De productie-industrie heeft zich aangepast aan voortdurende eisen om gelijke tred te houden met het toenemende detailniveau in producten en de constante vraag naar efficiëntie. Zo'n niveau van nauwkeurigheid is nu gebruikelijk in huidige goederen. Het bereiken van dit niveau van precisie is slechts het begin; metrologie is nog steeds nodig om toleranties te meten en te bevestigen. Dit essay zal metrologie definiëren en het belang ervan voor de productiesector bespreken.

Wat is Metrologie?

Het Griekse woord “metrologie” betekent de studie van meting. De eerste motivatie voor metrologie kwam voort uit de noodzaak om verwisselbare onderdelen te produceren. Alle afmetingen van de onderdelen moesten binnen een bepaald bereik liggen om haalbaar te zijn; anders pasten ze niet bij hun tegenhangers. Bij het meten van de precisie en kaliber van vervaardigde onderdelen is metrologie uitgegroeid tot een zeer geavanceerd vakgebied met een breed scala aan instrumenten en statistische technieken.

Essentiële Concepten in Metrologie

Het begrijpen van de verschillen tussen onzekerheid, precisie, nauwkeurigheid en tolerantie is essentieel om metrologie te begrijpen.

Wat is Tolerantie?

De toegestane afwijking in de afmetingen van een onderdeel wordt tolerantie genoemd. Voordat de benodigde tolerantie wordt vastgesteld, is het belangrijk om het doel van het onderdeel te begrijpen. Bijvoorbeeld, een as die in een lager glijdt, vereist een smallere tolerantie dan een bout-doorboorgat. Een kleine hoeveelheid overtollige ruimte rond de bout is veilig, maar te veel zal de as laten wiebelen en gevaarlijke oscillaties veroorzaken.

De mogelijkheid van de productiemachine om deze toleranties te bereiken, moet ook worden overwogen; specifieke CNC-machines kunnen onderdelen produceren met een tolerantie van slechts enkele microns, terwijl andere ver verwijderd zijn van dat niveau van nauwkeurigheid. Metrologie-technieken zorgen ervoor dat een vervaardigd product binnen de gegeven tolerantie past. De productiestandaarden van Xometry bevatten toleranties voor verschillende productieprocessen.

Wat is de definitie van nauwkeurigheid?

De mate waarin het gemiddelde van een verzameling gemeten waarden dicht bij de referentiewaarde, X, ligt, is de wiskundige definitie van nauwkeurigheid. Dit kan zich in de productie manifesteren als een discrepantie tussen het eindproduct en het CAD-model of technisch referentieontwerp.

Hoe werkt precisie?

Precisie is de mate waarin elke meting overeenkomt met het gemiddelde van de geregistreerde gegevens. De standaarddeviatie (𝜎) wordt in de statistiek gebruikt om dit uit te drukken. De “standaard” voor standaarddeviatie in de metrologie is ±2𝜎. Dit geeft een betrouwbaarheidsinterval van 95,1% van de fabrikant tot de gemeten waarde binnen 2 standaarddeviaties van de werkelijke of beoogde waarde.

Wat betekent onzekerheid?

Nauwkeurigheids- en precisiebepalingen moeten een onzekerheidswaarde bevatten, die twee standaarddeviaties van de fouten in nauwkeurigheid en precisie is. Over het algemeen moet de onzekerheid van het meetinstrument minstens enkele keren kleiner zijn dan de tolerantie die op het onderdeel wordt gemeten. Om de onzekerheid van de meting te verminderen, is bijvoorbeeld een gereedschap met minstens 10X (0,0001″) precisie nodig om een afmeting van 0,001″ te berekenen.

Welke veelgebruikte gereedschappen worden in de metrologie gebruikt?

In de industrie wordt metrologie uitgevoerd met verschillende meetinstrumenten. Hieronder volgt een lijst van enkele daarvan.

Vernier schuifmaat: Het meest fundamentele meetinstrument, een vernier schuifmaat, behoort tot de minst nauwkeurige omdat de gemeten waarden afhankelijk zijn van de operator. Bijvoorbeeld, verschillende waarden kunnen worden verkregen met verschillende klemkrachten.

Hoogtemeter: Installeer een hoogtemeter op een perfect vlakke ondergrond om de hoogte van een onderdeel te meten. Deze instrumenten kunnen een deel van de variatie veroorzaakt door menselijke fouten verwijderen en onderdelen nauwkeurig meten.

Oppervlakteplaat: Een oppervlakteplaat bestaat vaak uit graniet dat ongelooflijk vlak is gemaakt door oppervlakte slijpen. Het is een referentiepunt voor metingen met een hoogtemeter of wijzerindicer.

Wijzerindicer: Deze instrumenten zijn nauwkeurig, maar kunnen alleen relatieve waarden meten; dat wil zeggen, ze kunnen niet de volledige variatie van een onderdeel bepalen. Een manier om de afwijking van de diameter van een onderdeel te meten, is door een wijzerindicer in een draaibank te monteren. Het kan ook worden gebruikt om vlakheid op een oppervlakteplaat te meten.

Micrometer: Micrometers behoren tot de precieze handmeetinstrumenten omdat ze voorkomen dat de operator te veel druk op het onderdeel uitoefent, wat resulteert in nauwkeurigere metingen.

Coördinatenmeetmachine (CMM): Onder de meest nauwkeurige instrumenten voor fabricagemetrologie is de CMM. Een sonde die boven een gantry is bevestigd, wordt verplaatst totdat deze contact maakt met het onderdeel. De sonde produceert een elektrisch signaal zodra deze contact maakt met het onderdeel. De precieze X-, Y- en Z-coördinaatposities van de sonde worden gevolgd door de interne computer terwijl deze beweegt, waardoor het mogelijk is om een driedimensionaal meetrapport nauwkeurig te produceren. Het zal de totale dimensionale correctheid van een onderdeel in kaart brengen wanneer het op meerdere oppervlakken wordt gedaan.

Optisch comparator: Met behulp van een afbeelding van de 2D-omtrek van een onderdeel, vergelijken optische comparators de afbeelding met de gespecificeerde afmetingen. Dit apparaat is perfect voor het snel meten van 2D-onderdelenprofielen. Digitale comparator: vergelijkbaar met optische comparators, meten digitale comparators functies zonder menselijke tussenkomst via berekeningen.

Wat betekenen beste praktijken voor metingen?

De volgende zijn enkele essentiële elementen voor de metrologiedepartement van elke fabrikant.

Instrumentkalibratie: Alle meetapparatuur heeft regelmatige kalibraties nodig om betrouwbare metingen te garanderen. De gebruikelijke setting hiervoor is een laboratorium. Alternatief kan een minder formele kalibratie worden uitgevoerd met behulp van een kalibratieblok of pin van een gespecificeerde grootte. Het is belangrijk om te onthouden dat de meeste kwaliteitsnormen vereisen dat een erkend laboratorium deze kalibratie uitvoert. Het laboratorium zal een certificaat verstrekken ter verificatie dat het instrument correct is gekalibreerd. Om traceerbaarheid te garanderen, moet het certificaat het serienummer van het instrument vermelden.

Temperatuurgecontroleerde schone omgeving: Materialen veranderen van grootte als reactie op temperatuursveranderingen. Het verschil is meestal veel te klein voor het menselijk oog om te detecteren. Echter, een lichte temperatuursverandering kan de metingen aanzienlijk beïnvloeden als onderdelen micron-nauwkeurig moeten zijn. Het is mogelijk om hetzelfde onderdeel anders te meten in de ochtend en de middag. Bovendien kunnen foutieve metingen worden veroorzaakt door stof of vuil. Veel bedrijven voeren metingen uit in cleanrooms met gecontroleerde temperaturen, gescheiden van de productieomgeving, om deze variabelen uit te sluiten.