La automatización de la metrología ya está aquí

Aún si usted no ve ni usa robots diariamente, puede estar seguro de que están trabajando en todos lados. Han ayudado a fabricar el automóvil que conduce, el teléfono que toma constantemente y la computadora de la cual depende usted.

Los robots industriales se han vuelto parte de nuestra vida diaria En un informe de 2013, presentado por la International Federation of Robotics (IFR), el año 2012 presentó el segundo número más alto de robots vendidos en todo el mundo en un solo año. De las 159,346 unidades vendidas, cerca del 70% de esas unidades fueron a EE.UU., Japón, Alemania, China y Corea. Los sectores de automoción, alimentación, químico y de caucho y plástico tuvieron un incremento en las órdenes de robots, mientras que los sectores metálicos y de maquinaria tuvieron un ligero descenso.

La IFR también dio a conocer una tendencia interesante para EE.UU.—los embarques de robots aumentaron nuevamente en un porcentaje hacia un nuevo nivel pico de 22,414 unidades en 2012 en comparación con el año anterior, mientras que las ventas ya habían registrado un aumento sustancial en 2010 y 2011. El informe del presidente del IFR declaró que los datos del mercado para los primeros tres trimestres del 2013 mostraron un incremento en comparación con el mismo periodo el año anterior.

Aún si usted no ve ni usa robots diariamente, puede estar seguro de que están trabajando en todos lados. Han ayudado a fabricar el automóvil que conduce, el teléfono que toma constantemente y la computadora de la cual depende usted. Sería casi imposible que transcurriera un día completo y no estuviera en contacto con objeto alguno fabricado usando estas grandes máquinas. El progreso ha sido asombroso, tomando en cuenta que este nivel de automatización de fabricación era solo un sueño no hace mucho tiempo. Ya que los robots se hicieron más precisos e inteligentes, más tareas pueden llevar a cabo, extendiendo su uso en nuevos sectores y aplicaciones.

Existe un gran interés en hacer estas máquinas electro-mecánicas más precisas desde la introducción de robots industriales para la automatización de la fábrica. En la década de los años 70 y 80, los robots se incorporaron ampliamente en la manufactura de la industria de la automoción, pero casi no se usaban en la industria aeroespacial. Simplemente, no eran lo suficientemente precisos para cumplir con las tareas requeridas. A finales de los años 80 e inicios de los 90, muchos de los fabricantes de robots comenzaron a encontrar formas para lograr este objetivo.

Por naturaleza, los robots industriales son muy repetitivos, pero su precisión absoluta es muy pobre. Por ejemplo, si un programa ordena al efector terminal de un robot a moverse 76 cm en la dirección “Y”, puede moverse 78.7 cm en vez de la cantidad establecida. Sin embargo, se movería los mismos 76 cm cada vez. Ya que sus acciones son repetitivas, los robots podrían ser compensados a un nivel de precisión absoluta. Al medir el robot en un conjunto de números establecidos de poses, las longitudes del eslabón, ángulos de giro, ángulos de unión, desplazamientos de eslabones y parámetros de rigidez podrían ser calculados intrínsecamente para corregir el modelo del robot.

La principal dificultad era la forma de medir el robot a lo largo de estas poses en diversos intervalos de temperatura con la precisión suficientemente elevada para crear un modelo útil. En aquel momento, el equipo “go to” para la medición de distancias precisas y de angularidad era el interferómetro láser. El problema con los interferómetros láser era que requerían de una guía precisa de un retroreflector para evitar la interrupción del rayo láser. Ya que el reflector se mueve alineado con el rayo láser, se registra la dirección del movimiento y la contabilidad de los picos de onda. El cambio exacto en distancia se puede calcular al multiplicarlo por la mitad de la longitud de onda del láser. Sin embargo, si este proceso de contabilidad se interrumpe en algún momento (es decir, al interrumpir el rayo), es necesario iniciar todo el proceso desde el principio y desde el punto inicial exacto del reflector. Esta limitación por si misma era suficiente para que los interferómetros láser continuarán siendo ampliamente usados para la compensación del robot. Otras soluciones iniciales, como la triangulación láser y los string pots ópticos fueron investigados y probados, pero nada con suficiente fiabilidad otorgaba la facilidad de uso y la precisión que se requería.

A principios de la década de 1980, un gran número de organizaciones se unieron para resolver las limitaciones del guiado de precisión del interferómetro láser por medio de diversos sistemas “tracking”. Los expertos del National Bureau of Standards (NBS) ahora el NIST, la Universidad de Surrey en Inglaterra y el FhG Karlsruhe en Alemania, trabajaron juntos en proyectos basados en la integración de un interferómetro láser con un sistema tracker para crear un interferómetro láser tracker. Hacia el final de la década, las empresas en EE.UU. y Europa comenzaron a trabajar en el concepto de un tracker láser para aplicaciones de medición industrial, un sistema que se pudiera usar en un entorno de producción fuera del laboratorio. En 1990, el tracker láser Leica Geosystems Smart 310, un tracker que podia ser usado en un entorno de producción fuera del laboratorio, se presentó al mundo en el Quality trade show en Chicago en1990.

De principios de la década de los 90 hasta la mitad de la misma, los tracker láser Leica comenzaron a ser usados en la calibración de robots. El software de calibración fue desarrollado para ordenar a un robot que mueva la ubicación de las coordenadas en una zona de trabajo y después, registre las posiciones actuales medidas por el tracker. Al comparar las posiciones teóricas y actuales, el software es capaz de crear una serie de parámetros de compensación que corrijan el posicionamiento del robot y, por lo tanto, sus movimientos. Los parámetros toman en cuenta las imperfecciones mecánicas en el patrón de los movimientos y los dobleces o distorsiones hacia abajo provocados por las cargas. Esta calibración de precisión absoluta corregiría a un robot con una variabilidad de entre 8 y 15 mm, hasta 0.5 mm.

La mayoría de los fabricantes de grandes robots ofrecían robots con compensaciones similares durante este periodo. Sin embargo, cada fabricante tenía sus propios procesos y los clientes con diferentes tipos de robots de distintos fabricantes quedaban sin una forma de armonizar los procesos de calibración ni las plataformas. Este problema llevó a un gran número de empresas a ofrecer paquetes de calibración para estos casos. Estos módulos de software pueden permitir a un robot de cualquier fabricante ser calibrado de forma tanto extrínseca (localizado en la zona de trabajo) como intrínsecamente (enlazar longitudes, girar ángulos, etc.). Un ejemplo de este tipo de software es el módulo SA Machine, desarrollado por New River Kinematics. También compensa los efectos de las variaciones térmicas en el robot.

Por ejemplo, al usar un robot que ha sido estado inactivo, físicamente se expandirá cuando se caliente debido a la expansión térmica de sus enlaces. Ya que un robot continúa calentándose, el cambio puede ser de hasta 0.5 mm (0.020 pulgadas) o más, lo cual puede influir significativamente en la redundancia de las mediciones. Sin embargo, el software de calibración puede calcular y eliminar estos efectos térmicos de las mediciones, de tal forma que sean redundantes de forma consistente (normalmente entre 0.10 mm o 0.004 pulgadas, 6 sigma).

Actualmente, estos procesos están bien establecidos y se usan de forma casi cotidiana, Pero esto no significa que no exista espacio para futuros avances. Durante la última década, los láser tracker de Leica han mejorado considerablemente en funcionalidad. Una de las mejoras más importantes es la capacidad de estos equipos para medir completamente en seis grados de libertad o 6DoF. Esta capacidad permite a los fabricantes de robots corregir el reflector final del robot durante un ciclo de calibración con menos puestas, pero también ha abierto nuevas posibilidades. Anteriormente, al usar un láser tracker 3D tradicional, era necesario medir múltiples posiciones para calcular el mecanizado del punto central (TCP) en un espacio 6D. Actualmente, al usar el láser tracker AT901 de 6DoF, es posible conocer el efector terminal en un espacio 6D y en tiempo real. Esta innovación elimina la necesidad de la calibración del robot, ya que el tracker puede vigilar y corregir la posición del efector terminal en tiempo real sin necesidad de preocuparse por lo que haga el robot en el “espacio de unión.”

Esta avanzada tecnología fue aplicada recientemente en Premium Aerotec (Nordenahm, Alemania) para automatizar el proceso de colocar largueros del ala para la sección del fuselaje en el nuevo Airbus A350 XWB. Debido a que los largueros medían hasta 18 metros de longitud, la precisión absoluta especificada de los robots usados no era lo suficientemente precisa para colocarlos correctamente. El equipo solo pudo cumplir con los rigurosos requerimientos de precisión al corregir los robots en tiempo real basados en la respuesta del láser tracker Absolute de 6DoF.

Los módulos automatizados basados en robots y en sistemas de mediciones móviles ya no se consideran como futuristas y estas implementaciones han crecido sustancialmente en todo el mundo. A nivel mundial, Hexagon Manufacturing Intelligence ha implementado más de 60 módulos automatizados basados en robots y en sistemas de medición móvil. Como resultado de esta inteligencia, una gran variedad de fabricantes e industrias están analizando sus procesos con nuevos ojos, poniendo interés en áreas donde la automatización de la medición y la inspección pueden jugar un papel determinante. Enmedio de la incertidumbre de un cambio de paradigma, la historia de la manufactura está cambiando frente a nuestros ojos.
 

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