Esecuzione di misure GD&T accurate

Sono passati più di 80 anni dalla prima pubblicazione della Y14.5, allora sotto l'egida dell'ASA, e la Y14.5 e la GD&T si sono evolute fino a diventare il mezzo principale per comunicare i requisiti di prodotto per i componenti meccanici e gli assiemi di praticamente tutti i tipi di prodotti. Esistono diverse versioni di GD&T pubblicate da varie nazioni. Ci sono due standard che sono dominanti tra le industrie globali e nelle catene di fornitura globali. Si tratta dei sistemi ISO e ASME. Le specifiche ISO e ASME in materia di GD&T presentano numerose differenze degne di nota.

Mentre negli Stati Uniti alcune aziende scelgono di utilizzare lo standard ISO, il sistema di GD&T fondato negli Stati Uniti (Y14.5), oggi pubblicato dalla American Society of Mechanical Engineers (ASME), è più diffuso in tutto il mondo. Anche nell'Europa occidentale, dove la GD&T ISO è più diffusa, l'ASME Y14.5 è spesso il sistema di formazione e applicazione della GD&T utilizzato dai professionisti. I social media, l'elenco ASME dei professionisti certificati di quotatura e tolleranza geometrica (GDTP) e l'esperienza personale di un decennio di formazione GD&T sono stati combinati per mostrare dove questi due standard GD&T sono dominanti.

• Concetti - L'ASME sostiene che ci sono due tipi di dimensioni da riportare per la maggior parte delle caratteristiche dimensionali: le dimensioni locali (o punti opposti) e l'inviluppo di accoppiamento. L'ISO, in confronto, riporta solo la dimensione locale. La caratteristica associata (cilindro di accoppiamento, piani paralleli, ecc.) viene utilizzata per alcune tolleranze geometriche, ma non per la dimensione riportata.
• Applicazioni - La tolleranza di posizione è molto comune in entrambe le versioni, ma l'ASME riserva l'uso delle tolleranze di posizione solo per la localizzazione di elementi di dimensioni. L'ISO impiega le tolleranze di posizione per localizzare non solo elementi di dimensioni, ma anche elementi nominalmente planari.
• Matematica - L'ASME definisce gli inviluppi di accoppiamento effettivi in termini di dimensioni minime che possono essere contratte su un elemento esterno o di dimensioni massime che possono essere espanse all'interno di un elemento interno in modo da coincidere con la superficie (o le superfici) nei punti più alti. Ciò significa che ai dati raccolti durante l'ispezione deve essere applicato un algoritmo di adattamento di massima inscritta e minima circoscritta. Per impostazione predefinita, ISO prevede l'applicazione di un fitting ai minimi quadrati, ma quando si applicano gli operatori di specifica è possibile applicare gli algoritmi di fitting massimo inscritto, minimo circoscritto o altri algoritmi.

Ci sono molte ragioni per cui il sistema ASME Y14.5 di GD&T è lo standard più diffuso a livello globale:

• La proliferazione massiccia di materiale di formazione GD&T basato sulla norma ASME Y14.5 fa sì che, anche se molte aziende hanno cercato di formare i dipendenti all'uso del sistema ISO di GD&T, la realtà è che ai dipendenti è stato insegnato ad applicare il sistema ASME di simboli e regole.
• Il sistema di certificazione ASME (GDTP o Geometric Dimensioning and Tolerancing Professional) fa sì che i dipendenti e i datori di lavoro si rivolgano alla certificazione professionale ASME per dimostrare la competenza in materia di GD&T. In un mondo inondato di dichiarazioni sul curriculum "conosco la GD&T", l'effettiva competenza dimostrata è importante.
• L'utilizzo degli standard statunitensi facilita la ricezione di lavori di ingegneria e produzione in outsourcing per i paesi non statunitensi.
• Per la maggior parte del secolo scorso, gli Stati Uniti sono stati una potenza economica e un leader nella tecnologia e nelle innovazioni meccaniche.
• Gli standard di supporto, come il linguaggio operativo della CMM DMIS, si basano sulle pratiche GD&T dell'ASME.

In tutti i settori, il mancato rispetto delle specifiche tecniche può avere gravi conseguenze. Le azioni di garanzia e i richiami dei prodotti possono comportare spese multimilionarie. Lesioni gravi o la morte di un cliente attribuite a prodotti difettosi hanno danneggiato i marchi e reso inutili le brillanti campagne di marketing. Anche qualcosa di banale come spedizioni in ritardo e pezzi mal montati hanno fatto crollare il prezzo delle azioni di società pubbliche. Le variazioni di produzione si verificano, quindi la capacità di valutare le specifiche, con precisione rispetto agli standard, assicura che i limiti critici di una tolleranza siano rispettati. In caso contrario, abbiamo assistito a impianti medici che causano dolori cronici ai pazienti, veicoli terrestri che mutilano i conducenti e aerei che possono essere pericolosi da pilotare.

"Abbiamo imparato a vivere in un mondo di errori e prodotti difettosi come se fossero necessari alla vita. È tempo di adottare una nuova filosofia...". Dr. Edward Deming

Storicamente sono state riscontrate enormi carenze nelle attività di ispezione assistita da computer (CAI), come il sistema operativo di una CMM, per la valutazione delle specifiche del disegno ingegneristico nel tentativo di generare un valore riportato.

Il principale di questi problemi è stato il fatto che molti sistemi operativi per CMM utilizzano il sistema di coordinate di allineamento, noto anche come sistema di coordinate del pezzo (PCS), come proxy per un quadro di riferimento dei dati. Si trattava di un'idea sbagliata fin dall'inizio, ma era intuitiva per il cliente e facile da programmare, per cui l'idea ha preso piede. Una semplice spiegazione delle differenze consiste nell'evidenziare le carenze del PCS come proxy (o sostituto) di un quadro di riferimento reale. Gli assi del sistema di coordinate dell'allineamento possono puntare solo in una direzione alla volta e l'intersezione di questi assi definisce una sola origine possibile per la CMM. I quadri di riferimento GD&T, tuttavia, possono richiedere più di una direzione fissa dell'asse e l'origine può spesso spostarsi di un elemento come un cilindro o un piano parallelo. Il risultato è che queste discrepanze nel software possono riportare falsi valori di superamento o di fallimento.

Il software CAMIO di LK Metrology utilizza un quadro di riferimento realmente indipendente. Il quadro di riferimento dell'origine e il sistema di coordinate di allineamento avranno spesso vincoli diversi sui gradi di libertà, origini diverse e persino direzioni diverse per gli assi X, Y e Z. La possibilità di selezionare tra i principali standard è prevista anche nelle impostazioni di preferenza del software. La selezione degli standard ISO e ASME consente agli utenti di entrambi gli standard globali di determinare le tolleranze geometriche da applicare. La finestra di dialogo per la selezione delle preferenze di CAMIO consente agli utenti di soddisfare le specifiche dell'ingegnere in modi che il software CAI tradizionale non è in grado di fare.

Per i professionisti della qualità dovrebbe essere fondamentale avere una solida comprensione del fatto che la misurazione implica molto di più che sondare i pezzi o prendere le letture dagli strumenti metrologici. Una definizione di "misurare" è: "accertare l'estensione, le dimensioni, la quantità, la capacità, ecc. di, specialmente attraverso il confronto con uno standard". Nel caso dell'ingegneria meccanica, gli standard di dimensionamento e tolleranza ISO e ASME svolgono un ruolo fondamentale nell'applicazione di misure corrette.

Posizione di misura

In passato molti programmatori di CMM hanno cercato di aggirare le carenze del software con diversi metodi di allineamento e di reporting. La figura 7-5 dell'ASME Y14.5-2009 può essere utilizzata per discutere alcuni degli espedienti applicati per superare le carenze del PCS.

In questo primo esempio, il PCS è stato utilizzato come proxy di un quadro di riferimento.

Poiché il disegno ha un solo riferimento all'origine, i gradi di libertà vincolati sono troppo pochi perché il programmatore possa usare solo l'origine B come PCS. Il programmatore ha scelto il foro in basso a destra (1 di 6) per allineare il pezzo. La deviazione posizionale minima viene segnalata, dando a tutti un falso senso di fiducia nel pezzo. Questa segnalazione errata si tradurrà in un falso senso di fiducia nel processo di produzione, che potrebbe portare a tassi di ispezione più bassi con l'aumento della produzione.

In un secondo esempio, il programmatore si rende conto che l'origine B da sola offre troppi pochi vincoli per definire un PCS. In questo scenario è stato utilizzato un allineamento piano, linea e cilindro, con il cilindro dell'origine B utilizzato solo per definire l'origine X e Y del PCS. In breve, gli assi di questo PCS, rispetto a quelli del primo esempio, puntano tutti in direzioni leggermente diverse. Ciò differisce anche dai requisiti di progetto, poiché il dato primario B stabilisce la direzione e l'origine degli assi per gli altri due assi del quadro di riferimento del dato. Questo espediente produce un valore di deviazione più elevato per la tolleranza di posizione, ma è anche scorretto. Sia il primo che il secondo esempio sono stati programmati in modo diverso dal quadro di riferimento dell'origine reale e quindi riportano un valore errato per la tolleranza di posizione. L'ingegnere progettista, o il cliente, dovrebbe essere molto deluso nello scoprire che le specifiche di progetto non sono state rispettate. La "soluzione", che prevede l'uso del PCS come proxy per un datum, non è e non può essere resa equivalente all'uso di un datum di riferimento reale.

In un ultimo esempio, l'allineamento è irrilevante. Il programmatore consente a CAMIO di utilizzare il quadro di riferimento dell'origine come previsto dall'ingegnere - solo l'asse B. Inoltre, il progetto mostra la tolleranza di posizione applicata a 6X fori. Dalla lettura delle definizioni Y14.5 e del paragrafo 4.19[vi] si evince che si tratta di un requisito simultaneo e che la posizione di tutti i 6 fori rispetto a questo singolo asse di riferimento deve essere considerata nel contesto del modello collettivo di 6 fori. Il rapporto mostra ora che questo foro è gravemente fuori posizione. Il pezzo è chiaramente inadatto all'uso e il processo deve essere immediatamente corretto. Rispetto agli esempi precedenti, in cui era stata utilizzata una linea tra questo foro e l'elemento di riferimento B come parte dell'allineamento e del report per questo foro (nascondendo così le deviazioni), questo report che utilizza solo l'asse di riferimento B mostra che gran parte della deviazione di questo foro è nella rotazione intorno a Z - cioè tenendo la dimensione dell'angolo di 60° dal disegno. I due tentativi di espediente non sono stati in grado di rilevarlo perché hanno ruotato l'allineamento in base alla posizione di questo elemento, anziché in base alla deviazione dagli altri 5 fori del modello, come richiesto dalle specifiche tecniche.

Vale la pena notare che l'uso di quadri di riferimento può mostrare risultati "migliori" o "peggiori" rispetto alle alternative tradizionali (espedienti). In questi esempi è stato scelto di mostrare come la misura reale possa sfuggire al vostro reparto qualità se il vostro software CMM non utilizza correttamente i quadri di riferimento dell'origine - molti software CMM ancora oggi non lo fanno.

Ulteriore comprensione della posizione

Da tempo la comunità degli ingegneri meccanici non comprende che le dimensioni lineari con tolleranza diretta non sono in grado di definire efficacemente la posizione degli elementi. Spesso chiamate "quotature a coordinate", queste quote lineari non definiscono e non limitano efficacemente la direzione in cui la quota deve essere misurata.

Le dimensioni direttamente tollerate, o "dimensioni coordinate", sono ottime per definire la caratteristica della dimensione perché universalmente la dimensione è la distanza lineare tra punti, linee o piani direttamente opposti di un pezzo. Pertanto, l'unica direzione necessaria è quella della misurazione verso un elemento opposto. Per questo motivo, calibri e micrometri rimangono opzioni popolari e valide per queste misure. Tuttavia, quando è richiesta una dimensione lineare per le posizioni, è necessario definire la direzione di misura. Per questo motivo, la norma ASME Y14.5 stabilisce che le dimensioni delle posizioni devono essere basate su un quadro di riferimento. Ciò richiede intrinsecamente che le dimensioni siano dimensioni di base. Le dimensioni di base sono più comunemente espresse con una cornice o una "scatola" intorno al valore della dimensione. Solo le quote di base sono fondate in un quadro di riferimento.

L'esigenza di superare l'utilità estremamente limitata delle dimensioni direttamente tollerate è stata il catalizzatore originale di gran parte dello sviluppo della norma Y14.5 e della GD&T.

Molti progettisti e ispettori di prodotti fantasiosi hanno sempre pensato che la direzione della linea di quota indicasse la direzione di misura di una quota direttamente tollerata. Ma questo non è semplicemente indicato in nessuna norma, né ci sarebbe alcun mezzo reale per controllare queste direzioni, perché una direzione può essere compresa solo nella teoria matematica del disegno. Tuttavia, al di fuori di questa teoria pura, la realtà fisica del pezzo trasforma la direzione in un'entità sfuggente e ambigua.

La prassi di molti programmatori di CMM è stata quella di programmare il report delle dimensioni della posizione di tolleranza direttamente come distanze lungo il sistema di coordinate di allineamento (o PCS).

Ogni volta che una "misura" deve essere programmata per valutare un asse di un allineamento, l'intero team deve esaminare seriamente sia le specifiche che il metodo di valutazione, poiché questi metodi sono generalmente pieni di possibilità di errore.

Come illustrato, la direzione dell'asse può avere un'influenza significativa sul punto in cui il foro viene percepito come appartenente alla sua condizione nominale. Il foro mostrato in nero era la posizione del disegno, ma l'allineamento con le superfici imperfette del pezzo dimostra che il software potrebbe facilmente identificare una posizione diversa come nominalmente corretta. Questo, ovviamente, sarebbe deleterio per l'assemblaggio e il funzionamento.

Di solito questi dati vengono riportati come "Distanza lungo l'asse __", "Distanza tra elementi lungo l'asse __" o espressi sui disegni. Evitate sempre di specificare posizioni con dimensioni con tolleranze dirette ed evitate, quando possibile, di utilizzare la segnalazione delle distanze che coinvolgono le direzioni degli assi. L'uso delle tolleranze geometriche e dei quadri di riferimento è un mezzo molto efficace per evitare al progettista e all'ispettore i problemi legati alle dimensioni con tolleranza diretta per la localizzazione. Nel sistema operativo per CMM CAMIO serie 8 di LK Metrology le funzioni di origine ricevono un'elaborazione aggiuntiva per impostare i piani reciprocamente perpendicolari e gli assi corrispondenti del quadro di riferimento dell'origine in conformità agli standard ASME e ISO, come selezionato nelle preferenze.

LK Metrology dispone di diversi professionisti certificati GDTP per assistere i clienti nella creazione di programmi di ispezione CMM accurati, nella corretta interpretazione dei disegni e nel garantire che il sistema operativo per CMM di LK, CAMIO, esegua le misure come previsto dall'ingegnere progettista e in conformità allo standard ASME Y14.5.

Sintesi

Il mancato rispetto delle specifiche tecniche può avere conseguenze gravi e costose. Il software CAMIO di LK Metrology è un mezzo sofisticato e potente per valutare la conformità dei prodotti alle specifiche tecniche. Il software è in grado di valutare i quadri di riferimento delle origini da un'ampia gamma di tipi di elementi di riferimento: piani, cilindri, piani paralleli e diverse combinazioni di modelli. La libreria delle tolleranze di CAMIO supporta tutte le 14 tolleranze geometriche (Y14.5 1994 e 2009) e, quando richiesto, le valuta correttamente rispetto a un'origine di riferimento piuttosto che all'asse PCS. La possibilità di cambiare gli standard rende CAMIO una soluzione globale.

Fonte: Notizie di metrologia