Fuentes de Incertidumbre en Mediciones Dimensionales

Apuntes de Estudio de Procesos Mecánicos - Parte II: Metrología y Calidad

• Tema: Sistemas y Técnicas de Medida para el Control de Calidad
• Objetivo de aprendizaje: Conocer la ciencia de la metrología dimensional y los sistemas de medición.
• Contenido específico:
  • Fuentes de incertidumbre en metrología
  • Instrumentos utilizados en metrología
  • Errores e incertidumbres
  • Calibración de un instrumento: cálculo de incertidumbre
  • Incertidumbre y tolerancias

Introducción a la Metrología

• Definición de Metrología: Ciencia de la medida que permite expresar en números todas las características del universo relacionadas con magnitudes físicas.
• Calibración: Permite que las mediciones en diferentes laboratorios sean equivalentes usando patrones.
• Medida: Resultado de un proceso de medición que determina cuántas veces cabe una magnitud (mesurando) en otra magnitud de la misma especie (unidad de medida).
• Medida = Número (unidades) + Incertidumbre

Introducción al Control de Calidad

• Control de calidad de productos y procesos: Requiere realizar mediciones precisas.
• Sistema de medición: Incluye instrumentos, equipos y procedimientos de medición.
• Errores en las mediciones: Todo sistema de medición presenta errores.
• Ninguna medición es exacta: El valor real del mesurando no coincide con el valor medido.

Metrología Dimensional

• Objetivo: Estudiar los sistemas de pesas y medidas.
• Finalidad: Garantizar y verificar la concordancia del producto fabricado con sus especificaciones de diseño.
• Exigencias actuales:
  • Tolerancias de fabricación más estrechas.
  • Compactación y miniaturización de componentes.
  • Mayor precisión en engranajes, rodillos, etc.
  • Ensamblado automático a altas velocidades.
  • Intercambiabilidad general de piezas
  • Fiabilidad en el funcionamiento de las máquinas.

Fuentes de Incertidumbre en la Metrología Dimensional

• Definición inexacta del mensurando: Definición incompleta.
• Realización imperfecta de la definición: No es posible la definición perfecta del mensurando.
• Muestra no representativa del mensurando: La muestra no siempre representa al objeto en su totalidad.
• Efectos de las condiciones ambientales: Efecto de condiciones ambientales no controladas.
• Lectura sesgada por el operador: La lectura sesgada o inexacta por parte del operador.
• Resolución del instrumento: Resolución limitada del instrumento.
• Valores inexactos de patrones/materiales: Patrones/materiales de referencia no exactos.
• Aproximaciones e hipótesis en métodos/procedimientos: Aproximaciones que no son del todo exactas.
• Variaciones en la repetición: Cambios aleatorios que afectan la precisión de repetición cuando las condiciones parecen ser iguales.

Instrumentos en Metrología Dimensional

• Equipos utilizados: Variados dependiendo de la magnitud a medir.
• Consideraciones: Basados en función de la incertidumbre requerida y las tolerancias a alcanzar.
• Beneficios industriales:
  • Automatización de los procesos.
  • Eliminación de la influencia del operador.
  • Mayor repetibilidad y fiabilidad.

Instrumentos/Calibres (Pie de Rey, Micrómetros, Reloj Comparador, Rugosímetro, Máquina de Coordenadas)

• Descripción de cada instrumento.
• Detalle de sus funciones y manejo.
• Ventajas/desventajas de cada uno.

Incertidumbre de una Medición

• Tipos de errores: Sistemáticos y aleatorios.
• Sistemático: Desviaciones consistentes (se puede estimar).
• Aleatorio: Su valor medio es cero (se puede estimar la variabilidad).
• Incertidumbre: No es posible conocer el valor exacto del error de la medición, pero se puede estimar su varianza o desviación típica.
• Incertidumbre ≠ Error

Incertidumbre y Tolerancia

• Relación: Un sistema de medición debe tener una incertidumbre que cumpla con las tolerancias requeridas.
• Ejemplo: Se desea controlar el diámetro de un eje (nominal 25 mm; tolerancia ±50 µm).
• Cálculo de la incertidumbre expandida: Intervalo de incertidumbre alrededor del valor medido.

Calibración de un Instrumento de Medición

• Operaciones: Determinar la incertidumbre asociada a las mediciones.
• Comparación: Comparar distintos instrumentos/equipos de medición.
• Intervalos: El intervalo de la medición + incertidumbre debe estar dentro de la tolerancia.
• Cálculo de incertidumbre: Se explica el método de cálculo para la incertidumbre combinada de la medición de la magnitud.

Calibración de un Instrumento de Medición - Incertidumbre Expandida

• Intervalo de incertidumbre: Intervalos de medición que rodea el valor medido, donde podemos encontrar el valor verdadero de la magnitud.
• Variables dependientes: Dependiendo si la función de la variable puede asimilarse a una distribución normal.

Incertidumbre y Tolerancia - Tolerancia de Verificación (TV)

• Definición: Tolerancia efectiva que una magnitud debe cumplir, dada la incertidumbre del sistema de medición.
• Cálculo: Formula para obtener la tolerancia de verificación para distintos casos.
• Ejemplo: Se analiza el control del diámetro de un eje.

Análisis de un Sistema de Medición

• Objetivos: Entender fuentes de variabilidad y determinar si el instrumento es satisfactorio.
• Propiedades estadísticas:
  • Sesgo
  • Linealidad
  • Reproducibilidad
  • Repetibilidad
  • Estabilidad

Selección de Instrumentos de Medición

• Exactitud y precisión: No es posible un instrumento perfecto.
• Calibración adecuada y regular: Mantiene la exactitud del instrumento.
• Tecnología apropiada: Elegir la mejor tecnología.
• Regla de 10: Un instrumento debe ser 10 veces más preciso que la tolerancia de la medida.

Características de los Sistemas de Medición

• Rango: Amplitud de variación del fenómeno.
• División de Escala (DE): Variación de la lectura entre dos trazos adyacentes.
• Incremento digital (ID): Menor incremento (uno, dos o cinco pasos).

Otras Características de los Instrumentos de Medición

• Resolución “R”: Menor variación de la magnitud a medir medida por el instrumento.
• Sensibilidad “Sb”: Variación de la señal de salida (lectura) frente a una variación unitaria de la magnitud a medir.

Instrumentos de Medición para Dimensiones Lineales

• Tipos de instrumentos: Graduados y no graduados.
• Calibradores (en diferentes estilos): Fijos, deslizables, electrónicos.
• Proyector de perfil: Para medir dimensiones y formas mediante amplificación óptica.
• Máquinas de medición de coordenadas (CMM): Para medir diversas configuraciones.
• Nonio/Nonius: Para medir fracciones de milímetros.
• Pie de metro (vernier): Dispositivo de medición lineal con precisión.
• Micrómetro: Dispositivo de medición lineal muy preciso para medir espesores, etc.
• Diagramas, ilustraciones y explicaciones de los diferentes instrumentos.

Actividades para el Análisis y Discusión

• Preguntas sobre metrología y medición.
• Preguntas relacionadas con conceptos clave (exactitud, precisión y calibración).

Este cuestionario explora diferentes fuentes de incertidumbre que pueden afectar las mediciones dimensionales. Es crucial entender estas fuentes para asegurar la precisión en los resultados de la medición. Responde correctamente a las preguntas para probar tu conocimiento en el tema.