INTRODUCCIN A LA METROLOGA

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INTRODUCCIÓN A LA METROLOGÍA Curso Académico
2009-10
Rafael Muñoz Bueno Laboratorio de Metrología y
Metrotecnia LMM-ETSII-UPM
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TEMA 5. Magnitudes objeto de la metrología
dimensional
Índice

• Patrón primario de longitud Materialización del
  metro.
• Clasificación de la metrología dimensional.
• Consideraciones en medidas dimensionales.
• Instrumentos de medida en metrología dimensional
  y su trazabilidad
• Magnitudes macro-geométricas en metrología
  dimensional.
• Magnitudes micro-geometricas en metrología
  dimensional.

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Patrón primario de longitud El metro, m
Evolución de la unidad de longitud (i)
Las primeras definiciones de la unidad de
longitud son definiciones en algunos casos
difícilmente reproducibles y materializadas en
barras con la dificultad que ello conlleva. Es
en 1960 y debido al progreso constante de las
medidas ópticas cuando se provoca el cambio
fundamental en la definición de esta unidad y se
decide pasar a un patrón natural e
indestructible . La XI Conferencia General de
pesas y Medidas acordó una nueva definición del
metro basada en la longitud de onda en 1960 El
metro es la longitud de 1 650 763,73 longitudes
de onda en el vacío de la radiación
correspondiente a la transición entre los niveles
2p10 y 5d5 del átomo de kripton 86.
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Patrón primario de longitud El metro, m
Evolución de la unidad de longitud (ii)
El número escogido de la cantidad de longitudes
de onda se fijó en 1 650 763,73 para no
introducir demasiados cambios en la magnitud del
metro definido con anterioridad. Con esta
definición, quedo determinada la longitud de onda
de dicha radiación en el vacío con una
reproducibilidad de 110-8 en valor relativo.
La realización práctica de esta definición
requiere de la excitación de los átomos de
kripton, efectuada por una descarga en una célula
conteniendo vapor y la observación de la luz de
fluorescencia emitida por estos átomos. Entre
1967 y 1968 aparece también la definición del
segundo atómico. El segundo se define como la
duración de 9 192 631 770 periodos de la
radiación correspondiente a la transición entre
dos niveles hiperfinos del estado fundamental del
átomo de Cs 133.
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Patrón primario de longitud El metro, m
Definición actual del metro
La actual definición del metro fue adoptada en la
XVII Conferencia General de Pesas y Medidas, en
1983 como La longitud del trayecto recorrido
por la luz en el vacío durante un tiempo de 1 / 2
999 792 458 s. Con la definición de 1980, se
obtuvo como gran ventaja la mejor
reproducibilidad del patrón. Con la definición de
1983 se obtiene otra ventaja adicional respecto a
las anteriores, y es que puede materializarse la
unidad de longitud sin modificar la definición
del metro. El CIPM se encargó de dar una lista
de Recomendaciones para la realización práctica
del metro, donde figuran 8 radiaciones
recomendadas de láseres estabilizados y dos
radiaciones de lámparas espectrales (entre ellas
la radiación del Kr 86).
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Patrón primario de longitud El metro, m
Materialización actual del metro
La radiación más ampliamente empleada para la
realización práctica de la unidad de longitud es
la correspondiente a láseres de He-Ne
(estabilizados mediante absorción saturada de
127I2), y con una longitud de onda en el vacío de
632 991 392,22 fm, lo que corresponde a una
frecuencia de 473 612 214 702 kHz, con un
incertidumbre relativa de 2,510-11 La
realización práctica del metro se lleva a cabo en
los Institutos Nacionales de Metrología, en el
caso de España en el Centro Español de
Metrología. Éstos sistemas son comparados en el
BIPM y muestran un acuerdo de unas pocas partes
en 1011. En gran parte de laboratorios se
emplean sistemas interferométricos láser para
realizar mediciones de longitud. Estos láseres
han sido calibrados contra estos láseres
estabilizados mediante celda de Iodo, para
asegurar la trazabilidad de las medidas por medio
de una cadena ininterrumpida de calibraciones.
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Introducción a la Metrología Dimensional

• La finalidad básica de las mediciones
  dimensionales en la producción es garantizar y
  verificar la concordancia del producto fabricado
  con sus especificaciones de diseño.
• La necesidad actual de una mayor exactitud en las
  mediciones procede de la mayor
• precisión requerida en la fabricación, debido a
  nuevas exigencias
• Tolerancias de fabricación más estrechas.
• Compactación y miniaturización de componentes y
  productos (microelectrónica).
• Diseño compensado entre fuerzas y tensiones.
• Mayor precisión operacional y mejores
  prestaciones en engranajes, rodillos, elementos
  de guiado y sellado, etc., lo que implica
  tolerancias de posición, y forma geométrica y de
  calidad superficial más estrechas.
• Ensamblado automático a altas velocidades.
• Intercambiabilidad general de piezas, componentes
  y repuestos.
• Fiabilidad en el funcionamiento de máquinas y
  fabricaciones en general.

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Clasificación de Metrología Dimensional
Atendiendo al tipo de mediciones a realizar o de
defectos a evaluar
Microgeometría
Macrogeometría
Dimensiones
Longitud
Nanometrología
Ángulos
Formas
Rectitud, Planitud y Paralelismo
Redondez y Cilindricidad
Simetría y Concentricidad
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Imperfecciones en metrología dimensional
Origen de los defectos macrogeométricos

• Precisión de las máquinas-herramienta utilizadas
  en la fabricación, y el estado de conservación de
  las mismas, en el momento de la mecanización de
  las piezas.
• Calidad y estado de desgaste de la herramienta de
  mecanización.
• Deformaciones elásticas de la pieza, en su
  fijación a la máquina.
• Deformaciones debidas a dilatación térmica, tanto
  de la pieza como de la máquina, en función de sus
  respectivas temperaturas durante el proceso de
  mecanizado.

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Imperfecciones en metrología dimensional
Origen de los defectos microgeométricos

• Las causas a que obedecen los defectos
  microgeométricos son también variadas, pero
  ligadas a la máquina herramienta que produce la
  pieza
• Filo de la herramienta
• Velocidad de giro
• Avance del husillo
• Vibraciones, etc.
• Las piezas aparecen pues con superficies
  irregulares, compuestas de ondulaciones, picos y
  valles, con determinados valores de paso y
  amplitud, dependiendo del proceso de mecanizado
  seguido.
• Características como resistencia al desgaste,
  rodadura, deslizamiento, propiedades de
  lubricación, resistencia a la fatiga,
  intercambiabilidad funcional, resistencia a la
  corrosión, etc. están ligadas al estado
  superficial del elemento en cuestión.

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Fuentes de incertidumbre en metrología dimensional

• En la práctica existen muchas posibles fuentes de
  incertidumbre en una medición, entre ellas
• Definición incompleta del mensurando.
• Realización imperfecta de la definición del
  mensurando.
• Muestra no representativa del mensurando.
• Conocimiento inadecuado de los efectos de las
  condiciones ambientales sobre la medición, o
  medición imperfecta de dichas condiciones
  ambientales.
• Lectura sesgada de instrumentos analógicos por
  parte del operador.
• Resolución del instrumento de medida.
• Valores inexactos de los patrones de medida y/o
  de los materiales de referencia.
• Valores inexactos de constantes y otros
  parámetros obtenidos de fuentes externas y
  utilizados en el algoritmo de tratamiento de
  datos.
• Aproximaciones y suposiciones establecidas en el
  método y procedimiento de medición.

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Precauciones a considerar en medidas dimensionales

• Cuando se pretende medir con cierta exactitud la
  longitud de un objeto material, es necesario
  conocer su temperatura, así como el valor del
  coeficiente de dilatación.
• Las mediciones de gran exactitud únicamente
  pueden realizarse en locales que cumplan las
  características siguientes
• Temperatura constante Los resultados de medida
  vienen referidos a 20 C, por tanto es
  indispensable trabajar en un local cuya
  temperatura sea lo más próxima posible a esta
  referencia.
• Ausencia de vibraciones Las vibraciones podrían
  dar lugar a desplazamientos imperceptibles de las
  muestras bajo medición, o de ciertos órganos de
  las máquinas de medición, o generar un ruido que
  hiciera imposible la medición.
• Grado higrométrico adecuado.
• Limpieza y ausencia de polvo.
• Tras haber adoptado las precauciones necesarias
  para obtener una buena estabilidad en
  temperatura, y para eliminar las vibraciones, la
  regulación del grado de humedad y el trabajo en
  ausencia de polvo son fáciles de conseguir.

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Instrumentos utilizados en Metrología Dimensional

• Los equipos utilizados en los laboratorios de
  Metrología Dimensional son muy variados,
  atendiendo a las diversas magnitudes a medir, al
  campo de medida, a la resolución, a los
  principios físicos en los que se basan,.etc.
• La elección de uno u otro dependerá de la
  incertidumbre requerida en el proceso de
  medición, función a su vez de la tolerancia
  específica que deba garantizarse.
• La industria cuenta hoy día con captadores
  electrónicos, de tipo inductivo y capacitivo,
  comparadores mecánicos y neumáticos, sistemas
  multicota, medidores ópticos, láseres,
  interferómetros, reglas codificadas, máquinas de
  medición por coordenadas, etc., que han supuesto
  revoluciones parciales en el campo de la
  Metrología Dimensional, sobre todo al combinarse
  con la informática
• Automatización de los procesos de medición.
• Eliminación de la influencia del operado.
• Mayor repetibilidad y fiabilidad.

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Trazabilidad de los instrumentos de metrología
dimensional
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Magnitudes macrogeométricas en metrología
dimensional
Patrones primarios de longitud
El Área de Longitud del CEM posee dos láseres de
He-Ne estabilizados sobre célula interna de Iodo
(llenado BIPM), emitiendo en 633 nm, con los que
realiza y mantiene la actual definición del
metro. Dichos láseres son, por decisión oficial,
los patrones nacionales, de los que se derivan
todos los demás existentes. La incertidumbre
típica, para un nivel de 1s, con la que se
realiza la unidad de longitud, mediante la
frecuencia de emisión de dichos láseres es de 2,5
x 10-11.
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Magnitudes macrogeométricas en metrología
dimensional
Patrones materializados para mediciones de
longitud (i)

• Los tipos básicos de patrones son
• Patrones a cantos Bloques patrón, barras de
  extremos, etc.
• Patrones a trazos Reglas a trazos, codificadas,
  etc.
• La calibración de los patrones a cantos, se
  realiza por interferometría o por comparación
  mecánica, dependiendo de su grado de calidad.
• En el caso de los patrones a trazos, los métodos
  utilizados suelen ser interferométricos, con
  ayuda de métodos ópticos para el enrase de los
  trazos.

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Magnitudes macrogeométricas en metrología
dimensional
Patrones materializados para mediciones de
longitud (ii)
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Magnitudes macrogeométricas en metrología
dimensional
Patrones materializados para mediciones de
longitud (iii)
Bloques patrón escalonados
Este tipo especial de patrones de longitud,
consiste en un soporte rígido, en cuyo eje de
simetría, o fibra neutra, van localizados una
serie de bloques patrón. Estos bloques, de acero,
carburo de tungsteno o cerámica, tienen
comúnmente longitudes individuales de 10 mm, y
separación variable entre caras adyacentes. Las
longitudes totales de los soportes van desde los
300 mm, hasta los 1200 mm como máximo.
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Magnitudes macrogeométricas en metrología
dimensional
Patrones materializados para mediciones de
longitud (iv)
Barras de extremos
Se trata de cilindros de acero duro y
estabilizado, con extremos esféricos, de diámetro
igual a la longitud de la barra, o bien de
extremos planos, y de longitudes variables. La
forma primera es de mejor calidad metrológica.
Las del segundo caso suelen utilizarse para la
verificación de micrómetros de exteriores.
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Magnitudes macrogeométricas en metrología
dimensional
Patrones materializados para mediciones de
longitud (v)
Patrones de diámetro interior (anillos)
Se trata de patrones materializados, en acero muy
duro, estabilizado, compuestos de un hueco
cilíndrico perfectamente rectificado y acabado.
Este cilindro debe ser lo más perfecto posible,
desde el punto de vista geométrico. Sobre cada
patrón viene grabada la cota nominal,
delimitándose mediante dos trazos paralelos sobre
una de las caras, la zona en la que esta cota es
válida, a media altura del cilindro.
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Magnitudes macrogeométricas en metrología
dimensional
Patrones materializados para mediciones de
longitud (vi)
Patrones de diámetro exterior (tampones)
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Magnitudes macrogeométricas en metrología
dimensional
Patrones materializados para mediciones de
longitud (vii)
Reglas a trazos
Constituyen el segundo tipo de patrones
materializados de longitud, junto con los
patrones a cantos. Se trata de patrones cuya
longitud nominal viene definida por la distancia
existente entre los ejes de dos trazos. Las
reglas que se comercializan presentan una gran
variedad, en cuanto a material, sección,
longitud, tipo y calidad de la escala y los
trazos, precisión, etc.
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Magnitudes macrogeométricas en metrología
dimensional
Máquinas de medir por coordenadas (MMC)
Las MMC miden puntos en el espacio. La potencia
de las MMC deriva de su capacidad para calcular,
a partir de los puntos medidos, una gran cantidad
de magnitudes dimensionales distancias,
posiciones relativas, ángulos, formas, etc., lo
que antes requería el concurso de un gran número
de instrumentos individuales. Utilizan
programas de medición potentes, que incluyen
correcciones no solo de parámetros ambientales,
sino de los errores de guiado de sus ejes.
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Magnitudes macrogeométricas en metrología
dimensional
Patrones materializados para mediciones angulares
(i)
Bloques patrón angulares
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Magnitudes macrogeométricas en metrología
dimensional
Patrones materializados para mediciones angulares
(ii)
Polígonos ópticos
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Magnitudes macrogeométricas en metrología
dimensional
Mediciones de defectos de forma
Las medidas de forma cubren un amplio abanico,
desde la determinación de rectitud o planitud,
hasta la cilindricidad y la redondez. La
dificultad para el control de formas reside
básicamente en la elección de las referencias
matemáticas de cálculo para la determinación de
la verdadera forma y posición de la pieza, a
partir de los valores obtenidos mediante palpado
sobre la misma. Normalmente se acude a
ecuaciones matemáticas de ajuste por mínimos
cuadrados, aunque existen otros criterios,
aplicables según el defecto de forma en
cuestión. Para la puesta a punto y calibración
de los propios equipos medidores de defectos de
forma, es necesario contar con patrones
específicos. Es el caso de los patrones de
diámetro interior, con defecto de forma inferior
a 20 nm, los cilindros patrón de
perpendicularidad, los flick standard (patrones
de amplificación), o los patrones de redondez
(hemisferios) de vidrio, etc.
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Magnitudes macrogeométricas en metrología
dimensional
Patrones materializados para mediciones de
defectos de forma
Cilindros de perpendicularidad y esferas patrón
Redondez Es este uno de los defectos más
importantes, por cuanto cualquier tipo de
fabricación posee una serie de componentes cuya
forma es redonda en todas o algunas de sus
secciones (ejes, rodamientos, engranajes,
cilindros, etc.). La cuestión importante, desde
el punto de vista dinámico, es conocer y
cuantificar la magnitud del defecto de redondez
que caracteriza a dichos elementos. Además,
podemos mencionar el defecto de perpendicularidad
(entre ejes, entre eje y plano, entre planos) y
el de cilindricidad (forma cilíndrica), obtenible
a partir de la determinación de redondez en
varias secciones.
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Magnitudes microgeométricas en metrología
dimensional
Mediciones de calidad superficial (i)
Independientemente del proceso utilizado, durante
el mecanizado de una pieza o elemento, la
superficie siempre porta deformaciones. La
producción de piezas con superficies geométricas
ideales no es fácil, y en aquellas en que se
alcanza un grado de perfección alto p. ej.,
bloques patrón, el coste económico es muy
elevado. Cualquier desviación respecto a la
superficie geométrica ideal tiene influencia
sobre el comportamiento funcional del elemento en
cuestión.
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Magnitudes microgeométricas en metrología
dimensional
Mediciones de calidad superficial (ii)

• Todas las superficies mecanizadas poseen una
  mezcla de deformaciones o irregularidades (de
  forma, ondulaciones, rugosidades),
  distinguiéndose unas de otras por su espaciado
  horizontal (longitud de onda característica), más
  que por sus amplitudes.
• En los defectos de forma de gran longitud de
  onda, la longitud del defecto suele ser igual a
  unas 1000 veces su amplitud.
• En el caso de la ondulación, la relación entre el
  espaciado de los defectos y la amplitud máxima de
  los mismos suele hallarse entre 1001 y 10001.
• En el caso de la rugosidad, el espaciamiento
  entre defectos, suele ser del orden de 5 a 100
  veces la amplitud máxima de los mismos.
• La normalización internacional ha definido una
  serie de parámetros para caracterizar el acabado
  superficial. La mayoría de estos parámetros se
  basan en el perfil obtenido al analizar una
  sección o corte de la superficie, tomado en la
  dirección que presumiblemente aporta mayores
  defectos.

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Magnitudes microgeométricas en metrología
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Mediciones de calidad superficial (iii)
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Magnitudes microgeométricas en metrología
dimensional
Patrones materializados para mediciones de
calidad superficial (i)
Para el ajuste y calibración de los instrumentos
empleados en calidad superficial, se utilizan
patrones de ranura y/o de escalón, algunos de
ellos portando varias ranuras, con los que se
procede a verificar la amplificación vertical del
equipo de medida (método estático). Estos
patrones son calibrados previamente mediante
contacto, microscopía interferencial o SPM (AFM).
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Magnitudes microgeométricas en metrología
dimensional
Patrones materializados para mediciones de
calidad superficial (i)
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