Метрологическое обеспечение автоматизированных измерительно-вычислительных комплексов по определению параметров геометрических величин деталей

Повышение точности и производительности контроля геометрических параметров деталей является ключевым условием обеспечения качества продукции в условиях серийного и массового производства. При переходе к цифровому производству и концепции «Индустрия 4.0» контроль геометрических размеров все чаще выполняется автоматизированными измерительно-вычислительными комплексами (АИВК), интегрированными в технологические линии [1].

Однако внедрение АИВК сопровождается рядом метрологических проблем: необходимостью обеспечения прослеживаемости результатов измерений к государственным эталонам, стабильности метрологических характеристик в условиях вибраций, температурных градиентов и человеческого фактора при обслуживании, а также корректной оценки и нормирования погрешностей в автоматическом режиме [2].

Таким образом, актуальной является задача разработки и экспериментального обоснования методов метрологического обеспечения АИВК по определению параметров геометрических величин деталей (линейных размеров, формы, расположения), позволяющих повысить точность и устойчивость результатов измерений без существенного увеличения затрат на контроль.

Научная новизна выполненного исследования заключается в разработке методики метрологического обеспечения АИВК, включающей:

• использование встроенного эталонного образца (меры) для автоматизированного контроля и корректировки метрологических характеристик комплекса в рабочем режиме;
• алгоритм оперативной оценки суммарной погрешности измерений на основе статистической обработки результатов самоконтроля и измерений контролируемых деталей;
• методику учёта влияющих факторов (температура, дрейф датчиков, погрешность базирования) на общую неопределённость измерений при цикличной работе.

Практическая значимость работы состоит в том, что предложенная методика была реализована и экспериментально проверена на учебно-производственном АИВК для контроля диаметров и длины цилиндрических деталей (валов). Показано снижение приведённой погрешности измерения диаметра в среднем на 27% и уменьшение разброса результатов (среднеквадратического отклонения) в 1,4 раза по сравнению с исходной схемой метрологического обеспечения. Кроме того, внедрение алгоритма самоконтроля позволило выявлять нарушения условий измерений (сдвиг нуля, температурный уход) на ранней стадии без участия оператора.

Цель исследования – разработка и экспериментальная проверка методики метрологического обеспечения автоматизированного измерительно-вычислительного комплекса по определению геометрических параметров деталей, обеспечивающей повышение точности и стабильности результатов измерений.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Проанализировать существующие подходы к метрологическому обеспечению автоматизированных измерительных систем и выявить их ограничения при серийном производстве.
2. Разработать структуру АИВК с встроенным эталонным образцом и реализовать алгоритм автоматизированного самоконтроля.
3. Сформировать математическую модель оценки суммарной погрешности и неопределённости измерений с учётом влияющих факторов.
4. Провести экспериментальные исследования на образцах деталей и оценить эффективность предложенной методики по сравнению с базовым вариантом.

Объект исследования – автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс для контроля диаметра и длины цилиндрических деталей типа «вал» в диапазоне диаметров 20…60 мм и длин до 200 мм.

Структурно АИВК включает:

• измерительную станцию с двухточечными контактными индуктивными датчиками диаметра;
• линейные оптические датчики перемещения каретки по оси длины;
• встроенный эталонный образец – калиброванный цилиндр и концевую меру длины;
• персональный компьютер с программным обеспечением для сбора и обработки данных;
• модуль климатического контроля с датчиками температуры окружающей среды и детали.

Для оценки метрологических характеристик комплекса применялись следующие методы:

1. Метод прямых многократных измерений;
2. Оценка систематической погрешности;
3. Оценка суммарной стандартной неопределённости [3];
4. Метод сопоставительных измерений.

В рамках исследования была реализована функция автоматизированного самоконтроля: при запуске смены комплекс автоматически выполнял измерения встроенного эталонного образца, сравнивал полученные значения с паспортными, оценивал величину и направление отклонения и при необходимости корректировал калибровочные коэффициенты датчиков.

Экспериментальные исследования проводились на партии из 50 цилиндрических деталей трёх типоразмеров: диаметр 25, 40 и 55 мм. Для каждого типоразмера выполнялся контроль диаметра в двух сечениях и общей длины детали. Сравнивались два режима работы АИВК:

• базовый режим – без автоматического самоконтроля и корректировки параметров;
• улучшенный режим – с использованием предложенной методики метрологического обеспечения и встроенного эталонного образца.

Обобщённые результаты оценки погрешности измерения диаметра сведены в таблицу.

Таблица

Сравнение метрологических характеристик АИВК в базовом и улучшенном режимах

Полученные данные показывают, что внедрение предложенной методики позволило:

• снизить среднюю модульную погрешность измерения диаметра на 27%;
• уменьшить максимальную наблюдаемую погрешность на 30%;
• снизить разброс результатов измерений (по показателю s) примерно в 1,4 раза;
• в 4 раза сократить количество случаев выхода погрешности за установленный допуск (±10 мкм).

Особое внимание было уделено влиянию температуры. В ходе эксперимента фиксировалась зависимость смещения результатов измерений диаметра от отклонения температуры детали от 20°С. В базовом режиме наблюдалась линейная зависимость с коэффициентом порядка 0,7 мкм/°С, тогда как после включения температурной коррекции в алгоритм обработки значение коэффициента уменьшилось до 0,25 мкм/°С.

Результаты сопоставительных измерений на КИМ показали, что для 95% измерений модуль разности показаний не превышал 6 мкм в улучшенном режиме, что соответствует требованиям к средствам измерений данного класса точности [4, 5].

Дополнительным эффектом внедрения автоматизированного самоконтроля стало сокращение времени, затрачиваемого оператором на периодические настройки и проверки. По данным хронометража, суммарное время «ручных» операций настройки уменьшилось в среднем на 32% за смену, так как часть функций перенесена в автоматический режим.

Выводы

В результате проведённого исследования разработана и экспериментально апробирована методика метрологического обеспечения автоматизированного измерительно-вычислительного комплекса для контроля геометрических параметров деталей, включающая использование встроенного эталонного образца и алгоритма автоматизированного самоконтроля.

Основные выводы:

1. Показана актуальность комплексного подхода к метрологическому обеспечению АИВК, учитывающего не только начальную поверку, но и поддержание метрологических характеристик в процессе эксплуатации в условиях производственного цеха.
2. Разработанный алгоритм самоконтроля на основе измерений встроенного эталонного образца и статистической обработки результатов позволил снизить среднюю модульную погрешность измерений диаметра на 27% и уменьшить разброс результатов измерений в 1,4 раза.
3. Учёт температурных влияний и погрешности базирования в модели суммарной неопределённости обеспечил улучшение стабильности измерений и соответствие результатов требованиям нормативной документации для средств измерений данного класса.
4. Внедрение автоматизированных процедур метрологического самоконтроля уменьшило трудоёмкость обслуживания АИВК, сократило время настройки более чем на 30% и снизило риск получения недостоверных результатов из-за незамеченного дрейфа метрологических характеристик.

Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и модернизации автоматизированных измерительно-вычислительных комплексов, а также при разработке внутренних стандартов предприятий по метрологическому обеспечению средств измерений, интегрированных в цифровые производственные линии. Перспективным направлением дальнейших исследований является расширение предложенной методики на многокоординатные измерительные системы и интеграция алгоритмов самоконтроля в системы управления качеством предприятия.