Metrologia a obróbka CNC

Założenia metrologii i jej istota w procesie produkcyjnym

Metrologia nie przypadkiem pojawia się jako jedna z istotnych części składowych szeroko pojętej obróbki CNC. Wprawdzie należy tu podkreślić, że gdy pojęcie nauki o mierzeniu pojawiło się na świecie, to o maszynach programowanych komputerowo wykorzystywanych w usługach tokarskich czy usługach frezowania CNC jeszcze nawet nikt nie marzył. Metrologię wymusiła m.in. potrzeba tworzenia części zamiennych, gdyż w jaki inny sposób niż dokonując pomiarów moglibyśmy wytworzyć idealnie pasujący odpowiednik zużytego elementu?

Nie zapominajmy również o konieczności prawidłowego projektowania obiektów, przedmiotów, konstrukcji, w których brak pomiarów i późniejszej ich kontroli wywołałby tragiczne w skutkach wydarzenia. Precyzyjne pomiary to podstawa wszelkich prac technicznych, inżynierskich i konstruktorskich, bez których maszyny ciągle by się psuły, samochody rozbijały, a budynki groziły zawaleniem. W każdej dziedzinie życia, w każdym skrawku naszego otoczenia obserwujemy efekt prawidłowo wykonanych pomiarów i skutecznej ich kontroli na każdym etapie ich wytworzenia. Z roku na rok metrologia wchodzi na coraz wyższy poziom, a narzędzia wykorzystywane do pomiarów są coraz bardziej precyzyjne i czułe. Innowacje technologiczne wprowadziły metrologię z jedynie manualnych pomiarów w świat molekuł i mikroskopijnych dokładności, uzyskiwanych dzięki precyzji maszyn generacji Przemysłu 4.0.

Kluczowe pojęcia w metrologii

Do prawidłowego wykonywania pomiarów w procesie produkcji, czyli również w takich obszarach jak obróbka CNC, usługi tokarskie czy usługi frezowania CNC niezbędne jest uświadomienie sobie, że metrologia obejmuje trzy ważne obszary:

1. ustanowione standardy miar, które są zdefiniowane i akceptowane w zakresie międzynarodowym,
2. wykorzystanie sprzętu pomiarowego do określenia zakresu danych produktu, aby był zgodny ze specyfikacją,
3. kalibracja sprzętu pomiarowego dokonywana w taki sposób, aby była zgodna z międzynarodowymi normami.

Do wykonywania prawidłowych pomiarów ważne jest również, aby zrozumieć podstawowe pojęcia obowiązujące w metrologii i różnice między nimi:

1. Tolerancja to różnica w wymiarach części, która jest określona w standardach metrologii jako akceptowalna. Producent musi również brać pod uwagę dokładność i precyzję maszyn CNC, gdyż niektóre maszyny mogą osiągać dokładność kilku mikronów, a inne nawet się nie zbliżą do tych wartości.
2. Dokładność zgodnie z zasadami matematyki to bliskość średniej zestawu zmierzonych wartości do wartości odniesienia X. W obróbce CNC może być to różnica między wymiarami faktycznie wyprodukowanego produktu a wymiarami wynikającymi z rysunku technicznego czy modelu CAD.
3. Precyzja odnosi się do tego jak blisko każdego pomiaru będzie średnia zmierzonych wartości. W odniesieniu do obróbki CNC możemy uznać, że precyzja to stopień zgodności między wieloma pomiarami, uzyskanymi na podstawie tej samej wartości w identycznych warunkach fizycznych.
4. Niepewność to pojęcie towarzyszące precyzji oraz dokładności i jest związane z rezultatem pomiaru parametru charakteryzującego rozrzut wyników, który można przypisać wartości mierzonej. Im pomiar jest dokładniejszy, tym niepewność jest mniejsza.

Obróbka CNC a ręczne narzędzia pomiarowe

Firma, oferująca usługi tokarskie czy usługi frezowania CNC musi liczyć się z tym, że jej narzędziownia powinna być wyposażona we wszelkiego rodzaju oprzyrządowanie do dokonywania pomiarów. Począwszy od prostej suwmiarki z noniuszem aż po wysokiej klasy współrzędnościowej maszyny pomiarowej CMM. Im więcej rodzajów narzędzi pomiarowych, tym większa szansa na dokładniejsze określenie prawidłowych wymiarów utrzymanych w granicach tolerancji, wynikającej z rysunku technicznego produkowanego elementu.

Metrologia – najczęściej wykorzystywane narzędzia manualne to:

• Suwmiarka analogowa, ale również zegarowa czy elektroniczna jest jednym z najmniej precyzyjnych narzędzi, gdyż jej zmierzone wartości w dużym stopniu zależą od sposobu użytkowania narzędzia i precyzji kontrolera.
• Wysokościomierz, aby prawidłowo dokonać pomiaru musi zostać umieszczony na niezwykle płaskiej powierzchni. Najlepiej ustawić narzędzie na przeznaczonej do pomiarów specjalnej granitowej płycie, która jest odpowiednio zeszlifowana i idealnie płaska.
• Mikrometr to jedno z najdokładniejszych ręcznych narzędzi pomiarowych, gdyż eliminuje możliwość nadmiernego nacisku kontrolera, choć i on nie jest wolny od błędów.
• Czujnik zegarowy jest również precyzyjny, ale umożliwia dokonanie tylko pomiarów względnych, jak choćby ten zamontowany na tokarce, który może mierzyć odchylenie średnicy części. Może być również używany na płycie granitowej do pomiaru płaskości.
• Elcometer to przyrząd do pomiaru przyczepności wielu rodzajów powłok do podłoża za pomocą tzw. „siatki nacięć”. Polega na wykonaniu dwóch nacięć o długości 20-30mm pod kątem prostym. Otrzymujemy w ten sposób wzór siatki, dzięki któremu możemy ocenić stopień i jakość przylegania np. farby proszkowej poprzez porównanie z wzorcem zgodnym z normami.
• Miernik grubości lakieru to proste urządzenie służące do pomiarów na krzywiznach i płaszczyznach poziomych.

Niedoskonałość pomiarowa narzędzi ręcznych

Mikrometr mimo swojej dokładności może dawać błędne odczyty pomiarów przez np. zbyt mocne dokręcenie wrzeciona, co spowoduje zmianę kształtu kowadełka przyrządu. Niższej jakości mikrometry są wykonane z materiałów bardziej narażonych na ten błąd.

Natomiast w suwmiarce błąd może zostać wywołany tym, że linia odniesienia układu pomiarowego nie leży na tej samej linii co mierzony wymiar. Skale lub koła zębate suwmiarki nie stykają z mierzonymi powierzchniami i w wyniku tego zacisk przesuwa się mikroskopijnie. Można zminimalizować ten błąd mierząc detal jak najbliżej szyny.

Inny błąd występujący w przypadku suwmiarek ogranicza skuteczność przyrządu przy pomiarze średnicy wewnętrznej. Szczęki pomiarowe suwmiarki są przesunięte względem siebie, a to oznacza, że nigdy nie dotrą do maksymalnej średnicy przedmiotu obrabianego.

Te przykładowe błędy pomiarowe mogą stać się zachętą dla firm produkcyjnych, aby również w zakresie metrologii pójść w kierunku rozwiązań proponowanych przez czwartą już rewolucję technologiczną określaną mianem Przemysł 4.0. Przyszłość metrologii obróbki CNC zmierza również w kierunku automatyzacji procesów kontrolnych i ukierunkowanie inwestycji na nowoczesne maszyny miernicze, które zredukują wpływ błędu ludzkiego całkowicie i umożliwią uzyskanie maksymalnej dokładności pomiarów, a tym samym precyzji w wytwarzaniu powtarzalnych elementów.