Skopal, M. J. Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality. Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Mobilní Zkušebna Délkoměrů a výrobních Strojů. Anotace: Cílem přednášky je souhrnná informace o problematice návaznosti jedno-, dvou- a třídimenzionálních měřidel a strojů a jejím dokladování v oboru jednotky délky, metr. Přednáška je postavena na dlouholetých praktických zkušenostech jak s uživateli vyjmenovaných objektů, tak s trendy, které jsou vynuceny požadavky kvality výroby a interních i externích auditorů jakosti. V neposlední řadě bude diskutována problematika pojmu kalibrace měřidel, kalibračních listů a nejistot v návaznosti na novou terminologii dle VIM 3, který nahradí VIM 2 (u nás zaveden v ČSN 01 0115). VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 1 z 34
Měřidla a měřicí systémy v oboru základní veličiny délka jednotka metr Realizace jednotky délky Koncová měrka Čárková míra Stupňová měrka Čárkové měřítko Komunální měřidla (posuvka, mikrometr, kalibry, ) Jednodimenzionální délkoměry (vodorovné i svislé) Dvoudimenzionální měřicí systémy (mikroskop, kruhoměr, profilometr, ) Třídimenzionální měřicí systémy souřadnocové měřicí stroje (CMM) Třídimenzionální výrobní systémy (obráběcí stroje, ) VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 2 z 34
Měřicí zařízení je dle blokového schématu složitý přístroj a v systému kvality by měla být jeho návaznost verifikována (ověřena) jako celek včetně všech složek: hardware, PC a software, používaných pracovních etalonů a v neposledním operátora S O U Ř A D N Ý S Y S T É M Měřicí systém Snímací systém P E R I F E R I E I N D I K A C E - T I S K Řídící Systém PC Operační Systém Výpočetní systém M Ě Ř I C Í Z A Ř Í Z E N Í M Ě Ř I D L O M Ě Ř I C Í S Y S T É M (hardware měřidla měřicího systému) O P E R Á T O R - M E T R O L O G VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 3 z 34
Snímací systémy součást hardware měřidla Pravítko (ocelové měřítko, svinovací metr) posuvka, mikrometr a ostatní komunální měřidla VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 4 z 34
VIM 2 (ČSN 01 0115:1995) Terminologie je základem pro dorozumění ve všech odvětvích vědy a techniky; každý termín musí mít pro všechny uživatele tentýž význam, musí být dobře definován a také by neměl být v rozporu s terminologií, kterou běžně používají pracovníci v daném oboru. Takové zásady platí v metrologii více, než v jiných oborech. Za účelem řešení této problematiky na mezinárodní úrovni byla sestavena pracovní skupina odborníků jmenovaných mezinárodními organizacemi ISO, IEC, BIPM, IFCC, IUPAC, IUPAP a OIML a současně také ILAC VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 5 z 34
Kalibrace dle VIM 2 6.11 kalibrace Calibration, etalonnage, Kalibrieren soubor úkonů, kterými se stanoví za specifikovaných podmínek vztah mezi hodnotami veličin, které jsou indikovány měřicím přístrojem nebo měřicím systémem nebo hodnotami reprezentovanými ztělesněnou mírou nebo referenčním materiálem a odpovídajícími hodnotami, které jsou realizovány etalony POZNÁMKY 1 Výsledek kalibrace dovoluje buďto přiřazení hodnot měřené veličiny k indikacím nebo stanovení korekcí ve vztahu k indikacím. 2 Kalibrací se mohou rovněž stanovit jiné metrologické vlastnosti, např. účinek ovlivňujících veličin. 3 Výsledek kalibrace může být zaznamenán v dokumentu, který bývá někdy nazýván kalibrační certifikát nebo protokol o kalibraci. VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 6 z 34
Kalibrace dle VIM 3 2.39 kalibrace činnost, která za specifikovaných podmínek, v prvním kroku stanoví vztah mezi hodnotami veličiny s nejistotami měření poskytnutými etalony a odpovídajícími indikacemi s přidruženými nejistotami měření a, ve druhém kroku, použije tyto informace ke stanovení vztahu pro získání výsledku měření z indikace POZNÁMKA 1 Kalibrace smí být vyjádřena údajem, kalibrační funkcí, kalibračním diagramem, kalibrační křivkou nebo kalibrační tabulkou. V některých případech se smí skládat z aditivních nebo multiplikativních korekcí indikace s přidruženou nejistotou měření. POZNÁMKA 2 Kalibrace nemá být zaměňována s justováním měřicího systému, často mylně nazývané samokalibrací ani s ověřením kalibrace. POZNÁMKA 3 Samotný první krok ve výše uvedené definici je často chápán jako kalibrace. Překladatel by měl přeložit nejen samotný text, ale i význam a jak to autor myslel v normalizaci se ale klade hlavní důraz na doslovnost překladu. (příklad pojmů chyba, odchylka a úchylka každý pojem má jiný význam a nejsou to synonyma) VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 7 z 34
Pokus o zprůhlednění definice: 2.39 kalibrace činnost, která za specifikovaných podmínek, v prvním kroku stanoví vztah mezi hodnotami veličiny s nejistotami měření poskytnutými etalony a odpovídajícími indikacemi s přidruženými nejistotami měření a, ve druhém kroku, použije tyto informace ke stanovení vztahu pro získání výsledku měření z indikace VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 8 z 34
Diskuse poznámek k definici kalibrace POZNÁMKA 1 Kalibrace smí být vyjádřena údajem, kalibrační funkcí, kalibračním diagramem, kalibrační křivkou nebo kalibrační tabulkou. V některých případech se smí skládat z aditivních nebo multiplikativních korekcí indikace s přidruženou nejistotou měření. Kalibrační list není přímo požadován POZNÁMKA 2 Kalibrace nemá být zaměňována s justováním měřicího systému, často mylně nazývané samokalibrací ani s ověřením kalibrace. Justování měřicího systému tedy kalibrace není Co je ale pak justování měřicího systému? Pod pojmem justování si lze představit poklepávání kladívkem, např. při justování optických soustav, nebo točení nějakým kolečkem. Mohli bychom dnes pod pojmem justování rozumět zadávání korekčních map počítačem řízeného CNC, nebo i manuálně ovládaného, měřicího systému? Ale tahle činnost právě splňuje novou definici kalibrace: Na základě provedených měření pracovních etalonů v prvním kroku jsou do software zapsány korekční hodnoty, které pak jsou základem získání výsledku měření z indikace ve druhém kroku. POZNÁMKA 3 Samotný první krok ve výše uvedené definici je často chápán jako kalibrace. Připouštím, že tato poznámka může mít dvojí, rozdílný výklad: buď můžeme za kalibraci považovat již jen první krok anebo spíše právě naopak je poznámkou zdůrazněno, že samotný první krok činností kalibrace není. VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 9 z 34
Jestliže metrologická činnost za účelem realizace a dokladování návaznosti měřidla či měřicího systému v oboru jednotky délky, metr, nesplňuje do důsledku definici kalibrace (nelze ve druhém kroku na základě údajů v dokladu provést korekci indikace za účelem získání výsledku měření), neměla by tato činnost být dokladována kalibračním listem a auditoři by neměli striktně požadovat předložení KL. Příklad: Zkouška souřadnicových měřicích strojů podle ČSN EN ISO 10360-2 nám dává informaci o tom, že předmětný měřicí systém s jistou pravděpodobností splňuje nebo nesplňuje specifikované parametry na základě měření v prvním kroku. Nelze však realizovat druhý krok; tj. korigovat kteroukoliv zjištěnou indikaci tak, abychom mohli stanovit výsledek měření diskrétní délky, či složitějšího prvku. V případě prokázání shody se specifikací lze výsledek zkoušky použít pouze při rozpočtu nejistoty našich měření jako jednu ze složek kombinované nejistoty měření a následně k získání rozšířené nejistoty dle vztahu Komunální měřidla U = k x uc VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 10 z 34
1D měření globální metoda (použití této metody je z metrologického hlediska správnější, protože navozuje způsob použití nevýhodou je omezení v kroku) VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 11 z 34
1D měření chyba polohování laserovým interferometrem (snímací systém není při kalibraci zahrnut a získáváme informaci jen o zabudovaném měřítku) VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 12 z 34
1D měření chyba polohování laserovým interferometrem (s umístěním reflektoru vznikají problémy zde na druhé straně měřítka) VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 13 z 34
Umístění reflektoru laserového interferometru a jeho hmotnost Největší problém vzniká s umístěním reflektoru laserového interferometru a snímací systém je vyřazen z funkce. U CMM je umístění reflektoru prakticky nemožné na samotný snímací systém VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 14 z 34
Příklad dokladu o kalibraci laserovým interferometrem ve směru jedné osy Specifikace o metodě: Měření bylo zrealizováno podle směrnice VDI 2617 a Technických předpisů laboratoře MZDS ve třech cyklech obousměrně lineárním způsobem. Výsledky jsou uvedeny v tabulce ve formě odhadů systematických chyb pro jednotlivé polohy jako střední hodnota ze šesti dílčích výsledků měření a s nulovou hodnotou v počátku souřadnic; v souladu s terminologií podle ČSN 01 0115:1996 Mezinárodní slovník základních a všeobecných pojmů v metrologii, podle které je odhad systematické chyby brán jako výsledek měření (údaj indikace délkoměru) mínus konvenčně pravá hodnota měřené veličiny (údaj LI). Pro automatickou korekci výsledku elektronickou jednotkou LI na reálné podmínky měření byl použit koeficient roztažnosti materiálu α = 11,7.10-6 K -1. Úplný výsledek kalibrace v jednotlivých polohách ve směru os měření je dán součtem příslušné hodnoty odhadu systematické chyby dle tabulek na další straně a příslušné nejistoty měření dle vztahu: ( y ) y ± xi = xi U Některé výpočetní programy špatně interpretují definici chyby anebo zpracovatel použije špatný způsob softwarového vyhodnocení. Pokud kalibrační list slouží jen k odhadu složky nejistoty použitého měřidla bez další korekce, nebo dokonce jen k tomu, aby byl tento doklad předložen při auditu, pak je to jedno. Použijeme-li však hodnoty dle kalibračního listu při korekci našich následných měření, dopouštíme se dvojnásobné systematické chyby. Dokonce se také stává, že jedna jmenovitá délka při kalibraci CMM za použití laserového interferometru a současně koncových měrek, má stejnou absolutní velikost systematických chyb; jen s opačnými znaménky,. i µm VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 15 z 34
VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 16 z 34
VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 17 z 34
Pravítko přímosti ke korekci z KL je třeba grafická interpretace VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 18 z 34
Vyhodnocení rovinnosti metodou síť Grafika pravoúhlá sít ZKL Brno, Výzkum Grafika pravoúhlá sít Objekt:Zulová deska No. :MZDS 05 / 2005 Datum :18:20 Dec 11 2007 Supp. :MZDS - dr. Skopal Vyroba:Prumysl kamene D. Pozn. :1500 x 900 mm Chyba prop: 2.170 Rovinnost : 19.238 Jednotka : µm VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 19 z 34
Vyhodnocení rovinnosti metodou anglická vlajka Grafika anglická vlajka ZKL Brno, Výzkum C D B A E H F G Grafika vlajka Objekt:Zulová deska No. :MZDS 05 / 2005 Datum :16:40 Dec 11 2007 Supp. :MZDS - dr. Skopal Vyroba:Prumysl kamene D. Pozn. :1500 x 900 mm Linie 7 : 0.862 Linie 8 : 1.612 Rovinnost : 19.579 Jednotka : µm VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 20 z 34
Úhel, vyjádřený pomocí jednotky délky 1 rad úhel pro délku oblouku 1 v jednotkové kružnici (m/m) 1 µrad = 1 µm / m, což přibližně je 0,2 tg (0,000 001 / 1) Úhloměrné, resp. výškoměrné metody měření přímosti a rovinnosti, kde jednotka indikace je µm/m, resp. µm (problematika na samostatný seminář) VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 21 z 34
3D měřicí systémy souřadnicové měřicí stroje (dle blokového schématu aktivně zastoupeny všechny složky význam má zkouška jako celek) VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 22 z 34
VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 23 z 34
VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 24 z 34
VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 25 z 34
E [um] 6,0 Chyba měření rozměru podle ČSN EN ISO 10360-2:2002 3,0 0,0-3,0-6,0 0 100 200 300 400 500 600 700 Rozměr L [mm] VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 26 z 34
VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 27 z 34
Specifikace dodavatele CMM, na základě které je měřicí systém dodáván, bývá s dostatečnou rezervou v relaci s výrobními požadavky uživatele E [um] 15,0 10,0 5,0 0,0-5,0 Chyba měření rozměru podle ČSN EN ISO 10360-2:2002-10,0 (dodavatelé zatím nejistotu zohledňují jen zřídka) -15,0 0 250 500 750 1 000 Rozměr L [mm] VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 28 z 34
Vzorec pro MPEE upraven uživatelem v relaci s reálnýmy požadavky výroby Posloupnost GPS: Konstrukce Technická příprava Výroba Metrologie Zákazník E [um] 21,0 14,0 7,0 0,0-7,0-14,0-21,0 Chyba měření rozměru podle ČSN EN ISO 10360-2:2002 0 250 500 750 1 000 Rozměr L [mm] VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 29 z 34
Některé poznámky k odhadu nejistoty při zkoušce CMM: Zkouška dle ČSN EN ISO 10360-2:2005 je předepsána jako soubor minimálně 105 dílčích měření (7 orientací, 5 délek a každá 3x) nelze tedy korektně počítat složku nejistoty způsobem A, protože právě pouze trojice měření diskrétní délky v diskrétním směru v prostoru CMM jsou realizovány za podmínek opakovatelnosti. Nepominutelnou složkou kombinované nejistoty je nejistota návaznosti použitých pracovních etalonů. Rozšířená nejistota U tedy nemůže být menší, než tento údaj. Pracovní etalony při zkoušce mají nejistotu v KL uvedenu v relaci s laboratorními podmínkami měření v metrologické laboratoři (zpravidla ČMI), kdežto na pracovišti CMM bývají podmínky většinou horší. Nejistota použitých pracovních etalonů a podmínky v laboratoři jsou rozhodující při odhadu složek kombinované nejistoty měření. Ostatní složky zpravidla nemají takový přínos; a pokud ano, tak při současných přísných specifikovaných parametrech přesnosti CMM nelze shodu mnohdy ani prokázat. V následujícím jsou uvedeny příklady monitorování klima v laboratoři: VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 30 z 34
Příklad přirozené klimatizace není-li gradient teploty v čase příliš velký, lze ji z metrologického hlediska považovat za nejvhodnější; i když není 20 C VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 31 z 34
Příklad nevhodné klimatizace gradient teploty v čase je velký a s malou periodou, malé prostory a nízký strop rovněž klima zhoršují (gradient teploty v prostoru) VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 32 z 34
Příklad drsné klimatizace na některých pracovištích je klimatizace mimo pracovní dobu vypínána, nebo dokonce zapnuta až před příchodem auditora VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 33 z 34
Realizace metru Komunální měřidla (kalibry, posuvky, mikrometry, ) 3D měřicí systém souřadnicový měřicí stroj CMM Koncová měrka Čárková míra Stupňová měrka Čárkové měřítko 1D a 2D měřicí systémy (lineární délkoměry a výškoměry, mikroskopy, jednoúčelové měřicí systémy kruhoměry, profiloměry, ) Výrobek Někde v této oblasti je hranice současných možností realizace kalibrace podle definice, čili nejen činnost měření, ale i možnost použití těchto informací ke stanovení vztahu pro získání výsledku měření z indikace Kalibrujeme Zkoušíme VUT v Brně, 10. září 2008 Návaznost měřidel a strojů v oboru délka v systému kvality Folie 34 z 34