5. CMM Doğruluğu, Performansı ve ISO 10360 Standartları

Koordinat ölçüm makineleri için belirtilen doğruluk değerleri çoğu zaman yanlış yorumlanmaktadır.

Bir CMM kataloğunda görülen:

ifadesi, cihazın her koşulda ve her ölçümde bu doğruluğu sağlayacağı anlamına gelmez.

Gerçekte bir CMM’in performansı;

• mekanik yapı,
• ölçek sistemi,
• prob sistemi,
• çevresel koşullar,
• ölçüm stratejisi,
• ölçülen parçanın özellikleri,

gibi birçok faktörün birleşiminden oluşmaktadır.

Bu nedenle modern metrolojide cihaz performansının değerlendirilmesi için uluslararası standartlar kullanılmaktadır.

Bu alandaki en yaygın standart ailesi ISO 10360 serisidir.

5.1 CMM Doğruluğu Nedir?

Doğruluk kavramı günlük kullanımda çoğu zaman tek bir sayı olarak düşünülmektedir.

Ancak metrolojide doğruluk çok daha kapsamlı bir kavramdır.

Bir ölçüm sisteminin performansı genel olarak aşağıdaki unsurlardan etkilenmektedir:

• Sistematik hatalar
• Rastgele hatalar
• Tekrarlanabilirlik
• Yeniden üretilebilirlik
• Prob performansı
• Ölçüm hacmi içerisindeki konum

Bu nedenle modern standartlar yalnızca tek bir “doğruluk” değeri kullanmaz.

Farklı performans parametreleri ayrı ayrı değerlendirilmektedir.

5.2 CMM Performansı Neden Test Edilir?

Bir CMM satın alındığında veya kullanıldığında şu soruya cevap verilmelidir:

Bu makine belirtilen ölçüm performansını gerçekten sağlayabiliyor mu?

Bu nedenle performans doğrulama testleri uygulanmaktadır.

Bu testler sayesinde:

• Üretici beyanları doğrulanabilir.
• Kullanıcı periyodik kontroller yapabilir.
• Kalibrasyon sonrası performans izlenebilir.
• Akreditasyon gereklilikleri karşılanabilir.

ISO 10360 serisinin temel amacı da budur.

5.3 ISO 10360 Standardı Nedir?

ISO 10360, koordinat ölçüm sistemlerinin kabul testleri ve yeniden doğrulama testlerini tanımlayan uluslararası standart ailesidir.

Bu standartlar:

• Sabit köprülü CMM’ler
• Taramalı sistemler
• Çoklu prob sistemleri
• Optik ölçüm sistemleri
• Taşınabilir ölçüm sistemleri

gibi farklı cihaz türlerini kapsamaktadır.

5.4 ISO 10360’un Temel Amacı

ISO 10360’un amacı cihazın belirli bir ölçüm görevindeki performansını değerlendirmektir.

Burada önemli olan nokta şudur:

Standart yalnızca eksen doğruluğunu ölçmez.

Aynı zamanda:

• hacimsel uzunluk ölçüm doğruluğunu,
• prob performansını,
• tarama performansını,
• çoklu prob sistemlerinin davranışını,

değerlendirmektedir.

5.5 Kabul Testi (Acceptance Test)

Kabul testi genellikle yeni kurulan bir makine için uygulanmaktadır.

Amaç:

Üreticinin beyan ettiği performans değerlerinin sağlanıp sağlanmadığını doğrulamaktır.

Bu testler çoğunlukla:

• kurulum sonrası,
• fabrika kabulünde,
• müşteri kabulünde,

uygulanmaktadır.

5.6 Yeniden Doğrulama Testi (Reverification Test)

Bir CMM’in performansı zamanla değişebilir.

Bunun nedenleri:

• sıcaklık değişimleri,
• mekanik aşınma,
• bakım işlemleri,
• taşınma,
• çarpma veya kaza,

olabilmektedir.

Bu nedenle kullanıcılar belirli aralıklarla yeniden doğrulama testleri gerçekleştirmektedir.

5.7 Hacimsel Uzunluk Ölçüm Hatası (MPEE)

ISO 10360 içerisinde en yaygın kullanılan performans parametresi MPEE değeridir.

MPEE:

olarak tanımlanmaktadır.

Bu değer CMM’in uzunluk ölçümlerindeki izin verilen maksimum hatasını ifade etmektedir.

5.7.1 Kataloglarda Görülen Formüller

Birçok üretici şu tip ifadeler kullanmaktadır:

Burada:

ölçülen uzunluğu milimetre cinsinden ifade etmektedir.

Uzunluk arttıkça izin verilen hata miktarı da artmaktadır.

Bu nedenle 100 mm’lik bir ölçüm ile 1000 mm’lik bir ölçüm aynı hata limitine sahip değildir.

5.7.2 Neden Uzunluğa Bağlıdır?

Hiçbir mekanik sistem sonsuz rijitliğe sahip değildir.

Ölçüm hacmi büyüdükçe:

• geometrik hatalar,
• ölçek hataları,
• sıcaklık etkileri,

daha belirgin hale gelebilmektedir.

Bu nedenle ISO 10360 performansı ölçüm uzunluğuna bağlı olarak tanımlamaktadır.

5.8 Prob Performansı ve MPEP

Bir CMM’in doğruluğu yalnızca eksen sistemine bağlı değildir.

Prob sistemi de önemli hata kaynaklarından biridir.

Bu nedenle ISO 10360 prob performansını ayrıca değerlendirmektedir.

Bu parametre:

olarak ifade edilmektedir.

Açılımı:

şeklindedir.

5.8.1 Prob Testi Nasıl Yapılır?

Genellikle yüksek hassasiyetli bir referans küre kullanılmaktadır.

Prob küre üzerinde çok sayıda noktaya temas eder.

Daha sonra elde edilen sonuçlar analiz edilir.

Amaç:

Prob sisteminin farklı yönlerde tutarlı çalışıp çalışmadığını değerlendirmektir.

5.9 Ölçüm Hacmi Kavramı

Bir CMM’in performansı ölçüm hacminin her noktasında aynı olmayabilir.

Bu nedenle ISO 10360 testleri yalnızca tek bir bölgede yapılmaz.

Ölçüm hacmi içerisindeki farklı konumlar değerlendirilmektedir.

5.10 Tarama Performansı

Modern CMM’lerin önemli bir bölümü yalnızca nokta toplamaz.

Aynı zamanda sürekli tarama yapabilmektedir.

Tarama sırasında:

• dinamik etkiler,
• prob sapmaları,
• hız kaynaklı hatalar,

oluşabilmektedir.

Bu nedenle tarama performansı ayrıca değerlendirilmektedir.

5.11 Çoklu Prob Sistemleri

Modern ölçüm sistemlerinde:

• dokunmalı problar,
• optik sensörler,
• lazer sensörleri,
• görüntüleme sistemleri,

aynı cihaz üzerinde kullanılabilmektedir.

Bu durumda her sensörün aynı koordinat sisteminde çalışması gerekmektedir.

ISO 10360’un ilgili bölümleri çoklu prob sistemlerinin performansını değerlendirmektedir.

5.12 CMM Doğruluğu ile Ölçüm Belirsizliği Aynı Şey Değildir

Bu konu sahada sıkça karıştırılmaktadır.

CMM doğruluğu:

• cihazın performans sınırlarını ifade eder.

Ölçüm belirsizliği ise:

• cihaz,
• parça,
• çevre,
• operatör,
• ölçüm stratejisi,

gibi tüm etkilerin birleşiminden oluşur.

Örneğin:

Çok hassas bir CMM ile ölçülen ince cidarlı bir plastik parçanın belirsizliği, cihazın katalog doğruluğundan çok daha büyük olabilir.

5.13 Üretici Kataloglarındaki Doğruluk Değerleri Nasıl Okunmalıdır?

Bir katalogda verilen doğruluk değeri:

• her ölçüm sonucu için garanti edilen hata değildir,
• her geometri için geçerli değildir,
• her prob konfigürasyonu için aynı değildir.

Bu değerler belirli ISO test koşulları altında elde edilmektedir.

Bu nedenle katalog verileri yorumlanırken test koşulları mutlaka incelenmelidir.

5.14 Doğruluk ve Performansın Metrolojideki Yeri

Koordinat metrolojisinde güvenilir sonuç elde edebilmek için:

bir arada değerlendirilmelidir.

ISO 10360 standardı bu zincirin cihaz performansını doğrulayan bölümünü oluşturmaktadır.

5.15 Ölçüm Hataları ve Hata Kaynakları

Bir koordinat ölçüm makinesinin katalogda belirtilen doğruluk değerlerine sahip olması, her ölçüm sonucunun aynı doğruluk seviyesinde olacağı anlamına gelmez.

Gerçek ölçüm ortamlarında birçok farklı etken ölçüm sonucunu etkileyebilmektedir.

Bu nedenle modern metrolojide yalnızca cihaz doğruluğu değil, ölçüm sürecinin tamamı değerlendirilmektedir.

ISO 10360 performans testleri cihazın belirli koşullar altındaki performansını tanımlarken, ölçüm hatalarının anlaşılması günlük uygulamalarda güvenilir sonuçlar elde edebilmek açısından büyük önem taşımaktadır.

5.15.1 Ölçüm Hatası Nedir?

Metrolojide hata, ölçülen değer ile gerçek değer arasındaki fark olarak tanımlanmaktadır.

Ancak burada önemli bir konu bulunmaktadır.

Bir parçanın gerçek değeri çoğu zaman tam olarak bilinemez.

Bu nedenle pratikte ölçüm sonuçları:

• referans standartlar,
• kalibre edilmiş mastarlar,
• sertifikalı ölçüm artefaktları,

ile karşılaştırılarak değerlendirilmektedir.

Ölçüm sistemlerinin amacı hatayı tamamen ortadan kaldırmak değil, mümkün olduğunca azaltmak ve kontrol altında tutmaktır.

5.15.2 Sistematik ve Rastgele Hatalar

Metrolojide hatalar genel olarak iki ana gruba ayrılmaktadır.

Sistematik Hatalar

Belirli bir yönde sürekli tekrar eden hatalardır.

Örneğin:

• ölçek kalibrasyon hatası,
• sıcaklık kompanzasyon hatası,
• hizalama hatası,

sistematik hata oluşturabilir.

Bu tür hatalar çoğu zaman düzeltilebilir veya telafi edilebilir.

Rastgele Hatalar

Öngörülemeyen ve tekrarlanabilir olmayan sapmalardır.

Örneğin:

• çevresel titreşimler,
• hava hareketleri,
• elektronik gürültüler,

rastgele hata kaynakları arasında yer almaktadır.

Bu tür hatalar tamamen ortadan kaldırılamaz ancak etkileri azaltılabilir.

5.15.3 Sıcaklığın Ölçüm Sonuçlarına Etkisi

Koordinat metrolojisinde en önemli hata kaynaklarından biri sıcaklıktır.

Hem ölçüm cihazı hem de ölçülen parça sıcaklık değişimlerinden etkilenmektedir.

Metal malzemeler sıcaklık değiştikçe boyutsal olarak genleşmekte veya küçülmektedir.

Bu nedenle uluslararası metroloji uygulamalarında referans sıcaklık:

olarak kabul edilmektedir.

ISO ve uluslararası kalibrasyon sistemlerinin büyük bölümü bu referans sıcaklık esasına göre çalışmaktadır.

5.15.4 Parça ve Ortam Sıcaklığının Farklı Olması

Sahada sık karşılaşılan durumlardan biri parçanın ortam sıcaklığı ile aynı sıcaklıkta olmamasıdır.

Örneğin:

• Yeni işlenmiş bir parça,
• Taşlama işleminden çıkmış bir bileşen,
• Fırından çıkan bir numune,

ölçüm odasına getirildiğinde ortamla termal dengeye ulaşmamış olabilir.

Bu durum boyutsal sapmalara neden olabilmektedir.

Bu nedenle hassas ölçümlerde parçanın ortam sıcaklığına uyum sağlaması beklenmektedir.

5.15.5 Prob Kaynaklı Hatalar

Prob sistemi, CMM’in ölçüm zincirinin en önemli bileşenlerinden biridir.

Prob kaynaklı hata nedenleri arasında:

• yanlış kalibrasyon,
• aşınmış prob ucu,
• uzun prob uzatmaları,
• yetersiz rijitlik,

bulunmaktadır.

Özellikle uzun ve karmaşık prob konfigürasyonlarında hata miktarı artabilmektedir.

5.15.6 Geometrik Eksen Hataları

Bir CMM’in eksenleri teorik olarak kusursuz hareket etmez.

Gerçek sistemlerde:

• doğrusal hareket hataları,
• açısal sapmalar,
• eksenler arası diklik hataları,

oluşabilmektedir.

Makine üreticileri bu hataları çeşitli kalibrasyon ve hata kompanzasyon yöntemleri ile azaltmaktadır.

Ancak bu etkiler tamamen ortadan kaldırılamaz.

5.15.7 Abbe Prensibi ve Abbe Hatası

Metrolojinin temel prensiplerinden biri Abbe Prensibi’dir.

Bu prensibe göre ölçüm ekseni ile referans ekseni mümkün olduğunca aynı doğrultuda olmalıdır.

Eğer ölçüm noktası referans ekseninden uzaklaşırsa küçük açısal hatalar bile önemli ölçüm sapmalarına neden olabilir.

Bu durum Abbe Hatası olarak bilinmektedir.

Özellikle yüksek hassasiyet gerektiren ölçümlerde Abbe prensibi büyük önem taşımaktadır.

5.15.8 Titreşim Kaynaklı Hatalar

Çevresel titreşimler ölçüm doğruluğunu doğrudan etkileyebilmektedir.

Başlıca kaynaklar:

• Pres makineleri,
• CNC tezgahları,
• Forklift trafiği,
• Bina titreşimleri,

olarak sıralanabilir.

Bu nedenle hassas CMM sistemleri çoğu zaman titreşim yalıtımlı temeller üzerinde kurulmaktadır.

5.15.9 Hava Koşullarının Etkisi

Özellikle yüksek hassasiyetli ölçümlerde hava şartları önem kazanmaktadır.

Aşağıdaki faktörler ölçüm sonucunu etkileyebilir:

• Ortam sıcaklığı,
• Nem,
• Hava basıncı,
• Hava akımları,

Bu etkiler özellikle büyük ölçüm hacimlerinde ve yüksek doğruluk gerektiren uygulamalarda daha belirgin hale gelmektedir.

5.15.10 Operatör Kaynaklı Hatalar

Modern CMM sistemleri yüksek seviyede otomasyon içerse de operatör etkisi tamamen ortadan kalkmamıştır.

Örneğin:

• yanlış hizalama seçimi,
• hatalı datum tanımlama,
• yetersiz nokta dağılımı,
• yanlış raporlama kriterleri,

ölçüm sonucunu etkileyebilmektedir.

Bu nedenle operatör eğitimi metrolojinin önemli unsurlarından biridir.

5.15.11 Ölçüm Stratejisinin Etkisi

Aynı parça farklı ölçüm stratejileri ile farklı sonuçlar verebilir.

Örneğin:

• Ölçüm noktalarının sayısı,
• Nokta dağılımı,
• Tarama hızı,
• Tarama yönü,

sonuçları etkileyebilir.

Bu nedenle ölçüm stratejisi ölçüm prosedürünün bir parçası olarak değerlendirilmelidir.

5.15.12 Parça Geometrisinin Etkisi

Bazı parçalar ölçüm açısından daha zorludur.

Özellikle:

• ince cidarlı parçalar,
• elastik malzemeler,
• büyük dökümler,
• kompozit yapılar,

ölçüm sırasında deformasyona uğrayabilmektedir.

Bu durum ölçüm sonucunu etkileyen önemli bir faktördür.

5.15.13 Hata Kaynaklarının Birleşik Etkisi

Gerçek uygulamalarda hatalar tek başına ortaya çıkmaz.

Ölçüm sonucu çoğu zaman:

etkileşiminin sonucudur.

Bu nedenle modern metrolojide ölçüm sistemi bir bütün olarak değerlendirilmektedir.

5.15.14 Ölçüm Hatalarının Yönetimi

Hataların tamamen ortadan kaldırılması çoğu zaman mümkün değildir.

Ancak etkileri kontrol altına alınabilir.

Bunun için:

• düzenli kalibrasyon,
• periyodik doğrulama,
• sıcaklık kontrolü,
• uygun prob seçimi,
• standart ölçüm prosedürleri,

uygulanmaktadır.

Kalite yönetim sistemlerinde bu yaklaşım ölçüm güvenilirliğinin temelini oluşturmaktadır.

5.15.15 Ölçüm Hatalarını Anlamanın Önemi

Bir ölçüm sonucunun güvenilirliği yalnızca cihazın katalog doğruluğuna bağlı değildir.

Ölçüm zincirinde yer alan tüm hata kaynaklarının anlaşılması ve kontrol edilmesi gerekmektedir.

Bu nedenle metrolojide amaç yalnızca ölçüm yapmak değil, elde edilen sonucun güvenilirliğini değerlendirebilmektir.

5.16 Ölçüm Belirsizliği (Measurement Uncertainty)

Koordinat metrolojisinde en kritik kavramlardan biri ölçüm belirsizliğidir.

Belirsizlik, tek bir ölçüm sonucunun ne kadar güvenilir olduğunu ifade eden sayısal bir aralık tanımıdır.

ISO 10360 gibi standartlar CMM performansını tanımlarken, ölçüm belirsizliği tüm ölçüm sürecinin toplam etkisini değerlendiren daha geniş bir kavramdır.

Bu nedenle modern metrolojide şu ayrım net olarak yapılır:

• CMM doğruluğu: Cihazın performans sınırları
• Ölçüm belirsizliği: Tüm sistemin (cihaz + çevre + yöntem) sonucu

5.16.1 Ölçüm Belirsizliği Nedir?

Ölçüm belirsizliği, ölçüm sonucunun gerçek değere ne kadar yakın olabileceğini tanımlayan aralıktır.

Pratikte şu şekilde ifade edilir:

Burada:

• X: ölçülen değer
• U: genişletilmiş belirsizlik

Bu ifade, ölçüm sonucunun tek bir sayı değil, bir güven aralığı içinde değerlendirilmesi gerektiğini gösterir.

5.16.2 Belirsizlik Neden Gereklidir?

Gerçek üretim ortamında hiçbir ölçüm tamamen kesin değildir.

Bunun nedenleri:

• cihaz hataları
• prob sapmaları
• sıcaklık değişimleri
• parça deformasyonları
• operatör etkisi
• ölçüm stratejisi

Bu nedenle tek bir sayı yerine, bu sayının güvenilirlik aralığı belirtilir.

Özellikle akredite laboratuvarlar (ISO/IEC 17025) için belirsizlik raporlaması zorunludur.

5.16.3 Belirsizlik Bileşenleri

Ölçüm belirsizliği tek bir kaynaktan oluşmaz.

Genel olarak aşağıdaki bileşenlerden meydana gelir:

1. Cihaz Kaynaklı Belirsizlik

• CMM eksen doğruluğu
• prob sistemi hataları
• ölçek sistemi sapmaları

2. Çevresel Belirsizlik

• sıcaklık değişimi
• nem
• hava akımı
• titreşim

3. Metot (Yöntem) Belirsizliği

• hizalama (alignment) stratejisi
• datum seçimi
• nokta dağılımı
• fitting yöntemi

4. Operatör Belirsizliği

• ölçüm planı oluşturma
• prob seçimi
• yazılım kullanımı

Bu bileşenler birlikte toplam belirsizliği oluşturur.

5.16.4 Tip A ve Tip B Belirsizlik

ISO GUM yaklaşımına göre belirsizlik iki ana kategoriye ayrılır:

Tip A Belirsizlik

İstatistiksel yöntemlerle belirlenir.

Örneğin:

• aynı ölçümün tekrar edilmesi
• standart sapma hesapları

Rastgele etkileri temsil eder.

Tip B Belirsizlik

İstatistiksel olmayan kaynaklardan gelir.

Örneğin:

• üretici katalog değerleri
• kalibrasyon sertifikaları
• önceki deneyimler

Toplam belirsizlik bu iki bileşenin birleşiminden oluşur.

5.16.5 Kombine Belirsizlik

Farklı belirsizlik bileşenleri bir araya getirilerek toplam belirsizlik hesaplanır.

Genel yaklaşım:

Burada:

• u_c: kombine standart belirsizlik
• u₁, u₂, u₃: farklı kaynaklardan gelen belirsizlikler

5.16.6 Genişletilmiş Belirsizlik

Endüstride genellikle güven seviyesi artırılmış değer kullanılır.

Bu durumda:

• k: kapsama faktörü (genellikle 2 alınır)
• yaklaşık %95 güven seviyesini temsil eder

5.16.7 CMM Sistemlerinde Belirsizlik

Koordinat ölçüm makinelerinde belirsizlik özellikle şu alanlarda önemlidir:

• GD&T değerlendirmeleri
• kabul testleri
• seri üretim kontrolü
• havacılık parçaları
• otomotiv gövde ölçümleri

Bir CMM ne kadar hassas olursa olsun, belirsizlik her zaman vardır.

5.16.8 ISO 10360 ve Belirsizlik İlişkisi

ISO 10360 standartları cihaz performansını tanımlar ancak doğrudan ölçüm belirsizliğini vermez.

Bunun nedeni:

• belirsizlik ölçüm sürecine bağlıdır
• her uygulama farklıdır

Bu nedenle ISO 10360 sadece:

• MPEE
• MPEP
• volumetrik hata

gibi sınırları tanımlar.

Belirsizlik ise bu sınırların uygulama içindeki karşılığıdır.

5.16.9 Belirsizlik ve Tolerans İlişkisi

Bir ölçüm sonucunun anlamlı olabilmesi için belirsizlik ile tolerans birlikte değerlendirilmelidir.

Temel prensip:

Belirsizlik, tolerans bandına göre küçük olmalıdır.

Örnek:

Bu durumda ölçüm güvenilir kabul edilir.

5.16.10 Belirsizliğin Ölçüm Kararlarına Etkisi

Belirsizlik yalnızca teknik bir değer değildir.

Aynı zamanda karar mekanizmasını etkiler.

Örneğin:

• Kabul / red kararları
• kalite raporları
• müşteri onay süreçleri

yanlış belirsizlik hesapları yanlış kararlar doğurabilir.

5.16.11 CMM Yazılımlarında Belirsizlik

Modern CMM yazılımları:

• ölçüm stratejisi
• prob konfigürasyonu
• geometrik tolerans tipi

gibi bilgileri kullanarak otomatik belirsizlik tahmini yapabilmektedir.

Ancak bu değerler her zaman standartlaştırılmış değildir.

Bu nedenle mühendislik değerlendirmesi kritik rol oynar.

5.16.12 Ölçüm Belirsizliğini Azaltma Yöntemleri

Belirsizlik tamamen yok edilemez ancak azaltılabilir.

Başlıca yöntemler:

• stabil sıcaklık ortamı
• titreşim izolasyonu
• doğru prob seçimi
• uygun ölçüm stratejisi
• yeterli nokta yoğunluğu
• düzenli kalibrasyon

5.16.13 Metrolojik Karar Verme

Modern kalite sistemlerinde ölçüm sonucu tek başına yeterli değildir.

Karar şu şekilde verilir:

• Ölçüm sonucu
• Belirsizlik
• Tolerans

birlikte değerlendirilir.

Bu yaklaşım ISO GPS ve modern kalite mühendisliğinin temelidir.

5.16.14 Genel Değerlendirme

Ölçüm belirsizliği, koordinat metrolojisinin en kritik kavramlarından biridir.

Çünkü:

• cihaz doğruluğunu aşar
• yöntemi kapsar
• çevreyi kapsar
• insan faktörünü kapsar

Bu nedenle modern CMM uygulamalarında belirsizlik yönetimi, ölçümün kendisi kadar önemli kabul edilmektedir.