7.4. Модели и схемы, использование при метрологических экспертизе
Схема какого-либо объекта есть семиотическая модель этого объекта, отражающая его наиболее важные характерные черты. Схемы объектов строят в зависимости от целевого назначения:
исследование объекта (его структуры, функционирования и др.);
объяснение объекта заинтересованным лицам.
Схема может сопровождаться текстом. Распределение информации между схемой и сопроводительным текстом может значительно различаться в зависимости от целевого назначения схемы и используемой в ходе ее построения контекстной информации.
С позиций системотехники схему сложного объекта следует рассматривать как модель реальной системы, отражающую ее элементный состав, наличие связей и обладающую свойством инвариантности (неизменности) во времени. В состав схемы следует включать только те свойства системы, которые являются существенными с точки зрения проводимого исследования, и отражают приемлемую для практического использования совокупность значимых свойств системы.
Построение большинства схем осуществляется экспертными методами. Можно предложить методику, которая позволяет упорядочить работу. В основу методики положены следующие допущения:
схема строится для представления системного объекта;
в основу построения схемы кладут ее целевое предназначение;
схема строится для определенного пользователя (для группы исследователей, для специалистов, для научной общественности, для обучающихся);
в системе есть главные элементы и связи, которые должны найти отражение в схеме для любого пользователя (при разных уровнях дифференциации элементов объекта и снятия неопределенности);
имеют право на существование несколько разных схем, однотипно представляющих один и тот же сложный объект.
Построение любой схемы можно рассматривать как решение слабо структурированной задачи при наличии существенной неопределенности, которую постепенно снимают в процессе решения. Процесс получения структурной схемы можно рассматривать как исследование системы на основе экспериментальных и теоретических сведений о характере функционирования системы в заданных обстоятельствах. Членение системы на блоки и элементы нужно осуществлять в соответствии с необходимостью детализации описания структуры и наглядности отображения ее свойств.
Можно предложить следующий порядок построения схемы:
определение целевого назначения схемы (цели и задачи исследования модели объекта);
определение важнейших функций системы в соответствии с целевым назначением схемы;
определение главных структурных элементов системы, обеспечивающих реализацию важнейших функций системы, и выявление связей между элементами;
выбор системы условных обозначений структурных элементов и связей;
построение «основной части» схемы (предварительный вариант);
развитие схемы;
проверка, критика, оценка, модернизация схемы.
В ходе построения схемы и по его окончании проводится проверка схемы на адекватность отображаемому объекту. Схема признается удовлетворительной после апробации предполагаемым пользователем, включая проверку адекватности восприятия схемы.
Схемы бывают необходимы при описании измерительных процедур, методик выполнения измерений, методик поверки и калибровки средств измерений, при описании средств измерений в технической проектной и эксплуатационной документации, а также при метрологической и стандартизационной экспертизе. Метрологическая схема не только несет концентрированную информацию, но и позволяет строить модели появления составляющих погрешностей, чтобы затем проводить необходимые точностные расчеты.
Часто не обращают внимания на разницу между схемами измерений конкретной физической величины, носителем которой является объект, и схемами измерительного контроля объекта. В отличие от схемы измерения схема контроля включает указание числа и расположения контрольных точек (сечений) объекта, необходимых для создания его адекватной экспериментальной модели, которую сопоставляют с нормативной моделью для оценки годности объекта. Следовательно, схема контроля объекта по некоторому нормированному параметру (физической величине) в ряде случаев не исчерпывается схемой измерения этой физической величины, а должна включать дополнительную информацию.
Схема измерения может совпадать со схемой контроля в том случае, когда физическая величина воспроизводится на объекте однократно и контрольные точки (сечения) в принципе отсутствуют (контроль массы детали, сопротивления высокоомного резистора, объема тела) или модель объекта строится по результатам измерения в одной контрольной точке/сечении (наибольшая глубина водоема, длина швейной иглы). Схема измерения имеет ограниченную область применения, например она необходима при измерениях ненормированных объектов, что часто встречается в научных исследованиях. Однако при исследовании объекта, на котором номинально одна физическая величина фактически воспроизводится как бесконечное множество однородных величин, схема измерений обязательно должна быть дополнена схемой контрольных точек (сечений) объекта.
Контрольная точка – условное наименование, определяющее область «съема измерительной информации об исследуемой физической величине» с измеряемого объекта средством измерения или область «контакта» единичного чувствительного элемента с объектом измерения. «Точка» может иметь значительную протяженность (площадь или объем), как например, при контроле призматической детали гладким микрометром или при измерениях температуры среды жидкостным термометром. При использовании средств измерений с несколькими чувствительными элементами в одно контрольное сечение может входить соответствующее множество контрольных точек. Термин «контрольная точка (контрольное сечение)» не означает, что осуществляется процесс контроля объекта, это традиционное наименование точек съема информации об измеряемой физической величине, в том числе при экспериментальных исследованиях, когда «контроль» исследуемых параметров не имеет смысла.
В линейно-угловых измерениях под контрольной точкой понимают место взаимодействия чувствительного элемента средства измерений с поверхностью контролируемого объекта редуцированное на схеме к геометрической точке. Под контрольным сечением обычно понимают либо сечение объекта плоскостью, проходящей через линию измерения (контролируемое или исследуемое сечение), либо прямую линию между двумя чувствительными элементами средства измерений в месте контакта с поверхностью контролируемого объекта.
Схемы контрольных точек (контрольных сечений) должны включать:
Эскиз детали с указанием контрольных точек (контрольных сечений) объекта. Элементы, не подлежащие контролю, могут быть показаны упрощенно или вообще исключены из изображения объекта контроля. При необходимости эскиз контролируемого объекта выполняется с указанием параметров расположения контрольных точек или сечений на необходимом для этого числе проекций (разрезов, сечений).
Обозначения направлений измерительных перемещений, если они не являются очевидными (например, при контроле биения в заданном направлении).
Направления и характер вспомогательных относительных перемещений чувствительного элемента средства измерений и контролируемого объекта (указывают при необходимости).
К вспомогательным перемещениям относятся те, которые обеспечивают поиск направления линии измерений на объекте (например, покачивание нутромера в отверстии для поиска нормального сечения), или необходимы для получения значений измеряемой величины в исследуемом контрольном сечении (вращение детали при измерении биений, перемещение измерительной головки по нормали к линии измерения при измерении полного радиального или торцового биения и т.п.).
Схемы контрольных точек (контрольных сечений) могут дополняться вербальными описаниями требований к их расположению и идентификации на объекте измерений, например:
«Контрольные точки располагать по равномерной сетке с одинаковыми шагами на всей площади плоской поверхности. При обнаружении экстремумов провести дополнительные измерения в исследуемой области по более густой сетке и внести в схему измерений новые контрольные точки, либо зафиксировать видоизмененную (корректированную) сетку с неравномерными шагами».
«Перемещение измерительной головки при контроле полного радиального биения в сечениях №№ 1…N осуществлять с сохранением начала отсчета отклонений в системе координат, связанной с базовой осью».
Примеры схем расположения контрольных точек для случаев исследования прямолинейности и плоскостности, а также примеры указания контрольных сечений при измерении размеров поперечного сечения цилиндрического валика, при контроле радиального и полного радиального биений одной из цилиндрических поверхностей детали типа «вал» представлены на рисунке 7.6.
На схемах не указаны направления измерений, поскольку очевидно, что линии измерений нормальны к исследуемым поверхностям. Базовые элементы деталей и базирующие устройства средств измерений не показаны, поскольку они не являются элементами схем контрольных точек (сечений).
Схема контроля(схема измерительного контроля) конкретного геометрического параметра объекта является составной частью методики контроля и должна отображать реализацию процесса измерительного контроля.
Схема контроля объекта по заданному геометрическому параметру должна включать:
Эскиз детали с выделенными элементами, подлежащими контролю и базовыми элементами (если они не совпадают с контролируемым). Элементы, не подлежащие контролю и не являющиеся базовыми, могут быть показаны упрощенно или вообще исключены из изображения объекта контроля.
Указание контрольных точек (контрольных сечений) объекта. При необходимости выполняется дополнительный эскиз контролируемого объекта со всеми контрольными точками (контрольными сечениями) и указанием параметров расположения контрольных точек или сечений или отдельная схема контрольных точек (сечений).
Схематическое изображение средства измерений в одном или нескольких видах («проекциях»), с обязательным включением условных обозначений базирующих элементов средства измерений и его чувствительных элементов. Остальные элементы средства измерений, вспомогательные устройства, установочные меры изображают при необходимости.
Примечание. Чувствительные элементы могут совпадать с базирующими. Так для накладных приборов типа микрометров гладких и рычажных базирующие элементы (пятки прибора) одновременно являются его чувствительными элементами.
Обозначения направлений и указание характера (непрерывный, периодический) измерительных перемещений, а также (при необходимости) схематические изображения обеспечивающих эти перемещения кинематических элементов.
Примечание. Не указывают кинематические элементы, являющиеся органической частью применяемых СИ, например, направляющие штока измерительной головки.
Обозначения направлений и указание характера (при необходимости) всех вспомогательных и установочных перемещений, необходимых для осуществления контроля (для получения адекватной модели контролируемого объекта), а также схематические изображения обеспечивающих эти перемещения кинематических элементов.
Примечание. К вспомогательным перемещениям относятся те, которые обеспечивают перенос линии измерений в новую контрольную точку (сечение), а также совмещение линии измерений с экстремальными значениями контролируемых параметров (например, покачивание нутромера для поиска наименьшего значения диаметра отверстия в контролируемом сечении). Установочные перемещения – те, которые применяются для обеспечения правильной установки прибора в пространстве и при настройке прибора на меру.
Изображение настройки средства измерений на меру (блок или ансамбль мер). Если измерение осуществляется методом замещения, такое изображение может быть необходимым, например, для указания настроечных и/или установочных перемещений. Так при настройке индикаторного нутромера по блоку концевых мер с боковиками установочные перемещения не совпадают со вспомогательными перемещениями, осуществляемыми при измерении цилиндрического отверстия.
Примечание. Самостоятельная схема настройки средства измерений может быть выполнена, например, в случаях настройки многомерного средства контроля на сложную меру или несколько мер (ансамбль мер).
В схему контроля может входить схема контрольных точек (сечений), если такое совмещение не затрудняет чтение. Изображение на схеме контроля может включать две «проекции», если это необходимо для указания установочных и вспомогательных перемещений.
Для изображения контрольных схем и схем измерений по возможности следует использовать условные обозначения из ЕСКД, а также специально разработанные обозначения (измерительные головки, стандартные стойки и штативы, чувствительные и базирующие элементы СИ и т.д.).
На рисунке 7.7 представлены примеры схем контроля биений поверхностей деталей типа «вал»: радиального биения при базировании детали в двух призмах (рисунок 7.7 а) и торцового при базировании в одной призме (рисунок 7.7б). Показаны также вспомогательные базы у левого торца вала и силовое замыкание (силаF), вспомогательное вращательное движение вала, обеспечивающее измерение отклонений радиусов-векторов или осевых отклонений по всему контрольному сечению. На рисунке 7.7апредставлены три контрольных сечения (1, 2 и 3), равномерно расположенные вдоль контролируемой поверхности, и показано вспомогательное перемещение измерительной головки (прерывистое прямолинейное перемещение вдоль оси детали, которое может осуществляться путем перестановки измерительной головки). На рисунке 7.7бпоказано только одно контрольное сечение, лежащее на радиусеR.
Если схема будет использоваться не только для описания МВИ, но и для функционального анализа погрешностей и расчетов составляющих, будут необходимы значения R, L, l, которые должны быть приведены непосредственно на схеме или в сопровождающем ее текстовом описании. Отсчетные устройства в соответствии с обозначениями на схемах – аналоговые измерительные головки. Направления измерительных перемещений не указываются, поскольку они очевидны.
Унифицированный подход к построению метрологических схем позволит обеспечить единообразное описание методик выполнения измерений, операций и процессов контроля в технической документации, что является очень важным для выполнения измерений и трактовки результатов измерительного контроля. Унификация схем облегчит также функциональный анализ спроектированных МВИ при оценке погрешностей измерений и при их метрологической экспертизе.
Более подробно вопросы построения и оформления схем для метрологического моделирования рассмотрены в соответствующих модулях дисциплины «Теоретическая метрология».