Влияние стратегии измерений на результаты измерений

Развитие координатно- измерительных машин (КИМ) началось в 1950-х годах в ответ на возрастающие требования промышленности к точности и качеству производимых деталей. В то время с расширением авиационной, автомобильной и оборонной отраслей стандарты точности становились все строже, что обусловило потребность в более совершенных методах измерения, ведь существующие уже не позволяли обеспечить достоверные результаты в условиях быстровозрастающего темпа производства.

Введение

Во время механической обработки деталей из-за особенностей оборудования, неоптимальных режимов, неверно выбранного инструмента, а также нарушения технологии изготовления может появляться ряд отклонений. Само по себе наличие отклонений от заданных характеристик обычно не является причиной, которая накладывает запрет на использование той или иной детали или изделия. Обычно устанавливаются границы, в пределах которых использование детали или изделия допускается. Однако, чтобы сделать заключение, находится ли отклонение в этих допустимых границах, специалисту необходимо провести измерение. При этом на процесс измерения влияет множество факторов, что может приводить к недостоверным результатам и увеличивать вероятность ошибок первого и второго рода. И если ошибка первого рода – признание годной детали как бракованной – обычно приводит только к экономическим потерям, то ошибка второго рода, когда бракованная деталь определяется как годная, может привести к выпуску на рынок некачественного продукта. О последствиях в таком случае можно догадаться. Поэтому промышленные измерения – это зона повышенной важности и ответственности, от которой зависят не только прибыль и образ компании, но и жизни людей.

В данной статье речь пойдет о некоторых особенностях работы с координатно-­измерительными машинами.

Первые КИМ были разработаны в Швеции и Великобритании. Их основная задача заключалась в обеспечении возможности измерения геометрических параметров сложных деталей. Ранние модели КИМ были в основном механическими устройствами, которые позволяли измерять в координатах X, Y, Z с погрешностью в несколько микрометров.

Сегодня КИМ – одни из самых востребованных средств измерений из-за их универсальности и точности, особенно в отраслях, где от правильности и точности произведенных измерений зависят эффективность и безопасность при эксплуатации конечного продукта.

Все это обязывает предъявлять высокие требования к надежности измерений. Однако, как известно, измеряет не прибор, а измерительная система (согласно подходу MSA), которая включает деталь, оператора, эталон, окружающие условия, методику, а также сам прибор, и каждый из этих компонентов может оказывать существенное влияние на конечный результат измерения. В рамках данной статьи рассмотрим, как интеграция определенных рекомендаций и методов может значительно повысить надежность и точность измерительных процессов на координатно-­измерительных машинах, существенно снижая риск пропуска критических дефектов на производстве.

Источник погрешности: геометрия поверхности детали

Рассмотрим частные случаи отклонения от круглости: овальность и огранку. Характер таких отклонений подчиняется некоторому закону.

В.И. Анурьев в справочнике конструктора-машиностроителя [1] определяет овальность как отклонение от круглости, при котором реальный профиль представляет собой овалообразную фигуру, наибольший и наименьший диаметры которой находятся во взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 1). Огранка – отклонение от круглости, при котором реальный профиль представляет собой многогранную фигуру (рис. 2).

Рис. 1. Овальность

Рис. 2. Огранка

Вышеуказанные дефекты деталей вращающихся механизмов могут привести к повышенному износу и перегреву из-за дополнительных вибраций и неравномерной нагрузки на механизм. Это может существенно снизить срок службы оборудования и увеличить риск аварийных ситуаций из-за потери баланса и нестабильной работы машины.

Зачастую для контроля валов на КИМ используется следующая типичная стратегия:

– измеряется N точек, равномерно распределенных на окружности;
– программное обеспечение, используя метод наименьших квадратов, обрабатывает измеренный массив точек и сопоставляет к нему наиболее подходящую идеальную окружность [2];
– при обработке данным методом измеренных точек определяется диаметр окружности и координаты ее центра, отклонением от круглости в таком случае является разница между максимальным и минимальным расстоянием от вычисленного центра окружности до измеренных точек.

Пример 1

На операцию контроля поступает вал В1 номинальным диаметром 50 мм, имеющий отклонение от круглости в 0,10 мм (овальность). Задача: измерить диаметр вала.
Оператор КИМ, применяя типичную стратегию, измеряет шесть точек в сечении вала (рис. 3).

Рис. 3. Измерение вала В1

Результат: D’макс = 49,99, D’мин = 49,90.
Оператор забраковал деталь: овальность Δов = 0,09.

Пример 2

На операцию контроля поступает вал В2 номинальным диаметром 50 мм, имеющий отклонение от круглости в 0,10 мм (треугольная огранка). Задача: измерить диаметр вала.

Оператор КИМ, применяя типичную стратегию, измеряет шесть точек в сечении вала (рис. 4).

Рис. 4. Измерение вала В2

Результат: D’макс ≈ D’мин ≈ D’ = 49,94.

Оператор признал деталь годной: дефектов не обнаружено.

В первом примере использование шести равномерно распределенных точек оказалось достаточным для выявления отклонения от круглости и принятия решения о браке изделия. Однако при применении той же стратегии в примере 2 для измерения вала с треугольной огранкой дефект был пропущен. Точки измерения попали на одни и те же участки и не зафиксировали значительных изменений в максимальном и минимальном диаметрах, в результате чего оператор определил бракованную деталь как годную.

Чтобы решить данную проблему, воспользуемся рекомендациями из британского стандарта B S7172:1989.

Таблица. Рекомендуемое минимальное количество точек для измерения элементов

То есть для оценки диаметра будем использовать семь точек, что по заявлению авторов стандарта позволяет выявить >79% максимального фактического отклонения от круглости при треугольной огранке. Как показано на рисунках ниже, семь точек отлично подходят для выявления как овального отклонения, так и треугольного.

Рис. 5. Выявление овальности по семи точкам

Рис. 6. Выявление треугольной огранки по семи точкам

Однако существует вероятность получить на измерение вал, имеющий огранку в форме семиугольника. В таком случае использование семи конт рольных точек может привести к ложному результату измерения, аналогично примеру выше, когда измеренные точки равномерно распределяются по поверхности, препятствуя выявлению дефекта.

Рис. 7. Выявление семиугольной огранки по семи точкам

Вновь обратимся к британскому стандарту, где указано, что при измерении валов, имеющих огранку с количеством граней q, важно чтобы количество точек N не имело общего множителя с q, т.к. из-за равномерного распределения с большой вероятностью измеряемые точки не будут охватывать перепады на периметре окружности, в результате отклонение от круглости не будет выявлено.

Исходя из вышеуказанного, можно сделать вывод, что чем большее количество точек будет использовано, тем более надежным будет результат измерения. Однако потребуется больше времени для выполнения программы измерения, что может быть критичным на производствах с большим потоком деталей [3].

Для выбора оптимального количества точек воспользуемся опытом японских специалистов [4], которые проделали огромную работу по изучению зависимости повторяемости измерений от используемого количества точек. Результаты этих трудов оформлены в виде графика.

График. Зависимость повторяемости измерений от количества измеряемых точек

На графике видно, что увеличение количества точек числом более 25 не приводит к значительному росту повторяемости, что делает применение большего чем 25 количества точек в большинстве случаев нецелесообразным. Исходя из указанных значений, можно наметить оптимальный ориентир в 7–11 точек как некоторый баланс между точностью и скоростью.

Так как количество граней при огранке заранее может быть неизвестно, всегда существует вероятность, что подобранное число точек совпадет с числом граней. Это, в свою очередь, увеличивает риск не обнаружить реальную форму профиля, поэтому британские коллеги рекомендуют для исключения подобного риска распределять точки случайным образом. Такой подход увеличивает вероятность полного охвата всех возможных критических отклонений от идеальной окружности, обеспечивая более высокую достоверность результатов измерений.

В таком случае измеряемая окружность делится на N одинаковых дуг, где N равно количеству точек измерения. На каждой дуге случайным образом выбирается место, где будет измеряться точка, при этом не рекомендуется допускать слишком большой разброс или большую кучность точек.

Ниже указаны примеры, на которых видно, что применение данного подхода одинаково хорошо выявляет как овальность, так и огранку с любым количеством граней.

Рис. 8. Выявление овальности по семи случайным точкам

Рис. 9. Выявление семиугольной огранки по семи случайным точкам

Заключение

При измерении деталей с дефектами поверхности, когда этот характер отклонений подчиняется определенному закону, велика вероятность, что дефекты на критически важных деталях останутся нераспознанными, что может привести к серьезным последствиям при эксплуатации изделия.

Например, при измерении вала с отклонением от круглости, имеющего треугольную огранку, равномерное распределение шести точек по окружности может не выявить ошибку формы. Поэтому определенная степень случайности в распределении точек предпочтительна. Указанные в статье подходы могут быть применены не только для окружностей, но и для других измеряемых элементов.

Важно осознавать, что нет универсального правила для стратегии измерений и выбор количества и распределения точек должен учитывать особенности процесса обработки и предполагаемую функцию детали. Общий подход к распределению точек должен быть направлен на равномерное, но не регулярное покрытие измеряемой поверхности, чтобы учесть систематические и периодические деформации, обусловленные обработкой.

Во время измерений оператор должен постоянно сомневаться в полученных результатах и быть внимательным к результатам проведения каждой конкретной программы измерений. При обнаружении потенциальных ошибок необходимо принимать меры и проводить расследование.

01.05.2024

---

448

Поделиться: