Stiller GPS nye krav til måleprocessen 1 JA!!! - GPS (GPS-matrix systemet) stiller helt nye krav til måleteknikken, som ikke har eksisteret før og GPS gentager og forstærker andre gamle krav til måleteknikken med ny styrke Først - hvad er GPS egentlig og hvad er forskellen fra tidligere - tidligere er for bare 10 år siden GPS er blot en videreudvikling af den go e gamle tolerancesætning og den måleteknik der hører til, men hele ideen bag GPS er at gøre hele tolerancesætningen på tegningen til eet stort integreret system med fælles regler. Et system bestående af dimensionskrav, geometriske tolerancer, overfladeteksturkrav, krav til kanter, mv. Et sytem, der kan: - Gøre tolerancesætningen (mere) entydig ved at gøre definitionerne af tolerancesymbolerne entydige på det virkelige emne - dvs med mindre specifikationsusikkerhed. - Udtrykke flere detaljer i kravene til emnernes geometri. - Komme tættere på at simulere emnets funktioner med tolerancesætningen - dvs medføre mindre korrelationsusikkerhed. - Integrere hele metrologien og kravene til måleprocessen i tolerancekravet på tegningen - bl.a ved hjælp af dualitetsprincippet, operatorprincippet, måleusikkerhedsprincippet, mv. GPS udviklingen er sat i gang som en nødvendighed, fordi: - Der er blevet brug for strammere regler for både tolerancesætning og verifikation. Tiden er løbet fra den gamle løse måde at tolerancesætte og verificere på. - Globalisering og stadig stigende brug af underleverandører kræver mere præcise tolerancedefinitioner for at kunne lykkes. - Mindre tolerancer, mere komplicerede emner, mere avancerede emnefunktioner og behov for forudsigelige levetider for produktet stiller krav om mere præcise og langt mere detaljerede og varierede toleranceangivelser og dertil hørende målemetoder. GPS er indført gradvist over de sidste 10 år som internationale og nationale mere præcise/entydige regler for betydningen af tolerancesætning og måling. Udviklingen af GPS vil fortsætte gradvis de næste mange år. GPS var anderledes for eet år siden end GPS er i dag og GPS vil til næste år igen være anderledes og mere udviklet. Den statiske situation i tolerancesætning og tilhørende måleteknik som var reglen før midten af 1990'erne eksisterer ikke mere. Nu er vi i en dynamisk udvikling, hvor nye regler kommer til hurtigt og hele tiden. Tabel 1 viser tydeligt denne ændring fra et fuldkommen statisk system til et system der udvikles. Tabel 1 Oversigt over antallet af regelbærende GPS-standarder på forskellige tidspunkter GPS område 1930-1965 1975 1990 2002 2004/5 Totalt antal standarder 6 11 22 52 > 85 Der mangler stadig væsentlige byggesten i GPS-systemet, men vi ved, hvad vej det går, og vi kender allerede mange af de regler som mangler, og som vil blive en del af mulighederne og af kravene i hverdagen i de kommende år. Så gå bare i gang. GPS systemet indebærer mange muligheder og vil generelt medføre større tolerancer på tegningen og endda være i stand til at give bedre og billigere produkter med samme eller bedre emnefunktioner end det gamle system. Men GPS kræver en langt større viden og kendskab til systemet, end vi har været vant til, for at opnå fordelene.
Også andre nye aktiviteter i forbindelse med styring af emnekvaliteten stiller øgede krav til både tolerancesætningens entydighed og måleteknikken både direkte og indirekte. Kapabilitet er et sådant eksempel. Brug af gammeldags tolerancesætning, der har stor specifikationsusikkerhed, medfører automatisk at der skal angives mindre tolerancer på tegningen. Tolerancen angivet på tegningen er ganske enkelt ikke udtryk for hvad der kan ske. Specifikationsusikkerheden øger spredningen ud over de angivne tolerancegrænser, når der måles med forskellige mulige målemetoder, men kan ikke ses på tallene. Brug af GPS vil kunne øge den angivne toleranceværdi på tegningen væsentligt ligesom måleprocessen bliver bedre defineret. Begge dele vil give større kapabilitetstal. I mange tilfælde meget større! - og nu er de korrekte. Et firma, som får råvarer ind ad døren, som ikke anvender underleverandører, og som sender færdige hele forbrugerprodukter på markedet, behøver ikke at bekymre sig om GPS. Her kan man lave sine egne regler. Alle andre er nødt til at vide hvad GPS er, og hvad GPS betyder - også for måleteknikken. Alle virksomheder anvender allerede tolerancesymbolerne fra GPS-systemet. Det er de færreste, der kender den detaljerede betydning, og hvordan GPS anvendes optimalt. Tegningen er at opfatte som en kontrakt eller en del af en kontrakt, når den gives til en anden virksomhed, fx en underleverandør. Tolerancesætningens definitioner og regler har på den måde legal betydning. Anvendes GPS tolerancesymbolerne på en tegning, vil enhver anden virksomhed, fx en underleverandør, være berettiget til at læse tegningen efter de til ethvert tidspunkt (for en tegnings tilblivelse) gældende GPS regler for betydningen af tolerancerne og reglerne for den tilhørende anvendelse af måleteknik, med mindre der er givet andre instruktioner. Det er en meget farlig situation for den virksomhed der har fremstillet tegningen, hvis tegningen er fremstillet efter gammeldags principper, da læsningen efter moderne GPS regler ofte medfører et andet produkt - med andre funktionsegenskaber - end det, der var hensigten. GPS tolerancesætningens legale regler bliver mere og mere ensartede verden over, da de gamle nationale standarder (der var forskellige) langsomt, men sikkert, erstattes med nye ISO GPS standarder. Specielt i Europa kan man nu stole på, at alle regler udgivet som GPS-standarder efter 1995 er ens i hele Europa. Om de også efterleves eller er kendte, det er en anden sag, men det rører ikke ved den retlige betydning af tegningens tolerancesætning og kravene til den måleteknik, der er nødvendig og tilstrækkelig for at kunne eftervise, at emnet opfylder de givne specifikationer på tegningen. 2 Hvad er ændret af GPS systemet for måleteknikken Generelt Mere end halvdelen af tilvæksten af regelbærende standarder i GPS systemet siden 1990 er såkaldte fundamentale eller globale GPS standarder. Det er standarder, der indeholder fælles principper og regler for alle typer GPS-tolerancer og den tilhørende måleteknik. De vigtigste nyskabelser, som påvirker også måleteknikken er: - Reglerne for eftervisning af overensstemmelse og ikke overensstemmelse med en specifikation (for både emner og måleudstyr givet i ISO 14253-1 (1998). Reglerne i ISO 14253-1 indebærer, at måleusikkerheden altid indgår i en sådan eftervisning. Uden kendskab til måleusikkerhedens størrelse i hvert enkelt tilfælde vil der med sikkerhed opstå fejl i accept og afvisning af emner. Reglerne medfører også, at eftervisning af overensstemmelse med tegningens specifikationer bør overlades til leverandøren og at modtagekontrol er problematisk. ISO/TS 14253-2 og -3 er støttedokumenter til disse reglers anvendelse. - 17450-serien (2002) indeholder en lang række fundamentale principper, bl.a. vedr. toleranceangivelsen på tegningen, dualitetsprincippet, operatorprincippet og de nye usikkerhedsbegreber (der indeholder bl.a. specifikationsusikkerhed og måleusikkerhed). I forbindelse med måleprocessen gøres det her klart, at den korrekte måleproces kun kan aflæses af toleranceangivelsen på tegningen. Hvis toleranceangivelsen, der er benyttet, angiver en såkaldt komplet specifikationsoperator (uden specifikationsusikkerhed), så er der kun een mulig målemetode, som vil give det korrekte måleresultat. Hvis der med toleranceangivelsen er angivet en ukomplet specifikationsoperator, så er der frit slag indenfor specifikationsusikkerhedens rammer til at vælge målemetode.
3 Måling af emners geometriske karakteristika - Dualitetsprincippet er udgangspunkt for såvel specifikations- som måleusikkerhed (se ISO/TS 17450- serien) - Specifikationsoperator (definitionen af tolerancen), der er styret af toleranceangivelsen på tegningen er altid opbygget som en virtuel måling af den virtuelle emnemodel, skindmodellen, der har form- og vinkelfejl. Skindmodellen ligner det virkelige emne i modsætning til tegningbilledet, som er geometrisk perfekt (uden form- og vinkelfejl). - Komplet, ukomplet, default, speciel og aktuel specifikationsoperator - Perfekt, aktuel og simplificeret verifikationsoperator (se detaljer i ISO/TS 17450-2) - Ukomplet specifikationsoperator medfører specifikationsusikkerhed - Målefolkene må/skal i dette tilfælde (ifølge ISO/TS 17450-2) vælge en komplet specifikationsoperator og bruge den som udgangspunkt for angivelse af såvel specifikations- som måleusikkerhed. Hvis specifikationsusikkerheden U SP er af samme størrelse eller større end måleusikkerheden U ME (det er måske reglen frem for undtagelsen) så SKAL begge usikkerheder opgives for at måleresultatet ikke skal vildlede beslutningstageren (ofte konstruktøren eller kunden). Jeg ville nægte at måle hvis U SP > U ME - og det er U SP ofte, når tegninger er tolerancesat på den gammeldags maner. I stedet ville jeg kontakte konstruktøren/kunden for at få en mere præcis toleranceangivelse med mindre specifikationsusikkerhed. Så giver det først mening at måle. - Den store kunst i måleteknik er at læse specifikationsoperatoren, der på tegningen er angivet vha tolerancesymboler. Det er her målefolk kan tjene deres løn hjem. Forstå den komplette specifikationsoperator = perfekte verifikationsoperator (perfekte måleprocedure) på det aktuelle emne ---- og så vælge en simplificeret verifikationsoperator (simpel, billig og hurtig måleprocedure), der med en enkelt korrektion og et lille ekstra usikkerhedsbidrag måler med tilstrækkelig lille måleusikkerhed i forhold til den perfekte verifikationsoperator. Dette kræver en kalibrering/ kvalificering af den simple måleprocedure i hvert enkelt tilfælde. - Måleusikkerhed - tager udgangspunkt i en komplet specifikationsoperator = perfekt verifikationsoperator. Måleusikkerheden består både af implementeringsusikkerhed og metodeusikkerhed. - Implementeringsusikkerheden styres ved valg af MPE- og MPL-værdier for det aktuelle måleudstyrs metrologiske karakteristika og grundlæggende ved kalibrering af de metrologiske karakteristika i måleudstyret. - Metodeusikkerheden opstår som en kombination af valget af aktuel verifikationsoperator (måleprocedure) og det virkelige emnes form- og vinkelfejl. Styringen af metodeusikkerheden kan kun foregå ved valget af aktuel verifikationsoperator i forhold til det aktuelle emnes fejlbillede (form og vinkler). Valget kræver viden og indsigt i GPS og usikkerhedsbudgettering. - Specifikationsusikkerhed - et geometrisk perfekt emne (nul formfejl og nul vinkelfejl) medfører ingen specifikationsusikkerhed, uanset hvor ringe tolerancesætningen er. Specifikationsusikkerheden vokser med emnets form- og vinkelfejl - uden kontrol/styring fra tegningens tolerancesætning - hvis specifikationsoperatoren ikke er komplet. Kalibrering af geometrisk måleudstyr - Lad være med at kalibrere måleudstyr efter hvad der står i en (gammel) standard - tænk selv og find ud af, hvad du har brug for (relevante for din situation) af metrologiske karakteristika og MPE- og MPLværdier. De står ofte ikke i standarden, og det, der står i standarden, har du ofte ikke brug for. Har du overhovedet brug for at kalibrere dit udstyr?
- Kalibreringer kan blive overflødige, når udstyrets bidrag/kontributorer til måleusikkerheden er små relativt til andre kontributorers størrelse (u Udstyr < 20-30% af u Største kontributor ) - puds/rens/funktionsprøv udstyret i stedet. Det koster langt mindre og betyder meget mere i sådanne tilfælde. Brug i stedet pengene du sparer ved ikke at kalibrere så meget til at nedsætte talværdierne af de store usikkerhedsbidrag. - Den gamle talemåde kalibrering af måleudstyr, det giver ikke en præcis mening. Kalibrering af de (relevante) identificerede metrologiske karakteristika, det giver en entydig mening, og skal anvendes fremover. Hvor ved du fra, hvad der er relevante metrologiske karakteristika og tilhørende MPE- og MPL-værdier. Kun fra usikkerhedsbudgetter. Det er derfor usikkerhedsbudgettering generelt er så vigtigt. - Måleusikkerhed er lige så vigtig under kalibrering (måling af fejl og afvigelser for metrologiske karakteristika) som under måling af emners geometriske karakteristika (dimensioner, geometri, tekstur, mv.). - Usikkerhedsbudgetter er eneste mulighed for at dimensionere kalibreringshierarkiet i en virksomhed optimalt og tilstrækkeligt. Det medfører både de rigtige nøjagtighedsniveauer og hvilke normaler, der er brug for til at kalibrere de nødvendige metrologiske karakteristika i måleudstyrene. Det er umuligt at gætte, hvad der er brug for! 4 Kvalitetsstyring af tolerancesætningsregler og tilhørende regler for måling - Toleranceangivelserne på tegningen ændrer betydning som funktion af tiden - ofte ændres også detaljer i det grafiske symbol, for at vise at der er sket noget med betydningen, men det er ikke altid tilfældet. Derfor er det meget nødvendigt at kvalitetsstyringssystemet kan holde styr på, hvilke GPS regler der gælder for hvilke tegninger - og de tilhørende måleprocedurer. Personale - GPS stiller større krav til målepersonalets evner, træning og viden. - Målepersonalet skal kunne læse en tegnings tolerancekrav entydigt efter GPS-reglerne (såvel defualt som special og også efter de gamle regler i gamle standarder). Ellers måler de det forkerte geometriske karakteristikum (med stor nøjagtighed) med den konsekvens, at tolerancegrænserne forskydes i forhold til det tolerancesatte geometriske karakteristikum. Herved ændres emnets funktionsegenskaber i forhold til hensigten. - Måleteknikeren skal kunne vurdere såvel specifikations- som måleusikkerhed for at kunne kvalificere en måleprocedure og et måleresultat.
5 Eksempler Cylinder outline Ø 30 ± 0,2 Length? Result 1 2 3 7 4 Cylinder KP-3256 5 6 a) b) Figur 1 Ø30 ± 0,2 ØD? Results of possible diameter interpretations U Specification Diameter Figure 2 Tabel 2 Symboler for størrelse definitioner i ISO 14405
6 Lokal lineær størrelse Størrelse typer To-punkt størrelse Lokal størrelse defineret af en kugle Symbol LP LS Global lineær størrelse Kalkulations størrelse Rang orden størrelse 1) Mindste kvadraters størrelse Maximum indskrevet størrelse Minimum omskrevet størrelse Omkreds diameter Areal diameter Volumen diameter Maximum størrelse eller diameter Minimum størrelse eller diameter Middel størrelse eller diameter GG GX GN CC CA CV SX SN SA 1) Rang orden størrelse kan kun anvendes som et supplement til lokal størrelse eller kalkulationsstørrelse Da alle symbolerne består af to store bogstaver, bliver det grafiske symbol en forlænget cirkel som vist i de følgende eksempler: Ø25 ± 0,1 Ø25 ± 0,1 Ø25 ± 0,1 Ø25 ± 0,1 GX GN CC LP SX Som skal tolkes som et krav om den største indskrevne diameter i begge tolerancegrænser. Som skal tolkes som et krav om den mindste omskrevne diameter i begge tolerancegrænser. Som skal tolkes som et krav om omkreds diameter i begge tolerancegrænser - dvs. diameter = omkredsen divideret med Pi. Som skal tolkes som et krav om at den maksimale to-punkt diameter skal ligge mellem de to tolerancegrænser. 0 Ø 50-0,016 Ingen specifikationsusikkerhed - Tolerance 16 :m E Ø 50 h6 Ingen specifikationsusikkerhed - Tolerance 21 :m (31% større) Figur 3
7 +0,3 10-0,1 0,1 0,1 9,8 3 L L 9,9 9,9 10,2 a b c Figur 4 0,5 RONt 0,5; MZCI = 0,1 RONt; LSCI; G 150- Figur 5
8 Kommentarer Ruhedssymbol Default Specifikationsoperator Specifikationsusikkerhed Samme måleudstyr Måleusikkerhed 3,2 Ukomplet Alt mangler 100-200% ca. 2% Forskellige målte værdier Ra 3,2 Ra 3,2 Ukomplet 2RC-filter λc-regel mangelfuld λs mangler Komplet Gauss-filter 10-30% ca. 2% < 2% ca. 2% Figur 6 a b c d e f g h Øvre og nedre specifikationsgrænse U eller L Filter type Transmissions bånd Overflade parameter Profil Egenskab Evalueringslængde Tolkning af specifikationsgrænsen 16% eller max Grænse værdi U "X" 0,08-0,8 / Rz8max 3,3 slebet U "X" 0,08-0,8 / Rz8max 3,3 i k m Fremstillingsproces Fremstillingsproces type Overflade mønster retning Figur 7
9 Figur 8
10 (22) (23) The groups of uncertainty contributors originate from e.g.: - Measurement equipment (or measurement standard) u MPE1, u MPE2, u MPE3,... - Environment: u M1, u M2, u M3,... - Personnel/staff u B1, u B2, u B3,... - Measurement set up u O1, u O2, u O3,... - Measurement object (work piece or measurement equipment) u E1, u E2, u E3,... - Definition of the characteristic of the object u D1, u D2, u D3,... - Measurement procedure u P1, u P2, u P3,... - etc. u etc.x,... Figur 9