TEMA 9. Máquinas medidoras por coordenadas. [Modo de

INTRODUCCIÓN A LA METROLOGÍA
Curso Académico 20112011-12
Rafael Muñoz Bueno
Laboratorio de Metrología y Metrotecnia
LMM--ETSII
LMM
ETSII--UPM
TEMA 9. Equipos de metrología dimensional:
Máquinas medidoras por coordenadas.
Índice
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.
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Curso Académico 11-12
Máquinas medidoras por coordenadas
Introducción a la Metrología
Curso Académico 11-12
Máquinas medidoras por coordenadas, MMC
Máquina Medidoras por Coordenadas: Máquina que emplea
componentes móviles que se trasladan a lo largo de guías con
recorridos ortogonales, para medir una pieza por determinación de las
coordenadas X, Y y Z de los puntos de la misma.
Las coordenadas de los puntos se determinan con un palpador (de
contacto 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 instrumentos
que sirven para realizar mediciones dimensionales y de desviaciones de
la regularidad geométrica de objetos con forma simple o compleja.
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Máquinas medidoras por coordenadas, MMC
• Básicamente, las MMC miden puntos en el espacio
• Es de primordial importancia la existencia de un origen para
poder determinar la posición.
• La potencia de las MMC deriva de su capacidad para calcular,
a partir de los puntos medidos, una gran cantidad de
magnitudes dimensionales:
Distancias
Posiciones relativas
Ángulos
Formas, etc.
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Máquinas medidoras por coordenadas, MMC
Tipos de MMC
Por MMC se suele entender generalmente las máquinas de 3
coordenadas: 3 ejes (XYZ)
Existen también máquinas de una única coordenada
horizontal (M1CH), que junto a las MMC forman el grupo
más extendido de máquinas de medir por coordenas.
Por último, se encuentran las máquinas de dos
coordenadas (bidimensionales), menos utilizadas que las
anteriores.
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Máquinas medidoras por coordenadas, MMC
Principio de funcionamiento de una máquina medidora de formas
• Registro de una pieza con una técnica de medición punto a
punto.
• Se asigna a cada punto las coordenadas (1, 2 o 3) referidas a
un sistema de coordenas en 3D (origen común).
• Vinculación numérica de las coordenadas asignadas a los
puntos, con una geometría espacial completa de la pieza, a
través de un software de medición.
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Máquinas medidoras por coordenadas, MMC
Principio de funcionamiento de una máquina medidora por coordenadas
• La medición de los patrones efectúa mediante la ejecución de
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).
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Máquinas medidoras de 3 coordenadas, MMC
Estructura mecánica
Sistema de medida
Mesa de control
Electrónica
Ordenador
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Máquinas medidoras de 3 coordenadas, MMC
Obtención de los puntos de medida mediante palpado
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Máquinas medidoras de 3 coordenadas, MMC
Configuraciones de una MMC
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Máquinas medidoras de 3 coordenadas, MMC
Configuraciones de una MMC
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Máquinas medidoras de 3 coordenadas, MMC
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 grandes
volúmenes.
• Gran variedad de cabezales de contacto y ópticos que
permiten la medición de piezas complejas y con zonas de
difícil accesibilidad.
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Máquinas medidoras de 3 coordenadas, MMC
Configuraciones de una MMC
Las MMC cubren rangos de medida muy amplios
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Máquinas medidoras de 3 coordenadas, MMC
Configuraciones de una MMC
Gran variedad de cabezales de contacto y ópticos
Z
Y
X
Cabezales de contacto (palpadores)
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Máquinas medidoras de 3 coordenadas, MMC
Errores de guiado y efectos térmicos en una MMC
De la calidad del guiado dependen los defectos
de rectitud, así como los movimientos angulares:
• Cabeceo
• Guiñada
• Balanceo
Estos defectos dependen de los sistemas
mecánicos o aerostáticos, pero sobre todo de la
calidad metrológica de las guías de
deslizamiento (en torno al micrómetro).
También influye el tipo o los tipos de material
constructivo y las condiciones ambientales
reinantes.
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Máquinas medidoras de 3 coordenadas, MMC
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.
• A partir de columnas de bloques patrón escalonados.
Tras situar estos patrones materializados en diversas posiciones y orientaciones
espaciales, se determinan las desviaciones en la medición, respecto al valor
certificado de los patrones.
Se obtienen así distintas expresiones de la incertidumbre de medición, en función
de la longitud medida, tanto para mediciones según los ejes, como en el plano o
en el espacio.
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Máquinas medidoras de 3 coordenadas, MMC
Calibración de MMC
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Máquinas medidoras de 3 coordenadas, MMC
Calibración de MMC
Existen también otros métodos basados en la utilización de placas dotadas de
orificios de sección esférica, o de esferas, mediante las que pueden también
evaluarse las prestaciones de la máquina.
Utilizando métodos específicos se pueden eliminar la influencia de los errores de
guiado de las mismas.
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Máquinas medidoras de 1 coordenada, M1CH
Las máquinas de una coordenada horizontal (M1CH) son equipos de
medida que controlan una única dimensión.
Mediante reglas a trazos internas, o sistemas interferométricos
láser acoplados, y un sistema de palpadores, se determina la
dimensión 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.
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Máquinas medidoras de 1 coordenada, M1CH
Ejemplo de M1CH con
patrón a trazos interna.
regla
Contando con una amplia gama
de accesorios, estas máquinas se
pueden emplear para mediciones
en un rango de valores desde
0,5 mm a 2000 mm.
Incertidumbres del orden de 0,2
µm a 10 µm.
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Máquinas medidoras de 1 coordenada, M1CH
Con los avances de la técnica, en los últimos años han aparecido
en el mercado M1CH con sistemas de medición por láser:
• Mayor precisión
• Ideales para
metrología.
las
necesidades
de
los
laboratorios
de
Con el empleo de la interferometría láser se pueden alcanzar
incertidumbres por debajo de los 0,1 µm.
Utilizando métodos específicos se pueden eliminar la influencia
de los errores de guiado de las mismas.
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Máquinas medidoras de 1 coordenada, M1CH
En este tipo de máquinas es de crucial
importancia el alineamiento del haz
láser con el eje de medida de la
máquina, con el fin de eliminar o
minimizar el error de coseno.
Este tipo de sistemas suele constar de
los siguientes componentes:
• Una fuente láser de Helio-Neón
(generalmente no estabilizado).
• Sistema de palpado coaxial con el
haz láser.
• Zona de medida con capacidad de
alineamiento de la pieza según
varios ejes.
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Mediciones de patrones de diámetro (ext. e int.) en MMC
MMC en modo palpado
1. Selección del palpador a
utilizar.
2. Calibración del palpador
seleccionado.
1
3
Introducción a la Metrología
3. Palpador intercambiable.
2
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Mediciones de patrones de diámetro en MMC
Estrategia de medición:
Comparación frente a columna de bloques patrón escalonados calibrada
Dint
Dext
Columna de BP escalonados
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Dext
Dint
Conjunto pistón-cilindro
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Mediciones de patrones de diámetro en MMC
Estrategia de medición: Alineamiento del patrón
1. Eje con Mejor repetibilidad
Z
Movimiento puro en el eje Y
2. Alineamiento de la pieza
<0,01º en XYZ
Y
3. Posición de medida optimizada
X
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Mediciones de patrones de diámetro en MMC
Estrategia de medición: Determinación de las distancias (Dext y Dint)
D = DN + dD- dREF
1. Determinación de distancias
•
•
•
•
Pto-Pto
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
•
•
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Defecto de redondez
Medida al menos a 0º y 90º
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Mediciones de patrones de diámetro en MMC
Incertidumbre de medida: Modelo matemático
D = DN + dD – dREF + δMD + δMREF + δMMC + δ∆T
Valor de D
Correciones a la medida
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
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Mediciones de patrones de diámetro en MMC: Balance de incertidumbres
U(D) (k=2)
0,16 µm
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