TEMA 11. Máquinas medidoras de formas. [Modo de compatibilidad]

INTRODUCCIÓN A LA METROLOGÍA
Curso Académico 20112011-12
Rafael Muñoz Bueno
Laboratorio de Metrología y Metrotecnia
LMM--ETSII
LMM
ETSII--UPM
TEMA 11. Equipos de metrología dimensional
Máquinas medidoras de formas
Índice
1.
Descripción de las máquinas medidoras de formas (MMF).
2.
Obtención de trazabilidad en una MMF.
3.
El filtrado en medidas de defectos de forma.
4.
Técnicas de separación de errores.
5.
Medición del defecto de redondez y estimación de la incertidumbre
en una MMF
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Las máquinas medidoras de formas, MFF
Las máquinas medidoras de formas, MMF: se pueden
considerar
máquinas
de
medir
por
coordenadas
especialmente diseñadas para la medición de piezas de
revolución.
Se componen generalmente de una columna (eje Z) y de
un brazo extensible (eje X).
En el extremo del brazo se acopla un elemento medidor
compuesto por un transductor eléctrico (normalmente de
tipo inductivo), junto con un palpador.
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Elementos medidores de una MMF
Palpador:
Elemento en contacto con la superficie de revolución
del patrón a medir.
El transductor eléctrico inductivo:
Convierte los movimientos mecánicos del palpador en
señales eléctricas proporcionales.
Amplifica electrónicamente dichas señales eléctricas.
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Tipos de máquinas medidoras de formas
La pieza a medir puede girar respecto a un elemento medidor
fijo, o bien, el elemento medidor puede ser el que gire respecto a
la pieza que se mantiene fija:
MMF de tipo mesa giratoria:
Gira la pieza, mientras el palpador permanece estacionario
en contacto con ella.
MMF de tipo elemento medidor giratorio
La pieza permanece estacionaria, mientras el palpador gira
en torno a ella haciendo contacto en su superficie.
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Tipos de máquinas medidoras de formas
Configuraciones de MMF: Mesa giratoria (izq.) y elemento medidor giratorio (dcha.)
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Tipos de máquinas medidoras de formas
Características de la MMF de tipo palpador giratorio
El eje de referencia es aquel entorno al cual gira el palpador.
Este es normalmente bastante ligero y, por tanto, puede
lograrse una buena exactitud.
La mesa de apoyo de la pieza no forma parte del sistema de
medida:
• Puede ser bastante robusta
• Soporta piezas de gran peso
• Posibilidad de medir piezas de gran longitud
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Tipos de máquinas medidoras de formas
Características de la MMF de tipo mesa giratoria
El palpador es independiente del eje de referencia (eje de giro de la mesa)
El palpador puede tener variados movimientos:
• Mediciones de concentricidad y alineamiento.
• Mediciones de superficies tanto internas como externas.
• También puede contactar el palpador tanto superficies internas como
externas.
Pueden realizarse mediciones de rectitud vertical y horizontal, así como
evaluación de paralelismo y perpendicularidad.
El peso de la mesa giratoria y de la pieza sobre ella situada es crítico
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MFF de tipo mesa giratoria
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Trazabilidad en la medida de formas
Para la obtención de la trazabilidad al patrón nacional de
longitud de las medidas de los defectos de formas se debe
ajustar previamente la MMF:
De forma ESTÁTICA
De forma DINÁMICA
Factor de amplificación de la MMF
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Trazabilidad en la medida de formas
Ajuste de la MMF de forma estática
Se utilizan bloques patrón
nominales próximos entre sí.
longitudinales,
de
valores
Son adheridos a un vidrio plano.
El pequeño escalón generado entre los bloques se utiliza para
obtener el factor de amplificación del elemento medidor.
La trazabilidad en este caso viene dada por los bloques patrón.
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Trazabilidad en la medida de formas
Ajuste de la MMF de forma dinámica
Se emplea un tipo de patrón denominado patrón de amplificación
(flick standard).
Se trata de un cilindro al que se le
ha practicado un rebaje en su
superficie lateral.
Dicho rebaje se obtiene mediante
intersección de una superficie
plana con el cuerpo del cilindro.
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Trazabilidad en la medida de formas
Ajuste de la MMF de forma dinámica
El valor del rebaje es generalmente inferior a 50 µm.
Se calibra como si de un diámetro se tratase.
Obteniéndose de esta manera la trazabilidad al patrón nacional
de longitud.
Con el valor así medido se obtiene un factor de amplificación
que corrige los desplazamientos que registra el elemento
medidor de la MMF.
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Trazabilidad en la medida de formas
Ajuste de la MMF de forma dinámica
90,00 deg
180,00 deg
0,00 deg
270,00 deg
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Filtrado de las medidas realizadas con MMF
El perfil medido de un defecto de forma se puede considerar como la
superposición de ondas sinusoidales (armónicos)
Análisis de la superposición de armónicos de perfiles circulares.
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Filtrado de las medidas realizadas con MMF
La separación entre rugosidad-ondulación y desviaciones de
forma no está internacionalmente normalizada.
La contribución de la rugosidad a los defectos de forma depende
en gran parte del método de medida.
En la práctica, la rugosidad se elimina
mediante la utilización de palpadores de
punta esférica.
El radio de curvatura de la punta
esférica filtra la rugosidad de la
superficie.
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Filtrado de las medidas realizadas con MMF
Además, las MFF formas permiten el uso de filtros pasa-bajo (lowpass) para
la separación de defectos de forma y rugosidad.
Dichos filtros actúan atenuando o eliminando la amplitud de aquellos
armónicos cuya longitud de onda es menor que un valor fijado.
Los diferentes filtros se pueden clasificar, por tanto, según su atenuación
(en %) y según su frecuencia de corte (cut-off).
En medidas de perfiles circulares (redondez, cilindricidad, etc.) la frecuencia
de corte se expresa en ondulaciones por vuelta, UPR (Undulations per
revolution).
Para el caso de perfiles lineales, el cut-off se expresa en mm y representa la
longitud de onda de filtrado.
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Técnicas de separación de errores en MMF
En mediciones que requieren una muy baja incertidumbre, se
acude a técnicas específicas de reversión y separación de
errores.
Permiten separar y evaluar los errores propios de la máquina y
los inherentes al patrón objeto de calibración.
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Técnicas de separación de errores en MMF
Medidas de la redondez, R: Patrón de calidad industrial
Dos perfiles de redondez realizadas sobre un patrón de
diámetro: R ≥100 nm.
Medidas realizadas en dos posiciones angulares diferentes
con respecto a la mesa de rotación: 0º y 90º.
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Técnicas de separación de errores en MMF
Medidas de la redondez, R: Patrón de calidad industrial
El defecto de redondez del patrón está girado en la misma
medida que se ha girado el patrón sobre la mesa de rotación.
En distintas posiciones de medida en la MMF se obtiene el
mismo perfil pero girado los n grados aplicados sobre la
mesa.
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Técnicas de separación de errores en MMF
Medidas de la redondez, R: Patrón de calidad metrológica
Cuando se realizan medidas en distintas posiciones angulares de
patrones de mayor calidad (calidad metrológica, R < 100 nm) el
perfil obtenido es prácticamente igual en todas las posiciones.
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Técnicas de separación de errores en MMF
Medidas de la redondez, R: Patrón de calidad metrológica
El defecto de redondez del patrón en este caso es muy inferior al
error propio del sistema de medida.
Al medir el patrón en distintas posiciones angulares se observa
siempre el mismo perfil (el del error de la máquina).
A este error de la máquina se le denomina spindle error.
Spindle error: error de rotación de la MMF.
Es una de las especificaciones técnicas más importantes de una MMF.
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Técnicas de separación de errores en MMF
MEDIDAS DE LA REDONDEZ
MÉTODO MULTI-STEP
ERROR ROTACIÓN MMF
R = 33 nm
R = 7 nm
90,00 deg
180,00 deg
0,00 deg
270,00 deg
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REDONDEZ PATRÓN
90,00 deg
180,00 deg
0,00 deg
270,00 deg
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Determinación del defecto de redondez en MMF
Incertidumbre de medida: Modelo matemático
1
R=
N
∑ R + δ ruido + δ cal + δ erm + δ ∆T + δ res
i
Medida de R
R: Defecto de redondez del patrón.
Correciones a la medida
Ri: Medida i-ésima del defecto de redondez.
δruido: Corrección debida al ruido.
∆cal: Corrección por calibración del palpador.
δerm: Corrección
δ∆T:
por error de rotación de la máquina.
Corrección por efectos térmicos.
δres: Corrección por resolución
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de la MMF.
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Determinación del defecto de redondez en MMF
Incertidumbre de medida: Modelo matemático
Variable Xi
Peso Relativo
Distribución Coef. Sensibilidad C
(%)
Repetibilidad
Repetibilidad
normal
0,33
tipo U
0,04
rectangular
99,32
normal
rectangular
rectangular
0,00
0,00
0,00
rectangular
rectangular
0,06
0,24
rectangular
0,01
100
Ruido
Amp. Ruido estimada
Error de rotación
Error de rotación de la máquina
Calibración palpador
Incertidumbre calibración Flick
Influencia del error rotación máquina
Cambio de rango
Efectos térmicos
Error de cierre
Deriva excentricidad
Resolución
Resolución
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