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Fundamentos de fabricación mecánica

Capítulo 2: 2.1

Principios de metrología dimensional

PRINCIPIOS DE METROLOGÍA DIMENSIONAL.

Introducción.

La metrología (del griego μετρoν, medida y λoγoς, tratado) es la ciencia de las mediciones. Trata sobre las investigaciones, el desarrollo y la aplicación de las técnicas apropiadas para la medición de todas las magnitudes existentes. La metrología es la ciencia que trata del modo de realizar las medidas. El objeto fundamental de la metrología es la determinación de cierta medida limitando el margen de incertidumbre asociado a la medida para un determinado nivel de confianza. La metrología en general, y la metrología dimensional en particular ha evolucionado muy rápidamente en dos aspectos de especial interés para la industria: a) Complejidad de los equipos (mayor componente electrónica e informática), lo cual conlleva una elevación de los precios de los equipos, y que en algunos casos las personas que los manejan tengan que adquirir la necesaria cualificación técnica.

b) Evolución de la función metrológica dentro del proceso productivo de la empresa, no se trata ahora de determinar las piezas que salen mal, sino asegurar que todas salgan bien, extendiendo la metrología por todo el sistema productivo

2.2

Definiciones y conceptos. 

Magnitud física: Atributo observable y medible de un fenómeno o cuerpo, caracterizado por su naturaleza, unidad y valor numérico. Magnitud física = medida  unidad L = 3  m



Unidad de medida: Magnitud física cuyo valor verdadero se admite convencionalmente como uno.



Medición: Actividad de comparar la extensión concreta de cierta magnitud con otro semejante que tomamos como unidad. Las mediciones en los procesos de fabricación tienen como objetivos: a) Conseguir en la pieza a conformar las medidas aceptadas como buenas. b) Comprobar que la pieza fabricada cumple las normas establecidas en cuanto a tolerancias al objeto de asegurar su intercambiabilidad.

2.1

Fundamentos de fabricación mecánica





2.3

Principios de metrología dimensional

Medir: Determinar de manera efectiva una magnitud expresada numéricamente en las unidades adecuadas. Para medir empleamos instrumentos de medida con cualidades conocidas exactamente. Verificar: Confirmar mediante examen y la aportación de evidencias de que se han cumplido los requisitos especificados (ISO 8402/1994). Para verificar se emplean calibres o comparadores que responden a normas generales.



Medida: Es el resultado de la medición.



Exactitud: Grado de conformidad con una norma establecida. La exactitud también puede considerarse como una comparación entre los resultados deseados y los reales. 



Fiabilidad: Facultad de un instrumento, servicio, o proceso para realizar una función requerida bajo condiciones establecidas, durante un tiempo determinado. Generalmente se expresa mediante un nº que indica la probabilidad de que se cumpla esta característica.



Tolerancia: Cantidad total de variación permitida.



Límites: Tamaño máximo y mínimo de la parte completa tal y como lo determina la tolerancia.



Estándar: Valor establecido y conocido que se utiliza para medir una cantidad desconocida. En mediciones lineales, los estándar internacionales más utilizados son la pulgada y el milímetro. La diseminación más habitual de estos estándares en el taller se efectúa en reglas, calibres y micrómetros. Estos instrumentos además de mostrar valores en pulgadas y milímetros, están divididos en unidades más pequeñas, las cuales son partes fraccionarias o decimales de la pulgada o el milímetro entero.



Punto de referencia: Base desde la cual se toma una medición. También, origen de la medición.



Punto medido: Es el punto que se mide. Es el extremo opuesto al de referencia. O también, parte terminal de la medición.



Línea de medición: Recta imaginaria tendida entre el punto de referencia y el punto medido, paralela al eje de la herramienta de medición. Es importante para la exactitud de la medición que no esté inclinada.

El Sistema Internacional de Unidades

Está considerado el Sistema más adecuado y completo, definido en 1960 en la XI Conferencia de Pesas y Medidas. Las bases teóricas que permitieron que se estableciera dicho sistema fueron:   

Determinación de todas las ecuaciones de la física que sean independientes y compatibles. Determinación del número de magnitudes básicas. Elección de magnitudes básicas y definición de unidades en base a su reproducción y diseminación.

Hay tres clases de unidades: básicas, derivadas y suplementarias. Todas las unidades del SI se derivan de las siguientes unidades básicas. 2.2

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UNIDADES BÁSICAS MAGNITUD Longitud Masa Tiempo Intensidad Eléctrica Temperatura Intensidad Luminosa Cantidad de materia

Principios de metrología dimensional

UNIDAD Metro Kilogramo Segundo Amperio Kelvin Candela Mol

SÍMBOLO m kg s A K cd mol

EJEMPLOS DE UNIDADES DERIVADAS MAGNITUD UNIDAD Superficie Metro cuadrado Volumen Metro cúbico Velocidad Metro / segundo Metro / segundo2 Aceleración Kilogramo / metro3 Densidad

SÍMBOLO

m2 m3 m  s 1 m  s2

kg  m 3

Viscosidad cinemática Densidad de corriente Campo magnético

Metro2 / segundo

Actividad radioactiva Luminancia Número de ondas Volumen específico

1 desintegración / sg Candela / metro2 1 onda / metro Metro3 / kilogramo

UNIDADES SUPLEMENTARIAS MAGNITUD Angulo plano Angulo sólido

UNIDAD Radián Estereorradián

2.4

m2  s 1 A  m 2 A  m 1 s 1 cd  m 2 m 1

2

Amperio / metro Amperio / metro

m3  kg1

SÍMBOLO rad sr

Magnitudes físicas que abarca la Metrología Dimensional. Macrogeometría



Dimensiones

  



Formas

   



Orientación

 

Longitud Ángulo





Situación

 

Rectitud Planitud  Movimientos Redondez Cilindricidad Paralelismo Perpendicularidad  Oscilación Inclinación Microgeometría  Acabado superficial 2.3

 

 

Posición Concentricidad Simetría Desplazamientos Giros Radial Axial

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2.5

Principios de metrología dimensional

Elementos que intervienen en la medición.

En cualquier proceso de medición, junto con la magnitud que se desea medir, están presentes otros factores que afectan al resultado, como la temperatura, la humedad, factores de procedimiento, factores de influencia de medios y equipos, así como factores debidos a los materiales empleados, y a otras causas no asignables. Aparecen, también como factores de influencia la destreza o el cansancio del operario, la inestabilidad de ciertos instrumentos, etc., que se pueden englobar en las siguientes causas fundamentales de errores de medición: 

Errores debidos al operador:  Lectura: error de paralelaje





Posicionamiento

Errores debidos al instrumento de medida:  Diseño defectuoso  Presión y forma de contactos

2.4

Fundamentos de fabricación mecánica



Principios de metrología dimensional

Desgaste de los instrumentos



Errores debidos al procedimiento utilizado:  Número de mediciones  Fijaciones de pieza e instrumento de medición  Procedimiento de cálculo.



Errores debidos a la propia pieza que se mide  Forma





Deformación

Errores debidos a los agentes exteriores o ambientales.  Temperatura  Otros agentes: presión, humedad, polvo...

. 2.5

Fundamentos de fabricación mecánica

2.6 

Clasificaciones de los métodos de medida: En función de las magnitudes que se comparan: Métodos directos: cuando se mide directamente, y se compara una magnitud con otra de la misma clase elegida como unidad. Métodos indirectos: cuando se halla el valor de una magnitud basándose en leyes físicas que ligan dicha magnitud con otras que son medibles.

 



Basándose en la filosofía de funcionamiento: Métodos de medida por desviación: El valor de la magnitud viene dada por la desviación de un indicador. Métodos de medida por cero: Se equilibran los efectos de la magnitud a medir y la pieza utilizada como patrón y el indicador marca 0. Métodos de sustitución: La magnitud a medir se sustituye por otra de la misma clase y valor conocido que provoque los mismos efectos en el indicador. Métodos de recuento: Para magnitudes que puedan ser contadas. Métodos de intercomparación: cuando se comparan resultados con los de un conjunto de laboratorios fiables.

    



Principios de metrología dimensional

Según el sistema de amplificación: Métodos de amplificación mecánica

 

Brazo de palanca: es el método más elemental, consiste en que para una relación K entre los brazos de la palanca, existe la misma relación entre sus desplazamientos tangenciales.

2.6

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

Principios de metrología dimensional



Trenes de engranaje: transforma una rotación en otra de amplitud diferente.



Plano inclinado: por ejemplo el tornillo, que transforma pequeñas magnitudes longitudinales en desplazamientos circunferenciales mayores.



Sistema de deformación elástica: basados en la deformación elástica de los materiales.

Métodos de amplificación neumática: Basado en la mayor o menor facilidad de escape de aire a presión entre el palpador y la pieza a medir. La sección mínima entre la boquilla y el plano se denomina sección de medida, y el método sólo es válido si esta sección es inferior a la transversal S0 del orificio o boquilla:

  D02 4

2.7

   D0  e

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

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Métodos de amplificación electrónica: Son muy utilizados debido a su precisión, linealidad, independencia de los agentes medioambientales, elevada rapidez de respuesta, movilidad de los instrumentos y poder cambiar los valores de la amplificación: a) Procedimientos analógicos, clasificados según el tipo de captador: .

.

.

.

Captador potenciométrico: el palpador va conectado a un reostato, con lo que la tensión de salida del mismo depende de la posición del palpador, que introduce más o menos resistencia en el circuito. Captador capacitivo: de manera similar al anterior, el palpador va unido a una de las láminas de un condensador cuyo dieléctrico es el aire y su posición modifica la capacidad del mismo. Captador inductivo: el palpador móvil es solidario de un núcleo de material dulce (generalmente ferrita), que se desliza dentro de una bobina, modificando la inducción en función de su posición. Captador óptico-electrónico: se basan en la transformación del desplazamiento en una magnitud óptica.

b) Procedimientos digitales: . Exploración por contacto: sucesión de elementos alternativamente conductores y no conductores grabados sobre una plancha de cobre, que se deposita sobre la regla soporte. . Exploración magnética o inductiva: las tensiones inducidas en la bobina de medida dependen de la posición relativa de cabeza y regla. . Exploración fotoeléctrica: de señales ópticas que son captadas por un elemento fotoeléctrico, diodo o transistor, ya que se producen variaciones luminosas de la transparencia o reflexión del rayo. 

Métodos de amplificación óptica: Existen dos métodos ópticos esenciales: a) Reflexión: si un rayo incide sobre un espejo, sale reflejado de forma que el rayo que incide y el reflejado forman el mismo ángulo con la normal, estando además los tres en el mismo plano. Es de aplicación en lectores luminosos en los que el rayo de luz realiza la función de índice sobre una escala. b) Proyección: se basa en la propiedad de las lentes de enfocar o concentrar los rayos luminosos paralelos que las atraviesan en un solo punto, pudiendo así amplificar imágenes proyectadas sobre una pantalla.

2.8

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2.7

Principios de metrología dimensional

Patrones.

Los patrones permiten materializar y reproducir las unidades de medida o los múltiplos y submúltiplos de ellas. Se denominan patrones primarios a los que materializan cualquiera de las unidades básicas del Sistema Internacional; y secundarios cuando reproducen unidades derivadas, o unidades básicas pero no conforme a su definición. La evolución de la técnica, y la exigencia de precisión cada vez mayor, han supuesto una evolución en cuanto a la invariabilidad, la posibilidad de diseminación, que recoge el siguiente esquema: Patrón Invariabilidad Diseminación Precisión Antes Objeto Absoluta Baja Baja Ahora Instrumento Alta Alta Alta Ventajas de la evolución de los patrones: - El metro pasa a ser un instrumento con lo que la posibilidad de reproducción y diseminación es ilimitada. - Se abandona la invariabilidad absoluta - De esta forma, la capacidad de apreciación es superior y, en resumen, el metro viene a ser más preciso. - Cualquier país puede tener el propio metro patrón y realizarlo tantas veces como desee. Como ejemplo más representativo, y en fabricación mecánica el patrón más empleado, podemos revisar la evolución de las diferentes definiciones del metro desde 1795, dadas por la Conferencia General de Pesas y Medidas, que ha pasado de ser un objeto a una definición en función de determinada distancia recorrida por la luz: Base de la definición

Fecha

Incertidumbre Absoluta

Incertidumbre Relativa

1795

0.5–0.1 mm

10−4

1799

0.05–0.01 mm

10−5

1889

0.2–0.1 µm

10−7

1927

n.a.

n.a.

1

/10000000 parte del cuarto de meridiano terrestre, medido entre Barcelona y Dunkerque Primer prototipo Metre des Archives de barra de platino estándar. Barra de platino-iridio en el punto de fusión del hielo (primer CGPM) Barra de platino-iridio, en el punto de fusión del hielo, a presión atmosférica, soportada por dos rodillos (7th CGPM) Transición atómica hiperfina; 1 650 763,73 longitudes de onda de la luz en transición con Kriptón 86 (11th CGPM) Distancia atravesada por la luz en el vacío en 1 /299792458 partes de un segundo (17º CGPM )

2.9

1960 0.01–0.005 µm

10−8

1983

10−10

0.1 nm

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2.8

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La cadena de trazabilidad.

A partir de un patrón universal, éste se va diseminando, hasta poder calibrar nuestros instrumentos de medida. Distinguiremos dos partes de este esquema de diseminación, la producida en organismos externos a nuestra organización y la que se produce internamente hasta llegar a nuestros instrumentos, equipos y material de medida de uso corriente. Trazabilidad (o rastreabilidad).Propiedad del resultado de una medición o del valor de un patrón de estar relacionado a referencias establecidas, generalmente patrones nacionales o internacionales, por medio de una cadena continua de comparaciones, todas ellas con incertidumbres establecidas

2.10

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2.9

Principios de metrología dimensional

Calibración.

La calibración es el conjunto de operaciones que establecen, en unas condiciones especificadas, la relación que existe entre los valores indicados por un instrumento (o sistema de medida, o los valores representados por una medida materializada), y los correspondientes valores conocidos de una magnitud medida. Para calibrar un instrumento de medida es necesario disponer de otro de mayor precisión, que nos proporcione un valor convenientemente verdadero. - Es determinar el valor de los errores de un patrón, instrumento o equipo de medida y proceder a su ajuste o a expresar aquellos mediante una tabla o curva de corrección y la incertidumbre asociada. - Debe realizarse periódicamente con la frecuencia que la experiencia aconseje (según uso, categoría, plazos establecidos, ...). - Permite atribuir a las indicaciones los valores correspondientes del mensurando o bien determinar las correcciones a aplicar en las indicaciones. - Puede servir también para determinar las otras propiedades metrológicas tales como las magnitudes de influencia. 2.10

Incertidumbre.

La incertidumbre es el valor de la semiamplitud de un intervalo del mejor valor disponible (el valor mejor corregido) para el resultado de la medida. Dicho intervalo representa una estimación plausible de la zona de valores del mensurando, entre los cuales es casi seguro que se encuentre el valor verdadero. En el caso de medidas de precisión se añade al valor numérico de la magnitud otra valoración, que se cuantifica mediante la incertidumbre de la medida adoptada. En la mayor parte de las áreas metrológicas, esta incertidumbre es la semiamplitud de un intervalo (intervalo de incertidumbre) centrado sobre el valor numérico de la medida. En este contexto se denomina: - Precisión.- a la cualidad que caracteriza la aptitud de un instrumento para dar un valor verdadero a la magnitud de medida. Es la proximidad de concordancia entre valores medidos obtenida por mediciones repetidas bajo condiciones especificadas. - Exactitud. Proximidad en concordancia entre un valor medido de la magnitud y un valor verdadero del mensurando. - Valor verdadero.- es el que se acepta como válido para un determinado fin.

Exactitud baja Precisión alta

Exactitud alta Precisión baja

Exactitud alta Precisión alta

La precisión se aplica como término cualitativo, siendo la incertidumbre un término cuantitativo. Casi todo el trabajo de la metrología aplicada a la calibración se destina a conocer la incertidumbre de un equipo o de una medida, así como el error de corrección, de los instrumentos de medida. 2.11

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Principios de metrología dimensional

A mediados del s.XIX, J. Whitworth se burlaba de los ingenieros que trabajaban con tolerancias tales como 1/32 de pulgada, construyendo un aparato capaz de medir hasta una millonésima de pulgada, pero la incertidumbre de esta máquina era muy superior a la división de escala. En 1978 el National Physical Laboratory estimó su incertidumbre en 0,003 mm (unas 120 superior la incertidumbre a la división de escala). 2.11

Cadena de calibración y transmisión de la incertidumbre.

La cadena de calibración es la sucesión de patrones o instrumentos de medida que van desde la definición de la unidad, hasta los instrumentos diseminados en los centros de trabajo. Los patrones o instrumentos utilizados en la calibración de otros de nivel inferior, deben recibir la calibración, a su vez, de niveles superiores, con lo que se establece una sucesión de operaciones de ...