Índice. TEMA 11. Equipos de metrología dimensional Máquinas medidoras de formas. 1. Descripción de las máquinas medidoras de formas (MMF).

Transcripción

1 INTRODUCCIÓN A LA METROLOGÍA Curso Académico Rafael Muñoz Bueno Laboratorio de Metrología y Metrotecnia LMM-ETSII-UPM

2 TEMA 11. Equipos de metrología dimensional Máquinas medidoras de formas Índice 1. Descripción de las máquinas medidoras de formas (MMF). 2. Obtención de trazabilidad en una MMF. 3. El filtrado en medidas de defectos de forma. 4. Técnicas de separación de errores. 5. Medición del defecto de redondez y estimación de la incertidumbre en una MMF

3 Las máquinas medidoras de formas, MFF Las máquinas medidoras de formas, MMF: se pueden considerar máquinas de medir por coordenadas especialmente diseñadas para la medición de piezas de revolución. Se componen generalmente de una columna (eje Z) y de un brazo extensible (eje X). En el extremo del brazo se acopla un elemento medidor compuesto por un transductor eléctrico (normalmente de tipo inductivo), junto con un palpador.

4 Elementos medidores de una MMF Palpador: Elemento en contacto con la superficie de revolución del patrón a medir. El transductor eléctrico inductivo: Convierte los movimientos mecánicos del palpador en señales eléctricas proporcionales. Amplifica electrónicamente dichas señales eléctricas.

5 Tipos de máquinas medidoras de formas La pieza a medir puede girar respecto a un elemento medidor fijo, o bien, el elemento medidor puede ser el que gire respecto a la pieza que se mantiene fija: MMF de tipo mesa giratoria: Gira la pieza, mientras el palpador permanece estacionario en contacto con ella. MMF de tipo elemento medidor giratorio La pieza permanece estacionaria, mientras el palpador gira en torno a ella haciendo contacto en su superficie.

6 Tipos de máquinas medidoras de formas Configuraciones de MMF: Mesa giratoria (izq.) y elemento medidor giratorio (dcha.)

7 Tipos de máquinas medidoras de formas Características de la MMF de tipo palpador giratorio El eje de referencia es aquel entorno al cual gira el palpador. Este es normalmente bastante ligero y, por tanto, puede lograrse una buena exactitud. La mesa de apoyo de la pieza no forma parte del sistema de medida: Puede ser bastante robusta Soporta piezas de gran peso Posibilidad de medir piezas de gran longitud

8 Tipos de máquinas medidoras de formas Características de la MMF de tipo mesa giratoria El palpador es independiente del eje de referencia (eje de giro de la mesa) El palpador puede tener variados movimientos: Mediciones de concentricidad y alineamiento. Mediciones de superficies tanto internas como externas. También puede contactar el palpador tanto superficies internas como externas. Pueden realizarse mediciones de rectitud vertical y horizontal, así como evaluación de paralelismo y perpendicularidad. El peso de la mesa giratoria y de la pieza sobre ella situada es crítico

9 MFF de tipo mesa giratoria

10 Trazabilidad en la medida de formas Para la obtención de la trazabilidad al patrón nacional de longitud de las medidas de los defectos de formas se debe ajustar previamente la MMF: De forma ESTÁTICA De forma DINÁMICA Factor de amplificación de la MMF

11 Trazabilidad en la medida de formas Ajuste de la MMF de forma estática Se utilizan bloques patrón longitudinales, de valores nominales próximos entre sí. Son adheridos a un vidrio plano. El pequeño escalón generado entre los bloques se utiliza para obtener el factor de amplificación del elemento medidor. La trazabilidad en este caso viene dada por los bloques patrón.

12 Trazabilidad en la medida de formas Ajuste de la MMF de forma dinámica Se emplea un tipo de patrón denominado patrón de amplificación (flick standard). Se trata de un cilindro al que se le ha practicado un rebaje en su superficie lateral. Dicho rebaje se obtiene mediante intersección de una superficie plana con el cuerpo del cilindro.

13 Trazabilidad en la medida de formas Ajuste de la MMF de forma dinámica El valor del rebaje es generalmente inferior a 50 µm. Se calibra como si de un diámetro se tratase. Obteniéndose de esta manera la trazabilidad al patrón nacional de longitud. Con el valor así medido se obtiene un factor de amplificación que corrige los desplazamientos que registra el elemento medidor de la MMF.

14 Trazabilidad en la medida de formas Ajuste de la MMF de forma dinámica 90,00 deg 180,00 deg 0,00 deg 270,00 deg

15 Filtrado de las medidas realizadas con MMF El perfil medido de un defecto de forma se puede considerar como la superposición de ondas sinusoidales (armónicos) Análisis de la superposición de armónicos de perfiles circulares.

16 Filtrado de las medidas realizadas con MMF La separación entre rugosidad-ondulación y desviaciones de forma no está internacionalmente normalizada. La contribución de la rugosidad a los defectos de forma depende en gran parte del método de medida. En la práctica, la rugosidad se elimina mediante la utilización de palpadores de punta esférica. El radio de curvatura de la punta esférica filtra la rugosidad de la superficie.

17 Filtrado de las medidas realizadas con MMF Además, las MFF formas permiten el uso de filtros pasa-bajo (lowpass) para la separación de defectos de forma y rugosidad. Dichos filtros actúan atenuando o eliminando la amplitud de aquellos armónicos cuya longitud de onda es menor que un valor fijado. Los diferentes filtros se pueden clasificar, por tanto, según su atenuación (en %) y según su frecuencia de corte (cut-off). En medidas de perfiles circulares (redondez, cilindricidad, etc.) la frecuencia de corte se expresa en ondulaciones por vuelta, UPR (Undulations per revolution). Para el caso de perfiles lineales, el cut-off se expresa en mm y representa la longitud de onda de filtrado.

18 Técnicas de separación de errores en MMF En mediciones que requieren una muy baja incertidumbre, se acude a técnicas específicas de reversión y separación de errores. Permiten separar y evaluar los errores propios de la máquina y los inherentes al patrón objeto de calibración.

19 Técnicas de separación de errores en MMF Medidas de la redondez, R: Patrón de calidad industrial Dos perfiles de redondez realizadas sobre un patrón de diámetro: R 100 nm. Medidas realizadas en dos posiciones angulares diferentes con respecto a la mesa de rotación: 0º y 90º.

20 Técnicas de separación de errores en MMF Medidas de la redondez, R: Patrón de calidad industrial El defecto de redondez del patrón está girado en la misma medida que se ha girado el patrón sobre la mesa de rotación. En distintas posiciones de medida en la MMF se obtiene el mismo perfil pero girado los n grados aplicados sobre la mesa.

21 Técnicas de separación de errores en MMF Medidas de la redondez, R: Patrón de calidad metrológica Cuando se realizan medidas en distintas posiciones angulares de patrones de mayor calidad (calidad metrológica, R < 100 nm) el perfil obtenido es prácticamente igual en todas las posiciones.

22 Técnicas de separación de errores en MMF Medidas de la redondez, R: Patrón de calidad metrológica El defecto de redondez del patrón en este caso es muy inferior al error propio del sistema de medida. Al medir el patrón en distintas posiciones angulares se observa siempre el mismo perfil (el del error de la máquina). A este error de la máquina se le denominaspindleerror. Spindleerror: error de rotación de la MMF. Es una de las especificaciones técnicas más importantes de una MMF.

23 Técnicas de separación de errores en MMF MEDIDAS DE LA REDONDEZ MÉTODO MULTI-STEP ERROR ROTACIÓN MMF R = 33 nm 90,00 deg REDONDEZ PATRÓN R = 7 nm 90,00 deg 180,00 deg 0,00 deg 180,00 deg 0,00 deg 270,00 deg 270,00 deg

24 Determinación del defecto de redondez en MMF Medida de R Incertidumbre de medida: Modelo matemático R = 1 Ri + δ ruido + δcal + δerm + δ T + δres N R: Defecto de redondez del patrón. Correciones a la medida R i : Medida i-ésima del defecto de redondez. δruido: Corrección debida al ruido. cal: Corrección por calibración del palpador. δerm: Corrección por error de rotación de la máquina. δ T: Corrección por efectos térmicos. δres: Corrección por resolución de la MMF.

25 Determinación del defecto de redondez en MMF Incertidumbre de medida: Modelo matemático Repetibilidad Repetibilidad Variable X i Ruido Amp. Ruido estimada Error de rotación Error de rotación de la máquina Calibración palpador Incertidumbre calibración Flick Influencia del error rotación máquina Cambio de rango Efectos térmicos Error de cierre Deriva excentricidad Resolución Resolución Distribución normal tipo U rectangular normal rectangular rectangular rectangular rectangular rectangular Peso Relativo C (%) 0,33 0,04 99,32 0,00 0,00 0,00 0,06 0,24 0,01 100