Disseny i fabricació d’un braç articulat de mesura tridimensional per coordenades (BAMC)

Els braços articulats de mesura per coordenades (BAMC) són un dels instruments metrològics més versàtils del mercat. Actualment, es troben implementats sobretot en centres de fabricació industrials per processos de control de qualitat o d’enginyeria inversa. La seva utilitat, junt amb prestacions elevades en termes de precisió i repetibilitat de mesura, provoquen que el seu preu de mercat sigui inassolible pel consumidor comú. Tenint això en ment, el present projecte es fonamenta en la necessitat de mesurar posicions relatives (distàncies i coordenades) entre punts de peces de dimensions mitjanes, com pugui ser el xassís d’una motocicleta. Per mitjà de la metodologia de gestió de projectes industrials PREDICA, aquest Treball de Final de Grau recull íntegrament el procés de disseny i fabricació d’un instrument de mesura tridimensional per coordenades, de tipologia de braç articulat, per obtenir un prototip funcional. La precisió de mesura a assolir ha de ser igual o inferior a la dècima de mil·límetre (±0,1 mm). Es partirà de l’Enginyeria d’Estratègia realitzant estudis de mercat, de materials, i de l’estat de l’Art. També s’introduiran possibles processos de fabricació i tecnologies implicades. Seguidament, es procedirà per mitjà de l’Enginyeria de Concepte a la planificació analítica i creativa; s’elaboraran una sèrie de propostes de disseny de braç de mesura en forma d’esbossos. En l’Enginyeria de Detall següent, es desenvoluparà l’alternativa de braç elegida, elaborant-ne un model tridimensional amb software CAD (SolidWorks); és l’etapa del prototipat formal, en la que es genera el disseny modular, peça a peça. Cal tenir en compte la participació d’elements comercials i normalitzats. També es projecta el circuit electrònic en el que es basa el funcionament del braç. Aquest incorpora una sèrie d’elements; en destaquen els encóders òptics i un microcontrolador. Els encóders s’encarreguen de mesurar els desplaçaments angulars en les articulacions del braç; el microcontrolador executa el software de mesura i coordina l’acció dels perifèrics per, a través d’un procés de càlcul cinemàtic, deduir la posició del palpador situat al final del braç. Per incrementar la precisió de mesura dels encóders, es preveu la implementació d’un sistema d’augment de resolució per mitjà d’un mecanisme multiplicador cicloidal. En l’etapa posterior, l’Enginyeria d’Execució, es possibilita el pas a la producció per mitjà del càlcul i la simulació. Això permet el correcte dimensionament dels elements mecànics. També es generarà la documentació tècnica necessària per a la fabricació i el recolzament les decisions preses. Les tecnologies de fabricació majoritàries són la impressió tridimensional per deposició fosa (FDM), sobretot, i el mecanitzat per arrencament d’encenalls. En coherència a aquestes i als requeriments de disseny, el material majoritari serà el PLA (filament per impressió 3D). El PVC i l’alumini, ambdós en format tubular comercial, també s’utilitzaran recurrentment. En l’etapa final, l’Enginyeria de Fabricació, es donarà la construcció de les peces necessàries per al funcionament del prototip. Paral·lelament a tot això, es portaran a terme un seguit de processos experimentals (assaigs) per contrastar el dimensionament i les propietats de materials i unitats de disseny modular. En conclusió, el present projecte ha esdevingut una aplicació directa i tangible dels coneixements tècnics adquirits per l’alumne durant la seva formació. Alhora, representa un procés d’autoaprenentatge immens. Ha permès agafar consciència de la complexitat rere el disseny d’un producte. Tanmateix, tot i la obtenció del prototip de braç funcional, les precisions de mesura assolides disten molt de l’objectiu. Un dels principals motius són les toleràncies de fabricació de difícil mesura i control derivades de la impressió FDM. La voluntat d’optimització màxima de costos, reflectida en components electrònics de baix rendiment també ha influenciat aquest fet. Alhora, el propi software de mesura, desenvolupat des de zero i partint d’una base de coneixements limitada, presenta ineficiències.Coordinate measuring arms (CMA) are one of the most versatile metrological instruments on the market. Currently, they are mainly used in industrial manufacturing for quality control processes or reverse engineering. Their utility, combined with high-performance in terms of measurement precision and repeatability, makes their price unaffordable for the average consumer. Having this in mind, this project is based on the need to measure relative positions (distances and coordinates) between points on medium-sized parts, such as a motorcycle chassis. Through the PREDICA industrial project management methodology, this document shows the design and manufacturing process of a three-dimensional coordinate measuring instrument (articulated arm type) to obtain a functional prototype. The precision to be achieved must be equal to or less than one-tenth of a millimetre (±0.1 mm). The project will start with Strategic Engineering, conducting market studies and material research. Possible manufacturing processes and associated technologies will also be introduced on it. Subsequently, Concept Engineering will move to the analytical and creative planning phase, generating different design proposals for the measuring arm in the form of sketches. In the detailed engineering phase, the chosen arm alternative will be developed, creating a three-dimensional model using a CAD software (SolidWorks); this is the formal prototyping stage where the modular design is created, piece by piece. Commercial and standardized components will also be incorporated. The electronic circuit on which the arm's operation is based on will also be designed. This includes several elements, with optical encoders and a microcontroller being the most prominent ones. The encoders measure angular displacements at the arm's joints, while the microcontroller runs the measurement software and coordinates the action of peripherals to deduce the position of the probe at the end of the arm. To increase the measurement precision of the encoders has been planned the implementation of a resolution enhancement mechanism through a cycloidal multiplier. In the subsequent Execution Engineering stage, production becomes possible through calculation and simulation. This allows for the proper sizing of mechanical components. The necessary technical documentation for manufacturing will also be generated. Another goal is the full support and validation of the decisions made with sufficient information and documentation. The primary manufacturing technologies are fused deposition modelling (FDM), particularly, and machining. In line with these and the analysed design requirements, the predominant material will be PLA (3D printing filament). PVC and aluminium, both in tubular commercial form, will also be used. In the final Manufacturing Engineering stage, the construction of the necessary components for the prototype's operation will take place. In parallel, a series of experimental processes (tests) will be carried out to verify the sizing and properties of materials and modular design units. In conclusion, this project has become a direct and tangible application of the technical knowledge acquired by the student during their university learning. At the same time, it represents an immense self-learning process. It has allowed the understanding of the complexity behind the design and realization of a product. However, despite obtaining a functional arm prototype, the measurement accuracies achieved are far from the target. One of the main reasons is the challenging-to-measure and control manufacturing tolerances resulting from FDM printing. The desire for maximum cost optimization, reflected in low-performance electronic components, has also influenced this. Likewise, the measurement software itself, developed from scratch and based on limited knowledge, presents inefficiencies.Los brazos articulados de medición por coordenadas (BAMC) son uno de los instrumentos metrológicos más versátiles del mercado. Actualmente, se implementan principalmente en centros de fabricación industrial para procesos de control de calidad o ingeniería inversa. Su utilidad, junto con un alto rendimiento en términos de precisión y repetibilidad de la medición, provoca que su precio en el mercado sea inasequible para el consumidor común. Con esto en mente, este proyecto se basa en la necesidad de medir posiciones relativas (distancias y coordenadas) entre puntos en piezas de dimensiones medianas, como el chasis de una motocicleta. A través de la metodología de gestión de proyectos industriales PREDICA, este Trabajo de Fin de Grado documenta completamente el proceso de diseño y fabricación de un instrumento de medición tridimensional por coordenadas, de tipo de brazo articulado, para obtener un prototipo funcional. La precisión de la medición a lograr debe ser igual o menor a una décima de milímetro (±0,1 mm). Se partirá de la Ingeniería de Estrategia realizando estudios de mercado, de materiales y del estado del arte. También se introducirán posibles procesos de fabricación y tecnologías implicadas. A continuación, se procederá a través de la Ingeniería de Concepto a la planificación analítica y creativa; se elaborarán una serie de propuestas de diseño de brazo de medición en forma de bocetos. En la Ingeniería de Detalle siguiente, se desarrollará la alternativa de brazo elegida, elaborando un modelo tridimensional con software CAD (SolidWorks); es la etapa del prototipado formal, en la que se genera el diseño modular, pieza por pieza. Se tendrá en cuenta la participación de elementos comerciales y normalizados. También se proyecta el circuito electrónico en el que se basa el funcionamiento del brazo