Współrzędnościowa technika pomiarowa odgrywa dziś ogromną rolę w projektach prowadzonych na rynkach, gdzie funkcjonują różne systemy norm – ISO oraz ASME. Oba podejścia niosą ze sobą określone zasady tworzenia rysunków, wskazywania baz i opisu tolerancji. Dlatego zanim pojawi się pierwsze makro na maszynie CMM, trzeba ustalić sposób interpretacji rysunku i logikę, którą kierował się konstruktor. To rysunek definiuje elementy bazowe i sposób ich odtworzenia, a co za tym idzie – sposób budowy układu współrzędnych stosowanego podczas pomiaru.

W praktyce wiele problemów nie wynika z samego pomiaru, lecz z pominięcia drobnych informacji, które konstruktor uznał za oczywiste. Błędny dobór elementów bazowych, niewłaściwe wskazanie algorytmu lub niedoprecyzowane zasady zbierania punktów mogą powodować różnice w wynikach pomiarów między dostawcą a odbiorcą. Dopiero po analizie wymiarowania i tolerowania geometrycznego, z uwzględnieniem podejścia europejskiego i amerykańskiego, można świadomie określić strategię pomiarową zgodną z oczekiwaniami obu stron.

Ważnym obszarem tej strategii jest dobór liczby punktów. Normy wyznaczają wartości minimalne, ale praktyka pokazuje, że dla elementów z wyraźnymi błędami kształtu liczba punktów powinna zostać zwiększona. Z kolei tam, gdzie funkcjonalność nie wymaga bardzo gęstego próbkowania, nadmierna liczba punktów może wydłużać pomiar bez wnoszenia wartości. To samo dotyczy wyboru pomiędzy pomiarem punktowym a skaningowym – możliwości techniczne głowicy potrafią mocno oddziaływać na jakość zbieranych danych, a nie każde skanowanie zapewnia lepszą informację.

Znaczenie ma również to, w jakim miejscu zbierane są punkty pomiarowe. Elementy geometryczne nigdy nie są idealne, a błędy kształtu mają różny rozkład. Jeśli konstruktor nie wskazał na rysunku, w jakich obszarach powinna odbywać się kontrola, warto ustalić to wspólnie na linii dostawca–klient. W wielu przypadkach to właśnie ten etap pozwala uniknąć rozbieżności wynikających z tego, że każdy kontroluje element „po swojemu”.

Kolejnym krokiem jest wybór algorytmu tworzenia elementów. Element zaobserwowany i element skojarzony mogą prowadzić do różnych wyników pomiaru, a sama metoda dopasowania ma wpływ na interpretację tolerancji. Coraz częściej konstruktorzy precyzują w dokumentacji, jakiego algorytmu należy użyć, aby wyniki pomiarowe były jednoznaczne.

To rysunek „mówi” nam,...

...jakie elementy geometryczne danego wyrobu są elementami bazowymi, a co za tym idzie, w jaki sposób powinniśmy zbudować układ współrzędnych, potrzebny nam do późniejszego pomiaru określonych cech rysunkowych. Aby właściwie zdefiniować te elementy musimy wiedzieć, co „mówią” o tym normy. W tym miejscu bardzo istotna jest świadomość, jakim podejściem kierował się konstruktor podczas „tworzenia” danego rysunku. Odpowiedź na pytanie „co autor miał na myśli?”, które bardzo często wszyscy sobie zadawaliśmy podczas lekcji języka polskiego jest kluczowa w kontekście rysunku maszynowego, pomimo tego, że, przecież wszystkie zapisy powinny być jednoznaczne i klarowne.

Niestety bardzo często przystępując do produkcji, czy pomiaru danego wyrobu nie zwracamy uwagi na te „szczegóły”, co w późniejszym czasie rodzi bardzo wiele sytuacji konfliktowych na linii Dostawca – Klient. Jaki algorytm podczas pomiaru CMM zastosujemy do tworzenia elementów bazowych, czy będziemy tolerować elementy zaobserwowane, czy skojarzone, jaka będzie nasza strategia pomiaru, będzie miało wpływ na wyniki, jakie uzyskamy. Tak naprawdę wszystko to jesteśmy w stanie odczytać z rysunku wyrobu, jeśli go tylko właściwie zinterpretujemy. Niezbędnym zatem, przed rozpoczęciem programowania maszyny pomiarowej staje się rozpoznanie wymiarowania i tolerowania geometrycznego, zaznajomienie się z różnicami podejścia europejskiego i amerykańskiego oraz ustalenie, jaka jest strategia pomiarowa Klienta.

Dopiero z tą świadomością możemy być spokojni, że wyrób, który wyprodukujemy i zmierzymy będzie tym, o czym myślał konstruktor i tym, czego oczekiwał Klient.

Rysunek 1. Czynniki wpływające na pomiar na współrzędnościowej maszynie pomiarowej - CMM:

 

Strategia pomiaru na maszynach CMM obejmuje:

Liczbę punktów pomiarowych

– wymagania metrologiczne definiują określoną minimalną liczbę punktów pomiarowych w zależności od tego, jaki element geometryczny chcemy stworzyć. Bardzo często, ta minimalna liczba punktów nie jest wystarczająca do właściwego zdefiniowania elementu geometrycznego w przestrzeni z uwzględnieniem błędów kształtu. Liczba punktów pomiarowych może w dużym stopniu zdecydować o wiarygodności wyników pomiarów. Najczęstszym kryterium, jeśli chodzi o liczbę punktów pomiarowych jest czas pomiaru. Nie powinien on być jednak jedynym kryterium. Dużo bardziej istotne jest, co my chcemy zweryfikować:
- czy są dla nas istotne błędy kształtu danego elementu, które przy małej liczbie punktów mogą nie zostać wychwycone?

- a może te błędy kształtu z funkcjonalnego punktu widzenia mogą zostać pominięte i wtedy nie koniecznie duża liczba punktów pomiarowych będzie lepszym rozwiązaniem?

Pomiar punktowy czy skaningowy

– w zależności od możliwości, jakimi dysponujemy (własności głowicy pomiarowej), pomiar można wykonać metodą punktową lub skaningową. Skanowanie daje nam możliwość zbierania dużej liczby punktów w krótkim czasie, jednak informacja płynąca z takiej metody, nie zawsze będzie wiarygodna. Z mojej praktyki użytkowania maszyn CMM spotkałem się z sytuacją, gdzie firma zakupiła maszyny CMM z możliwością skanowania i wszystkie programy pomiarowe były pisane z wykorzystaniem tej funkcji. Po miesiącu użytkowania okazało się, że z uwagi na bardzo duży wpływ na pomiar drobnych błędów kształtu i nierówności powierzchni, funkcjonalności mierzonego wyrobu czy nawet jego czystości - większość zadań pomiarowych zostało zmienionych na pomiar punktowy. Jednoznaczne wskazanie, która metoda jest lepsza bywa bardzo trudne.

Rozmieszczenie punktów pomiarowych

– oprócz ilości punktów pomiarowych bardzo istotnym elementem strategii pomiaru jest ich rozmieszczenie. Naturalne jest to, że elementy geometryczne, z których zbudowane są bryły nie są idealne. Każdy element geometryczny posiada błędy kształtu, które w każdym miejscu tego elementu mogą być różne. To jak są zbierane punkty w jakim przekroju walca lub z jakiego obszaru płaszczyzny, może wynikać z konkretnych zapisów na rysunku technicznym. Te zapisy powinny w jak najlepszym stopniu odwzorować funkcjonalność wyrobu. W tym miejscu największą rolą konstruktora jest, aby takie zapisy na rysunku umieścić. Jeżeli takich zapisów na nim nie ma, wówczas ważne jest, by ustalić na linii dostawca-klient jak największą jednoznaczność w tym aspekcie.

Algorytm wyznaczania elementów

– ideą współrzędnościowej techniki pomiarowej jest podawanie zależności między elementami geometrycznymi, które są budowane na podstawie punktów w przestrzeni. Jeżeli już opracowaliśmy właściwą strategię zbierania punktów, pozostaje nam jeszcze wybranie odpowiedniego algorytmu kreowania z tych punktów elementu geometrycznego i poddanie go właściwej ocenie.

W zależności od tego, czy mówimy o elemencie bazowym, czy o elemencie tolerowanym, to inny element będziemy brali pod uwagę.

W podejściu ISO GPS elementem tolerowanym jest to element zaobserwowany, natomiast elementem bazowym jest element skojarzony.

                                                          

Rysunek 2. Element zaobserwowany i element skojarzony

Algorytmy wyznaczania elementów skojarzonych mogą również być różne:

Rysunek 3. Algorytmy wyznaczania elementów skojarzonych

W zależności, jaki element zbudujemy z punktów pomiarowych oraz poddamy ocenie, taki uzyskamy wynik pomiaru za pomocą CMM.

Z uwagi na bardzo wiele niejednoznaczności, które mogą wystąpić ze względu na algorytm wyznaczania elementów, coraz częściej na rysunkach technicznych możemy spotkać symbole i modyfikatory, których zadaniem jest precyzyjne określenie tych aspektów.

• Inne ważne czynniki, które musimy wziąć pod uwagę przy określaniu strategii pomiaru to na pewno mocowanie, na którym będziemy umieszczać element do pomiaru, długość trzpienia pomiarowego, prędkość pomiaru i promień kulki pomiarowej.

 

Podsumowując. Pomiary na maszynach CMM charakteryzują się bardzo dużą dokładnością i obecnie mają zastosowanie w zasadzie w każdej branży. Jednak, aby pomiary, które wykonujemy były wiarygodne musimy przyjąć właściwą strategię pomiarową, gdyż jej wpływ na późniejsze wyniki pomiarów jest kluczowy.

Najczęściej zadawane pytania

Jak określić, czy rysunek został przygotowany zgodnie z ISO czy ASME?

Najczęściej świadczą o tym oznaczenia tolerancji, sposób zapisu baz i forma notacji geometrycznych. Konstruktorzy zwykle stosują jednorodne podejście w całej dokumentacji, dlatego już pierwszy kontakt z rysunkiem pozwala wskazać system odniesienia. W razie wątpliwości dowiedz się więcej z artykułu „Standard oznaczeń na rysunku technicznym: amerykański czy europejski? Jak rozpoznać różnice i podobieństwa”.

Czy większa liczba punktów pomiarowych zawsze daje lepsze wyniki?

Nie zawsze. Dla elementów o niewielkich błędach kształtu większa liczba punktów może nie wnosić wartości, a jedynie wydłużać czas pomiaru. W innych przypadkach zbyt mała liczba punktów nie wychwyci deformacji, które z punktu widzenia funkcjonalności elementu są istotne. Dobór powinien wynikać z wymagań rysunkowych i celu pomiaru.

Kiedy warto stosować pomiar skaningowy?

Skanowanie sprawdza się wtedy, gdy potrzebujesz dużej liczby punktów w krótkim czasie lub analizujesz elementy o złożonej geometrii. W praktyce bywa jednak podatne na lokalne nierówności powierzchni, zanieczyszczenia oraz sztywność mocowania. Dlatego w wielu procesach pomiar punktowy nadal jest preferowany.