Posición no diametral

Recibí un comentario respecto a la posición que no es diametral. El concepto de posición tiene que entenderse como algo que nos indica  a que distancia está una característica. Esta distancia esta referenciada a otras características, que son los referencias ("datums").
La definición de "ṕosición verdadera" es, de acuerdo a la norma 1994 de la ASME:
La localización teóricamente perfecta establecida por dimensiones básicas de una característica.
En las caractersticas redondas,tales como agujeros o flechas, la zona de tolerancia puede ser circular. Pero algunas otras zonas están determinadas por planos paralelos, los cuales pueden ser curvos o rectos.
Lo primero que hay que notar es que el símbolo de diámetro no se utiliza después del símbolo de posición. Esto nos indica que la zona no es cilíndrica o circular.
Una costumbre muy europea (ISO) es controlar la forma y posición de una superficie plana por medio de posición. Esto es permitido, aunque la costumbre más "ASME" es usar la caracteristica de perfil.
En el ejemplo siguiente se quiere controlar la forma y la localización de la superficie superior. Queremos que la superficie tenga una variación en su forma y posición dentro de una zona de .010.

 La planicidad no es una buena opción, ya que esta solo controla forma, para controlar la forma y la localización tenemos dos opciones. Al usar la posición los límites estaran dados por dos planos separados la distancia especificada como tolerancia.

Al usar perfil, se controla lo mismo. Este es un caso especial, por lo general se usa perfil cuando no se puede usar otra cosa pero en el control de planos es posible usar el perfil.

El propósito de este ejemplo es mostrar una tolerancia de posición que no es diametral, es decir, la zona de tolerancia esta determinada por dos planos separados la distancia especificada por la tolerancia, mientras que una posición diametral es, valga la redundancia, un cilindro.

A veces es necesario usar una tolerancia no diametral en agujeros. Algunas veces por cuestiones de costo o funcionalidad es deseable que la tolerancia sea mayor en una dirección que en otra, y se logra con dos tolerancias geométricas para cada lado.

En el ejemplo siguiente se muestra como el centro del agujero puede estar desplazado verticalmente una zona de .010 mientras que horizontalmente podemos desplazarnos dentro de una zona de .020. De nuevo notemos que el símbolo de diámetro NO está antes del valor de tolerancia, indicando que no es una zona diametral.

En la siguiente imagen se muestra como las zonas se extienden a todo lo largo de los lados de la pieza. La tolerancia de .020 solo índica que el centro de la pieza se puede mover dentro de esta zona en forma vertical sin establecer ningún límite. Si no estuviera acotada la otra posición que gobierna la posición vertical, el centro del agujero podría desplazarse horizontalmente sin restricción, mientras no saliera de la zona de tolerancia.

Medición de PH para ingenieros mecánicos

Puede ser raro para alguién que trabaja en la industria metalmecánica encargarse de analizar mediciones de PH, pero a veces es necesario. El PH es una medida para evaluar muchos fluídos en la industria como el líquido de corte, agua de proceso, baños electrolíticos, ad nauseam....

¿Qué es el PH?

El PH es una medida de la actividad de los iones hidrogeno.

Química elemental, un ión es un atomo que ha perdido o ganado electrones, es decir que se ha vuelto más positivo o más negativo.

La molécula de agua forma iones llamados hidronio  H₃O⁺ (AKA Oxonio, o según otros Hidroxonio). Si por alguna razón hay una fuente de hidrogeno en el agua (como un ácido) , las moléculas de esta última tienden a formar  oxonios. El agua puede compartarse como un ácido o como base, así que en el agua quimicamente pura hay hidronios (cuya cantidad se usa como referencia).

En otras palabras:

El agua normal es  H₂O

Agua (fuente:wikipedia)

Cuando llega un ión de hidrogeno  se pega al agua formando hidronio, esta molécula se ha vuelo más positiva (o sea es un catión)

H₃O⁺

Aquí tenemos al hidronio (conózcalo usted):

    

Hidronio, también llamado oxonio (fuente: wikipedia)

El hidronio vive de prisa y muere joven, casi inmediatamente es consumido (solvatado) por las moléculas del agua. Hay otras sustancias que son mejores productores de hidronios que el agua pura, por ejemplo los ácidos…

Bien, la cantidad de hidronios en el agua es una indicación de la acidez o alcalinidad. Para medir la concentración del  hidronios en el agua se utiliza el concepto de “concentración molar” (no confundir con los dientes).  No entraremos en detalles de la concentración molar. En este momento baste saber que nos define cuantos hidronios hay.

El PH es el resultado de multiplicar el logaritmo por un número negativo, se usa un logaritmo
 debido a que la concentración es un número muy pequeño:

Por ejemplo:

El agua tiene, a temperatura de 21 , una concentración de [H₃O⁺] = 1 × 10⁻⁷ M (0,0000001) o sea simplemente un pH de 7, ya que pH = –log[10⁻⁷] = 7

La cantidad de iones de hidrogeno esta para diferentes sustancias esta indicada en la siguiente gráfica:

Sustancias y su ph (fuente: wikipedia)

Entonces, un PH 7 es neutro, menor a 7 ácido y mayor a 7 alcalino.

Ahora sí, ¿Cómo lo medimos?

Sin duda se puede encontrar una gran información en la web, pero se pueden resumir en dos tipos:
a)      Indicadores (colorímetros “tornasol”)
b)      Indicadores (Titulación; tritación)
c)      Por eléctrodo.

a)      Indicadores (colorímetros “tornasol”)

El primer método consiste sencillamente en un papel con una sustancia que cambia de color de acuerdo al ph de la solución:

papel tornasol (fuente: wikipedia)

Este método no es muy preciso y está sujeto a cierta subjetividad. 

b) Titulación

La titulación es un método de “análisis volumétrico”. Cunando hay una reacción química y se cambia el PH, las moléculas de la nueva sustancia pueden dispersar la luz de diferente manera.  En palabras más profanas, cambia de color cuando cambia de PH. Este principio se basa en que todas las moleculas dispersan la luz de acuerdo a su tamaño, como la clorofila, que dispersa las ondas de luz de entre 500 y 600 nanómetros, o sea los colores verdes.

En base a lo anterior se pueden agregar ciertas sustancias que al reaccionar con los acidos o las bases cambian de color

Más allá del valor del PH esta técnica permite determinar la cantidad desconocida de un reactivo conocido. En el caso del agua, la alcalinidad se puede deber a varios tipos de sales, con el método de titulación es posible determinar la alcalinidad debidaa una sal específica. Este método precisa el uso de un PH-metro para  resultados más precisos. (nota: hay otros tipos de titulaciones, esta solo es para el tema que estamos tratando)

Titulación (fuente: wikipedia)

b) Electrodo (PH metro)

El tercer método es utilizar un eléctrodo, sencillamente ya se venden integrados como un PH-Metro. Este tipo de instrumetnos  son más precisos que los anteriores y más fáciles de usar.

PH metro (fuente wikipedia)

El instrumento consiste en varios electrodos colocados en una capsula que los protege del ambiente pero permite el paso de la solución. en realidad son 3 electrodos: uno de referencia, otro de medición y uno más para compensación por temperatura.


El principio es sencillo, los valores de potencial eléctico varían de acuerdo a la concentración de hidronios en la solución. Esto permite realizar una valoración entre el valor del electrodo de medición y el de referencia. El electrodo de referencia no varia su valor con la concentración y permite comparar el valor del eléctrodo de medición. El instrumento mide la diferencia de potenciales eléctricos y lo convierte a un valor de PH.

Los detalles de la construcción de los electródos de los PH-metros y de su calibración será parte del siguiente post.

Una cuestión que algunas veces puede surgir en nuestras labores como ingenieros es la de determinar el centro de masa de un cuerpo. En un caso particular, imaginemos que alguién se queja de que un contrapeso no tiene la masa de desbalance a un punto fijo especificado, podriamos suponer que es suficiente tomarle medidas, pero esto no sirve si el cuerpo es muy irregular y si su método de fabricación no deja superficies regulares como en el caso de la fundición.

Para este tipo de casos podemos usar el truco de usar los momentos. Para eso necesitamos una celda de carga, como la usada para medir el torque de las herramientas de ensamble.


Ahora vamos a suponer que nuestro cuerpo es de este tipo:

 fuente(http://www.wrljet.com/fordv8/289hp.html)

Este tipo de contrapesos fundidos tienen la desventaja de que pueden tener ciertas variaciones debido a que la fundición es un proceso muy "burdo".  Nosotros representaremos esquematicamente esta pieza así:

Supongamos que todo el contorno de la pieza es de fundición y que queremos sacar la disancia del centro de masa al centro del agujero maquinado.
Para determinar de manera experimental esa distancia requerimos una celda de carga para medir torque. Una celda como la que se muestra a continuación (fuente:https://www.futek.com/application/torque-sensor/Torque-Verification-Calibration)

en la imagen se muestra la celda y el ejemplo para calibrar un medidor de torque. Nosotros solo requerimos la celda y un indicador. Representaremos la celda así:

ahora, sabemos que un momento es el producto de la fuerza por la distancia, en nuestro caso el peso por la distancia al centro de la celda.

Torque = Peso X Distancia

Si creamos un brazo que pueda colocarse en la celda con un peso cualquiera W1, podremos determinar su distancia al centro de masa al despejar la distancia.
Nuestro brazo es una barra metálica con un agujero cuadrado donde lo ensamblaremos con la celda y una pivote en un extremo dode meteremos el contrapeso.
La distancia del centro del agujero cuadrado al centro del pivote es concocida, y le llamaremos D.

Torque en la celda = Distancia al centro de masa X Peso
Distancia al centro de masa= (torque en la celda) / Peso

La suma de los momentos totales en un punto es igual a la suma de los momentos individuales. Por lo tanto si hacemos el ensamble del brazo en la celda, esta última nos indicará un valor de torque T1 causado por el peso W1, si quisieramos saber la distancia del centro de la celda al centro de masa del brazo solo tenemos que despejar:

Distancia al centro de masa del brazo = (torque en la celda)/W1

Ahora, recordemos que la distancia del centro del agujero al centro del pivote es conocida, si hacemos todo el ensamble con el contrapeso podremos sacar el valor del torque generado por el contrapeso:

El torque total Tt es igual a la suma del torque del brazo más el torque del contrapeso

Tt=Torque brazo + Torque contrapeso

Despejamos el torque (momento) del causado por el contrapeso con una sencilla resta:

Torque contrapeso = Tt - Torque brazo

Ahora saquemos la distancia del centro de la celda al centro de masa del contrapeso:

Distancia del centro de masa del contrapeso al centro de la celda =
(Torque contrapeso) / W2

y listo, si se requiere la distancia en otro perfil solo es necesario crear otro tipo de brazo.

Las partes de fundición tienen ciertos puntos de localización en sus dibujos ("datums" o referencias), sería necesario que el brazo incorporara esos puntos en su diseño para lograr localizar el centro de masa con respecto a ellos.

Calibrar cintas métricas

En ciertos lugares se utilizan las cintas métricas de manera habitual, sin embargo cuando se tratan de implementar sistemas de calidad surge la duda cuando se pide que las cintas métricas sean controladas como instrumentos de medición. Un comentario que frecuentemente se escucha sobre las reglas o cintas métricas es que estas no se pueden calibrar por que “no se pueden ajustar”.

Cinta métrica (tomado de Wikimedia)

 Debemos recordar las definición de calibración que nos da la BIMP (BIPM: Bureau International des Poids et Mesures) es:

Calibración Es laoperación que en una primera etapa es una relación de los valores y sus incertidumbres de medida asociadas obtenidas a partir de los patrones de medida, y las correspondientes indicaciones de sus incertidumbres asociadas.

…

Nota 2. No conviene confundir la calibración con el ajuste de un sistema de medida...

Sin complicarnos demasiado, si tomamos un patrón y comparamos su valor con el valor proporcionado por el instrumento, en este caso una regla, estamos calibrando el instrumento. La calibración es algo independiente del ajuste. Bien, en ese orden de ideas es posible calibrar nuestras reglas o cintas métricas “in house” teniendo los patrones adecuados.

¿Cuales son los patrones adecuados? Sencillamente unos patrones de longitud u otra regla de menor incertidumbre. Para los que tienen a su alcance una CMM, se pueden crear patrones con dimensiones conocidas, validadas con la cmm y usarlos como patrones para la calibración. Las tolerancias son amplias, así que no es algo muy díficil. Hay  que considerar que las tolerancias de fabricación son de casi un milímetro, estas tolerancias tan altas no permiten construir patrones de referencia con una precisión aceptable sin costos altos.

La figura siguiente nos muestra una opción.

Un posible patrón para cintas métricas.

Existen varios estándares para las reglas y cintas métricas, en Estados Unidos el  ASME B89.7, en México tenemos la NOM-046-SCFI-1999, sin duda hay muchos otros estándares equivalentes en el resto del mundo. Podemos crear nuestro procedimiento interno de calibración usando estas normas como punto de partida.

Se debe tener en cuenta, que los requerimientos de ISO no requieren forzosamente una calibración, se puede realizar solamente una verificación de la cinta. En este caso, el contar con un patrón como el que mencionamos antes, simplifica grandemente cumplir con ese requerimiento y, lo más importante, asegurar que la cinta métrica funciona adecuadamente.

"Vaporware" en el uso de la máquina de coordenadas

He recibido varios mensajes, por correo todos, por favor mejor déjenlos aquí en el blog. Estos mensajes son sobre el uso de la CMM (coordinate measuring machine o máquina de medición por coordenadas) para medir dimensiones muy pequeñas.
Lamentablemente muchas personas, incluidas muchas de control de calidad tienen un error de percepción con la máquina de medición por coordenadas. En ocasiones, al discutir el valor de una dimensión, el afectado arguye que la medición fue tomada con una máquina de coordenadas, pretendiendo hacer creer que por ese hecho es más precisa.
En sí la apariencia de la máquina es impresionante para el desinformado: una estructura tipo puente, con servomecanismos, por lo general con una mesa de granito y con un software apantallante. Pretender conocer la precisión o incertidumbre de la medición de un instrumento solo por su apariencia es un error. Se cree que un instrumento por ser electrónico es más preciso y no es así, la electrónica es un medio para facilitar la medición, la precisión de las medidas las da la construcción del instrumento.
¿Qué es más preciso? ¿Un modesto micrómetro de 1000 dolares o una CMM de 300,000 dolares? depende que vamos a medir y como lo vamos a medir.  Supongamos que queremos medir un diámetro de 10 +/- .025 mm.

VS

reto:

La cmm va a palpar varios puntos, si tiene cabezal de escaneo puede tomar muchísimos puntos, posteriormente va realizar el cálculo del diámetro del círculo utilizando el método de mínimos cuadrados (por omisión, hay otros métodos disponibles).
Con el micrómetro tendremos un ser humano tocando solo dos puntos. Recordemos que el micrómetro es un instrumento sin "error de Abbe" y que por lo general cuenta con una capacidad de aplicar la fuerza de medición de forma controlada gracias a un tornillo con torquímetro.
No vamos a entrar en detalles del proceso de medición (incertidumbre, repetibilidad, etc.). Vamos al primer dato que tenemos disponible por catálogo.
Por lo general lo que aparece en los catálogos como precisión se refiere al "error de indicación", este valor se obtiene durante la calibración del instrumento, comparando el valor indicado contra un patrón.
El dato de catálogo de un micrómetro Mitutoyo de 0  a 25 mm dice:

En otras palabras el error de medición esperado es de +/- 0.5 micrones.

En el caso de las CMM's la "precisión" se basa en el "error máximo permitido" MPE (maximum permissible error). Este error está en función de la longitud medida, a más longitud más error, y se expresa con una formula. Para el caso de la CMM Zeiss Prismo, tomando datos de internet:
http://www.accretech.jp/english/pdf/measuring/prismo_navi_e.pdf

En el caso de nuestra pieza de 10 mm:

MPE = 1.4 + 10/333 = 1.733 micrones

Entonces, al medir el diámetro con un micrómetro podemos tener un error de indicación del instrumento de hasta 1.0 micrones y de 1.733 micrones si usamos  la CMM. Aquí gana el micrómetro.

Hasta ahora hemos hablado de una CMM muy precisa. Actualmente muchas compañías están utilizando CMM's de brazo articulado como FARO o ROMER. ¿Como andan de MPE estos instrumentos? En el caso de FARO, uno de sus modelos "plus" tiene los siguientes datos técnicos:

Este aparato tiene una MPE  ¡de 36 hasta 102 micrones! Sería un absurdo medir la pieza con este instrumento. De nuevo gana el micrómetro.

Claro que existen CMM's con una precision mayor, pero para una precisión menor a un micrón el costo debe andar arriba de los 350,000 dolares.

Hay otros factores que se deben tomar en cuenta para evaluar el sistema de medición, pero si tomamos en cuenta únicamente al instrumento podemos ver que a veces una herramienta más "primitiva" es más precisa. Es muy importante analizar los conceptos básicos de metrología cuando seleccionemos un instrumento o cuando nos pretendan imponer un criterio de aceptación basados únicamente en que tan sofisticado luce el equipo de medición.

La infame posición verdadera

Este es mi primer post, espero que les sirva....

Uno de los conceptos más comunes en las tolerancias geométricas es la "posición verdadera". Aunque de acuerdo a las normas de ingeniería ISO se le debe llamar simplemente "posición".

Este post es con el propósito de explicar el concepto de posición a lo novatos en  tolerancias geométricas. Así que, como dijo Torquemada: "empecemos lentamente".

Imaginemos que tenemos dos piezas que vamos a ensamblar, una es una placa metalica con un perno y la otra es una placa con un agujero en su centro. También, como es un ejemplo, imaginemos que el perno y en el agujero no tienen variación en sus diámetros. En la vida real todo tiene tolerancias, pero estos supuestos nos ayudaran a entender mejor el concepto.

Imaginemos la placa con el perno, por simplicidad vamos a suponer que el tamaño del perno es perfecto, sin variaciones hacia arriba o debajo de su tamaño nominal, que en esta caso es 9 mm

Por otra parte vamos a suponer que la placa con el perno ensambla en una placa con un agujero, el agujero de esa placa mide 10 mm.

Al ensamblar ambas partes  tenemos un huelgo de .5 mm cuando están perfectamente centrados. Vamos a agregar la restricción de que el ensamble requiere que los lados izquierdo e inferior siempre estén alineados, en la imagen el borde de ambos lados se marcó en color amarillo

Supongamos que la placa con el perno (gris) no tiene variación, y que la única característica con variación en su posición es el agujero. ¿Cuánto es lo máximo que se puede mover lateralmente el agujero? La respuesta es .5 mm, que es el huelgo máximo.

Aquí mostramos que pasa cuando se mueve el agujero hacia  la derecha, el huelgo se vuelve cero a la izquierda y 1.00 mm a la derecha.

Al desplazar el agujero hacia arriba lo máximo permisible, esto es 0.5 mm, se crea el mismo efecto:

Un enfoque, si deseamos añadir tolerancias, es considerar que el agujero se puede “mover” +/- 0.5 mm. De esta manera nuestro diseño  para la placa quedaría así:

¿Funcionaría este diseño? La respuesta es no. La razón es la siguiente:

Al colocar una tolerancia de más/menos estamos creando una zona de tolerancia rectangular. Los valores del centro del agujero pueden variar de 9.5 a 10.5 creándose una zona de tolerancia cuadrada de 1.00 por lado.

El enfoque de diseño que escojamos debe asegurar que el perno y el agujero ensamblen si el centro del agujero cae en cualquier lugar dentro de la zona de tolerancia.

La zona de tolerancia mide 1.0 milimetro por lado, lo que nos lleva a determinar por trigonometría que la distancia del centro a su esquina es de 0.707 mm.

¿Qué pasaría si colocamos el centro del agujero exactamente en  una esquina de la zona de tolerancia? Coloquemos el centro del agujero en la esquina inferior izquierda de la zona.

Como dijimos antes, ambas placas deben estar alineadas contra los lados marcados en amarillo. En este caso vemos que al colocar el agujero en la esquina inferior izquierda se genera una interferencia de 0.207 mm que haría imposible el ensamble. El área fuera del máximo circulo inscrito de la zona de tolerancia es inutilizable

La razón es que en un agujero redondo no importa la dirección a donde se desplace el centro, puesto que un círculo tiene la característica de que todos los puntos del perímetro son equidistantes al centro. En otras palabras, la zona de tolerancia de un agujero redondo es siempre circular. No importa donde quede el centro, si está dentro de la zona de tolerancia la pieza será funcional. Si el centro queda fuera de esa zona, existirá interferencia.

Se puede pensar que se pueden seguir utilizando tolerancias rectangulares, si  reducimos el área de tolerancia dejando solo la zona amarilla.

Este enfoque es poco práctico, ya que desperdiciaríamos una buena cantidad de tolerancia disponible, el 36%  para ser más precisos.

¿Cómo especificar una zona de tolerancia circular? Empecemos por decir que la zona debe estar referenciada a características físicas de las partes. En nuestro caso las cotas están referenciadas a los lados izquierdo e inferior. A estos lados se les llama referencias (o “Datums”).  Las referencias se simbolizan con un triangulo que se coloca sobre la parte de la característica que servirá de referencia y se identifica con una letra colocada dentro de una caja.

A partir de las  referencias se trazan las distancias teóricamente perfectas al centro de la zona. Estas dimensiones se simbolizan al colocar el valor dentro de un rectángulo. A estas dimensiones se les llama “Dimensiones Básicas” y no llevan tolerancia.

La razón de que no lleven tolerancia es que solo indican la localización ideal de la zona de tolerancia.

Existen varios símbolos para las tolerancias geométricas, y los veremos más adelante, para este caso en particular se aplica el símbolo de posición, que es cómo la mira de un rifle, un circulo con dos lineas que forman una cruz.

Nuestro ejemplo, con sus nuevas tolerancias quedaría de este modo:

El símbolo de posición indica que el agujero debe de estar dentro de una zona circular de 1.0 mm de diámetro respecto a las referencias A y B.

Espero que esta información les sea útil. Cualquier comentario déjenme un mensaje.