Měření dílů ve stroji obrobkovými sondami

Jedním z partnerů, s nimiž probíhá rozsáhlá spolupráce v oblasti výzkumu a vývoje, jsou Slovácké strojírny. Se závodem 01 Uherský Brod (SUB), který patří k předním strojírenským firmám s tradicí ve výrobě velkých ocelových konstrukcí, kde se hmotnost obrobků pohybuje až na hranici 50 tun, se zaměřujeme na efektivní ustavování a posuzování shody obrobků se specifikací. Velké ocelové konstrukce jsou po svaření obráběny na velkých CNC obráběcích strojích s následnou kontrolou rozměru a tvaru obrobku. Aktuálně je tato kontrola realizována buď na velkém souřadnicovém měřicím stroji (CMM), nebo pomocí mobilních laserových trackerů (LTk). Měření na velkém CMM má své výhody a nevýhody. Jednoznačnou výhodou CMM je velikost maximální dovolené chyby (MPE – maximum permissible error) oproti výše uvedenému laserovému trackeru. Nevýhodou CMM je nutnost přemístění / převozu obrobku na měřicí pracoviště a jeho opětovné vyrovnání. Další omezení vyplývá z pracovních rozměrů měřicího stroje. Oproti tomu LTk má výhodu ve snadné mobilitě a téměř neomezeném rozsahu pro měření rozměrů a tvarů velkých obrobků. Nevýhodou LTk je potom vyšší MPE oproti CMM. I přesto dokáže LTk pokrýt v segmentu měření velkých svařovaných obrobků až 95 % požadovaných měřicích operací. Mezi nevýhody LTk patří nutnost temperování měřicího zařízení (až 90 min.) po přenosu k obráběcímu stroji, větší nejistota při měření za nestabilních okolních podmínek a při nastavené strategii měření (např. aplikace opakovaného přískoku), nutnost vyšší kvalifikace obsluhy a v neposlední řadě pořizovací cena.

S rostoucími požadavky na přesnost a produktivitu ve výrobě roste tlak na neustálé hledání slabých míst výrobního procesu, u kterých je možné zvyšovat efektivitu stávajících technologií nebo hledat novou cestu, jak při dodržení výše uvedených požadavků zvýšit míru plnění. V kontextu průmyslu 4.0 se nabízí možnost stále více využívat nová, progresivní řešení nebo současná zařízení, která jsou u CNC obráběcích strojů již obvyklou součástí.

Aplikace cenově dostupnějších mobilních měřidel, jako je například mobilní měřicí rameno nebo integrovaná obrobková sonda na stroji, byla jedním ze společných výzkumných úkolů SUB a ÚVSSR. Cílem bylo navrhnout takové řešení, které by za daných provozních podmínek a při přípustných tolerancích délky (TOL_min) prokázalo možnost, jak CNC obráběcí stroje s obrobkovou sondou využít jako vhodné měřicí systémy pro délkové rozměry.

Obrobkové sondy jsou na CNC obráběcích strojích běžně využívány k vyrovnávání obrobků, kontrole polohy mezi technologickými procesy, ale také k měření rozměrů a k dalším ověřovacím činnostem spojeným s kontrolou výrobního procesu. Obrobkové sondy mají samy o sobě výbornou obousměrnou opakovatelnost měření, která při hodnotě 2σ začíná již na hodnotě 0,25 µm (Renishaw, UK). Dosažení takovýchto hodnot je podmíněno splněním celé řady požadavků na čistotu prostředí, délku ramena sondy (stylusu), mechanismus sondy apod. Aby bylo možné využívat obrobkovou sondu k měřicím operacím, je nutná kalibrace, která se provádí na příslušný kalibrovaný rozměr a posuvovou rychlost. Samotný proces vyhodnocení naměřeného rozměru je dán i navrženým měřicím cyklem, který je definován například výrobcem obrobkové sondy, výrobcem stroje, případně cyklem navrženým dle požadavků zákazníka. Zde je nutné si uvědomit, že při měření délkových rozměrů je nezbytné přistupovat ke stroji již jako k měřicímu systému a že výsledek měření ovlivňuje řada faktorů, např. aktuální okolní podmínky, aktuální geometrie stroje, místo kalibrace sondy, rozměr kalibrace, rychlost měření obrobkové sondy a nečistoty na obrobku a sondě [1, 2, 3]. Ukázka navrženého procesu, jak CNC obráběcí stroj posoudit jako měřicí systém s kontrolním etalonem, je znázorněna na obr. 1 (ukázka měření na malém CNC obráběcím centru v laboratořích ÚVSSR) a na obr. 2 (ukázka měření na velkém CNC obráběcím centru ve výrobních prostorách SUB).

Pro posouzení způsobilosti daného měřicího systému můžeme v praxi využívat indexy způsobilosti měřidla c_g a c_gk ve smyslu obr. 3 (v závorce jsou u jednotlivých pojmů uvedena čísla příslušných článků mezinárodního metrologického slovníku VIM – TNI 01 0115:2009) [4].

Systém validace měřicího systému a procesu měření se v posledních 40 letech výrazně rozvíjel. Na obr. 4 je stručně znázorněn přehled tohoto vývoje, kdy se přešlo od chybového vyhodnocování výsledků měření k vyhodnocování nejistotovému.

Po roce 2010 postupně vznikl mezinárodní systém ISO norem (řada 22514) pod společným názvem Statistické metody v managementu procesu – Způsobilost a výkonnost. ČSN ISO 22514-7:2014 – Způsobilost procesu měření je českou verzí mezinárodní normy ISO 22514-7:2012. V roce 2021 byla schválena druhá edice, a to ISO 22514-7.

Na základě výše uvedených přístupů byl odvozen vztah pro hledanou hodnotu TOL_min, která je dána rovnicí

kde U_MS představuje rozšířenou nejistotu měření.
Po úpravě (1):

kde k je koeficient rozšíření, u_CAL nejistota kalibrace použitých etalonů, u_EVR nejistota opakovatelnosti, u_RE nejistota vyplývající z rozlišení, u_BI nejistota odchylky měření, u_LIN nejistota vyplývající z odchylky linearity a u_{MS_REST} nejistota ostatních komponent.

Poté následuje ověření shody se specifikací dle ISO 14253-1:2017. Shoda se specifikací je ověřena, pokud naměřená hodnota spadá do pole přijetí. Na obr. 5 je jako možný příklad znázorněno pole přijetí pro poměr TOL/u_c = 6,65. Pro srovnání je na obrázku znázorněna velikost pole shody a velikost pole přijetí dle obou vydání ISO 14253-1. Obě pole jsou doplněna o vypočtenou minimální toleranci dle druhého vydání ISO 22514-7:2021, která je ve skutečnosti přibližně 4x větší než uvažovaná hodnota TOL (TOL = USL-LSL).

Aktuálně vzniká i nová část normy ISO 230, a to pod označením ISO/WD TS 230-13 Test code for machine tools, part 13: Guidelines on acceptance tests for machine tools used as coordinate measuring Machines (www.iso.org/standard/87413). Již z názvu této části normy je zřejmé, že jejím cílem bude posouzení, zda je možné využívat obráběcí stroje obdobně jako souřadnicové stroje měřicí. Bližší informace zatím nejsou zveřejněny, ale vše je ve shodě se současným trendem, spočívajícím v tom, jak u CNC obráběcích strojů rozšiřovat funkcionalitu.

Na obrázku 6 je znázorněno, jak lze CNC obráběcí stroj posoudit jako měřicí systém: nejprve je provedeno měření na zvoleném etalonu a následně je vyhodnoceno a rozhodnuto, zda je takový stroj jakožto měřicí systém použitelný.

V žádném případě zde není snahou nahradit CMM, ale u CNC obráběcích strojů rozšířit funkcionalitu, což může zvýšit efektivitu výrobních procesů. Nasazení souřadnicových měřicích strojů bude mít stále své opodstatnění, které je dáno požadavky na proces měření, podmínkami měření, dosažitelnou přesností a opakovatelností měření a ve výsledku požadovanými hodnotami MPE.

Je třeba brát zřetel na to, že u CNC obráběcích strojů jsou okolní podmínky časově proměnné a významnost změn okolí zpravidla roste s velikostí pojezdu lineárních os stroje a s jeho zatížením. V tomto případě je již nezbytné posuzovat úlohu měření dle ISO 22514-7:2021, tedy jako komplexní měřicí systém. Na základě výše uvedených poznatků jsme navrhli nový hodnoticí parametr – p_AZ (použitelnost) – který vyjadřuje, zda je posuzovaný CNC stroj použitelný jako měřicí systém a zda je vhodný k posouzení shody se zadáním měřicí úlohy.

Výše uvedené postupy byly posouzeny nezávislým inspekčním orgánem TSU a dále byly publikovány v příspěvcích, jejichž seznam najdete v on-line verzi tohoto článku. Některé z nich jsou publikovány v režimu open access.

Použitá literatura:

1. Blecha, P.; Holub, M.; Marek, T.; Jankových, R.; Mišún, F.; Smolík, J.; Machálka, M. Capability of Measurement with a Touch Probe on CNC Machine Tools. Measurement, Journal of the International Measurement Confederation (IMEKO), 2022, vol. 195, no. 1, p. 1–10. ISSN: 0263-2241.
2. Sámelová, V.; Marek, T.; Jelínek, A.; Jankových, R.; Maradová, K.; Holub, M. A Case Study on Assessing the Capability and Applicability of an Articulated Arm Coordinate Measuring Machine and a Touch-Trigger Probe for On-Machine Measurement. Machines, 2024, vol. 12, no. 12, p. 1–27. ISSN: 2075-1702.
3. Potanko, A.; Jelínek, A.; Marek, T.; Polzer, A.; Žák, L.; Holub, M. Case Study of the Influence of Linearity Uncertainty on the Applicability and Capability of CNC Machine Tools. In 21st Mechatronika 2024: Proceedings of the 21st International Conference on Mechatronics – Mechatronika (ME). 21. Brno, Czech Republic: IEEE, 2024. p. 274–282. ISBN: 979-8-3503-9490-0.
4. Holub, M.; Jankových, R.; Andrš, O.; Kolíbal, Z. Capability Assessment of CNC Machining Centres as Measuring Devices. Measurement, Journal of the International Measurement Confederation (IMEKO), 2018, vol. 2018, no. 118, p. 52–60. ISSN: 0263-2241.
5. Blecha, P.; Jankových, R.; Holub, M.; Šrámek, J.; Marek, T.; Jelínek, A.; Marek, J. Evaluation of measurement capability when using CNC machine tools as a measurement system. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2025, no. 2025, ISSN: 1433-3015.

Článek vznikl na základě poznatků získaných v rámci projektu „Strojírenská výrobní technika a přesné strojírenství (SVTPS)“, reg. č. CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_026/0008404, a na základě výsledků získaných z projektu Technologické agentury ČR „Výzkum a vývoj v oblasti zvyšování kvality výroby velkých obrobků – přesné a opakovatelné ustavení a měření obrobků“, reg. č. FW01010012, a z interního projektu Vysokého učení technického „Chytré výrobní systémy“, FSI-S-23-8260.