Inspección: medidores modulares para producción de corridas cortas

El reto ha sido familiar por mucho tiempo: Cada día una gran variedad de partes, similares en tamaño y forma, son manufacturadas y necesitan ser inspeccionadas para su conformidad. Lo que es diferente en el ambiente de manufactura de hoy es que las corridas largas de la misma parte son cada vez más extrañas. Las corridas cortas son de lejos prevalecientes. Por esto, la flexibilidad es vital en el ambiente de manufactura de hoy.

Esta necesidad de flexibilidad se extiende también a la inspección de parte. En un mundo perfecto, se establecería y estabilizaría un proceso de manufactura y las partes buenas se producirían como un mecanismo de relojería. Desafortunadamente, hay variación en cualquier proceso y – dependiendo del proceso, valor o naturaleza crítica de las partes– debe seleccionarse algún método de inspección para asegurar que las partes cumplan especificaciones. Sea un chequeo de muestreo, un chequeo de dimensiones críticas o una inspección cien por ciento, emergerá cierto tipo de medidor como el más rentable para la aplicación.

Tradicionalmente, la selección de sistemas de medición dimensional ha seguido una regla de dedo gordo que dice que entre más alta sea la corrida de producción, es más probable que un sistema de medición dedicado o personalizado sea el más rentable; mientras que entre más corta sea la corrida, es mayor la necesidad de flexibilidad y versatilidad en los medidores. Por esta regla, un medidor dedicado sería más rápido, más preciso y sujeto a menor influencia del operador. También sería probablemente más costoso, pero debido a que ese costo podría amortizarse con una corrida larga de producción, finalmente resultaría más económico.

De otro lado, un sistema de medición más general sería menos costosa y capaz de medir una gran variedad de partes y dimensiones, pero requeriría alistamientos más complejos y ciclos de medición más largos.

Con corridas cortas y cambios rápidos convirtiéndose en la norma, esa regla puede ser menos cierta. Ya la necesidad de flexibilidad no puede superar la necesidad de velocidad, precisión y bajo costo. Así, los sistemas modulares están volviendo al mercado para proveer lo mejor de ambos mundos: los sistemas ofrecen componentes que dan la flexibilidad y versatilidad de un medidor general, y también pueden combinarse para proveer la velocidad y precisión de una fijación de medición dedicada.

No se espera que tales sistemas reemplacen los medidores tradicionales, pero sí que añadan más opciones al paradigma de la medición. Una mirada a algunos de los conceptos detrás de estos sistemas muestra cómo aumentarán los dispositivos de medición existentes.

Opciones tradicionales de medición de piezas

Hay muchas formas de medir ODs, IDs y longitudes. La gama incluye calibradores, micrómetros, galgas de comparación, CMMs y sistemas de eje ópticos. La selección depende de muchos factores, entre otros, productividad, facilidad de uso, precisión, costo y las capacidades de medición que dan las diferentes características del medidor.

• Calibradores y micrómetros. En el extremo de baja precisión y alta flexibilidad del espectro están los medidores manuales, como calibradores y micrómetros. Ambos son herramientas extremadamente versátiles y útiles para hacer una amplia gama de mediciones de distancia (tanto ODs como IDs). De los dos, el micrómetro es más popular y ofrece una pequeña ventaja en precisión y desempeño –pero con un rango de medición más corto–. Sin embargo, ambos requieren tiempo y habilidad del operador para posicionar la herramienta e interpretar el resultado de la medición. Aunque ellos pueden medir una amplia gama de partes diferentes, la precisión de cada instrumento está determinada al final por la habilidad del operador.  
• Galgas de comparación. Una vez las tolerancias alcanzan el nivel de 0.0005 pulgadas, se requiere un paso más hacia las galgas de comparación, como los soportes de banco, calibradores de presión o galgas ID/OD.

Por ejemplo, cuando se verifica el diámetro de eje en una parte torneada en un torno CNC, un micrómetro puede ser el instrumento de elección, y puede ser capaz de resolver hasta 0.00005 pulgadas. La situación cambia si el diámetro debe ser verificado en múltiples sitios para asegurar que la parte no esté cónica. En este caso, el operador trae el micrómetro, lo lleva hasta casi el tamaño correcto, ajusta el torque a la presión de medición correcta, retira el micrómetro para leer el tamaño y lo mueve al siguiente punto de inspección. Este proceso repetitivo es inherentemente ineficiente y los resultados pueden ser influidos negativamente por el nivel de habilidad del operador. Una mejor opción en este caso es un calibrador de presión ajustable.

La experiencia de insertar un calibrador de presión en una pieza de trabajo evidencia la razón del nombre de estos efectivos y sencillos medidores OD. Una vez la parte supera la tensión del resorte de “bloqueo”, repentinamente se desliza contra el apoyo dando un inconfundible chasquido al hacer contacto.

Un calibrador de presión puede sujetarse en la mano para medir ODs mientras la pieza de trabajo aún está en la máquina, o puede montarse en soportes para usar con partes pequeñas. El corazón de la herramienta es una sencilla fundición con estructura en C. Las mediciones son derivadas de una transferencia de movimiento directa en línea. Esta función hace que los calibradores de presión sean sencillos, confiables y económicos.

Otros beneficios de usar un calibrador de presión son la velocidad de la medición y la falta de influencia del operador. No hay necesidad de ajustar el calibrador al tamaño correcto, asegurarse que el medidor esté a escuadra con la parte o aplicar la fuerza correcta en la parte. Todo está incorporado en el calibrador. Así, un calibrador de presión es más rápido y más preciso que un micrómetro o un calibrador pie de rey.

• Fijaciones personalizadas. Sin embargo, los beneficios de usar un calibrador de presión se reducen si un eje tiene varios diámetros a verificar. Aunque los calibradores de presión son ajustables en un rango de tamaños, sólo pueden medir en este rango limitado. Para mantener la velocidad y precisión cuando se verifican múltiples diámetros, se necesitan múltiples calibradores de presión. Cada diámetro requiere otro calibrador y tiempo adicional para hacer la verificación. Por ejemplo, verificar seis diámetros requiere seis calibradores y seis operaciones de medición separadas.

Para mejorar la velocidad de medición o la productividad por parte, la medición con dispositivos personalizados puede ser la mejor solución. Sin embargo, debido a que estos dispositivos de inspección son diseñados y producidos a medida, generalmente son costosos y no son lo suficientemente flexibles para acomodar las variaciones de parte que van a través de una celda de mecanizado. Así, la inversión puede ser sustancial si se requiere un medidor personalizado para cada parte en producción. En este caso, un sistema de medición modular y flexible puede ser una alternativa atractiva.

El concepto modular en la medición

La idea detrás de las fijaciones de medición modulares es tomar todos los elementos encontrados en la medición comparativa de alta precisión y volverlos componentes modulares y reconfigurables. Los medidores de comparación constan de componentes básicos y comunes. Por ejemplo, los medidores de comparación tienen mordazas fijas sólidas de referencia, un contacto sensible, referencias de parte (apoyos) y un lector, todo montado en una estructura estable.

El uso de componentes estándar permite diseñar y ensamblar dispositivos de medición flexibles para una amplia gama de piezas de trabajo. Los elementos comunes les permiten ser reconfigurados para aplicaciones similares o diferentes. Mientras que un medidor de comparación tradicional puede ser fabricado para un eje de un tamaño con cinco diámetros, un medidor modular puede ajustarse con relativa facilidad a los cinco diámetros de diferentes tamaños en diferentes sitios.

Junto con los componentes de medición flexibles se necesita un paquete de instrumentación –quizás basado en una tablet–  para almacenar varios programas correspondientes a las partes a medir. Así, el cambio involucra reconfigurar los componentes del medidor para la siguiente parte y seleccionar el programa de la parte acorde. Este concepto sigue la estrategia de usar la misma máquina para producir partes similares cambiando simplemente las herramientas de corte prealistadas y descargando el programa correcto de parte.

De este modo, mientras el operador de máquina cambia herramental y reprograma la máquina para la nueva parte, el técnico de medición reajusta los elementos de medición modulares a la nueva parte y selecciona el programa de medición correcto.

Sea para medir un OD, ID o longitud, los elementos de medición modulares pueden configurarse para geometrías de piezas de trabajo sencillas o complejas. Si se mantiene el diseño de los componentes modulares esbelto y compacto, se pueden inspeccionar muchos puntos de medición en un área pequeña de la pieza de trabajo.

Así como hay diferentes niveles de desempeño y robustez en el diseño de medidores de comparación estándar manuales, los componentes de medición modulares pueden seguir una filosofía de diseño similar. Por ejemplo, si la tolerancia de la parte es más o menos “abierta”, puede aplicarse un elemento modular con el nivel de precisión apropiado. Sin embargo, si el proceso de manufactura ocurre en un ambiente difícil e involucra tolerancias estrechas, también están disponibles elementos modulares y técnicas de medición apropiadas.

Configuraciones opcionales

Demos un vistazo a los componentes para las “buenas, mejores y las mejores” opciones de medición de un diámetro exterior.

• Buenas. Un único LVDT (transductor diferencial lineal variable) o indicador digital y un juego de paralelogramos unidos, como se muestra en la segunda ilustración, crea la configuración menos costosa que ofrece un desempeño relativamente bueno. Puede ser suficiente para un chequeo dimensional simple. Debido a que los paralelogramos están sujetos a poca fricción, pueden proveer años de servicio.
• Mejores. Otro enfoque económico, mostrado en la tercera ilustración, consta de un único LVDT en una fijación que mide la parte “diferencialmente” al unir mecánicamente los dos paralelogramos. Con el posicionamiento de contacto apropiado y entradas largas en los contactos, la parte puede deslizarse fácilmente en la estación de medición. Las versiones con retracción neumática pueden reducir aún más el abuso potencial de la sonda y la estructura del paralelogramo.
• Los mejores. Para tener la precisión más alta y el desempeño más duradero, se recomiendan las configuraciones que usan un mecanismo de precisión de bola-buje con retracción neumática, como el que se aprecia en la cuarta ilustración. Estas provisiones protegen los LVDTs del impacto, ya que sólo tocan la parte cuando las sondas se liberan en la posición, y la construcción de la bola-buje provee una vida extremadamente larga.

Economías de concepto del sistema modular

Los beneficios de un sistema modular flexible incluyen:

• Reutilización de elementos estándar. Una vez ha terminado la producción de una pieza de trabajo en particular, los elementos estándar pueden reutilizarse para otra pieza de trabajo.
• Una selección de diferentes mecanismos para guiar la parte móvil del palpador, a elegir según los requerimientos de precisión para la tarea de medición.
• Desarrollo y tiempo de implementación reducidos. 
• Disponibilidad del equipo: pueden almacenarse elementos estándar por parte del proveedor para entrega inmediata cuando emergen nuevos requerimientos de medición.

El cliente puede construir un sistema de medición inicial usando elementos estándar obtenidos de un catálogo. De forma alternativa, estos elementos pueden pedirse como una solución completa para el primer alistamiento, y luego cambiarse según la necesidad.

Los sistemas de medición modulares y flexibles aún están bajo desarrollo activo. Como se indicó anteriormente, estos sistemas no pretenden reemplazar los medidores manuales de menor precisión, como los calibradores y los micrómetros, o las herramientas de mayor precisión, como los calibradores de presión, los soportes de banco o las galgas ID/OD más tradicionales. En su lugar, estos sistemas están diseñados para complementar los medidores existentes y ayudar a adaptar las metodologías de inspección a un ambiente de manufactura en evolución.

SOBRE EL AUTOR

George Schuetz es director de medidores de precisión en Mahr Federal Inc., y columnista regular en Modern Machine Shop.