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Escuela de Ingeniería

División de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Mecánica

Laboratorio de Procesos de Manufactura

Práctica #1: Metrología

MARCO TEORICO1

Magnitud (mensurable o medible)

Atributo de un fenómeno, cuerpo o sustancia, que es susceptible de ser distinguido cualitativamente y determinado cuantitativamente.

NOTA:

1) El término 'magnitud' puede referirse a una magnitud en sentido general o a una magnitud particular.

EJEMPLOS:

a) Magnitudes en sentido general: longitud, tiempo, masa, temperatura, resistencia eléctrica, concentración en cantidad de sustancia;

b) Magnitudes particulares: longitud de una varilla determinada, resistencia eléctrica de un hilo conductor determinado, concentración en cantidad de sustancia de etanol en una muestra dada de vino;

2) Las magnitudes que pueden clasificarse unas con respecto a otras en orden creciente (o decreciente) se denominan magnitudes de la misma naturaleza.

3) Las magnitudes de la misma naturaleza pueden agruparse juntas en categorías de magnitudes, por ejemplo: trabajo, calor, energía, espesor, circunferencia, longitud de onda;

4) Los símbolos de las magnitudes se definen en el estándar ISO 31.

Magnitud básica

Cualquiera de las magnitudes que, en un sistema de magnitudes, se aceptan por convenio como funcionalmente independientes las unas de las otras.

EJEMPLO: Las magnitudes longitud, masa y tiempo son generalmente tomadas como magnitudes básicas en el campo de la mecánica.

NOTA: Las magnitudes básicas correspondientes a las unidades básicas del Sistema Internacional de Unidades (SI) se describen en la nota del inciso 1.12.

1 Fuente: El Centro Español de Metrología (CEM)

Alfar, 2, 28760 - Tres Cantos – Madrid Teléfono: +34 91 807 47 00 http://www.cem.es/cem/es_ES/metrologia/metrologia.jsp?op=glosario

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Dimensión de una magnitud

Expresión que representa una magnitud de un sistema de magnitudes como el producto de potencias de factores que representan las magnitudes básicas de este sistema.

EJEMPLOS:

a) En un sistema que tiene como unidades básicas la longitud, la masa y el tiempo, cuyas dimensiones se designan respectivamente por L, M y T, la dimensión de la fuerza es

. b) En este mismo sistema de magnitudes, es la dimensión tanto de la concentración

en masa como la densidad de masa.

NOTAS:

1) El factor que representa una magnitud básica se denomina dimensión de esta magnitud básica;

2) Para las particularidades del álgebra de dimensiones, ver ISO 31-0.

Unidad (de medida)

Magnitud particular, definida y adoptada por convenio, con la que se comparan otras magnitudes de la misma naturaleza para expresarlas cuantitativamente con respecto a esta magnitud.

NOTAS:

1) Las unidades de medida tienen asignados por convenio sus nombres y símbolos. 2) Las unidades de las magnitudes que tienen la misma dimensión pueden tener el mismo

nombre y el mismo símbolo, incluso si estas magnitudes no son de la misma naturaleza.

Sistema Internacional de unidades, SI

Sistema coherente de unidades adoptado y recomendado por la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM).

NOTA:

El SI se basa actualmente en las siete unidades básicas siguientes:

Magnitud Nombre Símbolo Magnitud Nombre Símbolo

Longitud Metro M Temperatura

Termodinámica Kelvin K

Masa Kilogramo Kg Cantidad de Sustancia

Mol mol

Tiempo Segundo S Intensidad Luminosa

Candela cd

Corriente Eléctrica

Ampere A

Medición

Conjunto de operaciones que tienen por finalidad determinar un valor de una magnitud

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NOTA: El desarrollo de las operaciones puede ser automático.

Metrología

Ciencia de la medida o de la medición.

NOTA: La metrología comprende todos los aspectos, tanto teóricos como prácticos, que se refieren a las mediciones, cualesquiera que sean sus naturaleza e incertidumbres, y en cualesquiera de los campos de la ciencia y de la tecnología en que tengan lugar.

Incertidumbre de medida

Parámetro, asociado al resultado de una medición, que caracteriza la dispersión de los valores que podrían razonablemente ser atribuidos a lo mensurando.2

NOTAS:

1) El parámetro puede ser, por ejemplo, una desviación estándar (o un múltiplo de ésta) o la semi amplitud de un intervalo con un nivel de confianza determinado.

2) La incertidumbre de medida comprende, en general, varios componentes; algunos pueden ser evaluados a partir de la distribución estadística de los resultados de series de mediciones y pueden caracterizarse por sus desviaciones estándar experimentales. Los otros componentes, que también pueden ser caracterizados por desviaciones estándar, se evalúan asumiendo distribuciones de probabilidad basadas en la experiencia adquirida o en otras informaciones.

3) Se entiende que el resultado de la medición es la mejor estimación del valor de lo mensurando, y que todos los componentes de la incertidumbre, comprendidos los que provienen de efectos sistemáticos, tales como los componentes asociados a las correcciones y a los patrones de referencia, contribuyen a la dispersión.

Instrumento de medida, aparato de medida

Dispositivo destinado a utilizarse para hacer mediciones, sólo o asociado a uno o varios dispositivos anexos.

Transductor de medida

Dispositivo que hace corresponder a una magnitud de entrada otra de salida según una ley determinada.

EJEMPLOS:

a) termopar

b) transformador de intensidad

c) galga extensométrica

d) electrodo para pH

Instrumento (de medida) visualizador

Instrumento de medida que muestra una indicación.

EJEMPLOS:

a) voltímetro con indicación analógica

2 Esta definición es la de la Guía para la Expresión de la Incertidumbre de Medida donde sus

bases están expuestas a detalle (en particular ver 2.2.4 y el anexo D [10]).

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b) frecuencímetro digital

Instrumento (de medida) registrador

Instrumento de medida que proporciona un registro de la indicación.

EJEMPLOS:

a) barógrafo

b) dosímetro termoluminiscente

c) espectrómetro registrador

NOTAS:

1) El registro (visualización) puede ser analógico (línea continua o discontinua) o digital. 2) Los valores de varias magnitudes pueden registrarse (visualizarse) simultáneamente. 3) Un instrumento registrador también puede visualizar una indicación.

Notas generales

1) En general, a medida que se asciende en la jerarquía de la medición, se exigen más detalles sobre la forma en que ha sido obtenido el resultado de medida y su incertidumbre. Sin embargo, en todos los niveles jerárquicos, desde las actividades comerciales y reglamentarias sobre los mercados, pasando por la ingeniería en la industria, hasta los laboratorios primarios nacionales y el Buró Internacional de Pesos y Medidas (BIPM), toda la información necesaria para poder reevaluar el proceso de medición debe estar a disposición de los interesados que pudieran necesitarla.

2) Diariamente se efectúan numerosas mediciones tanto en la industria como en el comercio, sin que se expliciten sus incertidumbres. Muchas de ellas son además efectuadas con instrumentos sujetos a calibración periódica o a inspección legal. Si se admite que los instrumentos cumplen sus especificaciones u otros documentos normativos existentes que les sean de aplicación, pueden deducirse las incertidumbres de sus indicaciones a partir de dichas especificaciones o de dichos documentos normativos.

3) Cuando se indica el resultado de medida y su incertidumbre, es mejor pecar por exceso de información que por defecto, siendo aconsejable lo siguiente: a) Describir claramente el método utilizado para calcular el resultado de medida y su incertidumbre, a partir de las observaciones experimentales y de los datos de entrada; b) Hacer una lista con todas las componentes de la incertidumbre, documentando completamente la forma en que éstas han sido evaluadas; c) Presentar el análisis de los resultados de forma que pueda seguirse fácilmente cada una de sus etapas, y que pueda repetirse de forma independiente, si es necesario, el cálculo del resultado obtenido; d) Dar todas las correcciones y constantes utilizadas para el análisis, así como las fuentes utilizadas.

4) Es conveniente siempre formularse la siguiente pregunta: ¿se ha proporcionado suficiente información, y en forma clara, para que el resultado pueda ser actualizado posteriormente, si aparece una nueva información o nuevos datos?

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TOLERANCIAS Y DIMENSIONAMIENTO

El propósito básico de los procesos de manufactura es el producir piezas de un tamaño y forma determinados. Este tamaño y forma es comunicado al fabricante mediante dibujos técnicos de la parte que contienen todas las especificaciones requeridas para el satisfactorio funcionamiento del producto.

Sin embargo, lograr una medida exactamente igual en todas las piezas fabricadas es imposible. Todo proceso, por sencillo que éste sea, tendrá necesariamente variaciones inevitables. Para integrar estas fluctuaciones junto con la incertidumbre propia de la medición al diseño y funcionamiento adecuado del producto es que resulta necesario anticipar cierta variación con respecto a la dimensión nominal especificada en el dibujo. A esta variación permitida o esperada se la conoce como tolerancia.

En términos generales se puede suponer que entre más cerrada la tolerancia especificada más probabilidad de que la parte funcione adecuadamente. Sin embargo, también es un supuesto generalmente aceptado que entre más abierta sea la tolerancia de una dimensión, más económica y fácil será su fabricación. Por ello, definir una tolerancia aceptable para cada dimensión de una parte, componente o ensamble es responsabilidad del ingeniero de diseño; y toda dimensión debería ir acompañada de una tolerancia lo pequeña suficiente para que asegure un correcto desempeño del producto y tan amplia como fuese posible para que permita un proceso de fabricación competitivo.

INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DEL LABORATORIO

Escala

La escala es el instrumento de medición más básico. Su uso y aplicación es muy generalizado pues resuelve mediciones directas o con compás con exactitudes de hasta 1/64” (~0.015” ó 0.4 mm)

El adecuado uso de la escala en conjunto con otros instrumentos de transferencia de medidas como pueden ser compases de interiores o exteriores y/o manguitos para interiores, así como el flexómetro (cinta métrica metálica) forman, en su conjunto, el fundamento de la medición dimensional. Su adecuada aplicación debe ser aprendida con práctica y constancia.

Compases

Antes de instrumentos como el calibrador vernier fueran introducidos, las partes eran medidas con compases (interiores, exteriores, divisores, hermafroditas) y reglas. Por ejemplo, para medir un diámetro exterior la parte es puesta entre las puntas del compás y luego las puntas del compás son colocadas sobre una regla para medir la lectura. En otra aplicación las puntas del compás de exteriores se separan una distancia específica utilizando una regla, entonces las

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partes son maquinadas hasta que las puntas del compás se deslizan justamente sobre la superficie maquinada.

Compases para medición

Vernier

El vernier es uno de los instrumentos mecánicos para medición más utilizados en la industria. Hoy en día existen en sus versiones noniográficas, con indicador de carátula o digitales. Es un instrumento lineal para exteriores, interiores y profundidades. La exactitud de un vernier se debe principalmente a la exactitud de la graduación de sus escalas, el diseño de las guías del cursor, y el paralelismo y la perpendicularidad de sus palpadores. Estos detalles dependen de la calidad y estabilidad del material utilizado y la tecnología de su proceso de fabricación. Sin embargo, la precisión de un vernier depende definidamente de la habilidad manual del operador que realiza las mediciones.

Vernier Noniográfico Vernier Digital

Micrómetro

El micrómetro es también un instrumento de medición sumamente común y que se utiliza para medir las dimensiones de un objeto con alta exactitud y precisión; del orden de centésimas de milímetros (0.01 mm) o milésimas de pulgada (0.001”).

Se trata de un instrumento que basa su funcionamiento dos puntas que se aproximan entre sí por medio de un tornillo micrométrico de alta precisión. Hoy en día existen en sus versiones noniográficas o digitales. Es un instrumento lineal para exteriores, y existen en versiones de caras planas (para cilindros), puntas (para medición en sitios estrechos), de platos (para medir distancias entre dientes de engranes), y otras versiones especializadas. La máxima longitud de medida del micrómetro es limitada en comparación al vernier, pero a cambio ofrece una exactitud y precisión un orden de magnitud superior. Generalmente las longitudes de medición

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de un micrómetro varían en 25 mm, esto es, los más pequeños miden de 0 a 25 mm, los siguientes de 25 a 50 mm, y así sucesivamente.

Micrómetro noniográfico Micrómetro Digital

de 0 a 25 mm de 3” a 4”

Galgas Telescópicas

Una Galga Telescópica es un instrumento de medición indirecto, la parte superior de la galga se puede posicionar en el interior de circunferencias o aperturas y ser extendidas hasta tocar las paredes. La galga se extrae y la medición de la extensión de la cabeza puede ser medida utilizando un vernier o un micrómetro para determinar el diámetro interior del agujero. La extensión de la cabeza de la galga se puede bloquear después de la medición para asegurarse que la medición es lo más precisa posible. Galgas Telescópicas

Uso adecuado de las galgas Telescópicas.

Primero se selecciona una galga adecuada al diámetro que se desea medir. Se contrae

el resorte en ambas partes de la cabeza hasta dejarla en posición totalmente retraída y se le pone seguro haciendo girar el tornillo ajustador ubicado al final del mango.

Se abre la galga aflojando el tornillo ajustador, evitando así el choque brusco con las paredes de la pieza.

Se lleva al centro de la pieza, manteniendo un extremo fijo y oscilando el otro hasta lograr tocar dos (2) puntos que al mismo tiempo equidisten del centro de la pieza.

Se Ajusta la galga para mantener la medida obtenida, con el cuidado de no alterarla por un mal ajuste.

Presentar la medida obtenida al micrómetro y la lectura será el diámetro buscado.

MAQUINA DE MEDICION POR COORDENADAS

La lista y catálogos de las maquinas de medición por coordenadas (CMM por sus siglas en inglés) es muy extensa. Existen muchas maquinas de uso general, pero también otras tantas para propósitos especiales que son construidas para llevar a cabo trabajos específicos en componentes o industrias bien definidas. Estas maquinas son de uso común en la industria

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automotriz, aeronáutica, de moldes troqueles y herramientas, y de los electrodomésticos entre otras.

En principio, todas las CMM constan de una mesa fija con una estructura móvil que soporta a un palpador. El palpador es un dispositivo de contacto que forma parte del detector o instrumento de medición y que consiste en una esfera de precisión (o de forma ahusada puntiaguda), que montada en un mango se conecta mecánicamente a un sensor de posición capaz de detectar sus coordenadas espaciales con exactitud.

El palpador es el elemento esencial en una CMM pues es el medio por el cual la superficie a medir es contactada. Para medir dimensiones de superficies planas, el palpador tiene que tocar la superficie a ser medida. Estos palpadores o detectores de contacto son conocidos como TTPs (touch trigger probes). Este sensor está localizado por resortes en un ensamble de tres postes y tres pares de bolas. Los tres pares de bolas y los tres rodillos están conectados para formar un circuito eléctrico el cual es perturbado por cualquier movimiento que se produzca en la punta del palpador. Como se muestra en la siguiente ilustración, si se requiere de la medición de X, entonces el detector se mueve hasta que haga contacto con la cara A. Entonces, el controlador de la CMM determina la posición 3D exacta del palpador. Después se desplaza todo el sensor el punto B para hacer contacto con esa cara. La dimensión requerida es entonces la diferencia entre las dos lecturas menos el diámetro del palpador. Para facilitar el uso del detector en posiciones difíciles, existe una gran variedad de agujas disponibles.

La exactitud de esta forma de medición depende de muchos factores como la máquina de medición y el tipo de palpador utilizados, el tipo de controlador y software que procesa la información, así como de la calidad de la operación del equipo. En general la exactitud de estas máquinas es del orden de 0.01 mm (~0.0005”). La precisión (repetitividad) de estas maquinas es alrededor de 0.02mm (~0.001”).

Además de que estas maquinas son fáciles de manejar, la herramienta de medición puede operarse de forma muy rápida.

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OBJETIVOS

1) El alumno comprenderá las normas de seguridad específicas aplicables a la práctica. 2) El alumno conocerá los principios de operación de un sistema de medición y de las

herramientas de medición convencionales. 3) El alumno conocerá los instrumentos de medición convencionales más frecuentemente

empleados en la industria de la manufactura. 4) El alumno comprenderá la interpretación de las mediciones dimensionales y su

incertidumbre asociada. 5) El alumno utilizará los instrumentos de medición convencionales (escala, vernier y

micrómetro) para determinar las dimensiones de piezas sencillas. 6) El alumno conocerá las capacidades y limitaciones de instrumentos especializados de

medición tales como el comparador óptico y la máquina de medición por coordenadas.

SEGURIDAD

Para utilizar los instrumentos básicos de medición es necesario que se adopten los siguientes cuidados:

¡ ATENCIÓN ! MOTIVO

No aplicar esfuerzo excesivo al instrumento de medición.

Esto podría provocar una deformación permanente en el instrumento.

No retirar del área de metrología ningún instrumento especializado de medición.

El área cuenta con temperatura controlada y cambiar el instrumento de ambiente podría generar errores de medición por dilatación térmica.

Limpiar la pieza y superficie del área de contacto del instrumento con la pieza.

Lograr una medición correcta.

Mantener limpio en todo momento el instrumento que se ha utilizado.

No perder la calibración y así no perder la precisión del instrumento.

En la operación de la máquina de coordenadas se requiere llevar a cabo, además de lo anterior, los siguientes cuidados:

¡ ATENCIÓN ! MOTIVO

Utilizar la presión de aire a 3 bar (revisar los manómetros atrás de la maquina)

Para lograr una correcta estabilidad de la maquina y poder hacer mediciones precisas.

No golpear los palpadores Los palpadores son de algún material precioso (rubí por ejemplo) y son muy delicados, frágiles y costosos.

No realizar movimientos bruscos en los ejes de la maquina

Los golpes y las fuerzas inerciales excesivas descalibran la maquina.

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¡ ATENCIÓN ! MOTIVO

Operar la máquina sólo con alimentación eléctrica regulada y con supresión de picos.

Es imperativo evitar fluctuaciones de voltaje y posibles descargas eléctricas pues podría dañar el funcionamiento de los transductores de la maquina.

Mantener un ambiente fresco mientras está trabajando la maquina.

La maquina cuenta con dispositivos electrónicos que son muy sensibles al calor.

El usuario NO debe apoyarse en ninguna de las partes de la máquina de coordenadas.

Además, NO se deben subir a la mesa u otras partes de la máquina objetos no susceptibles a ser medidos y escribir sobre el mármol, entre otras posibilidades.

Las deformaciones mecánicas desnivelan y descalibran la maquina.

MATERIAL, HERRAMIENTAS Y EQUIPO

1) Material

a) Piezas para medición manual

b) Pieza para medición por coordenadas

2) Herramientas

a) Escala, compás para exteriores y para interiores

b) Vernier

c) Micrómetro

3) Equipo

d) Maquina de medición por coordenadas Poli con palpador y esfera de centrado.

PROCEDIMIENTO

1) Imprimir y leer toda la práctica antes de ir al laboratorio. Preparar el pre-reporte. 2) Presentarse 5 minutos antes de la hora indicada para la práctica con ropa cómoda, calzado

cerrado y fuerte, sin joyas ni cadenas, y el pre-reporte y práctica impresa y engrapada (páginas 12 a 16).

3) Pasar al almacén de laboratorio para recoger materiales, herramienta y accesorios requeridos para la práctica.

4) El instructor aplicará un examen rápido al inicio de la práctica que evaluará su comprensión del marco teórico y también se utilizará como lista de asistencia.

5) El instructor explicará el funcionamiento general de los instrumentos de medición y de las máquinas de medición por coordenadas del laboratorio.

6) Cada alumno del grupo recibirá una pieza que medir de con los instrumentos manuales. Uno a uno procederán a determinar las dimensiones solicitadas en el dibujo.

7) Después se procederá a realiza la medición del producto proporcionado por el instructor. Para ello, el instructor explicará los sistemas de coordenadas de la máquina (general y

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local), la correcta alineación de la pieza sobre el mármol (mesa de la CMM) y la correcta manipulación del palpador correspondiente.

8) Cada alumno tendrá la oportunidad de realizar una medición concreta de una característica de la pieza estudiada (indicadas en la ilustración anexa como A1, A2, A3, P1, P2, R1). Sin embargo, todos registrarán las mediciones correspondientes a las características geométricas de la pieza en el dibujo adjunto.

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PRE-REPORTE DE LA PRÁCTICA

1) Investiga en la literatura cómo se lee un instrumento noniográfico (escala, vernier y micrómetro) y resuelve las mediciones presentadas en la tabla siguientes. Nota: Para hacer una mejor lectura de las mediciones en los diferentes instrumentos se recomienda hacer las lecturas desde el archivo pdf, haciendo zoom en las diferentes figuras.

Mediciones realizadas con diferentes vernieres noniográficos.

1

____ mm 2

____ mm

3

____ mm 4

____ mm

5

____ ” 6

____ ”

7

____ ” 8

____ ”

Practica 1 METROLOGIA

Nombre

Matricula

Instructor de Laboratorio

Profesor de la material y hora

de clase

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Mediciones realizadas con diferentes micrómetros noniográficos.

1

____ mm 2

____ mm

3

____ mm 4

____ mm

5

____ mm 6

____ mm

7

____ mm 8

____ mm

9

____ ” 10

____ ”

11

____ ” 12

____ ”

13

____ ”

Referencia bibliográfica que se consultó para aprender a leer nonios:

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2) Investiga y documenta la metodología utilizada para transformar los datos de medición de la CMM que se generan en términos de coordenadas absolutas (de la propia máquina) a un sistema de coordenadas locales de la pieza (Cero de pieza).

Referencia bibliográfica que se consultó para aprender a transformar coordenadas globales en coordenadas locales:

3) La clara descripción de la geometría de una pieza es de instrumental importancia para asegurar calidad, intercambiabilidad y consistencia de la producción. Describa brevemente al menos 4 elementos necesarios para especificar una característica geométrica de una parte.

Referencia bibliográfica que se consultó para aprender elementos de las características geométricas de una parte:

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REPORTE DE LA PRÁCTICA

La parte a ser medida será un balero de bolas de pista profunda como el que se muestra a continuación. Las dimensiones características de este componente son el diámetro exterior, el diámetro interior y el ancho.

Medición de una pieza con compás y escala.

Medición de una pieza con vernier.

Medición de una pieza con micrómetro.

Característica Dimensión (unidades)

Diámetro Exterior: ”

Diámetro Interior: ”

Ancho: ”

Característica Dimensión (unidades)

Diámetro Exterior: ”

Diámetro Interior: ”

Ancho: ”

Característica Dimensión (unidades)

Diámetro Exterior: ”

Diámetro Interior: ”

Ancho: ”

Medidas Básicas de un Balero

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Medición de una pieza con CMM.

La parte que será medida con la CMM es una pieza para entrenamiento que se muestra a continuación.

Ubique las dimensiones determinadas por el equipo en el lugar correcto de las vistas del producto presentadas.

Tabla #1 Circunferencias A1, A2 y A3

Vista Superior Tabla # 2 Ángulos P1, P2 y Distancia R1

Vista lateral.

ENTREGAR DEL PRE-REPORTE Y REPORTE DE LA PRÁCTICA

Asegúrese que su pre-reporte y reporte tenga todos los datos del recuadro de identificación y que haya contestado todos los elementos solicitados antes de entregarlo al instructor. Después, pase al almacén a entregar materiales, herramientas y accesorios, y asegúrese de dejar el área de trabajo limpia y en orden antes de retirarse.

Coordenadas

Elemento X Y Dimensión

A1

A2

A3

Elemento Dimensión

P1

P2

R1