Medición integrada en el proceso de fabricación

Metrología inteligente: medición integrada en el proceso de fabricación

La medición es el primer elemento de la ingeniería. Sin validación, no puede haber componentes certificados y por lo tanto – para muchas industrias de alta precisión – no hay productos finales.

Medición integrada en el proceso de fabricaciónA medida que las fábricas están más conectadas y son más «inteligentes», la metrología, la ciencia de la medición, está desempeñando un papel esencial para acelerar las operaciones sin perder la precisión y el rigor que muchos productos finales deben aplicar.

El principal objetivo de la metrología de las fábricas es pasar del status quo de mecanizar piezas en lotes y confiar en la verificación de la «medición de la puerta trasera» en una máquina de medición por coordenadas (MMC), a un sistema en el que la medición esté totalmente integrada en el proceso de fabricación. Cada pieza se mide en tiempo real y las empresas consiguen una verificación del 100% de las piezas en lugar de una tasa de muestreo.

Hacia el cero desecho y la neutralidad del carbono

La futura fábrica también producirá menos residuos. A pesar de las bien conocidas prácticas de la «Industria 3.0» para evitar esto, todavía se producen deshechos. Esto incurre en altos costos de material, retrasos en la fabricación y es malo para el medio ambiente. En la fábrica del futuro que utiliza una metrología inteligente que incorpora nuevas tecnologías y aplicaciones como los cobots para el trabajo combinado, el objetivo es la fabricación de productos a medida «a la primera».

El Laboratorio Físico Nacional, el instituto nacional de medición de Gran Bretaña, dice que «la metrología del futuro se utilizará para evaluar y garantizar el ajuste, el rendimiento y la funcionalidad de cada pieza y apoyar los objetivos de cero desechos y neutralidad del carbono«. Va más allá para vincular la medición a toda la cadena de suministro conectada. «La metrología también apoyará la interconexión de estas nuevas fábricas para formar una base industrial que sea independiente de la escala de producción y que combine la I+D con la producción, al tiempo que se consigue el menor consumo de energía y el menor impacto en el medio ambiente«.

 

Desafíos de la metrología inteligente en la fábrica del futuro

Al igual que la propuesta para la Industria 4.0 y las fábricas conectadas, el propósito de la metrología de fábricas inteligentes es dar a una empresa una mayor visibilidad de toda la empresa, incluyendo sus proveedores. Y es exactamente lo mismo para una pequeña empresa que para una corporación global, dice Markus Grau, Director de Visión Artificial 3D de FARO – quieres saber qué está pasando en todas partes.

«Especialmente relacionado con la tecnología de medición, puedes dar a un OEM la capacidad de ver los valores del proveedor a nivel mundial en el tiempo, la calidad de sus piezas y lo que el OEM recibirá en dos semanas – en qué condiciones están las piezas, qué tiempos de ciclo tienen, también qué piezas son malas. Para tener una visión completa del proceso de producción desde la materia prima hasta el artículo final».Metrología inteligente en la fábrica del futuro

La metrología más inteligente, rápida pero igualmente fiable es posiblemente el aspecto más importante de la futura fábrica. Una fábrica podría tener bancos de robots industriales y manejo de material automatizado, pero sin una rápida verificación, la entrega de la pieza aprobada, es decir, la productividad, será poco mejor que el sistema actual de negocio como siempre.

El tamaño de la tarea fue subrayado en el Reino Unido por los Grandes Retos científicos del gobierno. Se trata de problemas importantes que requieren un enfoque coordinado a largo plazo por parte de los investigadores para superarlos y que fueron financiados con 2.900 millones de libras esterlinas de fondos públicos en 2014.

Dos de estos Grandes Retos son:

  • Superar las formidables barreras físicas del límite de difracción óptica, la medición de alto rango dinámico y la adquisición de datos dinámicos (multifísicos y discontinuos en el tiempo) para la aplicación de sistemas de metrología incorporados para maximizar la productividad y la eficiencia de la fabricación
  • Cerrar las brechas y divergencias en la información de metrología entre las diferentes etapas de las cadenas de valor de la fabricación para facilitar plenamente la fabricación digital/autónoma personalizada.

El trabajo en el Future Metrology Hub del Reino Unido y el trabajo complementario en el PhysikalischTechnische Bundesanstalt de Alemania y otros institutos de medición global se centran en nuevas técnicas de medición para impulsar la 4ª revolución industrial.

El equipo de la Universidad de Huddersfield, donde el centro tiene su sede, ya ha tenido un impacto económico en la gran industria. «Trabajando con Rolls-Royce, redujimos el tiempo de inactividad en la fabricación para la calibración por un factor de 10, de días a sólo horas», dice la Prof. Dame Jane Jiang, directora del Hub. «El desafío para el Hub es lograr ahora un nivel similar de mejora, reduciendo el tiempo de inactividad de horas a minutos.»

 

Técnicas de medición en línea con contacto, sin contacto y operadas por robots

La metrología incorporada – con la medición incorporada en o junto a las máquinas, la medición de piezas en proceso – tiene varias ventajas sobre la etapa de verificación de MMC tradicional y separada.

  1. Velocidad, ya que el operador evita tener que quitar y medir la pieza.
  2. La ventaja de medir cada pieza que se fabrica proporciona una verificación del 100%, en lugar de una tasa de muestreo.
  3. Hace que el retrabajo sea redundante. «Para piezas mecanizadas hasta 100 micras de escala, no sólo hay que quitarla y medirla, sino que hay que volver a traerla y volver a mecanizarla», dice Christian Young, Gerente del Centro de Metrología del Futuro en Huddersfield. «Validarlo en la máquina significa que se corta la etapa de mecanizado correctivo.»

Hay una variedad de técnicas de medición disponibles hoy en día que proporcionan mediciones en línea, incluyendo soluciones con contacto, sin contacto y operadas por robots.

La opinión predominante en la industria es que la medición en línea no es tan precisa como la enorme MMC en el laboratorio de calidad de temperatura controlada, y no la reemplazará con las tecnologías actuales, dice Markus Grau de Faro. «Pero la metrología en línea puede dar una indicación de si la línea de producción funciona bien o no – identificar el fallo a tiempo», añade.

¿Podría reemplazarse la MMC de «puerta trasera» al por mayor? Esto depende de la precisión.

Para medir los micrones hay que controlar el aire acondicionado y la humedad. Las MMC necesitan una gran mesa de granito para un montaje estable. Normalmente esto es en un ambiente de sala limpia y no se puede omitir para las industrias de menos de 30 micrones.

Pero en el área de más de 100 micras, para montajes completos, se puede lograr más medición en la línea y esta envoltura – donde residen las tolerancias de muchas piezas industriales – y será donde se aplique la mayor automatización de la metrología.

 

Sistemas ópticos y escáneres láser en la metrología sin contacto

La metrología sin contacto es un término general que cubre una gama de técnicas en las que se puede dividir ampliamente:

  • Sensores capacitivos, usando campos electromagnéticos
  • Escaneo de láser y luz estructurada
  • Microscopía:tanto confocal como de enfoque infinito
  • Interferometría óptica: esto cubre una variedad de técnicas que utilizan la interferencia en las ondas de luz para medir
  • Fotogrametría: análisis de las imágenes capturadas por métodos matemáticos, y
  • La tomografía de rayos X

Metrología sin contacto para la fábrica inteligente

Metrología sin contacto

La fabricación de metrología sin contacto se ocupa principalmente, no exclusivamente, de la interferometría óptica, el escaneo láser y la tomografía de rayos X.

La metrología sin contacto es crucial para la solución de fábrica inteligente porque un dispositivo de medición no tiene que ser manipulado para medir o tocar la pieza. Esto puede hacerse a distancia sin interrumpir la fabricación.

Las dos tecnologías de fábrica más populares son los escáneres láser y los sistemas ópticos.

El escaneo láser se basa típicamente en el principio del tiempo de vuelo. Esto mide una distancia disparando un rayo láser a un objeto y midiendo cuánto tiempo tarda ese rayo láser en rebotar. Conociendo la velocidad del rayo láser y midiendo el tiempo, la distancia se calcula multiplicando el tiempo por dos y multiplicándolo por la constante de la velocidad de la luz.

El escaneo láser basado en fases utiliza un rayo constante de energía láser emitido por el escáner. El escáner mide entonces el desplazamiento de fase de la energía láser de retorno para calcular las distancias, pero el resto del proceso es el mismo que el del escáner de «tiempo de vuelo«.

Los interferómetros ópticos son una tecnología de metrología más reciente que se está adoptando para ayudar a los ingenieros de precisión con algunos desafíos prácticos en la medición de fábricas. La interferometría utiliza ondas electromagnéticas que se superponen causando el fenómeno de la interferencia para extraer información. Se utiliza en la industria para la medición de pequeños desplazamientos, cambios en el índice de refracción e irregularidades de la superficie y es muy adecuada para algunas aplicaciones en fábricas.

El reto es que, quizás de forma contra-intuitiva, la metrología sin contacto tiende a ser mucho más lenta, requiriendo un posicionamiento manual y preciso durante la fabricación. El ángulo estroboscópico de la óptica puede verse afectado por las reflexiones, lo que se conoce como difracción óptica, y existen otros desafíos prácticos.

Métodos para mover el equipo más lejos sin perder precisión

Un proyecto en el Centro de Metrología es aumentar la capacidad de medición de alto rango dinámico, la capacidad de alejar el equipo de la pieza de trabajo y medir a distancia. «Estamos buscando métodos para mover el equipo más lejos, potencialmente hasta varios metros, mientras se mantiene la capacidad de precisión a nivel de micrones» dice Christian Young del Centro.

Sin embargo, el aumento de la ausencia de contacto no significa que la fabricación esté expulsando la sonda de contacto y la MMC tradicional. «Depende totalmente de la aplicación», dice Fikret Kalay, Gerente de Consultoría Técnica de Autodesk en Francia. «Cuando escaneamos las piezas, por supuesto, se necesita menos que mover una sonda de contacto a su lugar. Pero hasta que no se resuelvan los problemas de precisión y velocidad del no contacto, las sondas de contacto tienen un lugar importante en la fábrica inteligente.»

 

Inspección con robots para la metrología inteligente

Operaciones de los robots

Los robots tienen varias grandes ventajas sobre los humanos que están bien documentadas. Las operaciones de los robots son:

  • Precisas y fiables
  • Repetible
  • Incansable
  • Capaz de trabajar en cualquier patrón de turnos

Ventajas de las mediciones con robots

Para la metrología inteligente con la robótica, otra ventaja es la flexibilidad.

Metrología sin contacto para la fábrica inteligente

La operación humana es más flexible que la robótica en general, pero la inspección robótica puede ser una ventaja real para la producción de alto volumen«, dice Markus Grau de Faro, «La medición robótica automatizada es mejor que un sistema estático en una línea de producción rápida y se puede configurar para medir múltiples puntos«.

«Esto le da un alto nivel de flexibilidad para poder reaccionar a diferentes partes con el movimiento del sensor, por ejemplo. La repetibilidad, la flexibilidad y la fiabilidad del sistema robótico son los tres principales beneficios».

Los robots no están diseñados para medir piezas o cortar metal. Fikret Kalay de Autodesk dice que la industria les pide que hagan cosas para las que no están optimizados, pero la metrología puede ayudar aquí para aumentar la utilidad de los robots. «Primero fueron diseñados para el movimiento de recoger y colocar, pero ahora queremos robots para mecanizar, soldar, limpiar y demás. Esto crea muchos problemas de producción porque si intentas que un robot se comporte como una máquina herramienta no es tan preciso.

«Lo que intentamos conseguir con las mediciones con los robots es hacer que el robot sea más preciso», añade Fikret. «Por ejemplo, si sondeamos una pieza antes del fresado, obtendremos la posición precisa de la herramienta en el área de trabajo y mejoraremos la precisión de la operación.

La repetibilidad en la inspección robótica

El punto dulce de la inspección robótica es el área de tolerancia de 100 micrones y más. Aquí, los errores de un sistema de mecanizado robótico pueden ser comparados con una máquina herramienta normal en una comparación justa. «La tendencia será perfeccionar sistemas robóticos más precisos en el futuro», dice Grau. «Se están haciendo muchas mejoras, de cada ciclo de vida al siguiente, se vuelve más preciso. La mejora de la precisión dinámica en la robótica tendrá una gran influencia para las aplicaciones de medición robótica sobre la marcha también.»

Los robots más grandes pueden tener una precisión de posición repetible de 30 micrones, que ya es muy precisa. Pero el aspecto clave es la aplicación. El factor principal es el grado de precisión que una aplicación necesita para ser compatible con el robot o no.

 

Robots para aplicaciones de alta precisión

Los robots también se están utilizando en aplicaciones de alta precisión en las que se requiere un software de ingeniería de precisión para controlar la operación a nanoescala para simular una acción humana.

Symplexity es un proyecto financiado por la UE, de varios socios, que significa Symbiotic Human-Robot Solutions for Complex Surface Finishing Operations.

Su objetivo es investigar y mejorar la forma en que los humanos y los robots colaboran, específicamente en la acción de pulido. El pulido es un proceso en gran parte manual y que requiere mucho tiempo, a menudo inexacto cuando se evalúa la cantidad y duración de la presión aplicada a las diferentes áreas de una gran superficie – se basa en conjeturas. «Debido a que es un trabajo en gran parte manual, Europa recibe menos trabajo de pulido industrial al ser subcontratado a China y también menos trabajadores en Europa quieren realmente hacer el pulido, debido a su trabajo monótono, por lo que hay menos proveedores», dice Thomas Gale, Ingeniero de Investigación e Innovación de Autodesk.

Entre las aplicaciones y los socios se encuentra Romagnani Stampi, que produce una gran cantidad de piezas de herramientas para moldes de inyección de automóviles, como parachoques y parrillas. «Algunos de ellos tienen muchas herramientas de moldeo para cada modelo de automóvil, además hay carcasas de teléfonos móviles y piezas de PC, por lo que hay una enorme gama de herramientas de moldeo pulidas necesarias para el moldeo por inyección«, dice Thomas.

Según la investigación de Symplexity, el 90 por ciento del trabajo de acabado se hace a mano, pero cree que los robots pueden cambiar el equilibrio a más de un 20 por ciento, y el resto lo hacen los robots bajo supervisión humana.

Un robot podría potencialmente pulir con igual presión y duración en toda la superficie, pero necesita «aprender» sobre los procesos físicos requeridos para simular una acción de pulido, donde reside el desafío de la ingeniería.

Al dar vida a los datos de metrología, en lugar de que un humano (aunque muy hábil) tome una decisión subjetiva sobre si una pieza terminada es lo suficientemente buena, se pueden generar lecturas y datos del trabajo terminado que pueden expresarse matemáticamente, asegurándonos la calidad del rendimiento cuando caen dentro de los parámetros aceptados.

Y uno de los programas más emocionantes de Symplexity es el medio de ver todos esos datos de un vistazo usando la realidad aumentada. Originalmente previsto como una forma de visualizar los resultados (brillo, fuerza, etc.), los expertos y socios de Symplexity ya están mirando hacia muchas más industrias donde podría despegar.

El proyecto SYMPLEXITY está financiado por la Comisión Europea como parte del programa H2020-EU.2.1.5. – Fabricación y procesamiento avanzado.

Para más información sobre Symplexity visite https://symplexity.eu

 

Metrología de la fabricación

Sistemas informáticos de metrología integrados y universales

Mediciones con robots

El Centro de Metrología del Futuro es una inversión de 10 millones de libras esterlinas del EPSRC con la visión de crear sistemas informáticos de metrología integrados y universales a prueba de futuro para ser aplicados en toda la cadena de valor de la fabricación. El centro está dirigido por la Universidad de Huddersfield con portavoces de investigación académica en la Universidad de Bath, la Universidad de Loughborough y la Universidad de Sheffield.

El Centro cuenta con el apoyo del Laboratorio Nacional de Física y cinco Centros de Catapulta de Fabricación de Alto Valor. También está respaldado por más de 40 empresas e instituciones de ingeniería líderes que ofrecen otros 15 millones de libras de apoyo adicional.

La incorporación e integración generalizada de la metrología de la fabricación por parte del Centro tendrá implicaciones de gran alcance para la fabricación en el Reino Unido, ya que las máximas mejoras en la calidad de los productos, la minimización de los residuos y las reparaciones y los plazos mínimos de entrega proporcionarán, en última instancia, beneficios directos de productividad y una mayor competitividad.

Nueva generación de tecnologías de metrología

El Centro desarrollará una nueva generación de tecnologías, métodos y capacidades de metrología que son fundamentales para la creación de futuras fábricas digitales, flexibles, reconfigurables y autónomas.

Entre esos resultados se incluirán nuevos sensores e instrumentos que amplíen considerablemente las aplicaciones de la metrología integrada, y nuevas soluciones de software para integrar la metrología en toda la cadena de valor de la fabricación.

Esto creará el vínculo esencial entre el diseño, la fabricación y la verificación, así como el desarrollo de métodos para la extracción y el análisis de datos. Esto permitirá la explotación de los grandes datos de crecimiento exponencial que creará la metrología incorporada.

 

Herramientas de medición inteligentes para la Industria 4.0

El campo de la metrología se mueve tan rápido como cualquier campo de la ingeniería en la evolución de la «Industria 4.0«. Las empresas están desarrollando nuevos sensores con mejores capacidades de medición, de menor tamaño y con una mayor precisión operativa que nunca. Espere ver nuevas herramientas de medición más inteligentes y posiblemente más asequibles en 2018, a medida que bajen los costes de los sensores.

El software se está volviendo mucho más poderoso. Por ejemplo, Autodesk está mejorando su herramienta PowerInspection que incorporará un gestor de dispositivos dual, que le permitirá sondear una pieza con dos dispositivos, para aumentar la precisión. También estamos mejorando los algoritmos, tomando nuevas características de los modelos CAD, como la información GDT«, dice Kalay de Autodesk.