GPS stiller meget præcise krav til valg af målemetode 1 Måleteknisk er vi på flere måder i en ny og ændret situation. Det er forhold, som påvirker betydningen af valget af målemetoder. - Der er en stadig stigende anvendelse af outsourcing af fremstilling af emner til underleverandører, der ofte har adresse langt fra kunden og ofte udenfor Danmarks grænser, ligesom danske virksomheder er underleverandører til virksomheder, der ikke kun er placeret tæt på. - Reglerne i GPS, der er knyttet til tolkningen af tolerancesætningen på emnetegninger, som er gældende for alle nyere og alle fremtidige tegninger, er blevet flere og mere præcise. Hele baggrunden for og formålet med GPS er at gøre tolerancesætningen international og mere entydig, så tegningen i højere grad kan anvendes i forbindelse med outsourcing. GPS tegningen kan altså i højere grad stå alene, uden at der opstår tvivl om, hvad det er, der skal fremstilles og med hvilke geometriske egenskaber. En af de nyskabelser der er sket i forbindelse med opdateringen af det traditionelle tolerancesætningssprog til GPS er, at måleteknikken er blevet fuldt integreret. Konsekvensen af denne integration er, at den (teoretisk) korrekte målemetode kan og skal læses på tegningen. Det er tolerancesætnings-symbolerne og deres betydning, der fastsætter målemetoden. Denne præsentation kan kun blive en meget kort og summarisk orientering om, hvad GPS overordnet betyder for måleteknikken og for valget af målemetoder. Alle detaljerne og den fulde konsekvens vil tage meget længere tid og involvere detaljerne i GPS-tolerancedefinitioner, evaluering af måleusikkerhed samt den detaljerede indflydelse dette har på kvalitetsstyringen af målinger. Herunder valg af måleudstyr, og hvilke metrologiske karakteristika i måleudstyrene, det er nødvendigt at kalibrere, for at opnå sporbarhed på måleresultaterne. Er valget målemetoden da et problem og en opgave, vi skal tage alvorligt? Kan målemetoden ændre måleresultatet? Et simpelt men meget almindeligt forekommende eksempel kan vise, om valget af målemetoden betyder noget! 1 2 3 Figur 1 - Perfekt emne (1) og emner med en lille (2) og en større (3) formfejl Eksempel: Måling af diameter i eet snit i et cylindrisk emne Diametre måles i praksis på mange forskellige måder, fx som to-punkt diameter (mikrometerskrue, skydelære, mv.), tre-punkt diameter, middel diameter vha mange punkter (målemaskine), indskreven og omskreven cirkel diameter (kontrolværktøjer eller målemaskine). Der er flere andre måder at måle diametre på! De tre emner, der er vist på figur 1 vil reagere meget forskelligt på de forskellige målemetoder, og hvad der er af afgørende betydning, måleresultaterne vil blive forskellige.
Alle målemetoderne vil give nøjagtigt det samme måleresultat på emne 1. Det skyldes, at emne 1 er teoretisk perfekt. Det er cirkelformet og helt uden formfejl. Der er een og kun een diameter. På emne 2 og 3 vil målemetoderne give forskellige resultater for diameteren. Nogle målemetoder vil give een og kun een værdi. Andre målemetoder vil give måleresultater der varierer i talværdi, når måleretningen i emnet ændres. De sidstnævnte målemetoder vil give måleresultater, der varierer på en måde, så de kan beskrives med en statistisk fordeling med en middelværdi og et mål for variationen, fx standardafvigelsen eller variationsbredden. Det er indlysende, at både forskellen imellem de enkelte målemetoders resultater (middelværdier i nogle tilfælde) og størrelsen af variationen, for de målemetoder, som giver varierende resultater, vokser, når emnets formfejl bliver større. Sammenlign forskellene mellem de forskellige målemetoder på emne 2 og 3 på figur 1. Konklusionen, der kan udledes af det simple eksempel, der gælder generelt for alle mulige måleopgaver på emner, der ikke er geometrisk perfekte, er: - at valget af målemetode medfører forskellige måleresultater på det samme emne - at forskellen mellem forskellige målemetoders resultater bliver større, når afvigelsen fra perfekt geometri bliver større - at variationen i måleresultatet for de målemetoder, som har denne egenskab, øges, når afvigelsen fra perfekt geometri bliver større - at både forskel mellem og variationen indenfor den enkelte målemetode afhænger af hvordan emnet afviger fra perfekt geometri - herunder både arten og kombinationen af form- og vinkelfejl i det enkelte emne. Da alle industrielle emner i en eller anden grad har en geometri, som afviger fra perfekt geometri, så er den generelle konklusion: - Ja - valget af målemetode påvirker måleresultatet. Valget af målemetode er altså et problem og en opgave, som skal tages alvorligt! Vi har været vant til at målemetoder kunne aftales og tilpasses i mindelighed, når alt forgår indenfor samme firma. Man har prøvet sig frem. Dette har ofte foregået helt uafhængigt af, hvordan tolerancerne var udtrykt på tegningen. Man laver sine egne interne regler for, hvordan der skal måles, for hvert emne og tegning. Med dagens situation, hvor fremstillingen af emnerne outsources, så fungerer denne fremgangsmåde ikke mere. Nu er det nødvendigt at have fælles regler. GPS er det eneste vi har. Samme emne fremstillet på andre måder, på andre værktøjsmaskiner, med andre opspændingsmetoder, med andre råvare leverandører, osv., vil normalt give andre typer form- og vinkelfejl og form- og vinkelfejl med en anden størrelse. Det betyder, at selvom man overfører de målemetoder, som hidtil har været anvendt lokalt med et godt resultat (emnerne fungerer efter hensigten), så er der ikke nogen garanti for, at samme målemetode vil kunne garantere, at emner, hvis måleværdier ligger indenfor tolerancegrænserne, vil kunne fungere i en anden virksomhed. Det samme vil kunne ske indenfor en virksomheds egne mure, hvis man ændrer på form- og vinkelfejlene i de fremstillede emner. Målinger og måleresultater anvendes generelt i en virksomhed som grundlag for beslutninger. Er måleresultaterne ikke korrekte så vil beslutningerne heller ikke (altid) blive korrekte. Er måleresultaterne usikre, fordi de kan varierer, så vil beslutningerne også variere og have tendens til at blive mere eller mindre tilfældige. 2
Filosofien bag GPS er bl.a., at stille en værktøjskasse med tolerancesymboler, som gælder og kan forstås i hele verden, til rådighed for konstruktøren. GPS-Kravet til emnet på tegningen kan udtrykkes med en toleranceangivelse, der bevarer sin betydning, også når der er tale om virkelige emner med form- og vinkelfejl. Værktøjskassen har så detaljerede muligheder til rådighed, at det også er muligt at angive tolerancekravet, så det i større eller mindre grad og efter behov kan simulere emnets funktion. Der bliver en god korrelation mellem talværdierne for emnets tolerancegrænser og emnets funktioner. Specifikationsusikkerheden er lav. For at dette skal kunne fungere, medfører det, at den (teoretisk) korrekte målemetode skal svare 100% til definitionen af toleranceangivelsen, dvs. de symboler, der er vist på tegningen. Dette er den eneste målemetode, som ALTID - uden hensyn til de aktuelle form- og vinkelfejl på et emne - vil give det korrekte måleresultat - og hvis målingen udføres perfekt og med et måleudstyr, som ikke har fejl, så vil måleusikkerheden også være nul. Dette, at målemetoden i GPS skal være den samme som definitionen af tolerancekravet på tegningen, kaldes dualitetsprincippet - se figur 2. Dualitetsprincippet og alle de tilhørende begreber er indeholdt i ISO 17450 del 1 og 2. Af hensyn til dualitetsprincippet er alle definitioner af GPS-tolerancekrav på tegningen formuleret som virtuelle målemetoder. 3 Konstruktionshensigt GPS-Tolerancesætning Verifikation GPS-Måleproces Skind-model Ideelle og ikke ideelle elementer Virkelig overflade Ideelle og ikke ideelle elementer Specifikations-operator Elementoperationer - Partitionering - Ekstraktion - Filtrering - Association - Kollektion - Konstruktion Evaluering - Fysisk partitionering - Fysisk ekstraktion - Filtrering - Assocation - Kollektion - Konstruktion Evaluering Elementoperationer Verifikations-operator Specificeret karakteristikum Måleresultat Sammenligning Figur 2 - Grafisk illustration af dualitetsprincippet i GPS Dualitetsprincippet er kun eet af en række såkaldt fundamentale principper i GPS-systemet, der alle har til formål, at gøre tegningens specifikationer entydige og sikre, at der også findes en entydig måde, at vise - ved måling - at et aktuelt emne opfylder tegningens krav.
I praksis har alle målemetoder og deres måleresultater måleusikkerhed. Det er uanset, om der måles med den korrekte målemetode. Årsagen til denne måleusikkerhed for den korrekte målemetode er selvfølgelig, at det ikke er fysisk og økonomisk muligt, at følge en sådan teoretisk målemetode til punkt og prikke, og at de ydre omstændigheder under udførelsen af målingerne aldrig er perfekte, samt at de måleudstyr, der anvendes, heller ikke er perfekte. Vi må altså leve med måleusikkerhed på måleresultaterne i alle tilfælde. For at tegningens krav altid kan være overholdt, og at dette kan bevises, er det nødvendigt, at den aktuelle måleusikkerhed tages med i betragtning, når et måleresultat anvendes til at afgøre om det pågældende emne overholder eller ikke overholder tegningens krav. Den måde, som måleusikkerhed for et måleresultat tages i betragtning i forhold en tolerancegrænse er fastlagt i ISO 14253-1. Måleusikkerheden reducerer tolerancen ved begge tolerancegrænser - se figur 3. Kun måleresultater, i det der bliver tilbage af tolerancen angivet på tegningen, er tilladt. 4 Nedre specifikationsgrænse LSL Specifikations område Øvre specifikationsgrænse USL Voksende måleusikkerhed U M Udenfor specifikationen Ikke overensstemmelses område Indenfor specifikationen U M1 U M2 U M2 U M1 Overensstemmelses område Usikkerhedsområde Usikkerhedsområde Undenfor specifikationen Ikke overensstemmelses område Design-/ Specifikationsfase Verifikationsfase Nedre ikke overensstemmelsesgrænse LNL Nedre overensstemmelsesgrænse LCL Øvre overensstemmelsesgrænse UCL Øvre ikke overensstemmelsesgrænse UNL Figur 3 Grafisk fremstilling af måleusikkerhedens virkning på mulighederne for at vise at et emne er i overensstemmelse med eller ikke overensstemmelse med en givet specifikation Da der altid i praksis er måleusikkerhed, er det kun et spørgsmål om dens størrelse - og især den økonomiske effekt af størrelsen af måleusikkerheden. Afviger målemetoden fra den (teoretisk) korrekte, så betyder det kun, at man kan risikere nye bidrag til måleusikkerheden. I visse tilfælde vil en afvigende målemetode også give systematiske forskelle i måleresultatet. Denne forskel kan indgå i måleusikkerheden eller den kan, hvis den er kendt og stabil korrigeres, så den forsvinder i det endelige måleresultat. Det betyder, at måleusikkerheden kan anvendes positivt som et værktøj og en kvalitetsparameter til designe og vurdere/kvalificere simplere, billigere og hurtigere målemetoder, der kan anvendes i stedet for den teoretisk korrekte ifølge GPS-toleranceangivelsen på tegningen. Måleusikkerheden er måleteknikerens ansvar. Estimeringen af måleusikkerheden tager altid udgangspunkt i den teoretisk korrekte målemetode, der via dualitetsprincippet svarer til definitionen af toleranceangivelsen på tegningen. Betingelsen, for om en målemetode kan anvendes, er herefter kun! om den måleusikkerhed, som den resulterer i, er acceptabel. Måleusikkerheden er hermed blevet måleteknikerens værktøj til at vælge, analysere og optimere målemetoder, der (teknisk og økonomisk) kan anvendes til at svare ja og nej til, om et givet emne overholder eller ikke overholder et GPS-krav. Ved valget af målemetode sker der ofte det, at måleudstyret er fastlagt - eller ved valg af måleudstyr vælges samtidig målemetode. For at kunne vurdere måleusikker-
heden for de resultater, der fremkommer fra en målemetode, er det nødvendigt at kende en række detaljer - herunder også detaljer om emnets form- og vinkelafvigelser, der i mange tilfælde giver de dominerende bidrag til måleusikkerheden, når målemetoden ikke følger den teoretisk korrekte. Der kræves altså flere ting af måleteknikeren for, at der kan vælges en målemetode, som er anvendelig: - Måleteknikeren skal kunne læse en GPS specifikation på en tegning og forstå/kende den bagved liggende definition, som er den teoretisk korrekte målemetode. - Måleteknikeren skal have kendskab til emnets afvigelse fra ideal geometri, dvs kende form- og vinkelfejlenes størrelse og natur. - Måleteknikeren skal kunne estimere måleusikkerheden for den/de målemetoder, der kan komme på tale, herunder også hvordan mere simple målemetoders resultater påvirkes usikkerhedsmæssigt af emnets mulige og aktuelle form- og vinkelfejl. Hensigten med en GPS tolerancesætning er, at den skal kunne gøres entydig for det virkelige emne uanset form- og vinkelfejl. Dette kan aldrig opnås 100%. Det er i det enkelte tilfælde op til den, der udfører tolerancesætningen, om mulighederne for at gøre toleranceangivelsen entydig udnyttes. Store dele af den traditionelle tolerancesætning kan ikke gøres entydig (fx dimensionstolerancer for alt andet end diametre) og skal i fremtiden erstattes af geometriske tolerancer, der skal anvendes på en ny måde. Det er ikke alle GPS-tolerancer, der endnu kan gøres entydige - men det kommer lidt efter lidt i nye og reviderede GPSstandarder. Toleranceangivelsen på tegningen - og dens entydighed, det er konstruktørens og/eller den ordregivende virksomheds ansvar, hvis man er underleverandør. Hvis en tolerancesætning ikke er entydig, så har en evt. underleverandør mulighed for at udnytte dette, og tolke tegningen som han har lyst til eller fordel af, indenfor de muligheder, som flertydigheden giver mulighed for. Konstruktøren har jo med tegningen givet denne mulighed/frihed. Det er en af konsekvenserne af de fundamentale GPS-regler. I en virksomheds eget værksted eksisterer i princippet den samme mulighed, men her har man fælles pengekasse, og vil naturligvis snakke om sagen - som man altid har gjort. Intet nyt og ingen grund til at lave ændringer, hvis det fungerer godt uden GPS på tegningen og GPS-regler i måleteknikken. Målemetoden tager altså udgangspunkt i tegningens toleranceangivelse. Der er nu flere situationer: - Specifikationen kan være entydig, som den er vist på tegningen. Så er det bare at gå i gang. Specifikationen er via dualitetsprincippet målemetoden, og den er så det udgangspunkt, som måleusikkerheden skal estimeres ud fra. - Specifikationen er flertydig - der er specifikationsusikkerhed. Leverandøren, der skal fremstille emnet skal nu vælge og definere, hvordan han vil tolke specifikationen entydigt inden for det interval, som specifikationsusikkerheden giver mulighed for. Den valgte entydige specifikation er udgangspunktet for måleusikkerhedsestimeringen. Den specifikationsusikkerhed der, bliver resultatet af valget, har ikke noget med måleusikkerheden at gøre. En specifikation på en tegning kan fremtræde på flere forskellige måder: - Som en default angivelse, dvs. et meget kort og koncentreret symbol uden detaljer. Alle detaljer om betydningen og definitionen kan kun findes i de relevante standarder. Det er ikke alle GPSkarakteristika, der endnu har fået default definitioner og ikke alle af de, der har en default definition, er komplette endnu. En komplet default definition medfører en entydig specifikation. - Som en default angivelse med viste modifikatorer-symboler, der ændrer og/eller kompletterer defaultdefinitionen på specifikke punkter. Modifikator-symbolerne kan også have en betydning, som kun fremgår af de relevante standarder. - Som en total angivelse med symboler for nogle eller alle detaljer i definitionen af toleranceangivelsen. Denne form er en nødvendighed, når der ikke findes en default definition, hvis specifikationen skal være helt eller delvis entydig. 5
Det er således klart, at en måletekniker skal være i stand til at læse en tolerancesætning efter GPSreglerne for overhovedet at være i stand til objektivt at vælge målemetode. Hvis måleteknikeren ikke har den detaljerede viden om GPS tolerancesætningsreglerne, både de fundamentale og de specifikke for de enkelte tolerancetyper (dimensioner, geometri, overfladetekstur, osv), så vil ethvert valg af målemetode være tilfældigt, med den konsekvens det vil kunne have for måleresultatets korrekthed og måleusikkerheden. 6