Témata
Reklama

Pokrok v měření a hodnocení struktury povrchu

Zvyšování životnosti a funkční spolehlivosti součástí je podmíněno vysokou jakostí jejich funkčních ploch, tj. rozměrovou i tvarovou přesností a drsností povrchu.

Požadované zvyšování jakosti, při stále větším využití progresivních konstrukčních materiálů (s vesměs zhoršenou obrobitelností), rozvoji řezných materiálů a obráběcích strojů, vyžaduje mimo jiné i vývoj měřicí techniky a hodnoticích metod.
Charakteristika struktury povrchu, včetně definice parametrů a jejich měření, je součástí norem Geometrické požadavky na výrobky (GPS). Normovaný popis struktury povrchu zahrnuje drsnost, vlnitost a základní profil. Je tedy zřejmé, že profil drsnosti a jeho parametry jsou jen částí charakteristiky struktury povrchu.
V současné době stále zůstává základem hodnocení struktury povrchu profilová metoda. Profil drsnosti povrchu je většinou snímán dotykovým měřicím přístrojem - profilometrem. Získaný digitalizovaný profil povrchu, představující jeden "řez" kontrolovaným povrchem, je následně zpracováván a vyhodnocován formou řady normalizovaných i nenormalizovaných výškových, délkových a tvarových parametrů. Zpracování naměřených dat je prováděno buď přímo ve vyhodnocovací části profilometru, nebo s využitím dodávaného softwaru v připojeném počítači. Programové vybavení vesměs umožňuje získat podstatně rozsáhlejší a podrobnější charakteristiku struktury povrchu. Ve standardním provedení předních výrobců měřicích přístrojů jsou vyhodnocovány geometrické parametry výpočtem ze základního profilu (parametry P), z profilu drsnosti (parametry R) a z profilu vlnitosti (parametry W).
Měření a hodnocení struktury povrchu představuje specifickou samostatnou část metrologie, zabezpečovanou jednoúčelovými měřicími přístroji. S touto výlučností je spojena i důležitá skutečnost, že se výrobci měřicí techniky výrazným způsobem podílí jak na přípravě metodiky hodnocení struktury povrchu, včetně normalizace parametrů drsnosti a podmínek hodnocení, tak i na přípravě softwaru pro praktické vyhodnocování kontrolovaného profilu povrchu.
Reklama
Reklama
Reklama

Vývojové trendy v oblasti měřicí techniky

Vývoj měření a hodnocení struktury povrchu vychází především z technických požadavků rozvíjející se strojírenské výroby a probíhá v souladu s výsledky normalizačního procesu v daném oboru. Současně se ve vývoji uplatňují i technické a ekonomické aspekty uživatelského prostředí. Snahou výrobců je tedy připravit a nabídnout ucelený měřicí systém, který bude zároveň splňovat jak požadavky na technickou úroveň (hodnocené parametry, přesnost atd.), tak i praktické požadavky uživatelů.
Vývoj a výroba měřicí techniky se zaměřily - a nabídka současného trhu to prakticky potvrzuje - na řešení následujících problémů měření a hodnocení struktury povrchu:
  • Přesnost a rozsah měření - přístroje jsou z tohoto hlediska jednoznačně tříděny na jednoduché (provozní), měřící jen některé parametry (např. Ra, Rz), a měřicí systémy umožňující vyhodnocení několika desítek parametrů struktury s vysokou přesností. Zřetelná je snaha o zvyšování rozsahu měření, zvětšování délky měření při malém rozlišení (tedy vysoké přesnosti měření). Současně je sledováno i dosažení přiměřené opakovatelné přesnosti měření, důležité z hlediska charakteru většiny obrobených povrchů.
  • Rozsah použití měřicího zařízení - na rozdíl od dřívějších jednoduchých profilometrů určených jen k měření drsnosti jsou nyní připravovány přístroje umožňující měření a hodnocení nejen drsnosti, ale i tvaru povrchu. V návaznosti na využití většího rozsahu měření (s použitím více posuvových jednotek a snímačů) a programového hodnocení výsledků měření se tak podstatně rozšiřují možnosti kontroly povrchu.
  • Jednoduchost obsluhy přístroje a hodnocení - objektivita výsledků měření drsnosti předpokládá dodržení určitých pravidel měření (nastavení snímače, rozsahu měření atd.). Pozornost se soustřeďuje na taková konstrukční provedení a programová vybavení, která zajistí minimální vliv obsluhy na výsledek měření. Zjednodušení přípravy přístroje i vlastního provedení měření omezí nároky na kvalifikaci obsluhy a umožní rozšíření provozního nasazení měřicích přístrojů.
  • Softwarové zabezpečení hodnocení struktury povrchu - příprava rogramů pro hodnocení struktury spolu se spojením měřicích přístrojů s počítači se ukázaly jako mimořádně přínosné z hlediska technického i ekonomického. Proto je této oblasti věnována velká pozornost. Programové vyhodnocení struktury zajišťuje zatím nejkomplexnější charakteristiku povrchu, včetně tvarového a frekvenčního hodnocení, parametrů nosné křivky a funkce hustoty pravděpodobnosti souřadnic profilu. Rozšiřuje hodnocení struktury povrchu o řadu nových parametrů (např. o metody Motif, relativní délku profilu RLr apod.) a doplňuje běžné dvourozměrné měření profilu povrchu prostorovou analýzou kontrolovaného povrchu (3D Topography Analysis). Lze konstatovat, že příprava programů pro zpracování dat z měřených povrchů zajistila kvalitativní změnu v hodnocení jejich struktury.
  • Autoomatizace procesu kontroly a vyhodnocení výsledků měření struktury povrchu - v souladu s tendencemi automatizování operací výroby a dokončování součástí se přistupuje i k automatizaci kontroly struktury. Současné přístrojové systémy již umožňují, aby kontrolovaný povrch byl přímo srovnáván se zadaným vzorovým tvarem (při současném zobrazení obou povrchů a kvantifikaci jejich vzájemné polohy). Výsledek porovnání může být výchozím údajem pro případná následná technologická opatření (výměna řezného nástroje, seřízení obráběcího stroje apod.), která by zajistila požadovanou kvalitu povrchu. Cílovým řešením problému v plně automatizované výrobě bude případ, kdy se bude výsledek měření struktury, po srovnání s etalonem, vracet do řídicího systému výroby jako regulační prvek pro zajištění předepsané jakosti výroby.
  • Současnou technickou úroveň prostředků pro měření a hodnocení struktury povrchu lze dokumentovat na produktech předního výrobce této měřicí techniky, anglické firmy Taylor Hobson Ltd (v ČR a SR zastupované společností Imeco, s. r. o., Brno).

    Měřicí systém Form Talysurf Series 2

    Měřicí systém Form Talysurf Series 2 (dále FTS2) je určen k měření a analýze struktury a tvaru povrchu. Konstrukční provedení měřidla spolu s rozsáhlým příslušenstvím a programovým vybavením umožňuje měření prakticky všech součástí bez ohledu na jejich velikost i složitost tvaru, a to jak v laboratorních podmínkách, tak i provozní měření většího množství součástí. Standardní sestava měřicího systému FTS2 obsahuje posuvovou jednotku se snímačem, elektronickou měřicí jednotku, granitovou základní desku se sloupem (opatřeným vertikálním motorickým posuvem), počítač se softwarem pro analýzu struktury i tvaru povrchu a tiskárnu. Široké možnosti měření jsou z hlediska rozsahu a přesnosti prakticky zabezpečeny následujícími měřicími systémy.
    Interferometrický systém
    Unikátní interferometrický snímač PGI (Phase Grating Interferometr) umožní současné přesné měření, s následnou analýzou, textury a tvaru povrchu (úchylky tvaru, poloměry, sklony apod.). Současné měření mikrogeometrie a tvaru umožňuje velký měřicí rozsah snímače PGI (10 mm) s rozlišením 12,8 nm. Nová konstrukce snímacího hrotu (snap off) zajišťuje jeho uvolnění v případě velké zatěžující síly, což zabraňuje poškození měřidla. Snímač PGI je spojen s posuvovou jednotkou 120 mm, která může pracovat v normální nebo převrácené poloze (inverzní měření). Nanometrické rozlišení v rozsahu měření přístroje 10 mm umožňuje široké technické využití PGI měřicího systému.
    Indukční systém
    Indukční snímače jsou určeny pro všestranná měření s vysokou přesností (při rozsahu měření 1 mm s rozlišením 16 nm; u rozsahu 0,04 mm s rozlišením 0,6 nm). Mimo standardní snímače jsou k dispozici i snímače širokorozsahové (u max. rozsahu 28 mm zaznamenají úchylku tvaru menší než 15 µm), s výměnnými rameny různých délek. Snímače jsou podle charakteru kontroly použitelné na posuvových jednotkách 50 mm nebo 120 mm.
    Bezkontaktní systém
    Nahrazuje dotykové snímání při měření povrchů citlivých na mechanické poškození, měkkých materiálů apod. Kontrolovaný povrch je sledován zaostřenou měřicí hlavou, jejíž programem řízené nastavení je jednoduché a rychlé. Výrobce uvádí rozsah měření/rozlišení: ± 500 µm/140 nm; ± 50 µm/20 nm.
    Měřicí systém FTS2 používá u ekonomičtějšího provedení posuvovou jednotku 50 mm, a to buď samostatně, nebo připevněnou na sloup. V případě měření textury na delší dráze nebo měření tvaru je používána posuvová jednotka 120 mm. Konstrukce sloupu nabízí buď ruční výškové seřízení polohy posuvové jednotky, nebo motorizovaným vertikálním posuvem v rozsahu 450 mm nebo 750 mm. Sloup s motorickým posuvem umožní i automatické nastavení měřicí polohy snímacího hrotu na kontrolovaný povrch, zhruba do středu měřicího rozsahu.
    Zpracování a hodnocení výsledků měření i jejich vizuální a hodnotová prezentace jsou prováděny připojeným počítačem. Pro analýzu jednotlivých úloh je připravena řada softwarových modulů. K měřicímu systému PGI je standardně dodáván program k analýze tvaru (úchylky tvaru, poloměry, úhly, rozměry). Rozsáhlé hodnocení mikrogeometrie povrchu doplňuje program, kterým je změřený tvar součásti přímo porovnáván s vloženým tvarem etalonu. Oba tvary a jejich případné odchylky jsou současně zobrazeny na monitoru. Progresivním prvkem programového vybavení je modul Talymap 3D Topography, který zpracovává prostorovou charakteristiku struktury povrchu.

    Třírozměrná analýza povrchu (3D)

    Prostorovou charakteristiku povrchu program Talymap zpracovává z dat získaných měřením řady paralelních profilů povrchu. Kontrolovaný vzorek je upínán na speciální stolek, jehož programem řízený příčný posuv zajistí přesné rozdělení celkové měřené délky 50 mm na "řezy" s roztečí 1 µm.
    Program Talymap, pracující ve Windows 95 nebo NT, umožní různým způsobem zobrazit sledovaný povrch, včetně axonometrické projekce (čárové nebo síťové) s volitelným úhlem pohledu, černobíle nebo barevně, s barevným rozlišením výšek, s nastavitelným zvětšením celku nebo vybrané části povrchu, dovolí rozměrová měření ve třech osách, inverzi profilu povrchu, simulaci opotřebení povrchu apod. Práce s programem i vkládání dat k analýze jsou jednoduché a rychlé; výsledky probíhající analýzy lze přímo sledovat. Při analýze řady profilů program zajistí rychlé opakování stejné operace, úlohy nebo výpočtu, včetně ilustrací.
    Parametry prostorového hodnocení struktury povrchu dosud nejsou normovány. Taylor Hobson spolupracuje na řešení programu, který by měl vést k vytvoření ISO standardu. Talymap využívá pro 3D hodnocení amplitudové parametry (většina je odvozena z 2D), dále parametry popisující materiálový poměr povrchu (ISO 13565 - 2), parametry vztažené k rozmístění nerovností (např. hustota výstupků, rozvinutý povrch) a konečně objemové parametry (zavedené ke kvantifikaci nosného podílu a poměru objemů materiál/dutiny). Celkem program používá pro prostorovou charakteristiku povrchu více než 80 statistických parametrů. Navíc dovoluje vyjmout z hodnoceného povrchu jeden profil a provést jeho hodnocení (2D).

    Aplikace prostorové charakteristiky povrchu

    Prostorovou analýzou povrchu se otevírají nové možnosti hodnocení struktury, které byly dvourozměrným měřením nedosažitelné. Přínosným se ukazuje tento detailní prostorový popis povrchu především při posuzování jeho funkčních vlastností, jako je např. opotřebení, tření, mazání, únavové vlastnosti, těsnění stykových ploch, vhodnost povrchu pro nátěry apod.
    Reklama
    Související články
    Průmysl 4.0 v praxi

    Reflexe současného poznání s aplikací prvků Průmyslu 4.0 do praxe byla předmětem odborné konference, kterou společnost Ceratizit společně se svými partnery připravila pro téměř stovku účastníků z řad výrobních společností ve svém Technickém centru. Od původního teoretizování o aspektech Průmyslu 4.0 jsme se nyní dostali již k praktických zkušenostem.

    Akademici a (nejen) technika

    Spolupráce akademické a komerční sféry. Těchto pět slov v sobě bez nadsázky zahrnuje budoucí prosperitu naší země. Akademická sféra, včetně univerzit, totiž disponuje vynikajícími mozky, jejichž práce však byla v minulosti často „jen“ výzkumem pro poznání. Přitom na kvalitní výzkum je potřeba stále větší množství financí a těch se dnes často nedostává. Komerční sféra naopak financemi disponuje, ale aby ustála zesilující tlak konkurence, potřebuje získávat další a další know-how čili právě výsledky výzkumu. V čem je úhel pohledu na tuto problematiku z obou stran stejný a v čem se liší?

    Metrology 4.0 - zní to dobře, ale co to je?

    Digitalizace, Průmysl 4.0 a další. To jsou všudypřítomné pojmy moderního průmyslového odvětví. Objevují se další a další metody, přístupy a teorie, které hledají recept na řešení současných výzev průmyslové výroby - optimalizace procesu výroby, náhrada nedostupné pracovní síly, plynulý management vstupů a výstupů, zajištění vysoké kvality produkce a další.

    Související články
    Moderní metrologie pro kontrolu povrchu optiky

    S vývojem tradiční sférické optiky se postupně celkově zvětšují její rozměry i hmotnost. S cílem zvýšit přesnost a zlepšit funkční vlastnosti se jednotlivé optické komponenty kombinují. Přitom v uplynulém období progresivní optické konstrukce využívaly asférickou a difrakční optiku k redukci počtu dílů sestavy. Jedna asférická nebo difrakční čočka může nahradit několik konvenčních sférických čoček, což umožní snížit hmotnost, cenu i potřebný prostor, ale především získat kompaktnější a výkonnější optický systém.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    Vyšší kvalita kontroly textury a tvaru povrchu

    Vývoj měřicí techniky pro kontrolu jakosti povrchu sledující zvýšení technologické úrovně a rozsahu měřených vlastností se v poslední době soustřeďuje na zjednodušení seřizování a obsluhy přístrojů, tedy praktické zvýšení jejich využitelnosti ve velkosériové výrobě.

    Moderní kontrola jakosti povrchu Metrology 4.0

    Rozvoj a inovace výrobních metod a prostředků vyžaduje měřicí i hodnoticí techniku na odpovídající úrovni. Přední výrobci měřicí techniky se proto zaměřují na komplexní rozvoj metrologie. Výsledkem pokroku v rozsahu, přesnosti i rozlišení měření, zvětšování univerzálnosti aplikace, vyšší automatizace i uplatnění moderních výrobních metod je progresivní metrologický systém Metrology 4.0.

    Zvýšení přesnosti a univerzálnosti měření charakteristik povrchu

    K úspěšnosti předního výrobce měřicí techniky společnosti Taylor Hobson Ltd., Velká Británie, kterou v České republice a na Slovensku zastupuje firma Imeco TH, s.r.o., přispívá i těsná spolupráce s uživateli a reakce na současné potřeby průmyslu. Taylor Hobson se proto zaměřil na dominantní prvky výrobních procesů, které jsou rozhodující pro řízení kvality v přesném průmyslu. Poslední vývoj měřicí techniky pro měření charakteristik povrchu přinesl několik novinek, které najdou uplatnění tam, kde přesnost, rychlost a univerzálnost prostředků kontroly hrají klíčovou roli.

    Modernizace hodnocení textury a tvaru povrchu

    Ve vývoji technologií měření a hodnocení kvality funkčních povrchů jsou nepřetržitě rozvíjeny a uplatňovány nové metody zpracování změřených dat, které mají zajistit co nejdokonalejší prakticky využitelnou charakteristiku zkoumaného povrchu.

    Expimer - expresní zařízení pro rychlé stanovení materiálových vlastností

    Expimer, prezentovaná instrumentovaná měřicí soustava pro stanovení mechanických vlastností materiálů indentační metodou, může být alternativním způsobem, jak rychle definovat materiálové vlastnosti. Celý proces spočívá v tom, že na základě parametrů získaných v průběhu makroprocesu automatizovaného vtlačovaní indentoru kulového tvaru (ABI) do povrchu materiálu bez porušení konstrukce, lze rychle zjistit požadované materiálové vlastnosti. Tato metoda je jedinečná vzhledem k jednoduchosti, rychlosti vyhodnocení, manipulovatelnosti a užitečnosti pro stanovení mechanických vlastnosti materiálů během jejich vývoje, výroby a zejména v pracovních podmínkách provozu.

    Multisenzorová souhra - měřicí stroje s pevným portálem

    Po mnoho let se souřadnicové měřicí stroje společnosti Werth Messtechnik GmbH osvědčují při měření s více snímači umístěnými na dvou nezávislých osách. Nebezpečí kolize mezi snímačem a obrobkem se tak podstatně sníží, protože senzory, které nejsou používány, jsou zasunuty.

    Pokrokové 3D měření a hodnocení povrchu

    Vývoj měřicí techniky kontrolující jakost povrchu součástí je dlouhodobě zaměřen na zvyšování technické úrovně výrobků i procesů jejich zhotovování, jako je přesnost nebo rychlost měření. Současně ovšem akcentuje i požadavky uživatelů a potřeby trhu, které často rozšiřují aplikační možnosti uplatnění a ekonomickou efektivnost kontroly. Příkladem může být zvyšování úrovně univerzálnosti metod měření nebo srovnatelnosti výsledků získaných dotykovou a bezdotykovou metodou kontroly povrchu.

    Měřicí technika na Control 2015

    Letošního stuttgartského mezinárodního veletrhu Control 2015, zaměřeného na problematiku kvality, se účastnilo na 917 vystavovatelů. Jejich setkání s návštěvníky dokumentovalo novinkami a inovovanými technologiemi současnou úroveň dané oblasti, ale bylo inspirativní také pro další rozvoj oboru.

    Novinky v kontrole textury a tvaru povrchu

    Rozvoj metrologických metod a prostředků kontroly jakosti povrchu posunuje kupředu nejen úroveň znalostí o vlastnostech povrchu, ale i vztahu mezi charakteristikou povrchu a jeho připraveností pro předpokládanou funkci. Přední výrobce měřící techniky Taylor Hobson, jenž je na tuzemském trhu zastupován firmou Imeco TH představil následující novinky v kontrole a hodnocení vlastností povrchu.

    Měření v rámci celého výrobního řetězce

    Na cestě k aplikaci konceptu Průmyslu 4.0 se měřicí a kontrolní technologie čím dál víc používají jako řídící nástroj ve výrobě. V rámci plnění této nové role ale potřebují pružněji a rychleji zachytit kvalitativní údaje na různých místech: v měřicí laboratoři, v těsné blízkosti výrobní linky, stejně tak jako přímo v ní.

    Reklama
    Předplatné MM

    Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

    Proč jsme nejlepší?

    • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
    • Vysoký podíl redakčního obsahu
    • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

    a mnoho dalších benefitů.

    ... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

        Předplatit