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Boletín Técnico

Diciembre 2009 No. 3

Mitutoyo Mexicana, S.A. de C.V. Oficinas de servicio: Naucalpan: ingenieria@mitutoyo.com.mx Monterrey: m3scmty@mitutoyo.com.mx Aguascalientes: mitutoyoags@mitutoyo.com.mx Querétaro: mitutoyoqro@mitutoyo.com.mx Tijuana: Mitutoyotj@mitutoyo.com.mx Colaboradores de este número Ing. José Ramón Zeleny Vázquez Ing. Hugo D. Labastida Jiménez Ing. Héctor Ceballos Contreras

CONTENIDO Proyectores de perfiles Página 1 Calibración de proyectores de perfiles Página 3 ¿La determinación de la incertidumbre es necesaria? Página 4 Microscopios Página 5

PROYECTORES DE PERFILES Imagen erecta e imagen invertida Una imagen de un objeto, proyectado sobre una pantalla, es erecta si está orientada en la misma forma que el objeto sobre la platina. Si la imagen esta invertida de arriba abajo, izquierda a derecha y mediante movimiento con respecto al objeto sobre la platina (como es mostrado en la figura 1) es referida como una imagen invertida (también conocida como imagen revertida, lo cual es, probablemente más exacto).

Error de amplificación El error de amplificación de un proyector cuando se utiliza un lente determinado, es establecido, proyectando una imagen de un objeto de referencia y comparando el tamaño de la imagen de este objeto, como es medido sobre la pantalla, con el tamaño esperado (calculado a partir de la amplificación de la imagen, como esta marcada) para producir un número en porcentaje del error de amplificación, como es ilustrado abajo. El objeto de referencia es frecuentemente la forma de una pequeña escala graduada de vidrio, llamada, micrómetro de platina o escala patrón y la imagen proyectada de esta, es medida con una escala de vidrio más grande conocida como escala de lectura. (Note que el error de amplificación, no es lo mismo que el error de medición)

∆M(%) = ((L-lM) / lM) x 100 Donde: ∆M(%): Error de amplificación expresado como porcentaje de la amplificación nominal de la lente L: Longitud de la imagen proyectada del objeto de referencia medido sobre la pantalla l: Longitud del objeto de referencia M: Amplificación de la lente de proyección

Tipo de iluminación Iluminación de contorno: Un método de iluminación para observar una pieza mediante luz transmitida y es usada principalmente para medir el contorno amplificado de la imagen de una pieza. Iluminación coaxial de superficie: Un método de iluminación en el cual una pieza es iluminada mediante luz transmitida coaxialmente a la lente para la observación/medición de la superficie. (Un semi-espejo o una lente de proyección con un semi-espejo interconstruido es necesario). Iluminación oblicua de superficie: Un método de iluminación mediante iluminación oblicua de la superficie de la pieza. Este método proporciona una imagen de contraste mejorado, permitiendo que sea observada tridimensionalmente y claramente. Sin embargo, note que un error puede ocurrir en la medición dimensional con este método de iluminación. (Un espejo oblicuo es necesario. Modelos de la serie PJ-H30 de Mitutoyo son suministrados con un espejo oblicuo).

Vista superior de la platina

Pantalla de proyección

Una imagen erecta

Una imagen invertida

Pieza Movimiento del eje X Movimiento del eje Y Figura 1

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Análisis de Sistemas de Medición 3 y 4 de Dic. Naucalpan Tolerancias Geométricas Norma ASME Y14.5M-1994

7, 8 y 9 Dic. Naucalpan

Medición de Tolerancias Geométricas con CMM

10 y 11 de Dic. Naucalpan

Metrología Dimensional 1 08, y 09 de Febrero Naucalpan Metrología Dimensional 2 10, 11 y 12 de Febrero Naucalpan Cualquiera de los cursos ofrecidos por el IMM en sus instalaciones

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Sistema óptico telecéntrico Un sistema óptico basado en el principio de que el rayo principal, está alineado paralelo al eje óptico, colocando una lente y un diafragma en el punto focal en el lado de la imagen. Su característica funcional, es que, el centro de una imagen no variará en tamaño, aunque la imagen se haga borrosa, aún, si el punto focal es desplazado a lo largo del eje óptico. Para proyectores de medición y microscopios de medición, un efecto idéntico es obtenido colocando un filamento de lámpara en el punto focal de una lente condensadora, en vez de una lente y un diafragma, e iluminando con haces paralelos. (Véase la Figura 2).

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Rayo principal

Punto focal en el lado de la imagen

Fuente de luz (lámpara)

Lente condensador

Superficie del objeto

Pieza Lente de proyección Superficie de

la pantalla de proyección

Eje óptico

Figura 2

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Distancia de trabajo Se refiere a la distancia desde la cara de la lente de proyección a la superficie de una pieza en foco. Es representada por el símbolo L2 en el diagrama de la Figura 3

Diámetro del campo de visión El diámetro de una pieza proyectada sobre la pantalla de proyección Diámetro del campo de visión = Diámetro de la pantalla del proyector de perfiles Amplificación de la lente de proyección usada [Ejemplo] Si una lente de proyección de 5X es usada para un proyector con una pantalla de proyección de Ø500 mm: Diámetro del campo de visión esta dado como 500 mm / 5 = Ø100 mm

Figura 3

Lente de proyección

Semi - espejo

Platina Pieza

CALIBRACIÓN DE PROYECTORES DE PERFILES

Los proyectores de perfiles o comparadores ópticos son equipos de medición muy frecuentemente utilizados en la industria y como todo equipo de medición, debe ser adecuadamente calibrado periódicamente. Dado que es un equipo óptico se requieren patrones ópticos para llevar a cabo la calibración. Se calibran los errores de alimentación de la platina en los ejes X y Y utilizando una regla de vidrio de alta exactitud, colocandola primero, a lo largo del eje X y luego a lo largo del eje Y, determinando los errores de indicación en 10 puntos distribuidos apropiadamente dentro de su intervalo de medición. El error de amplificación se determina, utilizando dos reglas de vidrio, una que se coloca sobre la platina y proyecta una imagen amplificada sobre la pantalla, esta imagen amplificada, es medida con otra regla de vidrio, a partir de esta medición, se determina el error de amplificación en porcentaje, utilizando la fórmula mostrada en la página 1 de este boletín. Si requiere realizar verificaciones intermedias las reglas de vidrio pueden encontrarse en el catalogo de Mitutoyo en las series 172 y 182. El error de medición angular se determina utilizando una retícula angular, determinando el error en diferentes posiciones angulares de la pantalla, por ejemplo, cada 15°. La verificación de la resolución requiere el uso de otra plantilla de vidrio. El departamento de Ingeniería de Servicio de Mitutoyo Mexicana S.A. de C.V. ofrece el servicio de calibración en sitio de proyectores de perfiles cubierto por la acreditación D-45, otorgada por la entidad mexicana de acreditación, a.c. (ema)

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Inicialmente la determinación de la incertidumbre de una medición se realizaba casi exclusivamente por personal de los laboratorios primarios o de investigación metrológica, después se fué introduciendo en los laboratorios, llevando a cabo calibraciones especialmente cuando estos empezaron a requerir acreditación con la Guía ISO 25 que ha evolucionado para convertirse en la norma ISO/IEC 17025:2005. En la versión actual de la ISO/IEC 17025:2005 la palabra incertidumbre se menciona 35 veces la mayor parte de ellas en el apartado 5.4.6. Indicándose que se debe tener un procedimiento para estimar la incertidumbre de medición para todas las calibraciones y tipos de calibración que un laboratorio pueda efectuar. Actualmente, se requiere que los proveedores de la industria automotriz cuenten con un sistema de gestión de calidad certificado, que cumpla con los requerimientos establecidos en la especificación técnica ISO/TS 16949:2009, documento del cual se establece la necesidad del cumplimiento de ISO 17025 sin que sea necesaria la acreditación. Lo anterior implica, que las calibraciones internas, deben realizarse usando métodos y procedimientos apropiados, así como contar con un balance detallado para la estimación de la incertidumbre. Gradualmente está ganando aceptación el concepto de que una medición no está completa si no va acompañada de una estimación de la incertidumbre. El reporte típico de una medición de longitud que incluye un enunciado de la incertidumbre de medición es: Ø85,03 mm con una incertidumbre de ±0,02 mm con un nivel de confianza aproximado de 95% (k=2).

El valor de la incertidumbre no debe confundirse con la tolerancia establecida, por ejemplo, como Ø85 ±0,05, en el dibujo utilizado para la fabricación de la pieza. El valor medido de 85,03 está dentro de tolerancia, sin embargo, no estamos 100% seguros de que este sea el valor verdadero, ya que por ejemplo, puede ser resultado promedio de 5 lecturas repetidas, lo que nos indicaría que el valor verdadero, podría ser algo mayor o menor que el promedio reportado si cualquiera de los resultados de las mediciones repetidas se considera como el resultado de la medición. Esto es parte de la incertidumbre. Otro factor que contribuye a la incertidumbre de la medición es, por ejemplo, la incertidumbre reportada en el Informe de calibración del instrumento de medición utilizado. Si el informe de calibración indica una desviación o error para el valor medido este debe corregirse al momento de hacer la medición, si la corrección no se hiciera, se incrementaría la incertidumbre de la medición. Otros contribuyentes comunes en la medición de longitud, son por ejemplo: La temperatura a la que se realiza la medición, la incertidumbre de los coeficientes de expansión térmica del instrumento y la pieza a medir. Indudablemente el problema es como asignar un valor confiable a cada uno de los contribuyentes en cada tipo de medición. Debe saberse el tipo de distribución que tiene cada uno de los contribuyentes, por ejemplo: normal, rectangular, triangular, U, etc. Documentos de referencia para la determinación de la incertidumbre son, por ejemplo, la Guía para la determinación de la incertidumbre de medición, publicada en 1995 por ISO, junto con otras 6 organizaciones y la especificación técnica ISO/TS 14253-2. La determinación de la incertidumbre no es tan simple como sólo aplicar una fórmula determinada, pero tampoco requiere

de una estimación extremadamente rigurosa que implique, por ejemplo, un modelo matemático muy elaborado, lo realmente importante, es entender las características del sistema de medición empleado que puedan contribuir a la incertidumbre de la medición. El valor de la incertidumbre puede ser considerado como un indicador de la calidad de la medición, la incertidumbre objetivo debe ser baja, aunque en algunos casos, los factores económicos pueden dificultar lograr ese objetivo. Es importante que la integridad de los enunciados de incertidumbre se evalué, por ejemplo, por las entidades de acreditación con la ayuda de expertos técnicos en el área correspondiente al tipo de mediciones realizadas. Para poder completar la cadena de trazabilidad, la determinación de la incertidumbre de medición se hace necesaria. No es suficiente conocer la incertidumbre en la calibración de los patrones y los instrumentos. El enfoque actual, es que la incertidumbre debe ser tomada en cuenta cuando se juzga la conformidad de un producto contra una especificación. A través de nuestro curso Incertidumbre en Metrología Dimensional, conocerá más de este tema. Solicite informes. capacitacion@mitutoyo.com.mx

¿La determinación de la incertidumbre es necesaria?

LIE = Límite inferior Especificado VM = Valor medido LSE = Límite superior Especificado LSE – LIE = Tolerancia IM = Incertidumbre de medición

LIE = Límite inferior Especificado VM = Valor medido LSE = Límite superior Especificado LSE – LIE = Tolerancia

Fig. 1 Enfoque tradicional sin considerar la incertidumbre

Fig. 2 Enfoque actual considerando la Incertidumbre (véase ISO/TS 14253-1)

LSE LIE VM

LSE LIE VM

IM

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Microscopios Apertura numérica (NA) El número de la NA es importante, debido a que indica el poder de resolución de una lente objetivo. Entre mayor es el valor de la NA, más fino es el detalle que puede ser visto. Una lente con una mayor NA, también colecta más luz y normalmente proporcionara una imagen más brillante, con una menor profundidad de foco que una con un valor más pequeño de NA. NA = n senθ La fórmula anterior muestra que la NA depende de n, el índice de refracción del medio que existe entre el frente de un objetivo y el espécimen (para el aire n = 1.0), y el ángulo θ, el cual es la mitad del ángulo del cono máximo de luz que puede entrar a la lente. Poder de resolución (R) La distancia mínima detectable entre dos puntos imagen, representando el límite de resolución. El poder de resolución (R) está determinado por la apertura numérica (NA) y la longitud de onda (λ) de la iluminación. R = λ/2NA (µm) λ = 0.55 µm, es frecuentemente usado como la longitud de onda de referencia

Distancia de trabajo

Distancia parfocal

Figura 1

Calibración de maestros de longitudes fijas

Laboratorio de calibración de patrones e instrumentos

Distancia de trabajo (W.D.) La distancia entre el extremo frontal de un objetivo de microscopio y la superficie de la pieza a la cual el mejor enfoque es obtenido. Distancia parfocal La distancia entre la posición de montaje de un objetivo de microscopio y la superficie de la pieza a la cual el mejor enfoque es obtenido. Las lentes objetivo montadas juntas en la misma torreta, deberían tener la misma distancia parfocal, de modo que cuando otro objetivo es puesto en uso, la cantidad de reenfoque es mínima.

► Refacciones originales ► Informe de inspección ► Mano de obra profesional

Para mayor información: contactar con nuestro departamento de reparación Tel (0155) 5312 5612 exts. 320 y 321.

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Nuevo servicio de calibración de patrones de rugosidad y medición de rugosidad El laboratorio de calibración de Mitutoyo Mexicana, S.A. de C.V. ha instalado un equipo de medición de rugosidad para proporcionar a sus clientes usuarios servicio de calibración de patrones de rugosidad, así como, servicio de medición de rugosidad. De acuerdo con los requerimientos actuales de los sistemas de gestión de calidad, todos los equipos y patrones de medición, deben ser calibrados periódicamente y antes de usarlos cuando son nuevos. En muchos casos, los equipos de medición de rugosidad, son calibrados de acuerdo con lo anterior, sin embargo, no ocurre lo mismo con los patrones. Los patrones de rugosidad son utilizados para determinar, si en un momento dado, es necesario ajustar la ganancia de los equipos, para verificaciones periódicas de los mismos y para la calibración de los rugosímetros. El servicio, ya esta disponible con trazabilidad a los patrones nacionales de longitud correspondientes. Mitutoyo Mexicana, S.A. de C.V. a través de su departamento de ingeniería de servicio, tiene disponible servicio de medición de piezas, para lo cual cuenta con variedad de equipo, tal como Máquinas de Medición por Coordenadas (CMM), equipo de medición por visión (QV, QS, QI), máquina de medición de redondez y otras características geométricas, equipo de medición de contorno (perfil), máquinas de medición de dureza, equipo de medición de rugosidad, comparadores ópticos y microscopios, lo cual permite una gran variedad de opciones para resolver eficientemente cualquier tipo de medición dimensional.

Se requiere dibujo o modelo CAD o instrucciones detalladas de, que es lo que se desea medir para obtener una cotización y acordar tiempo de entrega. Este servicio se ofrece con trazabilidad a patrones nacionales de longitud. Se entrega reporte de medición.

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Sistema óptico infinito Un sistema óptico, en el que el objetivo forma su imagen en el infinito y una lente de tubo es colocada dentro del tubo del cuerpo entre el objetivo y el ocular para producir la imagen intermedia. Después de pasar a través del objetivo, la luz efectivamente viaja paralela al eje óptico a la lente del tubo a través de lo que es llamado, espacio infinito dentro del cual componentes auxiliares pueden ser colocados, tales como prismas de contraste de interferencia diferencial (DIC), polarizadores, etc., con efecto mínimo en el foco y correcciones de las aberraciones.

Sistema óptico finito Un sistema óptico, que usa un objetivo para formar la imagen intermedia en una posición finita. Luz desde la pieza pasa a través del objetivo, es dirigida hacia el plano de la imagen intermedia (localizado enfrente del plano focal del ocular) y converge en ese plano.

Longitud focal (f) La distancia desde el punto principal al punto focal de una lente: si f1 representa la longitud focal de un objetivo y f2 representa la longitud focal de una lente (tubo) formando imagen, entonces la amplificación es determinada por la proporción entre las dos. (En el caso del sistema óptico de corrección infinita). Amplificación del objetivo = Longitud focal de la lente (tubo) formando imagen/Longitud focal del objetivo Ejemplos: 1X = 200/200 10X = 200/20 Campo de visión real (1) Diámetro de la superficie observado a través del ocular Campo de visión real = Campo numérico del ocular/Amplificación del objetivo Ejemplo: Campo de visión real de la lente de 10X (Ø2.4 ocular) = 24/10 = 2.4 (2) Diámetro de la superficie observada en el monitor de video Campo de visión real = Tamaño (longitud x ancho) de dispositivo de colección de la cámara CCD /Amplificación del objetivo *Tamaño (longitud x ancho) de dispositivo de colección de cámara CCD de 1/2 pulgada Ejemplo: Campo de visión real de la lente 1X (longitud x ancho) = 4.6 x 6.4 Campo de visión real de la lente de 10X (longitud x ancho) = 0.48 x 0.64

Lente objetivo

Lente (tubo) formando imagen Luz desde el punto fuente

es enfocada en el plano de la imagen intermedia

Un punto fuente sobre la pieza

Espacio infinito

Amplificación del objetivo = f2/f1

Lente objetivo

Un punto fuente sobre la pieza

Luz desde el punto fuente es enfocada en el plano de la imagen intermedia

Amplificación del objetivo = L2/L1

Punto Focal Los rayos de luz desde un objeto, viajando paralelos al eje óptico de un sistema de lente convergente y pasando a través ese sistema, convergirá (o enfocará) a un punto sobre el eje, conocido como el punto focal posterior, o punto focal de la imagen. Profundidad de Foco (DOF) También conocida como profundidad de campo, esta es la distancia (medida en la dirección del eje óptico) entre los dos planos que definen los límites de agudeza aceptable de la imagen cuando el microscopio es enfocado sobre un objeto. Conforme la apertura numérica (NA) se incrementa, la profundidad de foco se vuelve menos profunda, como es mostrado por la siguiente expresión: DOF = λ/2·(NA)2 λ = 0.55 µm es frecuentemente usada como la longitud de onda de referencia Ejemplo: para una lente M plan Apo de 100X (NA = 0.7) y longitud de onda de la luz de 0.55 µm, la profundidad de foco de este objetivo es 0.55/(2 x 0.72) = 0,6 µm Iluminación de Campo Claro e Iluminación de Campo Oscuro En la iluminación de campo claro un cono completo de luz es enfocado por el objetivo sobre la superficie del espécimen. Este es el modo norma de visión con un microscopio óptico. Con iluminación de campo oscuro, el área interior del cono de luz está bloqueada de modo que la superficie es iluminada solo por luz desde un ángulo oblicuo. La iluminación de campo oscuro es buena para detectar rayas y contaminación en superficies. Objetivo Apocromático y Objetivo Acromático Un objetivo apocromático, es una lente corregida para aberración cromática (color borroso)en tres colores (rojo, azul, amarillo). Un objetivo acromático, es una lente corregida para aberración cromática en dos colores (rojo, azul) Amplificación La proporción del tamaño de la imagen de un objeto amplificado, creada mediante un sistema óptico al tamaño del objeto. Amplificación, comúnmente se refiere a amplificación lateral, aunque puede significar amplificación lateral, vertical, o angular.

Microscopio de taller

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Rayo principal Un rayo considerado a ser emitido desde un punto objeto fuera del eje óptico y pasando a través del centro de un diafragma de apertura en un sistema de lentes. Diafragma de apertura Una apertura circular ajustable que controla la cantidad de luz pasando a través de un sistema de lentes. Es también referido como apertura de paro y su tamaño afecta la brillantez de la imagen y la profundidad de foco. Diafragma de campo Un paro que controla el campo de visión en un instrumento óptico. Sistema Telecéntrico Un sistema óptico, en el que los rayos de luz son paralelos al eje óptico en objeto y/o espacio de imagen. Esto significa, que la amplificación es aproximadamente constante sobre un intervalo de distancias de trabajo, por lo tanto, casi eliminando error de perspectiva. Imagen erecta Una imagen en la cual, la orientación de izquierda, derecha, arriba, abajo y las direcciones de movimiento, son las mismas que las de la pieza sobre la platina. Campo Numérico El tamaño del campo de visión (diámetro) de un ocular, expresado en milímetros.

Precauciones al usar un Microscopio para maquinado YAG Láser El maquinado láser con un microscopio, es usado sobre películas delgadas, tales como, semiconductores y cristales líquidos, pero la radiación láser de alta potencia, no puede ser transmitida a través de una lente objetivo normal. Por lo tanto, si se una un láser YAG, se limita la potencia de salida del láser como sigue: Longitud de

onda del láser YAG

Densidad de irradiación de energía

(salida)

Ancho de pulso

Objetivo aplicable

1064 nm 0.2 J/cm2 10 ns M Plan NIR 532 nm 0.1 J/cm2 10 ns M Plan NUV 355 nm 0.05 J/cm2 10 ns 266 nm 0.04 J/cm2 10 ns M Plan UV

* Si el ancho de pulso de un láser se vuelve más corto, la densidad de energía de radiación es reducida por la raíz de la proporción de los anchos de pulso.

Ejemplo: Si el ancho de pulso disminuye a ¼, la densidad de energía es reducida aproximadamente a ½.

NOTA: Cuando se pretende usar un láser con un microscopio, contacte previamente al centro de ventas Mitutoyo para prevenir daño inesperado al equipo y materiales. La partes de proyectores de perfiles y microscopios fueron traducidas de la guía rápida para instrumentos de medición de precisión publicada inicialmente por Mitutoyo Corporation (Japón) en japonés e inglés.

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Actualmente la medición de forma es tanto o más importante que la medición de Tamaño

Microscopio de medición