Nové měřicí přístroje pro strojírenství

V šedesátých letech vznikly normy tolerancí a úchylek geometrického tvaru a polohy (ČSN 01 4403). Začaly se řešit i otázky vlnitosti povrchu, parametru, který má v přesném strojírenství mimořádnou důležitost. V polovině století vznikaly první normy, které vyjadřovaly drsnost povrchu kvantitativním způsobem (nejprve parametry Ra a Rz), v osmdesátých letech se tato problematika rozšířila o další charakteristiky drsnosti povrchu a na začátku 21. století již bylo možno v souladu s normou ISO 1302 posuzovat a vyhodnocovat v rámci textury povrchu jak drsnost, tak i vlnitost a základní profil. Uvedená problematika je souhrnně řešena v soustavě norem GPS (Rozměrové a geometrické tolerance produktů a jejich ověřování). Soustava GPS řeší uvedenou oblast skutečně komplexně. Zahrnuje požadavky na rozměrové a geometrické tolerování, značení na výkresech, dále požadavky na měřicí přístroje, zařízení pro jejich kalibraci a způsob stanovení nejistot měření. Jak se s těmito normovanými požadavky, které se v průběhu doby zvyšovaly, vyrovnala měřicí technika, resp. technická kontrola? Zatímco v padesátých letech technická kontrola, vybavená často pouze jednoduchými měřicími prostředky, plnila pouze s obtížemi požadavky konstruktérů, které byly předepsány na výkresech, koncem století se měřicí přístroje dostaly na tak vysokou úroveň, že dokážou měřit vše, co je předepsáno ve výkresové dokumentaci nebo v technických normách. V některých případech, zejména u textury povrchu, lze změřit i takové parametry, jejichž hodnoty technická konstrukce dosud nevyžaduje, ale jejichž znalost by přispěla ke zlepšení funkčních vlastností produktů nebo jejich částí.

Se zvyšováním přesnosti výroby vzrůstá i přesnost měření. I když rozlišení měřicích přístrojů (nejmenší změna měřené veličiny, která způsobí rozeznatelnou změnu v odpovídající indikaci) neposkytuje jednoznačný pohled na přesnost přístroje, umožňuje, abychom si vytvořili názorný obraz o tom, kam se vývoj přesnosti měření ubírá. Zatímco na počátku 20. století se rozlišení pohybovalo v rozsahu desetin milimetru, později setin milimetru, například u číselníkových úchylkoměrů, v poslední čtvrtině minulého století rozlišení digitálních přístrojů již dosahovalo mikrometrické, popř. submikrometrické oblasti (např. 0,1 μm). V současné době rozlišení velmi přesných přístrojů leží v oblasti nanometrů, v ojedinělých případech až pikometrů (1 pm = 0,001 nm), jak ukazuje příklad profiloměrů Talysurf CCI 6000, kde rozlišení ve vertikálním směru je 0,01 nm, tedy 10 pm. Při úhlových měřeních se jedná v mezních případech o rozlišení až 0,036 úhlové vteřiny, jako například u dělicího stolu počítačového tomografu Metrotom. Rozlišení se zvyšuje i u dílenských měřidel – u elektronických snímačů délky nebo ojediněle i u třmenových mikrometrů dosahuje 0,1 μm.

Jaký je současný stav měřicí techniky ve strojírenském procesu? Přinášíme informace o některých druzích měřicích přístrojů, které považujeme pro danou oblast měření za typické. U každého přístroje uvádíme v závorce výrobce, popř. dodavatele.

Některé druhy měřidel známe z celého sledovaného období. Příkladem mohou být koncové měrky, vyvinuté již na začátku 20. stol. švédským nástrojařem C. E. Johanssonem. O jejich vysoké technické úrovni svědčí skutečnost, že se používají ve strojírenství stále, dokonce slouží za základ metrologického zabezpečení výroby. I když při posuzování jejich technické úrovně i kvality provedení samozřejmě bereme v úvahu, že metrologické parametry těchto současných ztělesněných měr jsou mnohem výše než u jejich předchůdců před sto lety, základní koncepce koncových měrek se zachovala. Zdokonalila se však výrazně technologie jejich výroby, začaly se používat vedle dnes již klasické speciální oceli nové materiály (např. technická keramika), zdokonalily se metody kalibrace koncových měrek včetně přístrojů pro jejich kalibraci. To vše vedlo k tomu, že nyní představují koncové měrky ve většině strojírenských podniků základ jednotnosti a správnosti, resp. přesnosti délkových měření a používají se jako hlavní podnikové (referenční) etalony.

Podobně u třmenových mikrometrů se během doby podstatně neměnil jejich základní metrologický prvek, tj. mikrometrický šroub. Přesto u nich došlo ke značným konstrukčním změnám. Jako novinku uvádíme třmenový mikrometr MDH (Absolute Digimatic) se zvýšenou přesností. Jeho měřicí rozsah je (0 až 25) mm a číslicový krok 0,1 μm, největší dovolená chyba 0,5 μm. Nekonvenční řešení je rovněž uplatněno u třmenového mikrometru QuantuMike, jehož mikrometrické vřeteno má stoupání 2 mm (na rozdíl od konvenčního stoupání 0,5 mm). Tím se zvýší rychlost přestavování mikrometru čtyřikrát, aniž by se zvýšila jeho největší dovolená chyba 2 μm. Pro porovnání: Největší dovolená chyba běžného třmenového mikrometru podle norem DIN nebo ISO je 4 μm. Mikrometr QuantuMike se vyrábí ve dvou měřicích rozsazích (0 až 25) mm a (25 až 50) mm. Oba uvedené mikrometry (Mitutoyo) mohou být kabelem připojeny k periferní vyhodnocovací jednotce, což je důležité při vyhodnocování základních statistických charakteristik (aritmetický průměr, rozpětí, výběrová směrodatná odchylka apod.).

Dílenské přístroje pro měření drsnosti povrchu umožňovaly obvykle měřit pouze parametry Ra, popř. Rz. Na nových typech dílenských přístrojů lze měřit i mnoho dalších parametrů, kterými lze lépe popsat technický povrch obráběné součásti a tak přispět ke zvýšení životnosti nebo získat lepší funkční vlastnosti vyráběných produktů. Příkladem může být drsnoměr W5 (Hommel-Etamic). Výsledky se vyhodnocují na barevném 2" grafickém displeji, délka měřeného úseku je volitelná ve třech stupních: 1,5 mm, 4,8 mm a 15,0 mm, čemuž odpovídá základní délka (cut-off) 0,25 mm, 0,8 mm a 2,5 mm. Rozlišení přístroje je 0,5 μm, přítlačná síla induktivního snímače 1,5 mN. Přístroj je zařazen do třídy přesnosti 1 (podle DIN 4772), což odpovídá největší dovolené chybě 5 %. Drsnoměrem W5 lze vyhodnocovat parametry drsnosti povrchu podle normy ISO 4287 (výškové parametry, např. Ra, Rz, Rt, Rq, délkové a výškové parametry, např. Rsm, Rmr), podle ISO 12085 (parametry MOTIV), ISO 13565 (parametry křivky lineárního materiálového poměru) a podle některých zahraničních, např. DIN, JIS nebo firemních (Daimler) norem. Drsnoměr W5 je napájen baterií a lze k němu připojit řádkovou tiskárnu P5.

Měření kruhovitosti a na ně navazujících parametrů se stává významnou složkou kontroly kvality výroby a vyžaduje často speciální měřicí techniku. Jako příklad uvádíme přístroj pro rychlou kontrolu kruhovitosti Surtronic Roundness (Taylor Hobson Ltd.). Metrologickým základem přístroje je otočný stůl uložený v přesných vzduchových ložiscích. Na stůl se mohou upínat kontrolované součásti do max. rozměrů 300 x 300 mm a hmotnosti do 20 kg. Přístroj se vyrábí ve čtyřech modelech lišících se rozlišením a programovým vybavením. Například model R 100 je určen pro měření kruhovitosti, rovinnosti čelních ploch, souososti, soustřednosti a radiálního házení. Jeho rozlišení je 0,03 μm. Model R 125 umožňuje vedle parametrů uvedených u modelu R 100 měření k ose a rovině, dále rovnoběžnosti, měření na přerušovaném povrchu, frekvenční (harmonickou) analýzu a zjišťování některých dalších charakteristik. Rozlišení je v tomto případě 0,006 μm.

Jiným příkladem přístroje téhož výrobce je Talyrond série 500, jenž je určen pro automatickou kontrolu kruhovitosti a dalších parametrů. Při měření jsou využívány stejné výchozí základny jako při výrobě kontrolovaných funkčních povrchů. To umožňuje kopírovat pohyby obráběcího stroje a přesnou reprodukci tvaru součásti. Velká přesnost simulace dráhy řezného nástroje zajišťuje navíc i zpětnou vazbu, využitelnou např. k regulaci podmínek výrobního procesu. Přístroje Talyrond 500 mohou vyhodnocovat tyto charakteristiky: geometrické tvary a jejich polohu (kruhovitost, válcovitost, přímost, rovnoběžnost, souosost, soustřednost a házení), délkové parametry (délky, poloměry a průměry, vzdálenosti a úhly) a texturu povrchu (drsnost, vlnitost a základní profil).

Do skupiny přístrojů pro měření tvaru povrchu patří přístroj Conturomatic T1 (T&S Messtechnik). Měřicí rozsah přístroje 250 x 320 mm je odvozen od velikosti polohovacího stolku. Přístrojem lze měřit tvarové elementy, poloměry, přesazení, úhly a segmenty, dále vytvářet referenční systémy, regresní přímky a křivky, a to graficky i numericky. Pro zobrazení i tisk lze využít zvětšení od 0,1 : 1 do 2 000 : 1. Největší dovolená chyba přístroje je ± (1,5 + L/100) μm, kde L je měřená délka v milimetrech. Software umožňuje provádět automaticky měření bez zásahu obsluhy, zobrazovat až 10 změřených tvarů a následně je jednotlivě analyzovat, porovnávat atd.

Nové měřicí mikroskopy mají málo společného s přístroji, které se běžně používaly v metrologických laboratořích koncem minulého století (v četných laboratořích se používají dosud). Nové typy mikroskopů představují bezkontaktní měřicí systémy s optickou projekční technologií kombinovanou s videosystémem. Přístroj Swift Duo (Vision Engineering) je dvouosý optický a videooptický systém vybavený barevnou CCD kamerou, propojením s PC, softwarem M2V a dotykovou obrazovkou pro rychlé ovládání softwaru. Je vybaven dynaskopickou technologií (bezokulárový systém s projekční hlavou). Rozlišení je 1 μm. Měřicí rozsahy jsou 150 mm x 100 mm, zatížení stolu max. 10 kg.

Podobným typem téhož výrobce je tříosý měřicí videomikroskop Falcon. Vyrábí se ve dvou měřicích rozsazích (X, Y, Z) 150 x 100 x 115 mm a 150 x 150 x 125 mm. Přístroj může pracovat v režimu CNC.

Obdobné změny zasáhly i měřicí projektory, které lze charakterizovat jako výlučně optické přístroje, jejichž výsledky měření jsou zatíženy značnou subjektivní chybou. Proti nim lze postavit nový digitální profilprojektor (Neovision), u kterého je optické zobrazení na stínítko nahrazeno kamerou. Snímaný obraz se objeví na monitoru PC a současně se zpracovává metodami digitálního zpracování obrazu. Také lze porovnat kontrolovaný výrobek s modelem CAD, přičemž se zvýrazní úchylky od požadovaného tvaru. Digitální projektor se používá pro ruční měření a seřizování nebo při sériové kontrole produktů. V takovém případě se část přístroje s měřicím stolkem nahradí podavačem, který transportuje součást do předmětové roviny kamery.

Jiným příkladem progresivní měřicí techniky, která zaplnila téměř celou druhou polovinu století, jsou souřadnicové měřicí stroje. Během padesáti let, co jsou ve strojírenství používány, prošly rychlým vývojem, což se týká jak zvyšování přesnosti a vyhodnocování různých parametrů, tak rozvoje nových metod, například skenování. Vyrábějí se v různých druzích, jednak jako velmi přesná měřicí zařízení, jednak jako jednoduché měřicí stroje, které umožňují nekomplikovanou obsluhu výrobními dělníky. Nalezneme je jak v klimatizovaných měřicích laboratořích, tak i ve výrobním procesu, v některých případech i jako součást výrobních linek.

V současnosti se významně prosazují multisenzorové měřicí stroje. Flexibilní multisenzorové technologie, pro něž je příznačné používání bezdotykových senzorů i dotykových snímačů, představují progresivní nástroje k ověřování a kontrole kvality produktů v mnoha průmyslových odvětvích, zejména ve strojírenství. Zde přinášíme informaci o novém typu, třísouřadnicovém multisenzorovém stroji Optiv Reference (Hexagon Metrology). Stroj pracuje v měřicích rozsazích (osy X, Y) 530 až 730 mm. Pro měření ve svislé ose (osa Z s rozsahem do 300 mm) se používá tzv. koncept Dual-Z, což jsou dvě svislé, navzájem nezávisle se pohybující osy, jedna s optickým senzorem, druhá s dotykovým čidlem. Neaktivní senzor, popř. čidlo, je během měření umístěn v bezpečné poloze nad měřenou součástí. Všechny osy stroje jsou vybaveny vzduchovými ložisky, posuv zajišťují kuličkové šrouby. Zatížení stolu stroje je max. 250 kg. Software PC-DMIS Vision umožňuje využitím CAD systému docílit při vývoji programů až 75% úspory času proti tradičním metodám.

Na třísouřadnicových strojích lze měřit i ozubená kola. Uvádíme dva příklady. Známý stroj DuraMax (Carl Zeiss) je kompaktní 3D stroj, určený přímo do výrobního prostředí. Jeho varianta DuraMax Gear rozšiřuje použití tohoto stroje o měření ozubení ve výrobě. Má potřebné hardwarové i softwarové vybavení. Softwarový modul Gear Pro Involuce byl speciálně vyvinut pro měření čelních kol. Kromě toho jsou k dispozici moduly pro měření kuželových kol (jmenovité hodnoty mohou být importovány přes rozhraní CAD, popř. je lze vytvořit digitalizací vzorového kola) nebo pro měření šnekových kol.

Jiným příkladem, tentokrát z oblasti velkých ozubených kol, je třísouřadnicový měřicí stroj Leitz PMM-F (Hexagon Metrology) mostového typu s měřicími rozsahy (X, Y, Z) 3 000 x 2 000 x 700 mm. Uvedený stroj je používán v nové laboratoři Brémské univerzity, vytvořené Brémským institutem pro metrologii, automatizaci a vědu o kvalitě (BIMAQ). Cílem institutu je vytvoření certifikovaného testovacího odborného pracoviště pro kontrolu velkých ozubených kol.

Čeněk Nenáhlo

Česká metrologická společnost

hnenahlova@seznam.cz

Tab. 1