El software de metrología automatizado impulsa la fabricación inteligente

Ha pasado un tiempo desde que Scott Lowen estaba en la escuela, pero todavía realiza "proyectos científicos". Así es como Lowen llamó en broma a un proyecto de prueba de concepto para medir una pieza y que los datos resultantes determinaran correcciones que se alimentan automáticamente a un centro de torneado, fresadora u otra máquina herramienta.

Mientras que el proyecto científico en curso de Lowen en Zeiss Industrial Quality Solutions, Wixom, Míchigan, donde es gerente de producto para software y accesorios, puede no haber respaldado plenamente la hipótesis de que los datos de metrología pueden producir fácilmente correcciones de mecanizado totalmente automatizadas, Zeiss continúa trabajando en soluciones automatizadas. Otras empresas, como Capture 3D Inc. (una empresa de Zeiss), Renishaw Inc. y Verisurf Software Inc., tienen soluciones que utilizan datos de metrología para realizar diversos grados de correcciones automatizadas con máquinas herramienta.

Mientras tanto, el proyecto científico en curso sigue siendo parte continua del trabajo de Lowen.

"El tiempo invertido en crear los tipos de conexiones en un sistema de retroalimentación automatizada supera con creces el retorno de tener este tipo de retroalimentación automatizada a máquinas herramienta", dijo. "Seguimos creyendo en la necesidad de tener un ingeniero que examine los datos apropiados y cree la retroalimentación o corrección apropiada para las máquinas herramienta".

Esto podría ser una buena noticia para la seguridad laboral de los ingenieros de fabricación, pero plantea estas preguntas: ¿Puede el proceso de medición integrarse plenamente en la fabricación inteligente? ¿O la metrología podría quedar relegada en gran medida a los procesos que los fabricantes utilizaban antes del mundo conectado, basado en datos y automatizado de la nueva forma de fabricar cosas?

Acciones correctivas automáticas

Renishaw, West Dundee, Illinois, tiene un producto en modo de lanzamiento suave: Renishaw Central es una plataforma de datos de fabricación para información que incluye el estado de la máquina, alertas y resultados de medición de sondas de máquina herramienta, ajustadores de herramientas, sistemas de medición Equator y MMC.

La plataforma tiene una interfaz de programación de aplicaciones que permite a los usuarios interrogar la información y alimentarla a otros sistemas de software, como los de planificación de recursos empresariales o un panel de control personalizado.

"Creo que la gran mejora que estamos viendo [que hacen nuestros clientes] es tomar esos datos de medición para generar acciones correctivas automáticas preconfiguradas, ya sea un ajuste de herramienta, un ajuste de pieza, etc.", dijo Brandon Golab, gerente de software de máquina herramienta en Renishaw. "Los usuarios de nuestro sistema configuran cómo reaccionar ante las mediciones y a qué máquina quieren comunicar la acción correctiva".

Lo que hace esto posible es una mejora del producto llamada control inteligente de proceso, que es una serie de protocolos de comunicación que permiten a un cliente dictar cómo quiere tratar los escenarios de medición. Esto, a su vez, puede crear ajustes e inteligentes a la fabricación o máquinas herramienta si es necesario.

Renishaw Central también tiene una función de visualización que proporciona paneles estándar para mostrar el estado de la máquina y los resultados de medición. También se puede utilizar para análisis de datos históricos.

Durante el lanzamiento suave, la plataforma está configurada para una máquina herramienta por cada dispositivo de medición, pero Golab dijo que no prevé límite en cuántas máquinas puede interactuar Renishaw Central.

"Además de Renishaw Central, también tenemos varios productos que permitirían a la propia máquina herramienta no solo recopilar los datos, sino realizar retroalimentación de fabricación en bucle cerrado dentro de una arquitectura de una sola máquina", dijo.

Diseñado para operadores nuevos o menos experimentados está Set and Inspect con Program Builder, que se usa en la máquina, y una solución fuera de línea, Productivity+. Set and Inspect se usa para trabajos como configuración de piezas, validación de piezas, verificación de carga de fijaciones y cortar-medir-cortar (donde un operador hace un pase de semiacabado, mide el resultado y luego hace un pase de acabado basado en los datos de medición). "Todo eso se puede configurar con esas piezas de software", dijo Golab. Set and Inspect también se puede usar con el software Reporter de Renishaw para enviar los datos de vuelta a Renishaw Central.

"Productivity+ usa modelos CAD para generar programas similares a los que hace Inspection+ de Renishaw, pero como está impulsado por CAD, es más fácil para el programador", dijo Golab. "Pero es muy similar a Inspection+ en cuanto a lo que se puede hacer con los datos a nivel de máquina individual". Inspection+ es el software de metrología basado en macros de Renishaw para usuarios más experimentados que pueden escribir código G que se ejecuta a nivel del controlador CNC.

La tecnología de medición de Renishaw incluso se puede usar para fallos predictivos. Para hacer esto, los datos de Productivity+ se combinan con el sensor Sprint de la empresa, que mide miles de puntos por segundo para evaluar la condición superficial de una pieza.

"A medida que la herramienta se desgasta, normalmente se vería una ondulación [en la superficie de la pieza]", dijo Golab. "Debido a que esto es una medición directa del rendimiento de la herramienta, puede ser un mejor indicador del desgaste de la herramienta que métodos indirectos, como la carga del husillo".

Trasladar las decisiones al diseñador

La fabricación en bucle cerrado también es familiar para Rick White, gerente general de Capture 3D, Santa Ana, California, pero más específicamente con una técnica de bucle cerrado llamada mecanizado adaptativo. "Crea un bucle cerrado en un centro de mecanizado CNC basado en los resultados de los datos de escaneo", dijo. "[El software de mecanizado adaptativo] averigua qué hacer para llegar al modelo CAD y crea automáticamente una nueva trayectoria para que la máquina arregle lo que necesite ser arreglado. Eso se hace en tiempo real, sin intervención humana".

White fue CEO de Capture 3D, el principal socio estadounidense para las soluciones de medición 3D sin contacto de GOM, hasta octubre de 2021 cuando la empresa fue adquirida por Zeiss.

Además de su uso en mecanizado adaptativo, los datos de la tecnología de escaneo 3D de campo completo ATOS de Capture 3D también pueden alimentar el análisis de ensamblaje digital con software GOM. "Nuestros clientes aeroespaciales y automotrices han tenido buen éxito usando nuestra tecnología para ensamblar digitalmente piezas de todo el mundo para garantizar el ajuste, alineación y especificaciones antes de que nada se envíe físicamente", dijo White. "Esto ayuda a las empresas a corregir problemas o prepararse para cambios más rápido mientras reducen costos para ayudar con un lanzamiento de producto más rápido".

Por ejemplo, después de que un OEM automotriz recibe los datos de metrología de las piezas colgantes de sus plantas, proveedores y proveedores de nivel 1 —sin importar dónde estén— pueden determinar en un proceso digital colaborativo si los componentes encajarán en el ensamblaje usando un modelo digital del cuerpo en blanco. Además, los datos de campo completo proporcionan millones de puntos de datos precisos para un gemelo digital. "Y la parte hermosa es que realmente funciona y tiene bastante éxito", dijo White.

Otra técnica que aprovecha el flujo de datos utilizada por algunos fabricantes es la definición basada en modelo (MBD). "Lo que [MBD] significa es que la medición de cotas, procesos, variaciones y GD&T [dimensionamiento y tolerancias geométricas] son parte del modelo CAD desde el principio, y junto con PMI [información de fabricación del producto] se importan al software GOM", dijo White. "A medida que los diseñadores diseñan piezas, también están poniendo la información sobre las tolerancias de la pieza. Y luego un sistema de metrología tiene esa información. Sabe qué inspeccionar y sabe cómo determinar qué componentes están dentro y fuera de tolerancia".

Esto traslada las decisiones sobre qué medir de un inspector que está más adelante en el proceso al diseñador. La creencia es que los diseñadores pueden saber esa información mejor que nadie porque su perspectiva es más global. Están diseñando piezas para que funcionen juntas, y las tolerancias incluso dentro de la misma pieza no son universales.

"MBD requiere una estandarización universal para leerse correctamente dentro del software de metrología", dijo White. "Con suerte, [el formato] QIF es ese puente", dijo, refiriéndose al Marco de Información de Calidad, un marco estándar XML unificado para compartir información de calidad digitalmente. Continuó señalando que "algunas organizaciones se mueven más rápido que otras; sin embargo, hemos visto una tendencia general al alza y aquí es donde vemos el futuro".

El Consorcio de Estándares de Metrología Digital (DMSC) creó QIF para abordar la necesidad crucial de un estándar de metrología digital que ayude a avanzar en la metrología dimensional, explicó White. El DMSC anunció que el estándar de metrología QIF 3.0 fue cosechado, aprobado y publicado por ISO como el nuevo estándar ISO 23952:2020 en agosto de 2020, según el sitio web del consorcio.

"Estamos a bordo con la estandarización de un formato que tenga sentido para todos", dijo White. "Aunque no podemos responder en nombre de los principales fabricantes de software CAD, es probable que necesiten usarlo si se convierte en el estándar".

Añadir MBD a mallas escaneadas

"Boeing lo requiere [MBD]; todas las grandes empresas aeroespaciales lo requieren", dijo Ernie Husted, presidente y CEO de Verisurf, Anaheim, California. Llamó a MBD un ahorro de tiempo y dinero. "Muchas de las empresas de nivel no están acostumbradas a manejarlo —están acostumbradas a los planos".

"Solo en los últimos años todas las grandes empresas CAD lo implementaron como característica estándar. Así que ahora pueden tolerar el modelo con las tolerancias GD&T apropiadas y enviar ese archivo a sus proveedores y ya no necesitan planos".

Si el modelo CAD tiene información MBD, el software Verisurf puede usar los datos incrustados para automatizar el plan de inspección con cualquier MMC, brazo, rastreador o escáner, dijo Husted. "Hay un proceso donde se pueden ajustar los offsets de herramienta si se está haciendo sondeo de máquina herramienta", dijo Husted. "Con herramientas de máquina, tienes compensación de cortador y compensación de desgaste de herramienta y cuando una herramienta se desgasta puedes ajustar el offset para mecanizar una característica más grande o más pequeña dependiendo de si es una característica interna o externa. Así que puedes dirigir ajustes automáticos para el desgaste de herramienta, pero una vez que una herramienta se rompe necesitas reemplazarla".

El usuario también puede escribir aplicaciones especiales con el kit de desarrollo de software de Verisurf para ayudar a tomar decisiones. Por ejemplo, si una pieza está fuera de tolerancia, la aplicación puede ayudar a implementar un cambio de herramienta si hay herramientas adicionales en un carrusel de máquina herramienta. También se pueden escribir rutinas para controlar robots para inspección en proceso u otros procesos automatizados.

Los usuarios del software Verisurf también pueden añadir MBD en mallas escaneadas si no hay modelo CAD. "Así que cuando escaneas la pieza, en realidad puedo hacer clic en una superficie de una malla y extraer un espesor", dijo. En noviembre de 2021, Renishaw y Verisurf firmaron un acuerdo que permite a las empresas en América del Norte acceder al software Verisurf CMM desde Renishaw.

El ingeniero de fabricación sabe mejor

Lowen de Zeiss advirtió que, aunque la automatización ciertamente está progresando rápidamente, los fabricantes aún necesitan una valiosa entrada humana en el proceso.

"[En nuestra] experiencia, hay demasiadas variables de ingeniería de la vida real que hacen muy difícil la automatización", dijo Lowen. "Determinamos que todavía necesitas un ingeniero de fabricación con el cerebro humano para decir: 'OK, aquí está por qué esta forma está fuera de tolerancia, aquí está realmente qué salió mal, y aquí está lo que tenemos que hacer para corregirlo'."

El desgaste de herramienta es una de las razones más simples de entender, pero rara vez es la razón por la que una dimensión está fuera de tolerancia, dijo. Si el desgaste de herramienta fuera la única razón por la que una dimensión está fuera de tolerancia, entonces Lowen está de acuerdo en que podría automatizarse. Pero la realidad es que hay una docena de otras razones por las que una pieza no coincide con las especificaciones, dijo.

"Tal vez la fijación está distorsionando la pieza o no la sujeta lo suficientemente fuerte. Tal vez una herramienta se desvía de manera inconsistente durante el corte en un eje o el material de stock está fuera de tolerancia", dijo. "Sea lo que sea, eso es para lo que los ingenieros van a la escuela: ... cómo hacer mejores piezas".

Otro obstáculo para cualquier retorno de inversión al diseñar una solución automatizada es la tendencia actual de los fabricantes a tener series más cortas con más diversidad de piezas.

"Podrías acercarte a un proveedor automotriz y decir: 'Estás fabricando esta pieza para los próximos siete años, diseñemos esto'", dijo. "'Invertamos el tiempo porque vas a fabricar mil millones de piezas de esta forma'. Pero muchos de nuestros clientes fabrican lotes pequeños".

Zeiss ofrece el tipo de solución de ingeniería que Lowen usó en su ejemplo hipotético de proveedor automotriz. Pero para aquellos con series más cortas de piezas más diversas, y otros, la empresa tiene PiWeb, una herramienta de ingeniería que ayuda a los ingenieros de fabricación a analizar y determinar no solo qué piezas están fuera de tolerancia, sino que les da herramientas para determinar por qué.

"Si una pieza está fuera de tolerancia, los ingenieros de fabricación suelen ser los más educados para empezar a hipotetizar por qué la pieza está fuera de tolerancia y lo que necesitan es evidencia para apoyar una hipótesis", dijo Lowen. "PiWeb les permite buscar en una base de datos de piezas y buscar específicamente qué máquinas herramienta o fechas y horas o números de lote para filtrar y buscar tendencias estadísticas. Y luego PiWeb les da excelentes herramientas visuales —no solo de los datos sino de las propias piezas mostrando las dimensiones y las coordenadas para que sepan qué eje de la máquina herramienta puede necesitar corrección". PiWeb obtiene datos directamente de Calypso, el software de metrología de Zeiss. Sin embargo, si los datos provienen de otro software de metrología, PiWeb puede leer formatos de archivo comunes, incluyendo QDAS, DMO o QIF, dijo Lowen.

Lowen entiende que la industria necesita moverse hacia soluciones más automatizadas con datos de medición y corrección automatizada de máquinas herramienta. Estas serán más ampliamente aceptadas a medida que se vuelvan más fáciles y rápidas de implementar, dijo. Para eso, Lowen y sus colegas ciertamente estarán realizando más "proyectos científicos".