Instrumentos de Medición Mecánica

INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEZIUTLÁN Metrología y Normalización

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INSTRUMENTOS PARA MEDICIÓN MECÁNICA

Nuestra primera experiencia con la medición suele ser con una simple regla para medir distancias (dimensiones lineales). Las reglas se utilizan como patrón ante las dimensiones por medir. Tradicionalmente, en los países de habla inglesa se han usado las unidades de pulgada y pie, que en su origen se basaron en partes del cuerpo humano. En consecuencia, era común encontrar variaciones significativas en la longitud de un pie. Sin embargo, 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 109. 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 (1 nm = 10 -9 m). En la metrología de ingeniería se utilizan numerosos instrumentos y dispositivos de medición, cada uno de los cuales tiene su propia aplicación, resolución, precisión y otras características. Dos términos que se usan comúnmente para describir el tipo y la calidad de un instrumento son: 1.

Resolución es la menor diferencia en dimensiones que un instrumento de medición puede detectar o distinguir. Por ejemplo, una vara de madera tiene una resolución mucho menor que un micrómetro.

2.

Precisión (algunas veces llamada erróneamente exactitud) es el grado en que el instrumento da mediciones repetitivas del mismo patrón. Por ejemplo, una regla de aluminio se dilata o contrae (dependiendo de las variaciones de temperatura en el ambiente en que se utiliza), o se sujeta con la mano; esto la somete a una temperatura mayor que el aire circundante lo que afecta la precisión.

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 °C (68 °F) 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 ±0.3°C (0.5°F).

Características geométricas de las partes mediciones analógicas y digitales

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En esta sección se indican las cantidades y características geométricas que se miden normalmente en la práctica de la ingeniería y en los productos obtenidos de los procesos de manufactura descritos a lo largo de este libro. 

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.



Planicidad, 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.

Existe una amplia variedad de instrumentos y máquinas para medir rápida y exactamente estas cantidades en partes estacionarias, o en partes que se encuentran en producción continua. Debido a las continuas e importantes tendencias a la automatización y el control computarizado de las operaciones de manufactura, en la actualidad el equipo moderno de medición es parte integral de las máquinas de producción. Es necesario reconocer las ventajas de los instrumentos digitales sobre los analógicos. Como se deduce de nuestra descripción del equipo tradicional de medición, la medición exacta en un instrumento análogo, como un calibrador vernier o un micrómetro (fig. 35.2a), se basa en la habilidad del operario para interpolar apropiadamente y leer las escalas graduadas. Por el contrario, un calibrador digital no requiere alguna habilidad particular, ya que las medidas se indican de manera directa (fig. 35.2b). Sin embargo, lo más importante es que el equipo digital se puede integrar con facilidad a equipo (fig. 35.2c), incluyendo la maquinaria de producción y los sistemas de control estadístico de procesos (SPC, por sus siglas en inglés).

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2.1

INSTRUMENTOS BÁSICOS

Se denomina medida a la determinación de una magnitud tomando como referencia otra magnitud de la misma especie adoptada como unidad patrón, tomar la medida de una magnitud es, por tanto, determinar cuántas veces se encuentra contenida la unidad patrón en la misma. Las medidas suelen realizarse para determinar la distancia entre dos caras de una pieza, dos aristas o dos puntos de referencia cualquiera. La medición se puede clasificar en: 

Directa: Cuando el valor de la medida se obtiene directamente de las divisiones de los instrumentos de medición.



Indirecta: Cuando para determinar la medida de una magnitud es necesario utilizar alguna referencia, que no se corresponde con ningún patrón.

Los instrumentos de medición se pueden agrupar utilizando diferentes criterios. Como muestra, en la figura 5.1 se realiza una clasificación de los mismos en función del tipo de medida y de la magnitud a utilizar.

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Instrumentos de Medición

Magnitud Lineal

Magnitud Angular

Medida Directa

Medida Indirecta

Medida Directa

Medida Indirecta

Metro

Comparador de Carátula

Transportador Simple

Falsa Escuadra

Regla Graduada

Nivel

Goniómetro

Regla de Senos

Verner

Regla Óptica

Escuadra

Micrómetro

Rugosímetro

Patron Angular

Calibre de Espesores

Bloques Patrón

Los instrumentos empleados para determinar magnitudes lineales y de medida directa más habituales en el taller de mecanizado son: 

El metro



La regla graduada



El calibre o pie de rey



El micrómetro



Los comparadores



Los flexómetros



Las galgas de espesores



Los calibres de formas



Los goniómetros

Además del tipo de medida y del funcionamiento propio de cada uno de ellos, los aparatos de medida se diferencian en la precisión con que determinan la medida. Para establecer la precisión que aportan a la hora de efectuar una medida, conviene tener presentes dos conceptos que determinan el grado de exactitud de las medidas. Estos términos se denominan: 

Apreciación. Se conoce así a la medida más pequeña que puede medirse o leerse con un instrumento dado (distancia entre dos divisiones contiguas). En la figura 4.1 A, se puede observar que una pieza mide doce milímetros, ya que el útil indica la apreciación y la pieza coincide con una de sus divisiones.



Estimación. Cuando la lectura de una medida no coincide con ninguna de las divisiones en que se encuentra graduado el útil de medición (figura 4.1B), esa parte de la medida que está entre dos divisiones se determina por aproximación o estimación.

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Cuando se han de realizar mediciones lineales que no requieren un alto grado de precisión se emplean comúnmente los metros y las reglas, ya que simplifican mucho el proceso de trabajo.

2.2

INSTRUMENTOS ESPECIALES

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. Estos instrumentos comparan dimensiones (de ahí la palabra comparativa), de los cuales el ejemplo más común es el indicador de carátula (fig. 35.4). Éstos son dispositivos mecánicos sencillos que convierten desplazamientos lineales de un palpador a una cantidad de rotación en un indicador en una carátula circular. El indicador se ajusta a cero a cierta superficie de referencia y el instrumento o superficie por medir (ya sea externa o interna) se pone en contacto con el palpador. El movimiento del indicador se lee directamente en la carátula circular (positivo o negativo), con exactitudes hasta de 1

(40

pulg). También existen indicadores de carátula con mecanismos de amplificación eléctricos y de fluidos, y con lecturas digitales.

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 autocolimador (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. En la actualidad es común usar rayos láser para alinear elementos individuales de máquinas para el ensamble de sus elementos.

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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. Otro método para medir la planicidad es la interferometría, utilizando un plano óptico. Este dispositivo es un disco de vidrio o de cuarzo fundido con superficies planas paralelas, que se coloca sobre la superficie de la pieza de trabajo (fig. 35.6a). Cuando se dirige un rayo de luz monocromática (un rayo de luz con una sola longitud de onda) hacia la superficie en cierto ángulo, el plano óptico divide el rayo en dos haces, apareciendo como bandas claras y oscuras a simple vista (fig. 35.6b). El número de bandas que aparecen se relaciona con la distancia entre la superficie de la parte y la superficie del fondo del plano óptico (fig. 35,6c). En consecuencia, una superficie verdaderamente plana en una pieza de trabajo (esto es, una en la que el ángulo entre las dos superficies es cero) no divide el rayo de luz y las franjas no aparecen. Cuando las superficies no son planas, las franjas se curvan (fig. 35.6d). El método de la interferometría también se utiliza para obrservar las texturas y las rayaduras superficiales (fig. 35.6e).

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Las rejillas de difracción consisten en dos vidrios ópticos planos de diferentes longitudes con líneas paralelas estrechamente espaciadas y grabadas sobre sus superficies. La rejilla del vidrio más corto se inclina ligeramente. El resultado es que se desarrollan franjas de interferencia cuando se ve sobre el vidrio más largo. La posición de estas franjas depende de la posición relativa entre los dos juegos de vidrios. Con equipo moderno y usando Untadores electrónicos y sensores fotoeléctricos, se puede obtener una resolución de 2.5

(0.0001 pulgada) con rejillas que tienen 40 líneas/mm

(1000 líneas/pulgada). 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 35.7a) que la palabra redondez. La verdadera redondez es fundamental para el funcionamiento apropiado de flechas rotatorias, pistas para rodamientos, pistones, cilindros y bolas de acero para rodamientos.

En general, 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. Este método también puede utilizarse para medir la rectitud (perpendicularidad) de las caras de los extremos de las flechas maquinadas, como en la operación de refrentado mostrada en la figura 23.1e.

2.

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 media.

Perfil El perfil se puede medir (a) comparando la superficie con una plantilla o calibrador o calibrador de perfiles (como radios y perfiles), y (b) utilizando varios indicadores de carátula instrumentos similares. Sin embargo, el mejor método consiste en usar las máquinas de medición avanzada. 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 tapón para roscas, calibradores de paso de roscas, micrómetros con palpadores cónicos y calibradores instantáneos con yunques en forma de rosca. 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 (fig. 35.8b). Los métodos avanzados incluyen el uso de proyectores ópticos y máquinas de medición de coordenadas.

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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 (fig. 35.9). La parte se monta en una mesa o entre centros, y la imagen se proyecta sobre una pantalla con una amplificación de 100X o mayor. Las mediciones lineales y angulares se realizan en forma directa sobre la pantalla, que se encuentra marcada con líneas y círculos de referencia. La pantalla se puede girar para permitir mediciones angulares.

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2.3

MÁQUINAS PARA MEDICIÓN LINEAL

Metro Normalmente, son instrumentos formados por reglas flexibles graduadas, en milímetros» por lo que permiten medir con un error máximo de 0,5 mm (medida por estimación). La medición se realiza alineando un extremo de la longitud a medir con el inicio u origen de la escala, determinando a continuación la medida correspondiente al otro extremo de la citada longitud.

Según su construcción, pueden clasificarse en: plegables, flexibles y flexibles arrollables (fig. 4.2). Los flexibles, más comunes en mecanizado, suelen estar fabricados con una cinta de acero graduada convenientemente, y de una longitud comprendida entre 1 y 5 m. En los flexómetros arrollables la cinta es retráctil (gracias a un muelle al que se encuentra unido su extremo interior), y suele disponer de un freno que bloquea la cinta para facilitar la lectura de las medidas. Su facilidad de manejo hace que resulten prácticos hasta para medir contornos curvilíneos. Una variedad de los mismos, y que determina un instrumento de medida característico, es la Cinta de medición. Esta cinta suele ser de fibra o material textil con una graduación semejante al metro aunque de una longitud muy superior, por lo que se suele utilizar para medir grandes longitudes.

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Regla graduada La regla graduada consiste en una lámina o prisma de acero templado de varios milímetros de espesor (en función de su rigidez) y de sección rectangular, que dispone de una escala graduada en una de sus caras (cantos) dividida en milímetros (fig. 4.3). En algunas ocasiones las caras se encuentran biseladas. Las reglas graduadas resultan muy útiles para definir, señalar y trazar medidas sobre piezas.

Existe una gran variedad de formatos (longitudes, anchos, etc.) así como de tipos en función de las características de la pieza a medir. Entre ellas se encuentran: 

Regla "de tacón" (fig. 4.4). Incorpora una escuadra en uno de los extremos (donde se encuentra el origen) para facilitar el posicionamiento de la primera división de la regla con la arista o cara de referencia de la pieza a medir (cuando existen salientes en la misma).



Recia angular (Fig. 4.5a). Resulta muy cómoda para medir y trazar sobre piezas cilíndricas.



Regla vertical con base de apoyo (Fig. 4.5b). este tipo de regla facilita en gran medida la operación de medición de alturas.

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Calibre o pie de rey La escala vernier la inventó Petrus Nonius (1492-1577), matemático portugués por lo que se le denominó nonio. El diseño actual de la escala deslizante debe su nombre al francés Pierre Vernier (1580-1637), quien la perfeccionó. El calibrador vernier fue elaborado para satisfacer la necesidad de un instrumento de lectura directa que pudiera brindar una medida fácilmente, en una sola operación. El calibrador típico puede tomar tres tipos de mediciones: exteriores, interiores y profundidades, pero algunos además pueden realizar medición de peldaño (véase Fig. 7.1).

El vernier es una escala auxiliar que se desliza a lo largo de una escala principal para permitir en ésta lecturas fraccionales exactas de la mínima división.

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Para lograr lo anterior, una escala vernier está graduada en un número de divisiones iguales en la misma longitud que n-1 divisiones de la escala principal; ambas escalas están marcadas en la misma dirección. Una fracción de 1/n de la mínima división de la escala principal puede leerse (véase Fig. 7.3).

Como lo muestra la figura 7.5, la novena graduación (próxima a la graduación numerada 4) después del índice cero sobre la escala vernier está alineada con una graduación sobre la escala principal. Así, la distancia entre la graduación de 1 mm sobre la escala principal y el índice cero del vernier es:

Vernier largo El vernier largo está diseñado para que las graduaciones adyacentes sean más fáciles de distinguir. Por ejemplo, un vernier largo con 20 divisiones iguales en39 mm proporciona una legibilidad de 1/20 mm, la cual es la misma del vernier estándar del ejemplo anterior. Dado que este vernier tiene 20 divisiones que ocupan 39 mm\mbre la escala principal, la diferencia entre dos divisiones sobre la escala principal y una división sobre el vernier está dado como:

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Vernier en pulgadas En la figura 7.7 el índice cero del vernier está entre la segunda y tercera graduaciones después de la graduación de 1 pulgada sobre la escala principal. El vernier está graduado en ocho divisiones iguales que ocupan siete divisiones sobre la escala principal, por tanto, la diferencia entre una división de la escala principal y una división de la escala vernier está dada como: Por cada 1/16” hay 8/128”.

La figura 7.7 muestra que la quinta graduación después del índice cero sobre la graduación vernier coincide con una graduación de la escala principal. Así, la fracción es calculada como:

Cuando haya lecturas en que el numerador de la fracción resulte par, ésta se simplificará como sea necesario hasta no obtener un valor impar en el numerador, así: 8/16 = 3/4 o 32/64 = 1/2.

2.3.1

TORNILLO MICROMÉTRICO

El micrómetro es un dispositivo que mide el desplazamiento del husillo cuando éste es movido mediante el giro de un tornillo, lo que convierte el movimiento giratorio del tambor en el movimiento lineal del husillo. El desplazamiento de éste lo amplifica la rotación del tornillo y el diámetro del tambor. Las graduaciones alrededor de la circunferencia del tambor permiten leer un cambio pequeño en la posición del husillo (Fig. 9.2).

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LECTURA DEL MICRÓMETRO Para el micrómetro estándar en milímetros nos referiremos a las figuras 9.7 y 9.8.

Para lecturas en centésimas de milímetro primero tome la lectura del cilindro (obsérvese que cada graduación corresponde a 0.5 mm) y luego la del tambor, sume las dos para obtener la lectura total. Para el ejemplo mostrado en la figura 9.7:

1.

Note que el tambor se ha detenido en un punto más allá de la línea correspondiente a 4 mm.

2.

Note también que una línea adicional (graduación de 0.5 mm) es visible entre la línea correspondiente a 4 mm y el borde del tambor.

3.

La línea 49 sobre el tambor corresponde con la línea central del cilindro así:

Para lecturas en micrómetros ( 1.

)

Tome la lectura hasta centésimas de milímetro en la misma forma que en elejemplo anterior. Cuando la línea central del cilindro queda entre dos líneas del tambor, la cantidad desconocida se lee utilizando la escala vernier marcada sobre el cilindro.

2.

El vernier sobre el cilindro proporciona lecturas con incrementos de 0.001mm (

3.

Para leer el vernier, encuentre cuál línea sobre la escala de éste coincide con la línea sobre el tambor y tome la

).

lectura del número indicado a la izquierda de la escala vernier, nunca tome el número del tambor.

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4.

Note en la figura 9.8 que la línea con el número 4 del vernier coincide exactamente con una del tambor e indica 0.004 mm.

Para el micrómetro en pulgadas nos referiremos a las figuras 9.9 y 9.10.

Para lecturas en milésimas de pulgada primero tome la lectura del cilindro(observe quecada graduación corresponde a .025 de pulg) y luego la del tambor, sume las dos para obtener la lectura total. Para el ejemplo mostrado en la figura 9.9. 1.

Note que el tambor se ha detenido en un punto más allá del 2 sobre el cilindro y que indica .200 de pulg.

2.

Note que una línea adicional es visible entre la graduación con el 2 y el borde del tambor y que indican .025 de pulg,

3.

La línea numerada 1 sobre el tambor coincide con la línea central del husillo, lo que significa .001 de pulg adicional. Así:

Para lecturas en diezmilésimas de pulgada.

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1.

Tome la lectura hasta milésimas de pulgada en la misma forma que en el ejemplo anterior. Cuando la línea central del cilindro queda entre dos líneas del tambor, la cantidad desconocida se lee utilizando la escala vernier marcada sobre el cilindro.

2.

El vernier sobre el cilindro proporciona lecturas con incrementos de .0001 de pulg.

3.

Para leer el vernier, encuentre cuál línea sobre la escala de éste coincide con una línea sobre el tambor y tome la lectura del número indicado a la izquierda de la escala vernier; nunca tome el número del tambor.

4.

Note, en la figura 9.10, que la línea con el número 2 del vernier coincide exactamente con una del tambor y que indica .0002 pulg. Así:

Es un instrumento de medida empleado generalmente para determinar la desviación de medida o desplazamiento de una pieza respecto a una medida previamente establecida. Su apreciación es muy elevada, aunque su amplitud de medición es reducida (entre cinco y diez milímetros).

Normalmente, su apreciación es de centésimas de milímetro, aunque en algunos casos llega a ser de milésimas. Esta apreciación se consigue al transformar el movimiento longitudinal de un husillo desplazable que engrana con un piñón pequeño, haciendo que gire. Un segundo piñón solidario al primero, de mayor tamaño, engrana con un tercero más pequeño y así multiplica el número de vueltas, como puede verse en la figura 4.29.

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Esta multiplicación, junto con el número de divisiones de la carátula, determina la apreciación del comparador. En la figura 4.30 se puede apreciar este ejemplo: A.

Cuando la desmultiplicación del recorrido del husillo equivalente a un milímetro, corresponde con una vuelta de la aguja indicadora y la carátula tiene cien divisiones: 1 mm = 100 divisiones, entonces cada división equivale a una centésima de milímetro.

B.

Cuando la desmultiplicación del recorrido del husillo. equivalente a 0,2 mm. corresponde con una vuelta de la aguja indicadora y la carátula tiene doscientas divisiones: 02 mm 200 divisiones, entonces cada división equivale a una milésima de milímetro.

Para su utilización, se emplea conjuntamente con algún tipo de soporte de precisión: 

Soportes fijados mediante lomillos, para usos específicos.



Magnéticos» comparaciones de altura.



Soportes manuales para comparaciones de interiores, alexómetros.

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Bloques Patrón También se denominan bloques o calas patrón. Son unos bloques prismáticos de gran dureza, en los que dos de sus caras están totalmente paralelas y la distancia entre ambas determina una medida determinada con gran exactitud; estas caras están lapeadas (tratamiento de acabado que proporciona una superficie muy lisa).

Se emplean como referencia de medida, patrones, para calibrar chavetas y para ranuras. Normalmente forman juegos que permiten (superponiéndose unas sobre otras), conseguir gran cantidad de espesores diferentes. Gracias a su grado de acabado superficial, se adhieren unas sobre otras sin aumentar la medida total y la fiabilidad sigue siendo muy elevada. La superposición de calas se realiza limpiando el aceite de las superficies con un paño y colocando la de menor espesor sobre la mayor, transversalmente y girando con una leve presión hasta hacer coincidir su orientación.

Galgas de espesores Son una serie de flejes o láminas calibradas (fig. 4.43) de espesores escalonados que normalmente forman juegos, desde 0,05 a 1 mm. Se utilizan para determinar (por comparación) la holgura o separación existente entre dos piezas o superficies, que deban disponer de un ajuste determinado. También se denominan galgas de espesores.

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2.4

MÁQUINAS PARA MEDICIÓN ANGULAR

Goniómetros Son útiles para medir ángulos que forman las aristas de las piezas y para marcar líneas de referencia con inclinación determinada.

Proceso de medición A.

Paro comprobar el ángulo que forman dos aristas hay que seguir los pasos siguientes:

B.

Asentar la regla sobre una de las aristas.

C.

Desplazar la parte móvil que rodea el limbo (circunferencia o sector marcado con los grados), hasta hacer que asiente sobre la otra arista que se desea medir. La regla no debe perder su asiento sobre la primera arista.

D.

Comprobar la posición de la línea de referencia: los grados que marca corresponden al ángulo que forman las dos aristas sobre las que se han asentado la regla y la parte móvil, ver ejemplo de la figura 4.48

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Instrumentos de Medición Mecánica

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