INTRODUCCIÓN A LA METROLOGÍA Curso Académico 2011-1212 Rafael Muñoz Bueno Laboratorio de Metrología y Metrotecnia LMM-ETSII-UPM
TEMA 7. Patrones materializados de longitud. Instrumentación asociada a su medida. Índice 1. Bloques patrón longitudinales (BPL). 2. Columnas de bloques patrón escalonados. 3. Barras de extremos. 4. Reglas a trazos y codificadas (encoders). 5. Patrones de diámetro (interiores y exteriores) 6. Instrumentación en medida de PMLs. Calibres pie de rey. Micrómetros.
Bloques patrón longitudinales, BPL Definición de BPL Los bloques patrón son patrones de longitud que materializan fracciones de la unidad de longitud, el metro, del Sistema Internacional de unidades (SI). Dependiendo del tipo de aplicación y de la calidad requerida se fabrican en diferentes grados. En definitiva los bloques patrón son la primera materialización física del enlace de la cadena de trazabilidad entre el patrón primario y los demás instrumentos. 1. Ladoizquierdo de la cara de medida. 2. Ladoderecho de la cara de medida. 3. Cara de medida sin marcar. 4. Cara de medida marcada. 5. Caras laterales. 6. Cara lateral marcada.
Bloques patrón longitudinales, BPL El ingeniero sueco C. E. Johansson fue el inventor de este tipo de patrones, los cuales constituyen el primer tipo de patrón materializado, y el más utilizado tanto en laboratorios de metrología como en el plano industrial. El material utilizado en la realización de los bloques posee una dureza superior a 62 HRC, con el fin de evitar el posible rayado y un desgaste prematuro; sus longitudes nominales normalizadas van desde 0,5 mm hasta 1 m, con intervalos incluso de 1 µm. Prácticamente todas las normas nacionales aplicables a estos patrones se basan en la norma ISO 3650, la cual prevé cuatro clases de precisión: K, 0, 1 y 2, fijando para cada una, las tolerancias permitidas respecto a la longitud nominal, así como las de planitud y variación de longitud. Como material constructivo se utilizan el acero, el carburo de tungsteno (con menor coeficiente de dilatación y mayor dureza que el acero) así como materiales cerámicos (ZrO 2 ), los cuales presentan la ventaja de no ser oxidables.
Bloques patrón longitudinales, BPL Los bloques patrón se suministran normalmente en los siguientes juegos: Longitud nominal <100 mm - 11 piezas (juegos especiales para micrómetros) - 43 piezas - 86 piezas - 112 piezas - 122 piezas (y más recientemente un juego de 121 piezas) Longitud nominal >100 mm - 125 mm - 400 mm - 1000 mm - 150 mm - 500 mm - 175 mm - 600 mm - 200 mm - 700 mm - 250 mm - 800 mm - 300 mm - 900 mm
Bloques patrón longitudinales, BPL
Bloques patrón longitudinales, BPL Longitud de un bloque patrón, l Según la norma UNEEN-ISO 3650 se define la longitud de un bloque patrón longitudinal como: La distancia perpendicular entre cualquier punto de la cara de medida y la superficie de una base auxiliar del mismo material y rugosidad (acabado superficial) sobre la cual la otra cara de medida ha sido adherida. l c l La desviación de longitud de cualquier punto respecto de la longitud nominal es l-l n.
Bloques patrón longitudinales, BPL Adherencia entre diferentes bloques patrón Una de las particularidades de los bloque patrón y que debemos a C. E. Johansson es la posibilidad de combinarlos de tal forma que podamos conseguir cualquier longitud para utilizarlos para calibrar o medir otros objetos. Esto se consigue gracias a la buena planitud de las caras de medida, por lo que podemos adherirlos entre si. La adherencia es la propiedad de las caras de medida de los bloques para pegarse a otras caras de medida, u otras bases de similar acabado superficial gracias a fuerzas moleculares.
Bloques patrón longitudinales, BPL Variación en longitud de un bloque patrón, ν Según la norma UNEEN-ISO 3650 se define la variación en longitud de un bloque patrón, ν como: Diferencia entre la longitud máxima l max y la longitud mínima l min del bloque. v = l max - l min = f o + f u f o = l max - l c f u = l c l min t e Errores límites de longitud desde cualquier punto al l n
Bloques patrón longitudinales, BPL Marcado de los bloques patrón Los BPL van marcados de la siguiente manera: Cada bloque llevará marcado su longitud nominal. Si se indica el grado de calidad en el bloque, deberán llevar las siguientes marcas: Grado calibración: K (Bloques patrón de referencia: INM, lab. acreditados) Grado 0: 0 (Bloques patrón de referencia en empresas) Grado 1: (Bloques de transferencia: Instrumentación de medida en producción) Grado 2: = (Bloques patrón estándar: Ajuste de maquinaria en producción) Los bloques Grado K y Grado 0 deberán llevar marcado su número de serie. Los BPL>100 mm llevaran unas marcas en su cara lateral a 0,211 L mm de las caras de medida (puntos de Airy)
Bloques patrón longitudinales, BPL Errores límite y tolerancias al valor nominal en BPL Calidad de BPL Errores límites de longitud desde cualquier punto al l n Tolerancias para la variación de longitud
Bloques patrón longitudinales, BPL Tolerancias de planitud de BPL (µm)
Bloques patrón longitudinales, BPL Calibración de BPL Los bloques patrón atendiendo a su grado de calidad se pueden calibrar de la siguiente manera: Interferometría óptica: Normalmente este tipo de calibraciones la hacen laboratorios de Institutos Nacionales de Metrología, INM o laboratorios de muy alto nivel metrológico. Comparación mecánica: Este procedimiento consiste en la comparación de un bloque con otro de referencia de longitud conocida y trazado al patrón nacional de longitud.
Bloques patrón longitudinales, BPL Calibración de bloques patrón por interferometría óptica (i) El método de calibración por interferometría directa está basado en la utilización de la longitud de onda de la luz como patrón para medir la longitud del bloque. El proceso de medición se realiza dentro de un interferómetro en el que el haz de luz sufre una división, reflejándose la mitad del haz en un espejo de referencia y la otra mitad sobre el conjunto formado por el bloque a calibrar y una base de apoyo a la que éste se halla adherido. Interferómetro de Kösters para la medida de bloques patrón
Bloques patrón longitudinales, BPL Calibración de bloques patrón por interferometría óptica (ii) Tras la reflexión de estos dos haces y su recombinación se forman dos espectros de franjas de interferencia. Interferencia producida entre el haz reflejado en el espejo de referencia y el reflejado en la cara de medida superior del bloque. Interferencia del haz reflejado en el espejo de referencia con el haz reflejado en la base de apoyo del bloque.
Bloques patrón longitudinales, BPL Calibración de bloques patrón por interferometría óptica (iii) Estos espectros de franjas se originan moviendo ligeramente el espejo de referencia, forzando la falta de perpendicularidad entre éste y el conjunto bloque-base, que da lugar al fenómeno de interferencia. La longitud del bloque puede expresarse por un número entero de semilongitudes de onda más un excedente fraccionario, cuyo valor se obtiene a partir des desplazamiento relativo existente entre ambos espectros de franjas. q 1 l = ( ki q i= 1 λi + Fi ) 2n La incertidumbre de calibración típica de este método suele ser del orden de: U ( k = 2) = (0,020 + 0,00015L) µ m Donde el valor de L se introduce en mm
Bloques patrón longitudinales, BPL Calibración de bloques patrón por comparación mecánica Esta calibración se realiza en un comparador de bloques patrón Consiste en la comparación de un bloque con otro de referencia de longitud conocida y trazado al patrón nacional. Bloques de longitud nominal menor o igual a 100 mm. Palpadores de tipo inductivo, con resolución de 10 nm y repetibilidad del orden de 20 nm. U ( k = 2) = (0,050 + 0,0004L) µ m Donde el valor de L se introduce en mm
Bloques patrón longitudinales, BPL Calibración de bloques patrón por comparación interferométrica Este tipo de calibración se suele utilizar para bloques de longitud nominal superior a 100 mm. La calibración se realiza en posición horizontal utilizando comparadores que combinan normalmente la interferometría con el uso de palpadores inductivos. Las piezas se sitúan sobre apoyos localizados a 0,211 L de cada extremo, a fin de minimizarla flexión del bloque bajos su propio peso. U ( k = 2) = (0,070 + 0,0004L) µ m Donde el valor de L se introduce en mm
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. Ciertos fabricantes suministran estos patrones equipados con adaptadores aislantes en baquelita u otro material. Puntos de apoyo para mantener los extremos horizontales y las caras terminales verticales (paralelas entres sí): Puntos Airy.
Barras de extremos Calibración Calibración directa por interferometría láser. Mediante el uso de patrones de transferencia (bloques o combinación de bloques). Con ayuda de una máquina de medición, por comparación con una regla patrón. Para calibración de comparadores horizontales (se requiere el empleo de apoyos regulables para su correcto alineamiento). Medición de grandes diámetros (mayores de 100 mm). Calibración de micrómetros exteriores Utilización
Columnas de bloques patrón escalonados (step gauges) 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.
Columnas de bloques patrón escalonados (step gauges) Este tipo de patrones materializados son muy utilizados para la calibración de máquinas de medición por coordenadas, ya que pueden situarse en diversas orientaciones espaciales, con ayuda de los correspondientes accesorios. Permiten verificar la exactitud de medida de las máquinas en todo su volumen de medición. A partir del palpado individual de cada una de las caras de los bloques, se obtiene una gran serie de distancias individuales, presentando ventajas respecto a los bloques patrón clásicos, ya que éstos únicamente definen una única distancia.
Reglas a trazos Se trata de patrones cuya longitud nominal viene definida por la distancia existente entre los ejes de dos trazos. Presentan una gran variedad, en cuanto a material, sección, longitud, tipo y calidad de la escala y los trazos, precisión, etc. Calibración Se utiliza un comparador transversal, sobre el que se disponen las dos reglas, una junto a la otra. Se hacen coincidir bajo un microscopio los trazos origen de ambas reglas, y a continuación se van observando los sucesivos trazos de ambas reglas, midiéndose las desviaciones entre ambos con un micrómetro asociado al microscopio Utilización Se utilizan junto con lectores ópticos que permiten determinar la posición relativa de la regla y de su lector con una exactitud compatible con la de la regla. Estos lectores son microscopios, o bien indicadores digitales.
Reglas a trazos En la utilización es necesario evitar las tensiones y los errores procedentes de la flexión de la misma bajo su propio peso. así como respetar las instrucciones del constructor, en lo referente a los apoyos y a su posición. Los apoyos deben situarse a 0,220 L de los extremos (puntos de Bessel), estos son puntos de apoyo en los que se produce flexión mínima en las reglas graduadas. Puntos de apoyo para una flexión mínima.
Reglas codificadas (encoders) Se trata de captadores numéricos de desplazamiento, bien incrementales, bien absolutos. Están constituidos por una regla y un detector. En un desplazamiento relativo entre regla y detector, se producen variaciones del flujo luminoso que atraviesa el sistema de las dos redes enfrentadas. Estas variaciones periódicas son transformadas en señales eléctricas mediante fotodetectores. Regla incremental: Lectura por transmisión Regla incremental: Lectura por reflexión.
Reglas codificadas (encoders) La resolución de un sistema así viene en cualquier caso limitada desde el punto de vista físico por fenómenos de difracción, ligados a la longitud de onda de la luz. Hoy día, es posible fabricar reglas con pasos muy pequeños, habiendo aumentado también la interpolación aplicable, llegándose a resoluciones de 0,1 µm y 0,01 µm. Calibración Los métodos utilizados son sofisticados basados en interferometría de alta precisión, conjuntamente con sistemas de detección de alto poder resolutivo, y análisis automático de trazos. Utilización Cuando se desean exactitudes mejores que 1 ó 2 µm, suelen sustituirse las clásicas reglas divididas por este tipo de reglas codificadas: Su salida codificada se presta muy bien a la automatización del proceso (control numérico). Gran fiabilidad y bajo precio de los componentes electrónicos.
Patrones de diámetro Los patrones de diámetro interior son patrones materializados, de acero endurecido y estabilizado, constituidos por un hueco cilíndrico perfectamente rectificado y acabado, lo más perfecto posible desde el punto de vista geométrico. Diámetro interior Los patrones de diámetro exterior son elementos de control de diámetros interiores, siendo de alguna forma un elemento derivado de las varillas cilíndricas, aunque de diámetro mucho mayor. Se fabrican en metal duro tratado y estabilizado, o en carburo de tungsteno. Esfera patrón En el caso de las esferas patrón, suelen estar construidas en materiales cerámicos. Diámetro exterior
Patrones de diámetro interior y exterior Mediante comparadores especiales. Calibración Máquinas de medición universales (1, 2 o 3 coordenadas). Los eventuales defectos de forma se miden en una máquina medidora de defectos de forma. Utilización Estos patrones se destinan a misiones de control. Se utilizan para la calibración de diferentes tipos de instrumentos, empleados en la medición y control de diámetros interiores y exteriores (de dos o tres contactos, micrómetros, etc.) Reglajes de máquinas de medición en serie.
Instrumentación en medida de PMLs. Calibres pie de rey El principio general de un calibre esta basado en una regla con un nonio unido a un cursor que se desliza por la regla con el que conseguimos amplificarla lectura de la regla.
Instrumentación en medida de PMLs. Calibres pie de rey 1. Mordazas para medidas externas. 2. Mordazas para medidas internas. 3. Sonda para medida de profundidades. 4. Escala con divisiones en centímetros y milímetros. 5. Escala con divisiones en pulgadas y fracciones de pulgada. 6. Nonio para la lectura de las fracciones de milímetros en que esté dividido. 7. Nonio para la lectura de las fracciones de pulgada en que esté dividido. 8. Botón de deslizamiento y freno.
Instrumentación en medida de PMLs. Calibres pie de rey
Instrumentación en medida de PMLs. Calibres pie de rey: Error de Abbe ε L α Error de seno Error de Abbe(ε)= L tanα
Instrumentación en medida de PMLs. Calibres pie de rey Existen calibres con indicación digital que facilitan la lectura y son más fáciles de usar. Las resoluciones de los calibres suelen ser de 0,1 mm y 0,05 mm, con campos de medida que pueden llegar hasta los 1000 mm. Los más comunes tienen una resolución de 0,02 mm y campo de medida máximo de 500 mm. Calibración La trazabilidad de este tipo de instrumentos se consigue utilizando como patrones bloques patrón calibrados por comparación mecánica. Utilización Este tipo de instrumentos se suelen utilizar para realizar mediciones de cualquier elemento o pieza, determinación de cotas, medidas elementos cilíndricos (tanto exteriores como interiores)
Instrumentación en medida de PMLs. Micrómetros Los micrómetros son instrumentos de medida que funcionan con un mecanismo sencillo y fiable, y son rápidos de manejar; por estos motivos son ampliamente utilizados en la industria en general. El mecanismo que sirve de base para su funcionamiento, es un tornillo de precisión. Es uno de los instrumentos de medida más antiguos, data de 1638.
Instrumentación en medida de PMLs. Micrómetros Hoy día se encuentran en el mercado también micrómetros con indicación digital. Los micrómetros son fabricados con resoluciones de 0,001 mm 0,01 mm. Este tipo de instrumento tiene limitado su recorrido a 25 mm (campo de medida). Para poder medir longitudes mayores tendremos que disponer de un juego adecuado de ellos en los que varia las dimensiones del arco que es la nos dará la posibilidad de medir longitudes mayores.
Instrumentación en medida de PMLs. Micrómetros: Error de coseno Desplazamiento medido, M Sentido del desplazamiento Distancia, L M = L cosθ Error de coseno = L (cosθ 1)
Instrumentación en medida de PMLs. Micrómetros Calibración Para la calibración se utilizarán bloques patrón, de calidad 0 1 ó 2, según sea la resolución del micrómetro. Utilización Este tipo de instrumentos se suelen utilizar para realizar mediciones de cualquier elemento o pieza, determinación de cotas, medidas elementos cilíndricos, y existen una gran variedad de micrómetros especiales para cada tipo de medición (tanto exteriores como interiores)