Stykowa i optyczna technika pomiarowa

Ponieważ wymagania dotyczące jakości części stale rosną, kontrola wymiarów geometrycznych wraz ze zrozumiałą dokumentacją jest obecnie niezbędna w procesie produkcyjnym. Przed zakupem nowego systemu pomiarowego 3D pojawia się podstawowe pytanie: która technologia jest najbardziej odpowiednia dla danego zadania pomiarowego. Czy potrzebny jest stykowy system pomiarowy 3D, który rejestruje wszystkie wymagane punkty pomiarowe za pomocą sondy pomiarowej? A może preferowany jest optyczny system pomiarowy 3D, który digitalizuje całą geometrię w sposób bezstykowy? Ten artykuł wyjaśnia podstawowe funkcje obu metod i analizuje ich zalety, różnice i obszary zastosowań w przemyśle motoryzacyjnym.

W dziedzinie wymiarowego testowania detali współrzędnościowe systemy pomiarowe (CMM) są najbardziej znanymi systemami w kontekście tradycyjnej techniki pomiarowej. CMM współpracują z dotykowymi i skanującymi systemami pomiarowymi. W celu wykonania pomiaru sonda jest umieszczana w żądanym punkcie pomiarowym. Opcjonalnie do obracania części można użyć sterowanego stołu obrotowego. Połączone oprogramowanie pomiarowe oblicza elementy geometryczne z przechwyconych pojedynczych punktów i dostarcza aktualne wartości dla charakterystyk obiektu, który ma zostać skontrolowany.

Stykowa technika pomiarowa wyróżnia się przede wszystkim bardzo wysoką dokładnością bezwzględną i dlatego jest nadal pierwszym wyborem do pomiaru części o wysokiej precyzji. Stacjonarna maszyna CMM może mierzyć punkty z dokładnością do jednej tysięcznej milimetra. Obecnie tak wysokiej dokładności nie można jeszcze osiągnąć za pomocą optycznej techniki pomiarowej 3D.

Optyczna technika pomiarowa 3D jest odpowiednia, gdy wymagania dotyczące dokładności mieszczą się w zakresie setnych milimetra. Jeśli chcesz nabyć nowy system pomiarowy i nie masz pewności, czy wybrać system stykowy czy optyczny, pierwszą rzeczą jest ustalenie, jakie dokładności są potrzebne. Praktyczna zasada mówi, że dokładność systemu pomiarowego powinna być zawsze większa o współczynnik od pięciu do dziesięciu niż najwyższa wymagana tolerancja do zmierzenia. Oznacza to: jeśli tolerancja charakterystyki wynosi na przykład 0,1 mm, urządzenie pomiarowe powinno mieć dokładność co najmniej 0,02 mm.

W przemyśle motoryzacyjnym, koła zębate, wały korbowe i bloki silników są klasycznymi kandydatami do pomiarów stykowych: tolerancje i dokładności, których należy przestrzegać w przypadku tych części, wymagają najwyższego możliwego stopnia precyzji. Przekładnia w sektorze motoryzacji zwykle wymaga dokładności 1 µ lub wyższej. Dokładność ta jest obecnie ledwo osiągalna w przypadku optycznych systemów pomiarowych.

Na niekorzyść stykowej techniki pomiarowej przemawiają wysokie nakłady czasowe w przypadku, gdy wymagana jest większa gęstość danych: sondowanie setek punktów pomiarowych na jednym detalu może zająć dużo czasu, a czasami nawet kilka godzin. W związku z tym kompletna kontrola podczas produkcji jest prawie niemożliwa ze względu na wymagany nakład czasu i fakt, że wiele maszyn CMM często nie może być umieszczonych bezpośrednio na hali produkcyjnej. Aby zaoszczędzić czas, można zmniejszyć liczbę punktów pomiarowych, ale odbywa się to kosztem gęstości danych. W tym przypadku zawsze należy dokładnie rozważyć stosunek nakładu czasu i gęstości danych.

Bez względu na to, ile punktów pomiarowych jest rejestrowanych z najwyższą starannością: nie jest możliwy pomiar całej powierzchni mierzonego obiektu. W tym miejscu do gry wkracza optyczna technika pomiarowa: Optyczna technika pomiarowa jest nie tylko szybsza, ale także tworzy cyfrową kopię całego mierzonego obiektu, a zatem dostarcza bardziej szczegółowych informacji o jakości niż stykowa technika pomiarowa.

Procedura pomiarowa za pomocą optycznych systemów pomiarowych 3D jest bardzo prosta: mierzony obiekt pomiarowy jest umieszczany przed sensorem – ręcznie lub za pomocą robota. Następnie rozpoczyna się akwizycja obrazu: Sensor pomiarowy rejestruje krok po kroku każdą stronę mierzonego obiektu. Aby uchwycić całą powierzchnię, detal jest przesuwany tak, aby sensor mógł zarejestrować wszystkie obszary, albo sam sensor jest przesuwany wokół detalu. Następnie połączone oprogramowanie pomiarowe automatycznie transformuje wszystkie indywidualne pomiary do wspólnego układu współrzędnych. Rezultatem jest kompletna chmura punktów 3D powierzchni obiektu. Wygenerowane dane pomiarowe umożliwiają przeprowadzanie różnych inspekcji, na przykład porównania całej geometrii obiektu z danymi nominalnymi lub kontroli elementów GD&T. Na podstawie kolorystycznej mapy odchyłek można łatwo rozpoznać problematyczne obszary, a tym samym umożliwić ukierunkowaną korektę procesu produkcyjnego. W ten sposób można uniknąć niepotrzebnych iteracji procesów.

Kolejna zaleta optycznej techniki pomiarowej 3D: Procedura pomiarowa jest niezwykle szybka. Digitalizacja złożonych elementów zajmuje tylko kilka minut, a czasami zaledwie kilka sekund.

Przykłady zastosowania optycznej techniki pomiarowej 3D można znaleźć w przemyśle motoryzacyjnym: od planowania procesów w celu analizy możliwości maszyn, poprzez zautomatyzowaną kontrolę jakości w tłoczniach i produkcji karoserii samochodowych, a także kontrolę części odlewanych, kutych i z tworzywa sztucznego, aż po optymalizację procesów w montażu końcowym.

Obecnie na rynku pojawia się coraz więcej systemów pomiarowych, które łączą obie metody pomiarowe: W celu przyspieszenia pomiaru i umożliwienia pomiaru powierzchni wrażliwych na dotyk, współrzędnościowe systemy pomiarowe mogą być wyposażone w sensor optyczny. Z drugiej strony, optyczne systemy pomiarowe można rozbudować o sondę, dzięki czemu możliwe jest uchwycenie obszarów detalu, które są optycznie trudno dostępne, takich jak wiercone otwory, kieszenie lub podcięcia. W związku z tym należy pamiętać o jednym ważnym aspekcie: Dokładność optycznych systemów pomiarowych 3D nie może zostać zwiększona za pomocą dodatkowej sondy – możliwe jest jedynie uchwycenie dodatkowych cech obiektu na złożonych strukturach.

Do optycznej kontroli wymiarów 3D firma ZEISS opracowała serię przemysłowych skanerów 3D ATOS: Optyczne skanery 3D działają w sposób bezstykowy i szybko dostarczają cyfrowe kopie obiektu pomiarowego w wysokiej rozdzielczości. W tym celu ATOS łączy najnowszy sprzęt z inteligentnym oprogramowaniem.