Метрологическое обеспечение машиностроительного предприятия

Это большая статья о том, как правильно организовать метрологическое обеспечение на предприятии. Мы подробно расписали 5 шагов этого процесса. И указали на наиболее часто встречающихся ошибки при построении системы метрологического обеспечения.

Типичное состояние метрологического обеспечения производства

Подход к метрологическому обеспечению машиностроительного производства был детально проработан в 70х-80х годах прошлого века. Однако впоследствии эти концепции не претерпели практически никаких изменений. В результате, метрологическое обеспечение сегодня полностью соответствует этим концепциям тридцатилетней давности, но абсолютно не соответствует современным требованиям. Как следствие, на заводах практически повсеместно отсутствуют системы управления качеством на базе статистических методах управления процессами. Основная причина этого — отсутствие современных цифровых средств измерения, без которых реализация подобных систем невозможна.

По результатам технологического аудита одного из крупнейших в России заводов мы получили результаты, которые подтверждают приведенный выше тезис. На заводе применяется более 80 000 ед. средств измерения. При этом более 90% этих средств измерения — шаблоны и другие специальные измерительные приспособления, привязанные к конкретным деталям. Погрешность таких средств измерения находится в диапазоне 0,02… 0,5 мм. Цифровые средства измерения отсутствуют. Статистика по основным размерам изготовленных деталей не ведется. Также отсутствуют какие-либо паспорта на изготовленные детали с фактическими размерами.

Очевидно, что подобная ситуация абсолютно не соответствует современным требованиям к организации машиностроительного производства. И является сдерживающим фактором для дальнейшего технического, технологического и организационного развития предприятия.

Организация современного метрологического обеспечения предприятия

Что нужно сделать на первом этапе создания нормальной системы метрологического обеспечения любого предприятия? Необходимо обеспечить реализацию основных требований ко всем метрологическим средствам. Кратко можно сформулировать пять этих основных требований:

1. Измерение конструктивных параметров деталей с необходимой погрешностью и неопределенностью результатов измерения;
2. Сохранение результатов измерения в формате, пригодном для дальнейшего использования в системе статистического управления процессами;
3. Обеспечение прослеживаемости результатов измерений (создание протоколов в форматах, соответствующих основным российским и международным нормам, хранение результатов измерения для последующего предоставления по требованию заказчиков или уполномоченных организаций);
4. Измерение ВСЕХ необходимых параметров, представление и анализ результатов измерения в форме, обеспечивающей эффективное и быстрое использование этих результатов для корректировки технологических процессов;
5. Обеспечение независимости результатов измерения от субъективных факторов (человеческого, производственных и т.д.).

Рассмотрим эти требования более подробно.

Шаг 1. Выбирайте средства измерения по максимально допустимой погрешности и неопределенности измерения.

Любое измерение характеризуется погрешностью. Более правильным является понятие «неопределенности измерения», которое характеризует разброс значений измеряемого параметра. Неопределенность измерения – это более полная характеристика точности измерения, поскольку охватывает как систематические погрешности, так и случайные. Которые оцениваются, как правило, статистическими методами. Для любого средства измерения можно определить максимально допустимую неопределенность измерения. Допустимая неопределенность измерения формирует требования к выбору средства измерения. По европейским нормам неопределенность измерения СИ не превышает 10 % от величины поля допуска измеряемого параметра. Российские нормы определяют, что погрешность СИ не должна превышать в среднем одной трети от поля допуска измеряемой величины.

Неопределенность измерения средства измерения не должна превышать 10 % от величины поля допуска измеряемого размера

Таким образом, правильный выбор средства измерения полностью определяется его допустимой погрешностью. При условии, разумеется, что средство измерения по своему назначению соответствует решаемой задаче. Основным документом для определения предельно допустимой погрешности средств измерения является ГОСТ 8.051–81.

Зачастую выбор средства измерения по приведенному стандарту подменяются выбором средства измерения «по ощущениям» или «из имеющихся». Это приводит к несоответствию произведенного замера принятым нормам. И такой замер не может служить основанием для принятия дальнейших решений, в том числе по годности изделия.

Конфликт в документации

Бывает, что технические специалисты предприятий недостаточно информированы о теоретической максимальной погрешности применяемых средств измерения. Положение ухудшается, когда представители фирм-производителей подменяюют показатели погрешности показателями дискретности. Или просто не указывают эти данные в своей документации. Более 80% опрошенных специалистов различных заводов были уверены, что погрешность цифрового штангенциркуля составляет 0,01 мм. При этом либо сами специалисты подменяли понятия, либо так сказали торговые представители. Погрешность цифрового штангенциркуля по принятым в мире нормам составляет ±30 мкм (для диапазона измерений 0…150 мм), в то время как дискретность действительно составляет 0,01 мм. Производители приводят данные о погрешности средств измерений в своих каталогах. К этим цифрам нужно относиться внимательно, поскольку в отдельных случаях указывается полная величина погрешности (в случае с штангенциркулем 60 мкм), либо пределы погрешности, которые необходимо складывать. Или в общем случае – удваивать (в рассмотренном примере ±30 мкм).

Конфликт со службами предприятия

Выбор средств измерения по максимально допустимой погрешности приводит к существенным изменениям в технологическом и метрологическом обеспечении производства. В результате технические специалисты оказываются перед выбором: либо применять средства измерения, не соответствующие указанному выше принципу, либо заново пересматривать внутренние нормы и правила. Часто технические специалисты опасаются конфликта с финансовыми подразделениями и высшим менеджментом. И в итоге приобретают СИ, заведомо не подходящие по параметрам точности. Но более дешевые.

Проиллюстрируем сказанное на примере. Мы спросили у 50 технических специалистов различных заводов, какие средства измерения они предполагают применять для измерения диаметров шеек вала с номинальными размерами Ø30 0–0,021 и Ø60 -0,03–0,06. Более девяноста процентов были уверены, что для измерения первого размера будет достаточно цифрового микрометра. А для измерения второго размера – цифрового штангенциркуля.

Оба решения неправильны, так как не соответствуют изложенным выше принципам. Погрешность СИ по ГОСТ 8.051-81 в первом случае должна составлять не более 6 мкм, а во втором случае – 9 мкм. Погрешность цифрового микрометра составляет ±4 мкм, т.е. 8 мкм. Это соответствует требования по измерению второго размера. Но для измерения первого размера погрешность слишком велика. В этом случае необходимо применение прецизионной механической скобы с цифровым индикатором с погрешностью ± 1 мкм.

Шаг 2. Используйте результаты измерения в системах статистического управления процессами (SPC).

Основная идея данного подхода в механообрабатывающем производстве — сбор информации об истинных размерах изготовленных деталей с последующим статистическим анализом этих данных. SPC-анализ позволяет сделать вывод о пригодности и воспроизводимости процесса. Т.е. о том, насколько полученные размеры соответствуют заданным допускам. Кроме того, методы статистического анализа позволяют оценить управляемость процесса, т.е. возможность постоянного поддержания системы в состоянии изготовления годной продукции. Одной из функций SPC является определение и анализ систематических и случайных величин и параметров, которые влияют на точность обработки. Ликвидация этих погрешностей дает возможность управлять процессом. И обеспечивает получение годной продукции.

Контрольные карты Шухарта — наиболее простой и информативный метод оценки процесса. На рис. 2 представлены контрольные карты для одного из размеров вала редуктора, обработанного на ведущем российском машиностроительном заводе.

Стабильность и управляемость процесса

На контрольных картах видно, что процесс имеет некоторую нестабильность. Для оценки потенциала управляемости процесса применяются индексы воспроизводимости Cp и Pp. На рис. 3 приведена оценка индексов воспроизводимости для той же серии измерений.

При индексе воспроизводимости меньше единицы процесс не является стабильным и управляемым. Это означает, что в любой момент возможно появление бракованных деталей. При значении индекса воспроизводимости равного 1 процесс становится управляемым. Применительно к контрольным картам это означает, что все расчетные значения точек контрольных карт находятся в заданном диапазоне. Этот диапазон составляет 6σ (±3σ), где σ – среднее квадратичное отклонение.

Именно этот факт положил начало широко распространенному подходу к управлению качеством продукции, который во всем мире получил название «метод шести сигм». Сегодня во всем мире в качестве нижней границы индекса воспроизводимости Cp практически повсеместно принято значение 1,33. Это соответствует статистической вероятности получения 63 бракованных деталей на миллион изготовленных. Для ответственных размеров (например, в автомобильной и авиакосмической промышленности) устанавливается значение индекса воспроизводимости равное 2. Это соответствует примерно 0,002 бракованных деталей на миллион. Для достижения данного результата устанавливается ограничение на разброс истинных размеров, соответствующее 50 % от заданного поля допуска. Если все измеренных детали укладываются в половину поля допуска и имеют незначительное колебание, то возможно получение Cp = 2. Отметим, что для приведенного на рис. 3 процесса индексы воспроизводимости меньше еди ницы и процесс неуправляем.

Важность системы SPC

Современное производство трудно представить без внедрения методов статистического управления процессами. По данным опроса Американской ассоциации производителей редукторов, проведенного в ноябре 2011 года, 67 % производителей уже работают с внедрением этих методов и еще 5 % планируют внедрение в 2012 году. В условиях единичного и мелкосерийного производства применение этих методов имеет свои особенности, но система также может и должна быть внедрена.

Для нормального функционирования такой системы необходимо накапливать и обрабатывать информацию о фактических размерах изготовленной продукции. Поэтому полноценную систему SPC на предприятии невозможно реализовать без применения цифровых средств измерения. Цифровые СИ способны связываться с системой сбора и анализа информации. При формировании технического задания на разработку современной системы необходимо предусматривать соответствующие аппаратные и программные возможности у средств измерения.

Полноценную систему статистического управления процессами на предприятии невозможно реализовать без применения цифровых средств измерения

Шаг 3. Обеспечивайте прослеживаемость результатов измерения

Прослеживаемость — это свойство результата измерения быть отнесенным к значениям установленных единиц измерения. Как правило, национальных или международных эталонов, путем непрерывной цепи сличений, со всеми установленными неопределенностями. Иными словами, применяемое метрологическое оборудование должно быть откалибровано с применением эталонов. Которые в свою очередь должны быть откалиброваны или поверены в соответствии с установленными для них нормами. Тогда для каждого измерения гарантируется и подтверждается достоверность этого измерения.

На практике это означает, что любой результат измерения, выполненный на измерительном оборудовании, откалиброванном по международным нормам и правилам, признается любым предприятием в любой стране мира. Отсутствие прослеживаемости означает отсутствие возможности подтверждения качества выпущенной продукции на соответствие технической документации и рано или поздно приведет к конфликтам с заказчиками по вопросам качества продукции.

Отсутствие прослеживаемости — это невозможность подтвердить качество выпущенной продукции

Теоретически, любое средство измерения при соблюдении соответствующих норм и правил может обеспечивать прослеживаемость результата измерения. Однако большинство покупателей доверяет цифровым средствам контроля, выпущенным ведущими фирмами и откалиброванным (поверенным) по методикам этих фирм.

Шаг 4. Измеряйте ВСЕ необходимые параметры

Отсутствие цифровых значений фактических величин различных параметров приводит к тому, что технологический персонал не получает в результате измерения конкретных значений, которые нужны для корректировки технологического процесса. В результате приходится оценивать имеющиеся отклонения косвенными методами и прибегать к пробной обработке. Потери времени на подобную обработку и возможные потери от брака могут значительно увеличить себестоимости продукции. Или даже к тому, что вместо запланированной прибыли от выпуска изделия будет получен убыток.

Современные средства измерения представляют результаты замера в наглядном (цифровом и графическом) виде и практически всегда дают сразу информацию о величине необходимой коррекции.

Вносить коррекцию стало проще

При обработке на токарном станке с ЧПУ обработка детали ведется по управляющей программе, в которой задаются номинальные размеры детали. Если замер детали фиксирует отклонение от заданной величины, необходимо ввести коррекцию на размер. Для определения величины коррекции при применении обычных средств контроля необходимо рассчитать разницу между номинальным и фактическим размером. Большинство операторов производит этот расчет столбиком на бумажке, при этом вероятность ошибки достаточно велика. Современная система измерения, например, система измерения валов MarShaft, в протоколе измерения не только показывает фактический размер, но и автоматически рассчитывает отклонение от середины поля допуска (правая колонка на рис. 4 ). Имея такой протокол, оператор может очень быстро ввести коррекции по всем размерам.

Второй пример относится к области обработки цилиндрических зубчатых колес. Одной из основных погрешностей, возникающих при обработке цилиндрических колес, является отклонение направления линии зуба. Эта погрешность легко корректируется на зубофрезерных станках с ЧПУ путем изменения траектории перемещения червячной фрезы вдоль оси детали. Но сначала надо рассчитать корректирующее значение. С помощью традиционных средств измерения эта непростая задача. Но с применением современной зубоизмерительной машины эта задача решается без проблем. Стандартный протокол зубоизмерительной машины содержит поле, в котором указаны значения коррекции направления с обеих сторон зуба. Эти данные просто вводятся в соответствующие поля интерфейса системы ЧПУ зубофрезерного станка и учитываются при обработке следующей детали.

Современные измерительные системы помогают оператору быстро ввести коррекцию по всем размерам. Без расчетов вручную

Второй составляющей рассматриваемого требования к средствам измерения является возможность измерения всех необходимых параметров детали. Включая те, измерение которых обычными средствами затруднено или невозможно. По факту большое количество размеров не измеряется вообще или измеряется косвенными методами, так как напрямую измерить их невозможно. Технологи при этом вспоминаю недобрым словом конструкторов, которые так проставили размеры. И метрологов, которые не смогли подобрать подходящее средство измерения. В итоге измеряются те параметры детали, которые можно измерить, а не те параметры, которые надо измерять.

Пример 1: Измерение резьбы

Основное средство измерения резьбы — резьбовой калибр. Однако он не дает никакой информации об истинных размерах резьбы. Калибр одновременно «оценивает» несколько параметров годности резьбы. Шаг, угол профиля, радиусы на вершине и впадине, наружный и внутренний диаметры и, косвенно по совокупности размеров, средний диаметр. Если при измерении резьбовым калибром выявлено отклонение (непроходной калибр «идет» или проходной «не идет»), то необходимы другие измерения для определения причины – какой именно из параметров резьбы сделан с отклонением.

При этом некоторые параметры резьбы могут быть с известной, обычно невысокой, точностью измерены традиционными средствами, некоторые могут быть измерены с применение достаточно редких на сегодняшний день приборов (например, профильных микроскопов), а некоторые вообще не могут быть измерены прямым методом. К последним относится, например, средний диаметр, по которому и ставится основной допуск на резьбу. В итоге – измеряем не то, что нужно, а то, что можем.

Решить указанную задачу позволяет измерение резьбы на контурографе. При таком измерения в явном виде определяются все размеры резьбы, включая «теоретические». Например, средний диаметр или полная высота профиля как размер между несуществующими точками пересечения боковых сторон профиля (рис. 6).

Пример 2: Размеры до линии пересечения

Вторым примером является измерение размеров, подобно указанным на рис. 7. Для технолога обеспечение таких размеров всегда является определенной проблемой, поскольку их невозможно измерить. Рабочий вынужден применять простейшие средства измерения (например, штангенциркуль). Он прикладывает на глаз губки прибора к местам, которые ему кажутся линиями пересечения поверхностей. А современные средства измерения, типа системы измерения валов, легко измеряют или рассчитывают указанные размеры. Размер от торца до начала конической поверхности на такой системе может быть измерен напрямую. А размер до линии пересечения цилиндра и конуса рассчитан автоматически из параметров этих двух поверхностей. На оптической системе измерения валов оба размера измеряются напрямую.

Шаг 5. Обеспечьте независимость результатов измерения от субъективных факторов (человеческого, производственных и т.д.)

Напоследок несколько слов о необходимости обеспечения независимости и объективности измерения. Нередко можно увидеть как опытные рабочие пользуются «своими» методами оценки в процессе измерения. Например, при использовании шаблона вместо щупа «измеряют» зазор между деталью и шаблоном на просвет, на глаз. Или, покачивая в отверстии гладкий калибр, задумчиво произносят «Еще пару соток надо убрать». Конечно, с годами приходит опыт. Рабочие, которые много лет обрабатывают одни и те же детали, начинают «чувствовать» размер. Но им подражают молодые ребята, только что вставшие к станку.

Поэтому средство измерения должно быть сконструировано так, чтобы оператор не мог повлиять на результат измерения. Хороший пример – замена двухточечного нутромера, который надо покачивать вверх-вниз для поиска нижней точки, на трехточечный, который однозначно позиционируется в отверстии.

Второй возможный источник искажения результатов измерения – ошибки при записи цифровых значений, умышленные или не умышленные. Ручной ввод результатов измерений контролером очень ненадежен. Легко ошибиться при измерении, записи на бумагу и внесении результатов в компьютер. Искажение результата может произойти на любом этапе. Отсюда последнее требование – системы измерения должны автоматически фиксировать фактические значения размеров деталей. И оснащаться программными и аппаратными средствами для передачи этих данных для статистического анализа.