Conceptos Fundamentales de Metrología

• Metrología: Tiene por objeto el estudio de las magnitudes medibles, los sistemas de unidades, los métodos y técnicas de medición, y la valoración de la calidad de las mediciones.
• Metrología dimensional: Es la parte de la metrología que estudia los procesos de medida de las magnitudes relacionadas con la longitud, distancias, formas, ángulos, etc. Se centra en la parte teórica.
• Metrotecnia: Mediante ella se establece y regula la utilización de un conjunto de técnicas, habilidades, métodos y procesos para la aplicación de la metrología en la medición. Se centra en la realización práctica de la medida.
• Exactitud: Grado de concordancia entre el resultado de una medición y el valor verdadero de la magnitud medida.
• Precisión: Capacidad de un instrumento para dar el mismo resultado en mediciones diferentes realizadas en las mismas condiciones.

Errores Típicos en la Medición

Es imposible determinar el valor verdadero de una magnitud. A continuación, se detallan los diferentes tipos de errores que pueden surgir durante el proceso de medición.

Clasificación General de Errores

• Errores sistemáticos: Aquellos que permanecen constantes en los procesos de medición, repitiéndose sistemáticamente mientras se mantengan las mismas condiciones. Son provocados por defectos en los instrumentos, fallos en la calibración, etc.
• Errores aleatorios: Son fortuitos, accidentales y variables. No se pueden predecir y aparecen espontáneamente, provocados por fallos humanos o mal funcionamiento de los instrumentos.
• Error absoluto de medida: Es la diferencia entre la lectura que proporciona el instrumento y el valor verdadero de la magnitud estudiada.
• Error relativo de medida: Es el cociente entre el error absoluto y el valor verdadero.

Errores Debidos al Operador

La persona que interviene en el proceso, realizando las mediciones, influye en los resultados obtenidos.

• Error de lectura: Ocurre cuando se requiere la interpretación de escalas o divisiones, pudiendo aparecer errores de apreciación, interpolación o coincidencia. Un ejemplo común es el error de paralaje.
• Error de posicionamiento: Se genera al situar piezas desalineadas con el instrumento de medida o cuando la pieza es muy grande en comparación con el instrumento.
• Error por fatiga: Es habitual en mediciones donde la apreciación es ligeramente subjetiva y en todas las operaciones donde la magnitud es estimada por el operario.

Errores Debidos al Instrumento

En la fabricación de un instrumento siempre se cometen imperfecciones que condicionan sus mediciones. Con el paso del tiempo, la utilización y el desgaste, se van generando derivas en la medida.

• Error por presión inadecuada de los contactos: Al realizar la medición, se ejerce una presión entre los palpadores del instrumento y el elemento a medir. Esta fuerza genera deformaciones elásticas que falsean la verdadera magnitud de la pieza.
• Error por la forma del palpador: Los contactos deberán poseer formas que se adecuen convenientemente a la superficie a medir. Suelen emplearse palpadores esféricos para la medición de superficies planas y contactos planos para cilindros.

Errores Debidos al Mensurando

El mensurando es la magnitud particular sometida a medición. Los errores pueden originarse en la propia pieza.

• Errores microgeométricos: Debidos a su proceso de fabricación.
• Errores macrogeométricos: Pueden encontrarse, por ejemplo, en la determinación del diámetro de un cilindro, ya que pueden presentarse errores de ovalización o defectos en la redondez.
• Errores por deformación: Las formas y dimensiones de las piezas objeto de estudio pueden provocar deformaciones propias del elemento. Por ejemplo, una varilla cuya esbeltez genere una curvatura que falsee la medida tomada desde sus extremos.

Errores Debidos a Factores Externos

• Generados por la temperatura: La temperatura de las piezas sometidas a medición es de gran importancia, porque los materiales están sujetos a dilataciones que provocarán falsas medidas.
• Generados por la humedad: La corrosión es un factor negativo en los elementos que intervienen en la medición. Se debe controlar la humedad relativa en las zonas de trabajo.
• Generados por presión, vibraciones, luz, etc.: En un laboratorio de metrología se deben controlar factores como una correcta iluminación (evitando el acceso de rayos de sol), la ausencia de vibraciones y las corrientes de aire.

Incertidumbre de Medida

Es un parámetro asociado al resultado de una medición que indica el intervalo de valores que podrían ser razonablemente atribuidos a la magnitud que se mide. Para calcularlo, intervienen varios factores, como el análisis de la distribución estadística de una serie de valores, basándose en la desviación típica muestral; la incertidumbre será proporcional a esta desviación.

Tipos de Evaluación de la Incertidumbre

• Evaluaciones tipo A (aleatorias): La estimación de la incertidumbre se realiza basándose en métodos estadísticos. El valor de la incertidumbre será proporcional a la desviación típica.
• Evaluaciones tipo B (sistemáticas): La estimación de la incertidumbre se logra mediante otras informaciones, como la experiencia, certificados de calibración, especificaciones del fabricante, etc.

Instrumentos y Patrones de Medición

Bloques Patrón

Inventados por Carl Edward Johansson, poseen la forma de un paralelepípedo rectangular y presentan dos caras paralelas que formalizan la longitud de referencia. Están construidos con material resistente al desgaste y con buenos acabados superficiales. Esto posibilita la unión de varias galgas (calas) entre sí para construir una medida de referencia, permitiendo múltiples combinaciones mediante acoplamiento. Estos patrones suelen venir en juegos con dimensiones escalonadas, dentro de estuches de madera, y se utilizan normalmente en la calibración de instrumentos. Tienen costes muy elevados y requieren una manipulación cuidadosa: usar guantes o tener las manos limpias y secas, mantener una temperatura entorno a 20 °C, no sujetarlos por la superficie de medida y, al terminar, limpiarlos, aplicarles un aceite neutro o vaselina y guardarlos con cuidado.

Medición de Diámetros en Roscas

• Medición del diámetro exterior: Se realiza poniendo los palpadores de un instrumento convencional en contacto con el perímetro del tornillo.
• Medición del diámetro interior: Se deben usar palpadores especiales montados en el micrómetro que entren en contacto directo con el núcleo de la rosca.
• Medición del diámetro medio: Es el más importante, ya que es donde entran en contacto los filetes del tornillo. Se encuentra a mitad de altura del triángulo generador.

Métodos de Verificación

• Verificación con micrómetro de puntas: Se usan micrómetros de exteriores a los que se les acoplan a sus palpadores contactos en forma de V y de cono.
• Verificación mediante rodillos calibrados (método de los tres hilos): Es el método más preciso y se utiliza para el control de roscas de precisión. Se acoplan dos rodillos en los extremos, montados sobre portahilos. En un palpador se pone una varilla calibrada y en el otro un conjunto de dos varillas. De esta manera, al ponerse en los vanos de la rosca del tornillo, se puede medir su diámetro medio.

Sistemas Mecánicos Específicos

Engranajes de Tornillo sin Fin

Es un sistema de ruedas helicoidales en el que una tiene muy pocos dientes. Están compuestos de dos partes:

1. Un tornillo sin fin de una o varias entradas (con un ángulo que oscila entre 30 y 40 grados).
2. Una rueda dentada.

Tipos de Engranajes de Tornillo sin Fin

• Tornillo sin fin cilíndrico con rueda helicoidal cilíndrica: Solo transmite pequeñas potencias.
• Tornillo sin fin cilíndrico con rueda helicoidal cóncava: Es capaz de transmitir grandes potencias y es muy empleado.
• Engranaje sin fin globoidal: Ofrece buenos resultados de funcionamiento, pero su aplicación es reducida debido a su fabricación muy costosa.

Análisis de Superficies: La Rugosidad

Definición de Rugosidad Superficial

Es el conjunto de irregularidades que posee la superficie real de un objeto en una sección determinada, donde los errores de forma y las ondulaciones han sido eliminados. Dependiendo de la aplicación, una pieza tendrá un acabado superficial determinado. Por ejemplo, la superficie de una guía deslizante debe tener un buen acabado, pero si es una superficie irrelevante para el correcto funcionamiento del equipo, el acabado no será de alta calidad. Cuanto mejor es el acabado, mayor es el coste de realización.

Tipos de Superficies

• Superficie teórica: La especificada en los planos.
• Superficie real: La que delimita el cuerpo y se obtiene una vez ejecutada la pieza.
• Superficie efectiva: La parte de la superficie real que ha sido estudiada para determinar las características de la pieza.

Defectos Superficiales Comunes

Hay multitud de factores que intervienen en la fabricación de las superficies. La superficie de un cuerpo sólido puede presentar estos defectos:

• Rugosidad: Causada por el procedimiento empleado para su obtención, genera ranuras o estrías en la superficie del material.
• Ondulación: Generada por desajustes en las máquinas de mecanizado, vibraciones o tensiones internas.
• Errores de forma: Falta de planitud, de curvatura, conicidad, etc.

Rugosímetro

Es un aparato dotado de un palpador de diamante que se desplaza linealmente sobre el material. Es capaz de ampliar el perfil superficial que recorre, mostrando las crestas y valles que definen la superficie efectiva. Emplea procedimientos electromecánicos, convirtiendo los desplazamientos verticales de la punta del palpador en señales eléctricas que amplifica, filtra y procesa, para finalmente mostrar el valor numérico que representa la rugosidad.

Parámetros de Rugosidad

Los valores que caracterizan la rugosidad se definen en función de la norma o estándar empleado (DIN, JIS, ANSI, ISO). Los parámetros más utilizados para determinar la altura de la rugosidad son:

• Ra: Desviación aritmética media del perfil.
• Rq: Desviación cuadrática media del perfil.
• Rp: Máxima altura del pico del perfil.
• Rv: Máxima profundidad del valle del perfil.
• Rz: Máxima altura del perfil.
• Rt: Altura total del perfil.
• Rsm: Anchura media de los elementos del perfil (para la dirección transversal).

Verificación de Geometrías

Verificación de Superficies Planas

Para superficies grandes que no requieran una excesiva precisión, se usan reglas de cuchillo que se colocan sobre la superficie a verificar, comprobando visualmente la medida de la rendija que se forma, pudiendo alcanzar apreciaciones de hasta 0,01 mm. Cuando se requiere más precisión, se usa un reloj comparador que deslizamos sobre la superficie a verificar; el soporte del reloj estará sobre una regla apoyada en bloques patrón. También puede verificarse aplicando sobre un mármol una capa fina de azul de Prusia; se apoya la superficie a verificar y esta quedará marcada en una serie de puntos. Si son pocos los puntos marcados, será señal de un error de forma.

Verificación de Perpendicularidad

Se realiza mediante una escuadra. Para verificar la perpendicularidad entre dos planos, se puede usar un rodillo o escuadra de verificar y bloques patrón, o una escuadra de precisión y un reloj comparador. Si queremos hacerlo entre dos ejes móviles, anclamos el reloj comparador a un eje y lo apoyamos sobre el otro, haciendo girar el primero 180°. La lectura la tomaremos cuando la aguja cambie el sentido de giro, al ser el punto de menor distancia. Cuando los ejes son inmóviles, emplearemos una escuadra de precisión con una base en forma de V que apoyaremos sobre un eje, mientras que sobre el otro eje reposaremos el soporte del reloj comparador para deslizarlo longitudinalmente.

Verificación de Paralelismo

Se describen los métodos para verificar el paralelismo entre diferentes elementos.

Paralelismo entre dos planos

Se acopla un reloj a un soporte deslizante, se apoya en una superficie haciendo reposar el palpador del reloj en la otra de forma perpendicular y después desplazaremos el conjunto.

Paralelismo entre dos ejes

Se apoya la base en forma de V de un reloj comparador en un eje, el palpador entra en contacto con el otro eje y oscilaremos el elemento de verificación para determinar el punto más bajo. Se repetirá esto a lo largo del eje en varios puntos. Si el resultado de la lectura coincide, quiere decir que los ejes son paralelos; si hay diferencia, el plano no está en concordancia.

Paralelismo entre una guía y un eje

Mediante un comparador colocado en un soporte con la forma adecuada, verificaremos el paralelismo entre los dos planos de la guía y el eje.

Verificación de Equidistancia

Consiste en la comprobación de la distancia de un cuerpo respecto de otro. Para la verificación de la equidistancia de dos ejes respecto a un plano, se colocará el reloj comparador en una base que se apoyará sobre la superficie plana. Se pondrá el palpador en el eje y se desplazará lateralmente hasta que la aguja cambie su sentido de giro, lo que implica el punto más bajo. Una vez hecho esto, realizamos la misma operación en el otro eje.