Нормирование точности и технические измерения

Организация серийного выпуска изделий потребовала сокращения вложенного в них овеществленного труда. Добиться снижения себестоимости изделий можно было за счет упрощения конструкции (в первую очередь отказа от "излишеств" – дорогих материалов, трудоемких украшений, нетехнологичных деталей и сборочных единиц) и изменения технологии (обеспечения разделения труда и кооперации производства).

Разделение труда в предельной форме можно представить, как членение технологического процесса изготовления изделия на операции – простейшие действия, каждое из которых выполняется одним работником (оператором). Научиться выполнению такой операции можно в течение нескольких минут, а достаточные навыки работы приобрести за 2...3 рабочие смены. Выигрыш от такой организации труда – высокая производительность при минимальных требованиях к квалификации работника.

Для обеспечения определенного уровня качества серийно выпускаемых изделий необходимо, чтобы все обработанные детали одного назначения (номенклатуры, типоразмера) были практически одинаковыми. Различия между деталями должны быть столь незначительны, чтобы любая из них собиралась с ответными, а собранные вместе они составляли изделие, неотличимое в работе от других. Детали, и более сложные изделия, если они отвечают поставленным требованиям, называются взаимозаменяемыми.

В бытовом смысле взаимозаменяемость можно рассматривать как одинаковость" изделий, но поскольку абсолютно одинаковых изделий не существует, очевидно, что при изготовлении следует всего лишь не допустить таких различий, которые выходят за оговоренные нормы. Эти нормы фиксируют в документации (конструкторская документация, технические описания, паспорта и др.). Для придания наиболее часто употребляемым нормам официального статуса широко используется стандартизация. Стандартизуют сложные изделия и процессы, их составные части, вплоть до элементарных. Всем известны не только стандартные дома и машины, но и стандартное напряжение электрической сети, стандартные размеры магнитной ленты, магнитных и оптических дисков, скорости записи и воспроизведения информации.

Для получения стандартных изделий заданного уровня качества приходится организовывать разветвленную нормативную базу. Стандартизация является нормативной базой взаимозаменяемости серийно выпускаемых изделий и многократно воспроизводимых процессов.

В технике взаимозаменяемость изделий подразумевает возможность равноценной (с точки зрения оговоренных условий) замены одного другим в процессе изготовления или ремонта. Чем более подробно и жестко нормированы параметры изделий, тем проще реализуется замена, но тем сложнее обеспечить взаимозаменяемость.

Взаимозаменяемость изделий и их составных частей (узлов, деталей, элементов) следует рассматривать как единственную возможность обеспечения экономичного серийного и массового производства изделий заданного уровня качества. Одинаковый (колеблющийся в пределах пренебрежимых для потребителя различий) уровень качества конечных изделий конкретного производства обеспечивается выполнением определенного набора требований. Требования предъявляются ко всем элементам деталей и сопряжений, которые обеспечивают нормальную работу изделия. Обеспечение взаимозаменяемости, а значит и заданного уровня качества изделий подразумевает:

• установление комплекса требований ко всем параметрам, оказывающим влияние на взаимозаменяемость и качество изделий (нормирование номинальных значений и точности параметров);

• соблюдение при изготовлении установленных норм, единых для одинаковых объектов, и эффективный контроль нормируемых параметров.

При этом "пробелы" при назначении норм или неправильный, нечетко определенный выбор их границ могут привести к нарушению взаимозаменяемости изготавливаемых изделий, следовательно, к несоблюдению заданного уровня качества изделий. Неправильный или неполный набор при нормировании номенклатуры параметров или их предельных значений приведет к нарушению взаимозаменяемости (вплоть до издевательства над заказчиком: "...за время пути собака могла подрасти"), при котором изготовитель формально не может быть обвинен в несоблюдении норм.

Итак, высшим достижением нормирования параметров изделия будет обеспечение полной взаимозаменяемости однотипных изделий в любой изготавливаемой партии. Полная взаимозаменяемость подразумевает взаимозаменяемость изделий по всем нормируемым параметрам. Параметры и свойства, не имеющие принципиального значения для функционирования изделий, не нормируются. Например, домохозяйку мало интересуют размеры частиц сахара-песка, который продается "на вес", в то время как для макаронных изделий форма и размеры могут быть достаточно значимыми свойствами, поскольку лапша и вермишель развариваются неодинаково. Взаимозаменяемость (полная взаимозаменяемость) подразумевает соблюдение в процессе изготовления изделия всех его нормируемых параметров в заданных пределах.

В число нормируемых параметров изделий могут входить:

- геометрические (размеры, форма, расположение и шероховатость поверхностей);

- физико-механические (твердость, масса, отражательная способность и т.д.);

- экономические (себестоимость, лимитная цена, производительность и др.);

- прочие (эргономические, эстетические, экологические и др.).

Можно "отказаться от взаимозаменяемости" еще в процессе проектирования, заложив в конструкцию компенсатор, который обеспечивает изменение в определенных пределах (регулирование) нормируемого параметра. Всем известны регулируемые опоры (ножки) приборов и мебели, которые позволяют компенсировать не только неточности изготовления самих изделий, но и несовершенство базовых поверхностей (стола, пола).

"Функциональная взаимозаменяемость" – аналог полной взаимозаменяемости, которая понимается не в буквальном смысле (одинаковость параметров), а ограничивается необходимым и достаточным набором требований к работе (выполнению функций) изделия. Например, функционально взаимозаменяемыми могут оказаться карандаш, шариковая или перьевая ручка, кусок мела, пишущая машинка, компьютер если необходимо записать краткое сообщение (перечень составлен без учета экономических затрат и квалификации). Наложение экономических ограничений может резко укоротить такой список. Особенностью, которую подчеркивает термин "функциональная взаимозаменяемость", является приоритет выполняемых изделием функций (карандашом, мелом, ручкой...пишут) при возможных существенных технических отличиях используемых объектов. Функционально взаимозаменяемыми при определенной постановке задачи (своевременная явка на работу) могут быть признаны такие транспортные средства, как трамвай, троллейбус, автобус, такси, велосипед или собственные ноги.

Функционально взаимозаменяемыми по содержанию зафиксированной информации для владельца компьютера могут быть файлы, записанные на жестком диске, гибких дисках, компакт-дисках (при наличии соответствующих дисководов), а также "твердая копия" соответствующего файла, хотя параметрические отличия между носителями информации весьма существенны. В частности, распечаткой можно воспользоваться и тогда, когда компьютер перестал работать из-за временного отсутствия электроэнергии, технической неисправности, завирусованности.

Из рассмотренных примеров вытекают две акцентированных особенности функциональной взаимозаменяемости: нацеленность на результат при практически безразличном отношении к процессу (целеобеспечивающая взаимозаменяемость), либо гарантирующая результат за счет воспроизведения функций (процессуальная взаимозаменяемость). В частности, нам бывает безразлично, откуда и как получить необходимую текстовую информацию, если обеспечена ее полнота и доступность. С другой стороны, если эта информация подлежит редактированию или другому видоизменению (частичному заимствованию, объединению с дополнительной информацией и т.д.), для нас становится весьма важными свойствами не только форма ее представления (распечатка или электронная копия на дискете), но и система ее кодирования. Электронная копия текста становится бесполезной, если у нас в компьютере нет соответствующей среды (так называемый текстовый процессор, версия которого совместима с использованной). В данном случае речь идет о процессуальной взаимозаменяемости, поскольку принципиально описанные операции можно реализовать с помощью машинописи, но без компьютера здесь происходит "скатывание к неполной взаимозаменяемости" из-за затруднений в использовании шрифтов, математических знаков и прочих символов. Нарисованную картину можно продолжить до возврата к индивидуальному переписыванию текстов гусиными перьями.

Детали для изделий машиностроения (в отличие от ряда радиоэлектронных, оптических и др.) держат первый экзамен на взаимозаменяемость в процессе сборки. Неточно изготовленные детали могут не собраться друг с другом или сломаться при попытке собрать их "силой", поэтому для механических деталей и узлов в первую очередь рассматривается такой аспект как геометрическая взаимозаменяемость.

Используемые для нормирования массивы значений геометрических параметров, как правило, оформлены в виде стандартов. Например, можно воспользоваться стандартами параметров макрогеометрии поверхностей (размеры, форма, расположение) и микрогеометрии (шероховатость). Стандарты пригодны для нормирования геометрических параметров любых типовых деталей и поверхностей в весьма широком диапазоне.

Годность изделия по данному параметру Q оценивают сравнением действительного значения параметра Q_дств с его предельными допускаемыми значениями. Определение годности называется контролем параметра, и если при этом используются средства измерений, то контроль называют измерительным. Измерительный контроль обычно осуществляется в два этапа:

• определение действительного значения параметра;

• сравнение действительного значения параметра с нормированными значениями и определение годности объекта по контролируемому параметру.

Чтобы получить действительное значение контролируемого параметра заданного физической величиной, необходимо сравнить его реальное значение с единицей соответствующей физической величины – в этом и заключается суть любого измерения. Единицы физических величин стандартизованы, они воспроизводятся с помощью стандартных эталонов, а от них передаются стандартным и нестандартизованным рабочим средствам измерений.

Влияние геометрических параметров на качество изделий

Очевидно, что качество изделий обеспечивает изготовитель. Если изделие сделано плохо, оно плохо работает. Но если разработано морально устаревшее изделие, оно будет неконкурентоспособным на рынке даже при отличном качестве изготовления. Следовательно, за качество отвечает и разработчик. Но неправильное использование изделия приведет к его быстрой поломке, и в таком случае, разговор о качестве теряет всякий смысл. В настоящее время особое внимание уделяют также утилизации изделий, поскольку опыт работы с такими объектами как атомные электростанции и атомные подводные лодки заставляет обращать внимание не только на эффективность функционирования, но и на угрозу загрязнения окружающей среды. Значит, качество изделия следует рассматривать на протяжении всего “жизненного цикла” от проектирования, через изготовление и эксплуатацию – до физической или моральной его “смерти”. “Жизненный цикл” изделия строится с учетом не только прямых связей (качество сложного изделия закладывается при проектировании, обеспечивается в ходе производства, реализуется при эксплуатации), но и обратных связей, которые используются для корректирования требований, обеспечивающих приемлемый уровень качества объекта.

При проектировании изделия определенный уровень качества закладывается еще на этапе технического задания. Качество любого объекта (проекта, изделия, процесса) можно оценить, и на основе этой оценки сравнить объекты одинакового назначения.

Качество изделия является наиболее общим его свойством и складывается из таких свойств как надежность, мощность, коэффициент полезного действия, эргономичность и др. В свою очередь, эти свойства могут быть более или менее сложными. Например, надежность изделия включает в себя его безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. А такие свойства, как масса, отдельные габаритные размеры изделия являются простейшими и не разлагаются на составные элементы.

Простейшие свойства, которые могут быть выражены числовыми значениями физических величин: масса, длина, твердость и др. далее будут называться параметрами. Функциональные параметры элементов изделия — это параметры, определяющие уровень его эксплуатационных показателей. К ним могут быть отнесены геометрические, физико-механические, электрические, магнитные и другие.

Номенклатура функциональных параметров зависит от назначения изделия, его состава, конструкции и работы. Например, от площади зазоров в системе цилиндр-кольцо-поршень и объема камеры сгорания зависит вращающий момент двигателя внутреннего сгорания. От твердости рабочих поверхностей уплотнительных колец и стенок цилиндра зависит их износостойкость, следовательно и долговечность двигателя. Подобные примеры легко найти в любом техническом изделии.

Эксплуатационные показатели, определяющие качество изделий, зависят в значительной степени от геометрических параметров деталей. Для нормальной работы соединений деталей (сопряжений) и изделия в целом необходимо обеспечить требуемую точность размеров, формы и расположения поверхностей, а также параметры их микрогеометрии (шероховатости).

Для большинства деталей необходимо соблюдать требуемую точность не только по геометрическим параметрам. Например, наиболее важные детали оптико-механического прибора (микроскопа, фотоаппарата, бинокля) изготавливаются из стекла или пластмасс, и для них весьма существенны оптические свойства материала. Точность присоединительных размеров оптических деталей также будет влиять на качество собранного изделия. Кроме того, оптические свойства самих деталей в значительной мере зависят от точности таких геометрических параметров, как радиусы и толщина линз, углы и толщина призм, а также от правильности формы и микрогеометрии сферических и плоских поверхностей линз и зеркал, их расположения и т.д.

Поверхность шарика в пишущем узле стержня шариковой ручки должна быть достаточно правильной (сферической) для того, чтобы шарик свободно вращался, а размеры шарика и гнезда должны обеспечивать зазор для выхода красящей пасты. Причем, слишком маленький зазор приведет к заклиниванию при письме, а слишком большой – к свободному вытеканию пасты на бумагу, в карман или сумку, где лежит ручка.

Из рассмотренных примеров видно, что геометрические параметры в значительной степени влияют на качество любого изделия вне зависимости от сферы его применения и целевого назначения (от механической детской игрушки до космического корабля).

Множество современных технических изделий работает на автономном электрическом питании от батареек. Батарейки вставляют в часы, фотоаппараты, фонари, игрушки, причем вставить новую батарейку часто может сам пользователь. Замена наиболее часто употребляемых батарей возможна благодаря тому, что во всем мире изготовители и пользователи придерживаются одинаковых норм – стандартов – на их геометрические размеры и напряжение. Поэтому гнезда в приборах и игрушках позволяют легко установить туда подходящие батарейки в необходимом количестве.

Весь мир пользуется фотографической пленкой стандартных размеров, то же можно сказать о магнитных пленках для аудио- и видеоаппаратуры, дискетах и компакт-дисках.

Взаимозаменяемость однородных изделий означает “одинаковость” их основных параметров. Но единообразие подхода к нормированию параметров не исключает возможности разработки и выпуска различающихся изделий одного назначения. Необходимость применения разнообразных по видам и числовым значениям параметров требует разработки систем допусков, причем в первую очередь стандартизации подвергаются геометрические параметры деталей и сопряжений.

Для того чтобы запустить изделия в серийное и массовое производство, техническая документация на них должна содержать жестко нормированные значения основных функциональных параметров. Чтобы разбросы параметров, неизбежно возникающие при изготовлении элементов, не оказывали существенного влияния на работу изделия, их ограничивают определенными нормами. Параметры могут быть с одной стороны (сверху или снизу), но наиболее часто используют двухстороннее ограничение. Нормы допустимого рассеяния параметров при двухстороннем ограничении называют допусками.

Соблюдение единообразия номинальных значений параметров и норм их рассеяния обеспечивает взаимозаменяемость изделий. Нормы номинальных значений параметров могут быть зафиксированы в виде рядов предпочтительных чисел, а для геометрических параметров – в виде рядов нормальных линейных размеров, нормальных углов, уклонов и конусностей.