Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones

504 Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Dpto. Ingeniería Mecánica y Fabricación Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Autor: Richard Quishpe Flores Tutor: Jaime Domínguez Abascal Sevilla, 2022 iii Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Autor: Richard Quishpe Flores Tutor: Jaime Domínguez Abascal Catedrático de Universidad Dpto. de Ingeniería Mecánica y Fabricación Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 v Trabajo Fin de Grado: Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Autor: Richard Quishpe Flores Tutor: Jaime Domínguez Abascal El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2022 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis maestros ix Agradecimientos Agradecer a mis tutores, Jaime Domínguez Abascal, por parte de la universidad de Sevilla y Francisco González Gómez, por parte de Centro Andaluz de Metrología. Por su paciencia y apoyo en la elaboración del presente trabajo fin de grado. También agradecer al Centro Andaluz de Metrología el haberme dado la posibilidad de elaborar este estudio y prestarme todos los instrumentos necesarios para su ejecución. Por último, quiero agradecer a mi familia y mi pareja por su constante apoyo y ánimo a lo largo de toda mi carrera universitaria. El camino puede ser largo y tedioso, pero con el entorno adecuado se consigue cualquier meta. Figura 37 Montaje esfera patrón y sensor de desplazamiento 24 Figura 38 Montaje del mandrino y los sensores de desplazamiento 25 Figura 39 Montaje para el cálculo de la flexión de los soportes 26 Figura 40 Montaje de los relojes comparadores para eliminar el error axial 27 Figura 41 Montaje escuadra patrón y sensor de desplazamiento 28 Figura 42 Montaje de la regla patrón y mesa de referencia indexable 29 Figura 43 Tipos de montajes del láser según la posición de la escuadra óptica 30 Figura 44 Análisis y representación de los datos 31 Figura 45 Montaje de la regla sobre el componente giratorio 32 Figura 46 Montaje mandrino y sensor de desplazamiento sobre los ejes de giro 32 Figura 47 Representación de los resultados del ensayo de circularidad 33 Figura 48 Montaje del sensor de desplazamiento 33 Figura 49 Montaje sensores de desplazamiento y patrón circular 34 Figura 50 Montaje Ball-bar 34 Figura 51 Montaje escala digital bidimensional 35 Figura 52 Montaje de placa y sensor de referencia 36 Figura 53 Montaje del láser y sus ópticas 37 Figura 54 Presentación de los resultados 37 Figura 55 Montaje del Ball-bar para medición cónica 38 Figura 56 Montaje en el caso de líneas medias perpendiculares 39 Figura 57 Montaje en el caso de líneas medias no perpendiculares 39 Figura 58 Diferentes tipos de distribuciones conociendo sus límites ± a 43 Figura 59. Formato tabla incertidumbre 44 ANEXO I Figura AI. 1 Ensayo de rectitud con regla y comparador 52 Figura AI. 2 Ensayo de rectitud con interferómetro láser (opción 1) 53 Figura AI. 3 Ensayo de rectitud con interferómetro láser (opción 2) 54 Figura AI. 4 Ensayo de rectitud (eje vertical) con interferómetro láser (opción 1) 55 Figura AI. 5 Ensayo de rectitud (eje vertical) con interferómetro láser (opción 2) 55 Figura AI. 6 Obturador del cabezal láser con haz reducido 56 Figura AI. 7 Interferómetro de rectitud (posición 1) 56 Figura AI. 8 Interferómetro de rectitud (posición 2) 56 Figura AI. 9 Reflector de rectitud 57 Figura AI. 10 Obturador del cabezal láser 57 Figura AI. 11 Diferentes casos de desalineación en el objetivo del obturador 57 Figura AI. 12 Obturador del cabezal láser con haz completo 58 Figura AI. 13 Interferómetro de rectitud 58 Figura AI. 14 Obturador del cabezal láser con haz reducido 58 xvii Figura AI. 15 Espejo giratorio 59 Figura AI. 16 Retroflector de gran tamaño 59 Figura AI. 17 Espejo giratorio 59 Figura AI. 18 Recorrido haz de láser 60 Figura AI. 19 Desalineación del objetivo del obturador 60 Figura AI. 20 Obturador del cabezal láser con haz reducido 61 Figura AI. 21 Criterio de signos para el ensayo de rectitud 62 Figura AI. 22 Ensayo de posicionamiento lineal 63 Figura AI. 23 Ensayo de posicionamiento lineal (opción 1) 64 Figura AI. 24 Ensayo de posicionamiento lineal (opción 2) 64 Figura AI. 25 Ensayo de posicionamiento lineal (opción 3) 64 Figura AI. 26 Ensayo de posicionamiento lineal (opción 4) 65 Figura AI. 27 Ensayo de posicionamiento lineal (opción 5) 65 Figura AI. 28 Reflector lineal 66 Figura AI. 29 Reflector lineal 66 Figura AI. 30 Obturador del cabezal láser 66 Figura AI. 31 Montaje interferómetro lineal 67 Figura AI. 32 Interferómetro lineal con objetivo 67 Figura AI. 33 Obturador del cabezal láser 67 Figura AI. 34 Obturador del cabezal láser 68 Figura AI. 35 Ajuste de cabeceo en el obturador del cabezal láser 68 Figura AI. 36 Ajuste de altura en el obturador del cabezal láser 68 Figura AI. 37 Ajuste de ladeo en el obturador del cabezal láser 68 Figura AI. 38 Ajuste de horizontal en el obturador del cabezal láser 69 Figura AI. 39 Ajuste de intensidad en el obturador del cabezal láser 69 Figura AI. 40 Compensador ambiental y sensores de temperatura 70 Figura AI. 41 Ensayo de movimiento angular 71 Figura AI. 42 Ensayo de movimiento angular (opción 1) 72 Figura AI. 43 Ensayo de movimiento angular (opción 2) 72 Figura AI. 44 Montaje para error de ladeo (opción 1) 73 Figura AI. 45 Montaje para error de ladeo (opción 2) 73 Figura AI. 46 Montaje para error de ladeo o cabeceo en eje vertical 74 Figura AI. 47 Obturador del cabezal láser 74 Figura AI. 48 Reflector angular con objetivo 74 Figura AI. 49 Obturador del cabezal láser 75 Figura AI. 50 Montaje interferómetro angular 75 Figura AI. 51 Interferómetro angular 75 Figura AI. 52 Obturador del cabezal láser 76 Figura AI. 53 Ajuste horizontal del cabezal láser 76 Figura AI. 54 Ajuste vertical del cabezal láser 76 Figura AI. 55 Obturador del cabezal láser con haz completo 77 Figura AI. 56 Ensayo de posicionamiento angular 78 Figura AI. 57 Posición bloqueado/desbloqueado del indexador 79 Figura AI. 58 Montaje del indexador (opción 1) 79 Figura AI. 59 Montaje del indexador (opción 2) 80 Figura AI. 60 Ventana de selección de rango en el software 80 Figura AI. 61 Rangos según intervalos de medición 81 Figura AI. 62 Recorrido unidireccional 81 Figura AI. 63 Recorrido bidireccional 81 Figura AI. 64 Secuencia alternativa (opción 1) 81 Figura AI. 65 Secuencia alternativa (opción 2) 82 Figura AI. 66 Ventana del software para mover el indexador a posición de referencia 82 Figura AI. 67 Ensayo de paralelismo con sensor de desplazamiento 84 Figura AI. 68 Montaje de las ópticas para ensayo de paralelismo (opción 1) 85 Figura AI. 69 Montaje de las ópticas para ensayo de paralelismo (opción 2) 85 Figura AI. 70 Montaje de las ópticas para ensayo de paralelismo (opción 2) 86 Figura AI. 71 Criterio de signos (opción 1) 86 Figura AI. 72 Criterio de signos (opción 2) 87 Figura AI. 73 Ventana del software para definir las propiedades 87 Figura AI. 74 Ensayo de paralelismo con sensor de desplazamiento y mandrino 88 Figura AI. 75 Ensayo de paralelismo con láser de rectitud 89 Figura AI. 76 Criterio de signos 89 Figura AI. 77 Ensayo de paralelismo con sensor de desplazamiento y mandrino 90 Figura AI. 78 Ensayo de paralelismo con sensor de desplazamiento y mandrino 91 Figura AI. 79 Ensayo de coaxialidad con sensor de desplazamiento y mandrino 91 Figura AI. 80 Montaje opcional para el ensayo de coaxialidad 92 Figura AI. 81 Ensayo de perpendicularidad con sensor de desplazamiento y escuadra patrón 93 Figura AI. 82 Montaje para ensayo de perpendicularidad (opción 1) 94 Figura AI. 83 Montaje para ensayo de perpendicularidad (opción 2) 95 Figura AI. 84 Montaje para ensayo de perpendicularidad (opción 3) 96 Figura AI. 85 Montaje para ensayo de perpendicularidad (opción 4) 97 Figura AI. 86 Ajuste de la escuadra óptica 98 Figura AI. 87 Montaje reflector de rectitud 98 Figura AI. 88 Interferómetro de rectitud 98 Figura AI. 89 Interferómetro de rectitud 99 Figura AI. 90 Reflector de rectitud 99 Figura AI. 91 Obturador del cabezal láser 99 Figura AI. 92 Haz completo en el obturador del cabezal láser 100 xix Figura AI. 93 Criterio de signos 100 Figura AI. 94 Criterio de signos 101 Figura AI. 95 Interferómetro de rectitud 101 Figura AI. 96 Haz reducido en el obturador del cabezal láser 101 Figura AI. 97 Montaje espejo vertical 102 Figura AI. 98 Ajuste espejo vertical 102 Figura AI. 99 Montaje interferómetro de rectitud 103 Figura AI. 100 Ajuste interferómetro de rectitud 103 Figura AI. 101 Ajuste espejo vertical 104 Figura AI. 102 Haz de láser sobre Escuadra óptica 104 Figura AI. 103 Haz de láser sobre reflector de rectitud 105 Figura AI. 104 Haz de láser sobre interferómetro de rectitud 105 Figura AI. 105 Haz de láser sobre obturador del cabezal láser 105 Figura AI. 106 Haz de láser sobre reflector de rectitud 106 Figura AI. 107 Haz de láser sobre interferómetro de rectitud 107 Figura AI. 108 Perpendicularidad entre dos ejes de revolución 108 Figura AI. 109 Ensayo de planitud con sensor de desplazamiento y superficie de referencia 108 Figura AI. 110 Ensayo de planitud con interferómetro láser 109 Figura AI. 111 Mapa de resultados 109 Figura AI. 112 Montaje para ensayo de planitud 110 Figura AI. 113 Método Moody 110 Figura AI. 114 Método de cuadriculas 111 Figura AI. 115 Montaje interferómetro y reflector angular 112 Figura AI. 116 Haz de láser sobre espejo giratorio 112 Figura AI. 117 Ajuste del reflector angular 113 Figura AI. 118 Colocación reflector angular con respecto al interferómetro angular 113 Figura AI. 119 Montaje interferómetro y reflector angular 114 Figura AI. 120 Montaje espejos giratorios 114 Figura AI. 121 Haz de láser sobre espejo giratorio 115 Figura AI. 122 Ajuste interferómetro angular 115 Figura AI. 123 Haz de láser sobre el obturador del cabezal láser 115 Figura AI. 124 Prueba circular con Ball-bar 117 Figura AI. 125 Ball-bar 117 Figura AI. 126 Montaje copa magnética 118 Figura AI. 127 Montaje copa magnética sobre husillo 118 Figura AI. 128 Montaje bola de reglaje y copa del montaje central 119 Figura AI. 129 Calibrador 119 Figura AI. 130 Ventana configuración de ensayo 120 Figura AI. 131 Ventana configuración de ensayo 120 Figura AI. 132 Ventana principal de ensayo 122 Figura AI. 133 Ventana configuración de ensayo 1 123 Figura AI. 134 Ventana configuración de ensayo 2 123 Figura AI. 135 Secuencia lineal bidireccional 124 Figura AI. 136 Secuencia de peregrinación bidireccional 125 Figura AI. 137 Secuencia de péndulo bidireccional 126 Figura AI. 138 Ventana configuración de ensayo 3 126 Figura AI. 139 Ventana configuración de ensayo 4 127 Figura AI. 140 Ventana de resultados 128 Figura AI. 141 Ventana de gráfico de resultados 129 Figura AI. 142 Tipos de análisis 130 Figura AI. 143 Ventana 1 de configuración 131 Figura AI. 144 Ventana 2 de configuración 132 Figura AI. 145 Ventana de generador de programas automáticos 132 Figura AI. 146 Ventana de resumen del ensayo 133 Figura AI. 147 Ventana 3 de configuración 133 Figura AI. 148 Ventana 3 de configuración con opción de calibración activa 134 Figura AI. 149 Ventana de configuración anterior a la toma de datos 134 ANEXO II Figura AII. 1 Esquema máquina Gantry 139 Figura AII. 2 Esquema montaje ensayo de rectitud en plano vertical 140 Figura AII. 3 Tabla de datos ensayo de rectitud 141 Figura AII. 4 Gráfica ensayo de rectitud 142 Figura AII. 5 Recorrido bidireccional alternativo 144 Figura AII. 6 Tabla de datos ensayo de posicionamiento angular 145 Figura AII. 7 Gráfica ensayo de posicionamiento angular 145 1 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Objeto del trabajo de fin de grado Hoy en día las exigencias de calidad y bajo coste exigidas a la industria moderna hacen necesario que las tecnologías de fabricación evolucionen y creen métodos de medición más sofisticados para que las maquinas herramientas sean más productivas. Cuando en un proceso productivo se encuentra una maquina mal calibrada esto lleva a producir pérdidas de tiempo y material, lo que da como resultado el aumento del tiempo y el coste de producción. Las piezas necesitan un buen acabado dimensional para cumplir con los requisitos de los clientes, además de cumplir ciertas normas de calidad. Por todo ello, es crucial evitar los errores producidos por las maquinas herramientas. Una de las principales características de las maquinas herramientas es su fiabilidad para realizar la función para la cual se fabricaron. Debido a esto la calibración de las maquinas herramientas se ha convertido en un proceso de obligado cumplimiento, ya sea para conseguir una fiabilidad requerida o para cumplir ciertas normas de calidad internas o externas. Como cualquier otra herramienta el paso del tiempo afecta a su rendimiento y por ello se deberá acordar una serie de calibraciones periódicas las cuales garanticen su correcto funcionamiento y alarguen su vida útil. Estos ensayos periódicos permiten conocer el estado de la máquina herramienta y realizar las correcciones oportunas a tiempo. Con todo ello además de conseguir una máquina que puede funcionar en condiciones óptimas, se ayudará a cumplir normas de seguridad, de salud de los operarios, de la calidad del medio ambiente debido a su consumo eficiente, etc. En colaboración con el CAM (Centro Andaluz de Metrología) se estudiará las distintas maquinas herramientas del mercado y sus posibles calibraciones para su puesta a punto. Se hará un paso general por lo que conlleva un proceso de calibración, desde la elección del instrumento, el ensayo a realizar, sus condiciones previas hasta su toma de datos y presentación de los resultados. El trabajo culminará el trabajo con la elaboración de un procedimiento de calibración, donde quede reflejado todo lo estudiado durante el trabajo y pueda ser utilizado para futuras calibraciones. Para ello se ha seleccionado la máquina herramienta de puente móvil tipo Gantry para la cual se ha realizado la toma de datos, cálculo de las incertidumbres asociadas y el análisis de los resultados finales. Para llevar a cabo lo comentado anteriormente, es necesario realizar un estudio de los diversos ensayos que existen en la industria para poder tener cierto conocimiento de las técnicas/métodos de calibración y aplicarlas de una manera correcta. Se tendrá en cuenta todas las normas que rigen las calibraciones de las maquinas herramientas tanto las generales como las específicas para ciertas maquinas herramientas. Junto con esto se deberá poner en conocimiento, todas las herramientas de calibración que son necesarias para realizar dichas mediciones, así como sus características. Dependiendo de sus ventajas y desventajas y la maquina sobre la cual se vaya a usar, el operario deberá de decidir cuál es la óptima para la medición que se requiera. 1.2 Objetivos Elaborar un procedimiento de calibración para maquinas herramientas basado en la norma ISO 230-1 según diferentes tipos de ensayo. Para ello se debe analizar y comparar diferentes métodos de calibración en distintas maquinas herramientas. Una vez se exponga durante la memoria todo lo necesario para entender los diferentes ensayos, en los anexos se tiene la puesta en práctica de un ensayo con su certificado de calibración con sus medidas y cálculos para que sea representativo. Los principales objetivos del presente trabajo son los siguientes: INTRODUCCIÓN 2 - Analizar las diferentes MH que hay en el mercado en busca de un grupo que sea representativo según los errores existentes en ellas. - Definir los distintos tipos de errores e incertidumbres que hay en una MH y los cálculos para la obtención de ellos. - Describir los diferentes ensayos de calibración que se pueden realizar en las maquinas seleccionadas y los instrumentos a utilizar. - Redacción de un procedimiento de calibración completo que pueda ser usado por cualquier operario de un centro de calibración. - Introducción al manejo del software de Renishaw, tanto el del láser XL-80 como el de Ball- Bar QC20-W. 3 2 MÁQUINAS HERRAMIENTA 2.1. Máquinas herramienta En el pasado las herramientas necesitaban de la acción humana para realizar su función, pero con el paso del tiempo y el avance tecnológico se han ido creando maquinas que incluyan estas herramientas y realicen el trabajo de una manera mecánica. Las maquinas herramienta se han diseñado con el objetivo de modelar una pieza, normalmente metálica, mediante diferentes procesos de tratamiento del material. Debido a su gran tamaño y complejidad se tratan de máquinas estacionarias, lo que le permite aportar rigidez para soportar todo tipo de fuerzas provenientes de su operación. El amortiguamiento de las fuerzas dinámicas producto de su funcionamiento y la precisión para efectuar los movimientos son otras de las características de estas máquinas. Las MH tienen unas funciones básicas que son: sujetar y sostener tanto la pieza de trabajo como la herramienta, proporcionar el movimiento necesario a la pieza de trabajo, a la herramienta o a ambas y regular la velocidad de corte y de avance de la herramienta y de la pieza de trabajo. El avance tecnológico ha hecho posible que vaya creando diferentes maneras de trabajar el material inicial según los requerimientos de la pieza final. Esto ha llevado a tener en la actualidad una gran variedad de máquinas herramienta según si su procedimiento se basa en: - Esculpir la pieza inicial dando la forma que se desee, quitando material sobrante. - Dar la forma deseada por medio de plegado, estampado. - Cortar un modelo a partir de una plancha por medio de herramientas de corte como chorro de agua, laser. A pesar de la gran cantidad de máquinas herramientas que hay en el mercado se pueden distinguir entre ellas una serie de componentes comunes como la bancada, las guías y correderas, los elementos estructurales, la mesa de fijación, el cabezal porta herramienta y el motor de avance. 2.2. Tipos de máquinas herramienta Las maquinas herramientas se han diseñado conforme los requerimientos de la sociedad, los avances tecnológicos y la alta demanda de la industria. Existen una gran cantidad de tipos de máquinas herramienta en el mercado las cual se pueden clasificar por diversos factores: - Según el grado de automatización - Según el grado de exactitud - Según la posición del eje - Según el número de órganos - Según si son convencionales o no Además de las mencionadas se pueden encontrar muchos más tipos de clasificaciones que atienden a otras características de las maquinas herramientas. 2.3. Errores en las máquinas herramienta El paso del tiempo, el mal uso de las maquinas herramientas, el contacto con un ambiente hostil pueden llevar a que la máquina herramienta presente diversos errores estructurales o de operación. Esto conlleva MÁQUINAS HERRAMIENTA 4 una pérdida de fiabilidad y también una pérdida de rendimiento ya que la máquina herramienta no está funcionando de manera óptima. Por otro lado, seguramente se tenga problemas de calidad y de exigencias con el cliente por no cumplir con los requisitos exigidos. Conocer el estado de la máquina herramienta se convierte en una tarea fundamental para poder prevenir posibles fallos o como se ha mencionado anteriormente perdida de fiabilidad y rendimiento. Con un control periódico se puede confirmar que esta no posee ningún fallo interno o externo y se mantiene dentro de sus límites de óptimo funcionamiento. Para poder entender y evaluar los errores que aparecen en las maquinas herramientas primero hay que familiarizarse con los siguientes conceptos: • Resolución: se trata del incremento más pequeño que se puede medir en un instrumento. • Sensibilidad: se trata de la cantidad de señal de entrada más pequeña detectable por el instrumento de medida que termina en una señal de salida. • Error: este término es fundamental para poder representar el nivel de exactitud que existe. El error se determina por medio de la diferencia entre el valor verdadero y el indicado en el instrumento. • Exactitud y precisión: dos términos que suelen utilizarse como sinónimos, pero en el campo de la metrología tienes significados distintos. Cuando se tenga varios valores cercanos entre sí, se puede decir que es preciso. Por el contrario, un valor será exacto cuando más se acerque al valor verdadero. • Gama y escala: se define gama a la diferencia entre el máximo valor y el mínimo del instrumento. Dentro de una gama se puede encontrar una o varias escalas. • Repetibilidad: capacidad de la máquina herramienta de repetir una posición n veces. Es una característica fundamental de la máquina herramienta sobre la que influye el error de histéresis y el error de holgura. “El cumplimiento de la exactitud requerida de fabricación y montaje de las diferentes partes de la máquina se entiende como precisión estática de la máquina-herramienta, también denominada precisión geométrica.” Dentro del proceso de fabricación de cualquier pieza hay diversos tipos de errores que pueden ejercer efectos negativos en la producción del producto. Su origen puede darse por múltiples motivos los cuales se detalla a continuación: - Errores debidos a problemas térmicos: este tipo de errores se atribuyen al calentamiento de los motores, de las guías, el proceso de corte, las variaciones de temperatura en el lugar de trabajo, etc. - Errores derivados de las fuerzas que se generan durante el trabajo de la máquina: se producen por la fuerza de corte y de los distintos componentes de la máquina herramienta. A este tipo de errores también se les conoce como errores dinámicos y pueden acabar en un mal acabado superficial de la pieza final. - Errores geométricos: este tipo de errores pueden aparecer en fase de diseño, durante el montaje o ya funcionando debido a los componentes que se montan sobre este. - Errores cinemáticos: se definen como las inexactitudes en los desplazamientos relativos de varios elementos móviles de la máquina. - Deformación de la pieza debido al proceso de mecanizado - Errores en el sistema de control: proviene de los fallos que pueda dar el software utilizado, de los sistemas de cálculo, o de los distintos elementos de control de la máquina herramienta. Todos los errores descritos anteriormente tienen un grado alto de importancia en el correcto funcionamiento de la máquina herramienta. Este documento se centrará en el estudio de los tres primeros errores debido a su relevancia sobre el resultado final. Dentro de los errores térmicos y dinámicos se puede clasificar estos dos tipos de errores: - Error de histéresis: se produce cuando el valor real y la deseada no coincide. Este error proviene de la 5 5 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones fricción de la parte mecánica de la herramienta. - Error de holgura: es el fragmento de movimiento que la máquina herramienta no detecta cuando se produce la inversión de movimiento. Por otro lado, se encuentra los errores geométricos que influyen directamente en componentes de la máquina herramienta y hace que no se pueda obtener las piezas con cierta precisión. Al definir todos los posibles errores que se puede encontrar en una máquina herramienta es posible conocer los posibles defectos que pueda llegar a tener y buscar una solución para obtener una alta repetibilidad y error geométrico despreciable. 2.4. Errores geométricos Al término del proceso de fabricación las piezas finales deben de cumplir unas ciertas tolerancias dimensionales y geométricas. Por ello es de vital importancia estudiar los errores geométricos ya que están presentes en el acabado final. Dentro de los errores geométricos se encuentran errores sistemáticos como los errores de rectitud, perpendicularidad, etc. y errores aleatorios. 2.4.1 Ejes lineales Las maquinas herramientas se componen de elementos móviles cuya función es desplazar la herramienta de corte y la pieza. En este punto se estudia los errores que se producen en el movimiento lineal que existen en las diferentes máquinas herramientas. Dependiendo de la máquina herramienta se tendrá un número mayor o menos de ejes lineales. La figura 1 representa esquemáticamente el carro de una máquina herramienta, el movimiento deseado y los errores que se pueden encontrar en ese desplazamiento lineal. Estos errores se pueden clasificar en los siguientes grupos: • Error del movimiento lineal de posicionamiento: se refiere al error en el movimiento lineal que produce una desalineación entre la posición real final y la posición deseada. La diferencia entre estas posiciones da la desviación para la posición que interese. En el caso de la figura 1 este error se representa como EXX. La precisión lineal de posicionamiento se calcula como la mayor desviación positiva sumada al valor absoluto del mayor valor negativo de la desviación de posicionamiento. • Error de rectitud del movimiento: se refiere al error que produce un desplazamiento en alguna o ambas direcciones perpendiculares a la dirección del movimiento lineal. Para cuantificar este error se calcula la distancia entre el punto funcional y la línea recta de referencia conveniente a su trayectoria. Según convenga se podrá realizar en una o en las dos direcciones perpendiculares al eje lineal escogido. En el caso de la figura 1 este error se representa como EYX o EZX según la dirección, Y o Z, en que se mida el error. El error de rectitud será el resultado de la suma del mayor valor positivo de la desviación positiva de rectitud más el valor absoluto del mayor valor negativo de la desviación negativa. • Error de los movimientos angulares: se refiere a los tres movimientos de rotación no deseados cuando un eje lineal describe una trayectoria recta. Para el cálculo de la desviación angular se hará uso de un instrumento de medición angular. Estos errores se definen como EAX, EBX o ECX según en el eje en que se midan, como se aprecia en la figura 1. El error se cuantificará de una manera semejante a los métodos anteriormente descritos: suma de la mayor desviación angular positiva más el valor absoluto de la mayor desviación angular negativa obtenida durante un recorrido completo. MÁQUINAS HERRAMIENTA 12 Figura 7 Error de paralelismo entre los ejes C y C1 en el plano YZ • Entre un eje de movimiento lineal y un eje de movimiento de rotación: se mide el ángulo entre la línea recta de referencia de la trayectoria del punto funcional de un componente que describe un movimiento lineal y el eje central de otro componente giratorio. • Entre un eje de movimiento lineal y una superficie: se mide el ángulo de la trayectoria de referencia y una superficie funcional de la máquina. • Entre un eje de giro y una superficie: se mide el ángulo entre un eje de giro de un componente de giro y plano de referencia asociado a la superficie funcional de la máquina. De igual manera que en los errores de paralelismo, los errores de perpendicularidad se medirán entre ejes lineales y/o ejes de rotación. El método para evaluar la perpendicularidad se basa en realizar dos mediciones de paralelismo entre un eje de movimiento y un eje estático. En este caso se agrupa los tipos de errores de una manera similar a los errores de paralelismo: • Entre dos ejes de movimiento lineal: se calcula como la diferencia entre la inclinación de la trayectoria recta del punto funcional de un componente respecto de su correspondiente eje principal y la inclinación de la trayectoria recta del punto funcional de otro componente respecto a su correspondiente eje principal. En la Figura 8 se observa un ejemplo visual del cálculo de perpendicularidad de dos ejes. Para el cálculo del error total se hace uso de la siguiente ecuación: 𝐸𝐵(0𝑍)𝑋=𝐸𝐵0𝑋=𝜃𝑋,𝑍𝑋−𝜃𝑍,𝑍𝑋 (3) 13 13 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura 8 Perpendicularidad entre los ejes X y Z. • Entre un eje de movimiento lineal y una línea media del eje: distorsión angular respecto a los 90º entre la línea recta de trayectoria de un punto que describe un movimiento lineal y la línea media del eje de un componente giratorio. • Entre dos líneas medias de eje: distorsión angular respecto a los 90º entre la línea media de un eje de un componente giratorio y la línea meda de otro eje de otro componente giratorio de la máquina. 2.4.4 Varios ejes o pruebas cinemáticas Existen unas pruebas cinemáticas en las que actúan varios ejes a la vez para trazar una trayectoria definida, con el fin de evaluar los distintos errores descritos anteriormente con solo una medición. Este tipo de ensayo permite observar una combinación de los distintos errores actuando a la vez. • Trayectoria circular: partiendo de una trayectoria circular definida por la máquina permite prever diferentes tipos de errores. Este error circular se basa en la desviación radial de la trayectoria circular con respecto a dos círculos que envuelven dicha trayectoria. Estos círculos de referencia pueden ser cálculos mediante mínimos cuadrados o por medio de una media aritmética de dos círculos con la mínima separación radial. MÁQUINAS HERRAMIENTA 14 Figura 9 Desviación circular en trayectoria circular • Planitud: se compara la superficie generada por dos ejes lineales con una superficie de referencia. La desviación de un punto de la superficie generada con respecto a la superficie de referencia es normal a esta. Se generará un mapa con las desviaciones y se obtiene un rango de valores que representará el error de planitud en toda la superficie. En la Figura 10 se tiene una representación del error de planitud. Figura 10 Error de planitud 15 15 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones 3 INSTRUMENTOS DE CALIBRACIÓN 3.1. Finalidad de los instrumentos de medición Conforme la tecnología ha ido avanzando los requerimientos y las exigencias del mercado se han vuelto más exigentes. Ello ha llevado a la industria a efectuar un control exhausto de sus máquinas para cumplir una serie de normas y tolerancias impuestas. Aquí es donde entra en juego la calibración periódica de las maquinas. La calibración de un instrumento o una maquina se basa en comparar la medida que marca el instrumento y la que debiese de indicar de acuerdo con un valor conocido. Dependiendo de los resultados de estas mediciones se procederá con las medidas correctores según los errores encontrados. Todo este procedimiento de medición se plasma en un documento denominado certificado de calibración. Los instrumentos de medición han tenido siempre como función principal calibrar y verificar lo que se ha construido para comprobar que cumple con los requisitos dispuestos. Este proceso de medición se define como la comparación de una magnitud con su unidad de medida. Dependiendo de la manera de obtener la medida existen dos tipos de mediciones: - Medición directa: la medida se obtiene desde la escala de medida, pantalla analógica o digital del instrumento de medición. - Medición indirecta: este tipo de medición compara la variación de magnitud entre un patrón y la magnitud de la pieza a medir. En la actualidad existen una infinidad de instrumentos de medición que se han ido perfeccionando o creando, conforme ha ido avanzando la tecnología para que sean más precisos y fáciles de utilizar. Los instrumentos de medición se pueden clasificar según la magnitud que mida (masa, longitud, volumen, densidad, temperatura, etc.). Una vez se conozca la magnitud a medir se procede a elegir entre instrumentos, analógicos y digitales, su precisión, su facilidad de uso y su precio. 3.2. Instrumentos de calibración para maquinas herramientas En el campo de la metrología existe una gran variedad de instrumentos de medición cada uno con sus ventajas y desventajas. Se ha realizado un estudio sobre los instrumentos de medición más adecuados para realizar las calibraciones expuestas en el punto 4, atendiendo a sus características de uso. 3.2.1. Sensores de desplazamiento lineal Este tipo de instrumento realiza una medición del desplazamiento lineal de un objeto para obtener resultados sobre paralelismo, rectitud, perpendicularidad, etc. En resumen, todo lo relacionado con una medición que requiera linealidad sobre un objeto base. Puede que para algunas mediciones se necesite otros instrumentos de apoyo. Dentro de este grupo se puede encontrar una gran variedad de sensores de desplazamiento dependiendo de la tecnología que usen. Existen sensores de contacto con pantalla analógicas o también se puede encontrar sensores sin contacto gracias a los ultrasonidos o la tecnología láser. Habrá que tener en cuenta el proceso de medición y las exigencias por parte del cliente para elegir el más adecuado. Los instrumentos más utilizados de este grupo son: • Palpadores: el componente principal de un palpador es un vástago que está en continuo contacto con la superficie a medir. Este vástago es sensible a cualquier variación en la superficie. El rango de precisión puede ir desde las décimas de milímetro hasta las centésimas de milímetro. En la Figura 11 se puede ver un palpador neumático cuya tecnología es inductiva. Se pueden encontrar muchos tipos de palpadores según su tecnología y funcionamiento. INSTRUMENTOS DE CALIBRACIÓN 16 Figura 11 Palpador neumático • Reloj comparador: este dispositivo consta de un mecanismo que traduce el movimiento lineal del palpador en movimiento circular de las agujas indicadoras en la esfera graduada. Realiza una medición indirecta, por medio de comparación para obtener el resultado que finalmente se usará para la verificación oportuna. Puede realizar mediciones muy precisas del orden del milímetro y centésima de milímetro. Se puede encontrar relojes comparadores digitales o analógicos como el de la Figura 12. Figura 12 Reloj comparador 3.2.2. Microscopio e hilo tenso Este dispositivo está compuesto por un hilo de 0,1 mm de diámetro, contrapesos y un microscopio. El hilo se tensará mediante contrapesos para que se mantenga recto y sirva como referencia. El microscopio comprueba y anota todas las posibles desviaciones a lo largo del hilo. Se utiliza principalmente para comprobar la rectitud del elemento a verificar, cuando se trata de longitudes grandes. 3.2.3. Telescopio de alineamiento Este dispositivo está compuesto de un telescopio y un receptor. El telescopio tiene un eje óptico que será la referencia para las diferentes medidas para las que se utilice. El receptor indica las desviaciones con respecto a la referencia marcada por el telescopio y va montado sobre la parte de la máquina que sujeta la herramienta. El telescopio se instala sobre la parte que soporta la pieza y se debe de asegurar que no sufre ninguna perturbación durante la medición ya que afectaría en gran medida a las mediciones. En la actualidad se puede encontrar telescopios electrónicos, Figura 14, los cuales poseen un software que indica los resultados directamente. También existen telescopios convencionales donde el operario es el encargado de observar a través de la retícula la desviación que se haya producido. Este dispositivo se aplica principalmente para medir la rectitud, el paralelismo o la cuadratura de los componentes que se requiera. 17 17 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura 13 Telescopio electrónico de alineamiento 3.2.4. Instrumentos con tecnología láser Hoy en día el uso de la tecnología láser en calibraciones está muy extendido gracias a su precisión y facilidad de realizar mediciones de múltiples magnitudes dentro de una máquina herramienta. Al ser mediciones en las que el operario se encarga solo del montaje y programación del dispositivo, se pueden verificar máquinas pequeñas o de gran tamaño. Este método de calibración consta de un componente que es el generador del haz del láser y unos retroflectores colocados estratégicamente sobre la máquina herramienta según la medición que quiera llevarse a cabo. Los datos son recogidos y manipulados por un software el cual expone los resultados para su interpretación. • Laser Tracker: se puede decir que se trata de una máquina de medición por coordenadas (MMC) debido a que se obtiene unas coordenadas Y, X y Z relativas a la posición del retroflector. En la Figura 15 se tiene un esquema de este dispositivo. El retroflector proporciona la posición de su centro al emisor láser mediante tres medidas: dos mediciones de ángulos y una distancia. Figura 14 Láser Tracker INSTRUMENTOS DE CALIBRACIÓN 18 • La interferometría láser es un método muy utilizado en la calibración de máquinas herramientas debido a su gran precisión a la hora de realizar ensayos. Este método se basa en las interferencias de las ondas mediante dos rayos de luz. Del cabezal láser sale un rayo que se desdobla en dos al pasar por el interferómetro. Estos dos rayos forman un patrón de interferencia sobre los cuales se superponen los dos rayos. Al ser la longitud de onda pequeña se podrá detectar pequeños cambios entre los rayos. La longitud de onda del láser se verá afectado por las condiciones ambientales donde se realice las mediciones. Por ello se necesitará unos compensadores ambientales que midan las componentes ambientales del entorno para corregir las posibles variaciones de la longitud de onda. Esta compensación es automática, a través del software, y el operario no tiene que intervenir en el proceso. Un instrumento representativo de este método de medición es el láser XL-80, Figura 16. Este dispositivo se compone principalmente del láser, interferómetro y espejos retroflectores. El interferómetro es el encargado de desdoblar en haz en dos y los otros espejos reflectan el haz en dirección de vuelta. Se trata de un dispositivo muy completo ya que permite realizar mediciones lineales, angulares, de planitud, etc. Todos los accesorios necesarios para estas mediciones vienen incluidos en el Kit proporcionado por el fabricante. Figura 15 Esquema láser XL-80 3.2.5 Instrumentos tradicionales Dentro de este grupo se han agrupado a unos instrumentos elementales en cualquier procedimiento de medición. En algunos se podrá obtener la medida directamente de estos instrumentos y en otros casos servirán como complementos de otros dispositivos más complejos. Los más utilizados para procedimientos de calibración son: la regla lineal, nivel de precisión, esfera patrón, escuadra patrón y sus semejantes. 19 19 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura 16 Instrumentos tradicionales 3.2.6 Autocolimador Se trata de un dispositivo óptico que mide la inclinación angular de la superficie reflectora. El autocolimador proyecta un haz de luz colimado dirigido hacia un espejo el cual devuelve el haz hacia el colimador. Este espejo se encuentra situado sobre la superficie a calibrar. El operario es el encargado de visualmente detectar las posibles desviaciones. Existen también medios digitales para detectar estas desviaciones y así eliminar los errores aleatorios o sistemáticos que se pueden producir. Las mediciones más comunes que realiza este dispositivo son: paralelismo, perpendicularidad y rectitud En general cualquier desviación producida por alteraciones angulares. Figura 17 Autocolimador 3.2.7 Ball-bar El Ball-Bar es sensor lineal telescópico con bolas de precisión en sus extremos cuya función es detectar cualquier desviación radial cuando se realiza una trayectoria circular. Además del sensor este dispositivo se compone de dos montajes magnéticos instalados uno en la mesa de la máquina herramienta y otro en el cabezal de la maquina o en husillo. Los datos recogidos por el Ball-Bar se envían a un ordenador donde son evaluados y finalmente expuestos en un diagrama. INSTRUMENTOS DE CALIBRACIÓN 20 Figura 18 Ball Bar En la Figura 19 se puede ver un Ball bar QC20-W de Renishaw. Esta marca vende este dispositivo dentro de un kit donde vienen todos los accesorios para poder llevar a cabo las mediciones correctamente. Se puede encontrar un calibrador que se utiliza cuando se midan desviaciones radiales donde el sensor debe ser calibrado antes de la toma de datos. Se trata de un método de medición rápido de usar, fácil de montar y que proporciona numerosos datos para hallar las diferentes fuentes de error en las máquinas herramienta. El software de Renishaw proporciona una gran ayuda al tener identificados según los trazos todos los posibles errores. Además, también ayuda a prever de donde se produce este error para poder identificarlo rápidamente. En la Figura 20 se puede ver algunos de esos trazos con el nombre del error asociado. Figura 19 Trazos del Ball bar con su error asociado 21 21 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones 3.2.8 Mesa de indexación de referencia La mesa de indexación se utiliza como referencia para realizar verificaciones de posicionamiento angular. En el mercado existen diferentes mesas de indexación dependiendo de la precisión o posiciones. Dichas posiciones en las que estén divididas las mesas son los puntos de verificación de la máquina herramienta. Las mesas de indexación se instalan en el componente que gira. Estos dispositivos se pueden combinar con otros dispositivos de medición o en algunos casos utilizarlos de manera independiente. Por ejemplo, se puede utilizar la mesa de indexación con un láser interferómetro, Figura 21, que hará que las medidas sean bastante precisas. Figura 20 Mesa de indexación de referencia 3.2.9 Encoder rotativo de referencia El Encoder rotativo de referencia se puede utilizar para medir el posicionamiento angular y además también para medir la velocidad y aceleración de un eje rotatorio. Su funcionamiento consiste en un disco con ranuras adosado al eje que se vaya a medir. Según el disco gire dejará pasar luz o no, lo que hace que se genere una secuencia de pulsos digitales que se utilizan para controlar las magnitudes comentadas anteriormente. La figura 22 muestra un esquema del proceso de medición con un Encoder rotativo de referencia. Figura 21 Encoder rotativo de referencia ENSAYOS 16 16 uso de bloques y soportes de fijación. El haz de láser debe ser lo más paralelo posible al movimiento para poder evitar errores de coseno. Además, se deberá de hacer uso de los sensores de aire, que se instalan cerca de la trayectoria de la luz para compensar la refracción del aire. Figura 26 Montaje del interferómetro láser de posicionamiento - Regla lineal: el ensayo se compone solamente de una regla lineal. Para una correcta lectura de las desviaciones se posicionará la regla en la mesa de la máquina y deberá también estar en contacto con la parte de la máquina la herramienta que sujeta la herramienta. La regla debe de ser lo más paralela al movimiento para así evitar errores de coseno. 4.3.3 Movimientos angulares Durante un desplazamiento lineal pueden aparecer movimientos angulares como el alabeo, balanceo y cabeceo. Para poder hallar estas inexactitudes sobre la trayectoria lineal se instalan dispositivos de medición de ángulos entre la parte de la máquina que sujeta la pieza y la parte de la herramienta que sujeta la herramienta. La medición se realizará en una serie de posiciones programadas mientras un componente móvil se desplaza a lo largo de su eje lineal. Para la elección de las posiciones a medir se tomará en cuenta que para ejes de hasta 250 mm los intervalos no serán mayores a 25 mm y para ejes de mayor envergadura el intervalo no será más grande que 1/10 de la longitud del eje. Se debe cerciorar que la maquina se mantiene en reposo el tiempo necesario para la toma de datos en cada posición. Al menos se realizará un conjunto de mediciones unidireccionales en de todas las posiciones. Atendiendo a los principios de medición se utiliza un interferómetro laser o autocolimador para medir el cabeceo o la guiñada y niveles de precisión para medir el balanceo. - Nivel de precisión: se hará uso de dos niveles de precisión. Uno de ellos actúa a modo de referencia, instalado en la parte de la máquina que sujeta la pieza. El otro se situará en la parte de la maquina a medir y es el encargado de detectar las desviaciones a lo largo del eje. Se realizará mediciones diferenciales entre ambos niveles de precisión a lo largo de unos puntos definidos en una trayectoria lineal. 17 17 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura 27 Montaje del nivel de precisión - Autocolimador: este dispositivo es capaz de obtener una medición relativa entre la parte de la máquina que sujeta la pieza y la parte de la máquina que sujeta la herramienta. Por un lado, se montará el autocolimador en el componente estático de la máquina coaxialmente con el eje de movimiento. El espejo receptor será el encargado de dar el dato del desplazamiento vertical, con el cual se puede saber el ángulo girado. Existen también algunos tipos de autocolimadores capaces de hacer dos mediciones simultaneas y así poder obtener el cabeceo y la guiñada. Figura 28 Montaje del autocolimador - Interferómetro láser: como se podrá ir viendo este dispositivo puede ser utilizado para varias mediciones dependiendo de los espejos que se utilicen. El reflector angular va montado en la parte de la máquina que sujeta la herramienta y el interferómetro angular en la parte de la máquina que sujeta la pieza. El ENSAYOS 18 18 software detectará cualquier rotación del reflector angular con respecto al interferómetro angular por medio del recorrido de los haces. Las mediciones se llevarán a cabo en unas posiciones definidas a lo largo del recorrido del eje. Figura 29 Montaje del interferómetro láser angular - Método de las mediciones diferenciales de rectitud: este método puede llegar a ser un poco más laborioso que los otros ya que se deberá de realizar dos mediciones de rectitud. Esta medición se puede realizar sobre cualquier elemento móvil vertical y se necesitará una escuadra vertical y un sensor de desplazamiento lineal. Se realizan dos procesos de mediciones de rectitud en paralelo. Primero se instalan los instrumentos para medir la rectitud perpendicular al movimiento del desplazamiento del elemento móvil en una posición del husillo. Luego se moverá el husillo a una segunda posición y con ayuda de un accesorio de extensión sobre el que se instalará el sensor de desplazamiento lineal, se medirá de nuevo la rectitud sobre la cara de referencia de la escuadra. La diferencia entre los valores de las medidas locales de la desviación de rectitud en dicha posición, dividas entre las posiciones del husillo dará como resultado el balanceo que se produce. Debido a que se traslada un componente de la máquina herramienta en una dirección distinta a la del movimiento vertical, se debe corregir la medición o en su defecto trasladar la escuadra a la posición 2 y ajustarla mediante un nivel de precisión. El esquema de esta medición queda plasmado en la Figura 30. 19 19 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura 30 Montaje para el método de mediciones diferenciales 4.3.4 Movimiento angular de posicionamiento Las máquinas herramientas constan de ejes giratorios susceptibles también de contener errores y hacer que los resultados de sus movimientos no sean precisos. Habrá que diferenciar entre dos tipos de máquinas según la capacidad de posicionamiento: discreto o continuo. Una máquina discreta no tiene la posibilidad de situarse entre dos valores consecutivos, todo lo contrario, a una maquina continua la cual puede situarse en cualquier punto de un intervalo. Ambos tipos de posicionamiento de los ejes giratorios pueden ser ejecutados mediante CNC y en concreto para los ejes de posicionamiento discreto pueden ser ejecutados mediante control manual o controlador lógico programable. La resolución de la medición en el caso de los ejes de posicionamiento continuo dependerá del dispositivo que se use. Para el otro método, ejes de posicionamiento discreto, la resolución depende de los elementos mecánicos de indexación que van desde los 90º hasta 0, 5º. Como en todos los métodos anteriores la medición se realizará entre la parte de la máquina que sujeta la herramienta y la parte de la herramienta que sujeta la pieza. Para ejes de hasta 360º se tomará 3 posiciones en el intervalo de 0º a 90º, 5 posiciones en el intervalo de 90º a 180º y 8 posiciones para el intervalo de 180º a 360º. Dentro de este grupo de posiciones programadas deberán incluirse los ángulos 0º, 90º, 180º y 280º. Las posiciones que se elijan deben de ser alcanzadas cinco veces en cada sentido. Para ejes mayores de 360º se ensayará sobre el recorrido total hasta 1800º y se elegirán 8 posiciones por vuelta, las cuales se alcanzarán mediante una aproximación en una dirección. Puede darse el caso que las posiciones seleccionadas no puedan alcanzarse debido al dispositivo de referencia o el paso mínimo de indexación de la máquina. En ese caso, se redefinirá las posiciones atendiendo a esas características. En los siguientes puntos se exponen diferentes dispositivos que se pueden usar para realizar estas mediciones: - Polígono de referencia con autocolimador: se utiliza un polígono óptico de referencia y un autocolimador para comprobar las posibles desviaciones. El polígono se situa concéntrico al ENSAYOS 20 20 componente giratorio de la máquina y ha de cumplirse el paralelismo entre las superficies del polígono y el componente giratorio. Además, debe de ser ortogonal al eje de simetría del componente giratorio. El autocolimador va montado en el componente no giratorio, por ejemplo, el husillo. Una de las cosas para tener en cuenta a la hora de seleccionar un polígono de referencia es que los incrementos del componente giratorio tendrán que ser múltiplo o coincidir con los ángulos del polígono de referencia. Figura 31 Montaje del autocolimador y polígono de referencia - Mesa de indexación de referencia con interferómetro laser/autocolimador: en este caso se usa una mesa de indexación como referencia, la cual se fijará al componente giratorio a medir. Sobre esta se monta un espejo reflector perpendicular al haz láser que se proyectará. Fuera del componente giratorio se instalará el interferómetro láser. La mesa de indexación de referencia girará en sentido contrario al componente giratorio para que el espejo reflector mantenga siempre la misma orientación. En la figura 32 se puede ver el montaje del interferómetro y la mesa de indexación comentado. Se podrá usar la mesa de indexación de referencia con autocolimador siempre que el polígono disponga de ángulos múltiplos del mínimo paso de indexación del eje rotativo a medir. El autocolimador se instalará igual que el punto anterior. Con el interferómetro se puede detectar errores de movimiento angular hasta 5º. Por lo que este dispositivo es recomendable para ejes de posicionamiento continuo. La incertidumbre de medición aumenta con ángulos mayores a 20”. 21 21 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura 32 Montaje interferómetro y mesa de indexación - Encoder rotativo de referencia: la parte que gira de este dispositivo debe ir alineado con el eje de giro de la máquina. Por otro lado, el componente fijo del Encoder se situará en la parte estática de la máquina. Este dispositivo no se usará para máquinas que necesitan moverse axialmente para funcionar. La desviación del posicionamiento angular se medirá según el valor proporcionado por el Encoder comparándolo con el valor previsto. 4.3.5 Paralelismo de los ejes de movimiento En este punto se trata las posibles desviaciones de paralelismo que se pueda detectar sobre dos ejes lineales de movimiento. Las características de este proceso de medición tienen muchas similitudes con los ensayos de rectitud. Es por este motivo por lo que muchos de los atributos del proceso se obtienen o calculan de la misma manera. Dentro de una máquina herramienta se pueden encontrar múltiples ejes sobre los que realizar este ensayo de paralelismo. Por ello se ha separado las mediciones de paralelismo en diferentes puntos según los ejes que se midan. 4.3.5.1 Paralelismo entre dos ejes de movimiento lineal - Método de la desviación de un punto fijo: para este método se utilizará un sensor de desplazamiento lineal que se colocará sobre uno de los componentes móviles de tal manera que el palpador toque un punto del otro componente móvil de la máquina. Este dispositivo medirá el desplazamiento perpendicular a su eje de movimiento. Ambos componentes móviles deberán de moverse en la misma dirección y longitud, como puede verse en el esquema de montaje de la Figura 33. Con las medidas del sensor de desplazamiento se podrá definir la línea de rectitud de referencia. El ángulo de inclinación de la línea de rectitud de referencia con respecto a la dirección nominal de movimiento será el error de paralelismo entre los ejes de movimiento. ENSAYOS 22 22 Figura 33 Montaje sensor de desplazamiento - Método basado en las mediciones de los errores de movimiento lineal: se mide la rectitud de los componentes móviles por separado utilizando los dispositivos definidos en el apartado 4.3.1. Una vez obtenido los resultados el error de paralelismo se calcula sumando algebraicamente las pendientes de las dos líneas de referencia con respecto a la línea de referencia de rectitud. 4.3.5.2 Paralelismo entre un eje de movimiento lineal y un eje fijo - Mandrino de control y sensor de desplazamiento: en este caso se instala un mandrino de control sobre el eje fijo y el sensor de desplazamiento sobre el componente móvil. El palpador del sensor de desplazamiento se situará sobre el mandrino de control y es el encargado de medir, en las posiciones definidas, las posibles alteraciones entre ambos ejes. Las mediciones del sensor de desplazamiento sirven para elaborar la línea de rectitud de referencia. El error de paralelismo será el ángulo de la pendiente de dicha línea con respecto la dirección nominal de movimiento. Figura 34 Montaje de sensor de desplazamiento y mandrino 4.3.5.3 Paralelismo entre un eje de movimiento lineal y un eje de revolución - Interferómetro laser de rectitud: en este caso el reflector de rectitud se instala sobre el componente giratorio. Se tiene que comprobar que el eje de medición este alineado con el eje de revolución. Se realizarán unas primeras mediciones con el componente giratorio en una posición angular inicial y a 23 23 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones continuación se repite las mediciones girando el componente giratorio 180º. El error de paralelismo se calcula como la mitad de la suma algebraica de las pendientes de las líneas de rectitud de referencia con respecto a la dirección nominal de movimiento lineal en las dos posiciones angulares del eje giratorio. Figura 35 Montaje interferómetro de rectitud - Mandrino de control o una regla y un sensor de desplazamiento lineal: en este caso se coloca el mandrino de control sobre el componente giratorio y el sensor de desplazamiento sobre el componente móvil. El operario debe asegurarse que el palpador este en contacto con el madrino de control durante todo el recorrido de la medición. Al igual que el caso anterior primero se hace unas mediciones con el componente giratorio en una posición angular inicial y luego se repite el procedimiento, pero girando el componente giratorio 180º. El error de paralelismo se determina mediante la mitad de la suma algebraica de la pendiente de las líneas de referencia de rectitud con respecto a la dirección nominal de desplazamiento para dos posiciones angulares. Figura 36 Montaje mandrino y sensor de desplazamiento - Esfera patrón y un sensor de desplazamiento lineal: la esfera patrón se instala en el componente móvil asegurando que se coloca en el centro con respecto al componente giratorio y el sensor de desplazamiento lineal en el componente giratorio. Las medidas se realizarán moviendo una distancia h ENSAYOS 24 24 el componente móvil y desplazando el sensor hasta la nueva posición para tomar las medidas. El error en la zona intermedia se obtiene restando las mediciones del sensor de desplazamiento en dos posiciones opuestas sobre la esfera. El error de paralelismo se calcula dividiendo el error en la zona intermedia de las dos posiciones, entre la distancia de ambas posiciones. El resultado será mejor en cuanto mayor sea el número de posiciones seleccionadas. Figura 37 Montaje esfera patrón y sensor de desplazamiento 4.3.5.4 Paralelismo entre dos ejes de giro Para medir el paralelismo entre dos ejes se debe de definir primero la línea media de un eje de rotación para luego compararla con el otro eje de rotación. Se utiliza diferentes dispositivos mecánicos u ópticos para generar dicha línea media. - Mandrino de control: para este método se necesitará un mandrino de control y un par de relojes comparadores. El mandrino de control va montado sobre un eje y sobre el otro los relojes comparadores ayudándose de un soporte para fijarlos a este. Una condición importante es que el mandrino debe de estar alineado con el otro eje de rotación. A continuación, se ajusta los relojes comparadores para que toque al madrino y así poder medir las desviaciones que se produzcan. Se hace girar a los relojes comparadores con respecto al mandrino de control y se anotan todas las desviaciones. Al final se tendrá un esquema de movimiento como el mostrado en la Figura 38. Se procede a calcular el centro (CX y CY) de esos dos círculos de referencia. El error de paralelismo se puede calcular en las dos direcciones del plano que contiene a los cirulos de referencia. Por ejemplo, para el cálculo del error de paralelismo en la dirección X se divide la diferencia de los centros (CX1-CX2) entre la distancia d que los separa. Se tiene como resultado el ángulo entre los dos ejes de giro. Se hará de la misma manera para la dirección Y, pero en este caso cogiendo las componentes relacionadas con esta dirección. Para realizar mediciones más exactas se puede mover el husillo con el mandrino de control 180º y volver a realizar las mediciones. En este caso el error de paralelismo es la mitad de la suma algebraica de los dos ángulos calculados. 25 25 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura 38 Montaje del mandrino y los sensores de desplazamiento - Dos esferas patrón: este método de medición es similar al anterior salvo por el uso de esferas patrón en lugar del mandrino de control. Las dos esferas patrón se instalan sobre uno de los ejes de giro, separadas axialmente una distancia definida. Sobre el otro eje giratorio irán montados los dos sensores de desplazamiento separados una determinada distancia. Para la toma de datos y cálculo del error de paralelismo se procede de igual manera que el procedimiento anterior. 4.3.6 Coaxialidad entre líneas medias de ejes El error de coaxialidad consta de cuatro parámetros: dos muestran el error de paralelismo entre ambos ejes y los otros dos el desajuste entre ellos. Se realizará esta medida entre dos líneas media de ejes de rotación. Tiene cierta similitud con el error de paralelismo por lo que las mediciones para hallar el error de paralelismo se podrán utilizar para hallar el error de coaxialidad y viceversa. - Método del salto de un punto estacionario: este método también se puede denominar método de borde y cara por la zona donde se realizan las mediciones. Para llevar a cabo este método se requiere dos relojes comparadores que irán instalados sobre uno de los ejes. Un apoyo final de uno de los sensores de desplazamiento va montado en el otro eje. Se obtienen mediciones en las direcciones radial y axial. Las mediciones se deben de realizar sobre las posiciones 0º, 90º, 180º y 270º, y repetirse tres veces para suprimir efectos térmicos. Otra cosa para tener en cuenta es la flexibilidad de los soportes que sostienen a los sensores de desplazamiento. Para ello se deberá realizar un montaje como el mostrado en la Figura 39 en el cual los soportes van conectados a un mandrino de control. Se sitúan los sensores de desplazamiento en la posición 0º y se comprueban que están a cero. A continuación, se mueve el madrino hasta la posición opuesta y se apunta el valor marcado en el sensor. Los valores que se obtengan será el efecto de la flexión en cada dirección. El error axial producido por el movimiento de los elementos analizados se puede eliminar si se utiliza el montaje de la Figura 40. En este caso se monta el otro sensor de desplazamiento en el otro eje de giro y los ángulos horizontal y vertical se calculan mediante la diferencia de los desajustes medidos divididos entre la distancia entre los sensores. Desajuste vertical: 𝑉0=(𝑅0−𝑅180) 2 (5) ENSAYOS 32 32 Figura 45 Montaje de la regla sobre el componente giratorio 4.3.7.3 Perpendicularidad entre dos ejes de revolución Para esta medición se necesita un mandrino de control y un sensor de desplazamiento los cuales se instalan en los ejes giratorios. En uno de los ejes de giro se coloca el mandrino de control y en el otro se instala el sensor de desplazamiento con un brazo para que este a cierta distancia del eje. A continuación, se pone en contacto el sensor de desplazamiento con el mandrino para que lea las desviaciones que se puedan producir y se pone a 0. Se hará girar el eje de giro que tiene el mandrino varias vueltas y se tomara las mediciones correspondientes. Después se girará el sensor de desplazamiento 180º para medir en otra posición en el madrino de control. Con los resultados de las mediciones anteriormente descritas se obtiene mediante mínimos cuadrados los centros de los círculos. La perpendicularidad entre ambos ejes de giro se calculará como la diferencia entre las coordenadas del centro a lo largo del eje de giro que tiene el sensor de desplazamiento dividido entre la distancia del sensor de desplazamiento entre las dos mediciones. Figura 46 Montaje mandrino y sensor de desplazamiento sobre los ejes de giro 4.3.8 Prueba trayectoria circular generadas por dos o tres ejes lineales Existen pruebas de trayectorias circulares para comprobar principalmente el contorneado que realiza la maquina es correcto y está dentro de unos ciertos valores. Normalmente los errores de circularidad están afectados por errores geométricos y el comportamiento dinámico de la máquina. Los resultados se representan mediante un diagrama, como el de la Figura 47, donde se puede observar fácilmente las 33 33 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones desviaciones que se producen en la trayectoria. Figura 47 Representación de los resultados del ensayo de circularidad Se puede llevar a cabo los ensayos con círculos completos y círculos parciales. Se usa las trayectorias circulares completas para tener unos resultados más precisos. Por el contrario, las trayectorias parciales cuando el eje en cuestión no pueda describir un círculo competo debido a las características de la máquina o el instrumento de medición. Este último deberá de hacerse con cuidado ya que puede llevar a varios errores asociados del ensayo. Han de realizarse dos pruebas sobre la trayectoria efectiva que se haya elegido, una en sentido horario y otra en sentido antihorario. - Sensor de desplazamiento lineal giratorio en una dimensión: se instala un sensor de desplazamiento con el objetivo de describir una trayectoria circular. Este se moverá gracias a un soporte giratorio especial y medirá el desplazamiento relativo a un mandrino de control o a un punto fijo. Para generar el diagrama circular se necesitará un plotter polar sincronizado, un análisis por ordenador o mediante un codificador giratorio adicional en el soporte giratorio y un plotter polar. Figura 48 Montaje del sensor de desplazamiento - Método del patrón circular y dos sensores de desplazamiento lineal: en este caso se utiliza una sonda ENSAYOS 34 34 para que se mueva según una trayectoria circular y pueda registrar los datos en dos direcciones a la vez. La sonda deberá de estar en contacto siempre con el patrón circular. Figura 49 Montaje sensores de desplazamiento y patrón circular - Ball-bar: se trata de un dispositivo telescópico con bolas de precisión en sus extremos. Una esfera se fijará al componente de amarre de la maquina y el otro extremo al portaherramientas. Seguidamente, se programa una trayectoria circular cuyo radio sea igual a la longitud de la barra del Ball-bar que se haya elegido. Lo que se medirá son las variaciones radiales en la distancia de las esferas y con ello se generará un diagrama circular mediante el software del fabricante. Este dispositivo es muy usado para realizar calibraciones rápidas ya que permites conocer de una manera general los posibles errores que existen en la máquina herramienta. Una vez identificados los posibles errores se pasa a realizar las calibraciones concretas para cuantificar un error en concreto. Figura 50 Montaje Ball-bar - Escala digital bidimensional: este dispositivo permite hacer una medición en dos coordenadas para poder obtener así las desviaciones en las trayectorias circulares. Se tiene que instalar un detector de posición bidimensional en el portaherramientas y la escala 2D en la zona donde se sitúa la pieza. 35 35 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Normalmente se requiere de un software para registrar las desviaciones y representarlas en un diagrama circular. Figura 51 Montaje escala digital bidimensional 4.3.9 Ensayo de planitud Se puede realizar este ensayo tanto a una superficie virtual generada por dos ejes lineales o a una superficie funcional de la máquina herramienta. Para realizar estas mediciones se empleará dispositivos de referencia para, a partir de ellos, medir las desviaciones. Una vez se tengan los resultados de las desviaciones se genera un diagrama para ver la disposición del plano según las mediciones tomadas. Los puntos donde se realizará la toma de datos tendrán que estar uniformemente colocados para abarcar lo máximo el plano a medir. - Placa como superficie de referencia y sensor de desplazamiento lineal: se sitúa una placa de referencia en el plano que se vaya a medir y el sensor de desplazamiento en la parte de la máquina que sujeta la herramienta. El sensor de desplazamiento se desplazará sobre esta superficie y será el encargado de medir cualquier tipo de desviación. El error de planitud es el rango de las desviaciones de planitud calculadas. ENSAYOS 36 36 Figura 52 Montaje de placa y sensor de referencia - Laser de barrido de alineamiento: este método tiene similitudes con el anteriormente descrito salvo que ahora la superficie de referencia se genera mediante un láser cuyo haz junto con un espejo giratorio crean la superficie de referencia. El láser va montado en la zona de la maquina donde se sitúa la pieza y en el husillo se instala un sensor fotodiódico. Este último es el encargado de detectar cualquier desviación en la posición del haz incidente. - Interferómetro laser: este ensayo se basa en la comprobación de rectitud de varias líneas de la superficie, realizando mediciones de alteraciones angulares que pueden producirse a lo largo de estas. El software transforma estas alteraciones angulares en alturas incrementales en todos los puntos de medición, que luego se mostraran en un esquema de la superficie con todas las posibles desviaciones, véase la Figura 54. Para llevar a cabo este ensayo se hará uso de dos espejos giratorios, regla guía, bases de planitud, cabezal láser, interferómetro y reflector angulares. Sobre los espejos giratorios se sitúa el interferómetro angular, que permanecerá inmóvil en una posición. Por otro lado, el reflector angular va montado sobre las bases de planitud y se moverá a lo largo de la línea a medir. Se hará uso de los dos espejos giratorios cuando el cabezal láser no se pueda mover y se necesite el haz láser en una determinada orientación. Antes de comenzar con la toma de datos debe de haberse definido una serie de líneas que formen un plano paralelo al plano a medir. Además, habrá que definir el orden de medición de las líneas marcadas. En la Figura 53 se puede ver un esquema muy completo del montaje de los diferentes elementos, así como del conjunto de líneas a medir y su orden. 37 37 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura 53 Montaje del láser y sus ópticas Figura 54 Presentación de los resultados 4.3.10 Otros ensayos Se han presentado las principales calibraciones en las máquinas herramienta, pero también existen calibraciones muy específicas que se pueden tomar como calibraciones secundarias para ciertas máquinas herramienta. Todo dependerá del acuerdo o las exigencias que se lleven a cabo con el cliente. - Ensayo de movimiento cónico: principalmente este ensayo es utilizado en máquinas de 5 ejes para ENSAYOS 38 38 dar a conocer las desviaciones de la trayectoria del centro de la herramienta circular generada por los cinco ejes simultáneamente. Para esta medición se requiere de un Ball-bar que será el encargado de llevar a cabo la toma de datos y representar mediante un software el diagrama circular con las desviaciones que se detecten. Una de las esferas se monta en el husillo y la otra en la mesa de manera que se adapte al eje del cono. En la Figura 55 se puede observar todas las componentes a tener en cuenta para el correcto montaje del Ball-bar. Figura 55 Montaje del Ball-bar para medición cónica - Intersección entre líneas medias de eje: las máquinas herramienta pueden constar de varios ejes de revolución que pueden ser paralelos o perpendiculares entre sí. Por este motivo es interesante medir el punto de intersección de los ejes de revolución que se cruzan. El proceso de medición será diferente si los ejes de revolución son perpendiculares que si no lo son. Concretamente si los ejes de revolución son perpendiculares se utilizará un sensor de desplazamiento y una esfera patrón y si no lo son se usará un sensor de desplazamiento y dos Mandrinos de control. En la Figura 56 y Figura 57 se tiene el montaje con todos sus componentes identificados para estos dos casos. Las lecturas del sensor de desplazamiento dirán el error de intersección que existe entre los ejes que se esten midiendo. 39 39 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura 56 Montaje en el caso de líneas medias perpendiculares Figura 57 Montaje en el caso de líneas medias no perpendiculares ENSAYOS 40 40 - Pruebas de trayectorias lineal: este tipo de ensayos son una manera fácil de comprobar características volumétricas. Se tratan de prueban multiaxiales sobre una cara o diagonales del volumen de trabajo que disminuyen los costes y el tiempo con respecto a las pruebas de comprobación volumétricas. El fin de esta prueba es comprobar que los ejes en cuestión, dos o más según la prueba, actúan de manera coordinada para obtener el resultado previsto. Para realizar las mediciones sobre estas trayectorias se puede aplicar lo descrito para los ejes individuales, pero teniendo en cuenta que ahora se compara con diagonales de los planos coordenados. 4.4. Incertidumbre 4.4.1. Introducción Cuando se habla de realizar un proceso de medición se debe de tener en mente que las medidas que se realice no serán exactas. Por ello siempre se tiene que dar un valor indicativo que cuantifique la calidad del resultado. A esta manera de indicar esa calidad de medición se le llama incertidumbre de medida, que ayuda a plantear un intervalo de posibles resultados que se puede obtener. El mesurando se refiere a las magnitudes particulares que son objeto de medición. Hay que destacar que existen dos formas de obtener el mesurando y dependerá del tipo de medidas que se han realizado. Las medidas directas son en las cuales se obtiene una magnitud de medida a través de un solo instrumento. Por el contrario, se realiza una medición indirecta cuando se obtiene el valor de la magnitud a partir de una medida directa. Esta relación entre magnitudes directas e indirectas se suele dar a través de una fórmula. En los procesos de medición siempre se comenten imperfecciones que actúan sobre un procedimiento sin que se pueda impedir. Esto conlleva que siempre exista un error en el resultado de medida. Tradicionalmente se han definido dos componentes que forman el error: - Componente aleatorio: se ha estudiado que procede de variaciones de magnitudes que influyen y son impredecibles. Este tipo de error no se puede compensar y disminuirá con el incremento del número de mediciones. - Componente sistemático: al igual que para la componente aleatoria no se puede eliminar, pero si se podrá corregir para disminuir su influencia. Se puede cuantificar y si es significativo se le aplicará un factor de corrección para compensarlo. La incertidumbre de medida se ha convertido en un parámetro fundamental para la calidad y el diseño industrial ya que aporta información relacionada con los posibles resultados que se obtiene. Al final se después de obtener las correspondientes mediciones con sus incertidumbres asociadas se les aplicará criterios de aceptación para evaluar los resultados obtenidos. 4.4.2. Fuentes de incertidumbre En la Guía para la expresión de la Incertidumbre de la Medida (GUM) se ha definido una serie de fuentes de incertidumbre con el fin de poder identificarlos para su respectivo ensayo de medición. A continuación, se lista algunas fuentes de incertidumbre: - Definición incompleta del mesurando - Realización imperfecta de la definición del mesurando - Resolución del instrumento de medida - Conocimiento incompleto de los efectos de las condiciones ambientales - Desviaciones en las lecturas por parte del operador - Valores inexactos de los elementos de referencia utilizados - Aproximaciones e hipótesis 41 41 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones - Valores inexactos de fuentes externas - Variaciones en las observaciones repetidas del mesurando. Además de estas posibles fuentes de incertidumbre existen muchas variantes más que pueden afectar al proceso de medición, instrumento, ambiente, etc. Un elemento muy importante en la identificación de incertidumbres es la experiencia del operario. No es una variable fácil de cuantificar, pero afecta tanto a la ejecución del ensayo como al diseño del ensayo. Debido a esto las fuentes de incertidumbre pueden variar significativamente de un ensayo a otro ya que no existe una regla que las defina en cada caso. 4.4.3. Cálculo de la incertidumbre Una vez comprendida la definición de incertidumbre y los posibles elementos que pueden influir en su cálculo, se pasa a definir como se determina. Cuando se calibra es común que solo exista un mesurando o magnitud de salida Y. El mesurando en muchos de los casos no se obtiene directamente, sino que depende de magnitudes de entrada Xi que tienen una relación funcional: 𝑌=𝑓(𝑋1,𝑋2,…𝑋𝑁) (10) Con la función f el proceso de medición queda definido. Existen dos categorías según la manera en la que se haya obtenido el valor de la magnitud de entrada y su incertidumbre asociada: - Por un lado, se encuentran las estimaciones de las magnitudes y su incertidumbre calculadas por medio directo de la medición. Se trata de valores que se han obtenido por medio de observaciones repetidas. Es necesario obtener las correcciones relacionadas con las lecturas de los instrumentos o magnitudes de influencia. - Por otro lado, están las estimaciones de las magnitudes y su incertidumbre que se obtienen por fuentes externas. Cuando se habla de fuentes externas se refiere a magnitudes asociadas a patrones de medida calibrados, objetos de referencia certificados o datos de obtenidos de manuales. Entonces se tiene que la estimación de salida y se obtiene a partir de las estimaciones de entrada xi (). Dentro de las estimaciones de entrada xi se encuentran las magnitudes que contribuyen en el resultado final y las posibles correcciones relacionadas con el ensayo. Se debe de tener en cuenta, aunque estas sean cero ya que luego se tendrán en cuenta para el cálculo de su incertidumbre asociada. 𝑦=𝑓(𝑥1,𝑥2,…𝑥𝑁) (11) Una vez se haya definido el modelo para poder obtener la estimación de la magnitud de salida, se podrá calcular la incertidumbre asociada a la medición. Por lo que la desviación del mesurando vendrá representada mediante la incertidumbre típica de medida u(y) que está asociada a la estimación de salida. Esta incertidumbre será el resultado de las incertidumbres típicas asociadas a las estimaciones de entrada. 𝑢(𝑦)=𝑓(𝑢(𝑥1),𝑢(𝑥2),…𝑢(𝑥𝑁)) (12) 4.4.4. Evaluación de la incertidumbre de las estimaciones de entrada Existen dos métodos para evaluar la incertidumbre asociada a las estimaciones de entrada: “tipo A” y “tipo B”. La única diferencia entre estos dos grupos radica en la manera de realizar su análisis. Ambos tipos de evaluación se fundamentan en distribuciones de probabilidad y sus componentes resultantes se calculará por medio de varianzas o desviaciones típicas. - Evaluación de la incertidumbre tipo A: se opta por este método cuando se tiene una serie de n observaciones para la estimación de entrada xi que corresponda. Se utiliza una media aritmética o promedio de los valores obtenidos en las observaciones para calcular el valor estimado. Se pasa a definir la magnitud de entrada Xi como la magnitud Q. Por lo que sus distintos valores observados serán qj(j=1,2,3,4…n) y el valor estimado 𝑞. 𝑞=1𝑛∑𝑞𝑗 𝑛 𝑗=1 (13) Una vez planteado el valor estimado 𝑞, la incertidumbre de medida se evalúa mediante una de estas dos CONCLUSIÓN 48 48 sino en el procedo de medicion. Los instrumentos con una mayor tecnologia suelen ser mas fáciles de usar, mas rápidos y mas precisos. La decisicion del instrumentos a utilizar recae en el laboratio según el presupuesto que se disponga, y la calidad de resutlados que se quiera presentar. Tabla 4. Herramientas en los distintos ensayos SENSOR DE DESPLAZAMIENTO NIVEL DE PRESICIÓN MICROSCOPIO E HILO TENSO TELESCOPIO DE ALINEAMIENTO AUTOCOLIMADOR LÁSER TRACKER INTERFEROMETRIA ENCODER ROTATIVO DE REFERENCIA 1. RECTITUD X X X X 2. POSICIONAMINETO LINEAL X X 3. MOVIMIENTO ANGULAR X X X 4. POSICIONAMIENTO ANGULAR X X X 5. PARALELISMO X X 6. COAXIALIDAD X 7. PERPENDICULARID AD X X 8. TRAYECTORIA CIRCULAR 9. PLANITUD X X X X No se han incluido todos los procedimietnos de calibracion para máquinas herramientas ya que la lista seria demasiado extensa. Este trabajo se ha centrado en los principales procedimietnos de calibracion para que una máquina cumpla una seria de normas de calidad y requisitos de operación. Existen otras técnicas como los ensayos volumetricos que dan mas informacion sobre el estado de la máquina herrmienta pero a su vez son mas complejos de realizar. Se podría profundizar más en el estudio de estas técnicas y de otras similares para englobar al máximo todas las posibles mediciones que se pueden realizar a las máquinas herramientas. El campo de la metrologia avanza constantemente y se siguen perfeccionando o creando nuevos procedimietnos de calibración. La creación de nuevas máquinas herramientras o herramientas de medición pueden requerir nuevos procedimietnos de calibración o una adaptacion de los que ya existen. Todos aquellos nuevos procedimietnos son un interesante punto de estudio para poder continuar con este estudio y lograr englobar todas las principales mediciones en un solo documento. 49 49 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN A.1 Características del equipo Este documento es extensible a cualquier máquina herramienta del mercado destinada a ser calibrada por los métodos más adelante descritos. Estos procedimientos se verán afectados ligeramente para adaptarse a las características de cada máquina según corresponda. A.2 Objeto El procedimiento de calibración expuesto está destinado a describir los principales ensayos para realizar un mantenimiento preventivo de las diferentes máquinas herramientas existentes en el mercado. Se ha tenido en cuenta para ello las principales características de todas las clases de máquinas herramienta (torno, rectificadora, fresadora, máquina de 3/5 ejes, centro de mecanizado, etc.). Con esto se pretende que el presente documento pueda ser extensible al mayor número de máquinas herramientas. A.3 Breve descripción Las mediciones que se describen en el presente documento tienen en cuenta todos los posibles errores que se puede encontrar en una máquina herramienta. Dependiendo de la máquina se realizarán un conjunto de mediciones u otro para que esta quede totalmente calibrada y cumpla los requerimientos del cliente. Principalmente se tendrá en cuenta las características (número de ejes, tamaño, tecnología, etc.) de la máquina para la elección de las mediciones a realizar, además de las exigencias del cliente. Los errores dentro de una máquina herramienta se pueden clasificar en muchos grupos dependiendo de su origen. Los más significativos o los que tienen más importancia para el acabado de la pieza son los errores geométricos. Estos errores afectan principalmente al funcionamiento de la máquina y por ello es indispensable realizar una calibración cada cierto tiempo para comprobar que se mantienen en unos límites marcados. Debido a la gran cantidad de errores es recomendable agruparlos según al componente de la máquina herramienta que afecte directamente. Principalmente se tiene unos errores que afectan a los ejes lineales: - Error de posicionamiento lineal - Error de rectitud - Error de movimiento angular Del mismo modo se tiene errores que afectan a los ejes de rotación: - Error de posicionamiento angular - Error de movimiento de los ejes de rotación - Error de movimiento coaxial - Error de movimiento radial - Error de oscilación del movimiento - Error de desplazamiento de los ejes ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 50 50 - Error de desplazamiento radial de un eje de rotación en un punto dado Por otro lado, se tienen errores de comparación para verificar que un eje se mantiene paralelo o perpendicular a cierto elemento según se requiera. Como se puede comprobar más adelante, los errores de paralelismo o perpendicularidad pueden comprobarse con respecto a diversos componentes. Pueden compararse con otros ejes de la máquina, otro plano, o un patrón. Por último, se tiene los errores que se miden en un plano y de los que se puede extraer algo más de información sobre los fallos de la máquina herramienta: - Error de trayectoria circular - Planitud A.4 Campo de aplicación Los diferentes procedimientos de medición serán realizados en las instalaciones del fabricante debido a la magnitud de las máquinas herramientas. Se tendrá en cuenta todas las condiciones previas antes de realizar la toma de datos para asegurar que las condiciones de medición son óptimas. A.5 Notas preliminares Se tendrá en cuanto unas ciertas condiciones que tiene que cumplir el lugar donde se va a realizar el ensayo. Con ello se puede asegurar que las mediciones serán lo más exactas posibles y se pueda realizar los ensayos sin ningún problema. A continuación, se lista una serie de acciones a realizar: - Comprobar el estado general, funcionamiento e identificación correcta de la máquina. - Es importante conocer perfectamente todos los pasos descritos en el presente procedimiento de calibración antes de proceder a la calibración de un equipo. - Antes de proceder a la calibración, dejar que la máquina se estabilice a la temperatura ambiente del laboratorio durante al menos doce horas, junto con los equipos que intervienen en la calibración. - Limpiar las superficies de las zonas a ensayar. - Situar los ejes de la maquina X, Y y Z en sus respectivas posiciones iniciales 0. - Realizar las pruebas previas al ensayo descritas más adelante en este punto. - Gradiente de temperatura debe de ser (del tipo de la tabla C.1 de la ISO230-3) Es de vital importancia rellenar las hojas de trabajo con los datos identificativos del equipo, el nº de informe, la fecha y las condiciones ambientales (temperatura y humedad), debiendo estar estas últimas comprendidas entre 20.0 ºC ± 1 ºC y ≤60 %HR para dar validez al proceso de calibración. A.5.1 Prueba de histéresis de montaje Con esta prueba principalmente lo que se quiere es cuantificar, si existiese, cualquier tipo de holgura de montaje que afecte a los resultados de la toma de datos final. Se puede deber a elementos de sujeción no instalados o que los soportes no posean la rigidez suficiente para soportar el proceso de medición. La perdida en la repetibilidad de los resultados es un claro indicador de histéresis u holgura de montaje. En el caso que se obtenga una histéresis significativa y aun después de ajustar la estructura de medición no se reduce esta histéresis, quiere decir que el problema puede ser propio de la máquina. El límite de aceptación de histéresis es el 10% de la repetibilidad prevista. Se debe de seguir los siguientes pasos para realizar esta prueba: 1. Se instala y se ajusta a cero el reloj comparador en las dos posiciones de la estructura de medición, El reloj comparador debe de situarse en la misma dirección y sentido que el eje que se vaya a medir. 51 51 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones 2. Se aplica manualmente una fuerza sobre lo que soporta el punto de referencia. Esta fuerza puede variar entre 20 N y 200 N, pero se recomienda utilizar 40 N. No es necesario llevar un control exacto de la fuerza a aplicar. 3. Dejar de aplicar esta fuerza progresivamente hasta cero. Anotar lo que marca el reloj comparador. 4. Realizar los pasos 2) y 3) pero con una fuerza en una dirección opuesta. 5. Si se hace la diferencia de ambas mediciones se obtiene la histéresis del punto de referencia. 6. Realizar los pasos 2) hasta 5) para el otro punto de la estructura de medición. 7. La suma de ambas histéresis dará el valor total de histéresis para el montaje. A.5.2 Prueba de estabilidad En las maquinas herramienta se puede producir vibraciones de todo tipo las cuales provienes tanto de fuentes externas como internas. Un incorrecto montaje de los instrumentos de medición hace que los resultados de las mediciones sean muy sensibles a las vibraciones. Por ello se sigue estos pasos para realizar la prueba de estabilidad del montaje de los instrumentos de medición y así poder eliminar el impacto que pueda llegar a tener un incorrecto montaje en la incertidumbre de las mediciones. 1. Se monta el instrumento de la manera prevista para el ensayo de calibración. 2. Se coloca la máquina herramienta en la mitad del recorrido 3. Sin mover la maquina se muestran los resultados de la prueba para un ritmo y tiempo iguales a los del ensayo. A.6 Procedimiento Dependiendo del error que se quiera medir se realizará el ensayo correspondiente con la herramienta que más le convenga. En cada punto se especifica el error que se mide, las características, el dispositivo de medición y su montaje. A.6.1 Rectitud Los ensayos de rectitud se realizan sobre trayectorias lineales para detectar posibles desviaciones o distorsiones en el movimiento. Dichas desviaciones se producen en las dos direcciones perpendiculares a la dirección de movimiento de la trayectoria lineal. La base de estos ensayos se encuentra en medir los desplazamientos relativos con respecto a una referencia de rectitud. El dispositivo de medición proporciona la diferencia entre la referencia de rectitud y el desplazamiento lineal, que es paralelo a la referencia. Cuando se haya definido el eje lineal sobre el que se medirá se procederá a determinar los puntos de medida sobre este. Estos puntos marcan las zonas donde el instrumento realizará las tomas de datos. El número de puntos dependerá de la longitud del eje que se mida ya que estos puntos de medición deben de abarcar el máximo de su recorrido. Para ejes de hasta 250 mm los intervalos deberán de ser de 25 mm y para ejes más largos los intervalos no pueden superar el 1/10 de la longitud del eje. El número de repeticiones de estas mediciones a lo largo del eje queda a convenio entre el cliente/fabricante y el laboratorio. A continuación, se distinguen los diferentes ensayos que se pueden realizar según el instrumento que se utilice: - Regla y sensor de desplazamiento lineal: la referencia de rectitud es una regla sobre la cual se posiciona el sensor de desplazamiento, lo más próximo al punto funcional. Según las características de la máquina herramienta se moverá a las distintas posiciones, la regla o el sensor de desplazamiento. La regla va montada sobre la mesa móvil y el sensor de desplazamiento en el husillo, como se puede ver en la figura AI.1. ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 52 52 Para la medición del error de rectitud en el plano horizontal se instala el comparador paralelo al eje horizontal en el husillo y la regla de la misma manera, pero sobre la mesa. Se mueve el husillo con el reloj hasta que entre en contacto con la regla y se ajusta el reloj comparador a 0. A continuación, se procederá a mover el husillo por las diferentes posiciones marcadas y anotando el valor del comparador en cada una de ellas. El borde de la regla por donde se desplaza el comparador puede tener imperfecciones que afecten a las mediciones. Por ello lo más conveniente es realizar dos repeticiones del grupo de mediciones. Uno de los grupos de medición se hará girando la regla 180 º con respecto al montaje inicial. Una vez se haya obtenido la tabla con los resultados se podrá separar la desviación de la rectitud del eje a medir de la desviación de la rectitud del borde de la regla, según las siguientes ecuaciones: 𝑀(𝑥)=[𝐸1(𝑥)+𝐸2(𝑥)] 2 (𝐴𝐼.1) 𝑆(𝑥)=[𝐸1(𝑥)−𝐸2(𝑥)] 2 (𝐴𝐼.2) Donde M(x) representa la desviación de rectitud del borde de la regla y S(x) es la desviación de la rectitud del eje en cuestión para una posición x. E(x) son las gráficas de los datos obtenidos durante el ensayo en ambas posiciones de la regla. Para la medición del error de rectitud en el plano vertical se procede de la misma manera, pero instalando la regla y el sensor perpendicular al eje de desplazamiento en el plano vertical. Figura AI. 1 Ensayo de rectitud con regla y comparador - Interferómetro láser de rectitud: en este caso la referencia de rectitud se define con el eje de simetría del reflector de doble espejo. Para este ensayo se hará uso de los componentes que vienen dentro del kit del Laser XL-80 de Renishaw y en concreto: el interferómetro de rectitud, reflector de rectitud, base de rectilinealidad, bloques de fijación, reflector de gran tamaño, espejo giratorio vertical y obturador de rectilinealidad. Dependiendo de la longitud del eje se deberá utilizar el conjunto de montaje de largo alcance (hasta 29 m) o de corto alcance (hasta 3.9 m), esto también afectará al programa que se utilice dentro del software de Renishaw. Si se procede a realizar la medición de la rectitud sobre un eje horizontal se monta el interferómetro de rectitud sobre el husillo, el cual va a describir el movimiento lineal que se va a comprobar. Por otro lado, se fija el reflector de rectitud en la parte de la máquina herramienta que sujeta la pieza. El láser va instalado sobre un trípode que debe estar alineado con la mesa de la máquina herramienta de tal manera que tenga rigidez y no presente vibraciones. Según la posición en la que se coloque el reflector de rectitud (horizontal o vertical) se medirá la rectitud en un plano u otro. En la figura AI.2 se muestra un 53 53 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones ensayo de rectitud del eje horizontal en el plano vertical. Si interesa realizar luego el ensayo de rectitud del eje horizontal en el plano horizontal se procederá a mover el reflector de rectitud 90 º. Figura AI. 2 Ensayo de rectitud con interferómetro láser (opción 1) Puede darse el caso de un ensayo en el que no se pueda colocar el reflector detrás del interferómetro por falta de espacio o porque el movimiento del eje no lo permita. En ese caso se debe de realizar un montaje diferente haciendo uso, además de los componentes comentados anteriormente, el retroflector de gran tamaño. El retroflector de gran tamaño se monta en el husillo con el adaptador M8, proporcionado en el kit. Adosado al reflector de gran tamaño se instala el interferómetro laser. El reflector de rectitud permanecerá estático montado en la mesa de la máquina con el bloque de fijación y la placa de rectilinealidad. En la figura AI.3 se puede ver un esquema de este montaje. ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 54 54 Figura AI. 3 Ensayo de rectitud con interferómetro láser (opción 2) En el ensayo sobre el eje vertical se hará uso de todos los accesorios comentados anteriormente y además del espejo giratorio. Sobre la base de rectilinealidad se instala el espejo giratorio y el reflector de rectitud. La base de rectilinealidad junto con ambos accesorios se debe instalar sobre la mesa en la posición justo debajo del retroflector de gran tamaño. El retroflector se montará en el husillo con el adaptador M8 junto con el interferómetro de rectitud. El retroflector debe de estar orientado de tal manera que la abertura objetivo este encima del espejo giratorio y el interferómetro laser encima del reflector de rectitud. El haz emitido por el láser deberá estar 35 mm por encima de la mesa de la máquina. En las figuras AI.4 y AI.5 se pueden ver las opciones de montaje cuando se trata del eje vertical. 55 55 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura AI. 4 Ensayo de rectitud (eje vertical) con interferómetro láser (opción 1) Figura AI. 5 Ensayo de rectitud (eje vertical) con interferómetro láser (opción 2) Se realizará una serie de ajustes en el montaje realizado para que los resultados sean los más precisos posibles. Con estos ajustes se conseguirá alinear el haz del láser con el eje de la maquina a medir para que ambos estén lo más paralelo posible y así asegurar que le llega la máxima intensidad de señal. Si la ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 56 56 toma de datos se hace sobre un eje horizontal el ajuste se realizará de la siguiente manera: 1. Se coloca el obturador del láser en la configuración de diámetro reducido. Girar el obturador hasta conseguir algo parecido a la figura AI.6. Figura AI. 6 Obturador del cabezal láser con haz reducido 2. Se posiciona el interferómetro cerca del láser y ortogonal a la máquina. El interferómetro debe de quedar con el objetivo blanco al lado derecho como se muestra en la figura AI.7. El haz debe de incidir sobre este objetivo lo más céntricamente posible, para ello se ajustará el láser según convenga. Figura AI. 7 Interferómetro de rectitud (posición 1) 3. Se procede a girar el interferómetro de tal manera que el haz del láser indica sobre la parte derecha de este tal como se puede ver en la figura AI.8. Figura AI. 8 Interferómetro de rectitud (posición 2) 4. A continuación, se procede a comprobar que el reflector de rectitud este verticalmente instalado y sea perpendicular al haz del láser. El reflector se debe de encontrar a 0.1 m o a 1 m del interferómetro según si se trate de corto alcance o largo alcance respectivamente. 5. Se coloca el interferómetro a mitad del recorrido. 6. Se procede a ajustar la posición y altura del reflector para que los haces divergentes incidan sobre la mitad de la parte derecha del reflector. Además, se tiene que comprobar que los haces se encuentran a 0.6 mm con respecto al eje del reflector como se puede ver en la figura AI.9. 57 57 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura AI. 9 Reflector de rectitud 7. Se verifica que los haces de vuelta inciden sobre el obturador como se indica en la figura AI.10 y además pasan por la abertura de retorno del interferómetro. Figura AI. 10 Obturador del cabezal láser En este punto se debe de comprobar que los haces inciden simultáneamente sobre el punto que se indica en el paso anterior. Se pueden dar algunos casos de desalineación: los haces se encuentran por debajo o por encima del centro del objetivo para lo cual se debe de ajustar la inclinación del reflector. Si los haces no se superponen hay que girar el interferómetro. Si los haces se encuentran a la izquierda o derecha se ajusta el reflector de rectitud o el láser de manera horizontal. En la figura AI.11 se pueden ver gráficamente estos tres casos de desalineación. Figura AI. 11 Diferentes casos de desalineación en el objetivo del obturador 8. Cuando se consiga que incidan sobre el centro del objetivo se gira el obturador para que genere el haz completo y posicionar el láser en modo medición como en la figura AI.12. ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 64 64 Figura AI. 23 Ensayo de posicionamiento lineal (opción 1) Figura AI. 24 Ensayo de posicionamiento lineal (opción 2) Figura AI. 25 Ensayo de posicionamiento lineal (opción 3) 65 65 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura AI. 26 Ensayo de posicionamiento lineal (opción 4) Figura AI. 27 Ensayo de posicionamiento lineal (opción 5) La óptica del reflector lineal esta divido en seis caras como se puede observar en la figura AI.28. Esto ayuda a que a la hora de alinear el láser tener una referencia de donde debe estar situado el haz del láser. Concretamente el haz del láser debe de situarse en la mitad de una de las caras y no sobre las líneas que lo separan. Además, consta de un punto rojo marcado en el frontal que ayuda a su alineación. ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 66 66 Figura AI. 28 Reflector lineal Se deberá realizar la alineación del haz del láser con el eje de movimiento y para ello se realizará una serie de ajustes. Primero se va a ajustar el posicionamiento del interferómetro y el reflector lineal siguiendo los siguientes pasos: 1. Instalar el láser sobre el trípode en la posición que mejor convenga para alinearlo con el eje de movimiento. 2. Girar el obturador del cabezal láser para conseguir un haz de diámetro reducido. 3. Con el reflector lineal montado sobre la parte móvil de la herramienta, colocarla lo más cerca posible del láser e instalar un objetivo de tal manera que quede el punto blanco en la parte superior. Mover el láser hasta conseguir que incida en la parte central del punto blanco como se ve en la figura AI.29. Figura AI. 29 Reflector lineal 4. Quitar el objetivo y comprobar que el haz de retorno incide en el centro del objetivo del obturador. Si no coincide se debe de mover el láser hasta conseguir que el haz de retorno indica en el centro del objetivo como se muestra en la figura AI.30. Figura AI. 30 Obturador del cabezal láser 5. Montar el interferómetro lineal lo más cerca del reflector lineal comprobando que las caras de estos queden paralelas. Ambos elementos deberán quedar perpendiculares a la máquina. En la figura AI.31 se ve un esquema del montaje. 67 67 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura AI. 31 Montaje interferómetro lineal 6. Instalar un objetico en el interferómetro lineal con el punto blanco en la parte superior. Mover el interferómetro lineal para conseguir que el haz incida en la parte central del punto blanco como en la figura AI.32. Figura AI. 32 Interferómetro lineal con objetivo 7. Quitar el objetivo del interferómetro y dejar que el haz de retorno incida sobre el objetivo del obturador. Se juntarán tanto el haz de retorno del interferómetro como del reflector lineal. Mover el interferómetro si es necesario para que el haz de retorno incida en el centro del punto blanco del obturador del láser. Para ello es aconsejable colocar una tarjeta que impida que vuelva el haz del reflector lineal para que se pueda ver solo el haz del interferómetro en el obturador del láser. La figura AI.33 es un claro ejemplo de este caso. Figura AI. 33 Obturador del cabezal láser Después de realizar el correcto posicionado del interferómetro y reflector lineal se realiza el alineamiento del haz del láser con el eje de movimiento y para ello se llevan a cabo los siguientes pasos: 1. Mover el reflector de la máquina a lo largo del eje de modo que se aleje del interferómetro lineal. Parar la máquina cuando se vea que uno de los haces topa con el borde del objetivo del obturador como en la figura AI.34. ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 68 68 Figura AI. 34 Obturador del cabezal láser 2. Ajustar el cabeceo del cabezal láser con la perilla situada en parte trasera del mismo, hasta conseguir que el haz proveniente del interferómetro y del reflector lineal estén a la misma altura. En la figura AI.35 se puede observar este caso gráficamente. Figura AI. 35 Ajuste de cabeceo en el obturador del cabezal láser 3. Mover el cabezal del láser para ajustar su altura hasta que ambos haces estén en el centro del objetivo como en la figura AI.36. Figura AI. 36 Ajuste de altura en el obturador del cabezal láser 4. Ajustar el ladeo angular hasta conseguir que los haces de retorno se coloquen uno sobre el otro como en la figura AI.37. Figura AI. 37 Ajuste de ladeo en el obturador del cabezal láser 5. Trasladar el cabezal de laser horizontalmente para situar los haces de retorno en el centro del objetivo como en la figura AI.38. 69 69 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura AI. 38 Ajuste de horizontal en el obturador del cabezal láser 6. Una vez alineado ambos haces se vuelve a trasladar la máquina a lo largo del eje de movimiento hasta su máximo recorrido. Si el haz del láser se vuelve a mover fuera del objetivo, parar la máquina y repetir los pasos 2 a 5. 7. Cuando se llegue al extremo del recorrido desplazar el reflector lineal de vuelta hasta colocarlo junto con el interferómetro lineal. Si en la vuelta se produce un movimiento de los haces en el objetivo se procede a mover el reflector arriba, abajo, horizontal o verticalmente hasta hacer coincidir con el haz de retorno del interferómetro lineal. 8. Girar el obturador del láser para producir un haz normal y comprobar la intensidad de este en todo el recorrido. En la figura AI.39 se puede ver el obturador con un haz normal. Figura AI. 39 Ajuste de intensidad en el obturador del cabezal láser Este ensayo cuenta con unas unidades de compensación que se encarga de tomar datos de la temperatura, presión y humedad para calcular el índice de refracción del aire y así poder calcular los resultados conforme cualquier variación ambiental. A continuación, se expone las tres opciones de compensación que se tiene: • Compensación automática: se deja que los datos obtenidos por los sensores sean utilizados para compensar los datos que se van midiendo. Si el ambiente en el que se realiza el ensayo es muy cambiante se sugiere utilizar esta opción ya que tiene una tasa de actualización de 7 segundos. En la ventana principal se selecciona la casilla de compensación automática y se rellena el campo de expansión térmica del material según corresponda. • Compensación actualizada manualmente: conectado la unidad de compensación no se seleccionará el modo compensación automática en la ventana inicial. Con ello se obtiene un modo de actualización manual cuando se ejecute el comando Ctrl+L. • Compensación introduciendo los datos manualmente: en este caso se ingresará todos los datos ambientales de manera manual. Esto suele ocurrir cuando se tiene otros elementos de medición de las condiciones ambientales más precisos. Se puede utilizar este modo cuando el ensayo se pueda realizar rápidamente o se disponga de una sala con temperatura controlada. En cualquier instante del ensayo se puede parar la toma de datos dando al botón de Finalizar para cambiar los datos que corresponda y pinchar en Continuar para seguir con la toma de datos. Los sensores de temperatura del aire se situarán sobre la mitad del recorrido lo más cerca posible del recorrido del haz del láser. En el caso que se mida ejes largos se tendrá que comprobar la existencia de gradientes de temperatura. Esto será más probable en ejes verticales y en este caso se usará un ventilador para mover el aire. Los sensores tienen un agujero pasante por el cual se instala un tornillo para fijarlos a la superficie. Los sensores de humedad relativa y presión del aire vienen incorporados dentro de la unidad de ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 70 70 compensación ambiental, por lo que no es necesario que esta unidad este cerca del recorrido del haz del láser. Cuando se haga mediciones en ejes verticales de más de 10 m si se debe colocar la unidad de compensación ambiental en la mitad del recorrido. En la figura AI.40 aparecen representados los sensores antes mencionados y el compensador ambiental. Figura AI. 40 Compensador ambiental y sensores de temperatura La temperatura de ensayo estandarizada para cualquier proceso de calibración suele ser de 20 º. El software de Renishaw tiene en cuenta esto y hace una corrección dependiendo del coeficiente de expansión térmica del material y de un promedio de temperatura de la máquina obtenido por la unidad de compensación ambiental. Es fundamental definir correctamente el coeficiente de expansión del material y en caso de duda se consultará con el fabricante para concretar este dato. Los sensores de temperatura del material encargados de enviar los datos a la unidad de compensación ambiental se colocarán en la mesa de la máquina herramienta. Estos cuentan con una potente base magnética que hace posible fijarlos a cualquier superficie. Estos sensores deben de ser instalados como mínimo 25 minutos antes de empezar el ensayo. Cuando se haya llegado a este punto y antes de empezar con la toma de datos y la pantalla de configuración de las posiciones, se debe de poner a 0 los valores de pantalla pulsando sobre el botón ubicado en la barra de herramientas en la pantalla principal del software de ensayo de posicionamiento. Por último, hacer una serie de pruebas de movimiento con las ópticas para ver si coinciden con la lectura de la máquina. Si no coinciden se puede ajustar la lectura del láser pulsando sobre el siguiente botón , situado en la barra de herramientas de la pantalla principal para introducir el valor que sea necesario. A.6.3 Movimientos angulares Un eje lineal de movimiento puede tener 3 errores debido a los giros angulares durante su movimiento lineal: alabeo, balanceo y cabeceo. Para poder hallar estas inexactitudes sobre una trayectoria lineal se instala los correspondientes dispositivos de medición de ángulos entre la parte de la máquina que sujeta la pieza y la parte de la herramienta que sujeta la herramienta. La medición se realizará en una serie de posiciones programadas mientras el componente móvil se desplaza a lo largo de su eje lineal. Para la elección de las posiciones a medir se tendrá en cuenta que para ejes de hasta 250 mm los intervalos no serán mayores a 25 mm y para ejes de mayor envergadura el intervalo no será más grande que 1/10 de la longitud del eje. Se debe cerciorar que la maquina se mantiene en reposo el tiempo necesario para la toma de datos en cada posición. Por lo menos se realizará un conjunto de mediciones unidireccionales de todas las posiciones. Se utilizará los siguientes dispositivos de medición según el error angular que se quiera medir en el 71 71 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones correspondiente eje lineal: - Nivel de precisión: se precisará de dos niveles de precisión puesto que uno actúa a modo de referencia y el otro se situará en la parte móvil de la máquina, como se observa en la figura AI.41. Ambos niveles de precisión se instalarán en dirección perpendicular al eje de desplazamiento si se quiere medir el balanceo y se colocará en dirección del eje de desplazamiento si se quiere medir el cabeceo. Se realizará mediciones diferenciales entre ambos niveles de precisión a lo largo de unos puntos definidos en la trayectoria lineal. Se bloquean los dos ejes que no se van a mover y se anotan sus posiciones en la hoja de calibración. Seguidamente se procederá a mover el cabezal de la maquina por todo el recorrido del eje. El error de balanceo será el rango total de todas las desviaciones medidas. Figura AI. 41 Ensayo de movimiento angular - Interferómetro láser: se utilizará este dispositivo para medir el error angular de cabeceo y guiñada a lo largo del eje de movimiento. Se hará uso de los siguientes componentes del kit Láser XL-80: o Láser XL-80 o Interferómetro angular o Reflector angular o Dos objetivos o Fijaciones para las ópticas y el cabezal del láser. El reflector angular se monta sobre la parte móvil de la máquina herramienta y el interferómetro sobre la parte estática, como se ve en la figura AI.42. La figura AI.43 muestra un montaje opcional a la inversa que la anterior, interferómetro en la parte móvil y reflector angular en la parte estática. Ambos elementos se apoyarán sobre los bloques de fijación que van fijados a las ópticas mientras que los pilares los conectan a las placas base que los unen con la máquina, si fuese necesario. Las placas base pueden ser de acero o magnéticas El interferómetro se debe orientar de tal manera que la cara que contiene dos ópticas debe quedar al lado contrario del cabezal láser y alineada con la cara del reflector angular, que contine asimismo dos ópticas. El reflector angular es el encargado de medir las rotaciones angulares que se produzcan durante el recorrido. Si las ópticas se montan horizontalmente se procederá a medir el ladeo del eje y si se montan verticalmente se medirá el cabeceo del eje. ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 72 72 Figura AI. 42 Ensayo de movimiento angular (opción 1) Figura AI. 43 Ensayo de movimiento angular (opción 2) 73 73 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones En el caso que el cabezal láser no se pueda poner en línea con las ópticas se puede realizar los siguientes montajes, representados en las figuras AI.44 y AI.45, para la medición del error de ladeo. Se puede colocar perpendicular a las ópticas o hacer uso del espejo giratorio. Para el caso de medición del error de cabeceo se deberá hacer uso obligatorio del espejo giratorio. Este elemento será de ayuda también para el caso de medición del eje vertical. La figura AI.46 muestra un ejemplo de un montaje para el eje vertical. Figura AI. 44 Montaje para error de ladeo (opción 1) Figura AI. 45 Montaje para error de ladeo (opción 2) ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 80 80 Figura AI. 59 Montaje del indexador (opción 2) Primero se debe de definir un rango que mejor se acople al rango de trabajo real del ensayo. El software tiene unas opciones fijadas sobre las cuales se deberá seleccionar la más adecuada. El rango de trabajo debe de estar contenido en el rango que se elija y además se debe de tener en cuenta que la cifra superior del rango no se alcanzará nuca ya que el software pasa al valor inferior cuando se encuentre a 0,00001º del valor superior. Pulsando en el botón , situado en la barra de herramientas de la ventana principal, se abre la ventana representada en la figura AI.60 para seleccionar el rango. Figura AI. 60 Ventana de selección de rango en el software En la figura AI.61 se puede ver un esquema de los rangos preestablecidos para elegir la correcta según los intervalos de medición que se planteen. De todas maneras, el software comprobará que el rango de trabajo concuerda con el intervalo real y si no es así mostrará un mensaje de error. 81 81 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura AI. 61 Rangos según intervalos de medición Otra de las opciones a definir es el tipo de recorrido que se va a realizar durante todo el proceso de calibración. El recorrido puede ser unidireccional, si las posiciones seleccionadas se recorren solo en una dirección, y bidireccional, si las posiciones se alcanzan en ambas direcciones de movimiento. Si el proceso de calibración consta de dos o más recorridos es fundamental determinar la secuencia en la que se van a recorrer. Se elegirá una secuencia alternativa cuando después de realizar un primer recorrido vuelve a la primera posición para iniciar el siguiente recorrido. También existe una secuencia secuencial en la que todos los recorridos se hacen en una dirección para luego cambiar de dirección. Se pueden observar estos recorridos en las figuras AI.62 a AI.65 para su mejer compresión. Figura AI. 62 Recorrido unidireccional Figura AI. 63 Recorrido bidireccional Figura AI. 64 Secuencia alternativa (opción 1) ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 82 82 Figura AI. 65 Secuencia alternativa (opción 2) Otro paso para definir antes de empezar el proceso de calibración es referenciar al indexador. Con esto se consigue colocar el indexador en una posición de referencia. La configuración de esta referencia se realiza desde el menú de herramientas RX10>Mover indexador. Se puede elegir entre la lista despegable que se abre o iniciar el cuadro de dialogo para otras opciones. Si el indexador se encuentra en la posición deseada no se producirá ningún movimiento. En la figura AI.66 se puede ver una captura de esta ventana. Figura AI. 66 Ventana del software para mover el indexador a posición de referencia A continuación, se alinea el eje giratorio y el indexador para situarlos en la primera posición objetivo. Si el primer objetivo se encuentra en 0º se debería de mover solo el eje giratorio para colocarlo en esta posición ya que el indexador después de realizar la referencia ya se encuentra en esta posición. Si el primer objetivo se encuentra en una posición diferente se deberá de alinear ambos ejes a la posición que corresponda. Para ello se puede utilizar el cuadro de dialogo de Mover Indexer para seleccionar la posición del indexador que sea necesaria Se intentará que la primera posición se encuentre entre las disponibles por el indexador (0º, 5º 10º, … 350º, 355º y 360º), por el contrario, el indexador se colocará en la posición más cercana de la posición deseada. La intensidad de señal del haz del láser no puede estar por debajo de un cierto valor ya que si no se producirá el bloqueo del haz y se deberá de reiniciar el proceso para conseguir una intensidad adecuada. Habrá que realizar las siguientes comprobaciones para asegurar la intensidad de haz durante la toma de datos: - Bloquear y desbloquear el indexador. Esto hace que el indexador suba o baje y haga que en una posición u otra pueda haber menos intensidad. Por lo que se debe de comprobar que los haces de retorno en ambas posiciones se encuentren dentro del objetivo del obturador del láser. - Girar el reflector a las posiciones 90º, 180º, 270º y 360º en sentido positivo. Comprobar que en todas estas posiciones la intensidad de señal en la adecuada y no se produce una obstrucción del haz. 83 83 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Además de estos procesos de alineación el software tiene un proceso de calibración que se puede ejecutar para corregir los desajustes que exista entre el láser, el indexador y las ópticas. Esta calibración se seleccionará desde el menú de herramientas RX10>Calibrar configuración óptica. Si durante el proceso de calibración se supera el valor de repetibilidad definido por el usuario, este se detendrá. Los objetivos se pueden definir de varios modos: automático, manual o aleatorio. Cuando se habla de objetivos se refiere a las posiciones donde se realiza la toma de datos. Se puede elegir entre alguna de estas opciones en el menú de herramientas en la pestaña de Objetivos. Dentro del modo automático se debe de definir los valores inicial y final del rango de medición y el número de objetivos o los intervalos entre mediciones. El software calcula las posiciones de los objetivos automáticamente. En el modo aleatorio además de los valores anteriores hay una casilla para definir el intervalo en el que se quiere que este el objetivo. Por último, en el modo manual solo se requerirá el número de objetivos y luego en la lista que se genere se podrá cambiar los objetivos como se desee. El modo de capturar los datos también tiene varias opciones. En este caso se debe de seleccionar configuración automática de captura dentro de RX10 en el menú de herramientas. El modo automático se utiliza cuando se hace uso de un programa automático que define el proceso de calibración. El semiautomático se utiliza cuando el operador es el encargado de mover el eje de medición. El modo manual se utilizará cuando el movimiento de elevación del eje y de desbloqueo del indexador pueda producir una pérdida de la intensidad de señal del haz del láser. Durante el proceso de toma de datos el indexador girará y esto hará que el cable que conecta con la alimentación se enrolle sobre este. Por este motivo se debe inspeccionar en cada momento el correcto enrollamiento del cable en el indexador para que no se produzca ninguna rotura o bloqueo. Si durante el proceso de toma de datos surgiera algún problema se puede pulsar el botón de para de emergencia ubicado en la parte trasera del indexador. Por último, se debe de comprobar que los signos coinciden con el desplazamiento del eje giratorio. Para ello se gira el eje entre 1º y 2º y se compruebe que el software marca lo mismo. Si en un caso marcase el signo contrario se debe pulsar el botón , situado en la barra de herramientas de la ventana principal. Se vuele a girar el eje en ambas direcciones y se comprueba que ahora marca el signo correcto en ambas direcciones. A.6.5 Paralelismo de los ejes de movimiento Se tratará las posibles desviaciones de paralelismo que puede existir sobre dos ejes lineales de movimiento. Existen varias mediciones de paralelismo según los ejes que se vayan a medir. La medición se realizará en varios puntos a lo largo de la longitud del desplazamiento del eje lineal en cuestión. Para ejes de hasta 250 mm de longitud los intervalos donde se realizará la medición deberán de ser de 25 mm y para ejes más largos los intervalos no pueden superar el 1/10 de la longitud del eje. El número de repeticiones de estas mediciones a lo largo del eje queda a convenio entre el cliente/fabricante y el laboratorio. A.6.5.1 Paralelismo entre dos ejes de movimiento lineal - Método de la desviación de un punto fijo: para este método se utiliza un sensor de desplazamiento lineal que se colocará sobre uno de los componentes móviles de tal manera que el palpador toque un punto del otro componente móvil de la máquina. La figura AI.67 muestra un esquema de este montaje. Este dispositivo medirá el desplazamiento perpendicular a su eje de movimiento. Ambos componentes móviles deberán de moverse en la misma dirección y longitud. De manera opcional se puede utilizar una galga que se pueda desplazar, de esta manera se pueden conseguir datos más precisos. Se debe de desplazar el eje lineal que tenga el sensor de desplazamiento hasta que este entre en contacto con el otro eje lineal. Se ajusta el eje del sensor de desplazamiento hasta que este marque cero. A continuación, se puede empezar con la toma de datos en cada posición definida. Con las medidas del sensor de desplazamiento en las posiciones definidas según se ha comentado al ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 84 84 principio, se podrá definir la línea de rectitud de referencia. El ángulo de inclinación de la línea de rectitud de referencia con respecto a la dirección nominal de movimiento será el error de paralelismo entre los ejes de movimiento. Figura AI. 67 Ensayo de paralelismo con sensor de desplazamiento - Método basado en las mediciones de los errores de movimiento lineal: este método se basa en medir la rectitud de los componentes móviles por separado utilizando los dispositivos definidos en el apartado A.5.1. El error de paralelismo se obtiene mediante la suma algebraica de las pendientes de las dos líneas de referencia con respecto a la línea de referencia de rectitud. Para las mediciones de paralelismo que se lleven a cabo con el interferómetro láser existen algunas peculiaridades que hay que mencionar a la hora de utilizar el láser XL-80. Este ensayo se basa en realizar una medición de rectitud por eje y plano de desviación. Por lo que se realizaran un total de cuatro mediciones que luego se comparan con el software de Renishaw para obtener el error de paralelismo. El paralelismo se puede calcular en los dos planos ortogonales a los que pertenecen los ejes lineales. Según se requiera se realizarán cuatro mediciones para obtener el error en los planos ortogonales o solamente dos si se especifica sobre que plano se quiere obtener el error. Hay que mencionar que este dispositivo se utilizará para ejes coaxiales. A igual que en los ensayos de rectitud se podrá hacer uso del retroflector para distancias grandes, pero no se podrán mezclar diferentes configuraciones, es decir utilizar el retroflector para unas mediciones y no para otras dentro de un mismo ensayo. A continuación, en las figuras AI.68 a AI.70 se muestran varios esquemas de montajes posibles. Cada figura contiene cuatro imágenes que se corresponden con las distintas mediciones dentro de un mismo ensayo. Las imágenes a) y b) de cada figura se corresponden con la medición de rectitud de un eje en los dos planos ortogonales. Las imágenes c) y d) se corresponden con las mediciones del otro eje lineal con el que se quiere calcular el paralelismo. 85 85 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura AI. 68 Montaje de las ópticas para ensayo de paralelismo (opción 1) Figura AI. 69 Montaje de las ópticas para ensayo de paralelismo (opción 2) ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 86 86 Figura AI. 70 Montaje de las ópticas para ensayo de paralelismo (opción 2) Se debe de tener en cuenta los aspectos relacionados con la puesta a punto del montaje para realizar un ensayo lo más preciso posible. Se seleccionará como primer eje de medición el que se aproxime más a los extremos del rango especificado. Antes de la toma de datos se debe de comprobar que los signos de los ejes de medición concuerdan con lo que está definido en el software. Para ello se realizarán las siguientes comprobaciones: - Si el reflector de rectitud es la óptica estacionaria y es el mismo para ambas mediciones, se empujará manualmente el interferómetro como se indica en la figura AI.71 (dirección positiva) y se comprueba que el software marque lo mismo. Figura AI. 71 Criterio de signos (opción 1) - Si el reflector de rectitud es la óptica de movimiento para una medición y el interferómetro es la otra óptica de movimiento para la otra medición, los signos serán inversos tal como se indica en la figura AI.72. 87 87 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura AI. 72 Criterio de signos (opción 2) Una vez definido todo lo anterior y haber realizado todos los ajustes correspondientes se procede a realizar la toma de datos. Es muy recomendable que a los archivos para cada medición se le dé un nombre representativo ya que luego se va a necesitar para realizar el análisis de paralelismo. En la figura AI.73 se muestra una captura de la ventana donde se define las características del ensayo. Figura AI. 73 Ventana del software para definir las propiedades Cuando se tiene ya todos los archivos con los datos se procede con el análisis de los datos. Para ello se tiene que abrir el software de análisis y cargar el primer archivo datos de rectitud. En la ventana principal de análisis se procede a seleccionar Análisis > Paralelismo Lineal en la barra de herramientas. Se abrirá una ventana para cargar el segundo archivo y realizar el cálculo del paralelismo. El operario debe seleccionar los archivos de datos dos a dos según el plano en el que se haya hecho las mediciones. A.6.5.2 Paralelismo entre un eje de movimiento lineal y un eje fijo Para este ensayo se usa el mandrino de control y el sensor de desplazamiento. Se instala el mandrino de control sobre el eje fijo y el sensor de desplazamiento sobre el componente móvil como se puede ver en la figura AI.74. El palpador del sensor de desplazamiento se sitúa sobre el mandrino de control y se ajusta a cero antes de comenzar con la toma de datos. El sensor de desplazamiento es el encargado de medir, en las posiciones definidas, las posibles alteraciones entre ambos ejes. Estas mediciones se utilizan para elaborar la línea de rectitud de referencia. El error de paralelismo será el ángulo de la pendiente de dicha línea con respecto la dirección nominal de movimiento. ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 88 88 Figura AI. 74 Ensayo de paralelismo con sensor de desplazamiento y mandrino A.6.5.3 Paralelismo entre un eje de movimiento lineal y un eje de revolución - Interferómetro láser de rectitud: se debe de tener en cuenta que los ejes deben de ser coaxiales. Se realizarán unas mediciones con el componente giratorio en una posición angular y a continuación se repetirá las mediciones girando el componente giratorio 180º. El error de paralelismo se define como la mitad de la suma algebraica de las pendientes de las líneas de rectitud de referencia con respecto a la dirección nominal de movimiento lineal en las dos posiciones angulares distintas. Se hará uso de las ópticas que se describireron en el ensayo de rectitud A.5.1. Debido a la estructura del torno se debe de hacer uso de un espejo giratorio para colocar el haz del láser en la direccion del eje de medición. El espejo giratorio se colocará en la parte opuesta del eje de rotación. El interferómetro de rectitud se instalará en la parte móvil de la máquina, el cual describe la trayectoria lineal. En el cabezal del eje de rotación irá el reflector de rectitud. En la figura AI.75 se puede observar un esquema de este montaje. 89 89 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura AI. 75 Ensayo de paralelismo con láser de rectitud Se realizarán los mismos procesos de ajuste y alineamiento que en el ensayo de rectitud A.5.1. Se debe de asegurar que el espejo giratorio sea perpendicular al haz del láser con una precisión de +2.5 º. En la figura AI.76 se puede ver el criterio de signos que se tendrá en cuenta cuando se lleve a cabo este ensayo de paralelismo. Figura AI. 76 Criterio de signos Al igual que ocurre en el ensayo de paralelismo de ejes lineales se deberá de adjuntar los dos archivos de mediciones (posición angular inicial y girado 180º) para que el software calcule el error de paralelismo. Para obtener el error de paralelismo en el otro plano ortogonal se debe de realizar las mediciones girando el eje de rotación 90º y 270º partiendo de una posición angular inicial. - Mandrino de control o una regla y un sensor de desplazamiento lineal: se coloca el mandrino de control sobre el eje giratorio y el sensor de desplazamiento sobre el componente móvil (eje ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 96 96 Figura AI. 84 Montaje para ensayo de perpendicularidad (opción 3) 97 97 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura AI. 85 Montaje para ensayo de perpendicularidad (opción 4) Una variante de las figuras AI.83 y AI.84 seria instalar el espejo vertical orientándolo hacia fuera. De esta manera el láser se coloca perpendicular a la escuadra óptica. Se pueden crear otros montajes según las características de la máquina y de la accesibilidad de la zona de trabajo. La alineación aproximada es un proceso rápido para alinear uno de los ejes de medición con el rayo láser. Este procedimiento ayudará a simplificar los posteriores alineamientos. 1. Montar el interferómetro de rectitud a la parte móvil de la máquina herramienta. 2. Colocar el láser sobre el trípode. El láser debe de estar a 48 mm aproximadamente sobre la mesa si se trata de un ensayo horizontal-horizontal y a 98 mm si es un ensayo verticalhorizontal. 3. Girar el obturador del láser para obtener un haz reducido del láser. 4. Trasladar el interferómetro de rectitud lo más cerca posible del láser. Girar la cara del interferómetro hasta colocar el punto blanco en la parte superior. 5. Mover la máquina o el láser para hacer coincidir el rayo láser en el punto blanco. 6. Comprobar que el rayo láser incide sobre e punto blanco durante todo el recorrido. 7. Quitar el interferómetro de rectitud. Se realizarán los siguientes alineamientos según el plano donde se encuentren los ejes a medir: - Horizontal - horizontal: los alineamientos sobre los ejes no se harán de manera consecutiva, sino que entre ambos ajustes se realizará la toma de datos correspondiente a cada eje que se haya alineado. Los pasos del alineamiento del primer eje de medición son los siguientes: 1. Asegurarse que la escuadra óptica ha sido montada en la intersección de ambos ejes y es paralela a la bancada. Las aberturas de la escuadra óptica deben de estar orientadas de manera que coincidan con los ejes a medir. 2. Ajustar la altura del láser o la posición lateral de la escuadra óptica para que el haz de entrada quede centrado tanto en la abertura de entrada como de salida. Además, debe de estar aproximadamente 6 mm por encima del eje central como se puede ver en la figura AI.86. ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 98 98 Figura AI. 86 Ajuste de la escuadra óptica 3. Asegurarse que el rayo láser incide en el centro del reflector de rectitud, aproximadamente 6 mm por encima del eje central tal y como se ve en la figura AI.87. Figura AI. 87 Montaje reflector de rectitud 4. Instalar el interferómetro de rectitud entre el láser y la escuadra óptica. 5. Mover el elemento al que está conectado el interferómetro hasta hacer coincidir el rayo láser con el punto blanco del interferómetro. La Figura AI.88 muestra un ejemplo de esta situación. Figura AI. 88 Interferómetro de rectitud 6. Comprobar que el rayo láser se mantiene en el punto blanco durante todo el recorrido. 7. Girar la cara del interferómetro de rectitud para conseguir el rayo separado en dos haces como en la figura AI.89. 99 99 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura AI. 89 Interferómetro de rectitud 8. Ajustar la posición del reflector de rectitud para que los haces divergentes que provienen del interferómetro incidan equidistantes en la parte superior central. Aproximadamente 6 mm sobre el eje central. La figura AI.90 muestra este caso. Figura AI. 90 Reflector de rectitud 9. Comprobar que el láser de vuelta pasa por la escuadra óptica, el interferómetro de rectitud y llega al punto blanco del obturador del láser como se observa en la figura AI.91. Figura AI. 91 Obturador del cabezal láser 10. Si los haces de vuelta no se superponen se procederá a girar el interferómetro finamente hasta hacerlos coincidir. 11. Si los haces se encuentran por encima o por debajo del centro del obturador, se moverá verticalmente el reflector de rectitud hasta colocarlo correctamente. 12. Si los haces se encuentran a la derecha o a la izquierda del centro del obturador, se ajustará el mando de control de inclinación del reflector de rectitud. 13. Una vez ajustado todos estos parámetros se gira el obturador del láser para emitir el haz completo. La figura AI.92 muestra esta posición del obturador. ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 100 100 Figura AI. 92 Haz completo en el obturador del cabezal láser 14. Comprobar en el software la intensidad de la señal. Si el mensaje Señal baja o Rayo Obstruido aparece se debe de mover ligeramente el interferómetro para comprobar que no corta ningún haz. Si los mensajes siguen apareciendo se debe de comprobar los haces en la escuadra óptica y el reflector de rectitud. Repetir esta comprobación a lo largo del recorrido y en caso de resultado negativo volver a hacer el proceso de alineación. A continuación del alineamiento descrito anteriormente se procede a realizar un ajuste para eliminar cualquier desalineación entre el eje de movimiento y el eje del reflector. Para ello se realizará el procedimiento descrito en el punto A 5.1. Antes de comenzar con la toma de datos hay que comprobar si el criterio de signos coincide entre la máquina y el software. El criterio de signos que se seguirá según como se desplace el interferómetro de rectitud viene dado con las figuras AI.93 y AI.94. Para comprobar que coincide el criterio de signos se deberá de empujar ligeramente el interferómetro de rectitud en la dirección positiva, según el caso que corresponda, y comprobar que en la ventana principal del software aparece un dato positivo. En caso contrario de debe de pulsar el botón , ubicado en la barra de herramientas de la ventana principal. Figura AI. 93 Criterio de signos 101 101 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura AI. 94 Criterio de signos Con todo ello se puede realizar la toma de datos del primer eje de medición. Una vez finalizada esta medición se procede a realizar el montaje para la medición del segundo eje según la configuración elegida de las presentadas anteriormente. El interferómetro de rectitud se debe de alinear con el segundo eje y se comprueba la intensidad de señal durante todo el recorrido. Si se obtiene un mensaje de Haz obstruido o Señal baja se procederá a comprobar la alineación de la siguiente manera: 1. Comprobar que los haces de entrada y salida pasan correctamente por el interferómetro de rectitud sin producirse ningún corte como se observa en la figura AI.95. En caso contrario mover el interferómetro vertical y horizontalmente según convenga. Figura AI. 95 Interferómetro de rectitud 2. Girar el obturador para emitir un haz reducido y comprobar que el haz de retorno incide sobre el objetivo como en la figura AI.96. Figura AI. 96 Haz reducido en el obturador del cabezal láser 3. Si los haces de retorno inciden por debajo o por encima del centro del objetivo se debe de mover verticalmente el cabezal del láser. En otro caso, si los haces se encuentran a la derecha o la izquierda del centro del objetivo se gira el láser ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 102 102 horizontalmente para hacerlos coincidir. Si se han realizado dichos movimientos se debe de mover el cabezal del láser horizontalmente para que los haces de salida y de retorno pasen sin cortes por el interferómetro de rectitud. 4. Si los haces no se encuentran superpuestos en el objetivo del obturador se gira ligeramente la cara del interferómetro. 5. Girar el obturador para emitir un haz normal y comprobar la intensidad a lo largo del recorrido. En caso de aparecer algún mensaje de error relativo a la intensidad de la señal volver a realizar el proceso de alineamiento. Finalizado el proceso de alineamiento del segundo eje se procede a la comprobación del criterio de signos de la máquina con el software (se realiza de la misma manera explicada anteriormente). A continuación, se realiza la toma de datos y su posterior análisis de los datos. - Cuando se realiza una medición vertical-horizontal la configuración de las ópticas serán distintas y por ello se debe de realizar unos alineamientos propios para cada eje de medición. Empezando con el eje vertical como primer eje de medición, se realizará los siguientes pasos para su correcto alineamiento: 1. Comprobar que el espejo vertical se encuentra instalado correctamente sobre su soporte. Con una de las aberturas de la escuadra óptica y el espejo vertical mirando hacia arriba y la otra abertura mirando hacia el reflector de rectitud y el láser respectivamente. En la figura AI.97 se puede ver el montaje del espejo vertical sobre la escuadra óptica. Figura AI. 97 Montaje espejo vertical 2. Montar sobre el espejo giratorio un objetivo con el punto blanco hacia la derecha como en la figura AI.98. Mover la escuadra óptica horizontalmente o el láser verticalmente para hacer coincidir el rayo láser en el centro del objetivo. Figura AI. 98 Ajuste espejo vertical 103 103 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones 3. Comprobar que la escuadra óptica es paralela y perpendicular a los ejes de la máquina. Usar para ello una escuadra de prueba o reloj comparador. 4. Volver a verificar que el rayo láser incide en el centro del objetivo. Quitar el objetivo una vez verificado. 5. Chequear que el interferómetro de rectitud ha sido instalado correctamente en el retroflector de gran tamaño. La figura AI.99 muestra el montaje del interferómetro sobre el retroflector de gran tamaño. Figura AI. 99 Montaje interferómetro de rectitud 6. Asegurarse que la apertura del retroflector está justo encima del espejo giratorio y la apertura del interferómetro esta encima de la escuadra óptica. Bloquear el retroflector en la posición deseada con la tuerca ubicada en adaptador M8. 7. Montar un objetivo sobre la apertura del retroflector de manera que el punto blanco quede en la parte interior como en la figura AI.100. Figura AI. 100 Ajuste interferómetro de rectitud 8. Mover el retroflector lo más cerca posible de la escuadra óptica, pero sin dejar de ver el objetivo blanco. Trasladar el retroflector para que el rayo láser incida en el centro del objetivo. 9. Elevar el retroflector hasta su máxima posición y ajustar el rayo láser para que incida sobre el objetivo. Para ello se ajustará el espejo vertical con sus mandos de control. En la figura AI.101 se puede ver los elementos del espejo vertical. Si no se consigue que el rayo láser incida sobre el objetivo se debe de realizar un alineamiento del rayo láser con el eje horizontal, llamado alineación aproximada. ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 104 104 Figura AI. 101 Ajuste espejo vertical 10. Bajar el retroflector hasta la posición más baja, comprobando que el rayo láser índice en el centro del objetivo. Si no es así se moverá el retroflector en ambos ejes horizontales para conseguir que el rayo láser indica de nuevo en el centro del objetivo. 11. Elevar de nuevo el retroflector hasta su máxima posición y quitar el objetivo de la apertura de este. Comprobar que el rayo láser pasa a través de la apertura y pasa por el interferómetro dividiéndose en dos haces dirigidos hacia la escuadra óptica. 12. Girar la cara del interferómetro para que los dos haces divergentes incidan en la parte interior de la abertura de la escuadra óptica. Ambos haces deben de ser equidistantes, para ello se toma en cuentas las marcas que existen en la cara de la abertura para tomarlas como referencia. Tomar como ejemplo de este caso la figura AI.102 Figura AI. 102 Haz de láser sobre Escuadra óptica 13. Comprobar que el reflector de rectitud es perpendicular con los ejes de la máquina. Además, verificar que el rayo láser incide equidistantes en la parte izquierda de la apertura, 6 mm por encima del eje central como en la figura AI.103. 105 105 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura AI. 103 Haz de láser sobre reflector de rectitud 14. Mover el reflector de rectitud para que los haces de vuelta pasen por la escuadra óptica e incidan en la parte de retorno del interferómetro como en la figura AI.104. Figura AI. 104 Haz de láser sobre interferómetro de rectitud 15. Comprobar que el rayo de retorno pasa por todos los componentes de manera correcta y es reflejado en el obturador del láser como en la figura AI.105. Figura AI. 105 Haz de láser sobre obturador del cabezal láser ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 112 112 Figura AI. 115 Montaje interferómetro y reflector angular 3. Girar el obturador del láser para obtener un haz reducido. 4. Girar el espejo giratorio para orientarlo correctamente. 5. Mover el cabezal del láser para que el rayo láser incida sobre el espejo giratorio como se indica en la figura AI.116. Las marcas sobre la abertura óptica del espejo giratorio ayudan a centrar el haz en la posición deseada. Figura AI. 116 Haz de láser sobre espejo giratorio 6. Mover la base de planitud con el reflector angular hasta colocarlo en la posición más alejada de su recorrido. 7. Ajustar el espejo giratorio para que el haz pase por el interferómetro angular y llegue al reflector angular. 8. Inclinar, si fuera necesario, el espejo giratorio para que el rayo láser incida a la altura correcta 113 113 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones sobre el reflector angular. Se hará uso de un objetivo montado en el reflector angular como en la figura AI.117. Figura AI. 117 Ajuste del reflector angular 9. Inclinar, si fuera necesario, el espejo giratorio para ajustar la altura del haz de retorno para que incida sobre el objetivo en el obturador. También se puede ajustar el haz de retorno girando el espejo giratorio para que incida en el centro del objetivo. 10. Mover el reflector angular los más próximo posible al interferómetro angular como en la figura AI.118. Figura AI. 118 Colocación reflector angular con respecto al interferómetro angular 11. Si fuese necesario, ajustar horizontal o verticalmente el cabezal láser para que el haz de retorno incida en el objetivo del obturador. 12. Repetir los pasos 6 hasta 11 para conseguir que el haz de retorno incida en el objetivo durante todo el recorrido. 13. Girar el obturador para conseguir un haz normal. Comprobar que durante todo el recorrido se obtiene una intensidad de señal aceptable. Cuando se realicen mediciones con dos espejos giratorios se procederá con el siguiente alineamiento: 1. Colocar la regla paralela a la línea a medir y junto a esta el reflector angular con la base de planitud. El reflector de rectitud debe de estar en la posición más cercana, es decir su ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 114 114 posición inicial. 2. Colocar el interferómetro con el espejo giratorio junto a la regla y a una distancia de 8 mm de la posición inicial como en la figura AI.119. Figura AI. 119 Montaje interferómetro y reflector angular 3. Girar el obturador del láser para obtener un haz de láser reducido. 4. Colocar el otro espejo giratorio delante del láser y orientar ambos espejos como se muestra en la figura AI.120. Figura AI. 120 Montaje espejos giratorios 5. Ajustar el cabezal láser o el trípode para que el haz de láser incida en la posición correcta como en la figura AI.121. 115 115 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura AI. 121 Haz de láser sobre espejo giratorio 6. Mover o girar el espejo giratorio próximo al láser para que el haz de láser incida de la manera correcta en el otro espejo giratorio. 7. Trasladar el reflector angular a la posición más alejada. 8. Girar el espejo giratorio, próximo al interferómetro angular, para que el haz de láser pase por el interferómetro angular y llegue al reflector angular. 9. Inclinar el espejo giratorio, próximo al interferómetro angular, para que el haz incida en la altura correcta sobre el reflector angular. Se puede utilizar un objetivo instalado sobre el reflector angular, como en la figura AI.122, para que su alineación sea más fácil. Figura AI. 122 Ajuste interferómetro angular 10. Quitar el objetivo del reflector angular y comprobar que el haz de retorno incide sobre el objetivo en el obturador. 11. Girar o inclinar el espejo giratorio, próximo al interferómetro láser, para que el haz de retorno incida en el centro del objetivo del obturador como en la figura AI.123. Figura AI. 123 Haz de láser sobre el obturador del cabezal láser 12. Trasladar el reflector angular a la posición más cercana con el interferómetro angular. 13. Mover ligeramente el láser horizontal o verticalmente para hacer coincidir el haz de retorno ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 116 116 en el centro del objetivo del obturador. 14. Repetir los pasos 7 hasta 13 para conseguir un haz correctamente alineado en el objetivo del obturador. 15. Girar el obturador del láser para conseguir un haz normal. 16. Comprobar que existe una intensidad de señal constante a lo largo de toda la línea de medición. Alineadas las ópticas que van a participar se procede a definir los datos del ensayo en el software de Renishaw. En la barra de herramientas se puede elegir el método que se ha elegido para llevar a cabo el ensayo: Moody o Cuadricula. A continuación, se abre una ventana donde se debe de elegir el tamaño de la base de planitud. Después se pasa a otra ventana donde se define diferentes datos geométricos del ensayo: tamaño de la mesa, puntos a medir, colocación del cabezal láser. Para el método Moody se tiene la opción de elegir una elección aleatoria de los objetivos o puntos de medición. Para el método cuadricula se puede elegir el número de líneas que se van a medir y el número de mediciones sobre esta. Además, para el método cuadricula se debe de definir un plano de referencia, para el cual se tiene una opción donde se introducirá la posición de unos puntos de referencia y su altura. Un aspecto importante para comprobar antes de comenzar con la toma de datos es el criterio de signos. Para ello se alzará la parte delantera de la base de planitud, que contiene el reflector angular, y se comprueba en el software que marca un desplazamiento positivo. En caso contrario pulsar el botón , situado en la barra de herramientas de la ventana principal del software para cambiar el criterio de signos. Con los datos guardados se procede al análisis de estos. Dependiendo del método elegido se visualizará una representación diferente de los datos adquiridos en el ensayo. Además de la ventana con la gráfica de los puntos, se tiene una ventana auxiliar donde se puede seleccionar una línea de medición la cual se resaltará sobre la gráfica y dará el error de planicidad de esta. Entre los datos que proporciona este análisis se encuentra el error de cierre. Este error hace referencia al incorrecto cierre del perímetro de medición de la mesa. Un error de cierre aceptable debe de estar por debajo de 2.5 μm. A.6.9 Prueba trayectoria circular generadas por dos o tres ejes lineales Para este ensayo se precisa de dos ejes lineales, lo cuales describirán una trayectoria circular en el plano que sea necesario (XY, XZ o YZ). Dependiendo de las especificaciones técnicas de la máquina que se vaya a medir se realizará una trayectoria circular completa o parcial. Se utiliza el Ball-bar de Renishaw para realizar este tipo de ensayo y además obtener un análisis de los datos capturados. El kit del Ballbar de Renishaw se compone de los siguientes elementos: - Ball-bar QC20-W - Batería - Soportes de montaje para el husillo y la mesa - Extensiones (50 mm, 150 mm y 300 mm) - Calibrador. En la figura AI.124 se puede ver un montaje típico de este elemento para realizar un ensayo de trayectoria circular. 117 117 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura AI. 124 Prueba circular con Ball-bar El componente principal de este dispositivo es el transductor, que se encarga de realizar la toma de datos en el proceso de medición. El transductor posee dos esferas en sus extremos: una esfera se fijará al componente de amarre de la maquina y el otro extremo al portaherramientas. La figura AI.125 muestra un esquema de las partes del transductor. El transductor cuenta con una luz led que muestra el estado de este. En la tabla A.1 se pueden ver los distintos estados con su luz correspondiente para su correcta identificación. Figura AI. 125 Ball-bar Tabla 5. Estado de luz led del Ball-Bar Luz del LED Estado Verde Fijo Encendido, la comunicación no se ha establecido ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 118 118 Azul fijo Comunicación establecida Azul intermitente Transferencia de datos Verde intermitente lento Ahorro de energía Ámbar intermitente Batería baja Rojo intermitente Error, consultar con una oficina de Renishaw en su país A continuación, se describe el proceso de instalación de los montajes sobre los que se apoyaran las esferas del transductor: 1. Se coloca la copa magnética en un soporte de herramientas como en la figura AI.126. En los ensayos de arco parcial o volumétricos se puede utilizar una extensión que se instalará en el soporte de herramientas y sobre este la copa magnética. Este componente hace que no se produzcan choques entre el Ball-bar y el husillo. Figura AI. 126 Montaje copa magnética 2. Ambos elementos se instalan en el husillo de la máquina herramienta como en la figura AI.127. Figura AI. 127 Montaje copa magnética sobre husillo 3. Mover el husillo hasta la posición del montaje central. El husillo debe quedar 80 mm por encima de este montaje. 4. Colocar el montaje central en una posición adecuada en la mesa de la máquina herramienta. 5. Colocar la bola de reglaje sobre la copa del montaje central. Mover la palanca para que la bola de reglaje y la copa desciendan como en la figura AI.128. 119 119 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones Figura AI. 128 Montaje bola de reglaje y copa del montaje central 6. Mover el montaje central para alinearlo con el husillo. 7. Bajar el husillo hasta colocarlo a 2 mm de la bola de reglaje. 8. Levantar la bola de reglaje para ajustarlo con el husillo. 9. Apretar el mecanismo de sujeción en el montaje central para sujetar la junta de la bola. 10. Definir esta posición como la posición central de giro. 11. Mover el husillo para colocarlo lejos de la trayectoria de medición. 12. Quitar la bola de reglaje del montaje central y colocar el husillo en la posición inicial de medición. Hay que destacar que para ciertos ensayos se tiene que realizar un calibrado del transductor. En concreto para los ensayos en los que se midan desviaciones radiales el transductor tiene que pasar un paso intermedio de calibración con el dispositivo que viene en el kit. En la figura AI.129 se puede ver una foto de este calibrador. Primero se debe de añadir el calibrador en el software con sus respectivas especificaciones según indique su certificado de calibración, incluido en el kit Ball-Bar QC20-W. Después en las pantallas de configuración de ensayo se debe de incluir el coeficiente de expansión de este. Con todo esto ya se podrá realizar la calibración del transductor antes de la toma de datos. Figura AI. 129 Calibrador Cuando se tiene todos los componentes instalados se procede a definir los parámetros del ensayo en el software. Dependiendo del modo que se elija se podrá seleccionar un ensayo estándar definido o crear el tuyo personalizado. Solo en el modo avanzado es donde se puede crear o modificar ensayos. Se tiene las siguientes ventanas de configuración donde el operario podrá definir su ensayo como se requiera: ANEXO I PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 120 120 Figura AI. 130 Ventana configuración de ensayo En esta primera pantalla de configuración, figura AI.130, se tiene unos campos obligatorios como: tipo de máquina, plano en el que se va a realizar el ensayo, velocidad de avance, radio de ensayo. Además de estas opciones también se tiene el apartado posición del ensayo para poder definir la posición de los ejes, número de husillos para indicar si se tiene varios husillos y calibrador por si se quiere realizar un ensayo calibrado. Figura AI. 131 Ventana configuración de ensayo En la siguiente ventana, figura AI.131, se define los aspectos propios de la trayectoria del ensayo. En la 121 121 Elaboración de procedimientos de calibración de Máquinas Herramientas y de los patrones utilizados para dichas calibraciones opción Ejes se puede modificar los ejes definidos para que coincidan con los ejes de la máquina. Se puede redefinir el punto inicial y el nombre de los ejes. En la opción Arcos permite seleccionar el arco a realizar para la toma de datos y su correspondiente sobrerecorrido. Por último, en Ciclos se puede determinar la manera en la que se va a recorrer la trayectoria definida anteriormente (en sentido de las agujas del reloj o contrario). En la parte superior aparece una parte donde se puede visualizar los ejes del ensayo y el recorrido que va a realizar el transductor. En esta ventana se puede seleccionar la opción del generador de programas automáticos. Se abre una ventana a parte donde se comprueba que los datos del ensayo son correctos y se pulsa la flecha para crear el programa. En la última ventana de configuración se puede comprobar la conexión del Ball-bar con el PC y seleccionar el tipo de dispositivo a utilizar (QC10 o QC20-W). En la parte inferior aparece como se debe de colocar el transductor en el calibrador, cuando corresponda, para proceder con su calibración. Finalizada la calibración se procede a la captura de los datos. Con los datos obtenidos se procede a realizar el análisis de los datos. El software presenta un gráfico con la trayectoria circular realizada. Con la ayuda del software donde viene todos los posibles trazados con sus posibles errores explicados, se puede obtener la posible fuente de errores. Los ensayos realizados con el Ball-bar son cortos y fáciles de ejecutar por ello se suelen realizar con más periodicidad. Además, aportan mucha información acerca de los posibles errores para luego realizar un ensayo más específico para cuantificar un error en concreto. Antes de realizar cualquier ensayo especifico se suele hacer una comprobación inicial, con el Ball-bar, para evaluar el estado de la máquina. A.6.10 Toma de datos La toma de datos se puede realizar mediante el software de Renishaw o manualmente mediante una hoja de trabajo. Todos los dispositivos de Renishaw utilizarán este software para realizar la toma de datos y los demás se anotarán en una hoja de trabajo. En este punto se expone la manera de configurar el software de Renishaw para empezar con la toma de datos según las características del ensayo, así como un ejemplo de hoja de trabajo en el caso en el que sea el operador el encargado de realizar la toma de datos. A.6.10.1 Software Renishaw del Laser XL-80 Una vez realizados el montaje y los correspondientes ajustes para su correcto funcionamiento se procede a describir el inicio y configuración del software anterior a la toma de datos. El software de Renishaw trae dentro un manual de ayuda, el programa de análisis de los datos y los distintos programas dependiendo de la medición que se realice. Todos ellos tienen la misma pantalla de inicio salvo pequeñas diferencias propias de cada ensayo. 1. Abrir el programa correspondiente dependiendo de la medición a realizar. 2. Aparece una ventana de inicio la cual se divide en varias secciones como se puede ver en la figura AI.132. Esta ventana ofrece información acerca de las mediciones reales del láser, su estado o las condiciones ambientales que se encuentra.