IV. Medición e inspección

4.1 Metrología

La metrología que estudia los aspectos teóricos y prácticos referidos a la medición de longitud, masa, tiempo, corriente eléctrica, temperatura y radiación luminosa. A partir de estas se pueden calcular el área, el volumen, la velocidad, la aceleración, la fuerza, etc.

IV.1.1 Principios de mediciónLos conceptos más usados en la metrología son la exactitud y la precisión. La exactitud es el grado en que un valor medido coincide con el valor verdadero de la cantidad de interés. Los errores sistemáticos son desviaciones positivas o negativas del valor verdadero que son consistentes de una medición a la siguiente.La precisión es el grado en el que se puede medir el proceso de medición. Una buena precisión significa que se reducen al mínimo los errores aleatorios en el procedimiento de medición. Por lo general los errores aleatorios se asocian con la participación humana en el proceso de medición.

IV.1.2 Estándares y sistemas de mediciónActualmente predominan dos sistemas de unidades:

El sistema de uso común en Estados unidos (USCS). El sistema internacional de Estados Unidos (SI).

IV.2 Principios de Inspección La inspección implica el uso de técnicas de medición y calibración para determinar si un producto, sus componentes, sus subensambles o materiales iniciales cumplen con las especificaciones del diseño. Las inspecciones se dividen en dos tipos:

Inspección por variables, las dimensiones del producto o pieza de miden mediante instrumentos de medición adecuados.

Inspección por atributos, las piezas se calibran para determinar si están dentro de los límites de tolerancia o no.

Las dos se diferencian en que la calibración puede hacerse a rapidez y a un bajo costo.

IV.2.1 Prueba contra inspecciónHace referencia a los aspectos funcionales del producto. En el control de calidad, la prueba es un procedimiento en el cual el producto, subensamble, pieza o material se observan en condiciones que podrían encontrarse durante el servicio. Si pasa la prueba, se certifica para entregarlo al cliente.En ocasiones, la prueba de un componente o material es destructiva o dañina. En estos casos los artículos deben probarse con base en un muestreo. El costo de las pruebas destructivas es significativo y se realizan grandes esfuerzos para poner en practica métodos que no provoquen la destrucción del artículo.

IV.2.2 Inspección manual y automatizadaLos procedimientos de inspección se realizan frecuentemente en forma manual. Debido al tiempo y costo de la inspección manual, generalmente se usan procedimientos de muestreo estadístico para reducir la necesidad de inspeccionar todas las piezas.

Muestreo contra inspección al 100% Cuando se usa la inspección de muestreo, por lo general el número de piezas en la muestra es pequeño en comparación con la cantidad de piezas producidas. El tamaño de la muestra puede ser únicamente el 1% de la corrida de producción.

Inspección al 100% automatizada La automatización del proceso de inspección ofrece un modo de superar los problemas asociados con la inspección al 100% manual. Se puede integrar en el proceso de manufactura para realizar alguna acción relativa en el proceso.

IV.2.3 Inspección por contacto contra inspección sin contactoLa inspección por contacto implica el uso de una sonda mecánica u otro dispositivo que hace contacto con el objeto que se inspecciona.Los métodos de inspección sin contacto utilizan un sensor localizado a cierta distancia del objeto para medir o calibrar las características deseadas. Las ventajas comunes de la inspección sin contacto son:

Ciclos de inspección más rápidos. Se evita que puedan ocurrir daños a las partes debido al

contacto.

IV.3 Instrumentos de medición y calibradores convencionalesSe consideran los instrumentos y calibradores que se operan en forma manual y que se usan para medir dimensiones como longitud, profundidad y diámetro.

IV.3.1 Bloques calibrados de precisión Los bloques calibrados de precisión son los estándares contra los que se comparan otros instrumentos de medición y calibradores de dimensión. Por lo general, los bloques de calibración tienen forma cuadrada o rectangular. Las superficies de medición tienen un acabado considerado dimensionalmente exacto y paralelo hasta dentro de varias millonésimas de una pulgada y pulidos con un acabado tipo espejo.

IV.3.2 Instrumentos de medición para dimensiones linealesLos instrumentos de medición se dividen en dos puntos: graduados y no graduados. Los dispositivos de medición graduados incluyen un conjunto de marcadores (llamados graduaciones) sobre una escala lineal o angular, contra la cual puede compararse la característica de interés del objeto. Los dispositivos de medición no graduados no poseen tal escala y se usan para hacer comparaciones entre las dimensiones o para transferir una dimensión y efectuar su medición mediante un dispositivo graduado.

Pie de rey o calibrador Vernier universalSirve para medir con precisión elementos pequeños (tornillos, orificios, pequeños objetos, etc.). La precisión de esta herramienta llega a la décima, a la media décima de milímetro e incluso llega a apreciar centésimas de dos en dos (cuando el nonio está dividido en cincuenta partes iguales). Para medir exteriores se utilizan las dos patas largas, para medir interiores (por ejemplo diámetros de orificios) las dos patas pequeñas, y para medir profundidades un vástago que sale por la parte trasera, llamado sonda de profundidad. Para efectuar una medición, se ajusta el calibre al objeto a medir y se fija. La pata móvil tiene una escala graduada (10, 20 o 50 divisiones, dependiendo de la precisión).La medición con este aparato se hará de la siguiente manera: primero se deslizará la parte móvil de forma que el objeto a medir quede entre las dos patillas si es una medida de exteriores. La patilla móvil indicará los milímetros enteros que contiene la medición. Los decimales deberán averiguarse con la ayuda del nonio. Para ello se observa qué división del nonio coincide con una división (cualquiera) de las presentes en la regla fija. Esa división de la regla móvil coincidirá con los valores decimales de la medición.

Pie de rey de torneroEs muy parecido al anteriormente descrito, pero con las uñas adaptadas a las mediciones de piezas en un torno. Este tipo de calibres no dispone de patillas de interiores pues con las de exteriores pueden realizarse medidas de interiores, pero deberá tenerse en cuenta que el valor del diámetro interno deberá incrementarse en 10 mm debido al espesor de las patillas del instrumento (5 mm de cada una).

Calibre de profundidadEs un instrumento de medición parecido a los anteriores, pero tiene unos apoyos que permiten la medición de profundidades, entalladuras y agujeros. Tiene distintas longitudes de bases y además son intercambiables.

Banco de una coordenada horizontalEquipo de medición para la calibración de los instrumentos de medida. Provisto de una regla de gran precisión permite comprobar los errores de los útiles de medida y control, tales como pies de rey, micrómetros, comparadores, anillos lisos y de rosca, tampones, quijadas, etc.

MicrómetroPerno micrométrico o Palmer: es un instrumento que sirve para medir con alta precisión (del orden de una micra, equivalente a 10-6 metros) las dimensiones de un objeto. Para ello cuenta con dos puntas que se aproximan entre sí mediante un tornillo de rosca fina, el cual tiene grabado en su contorno una escala. La escala puede incluir un nonio. Frecuentemente el micrómetro también incluye una manera de limitar la torsión máxima del tornillo, dado que la rosca muy fina hace difícil notar fuerzas capaces de causar deterioro de la precisión del instrumento.

Los micrómetros se clasifican de la siguiente manera:

o Micrómetro de exteriores: es un instrumento de medida

capaz de medir el exterior de piezas en centésimas. Posee contactos de metal duro rectificados y lapeados. Ejerce sobre la pieza a medir una presión media entre 5 y 10 N, posee un freno para no dañar la pieza y el medidor si apretamos demasiado al medir.

o Micrómetro digital: es exactamente igual al anterior,

pero tiene la particularidad de realizar mediciones de hasta 1 milésima de precisión y es digital, a diferencia de los anteriores que son analógicos.

o Micrómetro exterior con contacto de platillos: de igual

aspecto que los anteriores, pero posee unos platillos en sus contactos para mejor agarre y para la medición de dientes de coronas u hojas de sierra circulares.

o Micrómetro de exteriores de arco profundo: tiene la

particularidad de que tiene su arco de mayor longitud que los anteriores, para poder realizar mediciones en placas o sitios de difícil acceso.

o Micrómetro de profundidades: se parece mucho al

calibre de profundidades, pero tiene la capacidad de realizar mediciones en centésimas de milímetro.

o Micrómetro de interiores: mide interiores basándose en

tres puntos de apoyo. En el estuche se contienen galgas para comprobar la exactitud de las mediciones.

IV.3.3 Instrumentos comparativosLos instrumentos comparativos se usan para confrontar las dimensiones entre dos objetos, como una superficie de trabajo y una superficie de referencia. En general, no son capaces de proporcionar una medición absoluta de la cantidad que interesa; en lugar de eso, miden la magnitud y la dirección de la desviación entre dos objetos. Entre los instrumentos que se encuentran en esta categoría están los calibradores mecánicos y electrónicos.

Calibradores mecánicos: indicadores de carátula, están diseñados para magnificar en forma mecánica la desviación, para permitir la observación. Los indicadores de caratula se usan en muchas aplicaciones para medir rectitud, planicie, paralelismo, cuadratula, redondez y medidas exteriores.

Calibradores electrónicos, son una familia de instrumento de medición y calibración, basados en transductores, capaces de convertir un desplazamiento lineal en una señal eléctrica, que se amplifica y se transforma en un formato de datos conveniente, como la lectura digital.

IV.3.4 Calibradores fijosUn calibrador fijo es una réplica física de la dimensión de una pieza que se va a inspeccionar o medir. Existen dos categorías básicas: El calibrador maestro y el calibrador límite.El calibrador maestro es una réplica directa del tamaño nominal de la dimensión de la pieza Un calibrador límite se fabrica para ser una réplica inversa de la dimensión de la pieza y se diseña para verificar la dimensión de uno más de sus límites de tolerancia. Un calibrador límite con frecuencia tiene dos calibradores en uno, el primero comprueba el límite inferior de la tolerancia en la dimensión de la pieza y otro verifica el límite superior.

Los calibradores fijos son fáciles de usar y el tiempo requerido para completar una inspección casi siempre es menor al que emplea un instrumento de medición. Su desventaja es que se obtiene muy poca o ninguna información del tamaño real de la pieza; sólo indican si el tamaño está dentro de la tolerancia.

IV.3.5 Mediciones angularesLos ángulos se miden usando alguno de los diversos estilos de transportadores. Un transportador simple consta de una hoja que se mueve como pivote en relación con una cabeza semicircular graduada en unidades angulares, tales como grados o radianes. Para usarlo, la hoja se gira a la posición que corresponde el ángulo de la pieza que se va a medir y éste se mide hacia adelante en escala angular.

Un transportador con bisel tiene dos hojas rectas que funcionan que funcionan como pivotes, una en relación con la otra. El ensamble de pivote tiene una escala de transportador que permite leer el ángulo formado por las hojas. Cuando está equipado con un vernier, el transportador con bisel puede leer alrededor de cinco minutos; sin un vernier, la resolución es de solo un grado.

4.4 Mediciones de superficies

Las superficies constan de dos parámetros: textura de la superficie e integridad de la superficie. La textura de la superficie se refiere a la configuración geométrica de la superficie y casi siempre se evalúa como rugosidad de la superficie. La integridad de la superficie se refiere a las características materiales inmediatamente bajo la superficie y los cambios que ocurren en esta capa como resultado de los procesos de manufactura utilizados para crearla

4.4.1 Medición de la rugosidad de la superficie

Se usan diversos métodos para evaluar la rugosidad de la superficie. Se dividen en tres categorías:

1) comparación subjetiva con superficies de prueba estándar, En esta prueba, el usuario rasca suavemente las superficies del espécimen y el estándar, y determina qué estándar se acerca más al espécimen. Las superficies de prueba estándar son una forma conveniente para que un operador de máquinas obtenga un estimado de una rugosidad superficial. También son útiles para los ingenieros de diseño, con el propósito de juzgar qué valor de rugosidad de superficie debe especificar en el dibujo de una pieza.

2) instrumentos electrónicos de aguja, La desventaja de la prueba de uña es su subjetividad. Existen a la venta otros instrumentos tipo punzón para medir la rugosidad superficial, similares a la prueba de uña, pero con un enfoque más científico.

3) técnicas ópticas, La mayoría de los otros instrumentos de medición de superficies emplean técnicas ópticas para valorar la rugosidad. Estas técnicas se basan en la reflexión de la luz desde la superficie, la dispersión o difusión de la luz y la tecnología láser. Son útiles en aplicaciones donde no es conveniente el contacto del punzón con la superficie. Algunas de las técnicas permiten una velocidad de operación muy alta, por lo que posibilitan una inspección al 100%. Sin embargo, las técnicas ópticas producen valores que no siempre se correlacionan bien con las mediciones de rugosidad hechas con instrumentos tipo aguja.

4.4.2 Evaluación de la integridad de la superficie

La integridad de la superficie es más difícil de valorar que la rugosidad de la superficie. Algunas de las técnicas para inspeccionar los cambios de la subsuperficie destruyen el espécimen de material. Entre las técnicas de evaluación para la integridad de la superficie están las siguientes:

Textura de la superficie. La rugosidad de la superficie, la descripción de la capa y otras medidas proporcionan datos superficiales sobre la integridad de la superficie. Este tipo de prueba es relativamente simple de realizar y siempre se incluye en la evaluación de la integridad de la superficie.

Examen visual. El examen visual revela diversos defectos superficiales como resquebrajaduras, cráteres, pliegues y arrugas. Este tipo de evaluación se amplifica con frecuencia mediante técnicas fluorescentes y fotográficas.

Examen microestructural. Esto implica técnicas metalográficas estándar para preparar secciones transversales y obtener fotomicrografías en las que se examina la microestructura de las capas superficiales, comparadas con el sustrato.

Perfil de microdureza. Las diferencias de dureza cerca de la superficie se detectan usando técnicas de medición de microdureza, como la de Knoop y Vickers. Se secciona la pieza y se hace una gráfica de la dureza contra la distancia bajo la superficie para obtener un perfil de dureza de la sección transversal.

Perfil de esfuerzo residual. Se emplean técnicas de difracción de rayos X para medir los esfuerzos residuales en las capas de la superficie de una pieza.

IV.4 Tecnologías avanzadas de medición e inspecciónLas tecnologías avanzadas están sustituyendo a las técnicas manuales de medición y calibración en las plantas de manufactura modernas. Incluyen métodos de detección con contacto y sin contacto.

4.5.1 Máquinas de medición de coordenadas

Una máquina de medición de coordenadas, consta de una sonda de contacto (palpador) y un mecanismo para posicionar la sonda en tres dimensiones relativas a las superficies y características de la pieza de trabajo.Construcción y operación de una CMM, la sonda se sujeta a una estructura que permite su movimiento en relación con la pieza, la cual se fija en una mesa de trabajo conectada a la estructura. La estructura debe ser rígida para minimizar las deflexiones que contribuyen a los errores de medición. Se usan características especiales en las estructuras de las CMM para lograr una alta exactitud y precisión en la máquina de medición. Un aspecto importante en una CMM es la sonda de contacto y su operación. Las sondas modernas “de gatillo de contacto” tienen un contacto eléctrico sensible que emite una señal cuando la sonda se desplaza de su posición neutral una mínima cantidad. Al hacer contacto, el controlador de la CMM registra las posiciones de coordenadas y hace un ajuste para el exceso de desplazamiento y el tamaño de la sonda.

4.5.2 Mediciones con láseres

Los láseres para aplicaciones de medición son láser de gas de baja energía, como la combinación helio-neón, que emite luz en el rango visible. El haz luminoso de un láser es: 1) altamente monocromático, esto significa que la luz tiene una sola longitud de onda. 2) posee una alta colimación, lo que significa que los haces de luz son paralelos. Estas propiedades han motivado una creciente lista de aplicaciones del láser en la medición e inspección. A continuación se describen dos de éstas.

Sistemas láser de exploración El láser de exploración usa un haz láser distorsionado mediante un espejo rotatorio para producir un haz de luz que pasa sobre un objeto. Los haces de láser de exploración se aplican en la inspección y calibración en líneas de alta producción. Pueden enviarse señales al equipo de producción para hacer ajustes en el proceso y activar un dispositivo de clasificación en la línea de producción. Entre las aplicaciones de los sistemas láser de exploración están las operaciones de laminado, la extrusión de alambres, el maquinado y el esmerilado.

Triangulación con láser La triangulación se usa para determinar la distancia de un objeto a partir de dos posiciones conocidas mediante relaciones trigonométricas de un triángulo recto. El haz láser se enfoca sobre un objeto para formar un punto de luz en la superficie. Para determinar la ubicación del punto se emplea un detector óptico.

4.5.3 Visión de máquina

La visión de máquina implica la adquisición, procesamiento e interpretación de datos de imágenes mediante computadoras para alguna aplicación útil. Los sistemas de visión se clasifican en dos y tres dimensiones. Los sistemas de dos dimensiones captan la escena como una imagen bidimensional, lo cual es bastante conveniente para aplicaciones que implican un objeto plano. Los sistemas de visión tridimensional se requieren para aplicaciones que necesitan un análisis tridimensional de la escena, los cuales implican contornos o formas. La mayoría de las aplicaciones actuales son bidimensionales, por lo que el análisis se enfocará en esta tecnología.Operación de los sistemas de visión de máquinas La operación de un sistema de visión de máquina consta de tres pasos:

1) La adquisición y digitalización de imágenes se realizan mediante una cámara de video conectada a un sistema de digitalización para almacenar los datos de imágenes que se utilizarán en el procesamiento posterior. Con la cámara enfocada en el sujeto, se obtiene una imagen que divide el área de visión en una matriz de elementos separados de la fotografía (llamados pixeles), en la cual cada elemento supone un valor proporcional a la intensidad de luz de esa porción de la escena. El valor de intensidad para cada pixel se convierte a su valor digital equivalente mediante una conversión analógica a digital.

2) La segunda función en la visión de máquina es el procesamiento y análisis de la imagen. Deben analizarse los datos para cada marco dentro del tiempo requerido con el fin de completar una exploración (1/30 s o 1/25 s). Se han invertido varias técnicas para analizar datos de imágenes, incluyendo detección de bordes y extracción de características.La detección de bordes implica determinar las ubicaciones de los límites entre un objeto y sus alrededores. Esto se realiza identificando el contraste en la intensidad de la luz entre los pixeles adyacentes en las orillas del objeto. En la extracción de características se determinan los valores característicos de una imagen. Muchos sistemas de visión de máquina identifican un objeto en la imagen mediante sus características; algunos de ellos son el área, la longitud, el ancho o el diámetro del objeto, el

perímetro, el centro de gravedad y la relación de dimensión. Se han diseñado algoritmos de extracción de características para determinarlas con base en el área y los límites de los objetos. El área de un objeto se determina contando la cantidad de pixeles que lo forman. La longitud se encuentra midiendo la distancia (en pixeles) entre dos bordes opuestos de la pieza.

3) La interpretación de la imagen es la tercera función. Se realiza mediante características extraídas. Por lo general la interpretación tiene que ver con el reconocimiento de objetos, identificar el objeto en la imagen, comparándolo con modelos predefinidos o valores estándar. Una técnica de interpretación común es la coincidencia de plantillas, que se refiere a métodos que comparan una o más características de una imagen con las características correspondientes de un modelo (plantilla) almacenado en la memoria de la computadora.

Las aplicaciones de la visión de máquina En general, la función de interpretación en la visión de máquina se relaciona con las aplicaciones, las cuales se dividen en cuatro categorías:

1) InspecciónLa inspección es la categoría más importante, representa alrededor del 90% de todas las aplicaciones industriales. Las aplicaciones están en la producción masiva, en donde el tiempo para programar e instalar el programa se divide entre muchos miles de unidades. Entre las tareas de inspección típicas están: Medición o calibración de dimensiones. Funciones de verificación. Identificación de fallas y defectos.

2) Identificación de piezasLas aplicaciones de la identificación de piezas incluyen el conteo de las diferentes piezas que se mueven a lo largo de un transportador, la clasificación de piezas y el reconocimiento de caracteres.

3) Guía y control visual La guía y el control visual implican un sistema de visión que hace interfaz con un robot o máquina similar para controlar el movimiento de la máquina. Entre los ejemplos se cuentan el seguimiento de la costura en la soldadura continua con arco, el posicionamiento o la reorientación de piezas y la recolección de piezas de un contenedor.

4) Monitoreo de seguridad.En las aplicaciones de monitoreo de seguridad, el sistema de visión supervisa la operación de producción para detectar irregularidades que podrían indicar una condición de riesgo para el equipo o las personas.

4.5.4 Otras técnicas de inspección sin contacto

Se usan diversas técnicas no ópticas en la inspección. Éstas incluyen las técnicas de sensores basados en campos eléctricos, radiaciones y ultrasonido.

Bajo ciertas condiciones, los campos eléctricos creados mediante una sonda eléctrica se emplean para la inspección. Los campos incluyen la reluctancia, la capacitancia y la inductancia: son afectados por un objeto en la vecindad de la sonda. En una aplicación típica, la pieza de trabajo se posiciona en una relación fija con la sonda. Al medir el efecto del objeto sobre el campo eléctrico, se hace una medición indirecta de ciertas características de las piezas, como las dimensiones, el grosor de láminas metálicas y defectos (resquebrajaduras y huecos bajo la superficie) en el material.

Las técnicas de radiación emplean radiación de rayos X para inspeccionar metales y soldaduras. La cantidad de radiación que absorbe el objeto metálico indica el espesor y la presencia de defectos en la pieza o sección soldada. Por ejemplo, se usa la inspección con rayos X para medir el espesor de hojas metálicas en el laminado. Los datos de la inspección se emplean para ajustar la separación entre los rodillos en la laminadora.

Las técnicas ultrasónicas usan sonido de alta frecuencia (mayor de 20 000 Hz) para realizar varias tareas de inspección. Una de las técnicas analiza las ondas ultrasónicas que emite una sonda y que se reflejan en el objeto. Durante la preparación para el procedimiento de inspección, se coloca una pieza de prueba ideal frente a la sonda para obtener un patrón del sonido reflejado. Se emplea este patrón de sonido como el estándar contra el cual se comparan después las piezas de la producción. Si el patrón reflejado de una pieza coincide con el estándar, se acepta la pieza. Si no coincide, se rechaza.

CONCLUSIONES Actualmente es indispensable el uso de instrumentos de medición en la

industria de manufactura. Con el avance de la tecnología cada vez se usan más instrumentos

digitales, dejando atrás los análogos. Para escoger un método de inspección no solo depende de cual sea más

preciso sino también económico.

OBJETIVOS Conocer los instrumentos de medición, así como de los tipos inspección

aplicados en planta, y a partir de ello saber cuáles son los más apropiados según sea el caso.

Conocer las ventajas y desventajas de cada método de inspección para poder aplicarlo según sea el requerimiento de cada fábrica.

REFERENCIAS Fundamentos de la Manufactura moderna, Mikell P. Groover 3ra edición