Precisión de medición: lo que necesita saber

Es un viejo desafío: usted es un fabricante cuyo cliente necesita que usted se asegure de que la pieza que ha contratado para fabricarle se mantendrá dentro de las tolerancias especificadas. Entonces, ¿cuál es el mejor método para asegurarse de que la pieza cumpla con las especificaciones? La pregunta no es sólo cómo medir la pieza (¿una sonda táctil de MMC o un escáner láser?), sino también cómo evaluar la calidad de la medición. Para encontrar la forma más precisa de medir su pieza, debe comprender la incertidumbre inherente a cualquier sistema de medición determinado.

Afortunadamente, existen organizaciones nacionales e internacionales que desarrollan estándares para ayudar a codificar los niveles de incertidumbre de las mediciones. La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME), Nueva York, y la Organización Internacional de Normalización (ISO), Ginebra, Suiza, por ejemplo, ofrecen estándares para comunicar niveles de precisión para diversos métodos de metrología. Son un recurso importante, pero, como veremos, por sí solos no pueden decirle qué método es mejor para una tarea en particular.

Entonces, ¿qué debe hacer un fabricante?

Si eres novato, primero asegúrate de comprender algunos términos básicos. Por ejemplo, Tim Cucchi, gerente de producto de herramientas manuales de precisión en LS Starrett Co., Athol, Massachusetts, advirtió que no se debe confundir precisión con resolución.

“En instrumentación industrial, la precisión es la tolerancia de medición del instrumento. Define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se utiliza en condiciones normales de funcionamiento. La resolución es simplemente la precisión con la que el instrumento de medición está configurado para leer, ya sea en décimas, centenas, miles o lo que sea”.

La distinción importa. Uno confiaría en el criterio de una ferretería para medir y cortar un poste de cerca, pero no para verificar un componente médico o aeroespacial de precisión, y eso es así incluso si el criterio tuviera marcas con una separación de 1 µm. Su resolución realmente no reflejaría su precisión.

La tolerancia de impresión se refiere a la cantidad de desviación dimensional permitida en una pieza según lo definido por los planos o especificaciones del cliente. Cucchi señaló que las tolerancias de impresión no tienen que ver con el método de metrología que se utiliza para cumplirlas, sino sólo con los requisitos de la pieza. Depende del fabricante encontrar un método confiable para verificar la precisión de la pieza.

“Los profesionales de la medición son conscientes de que siempre hay errores en la medición”, señaló Gene Hancz, especialista en productos CMM, Mitutoyo America Corp., Aurora, Illinois. "Por lo tanto, es fundamental definir qué significa una calidad de medición 'suficientemente buena'".

Es una definición que los ingenieros han articulado de diferentes maneras a lo largo del tiempo, dijo Hancz. La pregunta ha sido: ¿qué nivel de precisión se necesita para que la medición sea confiable?

"En 1950, se publicó una norma militar estadounidense, MIL-STD-120 Gage Inspection, que establecía que cuando se midieran piezas, las tolerancias de precisión del equipo de medición no debían exceder el 10 por ciento de las tolerancias de las piezas que se estaban verificando". Dijo Hancz. Entonces, si la tolerancia de impresión de una pieza es, digamos, de un centímetro, entonces el sistema de medición debe tener una precisión de una décima parte de eso, o un milímetro. "Esta regla a menudo se llama regla 10:1, o regla del Gagemaker", añadió.

Entonces, ¿cómo se puede garantizar que el sistema utilizado para medir esa pieza tenga una precisión de una décima parte de la tolerancia de impresión (en este caso, 1 mm)? De acuerdo con ese mismo estándar, se calibra a un nivel aún más fino de 0,2 mm: MIL-STD-120 estableció que la precisión de los estándares de medición utilizados para calibrar el equipo de medición en sí no debe exceder el 20 por ciento de las tolerancias del equipo de medición que se está utilizando. calibrado o 5:1, según Hancz.

“Ambas reglas se han transformado a lo largo de los años en lo que a menudo se llama TAR, o índice de precisión de la prueba, y los requisitos anteriores de 10:1 o 5:1 ahora generalmente se establecen como un requisito de 4:1, o 25 por ciento de tolerancia.

"La evaluación de la incertidumbre de la medición irrumpió en la práctica de calibración comercial a finales de los años 1990", continuó Hancz. "A medida que más y más laboratorios de calibración comenzaron a calcular y documentar la incertidumbre, tanto en los alcances de la acreditación como en los certificados de calibración, la práctica de utilizar cálculos TAR comenzó a ser reemplazada por el índice de incertidumbre de la prueba, TUR".

¿Cual es la diferencia? "La incertidumbre en la medición incluye todas las fuentes de variación, no sólo la precisión especificada del equipo de medición", dijo Hancz. La TUR se calcula dividiendo la tolerancia más/menos que se está comprobando por la incertidumbre de medición más/menos.

A veces los fabricantes lo tienen relativamente fácil: un cliente no sólo les dará una tolerancia de impresión sino que también les dirá que, siguiendo un estándar interno o publicado, el equipo de medición debe cumplir con una determinada especificación de precisión. El trabajo del proveedor es asegurarse de que su sistema de medición cumpla con el requisito.

Pero otras veces el proveedor tiene poca o ninguna orientación por parte del cliente y debe decidir por sí mismo cuánta precisión es necesaria. David Wick, gerente de gestión de productos de Zeiss Industrial Quality Solutions, Maple Grove, Minn., dijo que “ya sea cuatro, cinco o diez veces, lo que usted elija está influenciado por el grado de confianza que necesita en la medición. .”

Por ejemplo, supongamos que está midiendo la tolerancia más crítica en el bloque de motor de un automóvil y esta tolerancia impulsa el rendimiento del motor. "En ese caso, será mejor que esté muy seguro de que está midiendo lo mejor que pueda permitirse el lujo de medirlo", dijo Wick.

En otras palabras, no escatime, incluso si eso significa utilizar un sistema de medición más lento y costoso de lo que le gustaría. No puedes darte el lujo de no hacerlo.

Por otro lado, señaló Wick, la metrología nunca es un proceso único para todos. Es posible que pueda utilizar un método más rápido y menos costoso para piezas con tolerancias menos críticas.

"Es posible que necesite una alta tolerancia en la turbina de un motor a reacción, asegurándose de que las palas tengan la torsión y el flujo de aire correctos, pero menos para los paneles de chapa metálica en el ala del avión, donde generalmente no importa si eso está desviado por una micra".

Una vez que un fabricante comprende los niveles de tolerancia que debe cumplir, su búsqueda es encontrar un sistema de medición que brinde la precisión necesaria. La buena noticia es que casi todos los fabricantes de equipos de metrología de buena reputación se asegurarán de que sus equipos cumplan con los requisitos de precisión especificados por ASME en sus estándares B89 o ISO en sus estándares 10360.

Existen otros estándares de medición, incluidos CMMA, VDI/VDE2617 y JIS, pero no se utilizan tan ampliamente como los estándares ASME e ISO. Y de los dos, el estándar internacional ISO es el más utilizado. De hecho, ASME ha estado tomando medidas para alinear su serie B89 estándar con la serie 10360. Por ejemplo, su descripción de su estándar B89.4.10360.2 - 2008 para evaluar mediciones lineales de CMM señala que "fue creado para armonizar el estándar B89.4.1 con ISO 10360.2 incorporando todo el documento 10360.2".

Tanto ASME B89 como ISO 10360 son una serie de normas para las pruebas de precisión y verificación del rendimiento de varios sistemas de medición de coordenadas. Cuando los fabricantes de CMM documentan que sus sistemas cumplen con estos estándares, los clientes pueden comparar directamente las precisiones de cada sistema.

Los estándares se deciden con el aporte de expertos en metrología del gobierno, el mundo académico y la industria, incluidos con toda seguridad los propios fabricantes de equipos originales (OEM) en metrología. Los estándares se revisan continuamente y se actualizan a medida que cambian la tecnología y los casos de uso. Y a medida que aparecen nuevos métodos de medición, se crean nuevas subcategorías para guiar las expectativas de los usuarios, señaló Wick de Zeiss.

"Fabricamos una amplia gama de equipos de medición y cada uno está diseñado para ajustarse a una subcategoría 10360 específica", dijo. Así, por ejemplo, en la CMM tradicional de la empresa, la medición de longitud y el rango de repetibilidad cumplen con 10360-2:2009; el error de escaneo cumple con 10360-4:2000; el sondeo de forma, dimensión y ubicación con múltiples puntas cumple con 10360-5:2010; y sus MMC multisensor, comparadores ópticos y sistemas de luz estructurada se ajustan a otras subcategorías.

Incluso se cubre el uso relativamente reciente de la tomografía computarizada y la tecnología de rayos X para la metrología industrial, dijo Wick. “Solo hay unas pocas empresas que pueden realizar mediciones de grado metrológico en máquinas CT. Zeiss es uno de ellos. Y nuevamente, utilizamos los mismos estándares ISO 10360 para expresar la incertidumbre de medición de los resultados que se obtienen con una máquina CT”.

Normas como la ISO 10360 parecerían ser una piedra de Rosetta para los fabricantes que buscan agregar o mejorar capacidades de metrología al considerar la amplia gama de equipos disponibles para ellos. Simplemente necesitan limitar su selección a sistemas que se ajusten a ella y, a partir de ahí, considerar el precio, la velocidad de medición, etc., ¿verdad?

No tan rapido.

Edward Morse es subdirector del Centro de Metrología de Precisión de la Universidad de Carolina del Norte en Charlotte (UNCC). También es copresidente del PrecisionPath Consortium y miembro desde hace mucho tiempo de la Coordinate Metrology Society, con sede en EE. UU. Además, es presidente del Comité de Normas ASME (B89) sobre Metrología Dimensional.

"Un estándar permite a los OEM de metrología especificar sus instrumentos de una manera común", dijo Morse. "El usuario puede seleccionar un instrumento que sea apropiado para sus necesidades". Por lo tanto, se pueden verificar varias CMM, por ejemplo, de una sola sonda y elegir una basándose, al menos parcialmente, en qué tan bien se ajusta al estándar.

"Lo que se vuelve complicado es cuando se intenta evaluar la precisión de diferentes tipos de instrumentos para realizar una tarea particular", dijo. En otras palabras, los estándares son más útiles para las comparaciones de manzanas con manzanas, pero son problemáticos para las comparaciones de manzanas con plátanos.

“Por un lado, imagine que tiene una CMM que toma un punto por segundo (o, si está escaneando, tal vez muchos puntos por segundo), pero nada del orden de los cientos de miles de puntos que un sistema óptico podría obtener. ¿Cómo se comparan de manera justa estos instrumentos?”, preguntó retóricamente Morse.

Un fabricante podría pasar muchísimo tiempo recopilando millones de puntos en la superficie de una pieza con un sistema óptico, por ejemplo, pero aún así no podría medir el interior de algunos de los agujeros, una tarea trivial para una sonda táctil, afirmó. anotado. "Y ese tipo de diferencia no se aborda en los estándares".

Una cuestión relacionada: los estándares son valiosos por la forma en que expresan y establecen un valor para la incertidumbre de la medición, pero las mediciones en sí son muy limitadas y específicas. Una CMM determinada debe poder medir un bloque patrón determinado con un cierto nivel de precisión para poder cumplir.

“En el mundo real, los fabricantes hacen más que medir bloques patrón”, dijo Morse. “Un ejemplo clásico de los sistemas ópticos es que algunos no miden bien las piezas brillantes. Funcionan muy bien durante las pruebas, lo que les permite medir bonitas superficies mate, pero luego vas a medir una pieza y el sistema ni siquiera puede verla porque hay demasiada reflectividad. Por el contrario, las CMM táctiles no son adecuadas para piezas blandas o delicadas”.

El resultado es que “el cumplimiento del sistema de medición con la norma es útil, pero sólo por lo bien que realiza la prueba específica que describe la norma, ya sea 10360 o alguna otra prueba”, dijo. "Y eso puede no estar directamente relacionado con qué tan bien puede medir sus piezas".

Otra cuestión a tener en cuenta es cuánto tiempo lleva desarrollar y lanzar un estándar para una tecnología de medición más nueva, dijo Joel Martin, gerente de productos de rastreadores láser y escáneres ópticos de Hexagon Manufacturing Intelligence, North Kingstown, Rhode Island.

"Por ejemplo, la norma ISO para rastreadores láser, 10360-10, recién se está ratificando, más de 30 años después de la introducción de la tecnología", dijo. La razón por la que ha tardado tanto es que el estándar debe incorporar los casos de uso de los distintos desarrolladores de la tecnología, según Martin.

“Hexagon, con sus más de 30 años de experiencia desarrollando y probando rastreadores láser, no estaba listo para respaldar el borrador inicial de la norma ASME B89.4.19-2006, que precedió a la 10360-10, porque no reflejaba lo que Hemos determinado en nuestros propios laboratorios lo que un laser tracker debe ser capaz de hacer”, afirmó. Otros fabricantes de estos sistemas también tenían sus propias perspectivas sobre cuál debería ser el estándar.

"Se necesita tiempo para incluir un conjunto acordado de características en los estándares", dijo Martin. "Es por eso que el estándar CMM es tan detallado como lo es hoy: tomó 50 años construir el estándar para que esté donde cada fabricante lo vea y diga: 'Sí, estamos bien con esto'".

Finalmente, normas como ISO 10360 y ASME B89 codifican sólo una cosa: la precisión. No están diseñados para decirle nada útil sobre un sistema de medición determinado más allá de eso. Si un fabricante está interesado en conocer la velocidad, la flexibilidad, la trazabilidad, la preparación para la Industria 4.0 de un sistema o cómo contribuye a minimizar el coste total de fabricación, los estándares guardan silencio.

Todo esto puede parecer un poco desalentador para el fabricante que intenta comprender este mundo moderno de la metrología. Sin embargo, hay buenas noticias. Vale la pena señalar que, en general, los sistemas de metrología nunca han sido más potentes y, al mismo tiempo, más fáciles de entender y utilizar, incluso para los principiantes.

Parte de esto es un reflejo de la migración de la metrología desde un laboratorio de control de calidad separado al punto de producción, según Mark Arenal, gerente general de la División de Metrología de Starrett.

“Antes, cuando una pieza se desprendía, por ejemplo, de una máquina herramienta, un operador la llevaba al laboratorio de control de calidad y decía: 'Necesito una inspección del primer artículo'. Los especialistas del laboratorio de control de calidad dirían: "Ponlo en ese estante y vuelve a comprobarlo en un par de días: estamos respaldados". Y el proceso de producción se paralizaría. Para minimizar la duración de ese proceso, algunos equipos de inspección ya están disponibles en el taller”, dijo.

Pero el equipo de metrología debe optimizarse para su uso en ese entorno. Eso significa no sólo hacerlo más robusto y a prueba de polvo, sino también que sea utilizable por los trabajadores en el piso en lugar de sólo por metrólogos experimentados a tiempo completo. “En Starrett utilizamos el término 'metrología sin cita previa'”, dijo.

"Los fabricantes de instrumentos de medición se enfrentan al desafío de hacer que nuestros sistemas sean más fáciles de usar", afirmó. “Estamos creando un software de interfaz de usuario que es reconocible, fácil de navegar de la misma manera que las personas ya usan sus teléfonos y tabletas. Debe estar habilitado para pantalla táctil y controlado por íconos, con pantallas de ayuda emergentes. Alguien que no tenga experiencia en el mundo de la metrología debería poder aprender rápidamente cómo realizar mediciones simples y precisas”.

Pero, dijo Arenal, no es necesario sacrificar la funcionalidad por la facilidad de uso. "Los sistemas todavía tienen un poder real detrás de ellos, de modo que si un usuario necesita realizar un programa de inspección de piezas completamente automatizado en una pieza que tiene cien características, también puede hacerlo".

Hay más buenas noticias. Hay muchos recursos para principiantes en metrología. Incluyen, como señaló Morse de la UNCC, los que ofrece la Coordinate Metrology Society, que incluyen capacitación en video en línea, un programa de certificación, una conferencia anual y una biblioteca en línea de artículos técnicos. Y, por supuesto, muchos colegios comunitarios, escuelas de oficios y universidades tienen programas que cubren la metrología en diversos grados.

Pero cuando los fabricantes necesitan encontrar el método y el sistema de medición óptimos para una nueva tarea específica (y rápidamente), necesitarán hablar con expertos. Descubrirán que fabricantes de equipos de metrología acreditados les ayudarán a encontrar la mejor solución, y a estos últimos les conviene hacerlo, incluso si esa solución no significa una venta.

"Construimos una relación de consultoría colaborativa con nuestros clientes", dijo Martin de Hexagon. “Preguntamos: '¿Cómo se ve el widget que estás creando? ¿Cuáles son sus procesos de producción? ¿Cuál es su requisito de rendimiento? Trabajando con ellos, encontramos soluciones de inspección óptimas”.

Los desarrolladores de equipos de metrología que ofrecen una amplia gama de métodos y soluciones de medición tienen menos motivación para impulsar a un cliente potencial hacia un método que no es ideal sólo porque está en el inventario. Pero Martin cree que los fabricantes reputados de equipos de metrología que se centran incluso en un solo método seguirán acertando con un cliente potencial que pregunte. A nadie le conviene a largo plazo vender el sistema equivocado a un cliente, afirmó.

“En nuestro mundo, si alguien fabrica la medida equivalente a un martillo y le muestras un tornillo, te explicarán que 'aunque podríamos venderte algo que podría clavar el tornillo en el tablero, lo que realmente necesitas es un destornillador'. Ve a hablar con estos otros muchachos'”, afirmó Martin.

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