Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольно-измерительные приспособления как средство управления качеством продукции

Общие положения

Существующая учебная литература по проектированию приспособлений либо вообще не рассматривает вопросы конструирования контрольно-измерительных приспособлений, либо рассматривает поверхностно. И это нетрудно понять, потому что проблема управления качеством является одной из самых наукоемких, требует интеграции многих отраслей знаний, постоянной подпитки новыми достижениями науки. Отсутствие современной идеологии проектирования измерительной оснастки во многом объясняется низкая метрологическая культура производства, нехватка квалифицированных кадров разработчиков оснастки. Сегодня трудно найти более актуальную и более сложную проблему, чем повышение качества продукции, ее конкурентоспособности. И путь к этому только один - повышение квалификации персонала, повышение фондовооруженности контрольно-измерительных операций.

К сожалению, приходится констатировать тот факт, что уже давно по проектированию контрольно-измерительной оснастки для студентов вузов не издавалось никакой литературы. Последними изданиями были такие книги: Гиппа Б.А. Контрольные приспособления (1960г.) и Иванова А.Г. Измерительные приборы в машиностроении (1964г.); Левинсона Е.М. Контрольно-измерительные приспособления в машиностроении (1953г.). Будучи фундаментальными и передовыми трудами в свое время, они сейчас, конечно, устарели.

Культура и уровень точности машиностроительного производства определяются, прежде всего, точностью и насыщенностью производства современными КИП. Экономию на приобретении и изготовлении современных КИП следует считать сомнительной, поскольку она, в конце концов, приводит к скрытому перерасходу ресурсов. Для примера можно рассмотреть случай, когда сложная корпусная деталь изготавливается не на станке с ЧПУ, а контролируется на плите с помощью различных приспособлений и ручных измерительных инструментов. Трудоемкость изготовления детали составляет 2-3 часа без вмешательства оператора, а ее полный контроль на плите занимает 19-20 часов у квалифицированного контролера. Здесь наблюдается морально-техническое несоответствие элементов целостной технологической системы - оборудования и КИП. Использование на контрольной операции координатно-измерительной машины (КИМ) в сочетании со средствами вычислительной техники позволяет приблизительно в 10 раз быстрее осуществить полный контроль с составлением протокола измерений.

С возрастанием сложности изделий растет число контролируемых параметров. Так, у самолета ИЛ-62 насчитывается 50 млн. контролируемых параметров, а у ИЛ-86 еще больше.

Увеличение надежности сложных систем объективно повышает требования к качеству, ужесточению контроля, повышению трудоемкости контрольных операций. Например, трудоемкость изготовления компьютера в одной из фирм Италии составляет 48 часов, из них 30- трудоемкость контрольных операций. При этом 40% операций автоматизировано.

Итак, мы приходим к выводу, что точность есть категория экономическая, нравственная и интеллектуальная, поскольку является воплощением девиза: меньше ресурсов, больше ума и совести. Подтверждением тенденции возрастания точности (снижения погрешности) изготовления машиностроительной продукции является диаграмма, приведенная на рис.10.1.

Рисунок 10.1 - Диаграмма снижения средней погрешности изготовления.Диаграмма свидетельствует об объективном законе, присущем техническому прогрессу: экономия всех видов ресурсов обуславливается повышением точности изготовления.

Степень насыщенности производства КИП (коэффициент оснащенности) определяется по формуле

,

где Кк- число параметров, контролируемых с помощью КИП;

Ко- общее число параметров, подлежащих контролю с помощью КИП.

Максимальный уровень оснащенности достигается при ККИП=1. ККИП определяет уровень метрологического обеспечения и влияет на технико-экономические показатели производства (рис.10.2; рис.10.3).

Рисунок 10.2 - Диаграмма зависимости трудоемкости контроля (а) и потерь, связанных с браком (б) от коэффициента оснащенности КИП.

Рисунок 10.3 - Связь удельной стоимости КИП и точности контролируемых параметров.

Под качеством продукции мы будем понимать совокупность свойств продукции, обуславливающих ее пригодность удовлетворять определенным потребностям в соответствии с ее назначением. В более узком смысле слова интерпретировать качество можно как способность изделия соответствовать требованиям, установленным в технических условиях, стандартах и конструкторской документации. Качество- исключительно сложное, многофакторное явление, составляющими которого являются точность, надежность, экономичность, эстетичность, прочность.

В машиностроении показатели качества изделий весьма тесно связаны с точностью обработки деталей машин. Точность обработки, или технологическая точность, оценивается степенью соответствия поля рассеивания реальных отклонений изделий заданному допуску. Под параметрами точности мы будем понимать линейные и угловые размеры, отклонения расположения и формы, степени шероховатости, волнистости.

Согласно ГОСТ 16504-74 техническим контролем называется проверка соответствия продукции (или процесса), от которого зависит ее качество, установленным техническим требованиям. Технический контроль является необходимой частью технологии машиностроения и важнейшим элементом управления качеством. Главной целью технического контроля является выявление различных дефектов и предотвращение появление брака. Новая идеология воздействия на качество предусматривает переход от проверки качества к управлению качеством на всех этапах производства.

Технология контроля дополняет технологический процесс обработки и сборки элементами измерения и технического анализа, которые необходимы как источник информации о качестве продукции в ходе ее изготовления. Операции контроля входят в процесс производства как его неотъемлемая часть, поставляющая информацию, необходимую для управления производством. измерительный погрешность метрологический

Таким образом, специфической функцией КИП является обеспечение персонала достоверной и объективной информацией, необходимой для принятия решений по управлению технологическим процессом. Другими словами, КИП выполняет функцию обратной связи, без которой невозможно управление процессами обработки. Образно говоря, КИП- это глаза рабочего и технолога, благодаря которым становится видными и понятными процессы, происходящие на микроуровне. Технологу, вооруженному КИП, легко поставить правильный диагноз недомогания технологического процесса и применить меры по его устранению.

Комплекс мероприятий для обеспечения, единства и требуемой точности выполняемых измерений мы будем называть метрологическим обеспечением. Научной основой метрологического обеспечения является метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения, их единстве и достижении требуемой точности.

Основные метрологические понятия

Повышение эффективности производства и качества продукции невозможно без достоверной, точной и объективной информации. Без этого нельзя оптимизировать производственные процессы и оценивать качество труда и его продукты на всех стадиях производства. Важнейшим видом деятельности технолога и конструктора становятся анализ метрологического обеспечения производства, метрологическая экспертиза нормативно-технических документов. Поэтому знание основ метрологии и метрологического обеспечения производства стало сегодня необходимостью не только для работников метрологической службы, но и для конструкторов КИП.

Под измерением мы будем понимать выполнение формализованных и регламентированных нормативно-техническими документами операций. В результате измерений получают такую информацию, точность и достоверность которой заранее известна из предшествующей метрологической аттестации средств и методики измерений.

Измерение параметра состоит в том, что опытным путем с помощью специальных технических средств находят значение параметра и оценивают близость этого значения к значению, идеально отображающему размер этого параметра. Найденное таким образом значение параметра будем называть номинальным результатом измерения.

Измерительная система включает в себя следующие элементы:

- оператор (наблюдатель) (Н);

- объект измерения (ОИ);

- средство измерения (СИ);

- метод измерений (МИ);

- условия измерения (окружающая среда) (УИ).

Измерительная система как совокупность элементов и связей показана на рис.10.4.

Рисунок 10.4 - Измерительная система как совокупность элементов и связей.

В каждом элементе измерительной системы и на их стыках зарождаются погрешности измерения. Это приводит к тому, что номинальное значение параметра не совпадает с истинным значением.

Под истинным значением параметра мы понимаем значение, свободное от погрешностей измерения. Так как истинное значение параметра найти невозможно, то невозможно определить и истинную погрешность измерения. На практике вместо истинного значения параметра используют действительное значение. Под ним мы понимаем такой размер, который включает в себя погрешность, не превышающую допустимую и которой можно пренебречь для данной конкретной цели.

Абсолютная действительная погрешность измерения определяется как разность номинального (ХН) и действительного (ХД) значения параметра

ХН -ХД . (10.1)

Относительная действительная погрешность измерения находится как

или . (10.2)

с погрешностью измерения связано понятие точности измерения, под которым понимается число, обратное модулю относительной погрешности измерения

. (10.3)

Погрешности, возникающие в элементах измерительной системы и на их стыках, называются составляющими погрешностями. Например, температурная погрешность, погрешность эталона (меры), погрешность измерительного усилия и т.д. Сумма составляющих погрешностей должна быть равной общей погрешности измерения.

На практике удобно подразделять погрешности измерения на систематическую и случайную составляющую, так как источники погрешности могут иметь систематический или случайный характер, а иногда и тот, и другой одновременно.

Систематическая погрешность измерения- составляющая погрешности измерения, которая постоянна или закономерно изменяется в зависимости от каких-либо аргументов.

Под случайной погрешностью измерения подразумевают составляющую погрешности измерения, изменяющуюся случайным образом.

Систематизация КИП. Требования к ним

Класс контрольно-измерительных приспособлений занимает особое место в парке технологической оснастки. Это объясняется специфичностью функции измерения, которая предполагает не материальные преобразования, а информационные. КИП - оснастка более высокого порядка, чем другие классы приспособлений. Это средство проникновения в микромир и микропроцессы с целью сделать их понятными и доступными для воздействия и управления. Исторически сложилось так, что КИП выделилось как семейство из более высокого образования, называемого измерительными приборами. Ни один класс оснастки не вобрал в себя такое количество и разнообразие принципов и конструктивных особенностей. Его глубокая систематизация весьма затруднительна по причине разнообразия и эклективности. Эта проблема ждет своего разрешения.

КИП - это специальное устройство, реализующее функции базирования, закрепления и измерения, предназначенное для производственного контроля одного или нескольких параметров. КИП- это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительная информация обычно представляется в виде перемещения указателя по шкале, перемещений пера по диаграмме или в виде цифр на табло.

С помощью КИП проверяются (измеряются) физические, геометрические и функциональные параметры изделия. Одним из признаков, которым характеризуется КИП, является вид контролируемого параметра. К таковым относятся:

- линейные размеры: диаметр отверстий и валов, длины, высоты, глубины и т.д;

- взаимное расположение поверхностей (параллельность, перпендикулярность, торцевое и радиальное биение, позиционность, соосность, симметричность, пересечение и т.п.);

- угловые размеры;

- отклонения от правильной геометрической формы поверхностей (прямолинейность, плоскостность, круглость, цилиндричность, изогнутость от профиля продольного сечения и т.п.);

- степень шероховатости;

- нелинейные параметры (упругость, твердость, герметичность, моменты, силы и т.п.);

- работоспособность сборочных единиц и изделий в эксплуатационных условиях или в условиях, к ним приближенных;

- параметры зацепления зубчатых колес;

- припуски на механическую обработку заготовок;

- параметры резьбовых соединений.

По характеру использования КИП подразделяются следующим образом.

1 Стационарные, когда приспособление во время контроля находится на рабочем месте, а измеряемая деталь помещается в установочное устройство КИП.

2 Накладные, когда контролируемое изделие имеет большую массу, и поэтому рациональнее устанавливать КИП на изделие, а не наоборот.

КИП измеряют и контролируют более сложные параметры, чем контролируют предельными калибрами. При этом замеры выполняются в 30-100 раз быстрее, чем универсально-измерительными инструментами.

КИП не только определяют, пригодна или непригодна данная деталь, но также показывают величину отклонения параметра и его направление. Именно эта особенность позволяет эффективно использовать КИП в управлении качеством продукции непосредственно на рабочем месте.

Конструкция КИП должна отвечать нижеперечисленным требованиям.

1 Совмещение измерительной базы с технологической при промежуточном контроле и с конструкторской- при окончательном.

2 Обеспечение необходимой точности измерения и стабильности показаний при многократной установке одной и той же детали в приспособлении.

3 Высокая производительность: быстрота установки, измерения и съема деталей, четкость и простота снятия показаний, удобство в обращении.

4 Износостойкость, прочность, безотказность в работе при массовой проверке деталей.

5 Возможная простота конструкции, технологичность в изготовлении и проведении ремонта; максимальное применение в конструкции приспособления унифицированных и стандартных элементов.

6 Простота проведения проверки и настройки.

7 Эстетичность.

Средство измерения (СИ) как элемент и как система

В процессе контрольной операции в КИП реализуются, как правило, следующие функции: 1) базирование измеряемой детали; 2) установка и закрепление СИ; 3) прием, передача, преобразование и отображение измерительной информации; 4) перемещение СИ из установочной в рабочую позицию; 5) объединение функциональных узлов (корпус).

Если эти функции представить техническими носителями, то можно получить следующую структуру КИП (рис.10.5).

Рисунок 10.5 - Структурная схема КИП.

Наиболее значимой для КИП функцией является функция 3, которую реализует СИ. Эта значимость подтверждается большим удельным весом затрат на реализацию функции, сложностью СИ, важностью стабильности показаний и ограничением на величину погрешности СИ. Именно СИ определяет точность КИП. Промышленность освоила выпуск большого разнообразия СИ. Однако в связи с возрастанием точностных требований к продукции существующий арсенал СИ нельзя признать достаточным. Надо думать, он будет постоянно пополняться с тем, чтобы отечественные СИ могли конкурировать с зарубежными и превосходить их.

Приведем перечень СИ, выпускаемых промышленностью:

- зубчатые и рычажно-зубчатые измерительные головки;

- пружинные и пружинно оптические измерительные приборы;

- пневматические приборы и преобразователи;

- электромагнитные преобразователи;

- фотоэлектрические преобразователи;

- электрофицированные приборы;

- электронные измерительные системы.

По своей сущности СИ является техническим носителем следующих функций пятого уровня (F): приема сигнала, передачи сигнала, преобразования сигнала, отображения сигнала (рис.10.6).

Рисунок 10.6 - Функциональная содержательность средства измерения (СИ).

Все эти функции могут реализоваться на основе различных принципов действия (измерения), под которыми мы будем понимать совокупность физических явлений, на которых строится функционирование СИ. В КИП в целом как в системе реализуются следующие функции:

- базирования;

- закрепления;

- координирования;

- установочных и вспомогательных перемещений;

- настройки;

- образцовых перемещений;

- выдачи результатов измерений;

- объединения функциональных узлов (корпус).

Часть этих функций идентичны функциям станочных приспособлений, напр., 1,2,8. Другие специфичны и оригинальны, присущи только КИП- 3,4,5,6,7.

Ретроспективный анализ СИ позволяет говорить о том, что они возникли на основе механических принципов действия. Однако повышение точности изготовления вызвало к жизни еще более точные методы измерения. Дело в том, что логика технического прогресса требовала значительного опережения точности замеров по сравнению с точностью изготовления. Другими словами, погрешности измерения должны быть на порядок меньше погрешностей обработки. Поэтому механические принципы действия во многом себя исчерпали. Их значительные погрешности обусловлены рядом факторов, присущих взаимодействию твердых тел: наличием зазоров, трением, деформациями, кинематическими погрешностями, технологическими погрешностями и т.д. Даже всевозможные конструкторские ухищрения не в состоянии компенсировать интегральные погрешности СИ. Они становятся сопоставимыми с погрешностью измеряемых величин и могут служить причиной неправильных измерений.

Поэтому можно сказать, что будущее СИ за принципами действия, основанными на атомно-молекулярном взаимодействии частиц. Примером тому может служить история СИ времени- часов. Мы являемся свидетелями вытеснения часов механических часами электронными. Использование магнитных, электромагнитных волн, различных излучений, пневматики, пневмоники и т.д. дает возможность выйти из кажущегося тупика и решить проблему повышения точности измерения до долемикрометрических величин. К сожалению, следует констатировать тот факт, что производственный парк КИП в основном состоит из СИ механического принципа действия. Это свидетельствует о неудовлетворительном метрологическом обеспечении, которое не может гарантировать высокого качества продукции.

Метрологические характеристики СИ

Для целесообразного выбора, правильной эксплуатации и оценки качества СИ необходимо знать метрологические, эксплуатационные и надежностные характеристики СИ, полностью отражающие качество прибора.

Каждая характеристика должна описывать определенное физическое свойство и учитывать возможности его проверки с минимальными затратами. Необходимо понимать, что завышенные характеристики приводят к непроизводственным затратам, а заниженные- ведут к увеличению фактического брака.

1 Основной, определяющей точность СИ, характеристикой будем считать его погрешность. Обозначим ее СИ.

2 Цена деления шкалы - разность значения величин, соответствующих двум соседним делениям шкалы, напр., 0.002 мм при длине деления шкалы прибора, равной 1мм. Присвоим ей индекс С. В стандартных СИ соответствие между С и СИ такое: С=(0,5-4)СИ.

3 Интервал деления шкалы (а)- расстояние между осями двух соседних отметок шкалы. В стандартных СИ а=(0,9-2,5)мм. Для цеховых условий рекомендуется брать интервал деления большего значения с тем, чтобы пощадить зрение оператора, улучшить отсчет показаний.

4 Диапазон показаний по шкале (А)- область значений шкалы, ограниченная ее начальным и конечным значением, или значение измеряемой величины, соответствующее всей шкале прибора. Например, диапазон показаний индикатора часового типа модели ИЧ-2 равен 0-2мм.

5 Диапазон измерений (Б)- наибольшие и наименьшие величины, которые могут быть измерены на данном приборе. Они определяются размерами стойки, штатива или станины.

6 Чувствительностью называется свойство измерительного прибора, заключающееся в его способности реагировать на изменения измеряемой величины. Чувствительность оценивается отношением изменения сигнала на выходе СИ к вызвавшему его изменению измеряемой величины. Если измеряемой величиной является длина или угол, и значение чувствительности выражается безразмерным числом, то последнее называется передаточным отношением і. і- Коэффициент преобразования СИ, выражающий отношение выходного сигнала к вызвавшему его входному сигналу:

. (10.4)

Чтобы можно было ориентировочно судить о возможностях различных СИ преобразовать сигнал, назовем значения их передаточных отношений і.

7 Измерительное усилие (Рус)- это сила воздействия измерительного наконечника на измеряемую деталь в зоне контакта. Например, для индикатора часового типа ИЧ-10 Рус равно 200 сН.

Погрешность измерения от измерительного усилия возникает в двух случаях.

1 От разности деформаций смятия микронеровностей поверхностей измеряемого изделия и образцовой меры, по которой устанавливается прибор (СИ). Величина погрешности возрастает с увеличением измерительного усилия и шероховатости поверхности. С увеличением радиуса сферической поверхности наконечника уменьшается давление на поверхность измеряемого изделия, а следовательно, и погрешность, порождаемая Рус. Наконечники выпускаются по ГОСТ 11007-66 типа НТ с креплением на гладком цилиндрическом стержне и типа НР с креплением при помощи резьбы трех классов точности: 0- для СИ с ценой деления до 0,2 мкм; 1- для приборов с ценой деления от 0.2 до 2 мкм; 2- для приборов с ценой деления более 2 мкм. Измерительная поверхность наконечников может быть сферической, плоской и ленточной и выполняется из синтетического корунда, твердого сплава и стали марки ШХ 15.

2 От разности деформаций стоек или скоб при установке и проверке. Это обстоятельство обязывает конструктора КИП уделять внимание жесткости его элементов.

8 Колебание измерительного усилия (Рус)- разница между наибольшим и наименьшим значением Рус в пределах диапазона показаний по шкале. Например, тот же индикатор часового типа ИЧ-10 при Рус=200сН имеет согласно паспорта колебание измерительного усилия Рус=80сН.

9 Основным нормируемым показателем надежности приборов (СИ) является наработка до первого отказа t(Р) при вероятности безотказной работы Р. Наработка t(Р) может быть выражена числом измерений или временем, в течение которого прибор непрерывно сохраняет работоспособность. Сущность этого показателя заключается в том, что в течение наработки в среднем 100Р, % всех приборов (СИ) не будет иметь отказа. Под отказом приборов понимается событие, заключающееся в потере заданной точности, для восстановления которой требуется проведение ремонта или регулировка.

Помимо метрологических и надежностных характеристик, конструктор КИП должен знать затраты на приобретение того или иного СИ. Обозначим этот параметр через Ц. Его можно найти в каталогах или ценниках контрольно-измерительных средств.

Дадим перечень литературы, в которой приводятся описания принципа действия и особенностей конструкции и основные метрологические характеристики СИ.

Список литературы

1. Сорочкин Б.М. и др. Средства для линейных измерений. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1978. -264с.

2. Точность и производственный контроль в машиностроении: Справочник /И.И. Балонкина и др.; Под общей ред. А.К. Кутая, Б.М. Сорочкина. -Л.: Машиностроение,1983. -368с.

3. Справочник контролера машиностроительного завода. Допуски, посадки, линейные измерения/ А.Н. Виноградов и др.; Под ред. А.И. Якушева.-3-е изд., перераб. и доп.-М.: Машиностроение, 1980. -527с.

Размещено на Allbest.ru