Metrología Dimensional

Durante - y al final - de los procesos productivos o de desarrollo de piezas industriales, éstas son sometidas a varias pruebas, inspecciones, verificaciones. La actividad tecnológica dedicada a la adquisición y proceso de datos para evaluar la conformidad de las piezas industriales con las formas previstas en el plano se denomina inspección geométrica. Conocer una pieza con sus formas características significa poder describir, ubicar y orientar las formas presentes en la pieza. En otras palabras, poder contestar para cada una de estas formas a las preguntas: ¿Cómo está? ¿Dónde se sitúa? ¿Cuál es su orientación?.

La información resultante de este proceso sirve para la homologación o la mejoría de la tecnología de fabricación. El esquema siguiente describe y localiza el proceso de inspección en el proceso productivo.

Para realizar inspecciones geométricas, en los laboratorios de metrología se dispone de una diversidad de medios. Operarios más medios forman un sistema complejo, versátil pero no perfecto. Para mejorarlo es necesario aplicarle correcciones, con el fin de mantener la incertidumbre por debajo de un umbral aceptable. Corregir supone conocer, identificar, evaluar y eliminar errores.

Errores de medición

De un proceso de medición resulta el valor a para una magnitud cuyo verdadero valor es x.

Denominamos error de medición a la diferencia: e = a – x

Dejando aparte de los errores accidentales debidos a la falta de atención o al uso inapropiado de los instrumentos utilizados, los errores de medición son inevitables. Las causas se pueden buscar en la incertidumbre de los instrumentos (errores instrumentales) y también en la actuación del operario en el proceso de ajuste a cero o lectura de los valores (errores subjetivos). A veces los errores instrumentales aparecen como errores regulares, que pueden ser constantes o sistemáticos.

Para ejemplificar, la hora que muestra un reloj de precisión mal sincronizado con la hora mundial está afectada por un error constante. Si la hora se lee en otro reloj que se adelanta con tres minutos cada día, se trata de un error sistemático.

La magnitud de este error depende del tiempo transcurrido de la ultima puesta a cero (cumple la sistemática de una ley). Estos errores constantes o sistemáticos resultan a veces inevitables. Por suerte la regularidad de estos errores permite su detección y eliminación del resultado.

Errores de observación

Las cosas son diferentes en el caso de los errores irregulares o aleatorios. Éstos también son inevitables, pero su eliminación no siempre es posible. Se deben principalmente a la subjetividad del operario, pero pueden aparecer también por causas externas aleatorias e incontrolables.

Para encontrar un valor aproximado a de una magnitud x se efectúa a veces una única medición. De esta evaluación no se puede extraer conclusión alguna sobre el error aleatorio de medición. Efectuando n mediciones sobre el mesurando x se dispone de las aproximaciones: a₁, a₂,.... a_n. Los valores resultados no coinciden especialmente cuando la resolución del instrumento es suficientemente pequeña, pero estos valores incluyen el error aleatorio que depende del operario. Con las aproximaciones a_i se pueden escribir n ecuaciones:

Sistema de ecuaciones indeterminado

Los métodos de compensación ofrecen procedimientos para obtener un valor aproximado aceptable a con una probabilidad conocida. Los errores e_i , aunque individualmente son incontrolables, en su totalidad cumplen unas leyes (por ejemplo la ley de los errores de Gauss) y en esto reside la solución del problema.

Enfoque sobre un error sistemático

De la diversidad de errores potenciales, esta vez se propone analizar sólo un tipo de error geométrico, sistemático, que puede ocurrir en el proceso de inspección de puntos con máquinas de medir por coordenadas (MMC).

Para identificar puntos sobre las características a inspeccionar, la mayoría de las MMC utilizan una punta esférica, (más habitual de rubí industrial) montada en sondas pasivas. El sistema de procesamiento de datos de la máquina es capaz de realizar la correcta compensación del radio del palpador, excepto para puntos individuales que se exploran a lo largo de una dirección que no es perpendicular a la superficie en la zona de contacto. Es éste el caso que se propone analizar.

Las demandas de inspección de puntos sobre superficies se pueden encontrar en los planos expresadas en tablas de coordenadas. En general se imponen dos de las coordenadas y se pide el valor de la tercera, tal como se puede ver en la figura siguiente:

Para simplificar el análisis se limita a una situación 2D como en la figura siguiente. La representación gráfica es el detalle ampliado de la situación en el momento del palpado. Se ha marcado con K la característica sobre la cual se quiere inspeccionar el punto deseado D, situado a la distancia d a lo largo del eje x del sistema de referencia REFSYS.

La esfera de rubí de la sonda de exploración con el centro en E y de radio r se aproxima al punto D. Se propone analizar las alternativas disponibles:

Alternativa a)

Movimiento: manual; consigna: x = d; dirección: YPLUS

CX = 0 (valor implícito); CY = 1 (valor implícito)

Se puede constatar que por este camino el punto D es inalcanzable, debido a la orientación de la característica (inclinada con el ángulo a ). En el camino se interpone el punto I en el cual la sonda toca la característica. El sistema considera que toca con el punto mas adelantado de la esfera, en la dirección de exploración, marcado con C. De este modo, en la evaluación de la coordenada y del punto D aparece el error f, de la distancia que falta por recorrer entre los puntos C y D.

f = h - r

En el triángulo E I D el ángulo I = 90 °

Por lo cual: h

h

sustituyendo:

Sí se desee eliminar el error: f = 0 resulta una solución inviable: r = 0

o del otro factor:

la otra solución:

En el caso representado, para una sonda de Ø2 mm y ángulo a de 25º el error sistemático f es de 103 µm.

Resultado: punto tomado = falso; x = valor esperado; y = falso.

Alternativa b)

Movimiento: manual; consigna: x = d + t; dirección: YPLUS

CX = 0 (valor implícito) CY = 1 (valor implícito)

De este modo se alcanza el punto deseado D, pero en la evaluación de la coordenada y aparece el error s de la distancia que sobra en el desplazamiento a lo largo del eje y.

s = r – r cos (a)

s = r *(1-cos (a))

Soluciones: r = 0 ó

1-cos (a) =0

cos (a) = 1

a = 0º

Se repite, similar al caso anterior, que para disminuir el error se puede reducir el radio y para eliminarlo es necesario explorar a lo largo de la perpendicular local a la superficie.

Resultado: punto tomado = correcto; x = valor inesperado; y = falso.

Alternativa c)

Movimiento: manual; consigna: x = d + t; dirección: YPLUS

CX = r cos (90 + a);

CY = r sen (90 + a)

Al tomar en cálculo los cosenos directorios de la orientación, el sistema evalúa correctamente las coordenadas del punto tocado, pero con la incomodidad de explorar en una posición a calcular: x = d + s = d + r

Resultado: punto tomado = correcto; x = correcto; y = correcto.

Explorando en ejecución manual a lo largo del otro eje X es equivalente a las situaciones anteriores con errores mayores, resultados de la orientación aun peor.

Alternativa d)

Movimiento: automático

Se programa el proceso para ejecución en control numérico, partiendo de un punto de seguridad en dirección perpendicular a la característica de interés.

Resultado: punto tomado = correcto; x = correcto; y = correcto.

Alternativa e)

Si se dispone de sonda activa, capaz de realizar exploración continua en ejecución automática se elimina este tipo de error. La curva resultada se puede procesar en el sistema de medición, o importar en un sistema CAD. Un ejemplo se ve en la figura siguiente:

Alternativa f)

En el entorno 3D la problemática es aún más compleja por lo cual, para una evaluación correcta de coordenadas de puntos, distribuidos sobre superficies complejas es necesario recurrir a la ayuda de un software apropiado.

Al disponer del modelo informático para una pieza, mediante el software de medición programada PC-DMIS en el Laboratorio de Metrología de la Fundación Ascamm Centre Tecnològic podemos elaborar programas de inspección de superficies complejas, antes de tener la muestra de la pieza. Se trabaja según los principios de la ingeniería concurrente en entorno virtual, simulador de la máquina asignada y la pieza en desarrollo. De este modo, con los programas de inspección simulados, listos a la entrega de muestras se consigue una reducción importante en el tiempo de inspección. El uso de esta tecnología resulta provechoso por que da solución a la escasez de tiempo para la fase de inspección, situada cerca del final en los procesos de desarrollo de piezas.

Consejos prácticos

• Aunque el error no se puede eliminar totalmente se recomienda trabajar con la pulcritud necesaria para eliminar los errores constantes y sistemático.
• Si el resultado de una medición se sitúa fuera del campo de tolerancia previsto para esta magnitud, se recomienda repetir la medición (si es posible con distintos instrumentos y/o por distintos operarios) tantas veces hasta que los resultados convergen hacía un mismo valor
• Es inapropiado medir arcos de circulo con un desarrollo menor a 90 grados alrededor del propio centro, utilizando medios de exploración discreta. En estos casos salen resultados más fiables en inspecciones con sonda activa y palpado continuo.
• Es necesario recomendar los cosenos directorios de la dirección perpendicular a la superficie en la zona de exploración, para obtener los resultados sin error geométrico cuando se localizan puntos con sonda pasiva, en ejecución manual, sobre características 3D que no están orientadas en posición privilegiada (perpendicular a uno de los ejes) respecto al sistema de referencia.
• Se recomienda utilizar puntas esféricas con el radio mínimo disponible.
• Para inspección en serie de muestras es preferible la ejecución autómatica, programada en control numérico, para eliminar la subjetividad del operario.
• Recurrir a la ayuda del software apropiado para inspeccionar puntos distribuidos sobre características complejas.

Operarios más medios forman un sistema complejo, versátil pero no perfecto. Para mejorarlo es necesario aplicarle correcciones