Patrones e Instrumentos de Medición

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35.3 Características geométricas de las partes; mediciones analógicas y digitales
Longitud, incluyendo todas las dimensiones lineales de las partes. • Diámetro, externo e interno, incluyendo partes con diferentes diámetros externos e internos (escalones) a lo largo de su longitud. • Redondez, incluyendo falta de redondez, concentricidad y excentricidad. • Profundidad, como la de orificios taladrados o mandrinados, y cavidades en matrices y moldes. • Rectitud, como en flechas, barras y tubos. • Planicida, como en las superficies maquinadas y rectificadas. • Paralelismo, como ocurre entre dos flechas o guías de máquinas. • Perpendicularidad, como la de una barra roscada inserta en una placa plana• Ángulos, incluyendo ángulos internos y externos. • Perfil, como curvaturas en fundiciones, forjas y en carrocerías automotrices
EJEMPLO 35.1 Mediciones de longitud a través de la historia
Un patrón común en Egipto, alrededor del año 4000 a.C., fue el Codo Real, equivalente a 0.4633 m. Un codo era igual a 1.5 pies En el año 1101 d.C., el rey Enrique I declaró un nuevo patrón denominado yarda (0.9144 m), que era la distancia desde su nariz hasta la punta de su pulgar
en 1790 se empezó a desarrollar en Francia un patrón definitivo con el concepto de métre (de la palabra griega metron, que significa “medir”). Se fabricó un bloque de calibración con platino puro de un metro de largo, de sección transversal rectangular, y se colocó en los Archivos Nacionales de París en 1799. A lo largo de los años, se produjeron copias de este patrón para otros países
Entre 1870 y 1872 se reunieron comités internacionales y decidieron sobre un patrón internacional para el metro. La nueva barra estaba hecha de 90% de platino y 10% de iridio, con forma transversal de “X” y dimensiones globales de En cada extremo de la barra se grabaron tres marcas. El metro patrón es la distancia entre las marcas centrales que se encuentran en cada extremo, medidas a 0 ºC. En la actualidad, la medición extremadamente exacta se basa en la velocidad de la luz en el vacío, que se calcula multiplicando la longitud de onda del rayo infrarrojo normalizado de un láser por su frecuencia
35.2 Patrones de medición
, en la mayor parte del mundo se utiliza el metro como patrón de longitud. Originalmente, el metro se definía como la diezmillonésima parte de la distancia entre el Polo Norte y el Ecuador. Después, la longitud original del metro se normalizó como la distancia entre dos marcas sobre una barra de platino-iridio guardada en condiciones controladas dentro de un edificio en las afueras de París. En 1960, el metro se definió de manera oficial como 1,650,763.73 longitudes de onda (en el vacío) de la luz naranja emitida por el criptón (un gas raro) excitado eléctricamente. La precisión de esta medida se estableció como una parte en Ahora el metro es la unidad de longitud del Sistema Internacional de Unidades (SI) y es el patrón internacional. Las dimensiones SI más pequeñas se miden en nanómetros
Resolución es la menor diferencia en dimensiones que un instrumento de medición puede detectar o distinguir.
Precisión (algunas veces llamada erróneamente exactitud) es el grado en que el instrumento da mediciones repetitivas del mismo patrón
En la metrología en ingeniería, las palabras instrumento y calibrador se utilizan con frecuencia como sinónimos. El control de la temperatura es muy importante, sobre todo para realizar mediciones con instrumentos de precisión. La temperatura normal de medición es 20 ºC (68 ºF) y todos los calibradores se calibran a esta temperatura. En aras de la exactitud, las mediciones deben efectuarse en ambientes controlados, manteniendo esta temperatura por lo común dentro de (0.5°F).
35.4.1 Instrumentos con escala graduada
Estos instrumentos se utilizan para medir longitudes o ángulos. Graduada significa “marcada para indicar cierta cantidad”.
Medición lineal (lectura directa)
• Reglas: el instrumento más sencillo y utilizado para realizar mediciones lineales es una regla de acero (regla de mecánico), barra o cinta con graduaciones fraccionarias o decimales. Las longitudes se miden en forma directa con una exactitud limitada a la división más cercana, normalmente 1 mm (0.040 pulgada).Calibradores: estos instrumentos se pueden utilizar para medir longitudes interiores o exteriores. También llamados medidores de calibración y calibradores vernier (llamados así en honor de P. Vernier, que vivió en el siglo XVII), tienen un elemento graduado y una mordaza deslizable. Los calibradores digitales se usan cada vez con mayor amplitud Micrómetros: normalmente, estos instrumentos se utilizan para medir el espesor y las dimensiones interiores y exteriores de las partes.Medición lineal (lectura indirecta). Por lo regular, estos instrumentos son calibres y divisores sin escala graduada. Se utilizan para transferir la dimensión medida a un instrumento de lectura directa, como una regla.
Medición de ángulos
Escuadra ajustable: es un instrumento de lectura directa similar a un transportador común, excepto porque tiene un elemento móvil. Las dos hojas de la escuadra se ponen en contacto con la parte a medir y el ángulo se lee directamente sobre la escala vernier
Regla de senos: la medición mediante este método implica colocar la parte en una regla o placa inclinada (regla de senos) y ajustar el ángulo colocando bloques patrón sobre una placa o mesa plana.
Bloques o mesas planas: estas placas se utilizan para colocar partes a medir y el instrumento de medición. En general se fabrican con hierro fundido o piedras naturales (como granito) y se usan ampliamente en la metrología de ingeniería. Las placas planas de granito tienen las propiedades (deseables) de ser resistentes a la corrosión y no magnéticas, además de que su dilatación térmica es baja, por lo que minimizan la distorsión térmica
35.4.2 Medición de características geométricas
Rectitud. Normalmente, la rectitud se puede verificar utilizando una regla recta o un indicador de carátula (fig. 35.5). Se utiliza un auto colimador (semejante a un telescopio con un rayo de luz que se refleja sobre el objeto) para medir con exactitud pequeñas desviaciones angulares sobre una superficie plana
Planicidad. La planicidad se puede medir por medios mecánicos utilizando una placa plana y un indicador de carátula. Para medir la perpendicularidad se puede usar ese método y también escuadras de acero de precisión.
Redondez. Normalmente, esta característica se describe como una desviación de la verdadera redondez (que se manifiesta de manera matemática en el círculo). El término fuera de redondez (ovalamiento) es en realidad más descriptivo de la forma de la parte (fig. 35.7a) que la palabra redondez
· los métodos para medir la redondez caen dentro de dos categorías
1-La parte redonda se coloca sobre un bloque en V o entre centros (fig. 35.7b y c, respectivamente) y se gira mientras el palpador de un indicador de carátula está en contacto con la superficie de la parte. Después de una rotación completa de la pieza de trabajo, se anota la diferencia entre las lecturas máxima y mínima en el indicador. A esta diferencia se le llama lectura total del indicador (TIR, por sus siglas en inglés), o movimiento completo del indicador
2. En el trazado circular, la parte se coloca sobre una plataforma y se mide su redondez girando la plataforma (fig. 35.7d). O al contrario, se puede girar el palpador o sonda alrededor de una parte estacionaria para tomar la medida.
Perfil. El perfil se puede medir (a) comparando la superficie con una plantilla o calibrador de perfiles (como radios y filetes), y (b) utilizando varios indicadores de carátula o instrumentos similares. Sin embargo, el mejor método consiste en usar las máquinas de medición avanzada descritas en la.
Roscas de tornillos y dientes para engranes. Las roscas se pueden medir mediante calibradores de roscas de diversos diseños, que comparan las roscas producidas contra una rosca patrón. Algunos de los calibradores utilizados son calibradores de tapónpara roscas, calibradores de paso de roscas, micrómetros con palpadores cónicos y calibradores instantáneos Los dientes de engranes se miden empleando (a) instrumentos similares a los indicadores de carátula; (b) calibradores (fig. 35.8a), y (c) micrómetros que utilizan pernos o bolas de diferentes diámetros. Los métodos avanzados incluyen el uso de proyectores ópticos y máquinas de medición de coordenadas.
Medición comparativa de longitud. Los instrumentos utilizados para medir longitudes comparativas (también llamados de tipo desviación) amplifican y miden variaciones o desviaciones de la distancia entre dos o más superficies
35.4.3 Proyectores ópticos de contornos
Estos instrumentos (también llamados comparadores ópticos) se desarrollaron inicialmente en la década de 1940 a fin de verificar la geometría de las herramientas de corte para maquinar roscas de tornillos, pero ahora se utilizan con el propósito de verificar todos los perfiles
35.4.4 Calibradores En esta sección se describen diversos calibradores comunes que tienen formas sólidas sencillas y que no pueden clasificarse como instrumentos.
Bloques patrón. Los bloques patrón son bloques individuales cuadrados, rectangulares o redondos de diversos tamaños. Su uso es general y se fabrican con aceros aleados tratados térmicamente y relevados de esfuerzos Los bloques en ángulo se fabrican de la misma manera y se utilizan para calibración angular. La planicidad de los bloques patrón se ubica dentro de un margen.
Calibres fijos. Estos calibres son réplicas de las formas de las partes por medir. Aunque es fácil y económico utilizar los calibres fijos, éstos sólo indican si una parte es muy pequeña o grande cuando se compara con un patrón establecido.
 
• Los calibres de tapón se utilizan normalmente para orificios (fig. 35.10a y b). El calibre PASA es menor que el calibre NO PASA y se desliza dentro de cualquier orificio que tenga una dimensión menor que la del diámetro del calibrador. El calibre NO PASA no debe entrar en el orificio.
• Calibres de anillo (fig. 35.10c) se utilizan para medir flechas y partes redondas similares. Los calibres de anillos se usan para medir roscas externas. En estos calibradores, la característica PASA-NO PASA se identifican por el tipo de moleteado en los diámetros exteriores de los anillos.
• Calibres instantáneos normalmente se utilizan para medir dimensiones externas. Se fabrican con superficies ajustables de calibración, para utilizarse con partes que tienen dimensiones diferentes. 
35.5 Instrumentos y máquinas modernas de medición
Calibradores electrónicos. A diferencia de los sistemas mecánicos, los calibradores electrónicos detectan el movimiento del palpador de contacto mediante cambios en la resistencia eléctrica de un calibrador de deformación, inductancia o capacitancia. Después, las señales eléctricas se convierten y muestran de manera digital como dimensiones lineales con un indicador digital. Un calibrador electrónico utilizado comúnmente es el transformador diferencial lineal variable (LVDT, por sus siglas en inglés), que suele usarse para medir pequeños desplazamientos. Existen calibradores electrónicos con aristas recubiertas de diamante.
Micrómetros láser. En este instrumento, un rayo láser explora la pieza de trabajo (fig. 35.14) normalmente a una velocidad de 350 veces por segundo. Los micrómetros láser son capaces de resoluciones tan altas como 0.125 mm 15 mpulg2. Son adecuados no sólo para las partes estacionarias, sino también para medición en línea de partes estacionarias, giratorias o vibratorias, así como de partes en la producción continua de alta velocidad
Interferometría láser. Esta técnica se utiliza para verificar y calibrar máquinas herramienta a fin de obtener diferentes rasgos geométricos durante el ensamble. Este procedimiento tiene mejores exactitudes que los calibradores o indicadores. Los interferómetros láser también se usan para compensar automáticamente errores humanos de posicionamiento en las máquinas de medición de coordenadas y en las máquinas de control numérico computarizado.
Medición fotoeléctrica digital de longitudes. Se trata de un instrumento que puede medir dimensiones generales, espesor y profundidad de varias partes. Los ajustes de resolución pueden ser de 5 a 0.01micrometros
Una de las superficies de calibración se puede ajustar a una separación distinta de la otra, constituyendo así un calibrador unitario PASA-NO PASA.
Calibradores de aire
35.6 Medición automatizada
La medición e inspección automatizada se basa en diferentes sistemas sensores en línea que supervisan las dimensiones de las partes mientras se fabrican y, de ser necesario, utilizan estas mediciones como entrada para realizar correcciones
• Las deflexiones estáticas y dinámicas de la máquina debidas a las vibraciones y fuerzas fluctuantes, que son originadas por características de la máquina y variaciones en las propiedades y dimensiones del material de entrada. • Distorsión de la máquina debida a efectos térmicos provocados por cambios en la temperatura del medio ambiente, los fluidos de trabajo de los metales y rodamientos y de diversos componentes. • El desgaste de los herramentales, matrices y moldes puede afectar la precisión dimensional de las partes producidas. • Errores y cálculos erróneos humanos. Como un resultado de esos factores, las dimensiones de las partes pueden variar, estos hechos se continúan monitoreando lo necesario durante la producción.
35.5.1 Máquinas de medición de coordenadas
Como se muestra de manera esquemática en la figura 35.15a, una máquina de medición de coordenadas (CMM, por sus siglas en inglés) consiste básicamente en una plataforma en la que se coloca la pieza de trabajo a medir y después se mueve en forma lineal o se gira. Las máquinas de medición de coordenadas son muy versátiles y capaces de registrar mediciones de perfiles complejos con alta resolución y a gran velocidad. Son de construcción rígida robusta para resistir los efectos ambientales en las plantas de manufactura, como variaciones de temperatura y vibración
Límites y ajustes. Los límites y ajustes son fundamentales para especificar las dimensiones de orificios y flechas. Existen dos normas sobre límites y ajustes descritas por el American National Standards Institute (ver ANSI B4.1, B4.2 y B4.3). Una norma se basa en la unidad tradicional de pulgada. La otra se basa en la unidad métrica y se ha desarrollado con mayor detalle. En estas normas, las letras mayúsculas siempre se refieren al orificio y las minúsculas a la flecha.
35.8 Dimensionamiento y tolerancias geométricas
Eventualmente, las partes y los componentes manufacturados de manera individual se ensamblan como productos. Damos por hecho que cuando se fabrican y ensamblan mil podadoras, cada parte coincide en forma apropiada con otro componente.
Tolerancia dimensional. Se define como la variación permisible o aceptable de las dimensiones (altura, anchura, profundidad, diámetro y ángulos) de una parte. La raíz de la palabra “tolerancia” es el latín tolerare, que significa “soportar” o “tolerar”. Las tolerancias son inevitables, dado que es virtualmente imposible (e innecesario) manufacturar dos partes que tengan las mismas dimensiones.
Importancia del control de las tolerancias. Las tolerancias dimensionales sólo se vuelven importantes cuando una parte se va a ensamblar o se va a hacer coincidir con otra. Las superficies independientes y que no son funcionales no requieren un control cerrado de la tolerancia. Así, por ejemplo, la exactitud de los orificios y la distancia entre ellos en una biela son mucho más críticas que la anchura y el espesor de la misma en diversos puntos a lo largo de su longitud
Definiciones. Se utilizan varios términos para describir las características de las relaciones dimensionales entre partes coincidentes. Los detalles sobre estas definiciones se encuentran en las normas ANSI B4.2, ANSI Y14.5 e ISO/TC10/SC5. Debido a las complejas relaciones geométricas comprendidas entre todas las partesa ensamblar, las definiciones de estos términos pueden ser de alguna manera confusas.
A continuación se definen brevemente los términos más utilizados para las características geométricas, en orden alfabético: 
• Ajuste: intervalo de soltura o estrechez que puede resultar de la aplicación de una combinación específica de holgura y tolerancia en el diseño de los rasgos de las partes coincidentes. • Ajuste de transición: ajuste con holgura pequeña o con interferencia que permite una localización exacta de las partes coincidentes. • Ajuste flojo: ajuste que permite la rotación o deslizamiento entre partes coincidentes. • Ajuste por interferencia: ajuste que tiene límites prescritos de manera que siempre se produce una interferencia cuando se ensamblan las partes coincidentes. • Condiciones de material máximo (MMC, por sus siglas en inglés): condiciones en que un rasgo de cierto tamaño contiene la máxima cantidad de material dentro de los límites establecidos para ese tamaño. • Datum o referencia: eje, punto, línea o plano teóricamente exacto. • Dimensiones límite: dimensiones máxima y mínima de una parte; también llamadas límites. • Grado internacional de tolerancia (IT, por sus siglas en inglés): grupo de tolerancias que varían dependiendo del tamaño básico, pero que proporcionan el mismo nivel relativo de exactitud dentro de un grado. • Holgura: espacio entre las partes coincidentes. • Interferencia: holgura negativa. • Línea cero: línea de referencia a lo largo del tamaño básico, a partir de la cual se especifica un intervalo de tolerancias y desviaciones. • Rasgo: porción físicamente identificable en una parte, como un orificio, ranura, perno o chaflán. • Sistema con base en la flecha: tolerancias con base en una línea cero sobre la flecha; también llamado práctica normal de flecha o sistema básico de flecha. • Sistema con base en el orificio: tolerancias con base en una línea cero en el orificio; también llamado práctica normal de orificio o sistema básico de orificio. • Tamaño básico: dimensión de la que se derivan los límites del tamaño utilizando las tolerancias y las holguras. • Tolerancia bilateral: desviación (positiva y negativa) del tamaño básico. • Tolerancia de ajuste: diferencia de dimensiones especificada entre las partes coincidentes; también llamada dimensión funcional o suma de dimensiones. • Tolerancia de posición: sistema para especificar la posición real, tamaño y forma de los rasgos de una parte, incluyendo las variaciones permisibles. • Tolerancias geométricas: tolerancias que comprenden los rasgos de forma de la parte. • Tamaño nominal: dimensión aproximada que se utiliza para el propósito de identificación general. • Tamaño normal: tamaño nominal en enteros y subdivisiones comunes de longitud. • Tolerancias unilaterales: desviación sólo en una dirección de la dimensión nominal
35.7 Características generales y selección de instrumentos de medición
Por lo general, las características y la calidad de los instrumentos de medición se definen mediante diversos términos específicos, definidos de la siguiente manera (en orden alfabético): 
• Ampliación: relación de la salida del instrumento a la dimensión de entrada (también llamada amplificación). • Amplificación: ver ampliación. • Calibración: ajuste o fijación de un instrumento para dar lecturas exactas dentro de un patrón de referencia. • Desviación: ver Estabilidad. • Estabilidad: capacidad del instrumento para mantener su calibración por un periodo (también llamada desviación). • Exactitud: grado de coincidencia de la dimensión medida con su magnitud real. • Exactitud de repetición: igual que Exactitud, pero repetida muchas veces. • Linealidad: precisión de las lecturas de un instrumento a lo largo de todo su intervalo de operación. • Precisión: grado con el que un instrumento da una medición repetida del mismo patrón. • Regla de 10 (regla del fabricante de calibradores): un instrumento o calibrador debe ser 10 veces más exacto que las tolerancias dimensionales de la parte a medir. Al factor de 4 se le conoce como regla normal de mil (milésimos de pulgada, en el sistema inglés). • Resolución: la menor dimensión que puede leer un instrumento. • Sensibilidad: la menor diferencia de dimensiones que puede distinguir o detectar un instrumento. • Velocidad de respuesta: cuán rápido indica un instrumento la medición, particularmente cuando se miden muchas partes en sucesión rápida. La selección de un instrumento de medición apropiado para una aplicación particular también depende de (a) el tamaño y tipo de partes a medir; (b) el ambiente (temperatura, humedad, polvo y otros); (c) habilidades del operador requeridas, y (d) el costo del equipo.