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INTRODUCCIÓN A LA METROLOGÍAINTRODUCCIÓN A LA METROLOGÍACurso Académico 2011Curso Académico 2011--1212Curso Académico 2011Curso Académico 2011--1212

Rafael Muñoz BuenoRafael Muñoz BuenoLaboratorio de Metrología y MetrotecniaLaboratorio de Metrología y Metrotecnia

LMMLMM--ETSIIETSII--UPMUPM

TEMA 5. Magnitudes objeto de la metrología dimensional

1. Patrón primario de longitud: Materialización del metro.

Índice

Curso Académico 11-12Introducción a la Metrología

2. Clasificación de la metrología dimensional.

3. Consideraciones en medidas dimensionales.

4. Instrumentos de medida en metrología dimensional y su trazabilidad

5. Magnitudes macro-geométricas en metrología dimensional.

6. Magnitudes micro-geometricas en metrología dimensional.

Patrón primario de longitud: El metro, mPatrón primario de longitud: El metro, m

Las primeras definiciones de la unidad de longitud son definiciones en algunoscasos difícilmente reproducibles y materializadas en barras con la dificultad queello conlleva.

Evolución de la unidad de longitud (i)


Es en 1960 y debido al progreso constante de las medidas ópticas cuando seprovoca el cambio fundamental en la definición de esta unidad y se decide pasar aun “patrón natural e indestructible “.

La XI Conferencia General de pesas y Medidas acordó una nueva definición del metrobasada en la longitud de onda en 1960:

El metro es la longitud de 1 650 763,73 longitudes de onda en el vacío de laradiación correspondiente a la transición entre los niveles 2p10 y 5d5 del átomo dekripton 86.

Patrón primario de longitud: El metro, m

El número escogido de la cantidad de longitudes de onda se fijó en 1 650 763,73para no introducir demasiados cambios en la magnitud del metro definido conanterioridad. Con esta definición, quedo determinada la longitud de onda de dicharadiación en el vacío con una reproducibilidad de 1·10-8 en valor relativo.

Evolución de la unidad de longitud (ii)


radiación en el vacío con una reproducibilidad de 1·10 en valor relativo.

La realización práctica de esta definición requiere de la excitación de los átomos dekripton, efectuada por una descarga en una célula conteniendo vapor y laobservación 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 radiacióncorrespondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamentaldel átomo de Cs 133.


La actual definición del metro fue adoptada en la XVII Conferencia General de Pesasy Medidas, en 1983 como:

La longitud del trayecto recorrido por la luz en el vacío durante un tiempo

Definición actual del metro


La longitud del trayecto recorrido por la luz en el vacío durante un tiempode 1 / 2 99 792 458 s.

Con la definición de 1980, se obtuvo como gran ventaja la mejor reproducibilidad delpatrón. Con la definición de 1983 se obtiene otra ventaja adicional respecto a lasanteriores, y es que puede materializarse la unidad de longitud sin modificarla definición del metro.

El CIPM se encargó de dar una lista de Recomendaciones para la realización prácticadel metro, donde figuran 8 radiaciones recomendadas de láseres estabilizados y dosradiaciones de lámparas espectrales (entre ellas la radiación del Kr 86).


La radiación más ampliamente empleada para la realización práctica de la unidad delongitud es la correspondiente a láseres de He-Ne (estabilizados medianteabsorción saturada de 127I2), y con una longitud de onda en el vacío de 632991 392,22 fm, lo que corresponde a una frecuencia de 473 612 214 702 kHz, con

Materialización actual del metro


991 392,22 fm, lo que corresponde a una frecuencia de 473 612 214 702 kHz, conun incertidumbre relativa de 2,5·11-12

La realización práctica del metro se lleva a cabo en los Institutos Nacionales deMetrología, en el caso de España en el Centro Español de Metrología. Éstossistemas son comparados en el BIPM y muestran un acuerdo de unas pocaspartes en 1011.

En gran parte de laboratorios se emplean sistemas interferométricos láser pararealizar mediciones de longitud. Estos láseres han sido calibrados contra estosláseres estabilizados mediante celda de Iodo, para asegurar la trazabilidad de lasmedidas por medio de una cadena ininterrumpida de calibraciones.

Introducción a la Metrología Dimensional

La finalidad básica de las mediciones dimensionales en la producción es garantizar yverificar la concordancia del producto fabricado con sus especificaciones de diseño.

La necesidad actual de una mayor exactitud en las mediciones procede de la mayorprecisión requerida en la fabricación, debido a nuevas exigencias:

• Tolerancias de fabricación más estrechas.


• 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 formageométrica 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.

Clasificación de Metrología DimensionalAtendiendo al tipo de mediciones a realizar o de defectos a evaluar:

Microgeometría

Acabado superficial

Macrogeometría

Dimensiones


Nanometrología

Acabado superficialLongitud

Ángulos

Rectitud, Planitud y Paralelismo

Redondez y Cilindricidad

Formas

Simetría y Concentricidad

Imperfecciones en metrología dimensional

• Precisión de las máquinas-herramienta utilizadas en la fabricación, y elestado de conservación de las mismas, en el momento de la mecanizaciónde las piezas.

Origen de los defectos macrogeométricos


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 lamáquina, en función de sus respectivas temperaturas durante el procesode mecanizado.

Imperfecciones en metrología dimensional

Origen de los defectos microgeométricos

Las causas a que obedecen los defectos microgeométricos son también variadas, peroligadas 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 yvalles, con determinados valores de paso y amplitud, dependiendo del proceso demecanizado seguido.

Características como resistencia al desgaste, rodadura, deslizamiento, propiedades delubricación, resistencia a la fatiga, intercambiabilidad funcional, resistencia a la corrosión,etc. están ligadas al estado superficial del elemento en cuestión.

Fuentes de incertidumbre en metrología dimensional

En la práctica existen muchas posibles fuentes de incertidumbre en una medición, entreellas:

• 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


• Conocimiento inadecuado de los efectos de las condiciones ambientales sobre lamedición, 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 externasy utilizados en el algoritmo de tratamiento de datos.

• Aproximaciones y suposiciones establecidas en el método y procedimiento demedición.

• Variaciones en la repetición de las observaciones del mensurando bajo condicionesaparentemente idénticas.

Precauciones a considerar en medidas dimensionales

Cuando se pretende medir con cierta exactitud la longitud de un objeto material, esnecesario conocer su temperatura, así como el valor del coeficiente de dilatación.

Las mediciones de gran exactitud únicamente pueden realizarse en locales que cumplanlas características siguientes:

• Temperatura constante: Los resultados de medida vienen referidos a 20 °C, por tantoes indispensable trabajar en un local cuya temperatura sea lo más próxima posible a


es indispensable trabajar en un local cuya temperatura sea lo más próxima posible aesta referencia.

• Ausencia de vibraciones: Las vibraciones podrían dar lugar a desplazamientosimperceptibles de las muestras bajo medición, o de ciertos órganos de las máquinas demedición, 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 entemperatura, y para eliminar las vibraciones, la regulación del grado de humedad y eltrabajo en ausencia de polvo son fáciles de conseguir.

Instrumentos utilizados en Metrología Dimensional

Los equipos utilizados en los laboratorios de Metrología Dimensional son muyvariados, atendiendo a las diversas magnitudes a medir, al campo de medida, a laresolución, a los principios físicos en los que se basan,.etc.

La elección de uno u otro dependerá de la incertidumbre requerida en el proceso demedición, función a su vez de la tolerancia específica que deba garantizarse.


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 hansupuesto revoluciones parciales en el campo de la Metrología Dimensional, sobretodo al combinarse con la informática:

• Automatización de los procesos de medición.

• Eliminación de la influencia del operador.

• Mayor repetibilidad y fiabilidad.

Trazabilidad de los instrumentos de metrología dimensional


Magnitudes macrogeométricas en metrología dimensional

Patrones primarios de longitud

El Área de Longitud del CEM poseedos láseres de He-Ne estabilizadossobre célula interna de Iodo (llenadoBIPM), emitiendo en 633 nm, con los


BIPM), emitiendo en 633 nm, con losque realiza y mantiene la actualdefinición del metro. Dichos láseresson, por decisión oficial, lospatrones nacionales, de los que sederivan todos los demás existentes. Laincertidumbre típica, para un nivelde 1σ, con la que se realiza la unidadde longitud, mediante la frecuencia deemisión de dichos láseres es de 2,5 x11-12.


Los tipos básicos de patrones son:

• Patrones a cantos: Bloques patrón, barras de extremos, etc.

Patrones materializados para mediciones de longitud (i)


• 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 interferometríao por comparación mecánica, dependiendo de su grado de calidad.

En el caso de los patrones a trazos, los métodos utilizados suelen serinterferométricos, con ayuda de métodos ópticos para el enrase de lostrazos.


Patrones materializados para mediciones de longitud (ii)

Bloques patrón


Los bloques patrón son patrones materializadosde longitud en forma de paralelepípedorectangular cuyas caras opuestas, denominadascaras de medida, poseen una calidadsuperficial tal que tienen la propiedad deadherirse a otras caras de la misma calidadsuperficial, sean éstas de otros bloques, o debases de apoyo como las utilizadas en sumedición interferométrica.


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 desimetría, o fibra neutra, van localizados una seriede bloques patrón. Estos bloques, de acero,carburo de tungsteno o cerámica, tienencomúnmente longitudes individuales de 10 mm, yseparación variable entre caras adyacentes. Laslongitudes totales de los soportes van desde los300 mm, hasta los 1200 mm como máximo.


Patrones materializados para mediciones de longitud (iv)

Barras de extremos


Se trata de cilindros de acero duro yestabilizado, con extremos esféricos, dediámetro igual a la longitud de la barra, obien de extremos planos, y de longitudesvariables. La forma primera es de mejorcalidad metrológica. Las del segundo casosuelen utilizarse para la verificación demicrómetros de exteriores.


Patrones materializados para mediciones de longitud (v)

Se trata de patrones materializados, en

Patrones de diámetro interior (anillos)


Se trata de patrones materializados, enacero muy duro, estabilizado, compuestosde un hueco cilíndrico perfectamenterectificado y acabado. Este cilindro debeser lo más perfecto posible, desde elpunto de vista geométrico.

Sobre cada patrón viene grabada la cotanominal, delimitándose mediante dostrazos paralelos sobre una de las caras, lazona en la que esta cota es válida, amedia altura del cilindro.


Patrones materializados para mediciones de longitud (vi)

Patrones de diámetro exterior (tampones)

Se trata de elementos de control de diámetrosinteriores. Como prácticamente todos los calibres, se


interiores. Como prácticamente todos los calibres, sefabrican en metal duro tratado y estabilizado, o encarburo de tungsteno.

Pueden ser:

• calibres simples (o normales), portando una únicazona calibrada, materializando la cota nominal, o

• calibres de límites, utilizados para verificar las cotasmáxima y mínima.


Patrones materializados para mediciones de longitud (vii)

Reglas a trazos

Constituyen el segundo tipo de patrones


Constituyen el segundo tipo de patronesmaterializados de longitud, junto con lospatrones a cantos. Se trata de patronescuya longitud nominal viene definida porla distancia existente entre los ejes dedos trazos.

Las reglas que se comercializan presentanuna gran variedad, en cuanto a material,sección, longitud, tipo y calidad de laescala y los trazos, precisión, etc.


Máquinas de medir por coordenadas (MMC)

Las MMC miden puntos en el espacio.La potencia de las MMC deriva de sucapacidad para calcular, a partir de lospuntos medidos, una gran cantidad de


puntos medidos, una gran cantidad demagnitudes dimensionales: distancias,posiciones relativas, ángulos, formas,etc., lo que antes requería el concursode un gran número de instrumentosindividuales.

Utilizan programas de mediciónpotentes, que incluyen correcciones nosolo de parámetros ambientales, sinode los errores de guiado de sus ejes.


Patrones materializados para mediciones angulares (i)

Bloques patrón angulares

Son similares a los longitudinales, pero envez de materializar longitudes, materializan


vez de materializar longitudes, materializanángulos entre sus caras de medida.Valores angulares típicos son: 45º, 30º, 20º,10º, 3º, 1º, 45’, 30’, 20’, 10’, 3’, 1’, 45”, 30”,20”, 10”, 3”, 1”.

Al igual que los bloques longitudinalesposeen la propiedad de adherencia de suscaras, posibilitando la formación de valoresangulares determinados mediante adición devarios de ellos.


Patrones materializados para mediciones angulares (ii)

Polígonos ópticos

Son prismas de altura reducida, cuyas basesestán formadas por polígonos regulares, de


están formadas por polígonos regulares, dep. ej., 4, 8, 12, 24, 36 o 72 lados, quematerializan en el centro ángulos de 90º,45º, 30º, 15º, 10º y 5º respectivamente.

El material del que están fabricados varíadesde el acero al vidrio, siendo su principalcaracterística la alta reflectividad de las caraslaterales, dado que su calibración implica lautilización de métodos ópticos, basados en elempleo de autocolimadores.


Mediciones de defectos de forma

Las medidas de forma cubren un amplio abanico, desde la determinación de rectitud oplanitud, hasta la cilindricidad y la redondez.

La dificultad para el control de formas reside básicamente en la elección de lasreferencias matemáticas de cálculo para la determinación de la verdadera forma y


referencias matemáticas de cálculo para la determinación de la verdadera forma yposición 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 diámetrointerior, con defecto de forma inferior a 20 nm, los cilindros patrón deperpendicularidad, los flick standard (patrones de amplificación), o los patrones deredondez (hemisferios) de vidrio, etc.


Patrones materializados para mediciones de defectos de forma

Cilindros de perpendicularidad y esferas patrón

Redondez: Es este uno de los defectos másimportantes, por cuanto cualquier tipo defabricación posee una serie de componentes cuyaforma es redonda en todas o algunas de sus


forma es redonda en todas o algunas de sussecciones (ejes, rodamientos, engranajes, cilindros,etc.). La cuestión importante, desde el punto devista dinámico, es conocer y cuantificar la magnituddel defecto de redondez que caracteriza a dichoselementos.

Además, podemos mencionar el defecto deperpendicularidad (entre ejes, entre eje y plano,entre planos) y el de cilindricidad (formacilíndrica), obtenible a partir de la determinación deredondez en varias secciones.

Magnitudes microgeométricas en metrología dimensional

Mediciones de calidad superficial (i)

Independientemente del proceso utilizado,durante el mecanizado de una pieza oelemento, la superficie siempre portadeformaciones. La producción de piezas con


deformaciones. La producción de piezas consuperficies geométricas ideales no es fácil, y enaquellas en que se alcanza un grado de perfecciónalto; p. ej., bloques patrón, el coste económico esmuy elevado.

Cualquier desviación respecto a la superficiegeométrica ideal tiene influencia sobre elcomportamiento funcional del elemento encuestión.


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 espaciadohorizontal (longitud de onda característica), más que por sus amplitudes.

• En los defectos de forma de gran longitud de onda, la longitud del defecto


• En los defectos de forma de gran longitud de onda, la longitud del defectosuele ser igual a unas 1000 veces su amplitud.

• En el caso de la ondulación, la relación entre el espaciado de los defectos y laamplitud máxima de los mismos suele hallarse entre 100:1 y 1000:1.

• En el caso de la rugosidad, el espaciamiento entre defectos, suele ser delorden de 5 a 100 veces la amplitud máxima de los mismos.

La normalización internacional ha definido una serie de parámetros para caracterizar elacabado superficial. La mayoría de estos parámetros se basan en el perfil obtenido alanalizar una sección o corte de la superficie, tomado en la dirección que presumiblementeaporta mayores defectos.


Mediciones de calidad superficial (iii)



Para el ajuste y calibración de losinstrumentos empleados en calidadsuperficial, se utilizan patrones de

Patrones materializados para mediciones de calidad superficial (i)


superficial, se utilizan patrones deranura y/o de escalón, algunos deellos portando varias ranuras, con losque se procede a verificar laamplificación vertical del equipo demedida (método estático). Estospatrones son calibrados previamentemediante contacto, microscopíainterferencial o SPM (AFM).


Patrones materializados para mediciones de calidad superficial (i)

También se utilizan patrones derugosidad (método dinámico). Estospatrones poseen una superficie rugosa


patrones poseen una superficie rugosacon parámetros de rugosidadperfectamente conocidos, y permitenverificar no solamente la amplificacióndel sistema, sino el comportamientototal del instrumento; es decir, palpador(radio de la punta, comportamientodinámico), indicación del valor medido yregistro del perfil.

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