Раскройте полный потенциал вашей Координатно-Измерительной Машины (КИМ)

Более 50 лет координатно-измерительные машины (КИМ) улучшают измерительную производительность и качество. Мощь КИМ сделала многие сложные инспекционные задачи почти тривиальными. С такой измерительной способностью, возможно, операторы принимают свои КИМ как должное?

КИМ часто дороги, с изощренным ПО и сложными спецификациями точности, тем не менее многие КИМ успешно и эффективно используются ежедневно операторами, даже теми с ограниченными знаниями о своей КИМ. Как и со многим современным технологиям, ежедневное использование КИМ становится легче, в то время как уровень знаний, необходимый для правильной поддержки технологии, может стать довольно высоким. Давайте присмотримся к некоторым ключевым вопросам, чтобы помочь операторам лучше понимать и использовать свои КИМ.

Введенные в 1950-х, первые КИМ были ручными инспекционными инструментами, оснащенными коническими цилиндрическими зондами, которые могли использоваться для быстрого измерения расстояния между отверстиями в двух измерениях. Цель этих ранних КИМ — сократить часы инспекции компоновки до всего нескольких минут. Пока все еще имея сходство с оригинальными КИМ, современные КИМ приходят в таком множестве стилей, что термин «координатные измерительные системы», а не машины, используется с большей частотой. Традиционные трехосевые КИМ все еще довольно популярны, но артикулирующиеся рычаги, лазерные трекеры, оптические сканеры, рентген, передовые зондирующие сенсоры, а также высокоскоростные инлайн измерительные системы и другие технологии для 3D измерений продолжают расти и менять традиционный рынок КИМ.

Калибровка КИМ

Передовые технологии на КИМ сделали понимание точности измерений КИМ сложным. Когда мы думаем об управлении качеством любого измерительного процесса, мы часто фокусируемся на двух отдельных вопросах: один — точность измерительного оборудования, второй — точность и повторяемость измерительного процесса. Точность измерительного оборудования часто управляется через правильную калибровку и верификацию против оригинальных спецификаций производителя. Ситуация та же для КИМ, но калибровка более сложна.

Калибровка чего-то простого, как гейдж-блока, легко понять. Это стандарт длины, и поэтому вы калибруете длину. Для штангениров или микрометров, измеряющих длины, вы калибруете их для измерения длин. КИМ часто имеют множественные оси движения, разнообразные зондирующие сенсоры и идут комплекте с ПО для измерения почти всего. В отличие от гейдж-блока или штангенира, вы не можете отдельно калибровать КИМ для каждой измерительной задачи, которую она выполняет, так как это не было бы экономически практически. Также не очень полезно отдельно калибровать механические компоненты КИМ, такие как точность отдельной измерительной оси или перпендикулярность между осями, потому что все компоненты работают вместе и их влияние на результаты измерений сложно.

КИМ вместо этого калибруются выполнением серии измерений длины через измерительный объем КИМ. Хорошо документированные стандартизированные тестовые процедуры доступны с середины 1980-х, последним из которых является международный стандарт ISO 10360-2:2009, принятый в США как ASME B89.4.10360.2. Первичный тест просто известен как E-тест, где E означает ошибку индикации. Тест включает 105 различных измерений длины через измерительный объем и в различных ориентациях, а затем сравнение тестовых значений с заявленной производителем спецификацией. Наиболее распространенный эталонный стандарт для калибровки КИМ — ступенчатый гейдж (step gage), который не вроде серии гейдж-блоков разной длины. Другие эталонные стандарты, такие как лазерный интерферометр, популярный для больших КИМ, также разрешены по последнему стандарту ISO 10360-2.

Калибровка КИМ по стандартам ISO и ASME — это общая системная верификация. Если тест не проходит соответствие, могут потребоваться корректировки. Для завершения корректировок дополнительные измерения, такие как перпендикулярность между двумя осями, могут потребоваться для измерения и коррекции. Если тест проходит, оператор КИМ имеет уверенность в общей общей точности КИМ; однако, так как КИМ могут использоваться для столь многих разных задач, должно быть дано рассмотрение пониманию дополнительных ошибок из-за специфического использования КИМ.

Повторяемость КИМ

При оценке качества измерительных процессов довольно часто проводят какой-то тип исследования повторяемости. Во многих отраслях это называется исследованием повторяемости и воспроизводимости гейджа, или GR&R. Цель исследования повторяемости — поиск вариации в измерительном процессе за относительно короткий период времени, что дополняет долгосрочную оценку калибровки оборудования. Любое GR&R или исследование повторяемости должно быть спроектировано для правильной оценки вероятных источников вариации, например, ошибок в измерительном процессе. Для традиционных ручных измерительных приборов мастерство оператора и взаимодействие между оператором и измерительным оборудованием важны и иногда самыми доминирующими источниками ошибки. Для полностью автоматизированных КИМ эти источники ошибки могут исчезнуть.

Для любого автоматизированного измерительного процесса повторяемость может казаться довольно малой из-за дизайна исследования повторяемости, не чувствительного к реальным источникам вариации. Для КИМ исследование должно включать влияние калибровки зондирующих сенсоров (иногда называемое квалификацией кончика зонда) вместе с рассмотрением влияния распределения и числа точек измерения, взятых, например, стратегии выборки. Оба этих источника ошибки специфичны для уникальной измерительной задачи и обычно не хорошо покрыты в калибровке КИМ. Если проводят GR&R исследование, воспроизводимость может быть изменена от изучения разных операторов к изучению разных калибровок кончика зонда.

Температурная компенсация

Многие КИМ сегодня идут комплекте со встроенными системами температурной компенсации. Эти temp comp системы могут сделать удивительную работу по компенсации и коррекции больших термических ошибок, ассоциированных либо с КИМ, либо с измеряемой деталью, не находящейся на стандартной референсной температуре 20°С (68°F). Однако, если temp comp система не используется правильно, эти системы могут вводить экстремально большие ошибки.

Рассмотрите ситуацию, где оператор КИМ решает не использовать систему, игнорируя датчики детали или устанавливая коэффициент термического расширения детали в ноль. Оператор может думать, что он вместо этого будет следовать традиционно хорошей практике термического «промокания» (soaking out) измеряемой детали на измерительном оборудовании, чтобы привести их к одной температуре, и поэтому не нужно корректировать термические ошибки. Пока этот подход работал десятилетиями на традиционном измерительном оборудовании без temp comp, оператор может не осознавать, что temp comp система все еще активно работает, корректируя КИМ, и только КИМ, к 20°С, в то время как деталь не корректируется. Игнорируя использование датчиков детали, создается температурный дифференциал, который может привести к значительно большим и неизвестным ошибкам.

Для КИМ с temp comp, лучший подход — разместить датчики температуры детали на измеряемой детали. Если этот подход не удобен, датчики температуры могут быть размещены рядом с измеряемой деталью, например, интегрированы в приспособление, держащее деталь. Таким образом, относительно точное измерение температуры детали все еще может быть сделано даже если датчики температуры не в контакте с деталью. Если нет плана использовать датчики температуры детали, то вся система должна быть выключена, что обычно может быть сделано только сервисным инженером производителя КИМ.

Проблемы ГР&T (Геометрическое измерение и допуски)

Измерительное ПО на КИМ внедрило первое массовое использование цифровых и вычислительных измерительных методов. ПО КИМ имеет функции и кнопки, основанные на символах и значениях в стандартах геометрического измерения и допусков (ГР&T) таких как ASME Y14.5. Пока это ввело много дебатов среди экспертов о том, что такое «правильный» измерительный метод (если он вообще существует), более практическая проблема для операторов КИМ в том, что разные методы или программные подходы могут значительно менять результаты измерений. Две разные КИМ, обе работающие в спецификации и с достаточной повторяемостью, могут давать радикально разные результаты из-за выборов, сделанных оператором или в ПО.

Разработчики ПО КИМ бы с радостью зафиксировали единственный лучший подход к измерению любого конкретного ГР&T допуска, и некоторые компании даже заявляют, что их измерительное ПО «соответствует ASME Y14.5», но это к сожалению невозможно и некорректно. Стандарты ГР&T такие как ASME Y14.5 имеют правила для определения дизайна детали, не для того, как измерять, так что ASME Y14.5 не является стандартом, которому какое-либо измерение когда-либо соответствовало или будет соответствовать. Кроме того, всегда есть цель за тем, почему каждое измерение делается, и эта цель должна учитываться при определении лучшего измерительного метода. Разработчики ПО КИМ должны предоставлять массив инструментов, которые могут удовлетворить потребности многих разных пользователей, а также иметь инженеров-прикладчиков, предоставляющих необходимое руководство своим клиентам.

Лучший измерительный метод для одного оператора может быть очень иным, чем у другого, даже при измерении похожих деталей или допусков. Производительность измерений, затраты, правовые риски и другие вопросы должны быть сбалансированы соответствующе для нахождения лучшего решения. Хорошее планирование размерных измерений не может быть упущено, даже если кнопка на КИМ делает это выглядящим легким. Планирование измерений — вероятно, крупнейшая реализационная проблема, которую все операторы КИМ должны управлять. Железо и ПО опции в КИМ сегодня огромны и мощны, и компании должны разрабатывать лучшие операционные практики для обеспечения управления всеми реализационными рисками. Хорошее руководство для планирования измерений — американский стандарт ASME B89.7.2-2014 Dimensional Measurement Planning.

Операция КИМ в будущем будет очень отличаться от сегодня. Продвинутое ПО КИМ уже доступно, позволяющее генерировать измерительные программы за секунды на основе цифровых моделей деталей. Программисты КИМ в будущем не будут тратить много мышления на то, как измерить конкретную деталь, но им понадобятся понимание метрологии и принципов допусков для разработки лучших практик и измерительных правил, которые затем могут быть развернуты для всех измерений КИМ. Технология КИМ продолжает продвигаться с растущими выгодами в улучшенной точности, дополнительной способности и сокращенном времени измерения. Для КИМ, как и для любой технологии, которую мы используем, по мере того как инструменты становятся более передовыми, тип и уровень поддержки также должны становиться более передовыми.

Ранее публиковалось в Quality Magazine.