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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 7. Patrones materializados de longitud. Instrumentaciónasociada a su medida.

1. Bloques patrón longitudinales (BPL).

Índice

Curso Académico 11-12Introducción a la Metrología

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

Los bloques patrón son patrones de longitudque materializan fracciones de la unidadde longitud, el metro, del SistemaInternacional de unidades (SI).

Definición de BPL


Internacional de unidades (SI).

Dependiendo del tipo de aplicación y de lacalidad requerida se fabrican en diferentesgrados.

En definitiva los bloques patrón son laprimera materialización física del enlace dela cadena de trazabilidad entre el patrónprimario y los demás instrumentos.

1. Lado izquierdo de la cara de medida.2. Lado derecho de la cara de medida.3. Cara de medida sin marcar.4. Cara de medida marcada.5. Caras laterales.6. Cara lateral marcada.


El ingeniero sueco C. E. Johansson fue el inventor de este tipo de patrones, loscuales constituyen el primer tipo de patrón materializado, y el más utilizadotanto en laboratorios de metrología como en el plano industrial.

El material utilizado en la realización de los bloques posee una dureza superior a 62HRC, con el fin de evitar el posible rayado y un desgaste prematuro; sus longitudes


HRC, con el fin de evitar el posible rayado y un desgaste prematuro; sus longitudesnominales normalizadas van desde 0,5 mm hasta 1 m, con intervalos inclusode 1 µm.

Prácticamente todas las normas nacionales aplicables a estos patrones se basan enla norma ISO 3650, la cual prevé cuatro clases de precisión: K, 0, 1 y 2, fijandopara cada una, las tolerancias permitidas respecto a la longitud nominal, así comolas de planitud y variación de longitud.

Como material constructivo se utilizan el acero, el carburo de tungsteno (conmenor coeficiente de dilatación y mayor dureza que el acero) así como materialescerámicos (ZrO2), los cuales presentan la ventaja de no ser oxidables.

Los bloques patrón se suministran normalmente en los siguientes juegos:

• Longitud nominal <100 mm

- 11 piezas (juegos especiales para micrómetros)- 43 piezas- 86 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


Según la norma UNEEN-ISO 3650 sedefine la longitud de un bloquepatrón longitudinal como: “La distanciaperpendicular entre cualquier punto de la

Longitud de un bloque patrón, l


perpendicular entre cualquier punto de lacara de medida y la superficie de unabase auxiliar del mismo material yrugosidad (acabado superficial) sobre lacual la otra cara de medida ha sidoadherida”.

La desviación de longitud de cualquierpunto respecto de la longitud nominal es

l-ln.

l cl


Una de las particularidades de los bloque patróny que debemos a C. E. Johansson es laposibilidad de combinarlos de tal forma quepodamos conseguir cualquier longitud para

Adherencia entre diferentes bloques patrón


podamos conseguir cualquier longitud parautilizarlos para calibrar o medir otros objetos.

Esto se consigue gracias a la buenaplanitud de las caras de medida, por lo quepodemos adherirlos entre si.

La adherencia es la propiedad de las caras demedida de los bloques para pegarse a otrascaras de medida, u otras bases de similaracabado superficial gracias a fuerzasmoleculares.


Según la norma UNEEN-ISO 3650 sedefine la variación en longitud de unbloque patrón, ν como: “Diferencia entre

la longitud máxima l y la longitud

Variación en longitud de un bloque patrón, ν


la longitud máxima lmax y la longitud

mínima lmin del bloque.“

v = lmax - lmin = fo + fu

fo = lmax - lcfu = lc – lmin

te Errores límites de longitud desde cualquier

punto al ln


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:

Marcado de los bloques patrón


� 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 demedida (puntos de Airy)


Errores límite y tolerancias al valor nominal en BPL

Calidad de BPL

Errores límites de longitud desde


de longitud desde cualquier punto al ln

Tolerancias para la variación de longitud


Tolerancias de planitud de BPL

(µm)


(µm)


Calibración de BPL

Los bloques patrón atendiendo a su grado de calidad se pueden calibrar de lasiguiente manera:


� Interferometría óptica: Normalmente este tipo de calibraciones lahacen laboratorios de Institutos Nacionales de Metrología, INM olaboratorios de muy alto nivel metrológico.

� Comparación mecánica: Este procedimiento consiste en lacomparación de un bloque con otro de referencia de longitud conocida ytrazado al patrón nacional de longitud.


Calibración de bloques patrón por interferometría óptica (i)

El método de calibración porinterferometría directa está basado enla utilización de la longitud de ondade la luz como patrón para medir la


Interferómetro de Kösters para la medida de bloques patrón

de la luz como patrón para medir lalongitud del bloque.

El proceso de medición se realiza dentrode un interferómetro en el que el hazde luz sufre una división, reflejándose lamitad del haz en un espejo dereferencia y la otra mitad sobre elconjunto formado por el bloque acalibrar y una base de apoyo a la queéste se halla adherido.


Calibración de bloques patrón por interferometría óptica (ii)

Tras la reflexión de estos dos haces y su recombinación se forman dos espectrosde franjas de interferencia.

• Interferencia producida entre el haz reflejado en el espejo de referencia y elreflejado en la cara de medida superior del bloque.


reflejado en la cara de medida superior del bloque.

• Interferencia del haz reflejado en el espejo de referencia con el haz reflejadoen la base de apoyo del bloque.


Calibración de bloques patrón por interferometría óptica (iii)

Estos espectros de franjas se originanmoviendo ligeramente el espejo dereferencia, forzando la falta deperpendicularidad entre éste y el


perpendicularidad entre éste y elconjunto bloque-base, que da lugar alfenómeno de interferencia.

La longitud del bloque puedeexpresarse por un número entero desemilongitudes de onda más unexcedente fraccionario, cuyo valor seobtiene a partir des desplazamientorelativo existente entre ambos espectrosde franjas.

nFk

ql i

i

q

ii 2

)(1

1

λ+= ∑=

La incertidumbre de calibración típica deeste método suele ser del orden de:

mLkU µ)00015,0020,0()2( +==Donde el valor de L se introduce en mm


Calibración de bloques patrón por comparación mecánica

• Esta calibración se realiza en uncomparador de bloques patrón

• Consiste en la comparación de un


• Consiste en la comparación de unbloque con otro de referencia delongitud conocida y trazado al patrónnacional.

• Bloques de longitud nominal menor oigual a 100 mm.

• Palpadores de tipo inductivo, conresolución de 10 nm y repetibilidad delorden de 20 nm.



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 combinannormalmente la interferometría con el uso de palpadores inductivos.


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 deminimizarla flexión del bloque bajos su propio peso.


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 delongitudes variables.

• La forma primera es de mejor calidad metrológica. Las del segundo casosuelen utilizarse para la verificación de micrómetros de exteriores.


• Ciertos fabricantes suministran estos patrones equipados con adaptadoresaislantes en baquelita u otro material.

Puntos de apoyo para mantener los extremos horizontales y lascaras terminales verticales (paralelas entres sí): Puntos Airy.

Barras de extremos

• Calibración directa por interferometría láser.

• Mediante el uso de patrones de transferencia (bloques o combinación de bloques).

Calibración


• Con ayuda de una máquina de medición, por comparación con una regla patrón.

• Para calibración de comparadores horizontales (se requiere el empleo de apoyosregulables 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, encuyo eje de simetría, o fibra neutra, van localizados una serie de bloques patrón.Estos bloques, de acero, carburo de tungsteno o cerámica, tienen comúnmentelongitudes individuales de 10 mm, y separación variable entre caras adyacentes. Laslongitudes totales de los soportes van desde los 300 mm, hasta los 1200 mm comomáximo.


Columnas de bloques patrón escalonados (step gauges)

• Este tipo de patrones materializados son muy utilizados para la calibración demáquinas de medición por coordenadas, ya que pueden situarse en diversasorientaciones espaciales, con ayuda de los correspondientes accesorios.

• Permiten verificar la exactitud de medida de las máquinas en todo su volumende medición.

• A partir del palpado individual de cada una de las caras de los bloques, se


• A partir del palpado individual de cada una de las caras de los bloques, seobtiene una gran serie de distancias individuales, presentando ventajasrespecto a los bloques patrón clásicos, ya que éstos únicamente definen unaúnica distancia.

Reglas a trazos

• Se trata de patrones cuya longitud nominal viene definida por la distanciaexistente entre los ejes de dos trazos.

• Presentan una gran variedad, en cuanto a material, sección, longitud, tipo y calidadde la escala y los trazos, precisión, etc.

Calibración

Se utiliza un comparador transversal, sobre el que sedisponen las dos reglas, una junto a la otra.


disponen las dos reglas, una junto a la otra.

Se hacen coincidir bajo un microscopio los trazos origende ambas reglas, y a continuación se van observando lossucesivos trazos de ambas reglas, midiéndose lasdesviaciones entre ambos con un micrómetro asociado almicroscopio

Utilización

Se utilizan junto con lectores ópticos que permitendeterminar la posición relativa de la regla y de su lectorcon una exactitud compatible con la de la regla. Estoslectores son microscopios, o bien indicadores digitales.

Reglas a trazos

• En la utilización es necesario evitar las tensiones y los errores procedentes de laflexión de la misma bajo su propio peso.

• así como respetar las instrucciones del constructor, en lo referente a los apoyosy a su posición.

• Los apoyos deben situarse a 0,220 L de los extremos (puntos de Bessel), estosson puntos de apoyo en los que se produce flexión mínima en las reglas


son puntos de apoyo en los que se produce flexión mínima en las reglasgraduadas.

Puntos de apoyo para una flexión mínima.

Reglas codificadas (encoders)

Se trata de captadores numéricos de desplazamiento, bien incrementales, bienabsolutos. Están constituidos por una regla y un detector.

En un desplazamiento relativo entre regla y detector, se producen variaciones delflujo luminoso que atraviesa el sistema de las dos redes enfrentadas. Estasvariaciones periódicas son transformadas en señales eléctricas mediantefotodetectores.


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 vistafísico por fenómenos de difracción, ligados a la longitud de onda de la luz.

Hoy día, es posible fabricar reglas con pasos muy pequeños, habiendo aumentadotambién 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 automáticode trazos.

Utilización

Cuando se desean exactitudes mejores que 1 ó 2 µm, suelen sustituirse las clásicas reglasdivididas por este tipo de reglas codificadas:

• Su salida codificada se presta muy bien a la automatización del proceso (controlnumérico).

• Gran fiabilidad y bajo precio de los componentes electrónicos.

Patrones de diámetro

Los patrones de diámetro interior sonpatrones materializados, de acero endurecidoy estabilizado, constituidos por un huecocilíndrico perfectamente rectificado yacabado, lo más perfecto posible desde elpunto de vista geométrico.

Diámetro interior

Los patrones de diámetro exterior


Esfera patrón

Diámetro exterior

Los patrones de diámetro exteriorson elementos de control de diámetrosinteriores, siendo de alguna forma unelemento derivado de las varillascilíndricas, aunque de diámetro muchomayor. Se fabrican en metal durotratado y estabilizado, o en carburo detungsteno.

En el caso de las esferas patrón, suelenestar construidas en materialescerámicos.

Patrones de diámetro interior y exterior

Calibración

• Mediante comparadores especiales.

• Máquinas de medición universales (1, 2 o 3 coordenadas).

• Los eventuales defectos de forma se miden en una máquina medidora de


• Los eventuales defectos de forma se miden en una máquina medidora dedefectos 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 (dedos 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 unnonio unido a un cursor que se desliza por la regla con el queconseguimos amplificarla lectura de la regla.


conseguimos amplificarla lectura de la regla.


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.


Calibres pie de rey



Calibres pie de rey: Error de Abbe

ε


ε

Lα

Error de Abbe (ε)= L· tan α

Error de seno


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 quepueden llegar hasta los 1000 mm.


Los más comunes tienen una resolución de 0,02 mm y campo de medida máximo de 500 mm.

Calibración

Utilización

La trazabilidad de este tipo de instrumentos se consigue utilizando como patrones bloquespatrón calibrados por comparación mecánica.

Este tipo de instrumentos se suelen utilizar para realizar mediciones de cualquier elemento opieza, determinación de cotas, medidas elementos cilíndricos (tanto exteriores como interiores)


Micrómetros

Los micrómetros son instrumentos de medida que funcionan con un mecanismo sencilloy fiable, y son rápidos de manejar; por estos motivos son ampliamente utilizados en laindustria en general.

El mecanismo que sirve de base para su funcionamiento, es un tornillo de precisión.


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.


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).


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 ellosen los que varia las dimensiones del arco que es la nos dará la posibilidad de medir longitudesmayores.


Micrómetros: Error de coseno


Desplazamiento medido, M

Distancia, L

Sentido deldesplazamiento

M = L cosθError de coseno = L (cosθ – 1)


Micrómetros

Calibración

Para la calibración se utilizarán bloques patrón, de calidad 0 1 ó 2, según sea la


Para la calibración se utilizarán bloques patrón, de calidad 0 1 ó 2, según sea laresolución del micrómetro.

Utilización

Este tipo de instrumentos se suelen utilizar para realizar mediciones de cualquierelemento o pieza, determinación de cotas, medidas elementos cilíndricos, yexisten una gran variedad de micrómetros especiales para cada tipo de medición(tanto exteriores como interiores)

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