Skanować, czy też nie?

Specjaliści z zakresu metrologii przemysłowej stale zmagają się z kwestią wyboru najlepszej metody pomiarowej części. Badając ofertę współrzędnościowych maszyn pomiarowych (CMM) lub możliwości wykorzystywanego sprzętu, prędzej czy później musimy zmierzyć się z problemem wyboru odpowiednich akcesoriów dla maszyn CMM. Mamy do wyboru kilka rozwiązań - każde z nich ma swoje plusy i minusy. Należy znaleźć odpowiednią dla siebie opcję, która nie będzie miała ani za dużo, ani za mało funkcji.

W przypadku pomiaru małych lub średnich części mamy do wyboru cztery główne kategorie akcesoriów pomiarowych. Pierwszą z nich są sondy stykowe, które "dyskretnie" pobierają punkt pomiarowy na części. Drugą analogowe sondy skanujące, które ślizgają się po powierzchni części, zbierając tysiące pojedynczych punktów na raz. Skanery laserowe 3D wykorzystują pasek (wiązkę) skanera do pobierania tysięcy, a nawet kilku milionów punktów na powierzchni. Ostatnią z nich jest chromatyczny czujnik światła białego (CWS), który umożliwia bardzo dokładną bezstykową kontrolę.

Zastanawiając się czy należy skanować część, czy też nie, specjaliści z dziedziny metrologii najczęściej skłaniają się ku skanerom analogowym, ponieważ umożliwiają one pozyskanie dużej ilości bardzo dokładnych danych współrzędnych 3D z łatwym dostępem do części. To także idealne rozwiązanie umożliwiające  pomiar wszystkich najważniejszych cech geometrycznych. Zastosowanie skanerów analogowych zwiększa powtarzalność wyników, a jednocześnie zmniejsza niepewność pomiarową. Jednak w rzeczywistości decyzja o skanowaniu części zależy od rodzaju zadania pomiarowego. 

Co może pójść źle?

Najważniejsza w wyborze technik pomiarowych jest ocena całego procesu produkcji. Należy również zastanowić się nad tym, co może pójść źle. Na przykład, jeśli część jest elementem wykonanym z tworzywa sztucznego, należy sprawdzić, czy znajduje się w nim cieńszy obszar podatny na wgłębienie, gdy materiał ochładza się i osadza. Jeśli odpowiedź na to pytanie brzmi "Tak", i jest to krytyczna cecha geometryczna z wysokimi tolerancjami, można przeprowadzić skanowanie. Jeśli cecha nie jest krytyczna i charakteryzuje się niskimi tolerancjami, do przeprowadzenia pomiarów wystarczy sonda dotykowa.
Podczas oceny procesu należy wziąć pod uwagę również wykorzystanie elementu. Złączki samochodowe z tworzywa sztucznego, takie jak przedstawiono powyżej, wymagają szczelności, aby wyeliminować wnikanie wody. Mimo, że złączka ma proste cechy geometryczne i mogłaby zostać zmierzona za pomocą sondy stykowej, jej krawędź, która tworzy uszczelnienie, najprawdopodobniej będzie miała wyższe tolerancje, które wymagają zastosowania skanera analogowego.

Obudowa gwoździarki wykonana z odlewu aluminiowego - Doświadczony specjalista-metrolog zbada cały proces produkcyjny od początku do końca, aby wybrać najlepsze rozwiązanie. Na ilustracji przedstawiono gwoździarkę z kilkoma interesującymi cechami geometrycznymi na oryginalnym odlewanym elemencie. Dodatkowym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę podejmując decyzję o skanowaniu, jest proces obróbki. W przypadku tego akurat elementu można sprawdzić jego profil za pomocą skanera laserowego 3D. Do kontroli innych cech geometrycznych, szczególnie tych znajdujące się pod powierzchnią części, odpowiedni będzie skaner analogowy, a nawet sonda stykowa.  Kolejny pomiar powinien dotyczyć współpracujących (sąsiadujących) powierzchni elementu.  W tym przypadku, jako że sprawdzane będzie wzajemne dopasowanie tych powierzchni, lepszym rozwiązaniem może okazać się skaner analogowy.

Czym są tolerancje?

Jak wspomnieliśmy wcześniej, wymagane tolerancje dla odpowiednich danych odgrywają dużą rolę przy wyborze idealnej metody pomiarowej. Mimo, że skaner laserowy przeszedł długą drogę rozwoju od momentu wprowadzenia na rynek, porównując go z innymi metodami metrologicznymi, pod względem dokładności wypada raczej blado. Skaner laserowy nie powinien być stosowany w przypadku wąskiego pola tolerancji, mniejszego niż  ± 0.01”, ale idealnie sprawdza się w pomiarach części z bardziej "luźnymi" tolerancjami, gdzie powierzchnie kontrolowane są przez profil. Sondy stykowe zapewniają wyższą dokładność, ale mają niższą powtarzalność w porównaniu z analogowymi sondami skanującymi. Skanowanie analogowe uznawane jest za najbardziej dokładną metodę kontroli części z  tolerancjami do ± 0.0005”. Chromatyczny czujnik światła białego (CWS) to bardzo dokładne, bezstykowe narzędzie pomiarowe do kontroli bardzo małych cech wielkości 10 nanometrów. CWS stosowany jest do kontroli cech zbyt małych dla sondy stykowej bądź elementów, które wymagają bezdotykowych pomiarów, np. elastycznych części.

Implant kości udowej - W przypadku niektórych komponentów medycznych, np. przedstawionych tu implantów kości udowej, skanowanie analogowe stanowi idealne rozwiązanie. Świetnie sprawdza się podczas kontroli profilu, która musi zostać przeprowadzona z najwyższą dokładnością. W niektórych przypadkach, gdy część nie może być "dotykana", lepszym rozwiązaniem będzie bezdotykowe skanowanie za pomocą chromatycznego czujnika światła białego. CWS idealnie sprawdza się w przypadku kontroli odbijających światło, przezroczystych i czarnych, matowych powierzchni.

Z drugiej strony niektóre części wymagają "dyskretnego" pomiaru punktów. W przypadku wytłaczanych elementów z "luźnymi" tolerancjami, gdzie forma nie jest najważniejsza, ale gdzie wymagane są profile lokalizacji otworów, najlepiej dokonać pomiaru punktów. Mimo, że część może mieć wiele cech geometrycznych, w tej sytuacji skanowanie to nie tylko przesada, ale również marnotrawstwo czasu i pieniędzy.

Niektóre części mają po kilka referencji (opisów) z wieloma różnorodnymi tolerancjami. W tym przypadku idealne rozwiązanie stanowić będą wielosensorowe maszyny CMM, ponieważ części mogą być mierzone za pomocą różnych czujników w ramach tego samego programu pomiarowego.   Na przykład odlewana ciśnieniowo górna pokrywa przedstawionej poniżej przekładni automatycznej posiada obrabiane elementy z otworami mieszczącymi się w granicach ogólnych tolerancji, ale już jej wewnętrzne cechy geometryczne są bardzo dokładne. Z powodu tej różnorodności cech jednej części, początkowy odlew może zostać sprawdzony za pomocą skanera laserowego, gdy tylko otrzymamy go od dostawcy. Po obróbce zalecane jest skanowanie analogowe, ponieważ prawdopodobnie istnieć będzie wiele opisów kształtów (form callouts) o wąskim polu tolerancji, które mogą tworzyć uszczelnienie z przekładnią. Aby oszczędzić czas, wywiercone otwory mogą być również skanowane lub, w zależności od ich tolerancji, mierzone za pomocą sondy stykowej.

Pędzel czy pióro?

Wybierając właściwą metodę pomiarową elementów, pod uwagę należy wziąć również wydajność, jaką chcemy osiągnąć. W tym przypadku mamy do wyboru trzy opcje. Pojedynczy punkt pobierany zazwyczaj za pomocą sond stykowych - jeden pomiar na raz; proces ten jest dość powolny - średnio pobierany jest jeden punkt na sekundę. Sonda analogowa zbiera pojedynczą linię danych podobną do linii, którą tworzy pióro. Sondy, które obejmuje ta opcja to analogowe sondy skanujące oraz chromatyczny czujnik światła białego.  W przypadku gromadzenia dużej ilości danych sonda laserowa 3D oferuje wysoką gęstość punktów, które można porównać do linii pędzla.

Szybkie i dokładne pozyskiwanie danych to ogromna zaleta, ale nie niesie ze sobą żadnych korzyści, o ile dane te nie zostaną przedstawione w sposób zrozumiały dla odbiorców. Obecnie odnotowano tendencję związaną z częstszym zastosowaniem skanerów laserowych, ponieważ są one szybkie, dokładne, a wszystkie wymagane dane  pozyskiwane są od razu. Jednak możliwości te nie są konieczne do zbierania danych potrzebnych do kontroli krytycznych cech.

Po pozyskaniu danych pozostaje kwestia zarządzania danymi powierzchni bądź też wykorzystania informacji. Jeśli celem jest proste porównanie części rzeczywistej z modelem CAD, głównie jakie obszary są obiektem zainteresowania? Miliony punktów danych można zebrać za pomocą sondy laserowej. Jeśli dane wykorzystywane są, by sprawdzić jak wygląda część, oznacza to, że producent stracił z oczu prawdziwy cel kontroli krytycznych cech części. W wielu przypadkach zbyt duża ilość danych zamiast zaletą jest wadą - może doprowadzić do przeciążenia oprogramowania i procesów obliczeniowych bądź niepotrzebnej koncentracji na obszarach, które nie są ważne.

Ile to kosztuje?

Ostatnim czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę podczas wyboru metod pomiarowych, jest ich koszt. Nie bez przyczyny czynnik ten należy rozważyć jako ostatni. Producent powinien najpierw wybrać najlepszą technologię do realizacji swojego zadania pomiarowego. Następnie powinien przyjrzeć się korzyściom, jak również związanym z nimi oszczędnościom, i obliczyć, kiedy inwestycja powinna się zwrócić. Dopiero na samym końcu należy wziąć pod uwagę możliwości budżetowe.

Czy skanować?

Przedsiębiorstwa zawsze szukają rozwiązań umożliwiających im zmniejszenie kosztów, przyspieszenie procesu produkcji lub zwiększenie sprzedaży. Czasem prowadzi to do ślepego podążania za najnowszym trendami. To, że konkurencja tak robi, nie znaczy, że i my musimy. Istnieje różnica między robieniem czegoś, a robieniem tego dobrze. Wybór kilku najlepszych opcji wymaga wysiłku, ale przy odpowiednim planowaniu i prognozowani na pewno uda nam się znaleźć idealne rozwiązanie.

Nadchodzi epoka skanerów

Przemysł skłania się ku skanerom 3D - częściowo wskutek zwiększonej wydajności, a częściowo dlatego, że docenia sposób generowania wyników pomiarowych części. W przeszłości w pomiarach części decydująca była długość i szerokość. Dziś cykle życia produktu są coraz krótsze. Przy iteracji istniejącej części, zastosowanie długości i szerokości jest zbyt skomplikowane, a zmiana zbyt czasochłonna. Gdy cały kształt części jest kontrolowany przez profil, czas zmiany modelu CAD jest  krótszy. Jeśli część jest kontrolowana przez profil, przeprowadzana jest również analiza GD&T profili, która stanowi jedną z funkcji skanera.  Skanowanie to idealne rozwiązanie, gdy lokalizacja cech znajduje się w granicach profilu części.