Metrología: el rol crucial de los palpadores en la medición

En metrología, un palpador se monta en una sonda cinemática, con galga de esfuerzo o de escaneado, y actúa como el punto de contacto con la pieza de trabajo.

La variedad de aplicaciones de sondas en máquinas-herramienta, CMM, medidores de comparación y brazos portátiles hace que la selección correcta del uso de palpadores sea esencial para una medición eficiente, confiable y precisa. Aquí hay algunos puntos clave que pueden ser útiles en la selección de la mejor solución de medición.

Para las sondas de inspección cinemáticas tradicionales usadas en las máquinas-herramienta, los vástagos de cerámica y el palpador de bola de rubí son la primera opción. Para máquinas de medición por coordenadas (CMM), el acero y el carburo de tungsteno son adecuados para vástagos más cortos, mientras que la cerámica o la fibra de carbono son mejores para vástagos más largos. Los vástagos de cerámica son más livianos que los de carburo de tungsteno, tienen rigidez en comparación con el acero, y son térmicamente estables –ideales para usar en un ambiente de mecanizado–.

Las bolas de rubí son excepcionalmente duras y suaves, con una excelente resistencia a la compresión y resistencia a la abrasión. Son manufacturadas a diferentes niveles de precisión definido por su grado, el cual se relaciona con la máxima desviación de la bola de una esfera perfecta. Cualquier error en la esfericidad incrementará la incertidumbre de la medición.

Los dos grados de bola más comúnmente usados son el 5 y el 10 (entre más bajo el número es mejor). Entre más precisa sea la CMM, más significativo el efecto del grado de la bola. Renishaw recomienda grado 5 como estándar y ofrece grado 3 (con esfericidad de sólo 0.08 micras) para las aplicaciones más exigentes.  

Para sondas con galgas de esfuerzo, particularmente aquellas usadas en máquinas-herramienta, se recomiendan los palpadores de fibra de carbono. Estos palpadores, sean huecos o sólidos, tienen poca masa, lo que los hace mejor adaptados a las sondas con galgas de esfuerzo sensibles. La fibra de carbono es el material más común para palpadores y extensiones largas, porque es más rígido, liviano y térmicamente estable. Cuando se necesita metal – para juntas, nudos y demás– el titanio provee la mejor combinación de peso liviano, resistencia, estabilidad y densidad.

Los palpadores para CMMs de brazos portátiles deben ser robustos, de modo que usan bolas de circonio grado 5, altamente resistentes a la fractura. Las bolas son unidas con vástagos de carburo de tungsteno de alta resistencia usando adhesivo resistente, y la construcción especial asegura que la junta es rígida y casi indestructible.

Las sondas de escaneado, como la SP25M de Renishaw usada en CMMs, y la Galga Flexible Equator introducen variables que afecta la elección de los materiales de la bola. El escaneado produce una interacción superficial más agresiva que el sondeo de tacto, lo cual genera tres problemas: acumulación de residuos, desgaste adhesivo y desgaste abrasivo. Los residuos son inevitables, pero fácilmente removibles con un paño seco y sin pelusa.

El desgaste adhesivo involucra una transferencia permanente del material de la pieza de trabajo a la bola. Esta condición degrada eventualmente la esfericidad de la bola. El desgaste abrasivo retira material de la bola o la pieza de trabajo.

La bola de rubí es la mejor para la mayoría de aplicaciones de escaneado, incluso en piezas de trabajo de acero y titanio, pero puede sufrir de desgaste adhesivo en aluminio bajo condiciones extremas. El nitruro de silicio es un sustituto para el rubí en aplicaciones de aluminio extremas, pero puede sufrir de desgaste abrasivo en acero inoxidable o hierro fundido. Las bolas de circonio son las mejores para escanear partes de hierro fundido, aunque el carburo de tungsteno también se desempeña bien.

Variedad de tipos de palpadores

Los palpadores rectos normalmente se usan para características simples donde la sonda hace contacto directo con la parte. Sin embargo, están disponibles muchas alternativas para aplicaciones especializadas:

Estrella: Los palpadores multipunta de estrella permiten una inspección eficiente de puntos extremos en características internas, como deslizaderas o ranuras en un agujero, minimizando el movimiento de la sonda.

Apuntador: Estos palpadores son ideales para sondear formas roscadas, puntos específicos y líneas de trazas, aunque no son apropiadas para sondeo estándar X-Y. El palpador de apuntador con extremo redondo puede usarse para inspeccionar la ubicación de agujeros muy pequeños.

Bola hueca de cerámica: Estos palpadores grandes son ideales para sondear características profundas y agujeros en direcciones X, Y y Z. Sondear con un palpador de bola promedia el efecto de superficies muy rugosas.

Disco: Los discos son ideales para sondear cortes inferiores y ranuras. Los discos más delgados requieren una cuidadosa alineación angular para asegurar el contacto correcto con la característica de parte. Un disco simple requiere datos en sólo un diámetro (usualmente con una galga de anillo), pero limita el sondeo efectivo a las direcciones X y Y, solamente. Al añadir un rodillo de punta redonda se permite el sondeo en dirección Z, si el centro del rodillo de punta redonda se extiende más allá del diámetro de la sonda.

Cilindro: Estos son ideales para sondear agujeros en materiales delgados y características roscadas y para localizar el centro de agujeros roscados. El extremo esférico permite una cuantificación completa y sondeo en direcciones X, Y y Z.

Diseños personalizados: También están disponibles palpadores personalizados para aplicaciones específicas.

Reglas básicas de aplicación de los palpadores

Algunas reglas sencillas para el uso de palpadores pueden maximizar la precisión para la mayoría de aplicaciones de sondeo:

• Mantener el palpador corto y rígido. La longitud mínima del palpador da resultados óptimos. Un palpador más largo amplifica los errores e introduce el riesgo de un doblado excesivo.
• Minimizar el número de juntas. Las juntas y extensiones introducen el riesgo de doblado y puntos de deflexión.
• Usar un vástago grueso. Los vástagos más gruesos incrementan la rigidez del palpador.
• Mantener la bola del palpador tan grande como sea posible. Esta estrategia reduce el riesgo de falsas activaciones causadas por contacto del vástago con la parte. Una bola más grande incrementa la longitud efectiva de la sonda y permite un diámetro de vástago mayor, incrementando la rigidez del palpador. Finalmente, la bola de rubí más grande reduce la influencia del acabado superficial de la parte en las mediciones.

Engañosamente simple, pero no

A pesar de su aparente simplicidad, una gran cantidad de ciencia – y ciertamente una precisión excepcional – va en los materiales, diseños y técnicas de manufactura usadas para producir los palpadores. Sea por el método de unir la bola al vástago o por los materiales seleccionados, el palpador simple es cualquier cosa menos simple.