Метрологическое обеспечение задач стандартизации

Особая роль стандартизации на современном этапе заключается в объединении усилий предприятий по целенаправленному воздействию на качество продукции на всех стадиях ее жизненного цикла и уровнях управления. Современный характер техники, ее возрастающая сложность и массовые масштабы (глобализация) производства объективно диктуют необходимость повышения качества продукции – совокупности ее свойств, обуславливающих возможность удовлетворять определенные потребности общества в соответствии с назначением.

 

Область научной деятельности по разработке методов количественной оценки качества продукции и стандартизации называется квалиметрией. Здесь к показателям качества относят показатели назначения (технические требования или технические условия), надежности (долговечности), технологичности, эргономичности, стандартизации и унификации, патентно-правовые и экономические показатели. Документы, подтверждающие те или иные параметры качества, называют сертификатами.

 

 

Одним из труднодостижимых показателей качества является точность изготовления – свойство, характеризуемое степенью соответствия реальных объектов их идеальным прототипам. Количественным критерием точности служит погрешность, в частности отклонения пространственных (геометрических) параметров изделия. Понятие точности включает в себя три разновидности: конструкторскую, технологическую и эксплуатационную, каждая из которых имеет свои характерные особенности и факторы, способствующие ее повышению.

 

 

Правильный выбор уровня точности исполнения размера детали служит одним из критериев квалификации разработчика, а повышение этого уровня основано на постоянном анализе результатов принятых решений и изучением производственного опыта. В системах автоматизированного проектирования (САПР) с помощью ЭВМ выбираются готовые конструкторские решения, оптимизированные теоретически и оправдавшие себя на практике.

 

Например, чем выше требования к точности детали, а значит и качеству выполнения ею заложенных функций, тем выше затраты на ее обработку и измерение. Так, например, для вала диаметром 15 мм и длиной 100 мм при объеме выпуска 1000 шт в месяц при уменьшении допуска на изготовление в 2 раза, затраты увеличиваются в 3 раза. Ужесточение допуска на порядок (в 10 раз) ведет к удорожанию производства в 4-6 раз (см. рис.1.1.)

 

 

0 5 10 50 100 Допуск на изготовление, мкм

Рис. 1.1. Зависимость стоимости изготовления от уровня точности

 

Вопросы выявления уровня точности (погрешностей) изготовления объектов и способов ее достижения решается в рамках науки метрология – науки об измерениях физических величин, методах и средствах обеспечения их единства. Последняя задача метрологии – главная, она решается при соблюдении двух основополагающих условий:

· выражение результатов измерений в единых узаконенных единицах;

· определение допускаемых погрешностей результатов измерений при заданной вероятности.

 

Основные задачи метрологии:

· установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений, контроля и испытаний;

· обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений;

· разработка методов оценки погрешностей и состояния средств измерения, а также передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.

 

Нормативно-правовой основой метрологического обеспечения точности измерений служит Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ), нормативные документы которой – государственные стандарты. Главными единицами физических величин в принятой в 1960г международной системе единиц СИ являются семь единиц: длина – 1 метр; масса – 1 килограмм; время – 1 секунда; сила тока – 1 ампер; термодинамическая температура – 1 кельвин; количество вещества – 1 моль; сила света –

1 кандела.

Кроме того, в ней с помощью уравнений связи между физическими величинами установлено более 50-ти производных единиц, а также приняты специальные приставки для обозначения десятичных кратных и дольных величин.

Для нужд машиностроения в одном из трех составляющих метрологии (законодательная, фундаментальная, прикладная) выделяют область технических измерений, рассматриваемую во взаимной связи с точностью и взаимозаменяемостью, куда входят измерения линейных, угловых и радиусных величин. Здесь используются следующие основные термины и определения:

Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных средств измерений;

Средства измерения - технические устройства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства;

Эталоны – средства измерений, официально утвержденные и обеспечивающие воспроизведение или хранение единицы физической величины;

Меры (наборы мер) – средства измерений для воспроизведения заданного размера физической величины;

Образцовые – средства измерений (меры, измерительные приборы, преобразователи), утвержденные в качестве образцовых для поверки по ним других (рабочих) средств измерений;

Калибры – тела или устройства для контроля нахождения в заданных границах размеров, взаимного расположения поверхностей и формы деталей;

Рабочие – средства измерений, не связанные с передачей размера единиц;

Измерительные системы – совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных каналами связи; предназначены для выработки измерительной информации, используемой в автоматических системах управления;

Методы измерений – совокупность приемов использования при измерениях физических принципов и средств, которые классифицируются следующим образом:

· прямые измерения - здесь значения физических величин находят непосредственно из данных опыта;

· косвенные измерения – значения физических величин находят из известных зависимостей от величин, полученных прямыми измерениями;

· совокупные – одновременные измерения одноименных величин, среди которых есть известные;

· совместные – одновременные измерения неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними;

· абсолютные измерения – основаны на прямых измерениях основных величин и использовании значений физических констант;

· относительные измерения – искомую величину определяют по полученной величине из опыта при сравнении ее с одноименной, принятой за единицу или исходную величину;

· метод непосредственной оценки – значение физической величины определяют непосредственно по отсчетному устройству прибора прямого действия;

· метод сравнения с мерой (метод противопоставления) – измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения; здесь же

используется нулевой метод, когда результирующий эффект от воздействия на прибор сравнения указанных выше величин доводится до нуля;

· дифференциальный метод – измеряемую величину сравнивают с известной величиной, воспроизводимой мерой;

 

· метод совпадений - разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяется уровнем совпадения отметок шкал или периодических сигналов;

 

 

· поэлементный метод – характеризуется измерением каждого параметра изделия в отдельности;

· комплексный метод – характеризуется измерением суммарного показателя качества, испытывающего влияние отдельных его составляющих;

· методы измерения также могут быть названы контактными и бесконтактными в зависимости от характера взаимодействия поверхностей объекта и контролирующего элемента прибора.

Существуют также следующие основные метрологические характеристики собственно средств измерений, а именно:

Интервал L _д (длина одного деления шкалы) - расстояние между осями двух соседних отметок шкалы;

Цена деления шкалы С _д – количественное содержание измеряемой величины, заключенное в одном интервале шкалы;
Передаточное отношение П_о – отношение интервала к цене деления шкалы П_о = ;

Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями;

Диапазоны измерений – область значений измеряемой величины с нормируемой допускаемой погрешностью;

Влияющая физическая величина – величина, не измеряемая данным средством, но оказывающая влияние на результат измерения (температура, давление, влажность и т.д.);

Нормальные условия применения (измерения) – когда влияющие величины имеют нормальные (регламентированные) значения;

Чувствительность – отношение изменения сигнала на выходе (ΔРвых) прибора к изменению измеряемой величины на входе (ΔРвх). Для шкальных измерительных приборов значение (ΔРвых/ ΔРвх) численно равно передаточному отношению П_о;

Стабильность – свойство прибора, выражающее неизменность его метрологических характеристик во времени.

В части характеристик качества процессов измерения используются такие, как:

Точность измерений – качество измерения, отражающее близость его результатов истинному значению величины или близость к нулю его погрешности;

Истинное значение измеряемой величины – существующий объективно физический параметр или размер, полученный в результате обработки детали, в установленных единицах измерения. Истинное значение постоянно и определить его без погрешности невозможно (постулаты метрологии);

Погрешность измерения абсолютная (ΔР)-отклонение результата измерения (Ризм) от истинного значения величины (Рист) или ее действительного значения

Δ ;

Действительное значение физической величины (Рд)– найденное при измерении с определенной степенью точности и вероятности по отношению к истинному значению;

Погрешность измерения относительная – отношение погрешности абсолютной к действительному значению измеряемой величины

;

Приведенная погрешность – отношение абсолютной погрешности к номинальному значению измеряемого параметра Рн (в процентах)

 

· 100%;

Систематическая погрешность - постоянная составляющая погрешности измерения или изменяющаяся по определенному закону при повторных измерениях одной и той же величины;

Случайная погрешность - составляющая погрешности измерения, измеряющаяся при этих условиях случайным образом. Грубая - погрешность, существенно превышающая ожидаемую погрешность.

В зависимости от причин возникновения различают следующие виды погрешностей: инструментальная (зависящая от погрешностей средств измерения); метода измерения (вызванная особенностями собственно метода); настройки измерительной схемы; от считывания информации ( показаний); поверки средств измерений.

Поправка – величина корректировки полученного при измерении результата с целью исключения систематической погрешности;

Сходимость – характеризует качество измерений, выполняемых в одинаковых условиях;

Воспроизводимость – то же, но в различных условиях (время, место, методы, средства и т.д.).

 

 

В дополнение к вышеизложенному следует отметить, что понятие точности отражает близость к нулю случайных и систематических погрешностей средства измерения, при этом правильность характеризует уровень систематических, а сходимость – случайных погрешностей. Различают также статическую погрешность – получаемую в установившемся состоянии измеряемой величины, и динамическую погрешность – в неустановившемся состоянии этой величины.

Погрешность, возникающая при использовании средства измерения в нормальных условиях, называется основной. Если влияющие величины выходят за пределы нормальных значений, появляется понятие дополнительной погрешности.

Обобщенной характеристикой средства измерения, включающей в себя пределы допускаемой основной и дополнительной погрешностей, служит класс точности. Графическая интерпретация такой характеристики приведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Диаграмма точностных параметров средств измерений.

Таким образом, качество процесса измерения определяется метрологическими характеристиками элементов, формирующих измерительную систему: метод измерений – измерительное устройство (прибор)- система передачи измерительной информации – субъект измерения (человек или управляющая ЭВМ). Все это, в свою очередь, оказывает прямое влияние на показатели качества выпускаемой продукции.