Calibración 3D o de tres ejes: ¿cuál es la diferencia?

Calibración 3D o de tres ejes: ¿cuál es la diferencia?

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Mucha gente en los talleres cree que la precisión de tres ejes y la precisión 3D son lo mismo. En realidad, la precisión de tres ejes es unidimensional, porque especifica sólo la tolerancia de mediciones lineales a lo largo de cada eje. La precisión 3D se refiere a la medición lineal de cada eje y a la relación de los ejes X, Y y Z, uno con el otro –es decir, la rectitud y cuadratura de cada eje con el otro en un cubo de trabajo definido.

Calibrar la precisión de tres ejes –relativamente sencillo–, es útil para identificar problemas como desgaste o error de inclinación en un tornillo de avance/tornillo de bolas. Calibrar la precisión 3D es más complicado pero no necesariamente toma más tiempo. Sin embargo, constituye una forma mucho mejor para asegurar el desempeño general de una máquina cuando se cortan superficies contorneadas y otras partes 3D diseñadas con software CAD 3D. Para cualquier taller, conocer cuándo y cómo hacer estas diferentes calibraciones resulta importante, porque cada una provee diferente información sobre el desempeño de una máquina.

Antes de adentrarnos en las diferencias entre la calibración de tres ejes y 3D, es útil entender que la mayoría de sistemas de posicionamiento de máquinas-herramienta está basada en el sistema cartesiano de coordenadas, el cual utiliza una serie de puntos a lo largo de tres ejes coordenados (X, Y y Z) alineados perpendicularmente uno con el otro, para representar objetos o características 3D.

Mucha de la confusión que rodea la calibración de tres ejes y 3D tiene que ver con la terminología. Un taller que sólo calibra el desplazamiento lineal a lo largo de cada uno de los tres ejes, puede considerar esta una calibración de tres ejes. Sin embargo, los tres ejes no están calibrados para precisión 3D, porque el desplazamiento lineal no considera la perpendicularidad de los ejes uno con el otro.

Con base en la geometría de un cuerpo rígido, la cual define posiciones al formar ángulos de 90 grados con un eje de una estructura de referencia dada, cada uno de los tres ejes de una máquina-herramienta específica es susceptible de seis errores, para un total de 18. Estos seis incluyen tres errores lineales, así como errores angulares de inclinación, orientación y balanceo, respectivamente. Teniendo en cuenta tres errores potenciales de cuadratura, se llega a un gran total de 21 posibles errores de cuerpo rígido para una máquina-herramienta de tres ejes. Al calibrar el error de desplazamiento lineal a lo largo de cada eje, sólo se determinan tres errores, dejando aún 18 errores sin determinar.

Calibración lineal de tres ejes
El desplazamiento lineal a lo largo de un eje de una máquina CNC puede ser calibrado con un sistema basado en la tecnología de medidor láser de desplazamiento Doppler (LDDM). Esto requiere sólo dos elementos ópticos, los cuales se montan temporalmente en una máquina-herramienta o máquina de medición de coordenadas, para hacer el ajuste del sistema y la alineación del rayo de manera relativamente fácil y rápida. El láser en esta aplicación cumple los requerimientos de trazabilidad estandarizados y ofrece un chequeo de estabilidad superior a 0.1 ppm, una precisión de 1.0 ppm y una resolución de hasta 1 micropulgada.

El cabezal de lectura láser se monta en la cama o mesa y un retrorreflector (también llamado objetivo) se ubica en el husillo. El rayo láser sintonizado se alinea paralelo al eje. El operador programa los incrementos de medición a lo largo del eje, y el husillo con el retrorreflector comienza en la posición de inicio. El sistema mueve entonces el retrorreflector a cada posición incremental especificada y registra la medición. El posicionamiento incremental y la captura de datos pueden lograrse automática o manualmente.

Este proceso identifica desviaciones al comparar la escala de medición con las posiciones medidas por el sistema de calibración. Estas desviaciones son usadas para calcular una tabla de compensación. Algunas situaciones necesitan la aplicación de un solo factor de corrección lineal. Otras requieren factores de corrección de inclinación incremental, es decir, los errores pueden ocurrir sólo en áreas específicas y no son uniformes a lo largo del eje.

Confiar en la calibración lineal (mediciones unidimensionales paralelas al eje de movimiento) implica asumir que los errores sólo son posibles en el tornillo de avance/tornillo de bolas y en la expansión térmica. La calibración lineal a lo largo de tres ejes es inadecuada para asegurar la precisión de partes 3D. Muchos años antes, los cuerpos de generación de estándares nacionales e internacionales reconocieron esto e introdujeron los estándares de medición de desempeño de máquinas-herramienta Asme B5.54 e ISO230-6.

Calibración 3D
Los estándares Asme B5.54 e ISO230-6 resultaron en dos métodos para calibración 3D (volumétrica), incluido el “método de desplazamiento diagonal del cuerpo” y el propio “método de medición diagonal por paso secuencial”. Durante años, el método de desplazamiento diagonal del cuerpo definido por Asme B5.54 e ISO230-6 ha provisto una verificación rápida del error volumétrico con buenos resultados. Ya que las mediciones involucradas son relativamente fáciles y rápidas de tomar, el costo y el tiempo muerto de máquina son mínimos.

El método de desplazamiento diagonal del cuerpo es una medida de la precisión de posicionamiento volumétrico de una máquina-herramienta con un sistema de calibración láser. Un láser se monta en la cama de la máquina, y un retrorreflector ubicado en el husillo refleja el rayo láser, el cual se alinea a lo largo de la diagonal de la máquina.

Con el apuntador láser a lo largo de la dirección diagonal del cuerpo y el retrorreflector moviéndose sobre la diagonal del cuerpo a incrementos especificados por el operador, el sistema de calibración láser registra las mediciones en cada posición. Medir el error de desplazamiento comienza en la posición de inicio y en cada incremento a lo largo de tres ejes, los cuales se mueven juntos para lograr una nueva posición sobre la diagonal.

Las últimas cuatro diagonales del cuerpo usan las mismas esquinas de las primeras cuatro diagonales, salvo que las direcciones son invertidas. Por esa razón, sólo hay cuatro direcciones de diagonales del cuerpo con movimiento hacia delante y movimiento hacia atrás (bidireccional) y sólo cuatro ajustes en los cuales se toman las mediciones después de cada movimiento simultáneo de X, Y y Z. La precisión de cada posición a lo largo de la diagonal del cuerpo depende de la precisión de posicionamiento de los tres ejes y de los errores geométricos de la máquina-herramienta.

En teoría, con base en el cálculo, los cuatro errores de desplazamiento diagonal del cuerpo son sensibles a los nueve errores lineales, los cuales pueden ser positivos o negativos y cancelar cada uno de los otros. Ya que los errores son estadísticos por su naturaleza, la probabilidad de que todos los errores sean cancelados en todas las posiciones y en las cuatro diagonales es teóricamente posible, pero altamente improbable.

Sin embargo, el método de desplazamiento diagonal del cuerpo no aclara las relaciones entre los errores de desplazamiento diagonal del cuerpo y los 21 posibles errores de cuerpo rígido. Otra preocupación sobre este método señala que asigna demasiada importancia a los errores angulares. Para entender las relaciones y la importancia de los errores angulares, es necesario derivar las relaciones entre los 21 errores de cuerpo rígido y los errores medidos de desplazamiento diagonal del cuerpo.

Con base en las relaciones derivadas de arriba, todos los términos de error angular se cancelan, salvo dos. Por esto, los errores de desplazamiento diagonal del cuerpo son sensibles a errores de desplazamiento, errores de rectitud y errores de cuadratura, pero no a errores angulares. Ya que hay sólo cuatro juegos de datos y nueve juegos de errores, el método de desplazamiento diagonal del cuerpo no genera suficiente información para determinar la fuente de errores. Optodyne, una compañía que desarrolla y mercadea sistemas de calibración láser, desarrolló el método diagonal por paso secuencial para afrontar estos problemas.

El concepto básico de este método indica que la dirección del rayo láser (o la dirección de medición) no es paralela al movimiento del eje lineal. Por ello, los errores medidos de desplazamiento son sensibles a errores que ocurren tanto paralela como perpendicularmente a la dirección del eje lineal. Más precisamente, los errores lineales medidos son la suma vectorial de todos los errores proyectados a la dirección del rayo láser, incluidos los errores de desplazamiento (paralelos al eje lineal), los errores de rectitud vertical (perpendiculares al eje lineal) y los errores de rectitud horizontal (perpendiculares al eje lineal y a la dirección de error de rectitud vertical).

Recolectar datos con el apuntador de rayo láser en cuatro direcciones diagonales de cuerpo permite identificar los 12 tipos de errores. Ya que los errores de cada eje de movimiento son vectores con tres componentes perpendiculares de error, esta es considerada una técnica de medición vectorial.

Durante la medición diagonal de cuerpo convencional, el rayo láser se mueve a lo largo de una diagonal del cuerpo y recolecta datos en cada incremento predefinido. Durante la medición vectorial, los tres ejes se mueven en secuencia a lo largo de una diagonal del cuerpo y los datos se recolectan después del movimiento de cada eje. Este método recolecta tres veces más datos que la medición diagonal del cuerpo convencional, y puede separar errores de acuerdo con el movimiento de cada eje.

El método de medición diagonal por paso secuencial difiere de la medición de desplazamiento diagonal del cuerpo, al mover cada eje separadamente y en una secuencia, recolectando el error de posicionamiento diagonal después de cada movimiento separado de los ejes X, Y y Z. La trayectoria del objetivo no es una línea recta, y el movimiento lateral resulta un poco largo. Así, debe usarse un espejo plano como objetivo.

La técnica de desplazamiento lineal convencional mide a lo largo de un solo borde y falla en considerar los errores de inclinación, orientación y angulares. La técnica por paso secuencial mide a lo largo de los cuatro bordes. Las mediciones se promedian para obtener el error de desplazamiento a través del centro del volumen, el cual se considera de mayor precisión inherente.

Por ejemplo, los errores angulares de inclinación, orientación y balanceo afectan todas las mediciones, incluido el desplazamiento lineal medido por un interferómetro láser convencional. Así, los errores de desplazamiento lineal medidos a lo largo del eje X serán diferentes cuando se miden en distintos sitios Y y sitios Z. Este es el resultado de diferentes separaciones Abbé en diversos sitios y de los movimientos angulares de inclinación, orientación y balanceo. Por esta razón, el estándar B5.54 declara que todas las mediciones de desplazamiento lineales deben estar a lo largo de tres líneas ortogonales, es decir, paralelas a los tres ejes, y pasando a través del centro del volumen de trabajo.

La ventaja de la técnica de medición diagonal por paso secuencial es que los errores de posicionamiento causados por errores angulares, se miden y expresan como errores de rectitud promediados a lo largo de líneas de centro del volumen de trabajo. Ya que la mayoría de máquinas-herramienta no puede compensar errores angulares, esta ventaja es crucial. Cuando los errores angulares no pueden ser compensados, la solución aceptada es compensar los errores de rectitud promediados. Nótese que los errores de desplazamiento y los errores de rectitud medidos a lo largo de un borde del volumen de trabajo diferirán de aquellos medidos a lo largo de otro borde, por la separación Abbé y los errores angulares. Debido a esto, la técnica de medición diagonal por paso secuencial mide y promedia sobre los cuatro bordes.

El valor creciente de la calibración 3D
Cada taller tiene requerimientos de precisión particulares para sus clientes, procesos y máquinas-herramienta. Mientras los sistemas CAD/CAM 3D sean usados para diseñar más partes, la importancia de asegurar que las máquinas-herramienta son capaces de mecanizar partes 3D con precisión, va creciendo. Ya que la calibración lineal de tres ejes no considera las relaciones 3D entre cada eje, sólo la calibración 3D (volumétrica) es aceptable para asegurar que una máquina-herramienta es capaz de hacer partes 3D con precisión.

La continua calibración y compensación 3D lleva a tiempos de ciclo más cortos, mejor calidad de las partes, reparaciones menos frecuentes y menores costos de garantía. Con programas de control de calidad del vendedor que requieren calibración, la capacidad para utilizar calibración y compensación volumétrica llevará inevitablemente a procesos de manufactura más competitivos y rentables.

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