Proyecto EMRP IND62 “Traceable in-process dimensional measurements”.

Área de Longitud
03/03/2015
Proyecto iniciado

Desarrollo de normas y procedimientos que permitan evaluar y garantizar la trazabilidad de las mediciones realizadas in-process.

Ref.:
EMRP IND62
Financiado por:
Proyecto financiado conjuntamente por los países miembros de EURAMET participantes en el programa EMRP y la Unión Europea.
Título:
 “Traceable in-process dimensional measurement”
Acrónimo:
TIM
Periodo:
2013 - 2016
Investigadores:
3
Contratados:
--
Presupuesto:
148,54 k€
Participantes:
Financiados: PTB (Alemania), CEM (España), CMI (República Checa), LNE (Francia), Metrosert (Estonia), MIKES (Finlandia), NPL (Reino Unido), UM (Eslovenia), Daimler (Alemania), EMO (Eslovenia), Gorenje (Eslovenia), IK4-TEKNIKER (España), MAG IAS (Alemania), RRI (Finlandia), UNIZAR (España), Veplas (Eslovenia). Becas de excelencia investigadora: Aalto (Finlandia), KIT (Alemania), Uni HB (Alemania).
Objetivos:
  • Establecimiento de una base científica y técnica para el desarrollo de normas y procedimientos que permitan evaluar y garantizar la trazabilidad de las mediciones realizadas in-process.
  • Desarrollo de métodos para la implantación de mediciones dimensionales de alta exactitud en máquinas herramienta, mediante desarrollo de patrones materializados robustos y de alta precisión que puedan ser utilizados en máquinas herramienta usadas en industrias de fabricación y otros ámbitos.
  • Desarrollo de una cámara climática transportable a plantas de fabricación, en la que situar la máquina herramienta y simular condiciones ambientales variadas, a fin de estudiar la influencia adversa de dichas condiciones sobre la calidad de las piezas fabricadas.
  • Generación de procedimientos y guías de buenas prácticas para garantizar la medición fiable con máquinas herramienta.
  • Garantizar la asimilación progresiva de los resultados del proyecto a través de demostraciones industriales y la participación de los usuarios finales en la implementación de dichos resultados, con atención especial al impacto potencial, tecnológico y económico, en las industrias de fabricación y de la máquina herramienta.

Los métodos a desarrollar tienen como objetivo una exactitud de medida en torno a unos pocos micrómetros por metro cúbico.

Antecedentes:

La exactitud de las mediciones realizadas sobre máquinas herramienta viene afectada por la variación desfavorable de las cambiantes condiciones ambientales, la vibración, el ruido y la iluminación, que se dan en, o cerca de, la zona de producción, así como por las altas fuerzas de palpado de los dispositivos medidores. Otros factores son:

  • Las técnicas de calibración de máquinas herramienta existentes, que no son suficientes para caracterizar y mitigar las limitaciones impuestas por las condiciones de la planta de producción.
  • Las fuerzas y cargas de la máquina generan calor durante las operaciones de mecanizado, impidiendo la utilización de la máquina herramienta como máquina de medición trazable y fiable. Las técnicas de calibración basadas en el empleo de láseres no consideran los errores de medición de los sistemas de palpado, las fuerzas de maquinado o las cargas térmicas.
  • La escasez de procedimientos adecuados para evaluar la incertidumbre de las mediciones dimensionales realizadas sobre máquinas herramienta hace imposible confiar en los resultados de medición in-process, lo que alarga los tiempos de producción, incrementando los costes de fabricación.

Este proyecto pretende ir más allá del estado del arte, mejorando la exactitud y trazabilidad de las mediciones dimensionales in-process mediante:

  • Generación de normas y procedimientos para mejorar la exactitud de medición y la fiabilidad de las mediciones in-process, mediante diseño y producción de piezas patrón y patrones materializados multipropósito, robustos y térmicamente invariables.
  • Superación de los retos derivados de los errores termo-mecánicos de las máquinas, la mayor parte de ellos inducidos por efecto de las variaciones de temperatura dentro de la máquina, mediante diseño y producción de piezas patrón y patrones materializados multipropósito, de alta exactitud y termo-invariables.
  • Generación de una técnica que supere el enfoque convencional, basado en investigar los errores de las máquinas herramienta en condiciones estacionarias y constantes, utilizando procedimientos robustos de mapeo y corrección cinemática y termo-mecánica de los errores, bajo condiciones ambientales y operativas variables..
  • Construcción de una cámara climática innovadora y transportable, para la simulación de condiciones ambientales variables en la zona de producción.
  • Determinación de las incertidumbres asociadas a “tareas de medición específicas”, entendiendo por tales mediciones de tamaño, forma y posición de formas geométricas diversas como pueden ser la esfera, el cono, el cilindro y el plano.
  • Generación de procedimientos que permitan la evaluación de la “adecuación a los fines” (fitness-for-purpose) y potencien la confirmación por parte del usuario final de si una máquina herramienta es capaz o no de fabricar e inspeccionar correctamente piezas de trabajo, sin necesidad de requerir nuevas mediciones en laboratorios externos.
Necesidad del proyecto:

Las mediciones dimensionales trazables in-process sobre máquinas herramienta dan lugar a productos de alta calidad, menores costes de fabricación, alta productividad, y a una evaluación rápida y real de la calidad del producto. Los errores de medición de las máquinas herramienta proceden de distintas fuentes y dependen de factores ambientales complejos reinantes en la planta de producción. A fin de poder realizar mediciones fiables sobre máquinas herramienta, con obtención de resultados exactos, se requiere:

  • Afrontar los conocidos problemas asociados a la medición con máquinas herramienta en la planta de producción: errores estáticos, cinemáticos, termo-mecánicos y dinámicos, así como los derivados del sistema sensorial o de palpado.
  • Establecer sobre las máquinas herramienta verdaderas mediciones dimensionales in-process “trazables”. La trazabilidad de las mediciones realizadas por los usuarios industriales finales procede de los patrones nacionales mantenidos por los institutos nacionales de metrología (NMIs). Se requiere disponer de una nueva generación de piezas patrón y patrones materializados robustos, junto a procedimientos y directrices para la evaluación de las prestaciones de medida de las máquinas herramienta directamente en la zona de fabricación.
  • Garantizar la eficacia de los ensayos de aceptación, reverificación y toma de decisiones asociados a las máquinas herramienta. La aceptación de las capacidades de medida de una máquina herramienta requiere una serie de ensayos. Lo mismo ocurre con la verificación de la “adecuación a los fines” (fitness-for-purpose) de una máquina herramienta, para poder determinar si se cumplen sus especificaciones. Ello garantizará que la decisión “pasa” o “no pasa” esté basada en la exactitud de medición obtenida.
  • Satisfacer la necesidad de productos de alta calidad a un coste económicamente ventajoso..
Resultados esperados e impacto potencial:
  • Mejora significativa de la capacidad y exactitud de la medición in-process de las piezas fabricadas, lo que facilitará la automatización de los procesos.
  • Mejora de la metrología in-process, en beneficio del mercado, garantizando que las empresas europeas mantengan su competitividad en el mundo global.
  • Con la ayuda de nuevas cámaras climáticas transportables, de ambiente controlable y lo suficientemente grandes como para alojar en su interior máquinas de tamaño medio, la industria podrá verificar in-situ, de forma más rápida, las prestaciones metrológicas de las máquinas.
  • La disminución de los desechos y de la necesidad de retrabajar las piezas por mejora de la calidad de éstas hará que los usuarios finales puedan tomar mejores decisiones sobre su conformidad.
  • Reducción de costes, por mejora de la metrología in-process.
  • Transferencia y diseminación del conocimiento adquirido a través de un grupo “ad-hoc” de interesados en el proyecto, con publicación de artículos en revistas técnicas y divulgación a través de conferencias y talleres, guías de buenas prácticas y sitio web del proyecto.
  • Formación y diseminación del conocimiento adquirido a través talleres, estancias e intercambio de personal. .
  • Explotación de los resultados del proyecto mediante nuevos procedimientos sobre evaluación in-process de la calidad de piezas, de las prestaciones de las máquinas, simulación de entornos de trabajo, etc. Participación en organismos de normalización, contribuyendo a nuevas normas en la materia.
Trabajos realizados:
  • El proyecto ha generado un listado de artefactos disponibles en el mercado, así como otros artefactos desarrollados por la industria y laboratorios para el área de la metrología dimensional in-process, y se han acordado conceptos de diseño para nuevos artefactos a desarrollar.
  • Se ha iniciado una investigación sobre métodos existentes de verificación de mediciones in-process. Se encuentra en desarrollo un método de verificación basado en la utilización de patrones materializados calibrados aplicables a modelos de calibración de máquinas herramienta CNC.
  • Se han desarrollado planos de diseño y especificaciones constructivas de seis nuevos patrones propuestos, denominados 3D-MS, TSEM-MS, TSMU MS, WR-MS, FF-MS y R-MS. También se han acordado los datos de diseño sobre las características técnicas, función, material constructivo, técnicas de fabricación e incertidumbres requeridas, para todos los patrones diseñados. Finalmente, se ha decidido la construcción de algunos de ellos..
  • Se ha generado un documento que describe la evaluación de las propiedades ópticas de diferentes materiales válidos para la fabricación de patrones de medición, pero especialmente apropiado para los tipos TSEM-MS, TSMU-MS y 3D-MS. Tras una investigación exhaustiva, se ha generado un informe sobre el modelo matemático del comportamiento de los diferentes patrones a diferentes temperaturas utilizando técnicas FEA de análisis de elementos finitos para detectar potenciales problemas.
  • Los socios han trabajado en especificar las áreas de calibración y medición, incluyendo los procedimientos y métodos a utilizar para la calibración de los patrones tipo FF-MS.
  • Se ha generado una primera especificación sobre requisitos técnicos y características geométricas de la cámara de simulación climática transportable. La especificación es el resultado de intensas discusiones con un fabricante de máquinas herramienta que ya ha realizado los primeros ensayos en el campo de la simulación climática. El siguiente paso es la construcción de dicha cámara, la cual tiene por finalidad simular las distintas condiciones que se dan en las plantas de producción y a las que las máquinas herramienta se exponen diariamente. Tras analizar la variedad de factores de influencia a simular, se han generado diferentes conceptos de diseño. Tras profundizar en ellos resulta evidente que la mayor influencia sobre las prestaciones finales y la utilidad de la cámara procede de los parámetros relacionados con las paredes de la cámara (forma, grosor, materiales, etc.) y con el sistema de aire acondicionado (potencia, distribución, ciclos, etc.). El desarrollo del concepto final ha requerido más tiempo del previsto, encontrándose actualmente en especificaciones finales.
  • Se ha formado el comité de interesados en el proyecto, compuesto por miembros de la Industria y la Universidad. Su primera reunión tuvo lugar en mayo de 2014 en Praga.
  • La página web del proyecto TIM es accessible a través de enlace http://www.ptb.de/emrp/tim.html. Además de un área pública que presenta el proyecto, los socios cuentan con un acceso restringido donde se encuentran disponibles todos los documentos y otras informaciones del proyecto.