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  2. Los instrumentos topográficos como alternativa en la medición industrial   (15/05/2003)

Los instrumentos topográficos como alternativa en la medición industrial

Los instrumentos topográficos pueden ser utilizados como sistemas de medición alternativos en la industria. En este artículo nos centramos en algunas de las aplicaciones más relevantes de la topografía, una tecnología que aparentemente no está relacionada con la metrología y que, sin embargo, puede ayudar a resolver problemas geométricos.
Javier Bisbal Martín, María Ana Sáenz Nuño
En muchas aplicaciones industriales los instrumentos y métodos tradicionales resultan de difícil aplicación. Algunos instrumentos como teodolitos, niveles ópticos o medidores de distancias, que fueron concebidos para su utilización en ámbitos topográficos o geodésicos, se revelan como eficaces aliados para la solución de muchos problemas de medida.

De esta forma, dos ciencias como la topografía-geodesia y la metrología, aparentemente dispares, se acercan para poder solucionar problemas geométricos. En cualquier caso no debe olvidarse que la metrología moderna surge en el siglo XIX junto a la geodesia, y que la primera definición del metro se obtiene a partir de las medidas geodésicas del arco del meridiano, medido entre otros por los españoles Jorge Juan y Antonio de Ulloa.

El general Ibáñez de Ibero fundador y primer director del Instituto Geográfico fue el primer presidente del Comité Internacional de Pesas y Medidas, lo que explica el camino recorrido en compañía por ambas ciencias en España, hasta no hace mucho años.

Instrumentos topográficos en la industria

Los instrumentos topográficos susceptibles de utilización en la industria son: teodolitos, niveles, taquímetros y su evolución, los medidores dinámicos polares. Estos tres instrumentos tienen dos características comunes, su aspecto óptico, que comparten con otros instrumentos estrictamente metrológicos, y el hecho de trabajar orientados a la gravedad. Este último aspecto en ocasiones puede ser un inconveniente, pues de hecho hay instrumentos que permiten su funcionamiento en cualquier posición. Sin embargo en muchas otras ocasiones facilita la realización de los trabajos.
La principal limitación de los taquímetros es la precisión de su medidor de distancias asociado, cuya mejor resolución no supera la décima de milímetro
El aspecto óptico de estos instrumentos y su carácter angular los relaciona con los autocolimadores, telescopios de alineamiento, etc. Por otro lado, la medida de distancias (reto histórico en las tareas geodésicas) los liga con las reglas a trazos, interferómetros, etc.

En topografía obtener incertidumbres de medida inferiores al centímetro requiere metodologías específicas, sin embargo en metrología 0,1 mm suele ser una precisión exageradamente alta. Las mayores contribuciones a dicha incertidumbre en trabajos topográficos convencionales son las asociadas al error que se comete al realizar la puntería sobre el objeto y al error debido a situar el instrumento sobre un punto determinado. En topografía industrial se minimiza el primer aspecto utilizando placas de puntería muy precisas adaptadas a las cortas distancias y se solventa el segundo drásticamente, no estacionando el instrumento sobre un punto prefijado.

En topografía clásica de campo, son dos los trabajos tipo que pueden realizarse: el levantamiento o llevarnos al papel (ordenador) el terreno y el replanteo o marcar en el terreno los elementos de un proyecto del que se dispone en el ordenador. En topografía industrial la determinación tridimensional de un objeto equivaldría al levantamiento y el montaje al replanteo.

En cuanto a los accesorios, algunos típicamente metrológicos se adaptan a estos instrumentos para permitir su uso industrial. Micrómetros de placas plano paralelas, oculares de autocolimación, pentaprismas, dianas, espejos, oculares acodados, espejos autonivelantes, objetivos de autorreflexión, etc., permiten que estos instrumentos diseñados para su utilización en las ciencias geográficas, se adapten a fines industriales.

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Figura 1: Nivel óptico.

Niveles ópticos

Un nivel óptico es un instrumento que materializa un eje óptico horizontal. En la industria se utiliza para la nivelación de elementos o para la determinación de la diferencia de alturas. Exigen el calado de un nivel de burbuja muy sensible (habitualmente niveles de "burbuja partida"), salvo los automáticos de uso topográfico, que garantizan la horizontalidad tras el calado de un nivel de burbuja esférico poco preciso. Estos instrumentos trabajan por tanto ligados a la gravedad.

Habitualmente disponen de micrómetros de placas plano paralelas que permiten leer a reglas graduadas con resoluciones de 10 µm.

Los niveles más modernos sustituyen el ojo humano por cámaras CCD y las reglas graduadas convencionales por otras de "código de barras", de forma que se evalúa la altura interceptada mediante una correlación entre la imagen obtenida y un código de referencia. Estos instrumentos sacrifican precisión, pero permiten la automatización en la toma de datos. Son ampliamente utilizados en el control de deformaciones de las centrales nucleares.

Lógicamente tanto la horizontalidad del eje óptico del instrumento como la graduación de las reglas utilizadas deben ser convenientemente calibrados.

En topografía obtener incertidumbres de medida inferiores al centímetro requiere metodologías específicas, sin embargo en metrología 0,1 mm suele ser una precisión exageradamente alta
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Figura 2:Teodolito.

Teodolitos

Estos goniómetros están también ligados a la gravedad por su propia definición. Miden el ángulo horizontal, definido por el punto principal del teodolito y dos puntos, y el ángulo vertical, que forma una visual, medido desde la línea de la plomada. Algunos teodolitos de uso industrial permiten bloquear los sensores de gravedad para poder trabajar con cualquier inclinación.

En diversas aplicaciones industriales van provistos de un ocular de autocolimación, utilizándose para la determinación de planitud y rectitud, la alineación de ejes de giro de maquinaria, la calibración de mesas giratorias o la medida de los ángulos formados por las caras de un satélite.

La utilización de dos teodolitos convenientemente orientados constituye un método alternativo a las tradicionales máquinas de medición por coordenadas.

La exactitud de este método de intersección óptica depende, además del tipo de teodolito utilizado, de la geometría de la medida, de la estabilidad del objeto a medir y de los teodolitos y de las condiciones ambientales. Pueden alcanzarse precisiones del orden de 10-5 de la dimensión medida.

Las ventajas principales de este método de no contacto de medida 3D es poder desplazar los equipos a la sala donde se sitúe la pieza a medir y permitir la medida de piezas de cualquier dimensión. Sin embargo, por tratarse de un método de una cierta complejidad con tiempos de medición largos, puede afectar a la estabilidad del sistema y por tanto a su exactitud.

Algunas aplicaciones del método de intersección espacial mediante teodolitos son el control de robots, en la industria naval, espacial y de automoción, aunque ha dejado paso en muchas de sus aplicaciones a los sistemas de seguimiento láser.

Algunos teodolitos de uso industrial permiten bloquear los sensores de gravedad para poder trabajar con cualquier inclinación

Taquímetros

Son teodolitos que disponen de dispositivos de medida de distancias, lo que permite su utilización en la determinación de objetos mediante el método de polares. La principal limitación de su utilización es la precisión de su medidor de distancias asociado, cuya mejor resolución no supera la décima de milímetro. Esto limita su utilización a la determinación 3D de grandes objetos, donde algunas décimas de milímetros de incertidumbre de medida no supone un problema.
Para la medida de distancias utilizan reflectores tipo esquina de cubo (retrorreflector) o placas adhesivas reflectantes.

Estos sistemas, al igual que el método anterior, van asociados a software metrológico, lo que les permite incrementar su versatilidad.

Una evolución de este sistema, mejorando su exactitud en gran medida, son los sistemas de seguimiento por láser. Los medidores dinámicos polares solucionan la falta de exactitud de los taquímetros en la medida de distancias, incorporando un interferómetro láser. Como éste no proporciona distancias absolutas, algunos sistemas incorporan además medidores de distancias similares a los de uso topográfico, pero de resolución metrológica (1 µm). Por otro lado, mantienen el dinamismo y la versatilidad. Los laser trackers eliminan el aspecto óptico de los instrumentos topográficos incorporando un sistema de seguimiento del reflector.

Este sistema, va implantándose en la Industria poco a poco, aunque su alto precio impide una utilización mayor.

La utilización de dos teodolitos convenientemente orientados constituye un método alternativo a las tradicionales máquinas de medición por coordenadas

Fotogrametría

Este procedimiento, ampliamente utilizado en topografía convencional aunque poco implantado en la Industria, goza de ventajas apreciables. Es un método de no contacto y permite su utilización en ambientes agresivos o con vibraciones, que pudieran impedir el funcionamiento de los sistemas anteriores. Utiliza, al igual que la medida mediante teodolitos, el método de intersección espacial o triangulación y también precisa del conocimiento de la posición relativa de las cámaras durante la toma.

La obtención de las coordenadas 3D de un punto se obtienen mediante la intersección de las rectas definidas por las coordenadas del punto principal de cada cámara y de las fotocoordenadas de la imagen del punto a determinar. La utilización de modernas cámaras métricas digitales facilita el proceso. La precisión de este método puede alcanzar hasta 10 µmm, dependiendo de la distancia del objeto a las cámaras y de la geometría de la intersección

Referencias

  1. Santos Mora, Antonio. Aplicaciones industriales de la topografía, COITT. Madrid 1998.
  2. Fdez. Pareja, Teresa; Bisbal, Javier. Aseguramiento de la calidad en topografía. Control metrológico de instrumental topográfico, Topcart 2000.
  3. Prieto, Emilio; Bisbal, Javier. La calidad y la instrumentación topográfica, Congreso Galego da Calidade (2001).

Necesidad de calibración

Se ha puesto de manifiesto la amplia aplicabilidad de los instrumentos topográficos en distintos sectores de la Industria. Pero no sólo debe tenerse presente el fin de medición del sistema, sino que debe contemplarse las necesidades de calibración que ello conlleva. Por ello en el Área de Longitud del Centro Español de Metrología se ha habilitado un Laboratorio de Instrumentos Topográficos destinado a dar este servicio.

En aquellos casos donde aún no se dispone de suficiente información sobre los procedimientos de calibración más adecuados, se están desarrollando los estudios pertinentes, como por ejemplo, con los sistemas de seguimiento láser.

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