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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 9. Equipos de metrología dimensional:Máquinas medidoras por coordenadas.

1. Qué son las máquinas de medir por coordenas.

Índice

Curso Académico 11-12Introducción a la Metrología

1. Qué son las máquinas de medir por coordenas.

2. Máquina de tres coordenadas (MMC).

3. Máquinas de una coordenada horizontal (M1CH).

4. Mediciones de patrones de diámetro y estimación de la

incertidumbre en una MMC.

Máquinas medidoras por coordenadas


Máquina Medidoras por Coordenadas: Máquina que empleacomponentes móviles que se trasladan a lo largo de guías conrecorridos ortogonales, para medir una pieza por determinación de lascoordenadas X, Y y Z de los puntos de la misma.

Máquinas medidoras por coordenadas, MMC


coordenadas X, Y y Z de los puntos de la misma.

Las coordenadas de los puntos se determinan con un palpador (decontacto o sin él) y sistema de medición del desplazamiento (escala),que se encuentran en cada uno de los ejes.

Las Máquinas de Medición por Coordenadas (MMC) son instrumentosque sirven para realizar mediciones dimensionales y de desviaciones dela regularidad geométrica de objetos con forma simple o compleja.

• Básicamente, las MMC miden puntos en el espacio

• Es de primordial importancia la existencia de un origen parapoder determinar la posición.



• La potencia de las MMC deriva de su capacidad para calcular,a partir de los puntos medidos, una gran cantidad demagnitudes dimensionales:

�Distancias

�Posiciones relativas

�Ángulos

�Formas, etc.

Tipos de MMC

� Por MMC se suele entender generalmente las máquinas de 3coordenadas: 3 ejes (XYZ)



� Existen también máquinas de una única coordenadahorizontal (M1CH), que junto a las MMC forman el grupomás extendido de máquinas de medir por coordenas.

� Por último, se encuentran las máquinas de doscoordenadas (bidimensionales), menos utilizadas que lasanteriores.

• Registro de una pieza con una técnica de medición punto apunto.


Principio de funcionamiento de una máquina medidora de formas


punto.

• Se asigna a cada punto las coordenadas (1, 2 o 3) referidas aun sistema de coordenas en 3D (origen común).

• Vinculación numérica de las coordenadas asignadas a lospuntos, con una geometría espacial completa de la pieza, através de un software de medición.

• La medición de los patrones efectúa mediante la ejecución deprogramas de control numérico (CNC) para su automatización:


Principio de funcionamiento de una máquina medidora por coordenadas


programas de control numérico (CNC) para su automatización:

� Menor influencia del operador en el resultado final de la medida.� Mejor repetibilidad y reproducibilidad.

• El CNC puede ser complementado con sistemas CAD

• Automatización del proceso: Mayor número de medidas

• Mejor tratamiento estadístico de los resultados obtenidos.• Reducción de costes económicos (menor tiempo de calibración).

Máquinas medidoras de 3 coordenadas, MMC

Estructura mecánica

Sistema de medida

Mesa de control


Electrónica

Ordenador


Obtención de los puntos de medida mediante palpado



Configuraciones de una MMC




• Las MMC cubren rangos de medida muy amplios:


� Modelos compactos para medición de piezas pequeñas.

� Modelos de gran capacidad para medición de grandesvolúmenes.

• Gran variedad de cabezales de contacto y ópticos quepermiten la medición de piezas complejas y con zonas dedifícil accesibilidad.



Las MMC cubren rangos de medida muy amplios




Gran variedad de cabezales de contacto y ópticos

ZZZ


Cabezales de contacto (palpadores)

X

Y

X

Y

X

Y


Errores de guiado y efectos térmicos en una MMC

De la calidad del guiado dependen los defectosde rectitud, así como los movimientos angulares:

• Cabeceo• Guiñada


• Guiñada• Balanceo

Estos defectos dependen de los sistemasmecánicos o aerostáticos, pero sobre todo de lacalidad metrológica de las guías dedeslizamiento (en torno al micrómetro).

También influye el tipo o los tipos de materialconstructivo y las condiciones ambientalesreinantes.


Calibración de MMC

Para la calibración de las máquinas de coordenadas existen diversos métodos,siendo los más extendidos, por estar normalizados:

• Los basados en la utilización de bloques patrón.


• Los basados en la utilización de bloques patrón.

• A partir de columnas de bloques patrón escalonados.

Tras situar estos patrones materializados en diversas posiciones y orientacionesespaciales, se determinan las desviaciones en la medición, respecto al valorcertificado de los patrones.

Se obtienen así distintas expresiones de la incertidumbre de medición, en funciónde la longitud medida, tanto para mediciones según los ejes, como en el plano oen el espacio.


Calibración de MMC



Calibración de MMC

Existen también otros métodos basados en la utilización de placas dotadas deorificios de sección esférica, o de esferas, mediante las que pueden tambiénevaluarse las prestaciones de la máquina.

Utilizando métodos específicos se pueden eliminar la influencia de los errores de


Utilizando métodos específicos se pueden eliminar la influencia de los errores deguiado de las mismas.

Las máquinas de una coordenada horizontal (M1CH) son equipos demedida que controlan una única dimensión.

Mediante reglas a trazos internas, o sistemas interferométricosláser acoplados, y un sistema de palpadores, se determina la

Máquinas medidoras de 1 coordenada, M1CH


láser acoplados, y un sistema de palpadores, se determina ladimensión de la pieza a medir.

En general, las M1CH se componen de:

• Un brazo móvil y otro fijo

• Zona de colocación de la pieza

• Sistemas de alineamiento

• Sistema de palpadores.

Ejemplo de M1CH con reglapatrón a trazos interna.

Contando con una amplia gamade accesorios, estas máquinas sepueden emplear para mediciones



pueden emplear para medicionesen un rango de valores desde0,5 mm a 2000 mm.

Incertidumbres del orden de 0,2µm a 10 µm.


Con los avances de la técnica, en los últimos años han aparecidoen el mercado M1CH con sistemas de medición por láser:

• Mayor precisión

• Ideales para las necesidades de los laboratorios de


• Ideales para las necesidades de los laboratorios demetrología.

Con el empleo de la interferometría láser se pueden alcanzarincertidumbres por debajo de los 0,1 µm.

Utilizando métodos específicos se pueden eliminar la influenciade los errores de guiado de las mismas.


En este tipo de máquinas es de crucialimportancia el alineamiento del hazláser con el eje de medida de lamáquina, con el fin de eliminar ominimizar el error de coseno.


Este tipo de sistemas suele constar delos siguientes componentes:

• Una fuente láser de Helio-Neón(generalmente no estabilizado).

• Sistema de palpado coaxial con elhaz láser.

• Zona de medida con capacidad dealineamiento de la pieza segúnvarios ejes.

Mediciones de patrones de diámetro (ext. e int.) en MMC

MMC en modo palpado

1. Selección del palpador autilizar.

2. Calibración del palpador


123

2. Calibración del palpadorseleccionado.

3. Palpador intercambiable.

Mediciones de patrones de diámetro en MMC

Estrategia de medición:Comparación frente a columna de bloques patrón escalonados calibrada

Dint Dext

Conjunto pistón-cilindroColumna de BP escalonados


DintDext


Estrategia de medición: Alineamiento del patrón

1. Eje con Mejor repetibilidad ZZZ


1. Eje con Mejor repetibilidad

Movimiento puro en el eje Y

2. Alineamiento de la pieza

<0,01º en XYZ

3. Posición de medida optimizada

X

Y

X

Y

X

Y


Estrategia de medición: Determinación de las distancias (Dext y Dint)

1. Determinación de distancias

• Pto-Pto• 10 puntos a cada lado (0º y 180º)

D = DN + dD- dREF


• 10 puntos a cada lado (0º y 180º)• 100 mediciones• Las medias se corrigen a 20 ºC

2. Ciclo de medida

• Medida REF – Medida D – Medida REF• Cada medida se efectúa tres veces

3. Medidas realizadas a 3 alturas

4. Defectos de forma

• Defecto de redondez• Medida al menos a 0º y 90º


Incertidumbre de medida: Modelo matemático

D = DN + dD – dREF + δMD + δMREF + δMMC + δ∆T

Correciones a la medidaValor de D


D = Diámetro calculado

DN = Diámetro nominal

dD = Desviación del diámetro al nominal

dREF = Desviación del patrón a su valor de referencia

δMD = Corrección debida a la medida del diámetro

δMREF = Corrección debida a la medida del patrón

δMMC = Contribuciones de la máquina

δ∆T = Efectos de la temperatura

Correciones a la medida

Mediciones de patrones de diámetro en MMC: Balance de incertidumbres


U(D) (k=2)

0,16 µm

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