obrMěrové středisko je společným pracovištěm Fakulty strojní Českého vysokého učení technického v Praze a společnosti Carl Zeiss. Mezi jeho vybavení patří velmi přesné souřadnicové měřicí stroje kategorií Prismo (včetně otočného stolu), UMC 1000 Carat (2 400 mm) a UPMC Carat. Dále multisenzorový CMM O-Inspect a systém pro hodnocení drsnosti a profilu povrchu Mahr XCR 20.


Středisko zajišťuje školení zaměstnanců v oblasti metrologie a systémů managementu kvality, přesné měření strojních součástí a programování CMM technologií na klíč včetně vývoje a výroby potřebných upínacích přípravků. Nedílnou součástí našeho fungování v rámci univerzity je i komplexní vývoj v oblasti souřadnicového měření zaměřený na hodnocení vlivu parametrů měření na způsobilost procesu měření.

KONTROLA KVALITY S VYUŽITÍM CMM
Postup kontroly součásti na CMM je obecně možné rozdělit do sedmi následujících kroků: analýza výkresové dokumentace, upínání součásti, konfigurace a kalibrace snímacího systému, vyrovnání součásti, definování geometrických prvků a extrakce bodů z povrchu součásti, výpočet rozměrových a tvarových charakteristik a tvorba výstupních protokolů i interpretace výsledků. V každém z těchto kroků je samozřejmě možné podstatně ovlivnit výsledky měření, a pokud uživatel nedisponuje potřebnými znalostmi, většinou ne ku prospěchu věci.
Nicméně pokud jsou uživatelé CMM z množství technologií a snímacích systémů schopní zvolit tu správnou dle jejich aplikace, orientují se v dnes již poměrně rozsáhlém systému ISO GPS (ke dnešnímu dni čítá 105 norem) a jsou schopní postupy a principy z tohoto systému přenášet do jejich metrologického software. Při programování CMM technologií existuje šance, že výsledky, které z měření získají, budou správné a precizní, tedy budou objektivně vypovídat o stavu kontrolovaných součástí.

OPTIMALIZACE KONTROLY KVALITY Z POHLEDU RYCHLOSTI MĚŘENÍ
Cílem tohoto příspěvku je popsat možný přístup k optimalizaci procesu měření z pohledu produktivity, který je využitelný zejména v oblasti aplikací s vyšší sériovostí měřených dílů, kde jsou v rámci přesného měření využívány dotykové skenovací systémy. Není nutné dlouze rozebírat, že v oblasti kontroly kvality na CMM rychlost měření ovlivňuje dosahovanou přesnost měřených výsledků. Princip metody spočívá v přiblížení se k „optimální“ rychlosti měření (skenování), kdy je ještě dosahována požadovaná úroveň způsobilosti procesu měření. Idea za tímto přístupem je v podstatě jednoduchá, a to redukovat náklady na měření dané využíváním minimální kapacity CMM při zajištění správného a precizního měření.
Předem je nutné si uvědomit, že výsledky periodických zkoušek dle série ISO 10360 mají pouze omezenou vypovídací schopnost ohledně toho, jak si který CMM povede při konkrétní aplikaci, neboť měření v rámci těchto zkoušek jsou do značné míry idealizovaná. Proto je dle mého názoru nutné provádět optimalizace rychlostí snímání pouze pro konkrétní aplikaci (stroj, součást, prostředí, konfigurace snímačů, metoda a obsluha). Přínosy proto budou dokresleny na následující úloze. Vzhledem k tomu, že CMM technologie se využívají zejména pro kontrolu rozměrových a geometrických tolerancí, byl navržen experiment pro stanovení závislosti způsobilosti konkrétního procesu měření na rychlosti snímání. Měřenou součástí byla upínací část kontrolního kužele, viz obr. 1.

obr1

Proces kontroly zahrnoval měření rozměru (průměr upínací části), tvaru (kruhovitost řezu uprostřed horní části upínací stopky a rovinnost čela) a tolerance směru (kolmost upínací části oproti čelu). Záměrně byly zvoleny tyto charakteristiky, odpovídající typickým úlohám při měření, např. bloků motorů, převodovek, čerpadel. Pro jednotlivé charakteristiky byly na stroji UPMC Carat naměřeny referenční hodnoty (tab. 1), tak aby mohla být hodnocena kromě preciznosti měření také správnost měření. Vlastní měření poté probíhalo na stroji Prismo. Preciznost je definována jako těsnost shody mezi naměřenými hodnotami veličiny získanými opakovanými měřeními a může být vyjádřena např. směrodatnou odchylkou. Správnost měření je definována jako těsnost shody mezi aritmetickým průměrem opakovaného měření (teoreticky nekonečného, v našem případě 10) hodnot veličiny a referenční hodnotou veličiny.

tab1

Experiment byl proveden pro rychlosti snímání 2, 5, 10,15, 20 a 30 mm/s. Pro každou rychlost bylo měření opakováno 10 x. Způsobilost procesu měření byla hodnocena pro každou z vybraných charakteristik pomocí koeficientů Cg (dává mi představu o preciznosti měření) a Cgk (umožňuje hodnotit preciznost i správnost). Šíře tolerančního pole pro všechny charakteristiky na součásti byla volena 0,005 mm.
Původní záměr uvažovat pouze variabilitu procesu měření popsanou výběrovou směrodatnou odchylkou (koeficient Cg) se ukázalo jako nerelevantní. Neboť na CMM technologiích dochází k zajímavému jevu a to, že variabilita mezi opakováními jednotlivých měření s rostoucí rychlostí neroste, ale dokonce může i klesat. To je možné vysvětlit vlivem samotného řízení, statických a zejména dynamických korekcí, které jsou na výsledná data aplikovány (obr. 2). Pouhou informaci o preciznosti (Cg) tedy není možné pro hodnocení procesu měření spolehlivě použít.

obr2

Obr. 2: Znázornění výběrové směrodatné odchylky z 10 měření pro různé rychlosti snímání při měření průměru

obr3
Obr. 3: Vliv rychlosti snímání na hodnotu průměru

 

Jak je vidět z obr. 3, rychlost snímání se promítá do samotné hodnoty měřeného průměru součásti, tedy do správnosti měření. Z toho plyne nutnost použití koeficientu Cgk pro hodnocení způsobilosti procesu měření, který toto reflektuje. Obdobná situace nastává i při měření geometrických tolerancí tvaru a směru (kruhovitosti, rovinnosti a kolmosti – obr. 4) a také kolmosti.

obr4
Obr. 4: Vliv rychlosti snímání na měřenou hodnotu kruhovitosti a rovinnosti

 

Výše popsané chování CMM technologií se odráží v průběhu koeficientu způsobilosti Cg v závislosti na rychlosti snímání a použití pouze tohoto hodnocení by mohlo vést k formulování neoprávněně optimistických závěrů (obr. 5).

obr5
Obr. 5: Průběh způsobilosti procesu měření Cg v závislosti na rychlosti snímání

 

Věrnějším obrazem reality chování konkrétního CMM na konkrétní aplikaci je tedy použití koeficientu Cgk, který zohledňuje jak preciznost, tak správnost měření. Průběh tohoto koeficientu je znázorněn na obr. 6.

obr6
Obr. 6: Vliv rychlosti snímání na koeficient způsobilosti procesu měření Cgk

 

Vzhledem k tomu, že pro výpočet koeficientů způsobilosti byla použita metodika hodnocení dle společnosti Ford, která pracuje s 15 procenty pásma tolerance platí pro to, abychom mohli proces považovat za vyhovující. Podmínka Cgk > 1. Pokud bychom použili metodiku společnosti BOSCH, která uvažuje 20 procent pásma tolerance Cgk by muselo být větší než 1,33, nicméně věcně se jedná o ten samý požadavek. Takto zanesené závislosti poté můžeme využít pro optimalizaci rychlosti snímání při zachování požadované úrovně způsobilosti procesu měření. To, že rychlost snímání může podstatným způsobem ovlivnit celkový čas měření součásti, není nutné zvláště zdůrazňovat. Nicméně průběh časové náročnosti měření pro toto konkrétní měření je zdokumentován na obr. 7.

obr7
Obr. 7: Vliv rychlosti snímání na celkový čas kontroly měření jednoho kusu

 

ZÁVĚR
Vzhledem ke komplexnosti a časové náročnosti kontrol využívajících technologie CMM v sériových výrobách, kdy na strojních součástech jsou běžně kontrolovány i stovky charakteristik a samotné časy měření se u komplexních dílů pohybují mnohdy v desítkách minut či jednotkách hodin. Nepochybně existují rezervy v rámci kapacit měrových středisek, které spočívají právě v optimalizaci rychlosti snímání. Nicméně tato činnosti vždy musí být prováděna na konkrétním stroji s konkrétní konfigurací snímacího systému, pro konkrétní charakteristiky součásti s danými tolerancemi a pokud možno zkušenou obsluhou.

TEXT/FOTO ING. LIBOR BERÁNEK, PH.D., MĚROVÉ STŘEDISKO, ČVUT V PRAZE, ING. KAREL TILLINGER, ŘEDITEL DIVIZE PRŮMYSLOVÁ MĚŘICÍ TECHNIKA CARL ZEISS