Современное производство прецизионных корпусных деталей требует доступного и достоверного 3D метрологического контроля для повседневного использования в механических цехах, на сборочных участках, в подразделениях контроля качества, на участках входного контроля продукции по кооперации.

Для 3D измерений прецизионных корпусных деталей размерами до 3000 мм сегодня наиболее целесообразные контактные 3D координатно-измерительные машины (далее - 3D КИМ) благодаря наилучшему соотношению КАЧЕСТВО / ЦЕНА.
Сегодня бесконтактный 3D измеритель имеет погрешность значительно превышающую погрешность равноценных контактных 3D КИМ, поэтому его не взяли во внимание.

Предлагаем для ознакомления пошаговый алгоритм выбора оптимальной контактной 3D КИМ, который будет полезным для:

• инвесторов и руководителей предприятий, планирующих приобрести контактные 3D КИМ (по каталогам и имеющимися коммерческими предложениями поставщиков);

• специалистов предприятий с 3D КИМ (для сравнения и дальнейшего усовершенствования).

Алгоритм оптимизации выбора 3D КИМ заключается в следующем:

• заказчик определяет и составляет перечень технико-метрологических критериев оптимизации в виде «Требования к 3D КИМ»;

• заказчик определяет потенциальных поставщиков 3D КИМ в Украине и направляет им запросы с «Требованиями» о предоставлении поставщиками коммерческих предложений;

• поставщики предоставляют Заказчику конкурентные «Предложения» с технико-метрологическими и финансовыми показателями 3D КИМ, со сроками и другими условиями поставки;

• заказчик объединяет все конкурентные «Предложения» и собственные «Требования» в виде общей первичной таблицы;

• заказчик рассчитывает коэффициенты сравнений между соответствующими показателями из конкурентных «Предложений» и регламентированных собственных «Требований» и сводит их в другую таблицу;

• заказчик выполняет ранжирование критериев оптимизации, определяет коэффициенты веса (их общая сумма должна равняться единице) и сводит их в третью таблицу;

• заказчик сводит все коэффициенты сравнений и коэффициенты веса в матрицы выбора и рассчитывает рейтинги конкурентных 3D КИМ в четвертой таблице.

1. Главные критерии оптимизации 3D КИМ

Руководство предприятия-Заказчика (согласно компетенции) определяет стратегию 3D измерений на предприятии:

• лимит имеющихся средств на организацию 3D измерений (стоимость закупки, монтажа и обучения, расходы на текущее обслуживание и калибровка);

• желаемые габариты рабочей зоны 3D измерений (с учетом текущего и перспективного ассортимента контролируемых деталей);

• ожидаемые возможности 3D измерений и требования к персоналу;

• ожидаемое место установки 3D КИМ (лаборатория, открытое или закрытое цеховое размещения, участок входного контроля корпусных деталей от сторонних поставщиков).

Уполномоченные специалисты предприятия-Заказчика (метрологи, конструктора, технологи, другие) составляют перечень всех важных для Заказчика показателей 3D КИМ, при этом определяют одновременно от 6 до 12 значимых критериев оптимизации 3D КИМ, которые заносят в таблицу 1 с первичной информацией.

Таблица 1

Условия использования 3D КИМ разделяют по рабочими температурами, смотри Табл.1:

• Цеховые условия при рабочих температурах 5 ... 45 °С;

• Полу-цеховые условия при рабочих температурах 15 ... 30 °С;

• Лабораторные условия при рабочих температурах 18 ... 22 °С.

Технологическую гибкость обеспечивают современные переносные 3D КИМ (не путать их с 3D измерительными руками, которые существенно уступают переносным 3D КИМ по погрешности), смотреть Табл.1.

Целесообразно закупать 3D КИМ у проверенных дистрибьюторов в Украине, что обеспечит Заказчику юридическую защиту договорных отношений, реальную гарантию и послегарантийный сервис в краткие сроки.

В Украине дистрибьюторы 3D КИМ (кроме английских «Aberlink»), обычно не предоставляют на сайтах и в каталогах их цены, что усложняет работу Заказчика.

Специалисты Заказчика должны оценивать коммерческие предложения от поставщиков 3D КИМ в Украине с равнозначными комплектациями:

- соответствующими ПО;

- измерительными головками и щупами;

- с учетом транспортировки, монтажа и пуско-наладочных работ;

- начальной калибровки по стандарту ISO 17025;

- начального обучения операторов;

- контрольного 3D измерения согласованных контрольных деталей Заказчика.

Обязательные требования к поставщикам 3D КИМ:

• позитивный опыт поставщика 3D КИМ в Украине;

• наличие собственных 3D КИМ для демонстрации возможностей 3D;

• наличие собственного сервисного подразделения для гарантийного та постгарантийного обслуживания;

• наличие собственной метрологической лаборатории, аккредитованной на право калибровки 3D КИМ по стандарту ISO 17025.

С целью количественного сравнения критериев оптимизации для разных конкурентных предложений необходимо привести их к единым коэффициентам сравнения, для этого вычисляют их соотношения к соответствующим показателям регламентированных «Требований Заказчика».

Критерий 1. Показатели трехмерной рабочей зоны.

К обязательным критериям оптимизации 3D КИМ относятся три показателя трехмерной рабочей зоны:

• перемещение по фронтальной оси Х;

• перемещение по поперечной оси Y;

• перемещение по вертикальной оси Z.

Требования Заказчика к желанным рабочим перемещениям по осям (Xз, Yз, Zз) зависят от измеряемых размеров и габаритов измерительной детали, с учетом длины щупов.

Желаемые (но не всегда финансово возможно) создать метрологические резервы 3D измерений по трём осям для всех конкурентных вариантов 3D КИМ (Xi, Yi, Zi) в случае следующих измерений более габаритных деталей.

Необоснованное увеличение Заказчиком объема трехмерной рабочей зоны (Xз, Yз, Zз) усложняет процесс, ухудшает погрешность и стремительно увеличивает себестоимость 3D измерений.

Показатели перемещений X, Y та Z рассматриваются как три отдельные главные критерии оптимизации, среди которых самым важным показателем является вертикальная ось Z (положение вертикальной измерительной колоны 3D КИМ в наибольшей степени ограничивают возможности измерений габаритных деталей) и продольное перемещение по оси Х, ограниченное мостовыми опорами. Поперечная ось Y наименее важная, поскольку есть возможность незначительного консольного размещения измерительной детали за пределами рабочего стола.

Для единой количественной оценки каждый из трех паспортных показателей перемещений по осям (Xi, Yi, Zi) для всех конкурентных предложений 3D КИМ сравнивают с соответствующими требованиями Заказчика за тремя осями (Xз, Yз, Zз) и отображают в виде разделов для трех осей (Xз/Xi; Yз/Yi; Zз/Zi), что обеспечивает единый подход для всех конкурентных предложений (таблица 2).

Критерий 2. Собственные регламентированные перемещения

При отсутствии стандарта на рекомендуемые размеры показателей перемещений вдоль ортогональных осей разные производители предлагают 3D КИМ с собственными регламентированными перемещениями по трем осям (Xi, Yi, Zi) для 3D измерений.

Кроме обеспечения желаемой трехмерной зоны по осям Xз,Yз, Zз также целесообразно учитывать желаемую максимальную длину измерений в виде пространственной диагонали Lз, как четвертого критерия оптимизации.

Длина пространственной диагонали L является тем размером, который необходимо учитывать при исчислении крупнейшей погрешности измерений 3D КИМ по паспортной формуле погрешности.

Для учета длин пространственной диагонали Li для каждого из конкурентных 3D КИМ целесообразно их сравнить с длиной пространственной диагонали Lз от Заказчика и отразить все конкурентные предложения пространственных диагоналей в виде безразмерных разделов (Li/Lз) (таблица 2).

Критерий 3. Выбор между ручными или автоматическими 3D перемещениями.

Автоматизированное перемещение в трехмерной зоне ускоряет и упрощает 3D измерения и существенно уменьшает погрешность измерений за счет уменьшения субъективного влияния оператора.

Цена автоматизированных контактных 3D КИМ на 35…50% больше цены аналогичных ручных, однако это компенсируется значительно лучшими функциональными и метрологическими показателями.

Для количественного сравнения ручного или автоматического перемещения 3D КИМ используется подход, когда автоматическое перемещение кодируется как «1», а ручное перемещение кодируется как «0» (таблица 2).

Критерий 4. Ожидаемая паспортная погрешность.

Ожидаемую паспортную погрешность 3D КИМ целесообразно назначить в 1,5…2,5 раза меньше, чем соответствующие допуски измеряемых деталей.

Обычно паспортные погрешности 3D КИМ имеют вид линейной функции:

Gi=gi+Lі/ki,

где:

• аргумент Lі соответствует максимальной длине трехмерной измеряемой зоны (длине пространственной диагонали параллелепипеда XiYiZi);

• начальная погрешность gi и коэффициент ki определяются по каталогам производителей 3D КИМ.

Погрешности от Заказчика Go и погрешности Gi по формулам погрешностей из конкурентных предложений 3D КИМ должны быть согласованы по единым условиям сравнения.

Большинство производителей предлагают несколько уровней прецизионности для 3D КИМ, погрешность которых отличается между собой на 20-50% за счет использования специальных измерительных головок, специальных шкал с меньшей дискретностью 3D отсчета.

Погрешности ручных контактных 3D КИМ обычно на 10-20% больше погрешности автоматических контактных КИМ аналогичных диапазонов и дискретности.

Для сравнения погрешностей конкурентных предложений 3D КИМ выполняют следующие действия:

• вычисляют погрешности по формулам всех конкурентных 3D КИМ с учетом длины регламентированной пространственной диагонали Lo для трехмерной рабочей зоны (Xo, Yo, Zo);

• приводят вычисленные конкурентные погрешности Gi (с учетом регламентированной Заказчиком погрешности Go) к виду безразмерных разделов типа Go/Gi (таблица 2).

Критерий 5. Дискретность отсчета линейных шкал

Дискретность отсчета линейных шкал (1,0 мкм/ 0,5 мкм/ 0.1 мкм) производители фиксируют в каталогах 3D КИМ, но дискретность, как значимый критерий оптимизации не учитывается, поскольку этот показатель уже учтен в общей погрешности 3D КИМ.

Критерий 6. Нагрузка на стол

Этот показатель является малозначимым, поскольку производители КИМ предусматривают прочность и жесткость стола в базовой комплектации, что соответствует габаритам измеряемой детали.

Заказчик самостоятельно определяет желаемую нагрузку Qo для содержания измеряемой детали.

В особых случаях 3D измерений тяжелых деталей (масса 500-6000 кг) производители 3D КИМ используют специальные столы с усиленными опорами и с паспортной нагрузкой Qi.

Для измерения очень тяжелых габаритных деталей целесообразно использовать уникальные портальные КИМ с установкой крупногабаритной детали непосредственно на пол.

Для сравнения нагрузок Qi всех конкурентных предложений 3D КИМ (с учетом регламентированного Заказчиком нагрузки Qo) для матрицы оптимизации 3D КИМ используют безразмерные разделения Qi/Qo (таблица 2).

Критерий 7. Выбор между интуитивным программным обеспечением (ИПО) и традиционным программным обеспечением (ТПО).

Этот выбор есть принципиальным, поскольку 3D измерения построены на сложных многофакторных математических вычислениях, которые могут существенно затруднять использование 3D КИМ.

Традиционные ПО для 3D КИМ имеют достаточно сложный, не всегда очевидный путь использования, что предполагает повышенные требования для пользователя.

Требования к пользователю традиционного программного обеспечения:

• обязательная высокая начальная квалификация оператора;

• начальное обучение оператора в течении 4-8 недель для использования сложного ТПО;

• только платные текущие обновления ТПО и дополнительное обучение оператора при существующей сложности обновлений;

• высокая квалификация и лояльность оператора 3D КИМ (от этого зависит эффективность 3D измерений);

Следует учитывать сложность, большие прямые расходы в случаях замены штатного оператора, организации второй смены 3D измерений, в случае увольнения (с дополнительными прямыми затратами на обучение).

Новейшие интуитивные ІПО для 3D КИМ (все модели английских 3D КИМ «Aberlink» и одна цеховая модель итальянской 3D КИМ «Dea») позволяют за 2-3 рабочих дня научиться использованию и программированию для полноценных 3D измерений даже с начальным уровнем знаний.

Примером интуитивного ИПО есть смартфоны, не требующие специальных навыков и обучения, поэтому доступны даже для пятилетних детей.

Для сравнения 3D КИМ с ИПО и ТПО предложено кодирования, когда интуитивное ИПО кодируется, как «1», а традиционное – как «0» (таблица 2).

Критерий 8. Цена

Заказчик всегда имеет лимитная цену Rо, в пределах которой предусмотрено приобрести необходимую 3D КИМ (среди конкурентных предложений по ценам Ri).

С целью сравнения всех конкурентных ценовых предложений Ri для заполнения матрицы выбора 3D КИМ используют безразмерные разделения (Rо-Ri)/Ro:

• разделения имеют знак «+» в случае, когда лимитная цена Заказчика Rо выше цены конкурентного предложения Ri;

• разделения имеют знак «-» в случае, когда лимитная цена Заказчика Rо меньше цены конкурентного предложения Rі.

Критерий 9. Расходы на текущее обслуживание 3D КИМ.

Ежегодные консультации, сервис, модернизация, плановая и внеплановая калибровка согласно ISO17025 в течение всего срока использования 3D КИМ (10…20 лет) могут приближаться к цене «R» за 3D КИМ.

Заказчику целесообразно установить лимиты затрат на текущее обслуживание (ro) и желательно получить от поставщиков 3D КИМ конкурентные предложения относительно стоимости ожидаемых расходов (ri).

Для сравнения конкурентных предложений ежегодных расходов ri на обслуживание 3D КИМ (с учетом ожидаемых лимитных расходов Rо от Заказчика) для заполнения матрицы оптимизации используют безразмерные разделения (ro-ri)/ ro (таблица 2):

• разделения имеют знак «+» в случае, когда лимит ожидаемых расходов ro Заказчика выше конкурентное коммерческое предложение ожидаемых расходов (ri);

• разделения имеют знак «-» в случае, когда лимит ожидаемых затрат ro Заказчика меньше чем конкурентное коммерческое предложения rj ожидаемых расходов.

Критерий 10. Масса, габаритные размеры, требования к электросети и сжатого воздуха, другие

Заказчик может учесть их или и другие показатели, в соответствии условиям пользования 3D КИМ.

В таблице 2 приведен перечень десяти критериев оптимизации для 3-х конкурентных предложений с расчетом сравнительных коэффициентов для каждого конкурентного предложения, что в дальнейшем будут использованы для заполнения матрицы выбора 3D КИМ.

Таблица 2

2. Вес критериев оптимизации 3D КИМ

Ранжирование критериев оптимизации при выборе контактной 3D КИМ выполняют специалисты Заказчика в зависимости от потребностей 3D измерений и финансовых возможностей Заказчика :

• минимальное количество критериев оптимизации не может быть меньше шести (X, Y, Z, , Р/А, G, R), при этом сумма весовых коэффициентов всегда равна 1,0;

• максимальное количество критериев оптимизации может быть неограниченным, но мы считаем для достоверного выбора 3D КИМ достаточно 10 весомых показателей (дивись Табл.1), при этом сумма весовых коэффициентов также всегда равна 1,0.

В таблице 3 приведено ранжирование 10 критериев оптимизации по двум противоположным стратегиям закупки 3D КИМ:

• стратегия приоритета технико-метрологических критериев относительно ценовых критериев, при этом в целом занимают 84% веса всех критериев при выборе 3D КИМ;

• ценовые показатели являются приоритетным критерием оптимизации 3D КИМ и охватывают 17- 51% суммарного веса всех критериев оптимизации.

Таблица 3 Ранжирование критериев оптимизации по противоположным стратегиям закупки 3D КИМ

3. Матрица выбора и расчет рейтинга 3D КИМ

После расчета сравнительных коэффициентов для критериев оптимизации всех конкурентных предложений по выбору 3D КИМ (таблица 2), также после определения стратегии ранжирование с установлением соответствующих весовых коэффициентов для критериев 3D КИМ (таблица 3) завершающим шагом алгоритма является составление матрицы выбора и расчет рейтингов конкурентных 3D КИМ.

Составление матрицы выбора и расчет рейтингов конкурентных 3D КИМ на примерах двух направлений использования 3D КИМ:

• цеховая ручная 3D КИМ с использованием при рабочих температур 5-45 °С с минимальной рабочей зоной;

• лабораторная автоматическая 3D КИМ с использованием при рабочих температур 18-22 °С с рабочей зоной 700х1100х600 мм с погрешностью 6,5 мкм.

Цеховые переносные автоматические 3D КИМ с широчайшим рабочим диапазоном температур 5-45°С изготавливает только английская фирма «Aberlink» (таблица 1).

Две модели полуцеховых автоматических 3D КИМ с рабочим диапазоном температур 15-30 °С изготавливает только концерн «Hexagon» (таблица 1).

Для примера составлено две матрицы выбора и вычислено рейтинги для двух типоразмеров 3D КИМ для виртуальных Заказчиков:

• лабораторная ручная 3D КИМ с трехмерной рабочей зоной 500х500х500 мм с погрешностью 6,8 мкм (таблица 4);

• лабораторная автоматическая 3D КИМ с трехмерной рабочей зоной 700х1000х600 мм с ожидаемой погрешностью 7,4 мкм (таблица 5).

При заполнении двух матриц выбора 3D КИМ (таблицы 4, 5) для примера предложили две противоположные стратегии выбора:

• для ручной 3D КИМ приоритет цены (таблица 4);

• для автоматической 3D КИМ приоритет технико-метрологических показателей (таблица 5) .

Таблица 4

Матрица выбора ручной 3D КИМ по стратегии приоритета цены

Таблица 5

Матрица выбора автоматической 3D КИМ по стратегии приоритета технико-метрологеских показателей

Метрологический контроль является конечной производственной операцией, поэтому качественные 3D измерения уменьшают себестоимость производства и повышают конкурентоспособность продукции, что особенно важно в условиях мирового кризиса.