Měřicí technika ve strojírenství

Pokud jsou v následujícím textu chyby měřicích přístrojů závislé na měřené délce L, je tato délka vyjádřena v milimetrech. Jde-li o jiný rozměr než milimetry, je to uvedeno v textu. U popisovaných přístrojů jsou v závorce názvy firem výrobců, popř. dodavatelů.

Souřadnicové měřicí stroje procházejí od svého zavedení ve strojírenství před více než padesáti lety prudkým vývojem. Požadavky kladené na strojírenský výrobní proces (zvyšování přesnosti výroby, zkracování výrobních časů) vedou ke zvyšování přesnosti souřadnicových měřicích strojů i k jejich začleňování do výrobního procesu (jako samostatných strojů nebo v rámci malých výrobních buněk). Nové změny se týkají rozšiřování jejich možností nasazení, například multisenzorové stroje nebo využití skenovacích metod. Uvádím některé z těchto měřicích strojů.

Micura

Micura (Carl Zeiss) je portálový třísouřadnicový měřicí stroj, určený pro měření malých a středně velkých obrobků. Jeho základní technické údaje jsou uvedeny v tabulce 1. Pohyblivé části stroje se posunují po keramických vedeních, která minimalizují citlivost vůči vnějším vlivům, vzduchová ložiska pak zaručují stabilitu a přesnost měření. Ke zvýšené přesnosti přispívá také systém CAA (Computer Aided Accuracy), kterým jsou chyby způsobené dynamicky vyvozenými setrvačnými účinky korigovány pomocí počítače. Stroj je vybaven aktivním skenovacím senzorem VAST XT gold pro vysokorychlostní skenování (až 200 měřených bodů za sekundu). Vyměnitelné snímače umožňují i měření malých otvorů (nejmenší průměr snímací kuličky je Ø 0,3 mm). Typické příklady kontrolovaných součástí: malé komplikované obrobky s úzkými tolerancemi, například součásti hydraulických regulačních členů, malých motorů a převodů, díly pro optiku a elektroniku.

Multisenzorový souřadnicový stroj Werth Tomo-Scope HV 800 s rentgenovým senzorem

Leitz Reference HP

Jiným příkladem je třísouřadnicový měřicí stroj s pohyblivým portálem Leitz Reference HP (Hexagon Metrology). Vodicí systémy stroje jsou uloženy na předpjatých vzduchových ložiscích, ocelová měřítka Heidenhain se vyznačují velkým rozlišením (0,01 μm). Stroj je vybaven automatickou teplotní regulací. Snímací systém LSP-S4 umožňuje jak bodové měření, tak i vysokorychlostní skenování. Stroj lze také vybavit otočným stolem a automatickým zařízením pro kontrolu měřicích doteků. Speciální měřicí programy Quindos rozšiřují použití stroje jako měřicího centra pro ozubení (rozsahy modulů 0,5 až 100 mm, max. průměr kola s přímým ozubením 950 mm). Stroj Leitz Reference HP se vyrábí v několika rozměrových řadách, v tabulce 2 jsou uvedena hlavní technická data nejmenšího stroje určeného pro menší a velmi přesné obrobky a největšího stroje této řady.

Multisenzorové měřicí stroje patří mezi progresivní měřicí prostředky. Vyznačují se zvýšenou přesností měření a jsou vybaveny vedle konvenčních měřicích doteků také elektrooptickými snímacími systémy. Tím se zvyšují možnosti jejich použití, především v těch případech, kde klasické dotykové snímací metody nelze použít. V posledních osmi letech jsme svědky toho, že se ve strojírenství začíná používat pro rozměrová měření počítačová tomografie (CT), založená na využití rentgenového záření. Strojírenští technici znají tuto metodu z nedestruktivního testování. Při metodě CT se kontrolovaná součást pootáčí na rotačním stole. V každé poloze se pořídí pomocí detektoru rentgenový snímek a ze všech snímků se počítačově vytvoří prostorový obraz kontrolovaného prvku. Tak lze kontrolovat objekty, resp. prvky, které by byly jinými měřicími metodami nezjistitelné, například tvar vnitřních dutin. Obě skupiny strojů, multisenzorové měřicí stroje a stroje založené na principu CT se v posledních letech sbližují a vytvářejí nový typ, multisenzorové souřadnicové měřicí stroje s rentgenovým senzorem. Tyto stroje se vyrábějí v různých velikostech a dosahují různých přesností měření. Příkladem mohou být měřicí stroje Werth Tomo-Scope, resp. Werth Tomo-Check (Werth Messtechnik). Jejich hlavní technická data uvádíme v tabulce 3.

Posuzujeme-li zde přesnost měřicích strojů uvedených v tomto článku, vidíme, že se blíží přesnosti, kterou lze předpokládat u nejpřesnějších strojů pracujících v temperovaném, popř. klimatizovaném prostředí. Největší dovolená chyba těchto špičkových strojů je dána výrazem (0,3 + L/1 000) μm, což pro měřenou délku 400 mm představuje hodnotu 0,7 μm. Jde například o měřicí stroje Leitz PMM Infinity (Hexagon Metrology) nebo Legex (Mitutoyo).

Přenosný drsnoměr Hommel W 10

Nasazení měřicích strojů ve výrobním procesu přináší nové možnosti kontroly kvality výroby, včetně statistického vyhodnocování výsledků, třídění, vystavování doprovodných protokolů a zavádění zpětných vazeb do výrobního procesu. Konkrétním příkladem může být robotizovaná výrobní buňka, která se skládá z vysokorychlostního obráběcího centra a souřadnicového měřicího stroje DuraMax (Carl Zeiss). Jiným příkladem je kontrolní buňka začleněná do výrobního procesu vstřikovacích dílů z plastů, vyráběných ve čtyřsměnném provozu. Buňka se skládá ze dvou multisenzorových souřadnicových měřicích strojů (Werth Messtechnik), robotu a paletového zásobníku.

Přenosný drsnoměr W 10

Novinkou pro dílenská měření drsnosti povrchu je přenosný drsnoměr W 10 (Hommel-Etamic). Skládá se z vyhodnocovací jednotky s barevnou dotykovou obrazovkou a tepelnou tiskárnou a z posuvové jednotky s induktivním snímačem. Přístroj lze doplnit výškovým měřicím stojanem, takže vznikne stacionární měřicí stanoviště. Měří se normalizované charakteristiky drsnosti povrchu a vlnitosti (včetně Abbotovy křivky) v rozsahu mezní rozteče nerovností (cuf-off) normalizované řady od 0,08 do 2,5 mm. Z dalších přístrojů tohoto výrobce připomínám laboratorní T8000 používaný v metrologických ústavech a podnikových laboratořích jako referenční přístroj, nebo přístroj nanoscan 855 vybavený laserovými interferometry a elektronickou regulací přítlačné síly. Přístroj slouží k měření parametrů drsnosti povrchu a kontury v rámci příslušných rozsahů: posuv v ose X = 200 mm, zdvih v ose Z = 24 mm.

Kruhoměry

Výroba přesných rotačních ploch vedla před více než padesáti lety ke vzniku nové kategorie měřicích přístrojů – kruhoměrů. Ty se od té doby rychle vyvíjely, jak pokud jde o jejich metrologické charakteristiky, tak i o způsoby vyhodnocování a analýzy měřených úchylek. Konstrukce a metrologické prvky těchto přístrojů ovlivnily výrazně i normativní činnost. Jedna ze základních norem v této oblasti, norma ISO 1101 GPS – Geometrické tolerance – Tolerance tvaru, orientace, umístění a házení, prochází právě revizí, která doplní požadavky v oblasti 3D a přináší některé další významné prvky. Vývoj kruhoměrů lze doložit na přístrojích Talyrond (Taylor Hobson). Současná generace kruhoměrů rozšiřuje oblast měření a vyhodnocování z charakteristik geometrického tvaru a polohy i na charakteristiky textury povrchu, zahrnující drsnost povrchu, vlnitost, základní profil a také kontury.

Přístroj MarForm MMQ 400-2 (Mahr) je měřicí systém umožňující automatické měření výše uvedených charakteristik, úchylek tvaru a polohy, textury povrchu a kontury povrchu při jediném upnutí měřených součástí. Metrologickým základem přístroje je svislá rotační osa, realizovaná otočným stolem. Rotační osa vykazuje maximální úchylku 0,01 μm od referenční kružnice LSC (vztaženo k filtru 15 vln za otáčku). Snímač T7W s motorickou osou pootáčení umožňuje měření na válcových (ve svislé poloze) i rovinných plochách (ve vodorovné poloze). Snímač je vybaven třemi doteky: rubínovou snímací kuličkou Ø 1 mm pro měření úchylek tvaru a polohy, diamantovým hrotem pro měření drsnosti povrchu a hrotem pro měření kontur. Speciální software umožňuje dokumentaci výsledků formou protokolu v grafickém i numerickém tvaru.

Optacom VC-10

Podobné možnosti nabízejí i přístroje série Optacom, například Optacom VC-10 (Optacom). Jde o přesný přístroj, maximální dovolená chyba je (0,5 + L/100) μm, rozlišení 3 nm. Lze jej používat jako konturograf, drsnoměr a kruhoměr. Přístroj lze také doplnit rotačním naklápěcím stolem RSY-240-25, s jehož pomocí je možné měřit například ozubení nebo součásti s drážkami. Dále lze zjišťovat úchylky kruhovitosti a rovinnosti (čelních ploch). Hodnoty drsnosti povrchu jsou odvozovány z měřené kontury a pomocí speciálních algoritmů se vyhodnotí příslušná hodnota mezní rozteče nerovností (cut-off). Rovněž výše uvedené přístroje Talyrond, resp. Talyrond 500 umožňují měření tvarů i texturu povrchu s vysokým rozlišením, až 0,3 nm.

Přístroj MarForm MMQ 400 pro automatické měření úchylek tvaru a polohy, textury povrchu a kontury povrchu

Autokolimátory

Autokolimátory jsou optické, popř. elektronickooptické přístroje k přesnému měření malých úhlů a z nich odvozených parametrů přímosti, rovinnosti, kolmosti a rovnoběžnosti. Příkladem může být přístroj Ultra Autocollimator (Taylor Hobson), využívající CCD technologii. Jde o dvouosý přístroj, který může zároveň měřit úhlové úchylky ve svislém i vodorovném směru. Je určen pro dílenské prostředí i pro práci v laboratoři. Jeho měřicí rozsah je 1 800 vteřin (v přepočtu 30 úhlových minut), maximální dovolená chyba 0,2 vteřiny. Pracovní rozsah, tj. maximální vzdálenost mezi vlastním autokolimátorem a odrazným prvkem, je 5 metrů, případně až 20 metrů. Novinkou je přesnější typ s označením Ultra High Precision Autocollimator, který zvládne i velmi náročné metrologické operace. Jeho měřicí rozsah je 300 vteřin, maximální dovolená chyba 0,1 vteřiny.

Velké objekty ve strojírenství a blízkých odvětvích a kontrola jejich kvality, resp. kvality jejich dílů v automobilovém, leteckém a lodním průmyslu představují značné problémy metrologické i manipulační. Jednou z klasických metod těchto měření je použití souřadnicových měřicích strojů s dostatečně velkými měřicími rozsahy. Příkladem mohou být měřicí stroje MMZ (Carl Zeiss), viz tab. 4. Stroj MMZ B mostové konstrukce se vyznačuje velkou tuhostí. Stroj MMZ G je vybaven velkým portálem. Jeho systematické chyby se automaticky korigují systémem CAA.

Fotogrammetrický systém INCA 3+V-Stars

Aby se odstranily obtíže plynoucí z velké hmotnosti i velkých rozměrů měřených objektů, vychází se z nové strategie měření, kdy se kontrolovaný objekt nepřemisťuje pracně k měřicímu stroji, ale přenosné měřicí zařízení, které využívá zpravidla optických metod, se přesune k měřenému objektu. Jednou z takových metod je blízká průmyslová fotogrammetrie. Příkladem může být fotogrammetrický systém INCA 3+V-Stars (Geodetic Systems Inc.). Jeho základem je digitální kamera INCA 3 o hmotnosti 2 kg vybavená maticí senzorů vytvářejících černobílý obraz s radiometrickým rozlišením 12 bit/pixel. Objektiv kamery s ohniskovou vzdáleností 21 mm je zaostřen v rozsahu od 0,5 do 60 metrů (od snímaného objektu). Digitální obrazová data se ukládají na paměťovou kartu nebo se přenášejí přímo do počítače, ať už kabelem nebo bezdrátově. Software V-Stars umožňuje automatické zpracování výsledků přímo na kontrolním stanovišti. Program vyhodnotí 3D model kontrolovaného objektu nebo jeho části a upraví jeho optimální měřítko s využitím jednoho až dvou současně snímaných etalonů (scale bass), jejichž délka je reprezentována dvěma koncovými odraznými terčíky a je známa s maximální úchylkou 0,01 mm. Chyba měření v určení prostorové polohy kontrolovaného bodu souřadnicemi X, Y, Z  je charakterizována výběrovou směrodatnou odchylkou s = 5 μm + 5 μm.m-1, tedy při vzdálenosti od kamery 4 m je výběrová směrodatná odchylka s = 0,025 mm. Musíme však vzít v úvahu, že tato hodnota nezahrnuje případné systematické chyby, například teplotní.
Oblast mobilních měřicích systémů je mnohem rozsáhlejší, než zde uvádíme. Je zastoupena především kloubovými měřicími rameny a trackery.

Při měření velkých objektů se uplatňují – podobně jako u malých a středně velkých dílů – také skenovací systémy. Uvádíme dva jejich představitele: systém pro skenování bílým světlem a řádkový laserový skener (oba Hexagon Metrology). Používají se k rychlé bezdotykové kontrole tvarově složitých součástí v různých oblastech strojírenské výroby. Pracují mnohem rychleji než dotykové sondy a slouží k vytváření rozsáhlých datových souborů.

White light scanner CogniTens WLS 400

Měřicí systém White light scanner CogniTens WLS 400 je mobilní bezdotykový systém pro měření v dílenských podmínkách. Používá se pro 3D měření geometrických charakteristik součástí, zejména tvarů, pomocí bílého světla, a to v automatickém (WLS 400A) i manuálním (WLS 400M) režimu a obsluhuje se pomocí standardního laptopu. Systém je vybaven třemi digitálními kamerami s vysokým rozlišením (3x 4,0 megapixelu) chráněnými krytem z uhlíkových vláken. Zorné pole je 500 x 500 mm, optimální pracovní vzdálenost 780 mm. Plošné vyhodnocení (500 x 500 mm) trvá 1,3 sekundy. Software CoreView se používá mj. i při vyhodnocování tvaru a polohy (GD&T) v rovinné geometrii. Propojení měřicí hlavice CogniTens WLS400A s polohovacím zařízením umožňuje automatizovat kontrolní operace přímo na výrobních linkách při provozních teplotách od 5 do 35 °C. Systém je odolný proti vibracím těžkých strojních zařízení.

Mobilní skener CogniTens WLS 400

Řádkový laserový skener CMS 106/108

Dalším z progresivních typů je vysokorychlostní řádkový laserový skener CMS 106/108. Typ CMS 106 se používá především na třísouřadnicových měřicích strojích, typ CMS 108 zejména na mobilních měřicích ramenech, například Romer. Kompletní zařízení se skládá z laseru, CCD kamery a případně vyhodnocovacího zařízení. Při měření se používá tzv. triangulační metoda, při které laserový zdroj záření, CCD kamera a stopa laseru dopadající na měřený objekt vytvářejí trojúhelník, ze kterého se vyhodnocují měřené parametry. Skenovací rychlost je vysoká, až 50 řádků za sekundu. Šířka řádku je volitelná třístupňovým zoomem 24, 60 a 124 mm. Největší dovolená chyba je 20 μm. Laserový skener CMS se používá především k měření plechových a plastových dílů, případně odlitků, nebo různých dílů v automobilovém průmyslu, jako jsou například sedadla, čalounění apod.

Vývojové prvky a měřicí přístroje uvedené v článku nemohou postihnout všechny významné trendy strojírenské techniky. Naši čtenáři se s nimi budou moci seznámit na Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně (říjen 2013) nebo na veletrhu EMO v Hannoveru (září 2013).

Čeněk Nenáhlo

hnenahlova@seznam.cz