进行准确的GD&T测量

2019年5月3日

自Y14.5首次出版以来,已经有80多年了,当时隶属于ASA,Y14.5和GD&T已经发展成为几乎所有类型产品的机械部件和装配的主要产品要求的沟通方式。虽然有几个不同版本的GD&T由不同国家发布。有两个标准在全球工业和整个全球供应链中占主导地位。这就是ISO和ASME系统。ISO和ASME的GD&T规范有几个明显的区别。

有ASME/ISO GD&T记录的国家

虽然在美国有一些企业选择使用ISO标准,但美国创立的GD&T系统(Y14.5),如今在美国机械工程师协会(ASME)下发布,在全球范围内更为普遍。即使在西欧,ISO GD&T更为普遍,ASME Y14.5也是专业人士经常使用的GD&T培训和应用。社会媒体、ASME认证的几何尺寸和公差专业人员(GDTP)名单,以及十年来GD&T培训的个人经验相结合,显示了这两种GD&T标准的主导地位。

  • 概念 - ASME认为,对于大多数的尺寸特征,有两种类型的尺寸需要报告;局部尺寸(或对立点)和配合包络。相比之下,ISO只报告局部尺寸。相关特征(配合圆柱体、平行平面等)用于某些几何公差,但不用于报告尺寸。
  • 应用 - 位置公差在两个版本中都很常见,但ASME保留了位置公差仅用于定位尺寸特征的方法。ISO员工的位置公差不仅用于定位尺寸特征,还用于定位名义上的平面特征。
  • 数学 - ASME对实际配合包络的定义是:可围绕外部特征收缩的最小尺寸或可在内部特征内扩展的最大尺寸,以便与最高点的表面相吻合。这意味着必须对检查过程中收集到的数据采用最大包容和最小包围的拟合算法。ISO默认的是最小二乘法拟合,尽管在应用规范操作者的情况下,也可以应用最大包容度、最小包容度或其他拟合算法。

有很多原因使ASME Y14.5系统的GD&T成为全球更主要的标准。

  • 基于ASME Y14.5的GD&T培训材料的大量涌现,意味着即使许多公司试图培训员工使用ISO的GD&T系统,实际情况是,员工已经被教导应用ASME的符号和规则系统。
  • ASME的认证体系(GDTP或几何尺寸和公差专业)使雇员和雇主都希望通过ASME的专业认证来证明对GD&T的熟练程度。在一个充斥着 "我懂GD&T "简历的世界里,实际证明的熟练程度很重要。
  • 使用美国标准有利于接受非美国国家的外包工程和制造工作。
  • 在过去一个世纪的大部分时间里,美国既是一个经济大国,也是技术和机械创新的领导者。
  • 像DMIS CMM操作语言这样的支持标准是基于ASME的GD&T实践。
来自DMIS 5.2标准第3节的声明

在所有行业中,不符合工程规范可能导致严重后果。保修行动和产品召回可能是数百万美元的开支。由于缺陷产品造成的严重伤害或客户死亡,损害了品牌,使出色的营销活动变得毫无用处。即使是像延迟发货和不合适的零件这样平凡的事情,也会使上市公司的股价下跌。制造变化会发生,因此评估规格的能力,以及对标准的精确性,确保容忍度的关键限制得到维护。如果不这样做,我们已经目睹了导致病人长期疼痛的医疗植入物,导致司机致残的地面车辆,以及可能会造成危险的飞机。

"我们已经学会了生活在一个充满错误和缺陷产品的世界里,好像它们是生活的必需品。 现在是时候采用一种新的哲学了......" 爱德华-戴明博士

历史上,计算机辅助检测(CAI),如CMM操作系统,在努力生成报告值的过程中,对工程图纸规格的评估存在大量缺陷。

这些问题中最主要的是,许多坐标测量机操作系统使用对准坐标系,也称为零件坐标系(PCS),作为基准参考框架的代理。这从一开始就是个糟糕的想法,但对客户来说很直观,而且容易编程,所以这个想法扎根了。对差异的简单解释是指出PCS作为实际基准参考框架的代理(或替代)的不足之处。校准坐标系的轴线每次只能指向一个方向,这些轴线的交点只定义了CMM的一个可能的原点。然而,GD&T基准框架可能需要一个以上的固定轴方向,原点往往可以围绕圆柱体或平行平面宽度等特征进行浮动移动。其结果是,软件中的这些差异可能会报告错误的通过或错误的失败值。

CAMIO的标准选择对话框

LK Metrology的CAMIO软件使用一个真正独立的基准参考框架。基准参考框架和对准坐标系统通常对自由度有不同的约束,不同的原点,甚至X、Y、Z轴的不同方向。在软件的偏好设置中还提供了在主要标准之间进行选择的能力。ISO和ASME标准选择允许这两个全球标准的用户决定如何应用几何公差。CAMIO的偏好选择对话框允许用户以传统的CAI软件无法实现的方式来实现工程师的规范。

对质量专业人员的兴趣来说,有一个坚实的理解应该是至关重要的,即测量涉及到的远不止是探测零件或从计量仪器上获取读数。"测量 "的一个定义是。"确定其范围、尺寸、数量、能力等,特别是通过与标准的比较"。在机械工程中,ISO和ASME的尺寸和公差标准在应用正确的测量中发挥了重要作用。

测量位置

过去,许多CMM程序员试图通过不同的校准和报告方法来解决软件的缺陷。ASME Y14.5-2009图7-5可以用来讨论一些被应用的噱头,以克服PCS的缺陷。

在这第一个例子中,PCS被用作一个基准参考框架的代理。

因为图纸上只有一个基准点,自由度受限太少,程序员只能使用基准点B作为PCS。程序员选择了右下角的孔(6个中的1个)来对齐工件。最小的位置偏差被报告出来,给大家一个错误的信心。这种错误的报告将渗入到对制造过程的错误信心中,这可能会导致在全面生产时降低检查率。

在第二个例子中,程序员再次意识到,仅靠基准点B提供的约束太少,无法定义一个PCS。在这种情况下,我们使用了平面、直线、圆柱体的对齐方式,基准点B的圆柱体仅用于定义PCS中的X和Y原点。简而言之,这个PCS的轴线与第一个例子中的轴线相比,指向的方向都略有不同。这也与设计要求不同,因为主基准点B为基准参考框架的其他两个轴设定了轴的方向和原点。这个噱头为位置公差产生了更高的偏差值,然而它也是不正确的。第一个和第二个例子的编程方式都与实际基准参考框架不同,因此报告的位置公差值不正确。设计工程师或客户发现设计规范没有得到遵守,应该感到非常失望。这个 "解决方案",使用PCS作为基准的代理,并不等同于使用实际的基准参考框架,也不能做到这一点。

在最后一个例子中,对齐是不相关的。程序员允许CAMIO按照工程师的意图使用基准参考框架-只有基准轴B。此外,设计显示了应用于6X孔的位置公差。通过阅读Y14.5定义和第4.19[vi]段,我们发现这是一个同步的要求,所有6个孔与这个单一基准轴的位置关系必须在6个孔的集体模式下进行观察。现在的报告显示,这个孔严重偏离了位置。该零件显然不适合使用,该过程需要立即纠正。与之前的例子相比,在这个孔和基准特征B之间的线被用作这个孔的对准和报告的一部分(从而隐藏了偏差),这份只使用基准轴B的报告显示,这个孔的很大一部分偏差是在关于Z的旋转中--也就是说,从图纸上持有60°角的尺寸。两个噱头的尝试无法检测到这一点,因为他们是根据发现的这个特征的位置来旋转对准,而不是按照工程规范的要求,从图案中的其他5个孔的偏差。

值得注意的是,使用基准参考框架可以显示出比传统(噱头)替代品 "更好 "或 "更糟 "的结果。在这些例子中,如果你的坐标测量机软件没有正确地利用基准参考框架,它被选为显示真正的测量可能会躲避你的质量部门 - 许多坐标测量机软件至今都没有。

进一步了解地点

长期以来,机械工程界一直没有认识到,直接公差的线性尺寸不能有效地定义特征的位置。通常被称为 "坐标尺寸",这些线性尺寸不能有效地定义和限制尺寸测量的方向。

直接公差法的例子
红色的尺寸是位置尺寸

直接公差尺寸,或 "坐标尺寸",对于定义尺寸的特征非常好,因为普遍的尺寸是零件上直接相对的点、线或平面之间的线性距离。因此,唯一需要的方向是固有的测量到相反的元素。出于这个原因,卡尺和千分尺仍然是这些测量的流行和可行的选择。然而,如果需要一个线性尺寸的位置,则需要更多定义测量方向。出于这个原因,ASME Y14.5规定,位置尺寸需要基于一个基准参考框架。这就要求尺寸必须是基本尺寸。基本尺寸最常见的是用框架或 "盒子 "来表达尺寸值。只有基本尺寸是建立在基准参考框架上的。

基本尺寸来自ASME Y14.5-2009

超越这些直接公差尺寸极其有限的用途的需求是Y14.5和GD&T发展的最初催化剂。

许多富有想象力的产品设计师和检验员的做法是,尺寸线的方向表示直接公差尺寸的测量方向。但是,这在任何标准中都没有说明,也没有任何控制这些方向的实际手段,因为方向只能在图纸的数学理论中理解。然而,脱离了这个纯粹的理论,零件的物理现实将方向转化为一个难以捉摸和模糊的实体。

许多CMM程序员的做法是直接将公差位置尺寸的报告编程为沿校准坐标系(或PCS)的距离。

任何时候 "测量 "都必须通过编程来评估对准的一个轴,整个团队都应该对规范和评估方法进行认真的审查,因为这些方法通常充满了错误的机会。

受表面变化影响的线性方向

如图所示,轴的方向对孔在名义条件下被认为是属于哪里有很大影响。黑色显示的孔是图纸上的位置,但与零件的不完美表面对齐,说明软件可以很容易地将不同的位置识别为名义上的正确。当然,这对装配和功能是非常不利的。

通常这些将被报告为 "沿__轴的距离","沿__轴的特征之间的距离",或在图纸上表示。在任何时候都要避免用直接公差的尺寸指定位置,并尽可能避免使用涉及轴线方向的距离报告。使用几何公差和基准参考框架是一个非常有效的手段,可以避免设计者和检查者直接使用公差尺寸进行定位的问题。在LK Metrology的CAMIO 8系列坐标测量机操作系统中,基准功能得到额外的处理,以设置相互垂直的平面,以及相应的轴,符合ASME和ISO标准,如在偏好中选择。

LK Metrology拥有多名经过GDTP认证的专业人员,为客户提供准确的CMM检测程序创建、正确的图纸解释,并确保LK的CMM操作系统CAMIO按照设计工程师的意图和ASME Y14.5标准进行测量。

摘要

不符合工程规范会导致严重和昂贵的后果。LK Metrology的CAMIO软件是一种复杂而强大的手段,可以评估您的产品是否符合工程规范。该软件能够从广泛的基准特征类型中评估基准参考框架--平面、圆柱体、平行平面和几种模式的组合。CAMIO的公差库支持所有14种几何公差(Y14.5 1994 & 2009),并在需要时,正确评估基准参考框架而不是PCS轴。改变标准的能力使CAMIO成为一个全球性的解决方案。

资料来源。 Metrology News