Virtual distances methodology as verification technique for AACMMs with a capacitive sensor based indexed metrology platform

This paper presents a new verification procedure for articulated arm coordinate measuring machines (AACMMs) together with a capacitive sensor-based indexed metrology platform (IMP) based on the generation of virtual reference distances. The novelty of this procedure lays on the possibility of creating virtual points, virtual gauges and virtual distances through the indexed metrology platform’s mathematical model taking as a reference the measurements of a ball bar gauge located in a fixed position of the instrument’s working volume. The measurements are carried out with the AACMM assembled on the IMP from the six rotating positions of the platform. In this way, an unlimited number and types of reference distances could be created without the need of using a physical gauge, therefore optimizing the testing time, the number of gauge positions and the space needed in the calibration and verification procedures. Four evaluation methods are presented to assess the volumetric performance of the AACMM. The results obtained proved the suitability of the virtual distances methodology as an alternative procedure for verification of AACMMs using the indexed metrology platform

Desarrollo, implementación y ensayo de técnicas de verificación y calibración de instrumentos portátiles de medición por coordenadas mediante plataforma multi-registro

La necesidad de verificación o inspección de unas determinadas características de un producto cobra importancia en procesos de homologación y aseguramiento de la calidad en entornos industriales o laboratorios, donde es necesario certificar que el producto cumple con unos requerimientos establecidos, bien a nivel dimensional o funcional. Dentro de la verificación dimensional de precisión, los instrumentos portátiles de medición por coordenadas han evolucionado, debido a su flexibilidad, portabilidad y coste frente a las máquinas de medición por coordenadas convencionales (MMC), como ocurre en el caso de los brazos articulados de medición por coordenadas. Otros instrumentos portátiles de medición como el láser tracker están dirigidos a mediciones de alto rango, en piezas o equipos de grandes dimensiones donde una verificación geométrica convencional no es viable. Sin embargo, el propio uso y manipulación de estos equipos, acentuado por su condición de portabilidad, que permite su operación en entornos con ambientes no tan controlados, hace que sea necesaria su periódica calibración y verificación, con objeto de asegurar sus correctas características metrológicas y por lo tanto generando una medición con resultados fiables. Estas tareas suelen ser intensivas en tiempo y mano de obra, inhabilitando el equipo durante su realización con la merma de productividad derivada. Por este motivo, surgió el trabajo de tesis que se presenta a continuación, cuyo principal objetivo es definir, desarrollar, ensayar e implementar nuevas técnicas de calibración y verificación para instrumentos portátiles de medición, brazos articulados de medición y láser tracker con una plataforma multi-registro. La plataforma multi-registro es un instrumento dotado de una alta repetibilidad de posicionamiento y presenta como principales ventajas la posibilidad de obtener puntos fijos en un sistema de referencia global y la generación de distancias patrón virtuales, ambas técnicas presentadas en esta tesis. Es el instrumento portátil fijado sobre la plataforma, el que rota en las seis posiciones de la plataforma en lugar del patrón de medida, pudiéndose generar un número mayor de posiciones de ensayo sin necesidad de un movimiento físico del patrón, evaluando en cada rotación un nuevo volumen de trabajo del instrumento de medición. Para la validación de estas técnicas de calibración y verificación, se realiza en este trabajo una revisión del estado del arte tanto a nivel de equipos como de técnicas de evaluación, analizando normativa aplicable a procedimientos de evaluación. Se definen e integran los modelos cinemáticos y matemáticos de brazo, láser tracker y plataforma, realizándose en el caso del brazo articulado de medición, un proceso de identificación de parámetros que permite minimizar los errores en el procedimiento de calibración. Posteriormente se lleva a cabo la fase experimental de los procedimientos de evaluación propuestos a nivel teórico, para láser tracker y brazo articulado de medición con la plataforma multi-registro, incluyendo el concepto de distancias virtuales. Para finalizar, se realiza un cálculo de estimación de la incertidumbre de la plataforma multi-registro aplicando el método de Monte Carlo, identificando las posibles fuentes de error asociadas al comportamiento estático y dinámico de la misma. Como conclusión del trabajo se validó la utilización de la plataforma multi-registro en procedimientos de verificación de instrumentos de medición, brazos articulados de medición por coordenadas y láser trackers.The need of inspection and verification for certain features of a product, has a paramount importance in quality assurance and product release processes carried out in industrial applications or laboratories, where dimensional or functional product requirements should be fulfilled. Within high precision dimensional verification, portable coordinate measuring machines (PCMM) like articulated arm coordinate measuring machines (AACMMs) have had a great success in the market due to their flexibility, portable condition and lower cost in comparison with the conventional coordinate measuring machines (CMMs). In regard to high range measuring systems like laser trackers, they are focused on big dimension parts where the conventional geometrical verification is not suitable. Nevertheless, the use and manipulation of this type of equipment, stressed by their portable condition, allows their use in non-controlled environment conditions, making necessary their periodical calibration and verification in order to assure their proper metrological features and the derived reliable measuring results. These tasks are cost, time and labor intensive and normally disables the equipment during the execution generating the consequent productivity loss. On these grounds, we present the following doctoral dissertation whose main target is to define, develop, implement and test new calibration and verification techniques for portable measuring instruments, articulated arm coordinate measuring machines and laser trackers by means of an indexed metrology platform. The indexed metrology platform has a high positioning repeatability and shows as main advantages the possibility to generate fixed points in a global coordinate reference system and the ability to create virtual reference distances, being both methodologies presented in this doctoral dissertation. The portable measuring instrument, fixed on the platform, rotates along the six rotation positions of the platform instead of moving the calibrated gauge that remains fixed generating a bigger number of test positions in an easy way. Each time the platform rotates to a new position, a new working volume of the instrument is evaluated. In order to validate these proposed calibration and verification procedures, firstly a revision of the state of the art in regard to portable measuring instruments and evaluation techniques is carried out, followed by an analysis of the applicable standards for laser tracker and articulated arm measuring coordinate machines, which will be used as a base for the procedures definition. Then the kinematic and mathematical models for the three equipment, AACMM, laser tracker and the indexed metrology platform are defined and integrated. Regarding AACMM calibration, a parameter identification procedure is carried out to minimize the error in the measuring process. In addition, it is presented in this work the experimental phase and results of the aforesaid verification theoretical procedures proposed, for the laser tracker and the AACMM with the indexed metrology platform, including the virtual distance concept. Finally, an uncertainty estimation of the indexed metrology platform is completed based on Monte Carlo method, identifying the possible error sources in relation with the static and dynamic behavior of the platform