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1 CONSIDERACIONES PRÁCTICAS PARA LA CALIBRACIÓN DE UNA CMM DE BRAZO ARTICULADO DE ACUERDO A ASME B Presentador: M. en C. Héctor Aguilar Noviembre 2015

2 ANTECEDENTES Muchas de las recomendaciones actuales para mejorar/optimizar los resultados de calibración de CMMs de brazos articulados (AACMMs) son: DISEÑO Usar codificadores rotatorios de alta resolución Usar materiales más ligeros y con coeficientes de expansión térmica bajos. Por lo anterior, el presente trabajo propone varias consideraciones prácticas para mejorar los resultados tanto de las calibraciones de CMMs de brazo articulado como de los resultados al inspeccionar dimensionalmente piezas manufacturadas, entre tales requerimientos y recomendaciones están: 1

3 REQUERIMIENTOS DEL LABORATORIO DE CALIBRACIÓN Columna metal para PDE y SPAT Base rígida para AACMM Lab Climatizado 20 C ± 3 C 2

4 REQUERIMIENTOS DEL LABORATORIO DE CALIBRACIÓN Termómetro Tripies FC Barra Esferas FC y Barra Agujeros Cónicos 3

5 Base de acero donde se monta el brazo articulado. 4

6 RECOMENDACIONES Tener un mejor control de temperatura, Aplicar una fuerza de contacto adecuada por parte del operador, Reducir al máximo posible las deformaciones elásticas del brazo debidas a la manipulación del usuario, y El uso de un artefacto de fibra de carbón para minimizar el impacto térmico en los resultados. 5

7 RECOMENDACIONES Cubrir con un solo patrón las dos longitudes requeridas por la norma (barra larga y barra corta para la prueba de desempeño volumétrico.) Para el presente trabajo hacer un estudio comparativo de tiempos, repetibilidadreproducibilidad y exactitud de los resultados obtenidos entre una barra de esferas y una barra de agujeros cónicos. 6

8 DESARROLLO La norma ASME B establece que para evaluar el desempeño de un brazo articulado se deben hacer 3 pruebas: Diámetro Efectivo ASME B Articulación de un solo punto Desempeño volumétrico 7

9 Para estas pruebas se dan determinados requerimientos para llevarse a cabo como veremos a continuación, así como una serie de recomendaciones basadas en la experiencia para la obtención de resultados con un mayor grado de exactitud y con una mejor repetibilidad, tanto en las pruebas de evaluación de desempeño de brazos articulados como en los resultados de medición de los mismos en el ámbito industrial. 8

10 RECURSOS, MATERIALES Y EQUIPOS USADOS Metrólogo * Experimentado * Sin experiencia Title Equipo * Brazo FARO EDGE de 3.7 m de alcance diametral Especificación de repetibilidad de un solo punto: 64 µm Especificación volumétrica: 91 µm 9

11 RECURSOS, MATERIALES Y EQUIPOS USADOS Patrones Title * Esfera calibrada de 25.4 mm de diámetro (1 ). * Cono de calibración del fabricante. * Barra de esferas de fibra de carbón de 2.7 m con esferas cerámicas. * Barra de agujeros cónicos de 73 cm. Otros * Punta palpadora rígida de 6 mm de diámetro y 58 mm de longitud * Tripies de fibra de carbón. * Termómetro 10

12 METODOLOGÍA Antes de empezar las pruebas de desempeño es necesario calificar adecuadamente la esfera de palpación, ya que de esto dependerá la exactitud de las mediciones. Para fines prácticos se puede calificar la esfera también con uno de los agujeros cónicos de la barra, ahorrando tiempo al no montar el asentamiento cónico del fabricante. Esfera de Prueba (10 mm 50 mm) Agujero cónico de la barra de agujeros. 11

13 1) PRUEBA DE DESEMPEÑO DE DIÁMETRO EFECTIVO La prueba de desempeño del diámetro efectivo consiste en medir el diámetro de una esfera calibrada tomando 9 puntos. La medición del diámetro se repite tres veces y se reporta la desviación máxima con respecto al valor calibrado. Una de las recomendaciones más importantes es NO ejercer demasiada presión sobre los codificadores ubicados en las articulaciones del brazo, evitando con ello al máximo posible las deformaciones elásticas, que repercuten en la toma de valores, provocando que sean inexactos y con baja repetibilidad. Así mismo, garantizar un montaje lo suficientemente rígido de la esfera a la base donde ésta se monta. 12

14 B) A) A) Limpiar con aire comprimido las esferas para quitar residuos de polvo/pelusa. B) Tomar firmemente las articulaciones del brazo evitando deformaciones elásticas por fuerza excesiva. 13

15 Valores del diámetro efectivo de un Operador SIN experiencia (unidades en mm) FORMA DE MEDICIÓN Retirando el palpador de la esfera después de tomar cada punto Toma de puntos sin retirar el palpador de la superficie de la esfera MEDICIÓN 1 MEDICIÓN 2 MEDICIÓN 3 RANGO

16 RECOMENDACIÓN: Se aconseja NO despegar la punta palpadora de la superficie de la esfera al tomar cada uno de los nueve puntos para minimizar la deflexión de la esfera al apoyar el palpador, cuando éste es rígido. 15

17 Valores del diámetro efectivo de un operador CON experiencia (unidades en mm) FORMA DE MEDICIÓN Retirando el palpador de la esfera después de tomar cada punto Toma de puntos sin retirar el palpador de la superficie de la esfera MEDICIÓN 1 MEDICIÓN 2 MEDICIÓN 3 RANGO

18 2) PRUEBA DE DESEMPEÑO DE ARTICULACIÓN DE UN SOLO PUNTO (SPAT) La intención de la prueba de desempeño de articulación de un solo punto es evaluar la habilidad de los brazos articulados de dar valores similares de las coordenadas de un punto cuando el brazo es articulado a través del rango máximo posible de movimiento para dicho punto, usando para ello un palpador rígido. Es importante mencionar que esta prueba es diferente a la prueba de repetibilidad en el sentido estricto de su definición. Esta prueba, por diseño, incorpora aspectos tanto de repetibilidad como de reproducibilidad. 17

19 Para maximizar la articulación de todos los codificadores del brazo, esta prueba debe llevarse a cabo usando un artefacto colocado en tres lugares diferentes dentro del volumen de trabajo. La norma ASME B exige medir el cono en 5 posiciones a 0 y otras 5 posiciones a 180 tomando como referencia para este giro la muñeca del brazo en cada una de las 3 ubicaciones del cono de prueba. 18

20 Las recomendaciones prácticas que se sugieren antes de empezar la prueba son: * Uso de guantes de tela: Minimizar la transferencia de calor. Base firmemente anclada al suelo (3 puntos) * Cono de prueba bien sujetado a la base: Minimizar las deflexiones del cono al palpar. Minimizar las deflexiones de las articulaciones del brazo para mejorar las lecturas. 19

21 RESULTADOS COMPARATIVOS: Los resultados de la prueba tanto de un operador sin experiencia como de un operador experto en el uso del brazo se presentan en las siguientes tablas de valores. 20

22 Valores de la prueba de un solo punto de un Operador SIN experiencia en la primera posición 0% - 20%. (valores en mm) 21

23 Valores de la prueba de un solo punto de un Operador CON experiencia en la primera posición 0% - 20%. (valores en mm) POSICIÓN 0%-20% DE LA LONGITUD DEL AACMM Medición Xi Yi Zi δi δi*δi Media Max. desviación (δmax) SSPAT

24 Valores de la prueba de un solo punto de un Operador SIN experiencia en la segunda posición 20% - 80%. (valores en mm) POSICIÓN 20%-80% DE LA LONGITUD DEL AACMM Medición Xi Yi Zi δi δi*δi Media Max. desviación (δmax) SSPAT

25 Valores de la prueba de un solo punto de un Operador CON experiencia en la segunda posición 20% - 80%. (valores en mm) POSICIÓN 20%-80% DE LA LONGITUD DEL AACMM Medición Xi Yi Zi δi δi*δi Media Max. desviación (δmax) SSPAT

26 Valores de la prueba de un solo punto de un Operador SIN experiencia en la tercera posición 80% - 100%. (valores en mm) POSICIÓN 80%-100% DE LA LONGITUD DEL AACMM Medición Xi Yi Zi δi δi*δi Media Max. desviación (δmax) SSPAT

27 Valores de la prueba de un solo punto de un Operador CON experiencia en la tercera posición 80% - 100%. (valores en mm) POSICIÓN 80%-100% DE LA LONGITUD DEL AACMM Medición Xi Yi Zi δi δi*δi Media Max. desviación (δmax) SSPAT

28 Al comparar los valores de un operador sin experiencia y sin el entrenamiento adecuado vemos una gran variación no solo con respecto al operador con experiencia sino también entre sus propios valores tomados (una pobre repetibilidad). La mayoría de las ocasiones los clientes no están acostumbrados a los cálculos que la norma maneja, por lo tanto, se les dificulta interpretar los resultados. Nosotros recomendamos someter a un análisis de varianza los resultados de las pruebas de SPAT, ya que este tipo de estudio es más conocido, y más fácilmente entendido por la mayoría de los laboratoristas y refleja más información sobre el estudio. A continuación se presentan ambas ANOVAs para las tablas de valores anteriores. 27

29 En la siguiente tabla se observa que la prueba de ANOVA fue congruente con los resultados, aplicando las fórmulas dadas por la norma ASME B , para un operador con experiencia, es decir, la repetibilidad y reproducibilidad de los valores tomados es aceptable y se encuentra dentro de especificaciones. 28

30 Análisis de varianza para la prueba de SPAT de un Operador CON experiencia. F < Fcrítica, α = 0.05, P-Valor =

31 En la siguiente tabla se observa que la prueba de ANOVA fue congruente con los resultados, aplicando las fórmulas dadas por la norma ASME B para un operador SIN experiencia, es decir, la repetibilidad y reproducibilidad de los valores tomados NO es aceptable, o sea, no cumple con lasespecificaciones. 30

32 Análisis de varianza para la prueba de SPAT de un Operador SIN experiencia. F > Fcrítica, α = 0.05, P-Valor =

33 3) PRUEBA DE DESEMPEÑO VOLUMÉTRICO Esta prueba combina aspectos de exactitud de desplazamiento lineal y pruebas de desempeño volumétrico. El método según la norma ASME B es colocar el artefacto en cuatro orientaciones verticales, diez orientaciones a 45 y 6 orientaciones horizontales; para hacer un total de 20 posiciones. 32

34 Vista superior de las 20 posiciones del artefacto de esferas para la prueba de desempeño volumétrico. (El círculo amarillo representa el brazo articulado) 33

35 Tripies de fibra de carbón para apoyo en los puntos Bessel de la barra de esferas 34

36 Esta prueba la llevamos a cabo utilizando dos barras, una de esferas tipo Escalon con longitud de 2.7 m. y la otra es una barra de agujeros cónicos con longitud de 73 cm. El fin es evaluar el desempeño del brazo articulado con ambas barras para realizar un comparativo y obtener el mejor tiempo de medición entre barras, así como los mejores resultados en cuanto a repetibilidad y exactitud. La distancia corta de la barra de conos es de mm y la distancia larga es de mm. Las distancias aproximadas tomadas en la barra de esferas para poder hacer la comparación son: la distancia corta de mm y la distancia larga de mm (estas son las distancias más cercanas en función del espaciamiento de las esferas de la barra Escalon.) 35

37 Medición de las dos barras para la comparación de resultados. 36

38 El gráfico muestra los resultados de medición de ambas barras, adicionalmente se prepara un estudio de análisis de varianza para determinar si ambas evaluaciones son metrológicamente equivalentes, dando un resultado positivo de que no hay diferencia significativa entre evaluar con la barra de conos vs la barra de esferas. 37

39 Gráfico comparativo de resultados Barra de esferas vs Barra de agujeros cónicos. 38

40 Análisis de varianza que muestra equivalencia metrológica de resultados entre la barra de esferas vs la barra de agujeros cónicos. F < Fcrítica, α = 0.05, P-Valor=

41 INFORME DE EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO 40

42 INFORME DE EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO 41

43 42

44 43

45 CONCLUSIONES * Evitar deformaciones elásticas Esto se consigue no ejerciendo demasiada presión sobre los codificadores, ya que esto repercutirá en la pérdida de repetibilidad y exactitud en las mediciones. * Resultó ser mucho mejor usar una barra de esferas de FC que la barra con agujeros cónicos 44

46 CONCLUSIONES * Se promedian mejor los errores aleatorios debido al mayor número de puntos que se palpan para determinar el centro de las esferas y de ahí la distancia entre ellas, en comparación con la barra de conos donde se palpan solamente dos puntos para calcular la distancia. * El material de acero con el que está hecha la barra de agujeros cónicos presenta mucha variabilidad en las mediciones por efectos de temperatura, ocasionando que se tengan que repetir varias mediciones para conseguir una mejor exactitud en las distancias evaluadas. 45

47 CONCLUSIONES * El medir elementos geométricos como esferas, se asemeja más al trabajo que se hace en realidad, es decir, en sitio, como por ejemplo: como se mide directamente en la línea de producción. * Con un patrón de fibra de carbón se tiene mucho menor sensibilidad o casi nula sensibilidad a los cambios de temperatura, y por lo tanto una mejor exactitud en las mediciones. 46

48 CONCLUSIONES * Evaluar un AACMM con la barra de agujeros cónicos, no repercutió en una mejor exactitud ni en una mejor repetibilidad de los resultados, aunque resultó más económico en tiempo, un promedio de 2 horas, en comparación a 8 horas con la barra de esferas. * Con los estudios propuestos de ANOVA se puede separar mejor los componentes de variabilidad en las pruebas de desempeño, además de que resultan ser más conocidos y entendidos por los laboratoristas que hacen las mediciones en forma cotidiana en el lugar de trabajo. 47

49 CONCLUSIONES * La norma ASME B no presenta una metodología bien definida para poder diferenciar los errores aleatorios de los errores sistemáticos en la prueba de desempeño volumétrica. 48

50 MUCHAS GRACIAS POR SU AMABLE ATENCIÓN 49

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