Měřicí technika pro strojírenství

V Plzni se již po 20 let každoročně pořádá mezinárodní konference a výstava Měřicí technika pro kontrolu jakosti (letos se koná 20.–21. března). Na hlavních tématech přednášek (viz tabulka) a výstavních exponátech se pokusme vytipovat změny, ke kterým v měřicí technice během té doby došlo. Z přehledu je patrné, že během posledních dvaceti let se svět strojírenské měřicí techniky výrazně změnil.

A jaký je současný stav měřicí techniky pro kontrolu kvality strojírenských výrobních procesů a strojírenských výrobků? Na to se pokusíme odpovědět v následujících kapitolách. Už předem lze říci, že u většiny popisovaných přístrojů převládá společný znak: aktivní ovlivňování výrobního procesu pomocí výsledků měření. Nejde však o tzv. aktivní kontrolu realizovanou sledovacími měřidly, ale o zcela nové zapojení měřicí techniky do strojírenského reprodukčního procesu.
Přehled uváděných nových přístrojů však není, a ani nemůže být úplný. O některých nových přístrojích již byli informováni čtenáři našeho časopisu v minulém roce. Jde například o souřadnicové měřicí stroje (CMM, Coordinate measuring machine) zastoupené značkami DuraMax či Legex nebo o přístroje pro měření textury povrchu (THI).

Poznámka: Pokud se v textu vyskytuje měřená délka L, je vždy uváděna v milimetrech. V závorce za názvem přístroje je uveden jeho výrobce.

Nekonvenční řešení v kontrole délkových rozměrů přináší měřicí systém Equator (Renishaw, Velká Británie). Systém je určen pro měření v sériové a velkosériové výrobě v dílenském prostředí, především v automobilovém a leteckém průmyslu. Jde o délkové rozměry (průměry do 300 mm, délky do 150 mm). Měření je založeno na porovnání se vzorovou součástí s opakovatelností 2 μm pomocí skenovací hlavy SP25. Přístroj lze rychle přestavit na nový typ kontrolovaného obrobku, takže umožňuje i určitou flexibilitu výrobních procesů. Systém je vybaven speciální funkcí, kterou lze porovnávat výsledky se jmenovitými hodnotami CAD a řídit výrobu pomocí aplikace SPC. Software přístroje je k dispozici ve dvou úrovních: programovací verze je určena ke tvorbě programů DMIS, jednodušší verze umožňuje spuštění programů, ale brání obsluze provádět změny a opravy.

V některých oblastech průmyslové výroby, zejména v automobilovém průmyslu, se vyžaduje stoprocentní kontrola některých obrobků v režimu on-line. Provádět stoprocentní kontrolu například drsnosti povrchu klasickými (dotykovými) metodami by nebylo reálné. Proto se začala používat bezdotyková kontrola drsnosti povrchu metodou rozptýleného světla, která analyzuje rozložení odraženého světla od kontrolovaného povrchu a získává tak statistické údaje o kvalitě povrchu. Z rozložení intenzity odraženého světla se vyhodnocuje optická hodnota drsnosti. Měření je velmi rychlé. Příkladem přístroje pro měření pomocí rozptýleného světla je systém QS 500 (Optosurf, SRN). Přístroj měří v rozsahu (0,01 μm < Ra <1 μm), tedy broušené nebo jinak jemně opracované povrchy.

Systémy strojového vidění mají základ v počítačovém zpracování obrazu, které pomocí výpočetní techniky umožňuje zpracování objemu dat spojeného s obrazovou informací. Strojové vidění splňuje dvě základní podmínky moderní strategie výrobního podniku: zvyšování kvality výroby při současném snižování nákladů. Používá se převážně v průmyslové automatizaci a slouží k přesnému měření rozměrů, při hledání vad a defektů, kontrole úplnosti výrobků, počítání objektů apod. Vybaví-li se vyhodnocovací systém také třídicím zařízením, lze vyhodnocovaný výrobek roztřídit podle zadaných kritérií, dále lze rekonstruovat kontrolovaný předmět v režimu 3D, například při kontrole opotřebení řezného nástroje.

Při měření rozměrů se zobrazuje na výrobku stopa paprsku laseru a snímá se pomocí kamery. Pomocí této metody lze měřit jak studené výrobky, tak i horké vývalky a výkovky. Měří se přímo ve výrobní lince (metoda on-line) nebo jednodušeji v režimu off-line mimo výrobní linku. Měřicí stanice obsahuje v tomto případě kameru, lasery a otočný stůl, na který se klade kontrolovaná součást. S výrobkem lze podle charakteru kontrolní operace otáčet nebo snímat obrobek v několika řezech. Následným složením obrázků se sestrojí 3D model kontrolovaného obrobku a určí jeho přesné rozměry (chyba nepřekročí setiny milimetru), podobně jako je tomu u zařízení založených na počítačové tomografii (CT). Vlastní měření trvá okolo 20 sekund (Epix, USA).

Měřicí mikroskopy většinou známe jako optické přístroje pro měření ve dvou souřadnicích (v rovině). Nové typy měřicích mikroskopů však umožňují měření ve třech souřadnicích (měření v prostoru). Příkladem může být videomikroskop Falcon (Vision Engineering, SRN). Jde o bezkontaktní přístroj s měřicím rozsahem (150 x 100 x 115) mm nebo (150 x 150 x 125) mm. Mezní dovolená chyba přístroje je (3 + 6L/1 000) μm. Mikroskop je vybaven CCD kamerou s rozlišením 795 x 596. Barevný videoprocesor s dotykovou obrazovkou přispívá k lepší detekci obrysových hran měřené součásti, ke zvyšování rychlosti a opakovatelnosti měření. Přístroj může pracovat i v režimu CNC.

Pro měření abnormálně velkých objektů slouží CMM s vodorovnými rameny (výložníkové stroje), které se vyznačují velmi dobrým přístupem k měřeným objektům, jako jsou automobilové karoserie, velké odlitky apod. Představitelem takového zařízení může být CMM Carmet II (Zeiss, SRN) s měřicím rozsahem 4 000 až 7 000 mm. Vedle strojů s jedním stojanem se mohou používat i dvoustojanové stroje. Takové uspořádání zvětšuje nejen měřicí prostor, ale redukuje i měřicí časy, často více než o 50 %. Chyba měření nepřekročí MPEE = (35 + L/50) μm ± 80 μm u jednostojanového provedení nebo MPEE = (50 + L/40) μm ± 120 μm u dvoustojanových strojů.

Řada přístrojů pro 3D měření velkých objektů byla doplněna skenerem Whitelight scanner CogniTens WLS400 (CogniTens, USA/Hexagon). Systém se skládá ze senzoru, který promítá značku na měřený objekt, a ze tří digitálních kamer, které ji zachycují. Zařízení může pracovat v manuálním i automatizovaném režimu, popř. v napojení na průmyslové roboty. Propojení skeneru s polohovacím zařízením umožňuje automatizovat kontrolní operace přímo ve výrobních linkách.

Ozubená kola lze měřit přímo v dílně speciálními zařízeními. Příkladem může být dynamická měřicí hlavice (AMEST Praha). Hlavní součástí hlavice je výměnná dotyková sekce, jejíž výchylky se přenášejí induktivními snímači na vyhodnocovací elektroniku a od ní na monitor, tiskárnu nebo do sítě uživatele. Tak lze měřit například rozměry přes kuličku, házení k základní ploše či kruhovitost roztečné kružnice, a to na kolech s vnějším i vnitřním ozubením.
Univerzální stroje na kontrolu ozubení mohou měřit čelní a kuželová kola, šneky a šneková kola, odvalovací frézy apod. Příkladem může být měřicí centrum WGT 600 (Wenzel, SRN), na němž lze kontrolovat kola Ø 5 až 600 mm s modulem m od 0,5 do 20 mm. Měřicí systém tvoří čtyři osy (čtvrtá je realizovaná přesným otočným stolem). Software GearTec slouží k vyhodnocování měřených parametrů ozubení a je certifikován ve fyzikálním spolkovém úřadu PTB (SRN). Ke kontrole ozubených kol se mohou používat i konvenční CMM, vybaveném vhodným softwarem.

Vodorovné délkoměry patří k základnímu vybavení strojírenské metrologické laboratoře. Příkladem je univerzální délkoměr LMI 680 (EKM, SRN) vybavený inkrementálním měřítkem. Jeho měřicí rozsah je L = 680 mm, mezní dovolená chyba MPEE = (0,1 + L/2 000) μm. Pro kalibraci větších měřidel, například mezních nebo mikrometrických odpichů, lze použít délkoměry CiM 1000 (Mahr, SRN), jejichž odměřovací systém je tvořen laserovým interferometrem. Měřicí rozsah je až 1 000 mm, mezní dovolená chyba MPEE = (0,055 + L/1 500) μm.

Pro kalibraci CMM a zkoušky přesnosti obráběcích strojů je určen laserový systém laserTracer, který byl vyvinut společností Etalon AG, SRN, ve spolupráci s PTB a Národní fyzikální laboratoří NPL (Velká Británie). Základní částí přístroje laserTracer je laserový interferometr s nanometrickým rozlišením. Odražeč interferometru se umísťuje ve vřetenu obráběcího stroje nebo ve snímací hlavě CMM. Systém se dodává ve dvou provedeních, pro menší stroje s měřicím rozsahem od 0,3 do 1 m nebo s větším rozsahem od 0,2 do 15 m. Rozšířená nejistota měření nepřesáhne U = (0,2 + 0,3/1 000 L) μm.

Rok Témata přednášek na konferenci Měřicí technika pro kontrolu jakosti

1992 Měřicí technika pro systémy SPC
1993 Kontrolní technologie a kontrolní postupy
1994 Modernizace (digitalizace) měřicích přístrojů
1995 Kamerové inspekční systémy
1996 Laserové interferometry při kalibraci
1997 Multisenzorové CMM
1998 Měřicí stanice pro vyšší typy výrob
1999 Software pro zpracování a analýzu obrazu
2000 Mobilní 3D systémy-tracery
2001 Přístroje pro měření tlouštěk povlaků
2002 Přenosná měřicí ramena pro souřadnicová měření
2003 Virtuální souřadnicový měřicí stroj
2004 Hranové optické senzory u měřicích projektorů
2005 Konfokální laserový rastrovací mikroskop
2006 Nanotechnologie a nanometrologie
2007 Počítačová tomografie (CT)
2008 Měření drsnosti povrchu metodou rozptýleného světla
2009 Nové směry v geometrických tolerancích a textuře povrchu
2010 Měření mikrostruktury povrchu CMM
2011 Nové typy videomikroskopů

Čeněk Nenáhlo

Česká metrologická společnost

www.csvts.cz/cms
hnenahlova@seznam.cz