Měřicí technologie dohání potřeby obrábění ve výrobě

S vývojem obrábění a souvisejících procesů čelí výrobci vysokého až středního množství obráběných dílů zvýšeným požadavkům na kontrolu z hlediska frekvence, měření prvků a výrobních statistik, a také rostoucím požadavkům na přesnost. Výrobci hledají pokroky v měřicích technologiích, například rychlosti cyklů měření, schopnosti kontrolovat díly s větší přesností a schopnosti přesně měřit geometrické prvky a volné tvary.

Měřicí technologie urazily za posledních pět let dlouhou cestu a dnes jsou k dispozici nástroje, které splňují požadavky na zpřesnění kontroly. Správné řešení pochopitelně závisí na konkrétních potřebách koncového uživatele. Prozkoumáme tři různé, ale efektivní přístupy k přesnému měření obrobků v prostředí středně - až velkoobjemové výroby.

Bezkontaktní měřicí centra pro obrobky
Průmysl zubních implantátů je přesvědčivým důkazem použití optoelektronických bezkontaktních měřicích systémů. Výrobci produkují velké množství variací velikostí a tvarů hlavních komponent zubního implantátu prostřednictvím obrábění/řezání závitů pomocí CNC technologie v prostředí velkoobjemové výroby. Implantáty, označované rovněž jako protézy, jsou lidské náhradní díly a kvalita je tudíž naprostou prioritou – všechny funkční rozměry musí být zkontrolovány  na 100 %.

Komponenty jsou velmi malé, obvykle mají průměr necelé 4 mm, a mají mnoho rozměrů, které se obtížně a velmi zdlouhavě měří pomocí tradičních metod, jako jsou optické projektory, mikroskopy nebo komunální měřidla, jako jsou mikrometry. Se zvýšením objemu výroby a růstem požadavků na kvalitu a s rozmanitostí a množstvím vyráběných komponent s náročnějšími kritérii měření byly pro tento obor bezkontaktní měřicí systémy další hranicí, kterou bylo radno překonat.

Dnes je možné vyhradit jedno bezkontaktní měřicí zařízení pro měření profilu s automatickým otáčením, pro buňku s 2 nebo 3 CNC soustruhy, vyrábějícími jeden typ výrobku. Měřený objekt se upne na otočný trn a otáčí se (pokud je to potřeba), zatímco světlo promítá profil na soubor snímačů a digitalizuje obrázek. Software potom změří předem naprogramované prvky pomocí digitalizovaného obrázku jako vodítka. Obvyklá doba cyklu pro 12 rozměrů dílu je 28 sekund. Často jsou konstruktéři odpovědní za programování dílů, které se provádí v režimu online i offline, zatímco operátoři používají měřicí systém k automatické kontrole komponent. Operátoři CNC strojů mohou kontrolovat všechny kritické externí rozměry pomocí jednoho kusu vybavení. Profil projektory jako je TESASCAN nabízí oproti laserovým systémům výhody jak z hlediska celkové přesnosti a rychlosti, tak ohledně typů prvků, které lze měřit.

Jakmile je komponenta změřena, výsledky se zobrazí společně numericky i graficky, s možností analyzovat naměřená data ve formě histogramů, regulačních diagramů a zpráv o způsobilosti. Tato schopnost, dříve u ručních metod kontroly nedostupná, poskytla statistický základ pro určování trendů procesů a seřízení jednotlivých obráběcích strojů. Přidaným bonusem je, že naměřená data lze vystopovat k jednotlivým strojům buď pomocí čísla dávky nebo identifikačního čísla obráběcího stroje zadaného operátorem.
Automatické měření závitů lze provést, když je stroj vybaven otočným zařízením, které naklání díl, aby bylo možné lépe měřit závity, což je proces známý jako kompenzace úhlu stoupání šroubovice.

Další výhodou tohoto typu měřicího zařízení je škálovatelnost. Jestliže má dílna vyrábějící obrobky schopnost produkovat různé velikosti koncových produktů, je možné nakoupit obráběcí centra, která pojmou mnohem větší obrobky, až do délky 500 mm a průměru 80 mm. Tento typ měřicího zařízení má ovšem svá omezení. Obecně mohou pojmout v jednu chvíli jenom jeden díl a ten se musí vkládat a vyndávat ručně, přestože měřicí cyklus je automatický. Pokud není v profilu vidět měřený prvek, například obrobený kanálek, nelze ho změřit.

Optické systémy
Při obrábění ve výrobě je jednou z prvních patrných výhod optického měření rychlost výroby, jakou nalezneme ve výrobě ventilů pístů automobilových motorů. Například při měření konvenčním způsobem může u ventilů pístů trvat samotné měření dílu i hodinu nebo déle. Navíc tato doba kontroly nezahrnuje kompilaci dat a statistickou analýzu nezbytnou u řady takových komponent. Se zavedením rychlých optických měřicích systémů je možné zkrátit kompletní proces kontroly na přibližně pět až deset minut na díl.
Komponenty jako ventil pístu mají rovněž velmi exotické kombinace tvarů a poloměrů, které vyžadují kontrolu. Zde se optické měřicí technologie rovněž ukazují jako vhodné řešení. Pomocí výpočetních nástrojů pro profily se úkol měření velmi složitých křivek redukuje na jednoduché sledování profilu. Chceme-li přidat jednoduchost do používání výpočetních nástrojů, umožní nám to podpůrné CAD referenční programy připojené k softwarovému balíku jako je PC-DMIS Vision. Při měření komplexních profilů se pomocí několika jednoduchých kroků CAD model přidruží k fyzickému dílu metodou ukázat a kliknout. Tento proces lze použít pro řadu takových dílů, jako jsou malé komponenty pro zdravotnictví, s tolerancemi profilu v řádu mikronů, nebo elektronické komponenty s měřením mezer a výšky v řádu submikronů.

Existuje celá řada jiných typů dílů, které jsou ideální pro optické měření. Data dílu jsou obvykle generována během sekund a podporována přípravky pro vkládání a vykládání, které minimalizují zásahy operátora. Ze získaných dat lze změřit polohu a tvar prvků. Cenový rozsah těchto systémů je normálně založen na kapacitě, rychlosti a přesnosti, takže výsledkem jsou systémy, které lze přizpůsobit širokému spektru rozpočtů. Optický systém jako Brown & Sharpe Optiv 1 Classic splňuje požadavek na základní rozpočet. Na druhém konci spektra poskytuje systém Brown & Sharpe Optiv 3 Performance mimořádnou přesnost na submikronové úrovni. Optickou metrologii lze vpravdě označit za mikrometrologický nástroj budoucnosti.

A svět optického měření se nadále vyvíjí. Zavedení interaktivních vícenásobných senzorů skutečně revolučním způsobem změnilo provádění 3D měření pomocí optických systémů. Různé senzory poskytují stavební prvky pro rozšíření nebo vylepšení optického systému. Tato vylepšení mohou být doteková, například v podobě dotykových sond, které stlačují tolerance na úroveň několika mikronů a v případě potřeby poskytují schopnost natáčení sondy. Natáčení umožňuje měření prvků, které nejsou v linii s optickým snímačem. Kromě toho mohou bezkontaktní senzory, jako laserové skenery a senzory s bílým světlem, stlačit přesnost na submikronovou úroveň a v některých velmi speciálních případech až na úroveň angstromů. Lasery poskytují selektivní podporu měření tvaru pomocí otáčení nebo naklánění osy v reálném čase. Technologie senzoru s bílým světlem je ideální pro určité velmi drobné prvky, například malé schody a 3D tvary. Korelace těchto snímačů v kombinaci s optickým snímačem poskytuje optickým systémům nesrovnatelnou výhodu z hlediska rychlosti a svižnosti.

Systémy dotykových sond
Závěrečné řešení pro obrábění ve výrobě nabízí možnost s nejvyšší kapacitou průchodnosti, zahrnující zakomponování dotykové sondy přímo do obráběcího centra. Následující společnost využila výhod takového systému. Davromatic Precision Ltd. of Rugby, UK, je subdodavatelem komponent pro letecký průmysl, obranu a těžké strojírenství. Každý den musí společnost jako výrobce přesných obrobků pečlivě vyvažovat celý výrobní systém. Na jedné straně potřebuje vyrábět obrobené a frézované díly s tolerancemi pouhých +/- 8 mikronů. Na druhé straně musí snížit náklady na minimum. Investice do obráběcího a frézovacího centra s integrovanou dotykovou sondou se ukázala být tou nejekonomičtější investicí.

U vysoce velkoobjemové výroby ovlivní každá výrobní pauza a každé ruční seřízení obráběcího centra produktivitu a ziskovost práce. Aby byla zajištěna kvalita dílů s přísnými tolerancemi a zabránilo se kolísání procesu, bylo zapotřebí integrované měřicí řešení pro trvalé monitorování a nastavování parametrů obrábění.
Společnost Davromatic implementovala pevně zapojenou dotykovou sondu od M&H Inprocess Messtechnik GmbH, která umožňuje soustruhům s pohyblivými hlavami kontrolovat obráběné a frézované obrysy, dokud je obrobek stále ve stroji, upevněný na vřetenu. Dotyková sonda je namontována na montážním držáku upevněném blízko hlavního vřeteníku, aby bylo možné posunout obrobky pro měření rozměrů k dotykové sondě.

Měření kritických rozměrů, jako je vnější průměr, délka, šířka šestihranných průřezů a frézovaných povrchů proběhne během několika sekund, a protože proces měření probíhá na protikusu vřetena, dá se provést nezávisle na hlavním vřetenu, což dále snižuje dopad na výrobu.

Společnost Davromatic si také uvědomila druhotné výhody systému díky monitorování opotřebení nástroje a předčasného selhání. Některé slitiny používané při výrobě přispívaly k nekonzistentnímu a nerovnoměrnému opotřebení nástroje, což způsobilo, že výroba se rychle vychýlila mimo tolerance. Vzorkování každého dílu umožnilo monitorování této situace v reálném čase, tak aby bylo možné vyměnit destičky předtím, než přijde vniveč spousta drahého materiálu a výrobního času.

Celkově lze konstatovat, že schopnost dosáhnout100% vzorkovací rychlosti automaticky a provádět nastavení obráběcích strojů během procesu umožnily společnosti Davromatic zvýšit produktivitu přibližně o 20 % a snížit zmetkovitost téměř na nulu.

Tento scénář reprezentuje mimořádně úspěšný výsledek měření během výrobního procesu. Nicméně tato metoda má některá důležitá omezení. Zaprvé, protože tato metoda používá dotykovou sondu, všeho, co se má změřit, musí být možné se dotknout. V závislosti na dílu mohou být některé prvky příliš malé na dotyk, nebo dotyková sonda jedné velikosti nedokáže adekvátně zkontrolovat vše, co je třeba. Komplikovaná geometrie může být nad schopnosti takového systému. Zadruhé, nepředstavuje nezávislé ověření kvality dílu. Pokud je samotný stroj nepřesný, výsledky mohou být podezřelé. Některé programy pro kontrolu kvality nebo zákazníci vyžadují nezávislé ověření výsledků. Jednou možností může být použití systému s dotykovou sondou k monitorování a kontrole výroby pomocí offline řešení při závěrečném ověření.

Pohled kupředu
Dobrou zprávou je, že existuje více možností kontroly obrobků než dříve, od režimu offline po měření během procesu, a dokonce existují hybridní řešení zahrnující kombinaci metod a zařízení.

Závěrem můžeme konstatovat, že jak se rozvíjí výroba válcovitých komponent, řada metrologických systémů splňuje požadavky na kvalitu a rozpočet v tomto oboru. S důvěrou a spolehlivostí lze měřit téměř vše od kostních šroubů, přes ventily, po plastové komponenty. Ano, dnešní výrobní standardy vyžadují rychlost a větší přesnost, ale průmysl měření je připraven poskytnout odpovídající řešení. Konečným výsledkem může být výrazné zkrácení doby kontroly a zlepšení procesu řízení – přičemž obojí výrazně ovlivňuje celkový hospodářský výsledek výrobce.