Cómo la metrología óptica impulsa la eficiencia manufacturera

El poder de la metrología óptica combinada con automatización: clave para la manufactura optimizada

"Mover la metrología al proceso, en lugar de mantenerla solo en el laboratorio de calidad, aumentará la calidad general y hará que la automatización de la propia manufactura sea más eficiente", dijo Robert Wasilesky de Carl Zeiss Industrial Metrology LLC (Brighton, MI). "La Manufactura Optimizada por Metrología [MOM] es definitivamente una tendencia que estamos viendo." Fue cuidadoso al señalar que la metrología no habilita la manufactura —funciona bien ahora— sino que la optimiza para que funcione aún mejor.

La metrología óptica en sus diversas formas es a menudo el mejor método para mejorar la automatización, según él, debido a su velocidad comparada con otros métodos. Otras ventajas de los métodos ópticos incluyen su capacidad para medir sin marcar ni deformar superficies delicadas, como chapa de carrocería, piezas compuestas o implantes quirúrgicos delicados. Otro ejemplo es usar dispositivos de metrología para mover robots con precisión, aumentando su precisión de posicionamiento de unos milímetros a 100 µm o mejor.

Para expandir MOM, Wasilesky dijo, significa expandir la educación del cliente. Los ingenieros de manufactura hoy pueden no ser conscientes de cuánto más optimizado podría estar su taller.

"Creo que hay potencial para aumentar la eficiencia de manufactura, especialmente en automoción, por saltos comparativos mediante Manufactura Optimizada por Metrología", dijo. El concepto debe estar llegando a los fabricantes, y Wasilesky señaló que el lado de automatización del mercado de metrología está creciendo cerca del 20% anual, mientras que el resto del mercado relacionado con calidad crece alrededor del 6%. Dijo que esto se debe en gran parte a una mayor aceptación del cliente de métodos de metrología óptica sobre sondas de contacto, un sentimiento compartido por otros en varias conversaciones. La tecnología ha mejorado, hay más opciones de métodos ópticos para elegir, y el software de procesamiento alojado en plataformas informáticas cada vez más rápidas ha mejorado dramáticamente. "Aunque los principios son los mismos, simplemente se ha vuelto mucho más capaz", dijo.

Un buen ejemplo de esta convergencia de ópticas más rápidas, mejores algoritmos y computación potente es el sensor óptico 3D en nube Zeiss AIMax. Clasificado como sistema de luz estructurada, depende de solo un proyector y un sensor. Esto hace una cabeza de sensado más compacta, pero quizás más significativo es que el sistema está programado para medir características rápidamente, típicamente en menos de 0,5 seg —piensa en agujeros, ranuras, remaches o pasadores en T— desde una nube de puntos en lugar de proporcionar la nube de puntos como resultado final. Esto hace un sistema ideal para inspección en línea, especialmente para chapa de automoción y componentes BIW (Body in White). Wasilesky afirmó que el sistema, incluyendo sensor y movimiento robótico, podría proporcionar 300 µm o mejor de precisión de medición a Six Sigma.

Zeiss también ofrece soluciones para mediciones near-line así como reemplazos ópticos más rápidos para CMMs en planta para mediciones off-line que también están cerca del punto de producción. La AIBox es un sistema completo dirigido a obtener precisiones de CMM sin un viaje a la sala de calidad. La AIBox es capaz de medir menos de 40 µm de error esférico al estándar VDI 2634 usando tanto un sistema de proyección de franjas digitales con un dispositivo de fotogrametría estándar. Es para piezas grandes hasta 2000 mm de tamaño y 1000 kg de peso estándar.

Automatización y piezas

Uno de los dispositivos de metrología óptica más útiles para integrar en un sistema automatizado son los sistemas de video en mesas de movimiento de precisión, como la serie Nikon iNEXIV. Dado que el sistema de medición incluye una cámara, se adapta fácilmente a tareas de visión, abriendo nuevas posibilidades, como leer códigos de barras o QR que son comunes con las piezas hoy, según Nate Frost, gerente de producto para Nikon Metrology (Brighton, MI). "También podemos leer datos de texto, ya sea un número de pieza en una pieza o en un papel impreso que pueda acompañar a la pieza." Esto lleva la automatización al siguiente nivel, porque leer un código de barras e identificar la pieza significa que el dispositivo puede llamar al programa de medición correcto y registrar automáticamente los resultados en un informe para esa pieza individual.

"Estas no son tareas de automatización tradicionales", dijo Frost. "La carga automática de piezas en un sistema de medición debería ser algo que cualquier proveedor de metrología pueda acomodar. [La lectura de código de barras] está en cambio relacionada con la toma de decisiones", dijo. Elimina el factor humano mientras mejora la calidad.

Un medio eficiente de crear un programa de piezas es igual de importante. Siguiendo una tendencia común en la industria, crear programas leyendo un modelo CAD offline ya está disponible en CMM-Manager 3.6 de Nikon. Esta es la última versión del software de soporte para los sistemas de visión de Nikon. "El software anterior usaba solo un joystick para enseñar un programa", dijo Frost. "Esto es bastante nuevo para programas de medición por video." ¿Por qué? Porque, en contraste con la programación offline de una sonda de contacto o incluso un sensor de línea láser, un programa de video debe considerar iluminación, efectos de borde, destellos de superficies reflectantes y otros efectos únicos al video. "Se pueden ejecutar simulaciones y verificar resultados de inspección en tiempo real. De hecho, cuanto más completo sea el modelo CAD, más eficiente se vuelve el proceso de inspección", dijo Frost. "Con visión, láser de autofoco, indexador rotativo e input táctil, incluso podemos medir características y geometría que no se pueden ver con un sistema de visión tradicional."

¿Por qué cree que hay un empuje hacia la automatización? "El denominador común es que las empresas están adelgazando su personal y operaciones", dijo Frost. "Esperan que sus empleados sean más flexibles. Quieren que puedan operar un fresado CNC y un sistema de metrología. Lo vemos en general, pero particularmente en talleres de trabajo donde los empleados necesitan ser todo terreno. Automatizar la metrología hará esto mucho más fácil."

Automoción de alto volumen

"La precisión y velocidad de las técnicas de medición óptica es lo que las hace tan buenas para la automatización", coincidió Andreas Blind, vicepresidente de ventas, marketing y servicios para Jenoptik (Rochester Hills, MI). Jenoptik proporciona una amplia gama de sensores de metrología, principalmente pero no exclusivamente para control en proceso. Estos van desde calibradores neumáticos y de contacto así como sensores ópticos avanzados de alta velocidad. "Cada uno tiene su lugar. Las técnicas ópticas tienden a no funcionar bien en entornos sucios o aceitosos, sin embargo la óptica es mucho más flexible y es especialmente útil cuando las piezas no pueden ser tocadas, o cuando se necesita velocidad", dijo.

La serie Opticline de dispositivos de Jenoptik es un buen ejemplo de una técnica —una sombra gráfica— empaquetada en un gabinete automatizado de alta velocidad para medir ejes. Los sistemas de sombra gráfica son ideales para medir piezas rotativas, incluso las que no son axisimétricas, como árboles de levas y cigüeñales. La empresa señala que hay más de 2.500 sistemas Opticline instalados en todo el mundo, en una variedad de tamaños y capacidades para medir piezas grandes o pequeñas. Por ejemplo, hay una serie de estaciones Opticline con interfaces de control estadístico de proceso (SPC) para monitorización rápida usando el sistema SPC de elección para esa fábrica. Las precisiones se reportan como MPe y son tan buenas como (1,5 + L/200) µm para medir diámetros con una velocidad de medición tan rápida como 80 mm/s.

Otra función importante del control óptico en proceso es la detección de defectos superficiales, según Blind. "Nuestra tecnología Optisense usa una combinación de sensores únicos, iluminación, automatización y software que nos ayuda a detectar incluso los defectos más pequeños en superficies y piezas", dijo. Detectar defectos superficiales en los cilindros de motores es especialmente importante con el enfoque actual en economía de combustible y emisiones. La llegada de cilindros con revestimiento por plasma reemplazando mangas de acero más gruesas y pesadas en bloques de aluminio hace que la detección de defectos superficiales sea especialmente importante. "Nuestros sensores IPS para cilindros están disponibles en diferentes tamaños de cilindro, de 4 a 150 mm, dependiendo del tipo de sensor que se use", dijo Blind. "Pueden detectar defectos hasta 30 µm, y suelen ser automatizados, aunque también están disponibles en versiones semiautomatizadas", dijo. Señaló que la automatización es especialmente importante para el sector automotriz. "El 80% de nuestro equipo va actualmente a automoción", dijo.

Nuevos sensores, más automatización

Otra realidad desagradable para proveedores de metrología es que los controles de calidad a menudo se ven como un gasto, simplemente tiempo perdido en producción. Eso es según Stefan Scherer, presidente y CEO de Alicona (Graz, Austria). Dijo que la metrología puede añadir valor. "Si podemos mostrar que pueden adaptar su proceso de manufactura usando metrología para mejorar proactivamente la manufactura y hacerla más flexible, creemos que hará una gran diferencia." Cree especialmente que los resultados de la metrología son vitales en el creciente movimiento de Manufactura Inteligente o Industria 4.0. "Necesitamos dar a las máquinas un ojo inteligente", afirmó.

Alicona es una empresa innovadora, fundada en un principio de metrología relativamente nuevo que llama Focus Variation (Variación de Enfoque). Esta técnica proporciona datos de superficie de alta resolución usando profundidad de enfoque limitada, similar pero más avanzada que la imagen confocal o seccionamiento óptico, ya que también proporciona datos de color. Mide tanto la forma de la superficie como la rugosidad, y es especialmente útil en entornos de producción, según la empresa. "Nuestra tecnología es útil para medir características pequeñas con alta precisión o características relativamente pequeñas, como micro o manufactura de precisión, siempre que las tolerancias estén en el rango de 20 µm o menos", dijo Scherer. Para funcionar óptimamente, Focus Variation requiere una rugosidad superficial Ra de 9 nanómetros o más. La velocidad de datos es de hasta 1,7 millones de puntos por segundo.

Tras lograr primero éxito en la medición de preparaciones de filo para herramientas de corte, la empresa expandió sus ofertas, automatizando sus sensores.

La automatización es crucial para la visión de Scherer de un ojo inteligente, y la empresa recurrió a robots colaborativos, o cobots, para hacerlo. ¿Por qué cobots? "Vemos un cambio hacia mayor precisión y al mismo tiempo menos volumen. En tiempos anteriores, un fabricante podría hacer un millón de piezas. Hoy, podrían hacer 50.000 de un tipo de pieza y luego cambiar a producir 75.000 de otra", dijo. Cree que los cobots habilitan a los trabajadores en estos entornos de manufactura flexible, haciéndolos útiles y añadiendo valor. "Tenemos un cobot montado en una plataforma móvil para llevarlo más fácilmente a un centro de mecanizado", dijo. El usuario verifica unos pocos parámetros clave para configurar la máquina para el siguiente conjunto de números de pieza, y luego pasa a la siguiente tarea.

Las nuevas ofertas de Alicona son dos nuevos productos cobot para aplicaciones definidas, uno para herramientas redondas largas y otro para discos de turbina. La solución de herramientas expande la experiencia de Alicona en medición de preparación de filo con mediciones de nueve ejes en una plataforma portátil con ruedas.

Con la solución de disco de Alicona, el brazo robot con sensor de medición adjunto es manipulado por un operador a la posición de superficie deseada. Dos mangos con joystick integrado están montados en el sensor. Mediante una app, un smartphone muestra la vista en vivo para posicionamiento y medición manual o automática precisa.

Soluciones estándar, automatización flexible

Otra tendencia común es desarrollar una solución de automatización estándar alrededor de dispositivos de metrología existentes. Las empresas de metrología ahora ofrecen soluciones estándar que integran robots, recintos y fijaciones. Generalmente dirigidas a una clase de problemas, pueden adaptarse para cumplir los requisitos de rendimiento y tolerancia de un fabricante.

En 2014, Hexagon Manufacturing Intelligence (North Kingston, RI) introdujo el Sistema de Medición en Línea Inteligente 360, o 360 SIMS, usando sus dispositivos de luz estructurada WLS (escáner de luz blanca). Según Hexagon, un sistema en línea construido alrededor de un WLS es ideal para producción de carrocería en blanco automotriz porque el WLS es relativamente insensible a vibraciones cercanas —recopila datos en milisegundos. Haciéndolo aún más rápido, el 360 SIMS recopila solo características seleccionadas, como gap-and-flush o agujeros, según Amir Grinboim, gerente de producto de Hexagon.

Hexagon ha añadido ahora a esa oferta en línea la Célula de Medición Flexible 360, o 360 FMC, presentada por primera vez en septiembre de 2016. "Una solución lista para usar es poderosa y rentable cuando se trata de instalación, integración e incorporación de protocolos de seguridad", dijo Grinboim. "Reduce el coste total de ingeniería y diseño al hacerlo una vez." Los protocolos de seguridad en el 360 FMC cumplen el estándar ANSI RIA 15.06-2012. Los tamaños de pieza pueden variar hasta 2,2 m de longitud y pesar hasta 1500 kg.

La configuración básica del 360 FMC es un recinto equipado con un solo robot FANUC M-710iC/50 montando un sensor Hexagon WLS400A, impulsado por el paquete de software CoreView. Mide piezas fijadas a uno, dos o tres platos giratorios separados, dependiendo de la configuración elegida. "Una solución modular y flexible permitirá a nuestros clientes usar la célula no solo para metrología, sino también para abordar el rendimiento", explicó Grinboim. "Queríamos que se adaptara a condiciones cambiantes a lo largo de todo el ciclo de vida de manufactura." Los clientes pueden añadir o reducir el número de platos giratorios sin un gran rediseño o re-integración, según Grinboim. "Añadir —o quitar— platos giratorios es plug-and-play."

El 360 FMC no necesita objetivos de referencia en la pieza, basándose en el movimiento del robot con programas de compensación. "Mide con una precisión de 100-150 µm, basada en el tipo de característica, lo que es adecuado para aplicaciones típicas de chapa automotriz", dijo Grinboim.