Wszystko o komparatorach optycznych

Umieszczona tu ilustracja powinna wydawać się znajoma każdemu, kto spędził wiele godzin w laboratorium jakości lub na hali produkcyjnej.  Jest to zdjęcie "szacownego" komparatora optycznego. Rozpoczynamy od umieszczenia tej ilustracji, aby udowodnić pewien istotny punkt.

Źródłem tej ilustracji jest dokumentacja patentowa #1,903,933, która została złożona dnia 21 maja 1925 roku. Fakt, że nowoczesny komparator tylko nieznacznie różni się od swojej pierwotnej wersji, która została opatentowana 85 lat temu, nasuwa szereg pytań, m.in."dlaczego komparatory wciąż istnieją", "dlaczego nadal je wykorzystujemy?" i "dlaczego nie zostały zastąpione czymś lepszym?". Zacznijmy od sprawdzenia, na czym polega technologia komparatora.

Komparatory niewiele się zmieniły od 85 lat, dlatego że fundamentalna technologia, na której opiera się ich działanie, jest elegancka w swojej prostocie. Ponieważ zasady fizyczne, na których opiera się optyka, nie uległy zmianie, udoskonalenia w technologii komparatora można wprowadzić jedyne w jakości samej optyki oraz dodatkowych funkcji komparatora, by usprawnić i ułatwić użytkownikowi przeprowadzanie pomiarów.

Jak to działa?
A zatem jak działa komparator? Działanie komparatora optycznego można porównać do starego szkolnego rzutnika. Czy pamiętacie wyświetlanie przezroczy (diapozytów) na ścianie lub ekranie projekcyjnym w szkolnej klasie? W rzeczywistości działanie podstawowego komparatora można porównać z nowoczesnym rzutnikiem.

Jeśli w Twoim biurze znajduje się rzutnik, możesz przeprowadzić mały eksperyment. Najpierw połóż element dwuwymiarowy na powierzchni wyświetlania (projekcji) rzutnika i wyświetl obraz na dużym fragmencie papieru przyczepionego do ściany. Wyświetlony na papierze cień części można obrysować ołówkiem. Ten obrys stanie się punktem odniesienia (referencyjnym) do porównania każdego kolejnego obiektu umieszczonego na powierzchni projekcji. Jeśli obrysy części nie pasują do siebie, oznacza to, iż ich wymiary są różne. A zatem obrys wykonany ołówkiem stanowi odpowiednik wzorca komparatora.

W praktyce tak naprawdę nie wykorzystujemy rzutnika, aby przeprowadzić kontrolę elementów. Z jednego oczywistego powodu - rzutniki rzadko są w stałej, nieruchomej pozycji. Jeśli odległość projekcji nieznacznie się zmieni wskutek poruszenia bądź potrącenia, rozmiar obrazu referencyjnego na ścianie ulegnie modyfikacji, a obrys wykonany ołówkiem nie będzie już aktualny.

Podstawowa koncepcja działania komparatora optycznego do kontroli jakości polega na spakowaniu idei rzutnika w "obudowę", w taki sposób, aby optyczna odległość między elementem a ekranem była stała, znana i mogła zostać skalibrowana. 

Natomiast podstawowa koncepcja działania komparatora polega na przymocowaniu elementu do powierzchni projekcji - źródło światła je oświetla, a powstały obraz w kształcie cienia części jest powiększany za pomocą soczewek i odbijany przez zwierciadła, a następnie wyświetlany na ekranie w formie powiększonej. Bardzo podobnie działa wspomniany wcześniej rzutnik.

W oparciu o znane powiększenie soczewkowe, pomiar części można przeprowadzić bezpośrednio z ekranu, wykorzystując (tradycyjnie) powłokę na ekran lub krzyżyk kursora (celownik) jako punkt referencyjny dla wyświetlanych punktów bądź krawędzi. Operator centruje interesującą go cechę na krzyżyku kursora, zapisuje punkt, a następnie przesuwa obraz i zapisuje kolejny punkt. Proces pobierania wielu punktów umożliwia  matematyczne utworzenie takich cech jak okręgi, szczeliny, promienie i krawędzie - zazwyczaj odbywa się to za pomocą opartego na mikroprocesorze cyfrowego wyświetlacza.

Rozmiar powiększenia wyświetlanego obrazu na komparatorze zależy od optyki i rozmiaru ekranu samego komparatora - najczęściej rozmiar ekranu mieści się w granicach od 12 do 36 cali, ale niektóre z nich mają nawet 60 cali. Im większy ekran, tym większa obudowa, ponieważ wymagana jest większa odległość do "rzucenia" obrazu. Komparator z wielkim ekranem zazwyczaj jest ogromny. Niewielkie obudowy przeważnie mierzą małe części.

Zaletą komparatora jest jego nieskomplikowana obsługa przy przeprowadzaniu prostych czynności pomiarowych. Można je realizować zaledwie po relatywnie krótkim szkoleniu. W najprostszych komparatorach operator musi jedynie przymocować element i przesunąć go za pomocą ręcznego sterowania, obserwując obraz pojawiający się na ekranie. Innowacje technologiczne, takie jak wyświetlacze komputerowe, które automatycznie przeprowadzają obliczenia matematyczne i zapamiętują wszystkie zmierzone punkty, automatyczne technologie uruchamiania oraz udoskonalenia w ruchu powierzchni projekcji zmodyfikowały komparator, który nadal pełni ważną i użyteczną funkcję w laboratorium jakości.

Jeśli powodem nieustannej popularności komparatorów jest ich prosta obsługa, to ta sama zaleta jednocześnie stanowi ich wadę. Ponieważ produkcja części stała się znacznie bardziej złożona - więcej cech należy zmierzyć z bardziej ścisłymi tolerancjami i ze zwiększoną częstotliwością pobierania danych, a nawet przeprowadzić 100% kontrolę, zalety tradycyjnych ręcznie obsługiwanych komparatorów zdecydowanie zmalały.

Popularność i powszechne zastosowanie wizyjnych systemów pomiarowych sprawiły, że komparatory, nawet te wyposażone w najnowocześniejsze funkcje, w porównaniu z nimi wypadają blado. Najbardziej widoczne jest to w przypadku kontroli dużej ilości elementów na raz - systemy wizyjne umożliwiają jednoczesny pomiar wielu części. Dodajmy do tego automatyczne funkcje systemu wizyjnego i mamy oczywistego zwycięzcę w kategorii szybkości i elastyczności pracy. Automatycznie przesuwane płaszczyzny pomiarowe, programowanie CAD, zastosowanie wielu technik oświetleniowych oraz kontrola 3D znacznie wykraczają możliwości tradycyjnych komparatorów. Wystarczy sobie wyobrazić, że umieszczamy na stole pomiarowym dziesiątki małych elementów i wychodzimy. W tym czasie program automatycznie przeprowadza pomiary, a pod koniec cyklu informuje, które części są dobre, a które złe. Tak wygląda obecnie kontrola przeprowadzana za pomocą wizyjnych systemów pomiarowych.
A zatem dlaczego ktokolwiek jeszcze wybiera komparator do realizacji zadań metrologicznych? W przypadku wielu prostych, niepowtarzalnych pomiarów dwuwymiarowych części z wyraźnie zaznaczonymi krawędziami komparator jest wspaniałym narzędziem metrologicznym, które należy mieć w swojej "skrzynce" urządzeń pomiarowych. W każdej technologii znajomość dokładnego działania swoich narzędzi i dopasowanie ich do danego zadania jest bardzo ważne, a wręcz niezbędne.
Jeśli jesteś gotów wyjść poza granice komparatorów, polecamy system wizyjny  Optiv Classic, który łączy automatyczne pomiary z oprogramowaniem PC-DMIS CAD do kontroli wizyjnej, co pozwala na programowanie maszyny na podstawie modelu CAD.