WYBRANE ASPEKTY METROLOGICZNE NADZOROWANIA WYPOSAŻENIA POMIAROWEGO DO GPS

Transkrypt

1 Nadzorowanie, wzorcowanie, adjustacja, wyposażenie pomiarowe Władysław JAKUBIEC, Mirosław WOJTYŁA WYBRANE ASPEKTY METROLOGICZNE NADZOROWANIA WYPOSAŻENIA POMIAROWEGO DO GPS Streszczenie (10 pkt. pogrubione) Omówiono różne dokumenty dotyczące nadzorowania wyposażenia pomiarowego stosowanego do pomiaru wymiarów, odchyłek geometrycznych i chropowatości powierzchni. Przedstawiono aktualny stan w zakresie normalizacji. Wykonano analizę stosowanej terminologii. Omówiono wzorcowanie podstawowych przyrządów pomiarowych. Podano przykłady ważniejszych błędów popełnianych w czasie wzorcowania. 1. WPROWADZENIE W punkcie 7.6 normy ISO 9001 [1] zwraca się uwagę na następujące metrologiczne aspekty nadzorowania wyposażenia pomiarowego: wyposażenie pomiarowe należy wzorcować i/lub sprawdzać (ang. shall be calibrated or verified, or both), wyposażenie pomiarowe należy adiustować, a równocześnie, że należy je zabezpieczyć przed adiustacjami, które mogłyby unieważnić wyniki pomiaru, należy potwierdzić zdolność oprogramowania komputerowego stosowanego do monitorowania i pomiaru wyspecyfikowanych wymagań do jego zamierzonego zastosowania,... gdy wyposażenie okaże się niezgodne z wymaganiami, organizacja powinna ocenić i zapisać wiarygodność wcześniejszych wyników pomiarów. Organizacja powinna podjąć odpowiednie działania w odniesieniu do wyposażenia i wszystkich wyrobów, na które niezgodność miała wpływ. Podobnie w ISO [2], chociaż przy użyciu pojęcia potwierdzenie metrologiczne pojawia się oczekiwanie, że: wyposażenie pomiarowe jest zgodne z wymaganiami związanymi z jego zamierzonym użyciem i obejmuje zwykle wzorcowanie i weryfikację, a także wszelkie niezbędne adiustacje lub naprawy. dr hab. inż., prof. ATH, Akademia Techniczno-Humanistyczna, Laboratorium Metrologii, ul. Willowa 2, Bielsko-Biała, wjakubiec@ath.eu dr inż., Akademia Techniczno-Humanistyczna, Laboratorium Metrologii, ul. Willowa 2, Bielsko-Biała, mwojtyla@ath.eu

2 2. UWAGI TERMINOLOGICZNE Jednym z celów niniejszej pracy jest rozwianie wątpliwości o podłożu terminologicznym. W tym rozdziale zostaną wyjaśnione dwie kwestie: co podlega wzorcowaniu (sprawdzaniu) albo inaczej co to jest wyposażenie pomiarowe i które elementy wyposażenia podlegają wzorcowaniu, czy między wzorcowaniem a sprawdzaniem jest istotna różnica i jakie charakterystyki metrologiczne podlegają wzorcowaniu (sprawdzaniu). Co to jest wyposażenie pomiarowe i jak z tym terminem związane są inne spotykane terminy jak sprzęt pomiarowy, narzędzia pomiarowe itp.? Według ISO 9000 [3] pkt wyposażenie pomiarowe (ang. measuring equipment) to przyrząd pomiarowy, oprogramowanie, wzorzec jednostki miary, materiał odniesienia lub aparatura pomocnicza lub ich kombinacja, niezbędne do przeprowadzenia procesu pomiarowego. Według ISO [4] punkt 3.1 sprzęt pomiarowy (ang. measuring equipment) to dowolny przyrząd, wzorzec miary, materiał odniesienia i/lub urządzenie pomocnicze, albo dowolna ich kombinacja niezbędna do wdrożenia procesu pomiarowego w celu przeprowadzenia określonego i zdefiniowanego pomiaru. Według IEC [5] pkt sprzęt pomiarowy (ang. measuring equipment) to zespół narzędzi pomiarowych przeznaczony do wykonania określonych pomiarów, i dalej według punktu narzędzie pomiarowe to urządzenie przeznaczone do wykrywania lub pomiaru wielkości, lub do jej odtwarzania w celach związanych z pomiarami. Z powyższych cytatów wynika, że wyposażenie, sprzęt i narzędzia to praktycznie synonimy. Termin narzędzie pomiarowe stosowany jest przez elektryków w budowie maszyn raczej nie jest i nie powinien być używany. Z punktu widzenia przemysłu budowy maszyn wyposażenie pomiarowe obejmuje trzy rodzaje wyposażenia: wzorce, przyrządy pomiarowe i wyposażenie pomocnicze. Według ISO [4] punkt 3.3 wzorzec miary (ang. material measure) to urządzenie przeznaczone do odtwarzania lub dostarczania co najmniej jednej znanej wartości danej wielkości w sposób niezmienny podczas jego stosowania. Jako przykłady wzorców miary ten sam dokument w punkcie 3.3 podaje płytkę wzorcową, wzorzec płytowy z kulami, płytkę kątową, sprawdzian graniczny (np. sprawdzian szczękowy), sprawdzian działania, wzorzec struktury powierzchni, pierścień wzorcowy i przymiar taśmowy. Według IEC [5] punkt wzorzec miary, albo inaczej miara materialna (ang. material measure) to narzędzie pomiarowe, które odtwarza stale, podczas użytkowania, jedną lub więcej znanych wartości określonej wielkości. Według Guide 99 [6] punkt 3.1 przyrząd pomiarowy (ang. measuring instrument) to urządzenie służące do wykonywania pomiarów, użyte indywidualnie lub w połączeniu z jednym lub więcej urządzeniami dodatkowymi. Według IEC [5] punkt przyrząd pomiarowy (ang. measuring instrument) to narzędzie pomiarowe przeznaczone do przetworzenia wielkości mierzonej, lub z nią związanej, na wskazanie lub równoważną informację Co to jest wzorcowanie i jak z tym terminem związany jest termin kalibracja? Wzorcowanie i kalibracja to synonimy (patrz Guide 99 [6] punkt 2.39). Termin wzorcowanie jest zdefiniowany w dwóch ważnych dokumentach. Według Guide 99 wzorcowanie (ang. calibration) to działanie, które w określonych warunkach, w pierwszym kroku ustala zależność pomiędzy odwzorowywanymi przez wzorzec pomiarowy wartościami wielkości wraz z ich niepewnościami pomiaru, a odpowiadającymi im wskazaniami wraz z ich niepewnościami, a w drugim kroku wykorzystuje tę informację do ustalenia zależności pozwalającej uzyskać wynik pomiaru na podstawie wskazania. Według ISO [4] punkt 3.8 wzorcowanie to

3 zbiór operacji ustalających, w określonych warunkach, relację między wartościami wielkości mierzonej, wskazanymi przez przyrząd pomiarowy lub układ pomiarowy albo wartościami reprezentowanymi przez wzorzec miary lub przez materiał odniesienia, a odpowiednimi wartościami wielkości realizowanymi przez wzorce jednostki miary. Łatwo zauważyć, że w zasadniczej części definicje te są równoważne. Co to jest sprawdzanie i jak z pojęciem sprawdzania związane jest pojęcie weryfikacja? Termin sprawdzanie został wprowadzony do ISO 9001 [1] jako tłumaczenie słowa verification. Termin verification występuje w tej normie wielokrotnie i wszędzie jest tłumaczony jako weryfikacja, a jedynie w punkcie 7.6 użyto terminu sprawdzanie. W normie terminologicznej dotyczącej zarządzania jakością (ISO 9000 [3] punkt 3.8.4) weryfikacja (a więc i sprawdzanie w rozumieniu normy ISO 9001) to potwierdzenie, przez przedstawienie dowodu obiektywnego, że zostały spełnione wyspecyfikowane wymagania. Podobnie w słowniku Guide 99 [6] punkt 2.44 weryfikacja to zapewnienie obiektywnego dowodu, że dany przedmiot spełnia określone wymagania. Warto zwrócić również uwagę, że w Polsce termin sprawdzanie jest od bardzo dawna używany w odniesieniu do przyrządów pomiarowych. Dla przykładu w wydawanych przez Główny Urząd Miar Dziennikach Urzędowych Miar i Probiernictwa spotykamy Instrukcje sprawdzania przeróżnych wzorców (np. płytek wzorcowych) i przyrządów pomiarowych (np. suwmiarkowych czy mikrometrycznych) (patrz np. DzUMiP nr 12 z 20 maja 1996 [7]). Jaki jest więc związek między pojęciami wzorcowanie i sprawdzanie ( weryfikacja ) oraz badanie odbiorcze i badanie okresowe w kontekście występującego w ISO 9001 stwierdzenia, że wyposażenie pomiarowe należy wzorcować i/lub sprawdzać? W definicji wzorcowania nie występuje problem spełniania wymagań (osoba wykonująca wzorcowanie nie musi znać wymagań). Tak więc jedno ze znaczeń terminu sprawdzanie to wzorcowanie i porównanie z wymaganiami. Jednak sprawdzanie niekoniecznie musi być poprzedzone wzorcowaniem może dotyczyć charakterystyki metrologicznej, która nie może być oceniona ilościowo (zmierzona). W ISO 9000 [3], a także w ISO [2] oprócz pojęcia wzorcowanie pojawia się pojęcie potwierdzenie metrologiczne (ang. metrological confirmation). Według ISO potwierdzenie metrologiczne to zbiór operacji wymaganych do zapewnienia, że wyposażenie pomiarowe jest zgodne z wymaganiami związanymi z jego zamierzonym użyciem. Tak więc pojęcia potwierdzenie metrologiczne i sprawdzenie są sobie bardzo bliskie. Pojęcie potwierdzenie metrologiczne jest jednak szersze, bowiem w ISO 9000 (podobnie w ISO 10012) znajduje się wyjaśnienie, że potwierdzenie metrologiczne obejmuje zwykle wzorcowanie lub weryfikację, wszelkie niezbędne adiustacje lub naprawy i późniejsze ponowne wzorcowanie, porównanie z wymaganiami metrologicznymi związanymi z zamierzonym użyciem wyposażenia, jak też wszelkie wymagane plombowanie i etykietowanie. W ISO [4] pojawiają się kolejne pojęcia kojarzące się z wzorcowaniem lub sprawdzaniem. W punkcie 3.43 badanie odbiorcze (ang. acceptance test) jest zdefiniowane jako zbiór operacji uzgodnionych przez producenta przyrządu pomiarowego i użytkownika w celu sprawdzenia, czy działanie przyrządu pomiarowego jest takie, jak określił producent, a w punkcie 3.44 badanie okresowe (ang. verification test) jako badanie w celu sprawdzenia, czy działanie przyrządu pomiarowego jest takie, jak określone przez użytkownika, wykonane według takich samych procedur, jak badanie odbiorcze. Te same pojęcia, odnoszące się do współrzędnościowych maszyn pomiarowych oraz dodatkowo trzecie znajduje się w ISO [8]. W punkcie 2.17 badanie odbiorcze (ang. acceptance test) CMM to zbiór czynności uzgodnionych między producentem a użytkownikiem CMM, w celu weryfikacji zgodności CMM z deklaracją producenta. W punkcie 2.18 badania

4 okresowe (ang. reverification test) CMM to badanie zgodności działania CMM z deklaracją użytkownika, wykonywane według tych samych procedur co badania odbiorcze. Wreszcie w punkcie 2.19 sprawdzanie bieżące (ang. interim check) CMM to badanie według procedur określonych przez użytkownika i wykonywane między badaniami okresowymi w celu utrzymania wiarygodności w odniesieniu do pomiarów wykonywanych na CMM. Kolejne ważne pojęcie to adiustacja. W IEC [5] w punkcie adiustacja wstępna (ang. preliminary adjustment) to czynności, podane przez wytwórcę, które należy wykonać przed użytkowaniem przyrządu, aby mógł on działać z podaną dokładnością i w punkcie adiustacja robocza (ang. readjustment) to czynności, podane przez wytwórcę, które należy wykonywać podczas użytkowania przyrządu, aby działał z podaną dokładnością. Według Guide 99 [6] punkt 3.11 adiustacja to zbiór czynności wykonanych przy układzie pomiarowym zapewniających, że wartościom wielkości, które mają być mierzone, odpowiadają odpowiednie wskazania W tym samym punkcie znajdują się uwagi, że adiustacji nie należy mylić z wzorcowaniem, które jest jej wstępnym warunkiem oraz, że po adiustacji układu pomiarowego zazwyczaj musi on zostać poddany ponownemu wzorcowaniu. Ponadto w Guide 99, w punkcie dotyczącym wzorcowania, znajduje się uwaga, że wzorcowania nie należy mylić z adiustacją układu pomiarowego, często mylnie nazywaną samowzorcowaniem, ani z weryfikacją wzorcowania. I ostatnie ważne pojęcia to charakterystyka metrologiczna i wymaganie metrologiczne. W ISO [4] punkt 3.12 charakterystyka metrologiczna (ang. metrological characteristic) to charakterystyka sprzętu pomiarowego, która może wpływać na wyniki pomiaru. W tym punkcie znajdują się uwagi, że sprzęt pomiarowy ma zwykle kilka charakterystyk metrologicznych oraz, że charakterystyki metrologiczne mogą podlegać wzorcowaniu. W tym samym dokumencie, w punkcie 3.14 zdefiniowano wymaganie metrologiczne jako wymaganie dotyczące charakterystyki metrologicznej. W uwagach do tego punktu znajdują się stwierdzenia, że wymagania metrologiczne wynikają z zawartych w specyfikacji wymagań dotyczących wyrobu/elementu mierzonego, albo można je ustalić na ogólnych zasadach oraz, że wymaganie metrologiczne można przedstawić jako błąd graniczny dopuszczalny (MPE) albo jako wartości graniczne dopuszczalne (MPL) Wzorcowanie (i sprawdzanie) uniwersalnych wzorców i przyrządów pomiarowych Podstawowy cel wzorcowania wzorców i przyrządów pomiarowych to zapewnienie spójności pomiarowej. Z tego powodu oczywistymi charakterystykami metrologicznymi podlegającymi wzorcowaniu są te, które bezpośrednio odnoszą się do mierzonej wielkości czyli w przypadku wyposażenia do GPS do pomiaru długości, np. dla płytek wzorcowych odchyłka długości względem długości nominalnej w dowolnym punkcie (patrz ISO 3650 [9]), dla czujników tarczowych mechanicznych błędy wskazania w przedziale 1/10 obrotu wskazówki, 1/2 obrotu wskazówki, 1 obrotu wskazówki i w całym zakresie pomiarowym (patrz ISO 463 [10]), dla przyrządów mikrometrycznych błąd wskazań (patrz [11]), dla współrzędnościowej maszyny pomiarowej błąd wskazania CMM podczas pomiaru wymiaru (patrz ISO [8]). Obecnie normy dotyczące konkretnego sprzętu pomiarowego, z wyjątkiem kilku przypadków tzn. ISO 3650 [9] dotyczącej płytek wzorcowych i ISO 1938 [12] dotyczącej sprawdzianów, nie powinny zawierać wartości liczbowych błędu granicznego dopuszczalnego MPE ani wartości

5 granicznych dopuszczalnych MPL. Wartości liczbowe MPE i MPL dla celów badań odbiorczych, ustala producent, a dla celów badań okresowych użytkownik. W wielu przypadkach wzorcowanie wybranych charakterystyk metrologicznych powinno być wykonane przy wystarczającej liczbie zróżnicowanych długości nominalnych i/lub położeń. I tak, np. w przypadku wyznaczania błędów wskazań suwmiarek badania wykonuje się przy użyciu kilku płytek wzorcowych. Odpowiednie dokumenty sugerowały używanie płytek (lub stosów płytek) wzorcowych o wymiarach niebędących pełnymi milimetrami, np. 41,3, 131,4, 243,5, 281,2 i 481,2 mm. Ponieważ składanie stosów płytek jest dość uciążliwe, niektórzy producenci płytek wzorcowych dostarczają płytki o takich właśnie wymiarach. Użycie wzorców stopniowych (rys. 1) ułatwia wzorcowanie suwmiarek (również w zakresie wymiarów wewnętrznych), a szczególnie wysokościomierzy suwmiarkowych (wzorzec można również postawić pionowo na płycie pomiarowej). Przedstawiony na rysunku wzorzec realizuje wymiary będące całkowitymi milimetrami (nawet dziesiątkami milimetrów). Niektórzy dostawcy (np. Rupac) dostarczają podobne wzorce o wymiarach niebędących pełnymi milimetrami, np. 10,00, 39,88, 69,76, 119,64, 169,52 219,40, 269,28 i 319,16 mm co jest bliższe dobrej praktyce pomiarowej. Rys. 1. Wzorzec stopniowy do sprawdzania suwmiarek W przypadku wyznaczania błędów wskazań przyrządów mikrometrycznych badania wykonuje się przy użyciu kilku lub nawet kilkunastu płytek wzorcowych (według [7] używano 5 płytek o wymiarach 5,12, 10,25, 15,37, 20,5 i 25 mm ale w innych krajach używano większej ich liczby, np. 10 płytek o wymiarach 2,5, 5,1, 7,7, 10,3, 12,9, 15,0, 17,6, 20,2, 22,8 i 25 mm). Z tego samego powodu co w przypadku suwmiarek, niektórzy producenci płytek wzorcowych dostarczają komplety płytek wzorcowych o takich właśnie wymiarach (rys. 2) oraz uchwyty do mocowania tych płytek w taki sposób by wzorcowanie było wygodniejsze. Rys. 2. Komplet płytek do wzorcowania mikrometrów

6 Spośród podstawowych, uniwersalnych przyrządów pomiarowych najwięcej problemów przy wyznaczaniu błędu wskazań pojawia się w przypadku czujników tarczowych mechanicznych, szczególnie tych o zakresie pomiarowym 10 mm. Odpowiednia procedura przewiduje 200 pomiarów (po 100, co 0,1 mm, w kierunku wskazań rosnących i następnie, po osiągnięciu górnej granicy zakresu pomiarowego, to samo w kierunku wskazań malejących). Opracowanie wyników polega na wyznaczeniu czterech błędów wskazań: w zakresie 1/10 obrotu wskazówki, w zakresie 1/2 obrotu wskazówki, w zakresie 1 obrotu wskazówki i w całym zakresie. Nawet jeśli dysponuje się programem komputerowym do opracowania wyników, wspomniane 200 wartości trzeba wpisać do komputera. Bardziej zaawansowane wyposażenie do wzorcowania czujników (rys. 3) umożliwia transmisję danych. Jednak nawet w takim przypadku, w odniesieniu do czujników analogowych, i tak pozostaje uciążliwość związana z dwustukrotnym, precyzyjnym doprowadzeniem do koincydencji wskazówki z kresą podziałki (wzorcowanie czujników cyfrowych przebiega w cyklu automatycznym). Rys. 3. Przyrząd do wzorcowania czujników o wysokim stopniu automatyzacji Sprzęt pomiarowy, a w szczególności sprzęt do GPS ma zwykle wiele charakterystyk [4]. Wpływ poszczególnych charakterystyk metrologicznych na niepewność pomiaru zależy od procesu pomiarowego. Znajomość wartości charakterystyk metrologicznych może być podstawą projektu procesu pomiarowego i wyboru sprzętu pomiarowego. Dość powszechną praktyką jest ograniczanie wzorcowania do wyznaczenia błędów wskazań lub innej równoważnej charakterystyki metrologicznej. Takie postępowanie nie jest właściwe. Na wyniki pomiaru mają wpływ również inne charakterystyki metrologiczne. Dla wcześniej wymienionych wzorców i przyrządów są to zwykle co najmniej: dla płytek wzorcowych odchyłki płaskości i odchyłki równoległości ale być może również współczynnik rozszerzalności cieplnej, stabilność wymiarowa czy odchyłki prostopadłości,

7 dla czujników tarczowych mechanicznych histereza błędu wskazania czy nacisk pomiarowy, dla przyrządów mikrometrycznych odchyłki płaskości i odchyłka równoległości powierzchni pomiarowych (w [7] używa się terminów odchylenie od płaskości i odchylenie od równoległości ), a może również nacisk pomiarowy, Ogólnie, przy wyborze charakterystyk do wzorcowania należy kierować się tymi samymi zasadami co przy tworzeniu budżetu niepewności pomiaru. Należy postawić sobie pytanie, które charakterystyki mają wpływ na niepewność pomiaru bowiem wartości tych charakterystyk, a także niepewność ich wyznaczenia będą stanowiły dane do budżetu niepewności Oględziny zewnętrzne Każda procedura (instrukcja) wzorcowania (sprawdzania) zaczyna się od oględzin zewnętrznych mających na celu upewnienie się czy wzorzec lub przyrząd nie jest uszkodzony, czy nie ma śladów korozji itp. Sprawdza się czy oznaczenia (kresy podziałki, opisy) są czytelne (nie uległy starciu), czy szczęki nie są namagnesowane itp. W czasie oględzin można również ocenić ślady zużycia, szczególnie powierzchni stykających się w czasie pomiaru z przedmiotem. W przypadku braku możliwości oceny liczbowej (pomiaru) lub w przypadku braku kryteriów oceny, decyzja o ewentualnym wycofaniu lub naprawy wyposażenia należy do osoby wykonującej wzorcowanie lub sprawdzenie. Na rysunku 4 pokazano przykłady nadmiernie długiego używania końcówek trzpienia czujnika. Rys. 4. Kuliste końcówki trzpienia pomiarowego czujnika: od lewej nowa i dwie nadmiernie zużyte W czasie oględzin zewnętrznych wykonuje się również czynności charakterystyczne dla konkretnych rodzajów przyrządów W przypadku płytek wzorcowych ocenia się czy powierzchnie pomiarowe nie są nadmiernie porysowane (przywieralność), czy nie mają śladów po uderzeniu. W przypadku suwmiarek sprawdza się czy przesuwanie suwaka odbywa się płynnie, bez zacięć, ale równocześnie czy istniejący luz nie jest nadmierny, a także czy zacisk działa prawidłowo.

8 3. BŁĘDY PRZY WZORCOWANIU UNIWERSALNEGO SPRZĘTU POMIAROWEGO Poniżej przedstawiono kilka częściej spotykanych błędów popełnianych przy wzorcowaniu (sprawdzaniu) uniwersalnych przyrządów pomiarowych. Przykład 1. Wzorcowanie czujnika tarczowego mechanicznego Czujniki są przyrządami pomiarowymi o zmiennym zerze i z tego powodu procedura wyznaczania błędów wskazań jest czasochłonna a jej wyniki wymagają specyficznego opracowania. Co oznacza pojęcie zmienne zero? Otóż czujniki używane są praktycznie zawsze w pomiarach różnicowych do zmierzenia, zwykle niewielkiej, różnicy miedzy znanym a nieznanym. Na przykład czujnik jako element składowy średnicówki jest przed użyciem zamontowany w taki sposób by wskazywał jakąś dowolną wartość w pobliżu środka swojego zakresu pomiarowego, a jego wskazanie zerowe jest ustawiane przez obrót tarczy w sytuacji, kiedy średnicówka jest wstawiona do otworu pierścienia wzorcowego o znanej średnicy. Następnie, po wstawieniu średnicówki do mierzonego otworu, z czujnika odczytuje się dodatnią lub ujemną wartość różnicy między średnicą otworu mierzonego i wzorcowego. Przy prawidłowym pomiarze różnica ta zwykle nie przekracza 0, 5 mm. Procedura wzorcowania musi dać informację o możliwych do popełnienia błędach pomiaru niezależnie od tego, w którym punkcie zakresu pomiarowego pomiar się rozpoczyna i w którym kończy. Dlaczego opracowanie wyników wzorcowania jest odnoszone do liczby obrotów (1/10 obrotu, 1/2 obrotu, 1 obrót) wskazówki czujnika? Po pierwsze dlatego, że przy wykorzystaniu mniejszego fragmentu zakresu pomiarowego błąd powinien być mniejszy niż przy wykorzystaniu większego zakresu. Po drugie, największy potencjalnie składnik błędu pomiaru czujnika tarczowego, pochodzi od odchyłki współśrodkowości środka tarczy z podziałką i osi obrotu wskazówki. Typowe uproszczenie procedury wzorcowania polega na tym, że zamiast 200 pomiarów błędów wskazania wykonuje się znacznie mniej, zwykle na samym początku zakresu pomiarowego kilka pomiarów z krokiem 0,1 mm ale pozostałe z krokiem znacznie większym. Przykład 2. Wzorcowanie mikrometru Wyznaczenie błędów wskazań mikrometru polega na pomiarze od kilku do kilkunastu płytek wzorcowych. Wyniki wzorcowania przedstawia się na wykresie błędów wskazań. Według wycofanej już PN-82/M [11] mikrometr można uznać za spełniający wymagania, jeżeli równocześnie spełnione są 3 warunki: żaden błąd wskazania nie przekracza wartości dopuszczalnej (zwykle 4 m), błąd wskazania zerowego nie przekracza wartości dopuszczalnej (zwykle 2 m), wykres błędów wskazań mieści się w pasie o szerokości nie przekraczającej wartości granicznej (zwykle 3 m) Po wykonaniu wzorcowania jest możliwa taka adiustacja (polegająca na zmianie błędu wskazania zerowego), żeby błąd wskazania w całym zakresie był możliwie mały. W wyniku tak wykonanej adiustacji błąd wskazania zerowego może wynosić w skrajnym przypadku +2 m lub -2 m (rys. 5).

9 Rys. 5. Wykres błędów wskazań mikrometru przed (1) i (2) po adiustacji Tak wykonana adiustacja często jest psuta przez użytkownika natychmiast po wypożyczeniu przyrządu. Użytkownik po stwierdzeniu, że wskazanie zerowe nie jest równe zeru zmienia ustawienie tego wskazania. Dodatkowo należy tu zauważyć, że ta ostatnia adiustacja jest wykonywana w warunkach znacznie gorszych niż ta właściwa wykonana w czasie wzorcowania. 4. PRZYRZĄDY SPECJALNE I USTAWIAKI Jako przyrządy stanowiskowe, ale również jako wyposażenie pomiarowe stosowane w kontroli wyrobu gotowego często stosuje się przyrządy specjalne czujnikowe (rys. 6). Przyrządy tego typu wymagają dysponowania przedmiotem wzorcowym. Jako przedmiot wzorcowy używany jest przedmiot o postaci identycznej lub zbliżonej do produkowanych wykonany z bardziej stabilnego materiału. Powierzchnie tego przedmiotu w okolicy punktów pomiarowych mają zwykle małe odchyłki kształtu i chropowatość powierzchni a wymiary tego przedmiotu nie powinny się znacząco różnić od wymiarów nominalnych (odchyłki równe zeru). Przy użyciu przedmiotu wzorcowego ustawia się wskazania zerowe czujników. Po wyjęciu przedmioty wzorcowego i wstawieniu przedmiotu do pomiaru odczytuje się wskazania czujników, które są albo posłużą do obliczenia odchyłek wymiarów lub innych charakterystyk geometrycznych mierzonego przedmiotu. Rys. 6. Przyrząd czujnikowy (przykład)

10 Jako przedmiot wzorcowy może być użyty jeden z wyprodukowanych przedmiotów, pod warunkiem, że zostanie odpowiednio oznaczony i wcześniej dokładnie zmierzony (wywzorcowany). Zwykle wymiary tego przedmiotu odbiegają od nominalnych, w związku z czym czujniki nie są ustawiane na zero tylko na wartości wynikające ze świadectwa wzorcowania. W niektórych rozwiązaniach przyrządów specjalnych, ze względu na złożony kształt przedmiotu, końcówki czujników nie dotykają bezpośrednio powierzchni przedmiotu istnieją elementy pośredniczące, na przykład dźwignie (zwykle o przełożeniu 1:1). Zastosowanie takich rozwiązań wprowadza dodatkowe źródła błędów i poważne problemy w zakresie nadzorowania, bowiem: wprowadzenie dźwigni zmienia znak wskazania czujnika na przeciwny, a przełożenie różne od 1:1 wymaga przeliczania wskazań, w czasie użytkowania zużywają się nie tylko końcówki czujnika ale również powierzchnie elementów stykających się z przedmiotem i końcówkami czujnika, skutki zużywania się różnych powierzchni przyrządu mogą mieć większy lub mniejszy wpływ na wyniki pomiarów. Na rys. 7 pokazano przykład zużytego elementu przyrządu czujnikowego pryzmę stanowiącą bazę dla przedmiotu typu wałek. Rys. 7. Nadmierne zużycie elementów (wałeczków) pryzmy stanowiącej bazę pomiarową w przyrządzie czujnikowym do pomiaru elementów typu wałek 5. SPRAWDZIANY Ważną grupę wyposażenia pomiarowego stanowią sprawdziany. Najprostszą postać mają sprawdziany tłoczkowe do otworów (rys. 8). Znacznie bardziej złożony kształt mają sprawdziany do wałków (pierścieniowe lub szczękowe), sprawdziany do gwintów (rys. 9), czy wreszcie sprawdziany kształtu, np. prostoliniowości osi (rys. 10), kierunku, np. prostopadłości osi do

11 płaszczyzny (rys. 11), czy położenia, np. współosiowości (rys. 12) czy pozycji osi otworów (rys. 13). Rys. 8. Sprawdzian jednostronny, tłoczkowy, przechodni do otworów (przykład) Rys. 9. Sprawdzian dwustronny, tłoczkowy, do otworów gwintowanych Rys. 10. Sprawdzian prostoliniowości osi otworu Rys. 11. Sprawdzian prostopadłości osi otworu do płaszczyzny Rys. 12. Sprawdzian współosiowości osi dwóch otworów

12 Rys. 13. Sprawdzian pozycji osi otworów Tolerancje wykonania sprawdzianów bardzo małe, ponieważ zgodnie z obowiązującą w metrologii zasadą są one rzędu 0,1-0,2 tolerancji sprawdzanej charakterystyki geometrycznej. Wzorcowanie (sprawdzanie okresowe) sprawdzianów powinno być wykonywane za pomocą przyrządów laboratoryjnych, takich jak długościomierz, optimetr (lub inny dokładny czujnik), płytki wzorcowe, a w przypadkach bardziej złożonych bardzo dokładna współrzędnościowa maszyna pomiarowa. Przykład poprawnego wzorcowania (sprawdzania) sprawdzianu szczękowego pokazano na rys. 14. Rys. 14. Wzorcowanie sprawdzianu szczękowego (1), dwugranicznego, do wałków, za pomocą płytek wzorcowych (3) i wałeczków pomiarowych (2) Do wzorcowania użyto płytki wzorcowe i komplet wałeczków pomiarowych, składający się z wałeczków pomiarowych o wymiarach w okolicach wartości 5 mm (rys. 15). Użycie wałeczków ułatwia wykonanie wzorcowania, ponieważ do pomiaru wystarczy złożyć tylko jeden stos płytek o długości różnej od wymiaru sprawdzianu o ok. 5 mm. Użycie wałeczków pozwala, oprócz pomiaru rozstawienia szczęk (wymiar), na pomiar odchyłki równoległości szczęk [13]. Dość częstą, niewłaściwą praktyką jest używanie do wzorcowania (sprawdzania) sprawdzianów tłoczkowych mikrometru, lub (w najlepszym przypadku) transametru i płytek wzorcowych.

13 Rys. 15. Wałeczki pomiarowe do wzorcowania sprawdzianów szczękowych 6. NADZOROWANIE WSPÓŁRZĘDNOŚCIOWYCH MASZYN POMIAROWYCH Obecnie podstawowym rodzajem wyposażenia pomiarowego dla szeroko rozumianego przemysłu budowy maszyn, a szczególnie dla przemysłu samochodowego i lotniczego są współrzędnościowe maszyny pomiarowe. Liczba i różnorodność urządzeń służących do pomiarów współrzędnościowych ciągle jeszcze gwałtownie rośnie. Maszyny pomiarowe wypierają z użycia przyrządy specjalne. Według podstawowej procedury podanej w ISO :2010 [14] błędy wskazań współrzędnościowych maszyn pomiarowych wyznacza się dla 5 różnych długości i 7 różnych orientacji wzorców (płytek wzorcowych lub wzorców stopniowych) w przestrzeni pomiarowej, przy różnych długościach i orientacjach trzpienia pomiarowego (rys. 16). Rys. 16. Wzorzec stopniowy w uchwycie umożliwiającym różne ustawienia w przestrzeni pomiarowej

14 Przy użyciu kul wzorcowych (rys. 17) wyznaczane są błędy głowicy (dla różnych trybów pracy maszyny pomiarowej) Informacje dotyczące wyznaczanie niepewności pomiaru przy wzorcowaniu można znaleźć m.in. w [15]. Rys. 17. Kula wzorcowa do wyznaczania błędu głowicy Inne błędy specyficzne dla różnych rozwiązań konstrukcyjnych maszyn i innych współrzędnościowych systemów pomiarowych, jak np. ramiona pomiarowe, laser-trackery, tomografy itp., a także sposoby ich wyznaczania podawane są w [16-20]. Do bieżącego sprawdzania maszyn pomiarowych mogą być przydatne takie uniwersalne wzorce jak pierścienie wzorcowe czy kątownik walcowy (rys. 18), wzorce zaprojektowane z myślą o współrzędnościowych maszynach, jak wzorce prętowe (rys. 19), wzorce płytowe (rys. 20), wzorce przestrzenne (rys. 21), czy wreszcie przedmioty wzorcowe, które mogą również posłużyć do eksperymentalnego wyznaczania niepewności pomiarów współrzędnościowych [21-25], jak np. multi-feature check (rys. 22) [26]. Rys. 18. Kątownik walcowy

15 Rys. 19. Wzorzec prętowy Rys. 20. Wzorzec płytowy z kulami Rys. 21. Wzorzec przestrzenny z kulami

16 Rys. 22. Multi-feature check [26] Przy wzorcowaniu maszyn pomiarowych należy również pamiętać o oględzinach zewnętrznych maszyny i jej wyposażenia. Na rys. 23 pokazano przykład uszkodzenia mechanicznego końcówki trzpienia pomiarowego. Spotyka się również przypadki starcia powierzchni końcówek. Rys. 23. Uszkodzenie mechaniczne (wykruszenie) końcówki trzpienia pomiarowego 7. NADZOROWANIE SPECYFICZNEGO (SPECJALISTYCZNEGO) WYPOSAŻENIA POMIAROWEGO Pod pojęciem specyficznego rozumie się tutaj wyposażenie do pomiaru chropowatości powierzchni, odchyłek geometrycznych (np. okrągłości i walcowości), kół zębatych, gwintów itp. W takich przypadkach oprócz zwykle drogich wzorców potrzebna jest również specjalistyczna wiedza. Poniżej podano przykłady wzorców chropowatości powierzchni (rys. 24) oraz linii zęba (koła zębatego) (rys. 25). Rys. 24. Wzorzec chropowatości powierzchni (przykład)

17 Rys. 25. Wzorzec linii zęba (koła zębatego); zawiera trzy wzorcowe powierzchnie: jedną o kącie 0 i po jednej o nachyleniu lewym i prawym 8. KTO POWINIEN WYKONYWAĆ WZORCOWANIA (SPRAWDZENIE)? Systemy zarządzania jakością dopuszczają wykonywanie wzorcowania we własnym zakresie. Oczywiście konieczne jest posiadanie i regularne wzorcowanie koniecznych wzorców i dysponowanie wykwalifikowanym personelem. Te, niekiedy dość trudne do spełnienia i kosztowne warunki skłaniają do korzystania z usług firm zewnętrznych. W takim przypadku właściwe jest korzystanie z usług laboratoriów wzorcujących posiadających akredytację. Korzystanie z usług producenta wyposażenia pomiarowego budzi zawsze wątpliwości co do mającego miejsce konfliktu interesów i powinno być brane pod uwagę jako ostateczność. (W ISO/TS (2009) [27] w punkcie (Laboratorium zewnętrzne) znajdujemy uwagę: Jeżeli brak jest kwalifikowanego laboratorium dla danego elementu wyposażenia, usługi wzorcowania mogą być wykonane przez producenta wyposażenia ). 9. WZORCOWANIE PRZED I PO ADJUSTACJI Żeby być w zgodzie z zasadami zarządzania jakością, (a w szczególności z zapisem w ISO 9001 [1]: Dodatkowo, gdy wyposażenie okaże się niezgodne z wymaganiami, organizacja powinna ocenić i zapisać wiarygodność wcześniejszych wyników pomiarów. Organizacja powinna podjąć odpowiednie działania w odniesieniu do wyposażenia i wszystkich wyrobów, na które niezgodność miała wpływ. ), przed wzorcowaniem nie powinno się wykonywać żadnych czynności, które mogą spowodować zmianę wyników wzorcowania, tzn. czyszczenia, konserwacji, a szczególnie adiustacji. Gdyby bowiem okazało się, że wyposażenie skierowane do wzorcowania jest niezgodne z wymaganiami, wyniki obrazujące stan ego wyposażenia mogą być potrzebne do podjęcia stosownych działań. Z drugiej strony wiadomo, że przy okazji wzorcowania warto wykonać różne czynności (w szczególności adiustacje), które mogą poprawić stan wyposażenia. Warto więc rozważyć możliwość wykonania (szczególnie tam i wtedy kiedy jest to ważne) wzorcowania przed i po adiustacji. (W ISO [28] w punkcie jest następujące zalecenie: Jeżeli przyrząd w trakcie wzorcowania był adiustowany lub naprawiany, należy podać, jeżeli są dostępne, wyniki wzorcowania przed adiustacją lub naprawą i po nich. ).

18 10. PODSUMOWANIE Problematyka nadzorowania wyposażenia pomiarowego obejmuje zagadnienia o charakterze technicznym (metrologicznym) i organizacyjnym żadnego z nich nie należy lekceważyć. W ostatnim czasie prowadzone są intensywne prace normalizacyjne w zakresie GPS jest nadzieja, że wiele wątpliwości i niejednoznaczności zostanie dzięki temu usuniętych. Literatura [1] PN-EN ISO 9001:2009 Systemy zarządzania jakością. Wymagania [2] PN-EN ISO 10012:2004 Systemy zarządzania pomiarami. Wymagania dotyczące procesów pomiarowych i wyposażenia pomiarowego [3] PN-EN ISO 9000:2006 Systemy zarządzania jakością. Podstawy i terminologia [4] PN-EN ISO 14978:2007 +AC:2009 Specyfikacje geometrii wyrobów (GPS). Pojęcia ogólne i wymagania dotyczące sprzętu pomiarowego do GPS [5] PN-IEC :2000 Międzynarodowy słownik terminologiczny elektryki. Terminy ogólne dotyczące pomiarów w elektryce. Przyrządy pomiarowe elektryczne. Przyrządy pomiarowe elektroniczne [6] PKN-ISO/IEC Guide 99:2010 Międzynarodowy słownik metrologii. Pojęcia podstawowe i ogólne oraz terminy z nimi związane (VIM) [7] Dziennik Urzędowy Miar i Probiernictwa, nr 12, Warszawa, 20 maja 1996 [8] PN-EN ISO :2003 Specyfikacja geometrii wyrobów (GPS). Badania odbiorcze i okresowe współrzędnościowych maszyn pomiarowych (CMM). Część 1: Terminologia [9] PN-EN ISO 3650:2000 Specyfikacje geometrii wyrobów (GPS). Wzorce długości. Płytki wzorcowe [10] PN-EN ISO 463:2007 +AC 2008 Specyfikacje geometrii wyrobów (GPS). Sprzęt pomiarowy do wymiarów. Charakterystyki konstrukcyjne i metrologiczne czujników tarczowych mechanicznych [11] PN-82/M Narzędzia pomiarowe. Przyrządy mikrometryczne. Wymagania. [12] ISO/DIS Geometrical product specifications (GPS). Dimensional measuring equipment. Part 1: Plain limit gauges of linear size [13] JAKUBIEC W., MALINOWSKI J.: Metrologia wielkości geometrycznych, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2007 [14] PN-EN ISO :2010 Specyfikacje geometrii wyrobów (GPS). Badania odbiorcze i okresowe współrzędnościowych maszyn pomiarowych (CMM). Część 2: CMM stosowane do pomiaru wymiarów (oryg.) [15] ISO/TS 23165:2006 Geometrical Product Specifications (GPS). Guidelines for the evaluation of coordinate measuring machine (CMM) test uncertainty [16] PN-EN ISO :2002 Specyfikacja geometrii wyrobów (GPS). Badania odbiorcze i okresowe współrzędnościowych maszyn pomiarowych (CMM). Część 3: CMM z osią stołu obrotowego jako czwartą osią [17] PN-EN ISO : AC Specyfikacja geometrii wyrobów (GPS). Badania odbiorcze i okresowe współrzędnościowych maszyn pomiarowych (CMM). Część 4: CMM stosowane w trybie pomiaru skaningowego [18] PN-EN ISO :2010 Specyfikacje geometrii wyrobów (GPS). Badania odbiorcze i okresowe współrzędnościowych maszyn pomiarowych (CMM). Część 5: CMM z zespołem głowic pomiarowych stykowych jedno i wielotrzpieniowych (oryg.)

19 [19] PN-EN ISO : AC Specyfikacje geometrii wyrobów (GPS). Badania odbiorcze i okresowe współrzędnościowych maszyn pomiarowych (CMM). Część 6: Szacowanie błędów przy wyznaczaniu elementów skojarzonych metodą najmniejszych kwadratów (Gaussa) [20] PN-EN ISO :2011 Specyfikacje geometrii wyrobów (GPS). Badania odbiorcze i okresowe współrzędnościowych maszyn pomiarowych (CMM). Część 7: CMM wyposażone w zespół głowicy pomiarowej z urządzeniem tworzącym obraz (oryg.) [21] PN-EN ISO :2011 Specyfikacje geometrii wyrobów (GPS). Współrzędnościowe maszyny pomiarowe (CMM): Technika wyznaczania niepewności pomiaru. Część 3: Zastosowanie wyrobów wzorcowanych i wzorców (oryg.) [22] ISO/TS :2008: Geometrical Product Specifications (GPS). Coordinate measuring machines (CMM): Technique for determining the uncertainty of measurement. Part 4: Evaluating task-specific measurement uncertainty using simulation [23] JAKUBIEC W., PŁOWUCHA W.: Wyznaczanie niepewności pomiarów współrzędnościowych. Cz. 1: Podstawy teoretyczne. Mechanik nr 5-6/2012, s [24] JAKUBIEC W., PŁOWUCHA W.: Wyznaczanie niepewności pomiarów współrzędnościowych. Cz. 2: Oprogramowanie EMU. Mechanik nr 7/2012, s [25] JAKUBIEC W., PŁOWUCHA W., STARCZAK M.: Analytical estimation of coordinate measurement uncertainty. Elsevier Measurement Vol. 45, Issue 10/2012 p , DOI: /j.measurement [26] DISCHER CH., HAGENEY T.: Determination of measuring uncertainty with the multifeature-check, Innovation (The Magazine from Carl Zeiss) no. 10/2008, s. 8 [27] ISO/TS 16949:2009 Quality management systems. Particular requirements for the application of ISO 9001:2008 for automotive production and relevant service part organizations [28] PN-EN ISO/IEC 17025: 2005 Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujących CHOSEN METROLOGICAL ASPECTS OF MONITORING OF MEASURING EQUIPMENT USED FOR VERIFICATION OF GPS Abstract Various documents relating to the control of the measuring equipment used for the measurement of dimensions, geometric tolerances and surface roughness were discussed. The current status of the standardization is presented. An analysis of the used terminology is carried out. The calibration of basic measuring instruments was considered. Examples of major mistakes made during calibration are presented.