INGENIERIA MECANICA

Automatización e Integración de la Inspección Dimensional con Máquinas de Medir por Coordenadas

Automation and Integration of Dimensional Inspection using Coordinate Measurement Machines

E. Cuesta¹, B. Alvarez¹, J. Barreiro² y S. Martínez²

(1) Univ. de Oviedo, Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación, Campus de Viesques, Edif. Oeste 5, 33204 Gijón, Asturias-España (e-mail: ecuesta@uniovi.es)

(2) Univ. de León, Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación, Campus de Vegazana, 24071 León-España (e-mail: dfgjbg@unileon.es)

En este trabajo se detallan las fases del desarrollo de un sistema de Planificación de la Inspección, orientado a la inspección con máquinas de medir por coordenadas (MMC) y que se integra con el resto de la información que fluye en todo el proceso productivo. El sistema está basado en el intercambio de información utilizando el novedoso formato STEP. La información transmitida en formato STEP tiene que ver con la mayor parte de las variables que intervienen en el proceso, desde la geometría de la pieza, sus características físicas y tecnológicas, hasta el tipo de máquina de medir y palpador, pasando por toda la información de Control de Calidad y de los requerimientos de Gestión de la Producción. El desarrollo del sistema presentado ha implicado la personalización y reprogramación tanto del software de la MMC como de un software CAD/CAM, aprovechando ambas aplicaciones para integrar la inspección MMC y la fabricación con tecnologías de control numérico computarizado (CNC).

This paper describes in detail the phases of the development of an Inspection Planning System oriented toward the inspection of coordinate measurement machines (CMM), and its integration with the total information flow through the productive process. This system is based on information exchange using the newest STEP format. The information transmitted by the STEP format is mostly related to the process variables, from the geometry of the part and its physical and technological characteristics, to the type of measuring machine and the type of probe, passing through all the Quality Control information and the requirements for Production Management. The development of the system presented has required personalization and reprogramming both of the software for the CMM and of CAD/CAM software, making use of both applications for integrating CMM inspection with CNC technologies.

Keywords: coordinate measurement machines, inspection planning, automation, integration

Las mayores exigencias de ahorro de costes de diseño y fabricación, manteniendo e incluso incre-mentando la calidad metrológica que demanda la industrial actual, se ha traducido en la necesidad de garantizar el correcto intercambio de información del producto entre cliente y fabricante. Esto está haciendo imprescindible el uso de formatos electrónicos de intercambio de información neutros, universales, y con la suficiente envergadura como para abarcar todas las etapas: diseño, estudio y análisis, mecanizado y medición.

En lo relativo al diseño y fabricación, este tipo de formatos ya están desarrollados en gran medida y de hecho existe la Norma ISO10303 - STEP (STandard for the Exchange of Product data) al respecto. Sobre la que existen varios frentes abiertos y donde todavía se está desarrollando y definiendo (Barreiro et al., 2002), por parte de los grupos de trabajo dentro del subcomité TC184/ SC4 de ISO y otras instituciones a nivel mundial, cómo debe guardarse y relacionarse la información de las piezas o productos.

Sin embargo, debe decirse también que estamos ante una tecnología moderna, que debe pasar a la fase de implementación y utilización masiva por parte de los desarrolladores de software CAD/ CAM, de fabricantes de máquina herramienta, e incluso diseñadores, investigadores y personal de oficinas técnicas en general. De hecho, la confrontación de los requisitos y exigencias de información de todos y cada uno de los usuarios de tecnologías de fabricación a lo largo del ciclo de producción (Medland et al., 1993), es la que ha evolucionado hacia la aparición de desarrollos que utilizan como formato de intercambio el STEP.

El presente artículo aporta un planteamiento de este tipo considerando, en este caso, el área de la inspección automatizada de piezas. La inspección se llevará a cabo en el entorno de las modernas Maquinas de Medir por Coordenadas (MMC), cuya integración en los sistemas de Ingeniería concurrente, como pueden ser los PDM (Product Data Management) o PLM (Product Life Cycle Management), esta sobradamente justificada.

Modelo de Integración para Inspección con MMC

En la actualidad es frecuente que se produzcan errores durante el proceso de puesta a punto de la fabricación de piezas con superficies complejas, y más aún si están destinadas a ensamblaje con otras. Esto obliga a la realización de pruebas previas (fabricación de pre-series) y al control dimensional de las mismas. En esta inspección se ha de minimizar el tiempo empleado en la programación de la MMC sin perder precisión y garantizando e incrementando los niveles de calidad.

La Metodología seguida en este trabajo (fig. 1) ha tenido presente estas ideas: Los datos de partida pueden venir dados en planos (formato papel), o directamente de un sistema CAD con formatos como IGES, DWG, VDA o STEP (en particular se dispone de CATIA y SolidEdge, entre otros). A continuación, junto con estos datos geométricos, se introduce el resto de in-formación tecnológica necesaria en un sistema de planificación de tipo CAPP (utilizando VisualBasic sobre las anteriores plataformas). Este sistema será el encargado de crear (si no existe) o modificar convenientemente el fichero STEP, si fuera éste el formato original, que contiene la información estructurada para los módulos posteriores de mecanizado e inspección. Este fichero STEP contiene además de la geometría y otros datos tecnológicos, información para mecanizado (con máquina herramienta de Control Numérico, MH-CN) e inspección (con MMC). En el presente artículo se detalla tan solo este último proceso, teniendo en cuenta que la parte de mecanizado sería objeto de un tratamiento paralelo y tan extenso como el presente.

Después del CAPP, el fichero STEP puede ser introducido a un sistema CAM (en el presente proyecto, se utiliza el módulo CAM que incluye el propio sistema CATIA) o a un sistema CAI (Computer Aided Inspection) que, en nuestro caso ha sido integrado con el software de control de la Máquina de Medir por Coordenadas, PC-DMIS (©Brown&Sharpe). De esta forma, la aplicación desarrollada es capaz de "entender" el fichero STEP mejorado, de forma que puede reconocer las superficies con tolerancia a medir, el sistema de coordenadas y orientación utilizado, el tipo de palpador, etc. Posteriormente a la inspección metrológica de la pieza (de forma física o real), el propio PC-DMIS puede generar un fichero de resultados (formato de texto que se convierte a formato STEP) que puede a su vez ser comparado con las exigencias de planificación establecidas o programadas por el sistema CAPP. Éste puede corregir las diferencias que se observen y efectuar las modificaciones oportunas para mandarlas nuevamente al sistema CAM y de ahí a la Maquina Herramienta. (modificando en el CAM, por ejemplo, correcciones de herramienta, estrategias en las trayectorias, velocidades o avances)

Descripción del módulo CAPP

El módulo CAPP (Computer Aided Process Planning), integra también un sistema CAIP (Computer Aided Inspection Planning), y recibe como datos de entrada el material y la geometría de la pieza. La geometría debe venir definida por características (features) tales como el agujero (cilindro int.), cilindro exterior, ranura, chaflán, etc.; datos de tolerancias de cada una de ellas (dimensionales) y datos de las tolerancias entre ellas (de forma y posición). Además se requieren datos tecnológicos propios de la MMC y su entorno como el tipo de palpador (tamaño, movimientos, posiciones calibradas de trabajo, diámetro de la esfera) y el sistema de sujeción. En el caso de considerarse el sistema de sujeción, éste debe venir
definido por unas entidades (sólidos o superficies) dadas, junto a la geometría de la pieza, por el CAD.

Desde el punto de vista del funcionamiento interno, el sistema CAPP consta de las siguientes etapas (fig.2):

- Reconocimiento de características: Basándose en aspectos relativos a la forma, situación y accesibilidad de las superficies, se estructuran éstas según un modelo de características no ligadas ya al diseño o a la fabricación de la pieza, sino a la inspección de la misma. Se trata de características que conllevan una información básica acerca de la accesibilidad del palpador a las superficies que las forman (agujeros contenidos en otros, cajeras, chaveteros, etc.). y por tanto, se diferencian de las características que manejan los módulos CAD paramétricos y asociativos en el diseño de la pieza. Con el fin de conseguir un proceso automático, se procede a la extracción de la información que proporcionan estos módulos para el conformado de una estructura de características orientadas a la inspección.

- Introducción de información de tolerancias: Resulta imprescindible en un proceso orientado a la inspección la inclusión en el modelo de la información relativa a las tolerancias. Cada superficie a inspeccionar es relacionada con los datos de la tolerancia de la que va afectada o de la que es referencia.

- Análisis de puntos de contacto: Una vez obtenidas la relación de superficies a inspeccionar, el siguiente paso es la determinación del número y distribución de los puntos de contacto que deben palparse. Este proceso se realizará de acuerdo a criterios relativos a la superficie (geometría, extensión), relativos al palpador (diámetro de la bola, longitud de la espiga) y relativos a la tolerancia misma (tipo, valor). En concreto se han elegido los algoritmos de distribución de puntos de Hammersley y Halton-Zaremba (Lee et al. 1997).

- Análisis de accesibilidad: Aunque matemáticamente un punto (generado por el módulo anterior) esté sobre una superficie, eso no quiere decir que esté accesible al palpador. De hecho la geometría del palpador, junto con el sistema de sujeción puede dar lugar a colisiones. Los extremos o bordes de las piezas son también zonas inaccesibles o, cuando menos "peligrosas" de cara a su palpado. Las trayectorias, tanto de aproximación como de palpado, deben ser comprobadas en función de la geometría de la pieza, del palpador y el sistema de sujeción (Rico et al., 2002).

- Estudio y secuenciación de operaciones: Se procede a ordenar los puntos de contacto de forma que el recorrido en vacío del palpador sea el mínimo (minimizando la distancia entre zonas).

- Programa de Inspección: Este módulo es el encargado de generar el programa de inspección de la pieza (en formato DMIS). En el caso del software disponible (el PC-DMIS), éste admite formato STEP aunque el traductor incorporado tan solo interpreta la geometría sin tener en cuenta las tolerancias. Se hace necesario desarrollar funciones que permitan interpretar las tolerancias, la forma de palparlas y cómo deben darse los resultados; es decir, debe utilizarse un fichero STEP "mejorado" que contenga información legible por el programa de control de la MMC.

Conclusiones

Existen sistemas CAD/CAM cuyo principal objetivo es disminuir el tiempo de puesta a punto de fabricación de piezas de mecanizado pero este tipo de sistemas no se complementan con una inspección integrada. Este último aspecto se ha cubierto principalmente gracias al sistema CAPP desarrollado. En el se ha conseguido un nivel muy alto de automatización, tomando decisiones complicadas y que requieren tener en cuenta un número muy elevado de parámetros.

Al utilizar además, como intercambio de información, el formato estándar STEP, se puede integrar con el propio sistema productivo e incluso con sistemas externos (software de clientes y auditores por ejemplo).

La posibilidad de programación off-line del software y la utilización de tecnologías con transmisión de información por formatos electrónicos, hace posible optimizar todo el proceso de entrega de datos y resultados de medición (Internet, FTP, etc.), ayudando a encontrar, lo antes posible, las anomalías encontradas en la producción, y permitiendo que se tomen acciones preventivas, fundamentales en el establecimiento de los sistemas de Calidad Total actuales.

Agradecimientos

El presente trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación "Integración de las funciones de Calidad en el desarrollo del producto y el proceso en un entorno de Ingeniería Concurrente", financiado por el Ministerio de Ciencia y Tecnología (España), ref. DPI2001-0093-C02-02 y C02-01.

Referencias

Barreiro, J.; J.E. Labarga; J. Ríos; A. Vizán; Desarrollo de un Entorno de Información para la Integración de la Inspección Dimensional en un Ciclo de Producción. Información Tecnológica, 13(6), 67-76 (2002).

Lee, G.; J. Mou, Y. Shen; Sampling Strategy Design for Dimensional Measurement of Geometric Features using Coordinate Measuring Machine, Inter. Journal of Machine Tools & Manufacture. 37(7), 917-934 (1997).

Medland, A.J.; G. Mullinex; C. Butler; B.E: Jons; The integration of coordinate measuring machines within a design and manufacturing environment, Proceedings of Inst. Mechanical Engineers. (IMechE), 207, 91-98 (1993).

Rico, J.C:, G. Valiño; S. Mateos; E. Cuesta y C.M. Suarez; Accessibility analysis for star probes in automatic inspection of rotational parts, International Journal of Production Research, 40(6), 1493-1523 (2002).