde se reconstruyen como un nuevo modelo virtual. Posteriormente, la modificacin puede verificarse para su anlisis estructural o mediante tcnicas de CFD para evaluar sus propiedades de mecnica de fluidos. El sistema de seguimiento lser es tambin til en el desarrollo de tiles de moldeo (figura 6) y bobinadoras para piezas de composite, porque algunas de ellas son enormes, en especial las de reactores militares o comerciales.

Figura 6. til de moldeo.

11


Por ejemplo, la plancha del ala del F-35 mide 15 metros, y un estabilizador de un transporte militar tiene 14 metros de altura. Incluso algunas bobinadoras producen piezas de fuselaje que sobrepasan los 3 metros. El lser tracker ha permitido agilizar el proceso productivo y los controles finales, eliminando la necesidad de medir los conjuntos en mquinas tridimensionales y por lo tanto eliminando tambin las restricciones en volumen de los conjuntos. Este hecho es particularmente relevante ya que cada vez ms se fabrican componentes estructurales de grandes dimensiones en materiales compuestos. [5] Tan importante como el tamao que puede gestionar el instrumento es la precisin que alcanza. Esto es especialmente importante cuando las piezas fabricadas van a intercambiarse. La creacin de moldes sigue teniendo mucho de arte, pero la metrologa digital est orientndose cada vez ms hacia la ciencia, para reducir al mnimo las pruebas de ensayo y error. Cuando un fabricante de herramientas recibe el modelo de la estructura, como un ala o una pieza de la cola, crea una herramienta virtual que incluye las superficies de moldeo. El arte interviene a la hora de saber cmo construir toda la pieza, de forma que la superficie se sostenga rgidamente y no cambie bajo el peso de la masa de polmero. Actualmente, los fabricantes de moldes confan en invar, una aleacin con un coeficiente muy bajo de expansin trmica. Su estabilidad trmica lo hace ideal para las resinas en estado B que van a endurecerse en autoclave. La contrapartida del invar es que resulta caro y difcil de mecanizar, por lo que es crucial evitar los errores. Los moldes estn formados por dos zonas: la superficie slida que est en contacto con el composite y le da forma y la estructura de soporte. Ambas estn hechas de invar. La rigidez total es fundamental. Una vez formada la superficie del molde, la estructura de soporte debe mecanizarse de manera que la cara exterior de la superficie del molde anide perfectamente en l y quede sujeta por la estructura. Cada columna vertical de la estructura de soporte es como una abrazadera bajo la superficie de montaje. Para conseguir una forma de anidado correcta, los fabricantes de herramientas utilizan un seguimiento lser para medir los cortes en la estructura hasta que el nido coincida exactamente con la cara inferior del molde. Pocos diseos consiguen llegar al montaje sin haber sufrido cambios, pero con un sistema de seguimiento lser, las modificaciones no tienen que ralentizar el desarrollo de las herramientas, porque el sistema puede usarse para posicionar las modificaciones que vayan surgiendo. Al ubicar mediante el seguimiento lser cada modificacin, como un orificio o una abrazadera de soporte adicionales, los tcnicos slo tienen que hacerlo una vez, gracias a la precisin del posicionamiento.

12


Las superficies de los moldes y las bobinadoras se comprueban rpidamente mediante el seguimiento lser. Al deslizar la esfera objetivo sobre secciones determinantes de la superficie de la herramienta, un tcnico genera una lnea de puntos en el ordenador del instrumento, no un nico punto. Si cubre la regin de la herramienta con un patrn de rejilla, el tcnico captura la forma de su superficie en forma de nube de puntos 3D. La comparacin con el fichero CAD de superficie permite a los desarrolladores de la herramienta saber de inmediato dnde y cunto debe ser modificada la superficie. Lo ltimo en creacin de prototipos es el uso de un sistema de seguimiento lser para construir directamente sobre un modelo CAD, con lo que se elimina la necesidad de fijaciones rgidas que slo podran usarse una o dos veces antes de ser descartadas. El sistema de seguimiento lser, actuando como un calibre virtual, se usa para crear herramientas provisionales o modulares, a modo de mecanos gigantes, que pueden reconfigurarse en minutos, ahorrando en costes de herramientas para nuevos programas. Una vez que el proceso de mecanizado genera piezas ideales con las dimensiones correctas, el problema es ver cmo se desarrolla la fabricacin. El sistema de seguimiento lser ayuda a este proceso. Las primeras piezas se miden con el instrumento y se comparan con el diseo estndar. Los ajustes que deban efectuarse sobre el mecanizado aparecern de inmediato en el programa operativo del instrumento. Finalmente, las herramientas cambian con el uso. Dado que el composite es altamente abrasivo, los moldes y las bobinadoras se desgastan con el uso, el sistema de seguimiento lser proporciona a los fabricantes de aeronaves un medio sencillo y rpido para volver a certificar la validez de las herramientas con respecto a las especificaciones de diseo. Por ejemplo, una herramienta tpica de 50 patillas puede comprobarse normalmente en un plazo tan breve como 10 minutos. Ningn otro instrumento confiere a los constructores de aeronaves la capacidad de dominar el proceso completo de fabricacin desde el diseo hasta la comprobacin final de las dimensiones. Gracias a su gran rango, precisin, velocidad y facilidad de comunicacin, el sistema de seguimiento lser ofrece a los fabricantes aeroespaciales la capacidad de ser ms competitivos, llevando el proceso completo de diseo y desarrollo al campo virtual.[4], [6]

13


A continuacin se muestran algunas imgenes sobre sus aplicaciones:

Figura 7. Asistencia en el montaje de grandes estructuras, utillaje de precisin.

Figura 8. Asistencia en el montaje de grandes estructuras, utillaje de precisin.

14


Figura 9. Medicin de grandes aeroestructuras.

Figura 10. Medicin de grandes aeroestructuras.

15


Figura 10. Automatizacin de procesos de ensamblaje mediante medicin lser.

Lser escner El lser escner (figura 11) es un sistema de medicin sin contacto que realiza una captura masiva de puntos. Tiene una precisin limitada de 1mm y se utiliza en aplicaciones que requieren un post- procesado de datos.[4]

Figura 11. Lser escner.

16


Lser radar El lser radar (figura 12) es un sistema de medicin y digitalizacin automtico programable sin contacto que no precisa fotogrametra, ni reflectores o palpadores. Tiene un volumen de medicin amplio de hasta 50 m. Permite la posibilidad de ampliar el rango de visin tanto alrededor como detrs de los objetos a travs de espejos. Sirve tanto para escaneado de piezas como para mediciones de un solo punto. Permite la integracin de mltiples Laser Radar en una misma medicin con una alta rapidez de recoleccin de datos. Es flexible y automatizable. [4]

Figura 12. Lser radar.

Estacin total La estacin total (figura 13) es un sistema de medicin de contacto o sin contacto, que permite escaneado, con una captura de datos limitadas y precisiones entorno a 1mm. Permite medicin directa, posibilidad de gran alcance (800m), gran fiabilidad y uso muy extendido.

Figura 13. Estacin total.

17


Se denomina estacin total a un aparato electro-ptico utilizado en topografa, cuyo funcionamiento se apoya en la tecnologa electrnica. Consiste en la incorporacin de un distancimetro y un microprocesador a un teodolito electrnico. Algunas de las caractersticas que incorpora, y con las cuales no cuentan los teodolitos, son una pantalla alfanumrica de cristal lquido (LCD), leds de avisos, iluminacin independiente de la luz solar, calculadora, distancimetro, trackeador (seguidor de trayectoria) y la posibilidad de guardar informacin en formato electrnico, lo cual permite utilizarla posteriormente en ordenadores personales. Vienen provistas de diversos programas sencillos que permiten, sencilla y eficaz y clculo de acimuts y distancias. Vista como un teodolito; una estacin total se compone de las mismas partes y funciones. El estacionamiento y verticalizacin son idnticos, aunque para la estacin total se cuenta con niveles electrnicos que facilitan la tarea. Los tres ejes y sus errores asociados tambin estn presentes: el de verticalidad, que con la doble compensacin ve reducida su influencia sobre las lecturas horizontales, y los de colimacin e inclinacin del eje secundario, con el mismo comportamiento que en un teodolito clsico, salvo que el primero puede ser corregido por software, mientras que en el segundo la correccin debe realizarse por mtodos mecnicos. El instrumento realiza la medicin de ngulos a partir de marcas realizadas en discos transparentes. Las lecturas de distancia se realizan mediante una onda electromagntica portadora con distintas frecuencias que rebota en un prisma ubicado en el punto a medir y regresa, tomando el instrumento el desfase entre las ondas. Algunas estaciones totales presentan la capacidad de medir "a slido", lo que significa que no es necesario un prisma reflectante. Este instrumento permite la obtencin de coordenadas de puntos respecto a un sistema local o arbitrario, como tambin a sistemas definidos y materializados. Para la obtencin de estas coordenadas el instrumento realiza una serie de lecturas y clculos sobre ellas y dems datos suministrados por el operador. Las lecturas que se obtienen con este instrumento son las de ngulos verticales, horizontales y distancias. Otra particularidad de este instrumento es la posibilidad de incorporarle datos como coordenadas de puntos, cdigos, correcciones de presin y temperatura, etc. La precisin de las medidas es del orden de la diezmilsima de gonio en ngulos y de milmetros en distancias, pudiendo realizar medidas en puntos situados entre 2 y 5 kilmetros segn el aparato y la cantidad de prismas usada. entre otras capacidades, el clculo de coordenadas en campo, replanteo de puntos de manera

Genricamente se los denomina estaciones totales porque tienen la capacidad de medir ngulos, distancias y niveles, lo cual requera previamente de diversos instrumentos. Estos teodolitos electro-pticos hace tiempo que son tcnica accesible desde el punto de vista econmico. una realidad

18


Su precisin, facilidad de uso y la posibilidad de almacenar la informacin para descargarla despus en programas de CAD ha hecho que desplacen a los teodolitos, que actualmente estn en desuso. [4], [7]

IGPSEl iGPS es un sistema modular ampliable, de gran capacidad (volumen de medicin ilimitado) que permite el seguimiento y localizacin en grandes volmenes de varios puntos con una buena precisin y un alto rendimiento. Tiene bajo coste por punto medido. Es utilizado principalmente por los fabricantes aeroespaciales, pero tambin es adoptado por los fabricantes de automocin e industriales tanto para aplicaciones de posicionamiento y seguimiento. El proceso de captura de datos se realiza de la siguiente manera: primero el transmisor emite el lser, los sensores detectan las seales de luz y envan las seales a los receptores, que lo procesan y envan al rea de trabajo de software para que procesen los datos de ngulo en la posicin de alta precisin y la informacin de orientacin, figura 14.

Figura 14. Proceso de captura de datos

Se utiliza para: o o o o o o Alineacin y ensamblaje de grandes componentes, figura 15. Inspeccin de reas. Monitorizacin de sistemas robticos. Medicin e inspeccin parcial y total de naves. Medicin de grandes componentes, figura 16. Guiado de robots para obtener precisin, robots cooperantes, AGVs, mecanismos de ensamblaje...

19


Figura15. Ensamblado de fuselaje de avin

Figura 16. Medicin de fuselaje

Entre las ventajas del iGPS respecto al laser-tracker estn, su menor coste y su mejor funcionamiento en volmenes de trabajo superiores a 10x10x10metros. Como desventaja se puede sealar su peor precisin, donde el lser-tracker aporta una gran estabilidad. [7], [8] Fotogrametra La fotogrametra es una tcnica para determinar las propiedades geomtricas de los objetos y las situaciones espaciales a partir de imgenes fotogrficas. Puede ser de corto o largo alcance. Si trabajamos con una foto podemos obtener informacin en primera instancia de la geometra del objeto, es decir, informacin bidimensional. Si trabajamos con dos fotos, en la zona comn a stas (zona de solape), podremos tener visin estereoscpica; o dicho de otro modo, informacin tridimensional. Bsicamente, es una tcnica de medicin de coordenadas 3D, tambin llamada captura de movimiento, que utiliza fotografas u otros sistemas de percepcin remota junto con puntos de referencia topogrficos sobre el terreno, como medio fundamental para la medicin.

20


Un sistema digital de fotogrametra de precisin se puede considerar como una mquina de medir por coordenadas porttil, figura 18.

Figura 17. Sistema digital de fotogrametra.

Luz blanca estructurada

La digitalizacin 3D consiste en un procesado digital de las superficies que componen un objeto para extraer las coordenadas de los puntos que las representan. Actualmente existen tcnicas que permiten una captura masiva de puntos con alta velocidad y precisin, entre las que se encuentran las de captura ptica y las de contacto. La digitalizacin por luz blanca estructurada consiste en proyectar sobre la superficie de la pieza una serie de franjas luminosas verticales blancas y negras. La informacin tridimensional se obtiene analizando la deformacin que las lneas proyectadas sufren al reflejarse sobre la superficie del objeto. Una cmara integrada en el cabezal de medida captura una serie de imgenes en las que se observa la pieza y la deformacin que sufren las lneas de luz. Este proceso se realiza en pocos segundos. A partir de estas imgenes se calcula una nube de puntos 3D correspondientes a las coordenadas x, y, z de la superficie del objeto. Los objetivos que persigue la digitalizacin pueden ser muy variados, entre ellos destacan: - Obtencin de modelo facetado o triangulado (STL) para realizar representaciones virtuales, infografas, catlogos o pginas web. - Obtencin de un modelo STL para la realizacin de una rplica de la pieza original mediante tcnicas de Prototipado Rpido. - Obtencin de un modelo STL para mecanizacin de la pieza (mediante CNC). - Comparativa del modelo real (obtenido por la digitalizacin) frente al modelo terico CAD (mediante diseo asistido por ordenador) para inspeccin y verificacin dimensional.

21


- Comparativa dimensional entre objetos digitalizados para el anlisis de diferencias de forma en modelos similares o tericamente idnticos. - Obtencin de un modelo de elementos finitos para aplicaciones de clculo estructural, trmico y otras simulaciones, sobre el modelo real. - Ingeniera Inversa: generacin de las superficies del objeto a partir de los datos digitalizados, con posibilidades de rediseo e introduccin de modificaciones en el modelo CAD. La ventaja de los escneres 3D de luz estructurada es la velocidad. En vez de escanear un punto a la vez, escanean mltiples puntos o el campo entero del panorama inmediatamente. Esto reduce o elimina el problema de la deformacin del movimiento. Algunos sistemas existentes son capaces de escanear objetos en movimiento en tiempo real. Esto nos dice que aunque hay algunos que estn digitalizando con lser, si este lser no es de los de ltima generacin y gama alta, se encuentran con un resultado de mallas no uniformes, y con estridencias dentro de ellas, que redundan en una baja calidad del digitalizado, por lo que tambin tendrn una baja calidad en la recuperacin de superficies, sobre todo si no se trabaja con software preparado para obtener superficies. [2] Medidor de espesor por ultrasonidos Como su propio nombre indica es un medidor de espesor de material (figura 18), manejable y sencillo de usar, que permite efectuar mediciones de forma precisa mediante ultrasonido. Permite ajustar la velocidad del sonido, lo que la hace idneo para medir materiales como el acero, el aluminio, el vidrio y otros plsticos homogneos. As pues, con este medidor se puede efectuar mediciones en tanques, tubos y otros materiales que tienen un recubrimiento.

Figura 18. Medidor de espesores por ultrasonidos.

22


El mtodo por ultrasonidos lo que hace es medir el tiempo que tarda una onda ultrasnica en entrar y salir de un objeto slido, ya que al encontrarse con una superficie exterior de fondo, se refleja un porcentaje de la onda. A esta porcin de onda reflejada se le llama eco, que es la que finalmente es registrada por el receptor. El espesor de la pieza se determina midiendo el tiempo que la onda tard en ir y regresar de un extremo al otro, teniendo en cuenta la velocidad de propagacin del sonido dentro del material analizado. A partir de este mtodo se define que el espesor de un material, es igual al producto entre la velocidad de propagacin de la onda ultrasnica en el material y la mitad del tiempo en que se transmite. En el caso del sector aeronutico este aparato se usa por ejemplo para medir los espesores de las piezas despus de haberlas sometido a un fresado qumico. [10] tiles de control Como es bien sabido, debido a la naturaleza de los productos crticos, en el sector aeronutico, la necesidad de garantizar una total ausencia de defectos es de suma importancia. Por otro lado, la imperiosa necesidad de limitar los costes productivos para mantener un cierto nivel de competitividad, hace que frecuentemente se genere un conflicto entre ambos objetivos. En una fase intermedia entre la exigencia del control de calidad y la eficiencia econmica, los tiles de control han encontrado un espacio donde maximizar su utilidad. Aun as existen ciertas limitaciones que hacen que esta herramienta no sea la nica solucin. La propia complejidad de las piezas a controlar afectan directamente la complejidad del til de control, haciendo que la implicacin de las partes involucradas en su desarrollo sea elevada para garantizar su funcionalidad, su integridad durante el uso y la integridad de las partes controladas, as como tambin, evidentemente, la precisin de los controles, para rechazar efectivamente las piezas defectuosas y probar la conformidad de las piezas que cumplen los requisitos de calidad. Por estos motivos, no solo el diseo y la fabricacin del til deben realizarse con extremo cuidado, sino tambin su certificacin final como herramienta de control vlida, y ello requiere la dedicacin de personas y empresas con cierta experiencia y conocimientos especficos en este campo. En funcin de las caractersticas del til de control, la recopilacin de datos ser ms o menos sencilla y efectiva. En un contexto de industria moderna, fuertemente influenciado por el lean manufacturing y los programas de 6 sigma, un til de control que permita una recogida de mltiples datos de forma rpida y fiable aporta un valor considerable a la hora de realizar controles estadsticos de proceso que permitan ajustar las variables de produccin antes de que las piezas fabricadas queden fuera de las especificaciones de calidad. Los tiles de control tradicionales presentan ciertas

23


limitaciones en este sentido, motivo por el cual se implementan cada vez ms los tiles de control automatizados, que suelen tener buena aceptacin, manteniendo cierto equilibrio entre inversin y ahorros derivados de la eliminacin de costes de no calidad y costes de la propia funcin de control de calidad en planta. Otra limitacin importante del til de control es el hecho de estar diseado especficamente para una pieza. Existen tcnicas que permiten la concepcin de tiles con postizos desmontables e intercambiables para diferentes versiones de un mismo componente, pero no pueden ser reutilizados para piezas para las que no han sido diseados. Esto a su vez lleva a otro inconveniente, el almacenamiento: por un lado existen generalmente grandes cantidades de tiles, uno para cada referencia fabricada y, por otro, es habitual que se mantengan durante toda la vida til del programa, para poder garantizar los controles de produccin. Aqu juega un papel importante la calidad de los materiales y los acabados del til de control, as como la correcta identificacin. su durabilidad. Las nuevas tecnologas disponibles permiten crear aplicaciones nuevas que reducen an ms la divergencia entre objetivos de inversin en controles de calidad y optimizacin de costes productivos. [11] En muchos casos se utilizan materiales robustos e incluso recubrimientos tcnicos para los elementos ms importantes, con el fin de garantizar

5. ConclusionesComo conclusin se puede decir que el sector aeronutico siempre ha sido un poco conservador pero que en estos ltimos tiempos ha ido cambiando e incorporando muchos avances y tecnologas y que un futuro tiende a la completa automatizacin. Cada da la industria aeronutica se parece ms a la industria de automocin, al menos en los aspectos relacionados con la optimizacin de los procesos productivos. Es notable el cambio que ha experimentado la industria en direccin a la produccin en lnea, tpica del sistema Toyota, y que ha implicado la adopcin de filosofas de trabajo como el Lean Manufacturing. Al igual que en la industria del automovil, la aeronave en fase de produccin avanza lentamente por la lnea mientras se van incorporando todos los procesos: materiales, montaje, equipamiento, etc. Esta tendencia se debe fundamentalmente al fuerte crecimiento de las unidades producidas y a las previsiones de aumento de la flota mundial de aeronaves.

24


6. Referencias Bibliogrficas1. Metrologa bsica, URL: http: www. metrologia-ema.com 2. La metrologa dimensional en Asturias, URL: http// www.clubcalidad.com 3. Calidad en la industria aeronutica: Producto + Proceso, URL: http// www. measurecontrol.com 4. Tcnicas basadas en lser para metrologa de alto rango. URL: http// www. forotecnologicoyempresarial.com 5. Control dimensional de piezas en materiales compuestos, URL: http// www. measurecontrol.com 6. Lser tracker. URL: htpp//www.faro.com 7. PFC: Tcnica de alineacin de sistemas de referencia de sensores de medida a bordo para calibracin de robots industriales. Aplicacin a palpadores autocentrantes de cinemtica paralela. 8. Metrologa Sariki, URL:htpp//www.sariki.es 9. Ecodiseo, medicin y magnetismo en el sector de la mquina-herramienta, URL: http// www.interempresas.net 10. Medidores de espesores por ultrasonidos, URL: http: www.pce-iberica.es 11. Serra aeronautics, URL: http// www.serra-aeronautics. com

25

TRABAJO METROLOGIA 2011-2012

Documents

Transcript of TRABAJO METROLOGIA 2011-2012