titStratégia merania, ktorá je na začiatku merania volená operátorom súradnicového meracieho stroja, môže svojimi parametrami vnášať do výsledkov merania variabilitu. Táto variabilita, vyjadrená neistotou merania, je potenciálnym priestorom na vznik rozdielov medzi výsledkami merania tých istých strojových častí. Mnohokrát je potrebné v priemyselnej výrobe overiť, či vyrobená súčiastka vyhovuje konštrukčným kritériám predpísaným na výrobnom výkrese. Jednou zo stratégií merania je voľba kontaktného snímacieho systému.
Súradnicový merací stroj je zakončený dotykom, ktorý prichádza priamo do kontaktu s povrchom meraných súčiastok, ktoré môžu byť vyrobené z rôznych konštrukčných materiálov a s rôznymi drsnosťami povrchov. Na získanie správnych výsledkov merania je potrebné zvoliť dotyk snímacieho systému súradnicového meracieho stroja s ohľadom nielen na konštrukčné usporiadanie kontrolovanej súčiastky, ale aj s ohľadom na použitý konštrukčný materiál a kvalitu povrchu.

Parametre, spôsobujúce variabilitu výsledkov merania
Vo všeobecnosti spôsobujú neželanú variabilitu výsledkov vykonávaných meraní faktory zapríčiňujúce chyby merania, ktoré sa v súlade s momentálne platnými nariadeniami určujúcich orgánov ISO vyhodnocujú ako neistoty merania.

* * * * *
Pôvod vzniku faktorov ovplyvňujúcich výsledky merania:
• okolie – vplyvy od okolia
• objekt merania – vplyvy od meranej súčiastky
• operátor, meradlo, stratégia merania – vplyvy od
meradla, obsluhy a stratégie
* * * * *

Jednotlivé faktory pôsobiace na autenticitu výsledkov merania si vieme zosumarizovať pomocou nižšie uvedeného Ishikawa diagramu obsahujúceho pojmy, s ktorými sa najčastejšie v súvislosti s touto problematikou stretávame. Všetky tieto faktory spôsobujú variabilitu jednotlivých meraní a stoja za rozdielnymi výsledkami meraní pri opakovaní a reprodukovaní, obzvlášť pri zmenách stratégie merania. Stratégia merania je významným faktorom ovplyvňujúcim výsledok merania a nezanedbateľný vplyv má aj obslužný personál. Faktory, ktoré spôsobujú chyby merania, možno prehľadne znázorniť podľa obr. 1.

obr1

Obr. 1: Faktory pôsobiace na výsledky merania na súradnicových meracích strojoch

 

Meranie na súradnicových meracích strojoch
Základným princíp súradnicového merania je systematické nasnímanie meraných bodov súčiastky a ich lokalizácia v použitom súradnicovom systéme voči počiatku súradnicového systému stroja. Spôsob nasnímania a následného vyhodnotenia získaných údajov je daný vhodne zvolenou stratégiou merania. Nasnímanie bodov je vykonávané v automatickom meracom cykle, ktorý je popísaný riadiacimi príkazmi meracieho programu. Merací program je spúšťaný v meracom a vyhodnocovacom softvéri inštalovanom v počítači, ktorý je súčasťou aplikácie SMS, prostredníctvom ktorého sú riadené jeho akčné veličiny a interpretované výsledky merania. Pri snímaní meraných bodov sa pritom vychádza z predpokladu, že všetky konštrukčné prvky súčiastok sa skladajú zo základných geometrických útvarov (kváder, guľa, valec atď.), ktoré je možné jednoznačne popísať určitým minimálnym množstvom nasnímaných bodov (obr. 2).

obr2
Obr. 2: Základné geometrické útvary a počet bodov potrebných na ich zosnímanie

 

V prípade nasnímania uvedeného počtu bodov, je možné skutočné prvky súčiastky preložiť vyhovujúcim náhradným geometrickým elementom a je možné jeho rozmery porovnať s menovitými údajmi prislúchajúcej časti kontrolovanej súčiastky. Vo všeobecnosti sa však odporúča zosnímať počet bodov o dva až tri vyšší, ako je počet minimálny z dôvodu dosiahnutia vyššej presnosti.

* * * * *
Určenie náhradných geometrických útvarov
• náhradné elementy podľa Gaussa – metóda najmenších štvorcov (LSQ)
• náhradné elementy podľa Čebyševa – podmienka minima (MIN_SEP)
• opísané obalové elementy – výpočtová metóda (MCE)
• vpísané obalové elementy – výpočtová metóda (IN_MIN)
• vnútorné dotykové elementy – výpočtová metóda (ITE)
• vonkajšie dotykové elementy – výpočtová metóda (OTE)
* * * * *

Snímanými bodmi vytvorené geometrické prvky súčiastky sú počas merania vzťahované a vyhodnocované k jej vlastnému súradnicovému systému, ktorý je vytváraný vždy na začiatku merania pomocou základného vyrovnania. Špeciálne rozmiestnenými snímanými bodmi sa súradnicový systém súčiastky vyrovná so súradnicovým systémom meracieho stroja. Dôvodom vyrovnania je odobratie šiestich stupňov voľnosti súčiastke a zabezpečiť jej jednoznačnú polohu a orientáciu.

* * * * *
Druhy vyrovnania
• metóda „3-2-1“ (rovina – priamka – bod)
• metóda RPS bodov
• metóda MPA
* * * * *

Za najčastejšie používaný systém vyrovnania sa považuje metóda nazývaná ako „3-2-1“, ktorej názov je odvodený od jej princípu spočívajúceho v zosnímaní 6 bodov Pi ,i=1,...,6 súčiastky v súradnicovom systéme SMS [1]. Tieto body tvoria potom súradnicový systém súčiastky. Voľba rozmiestnenia týchto bodov, resp. plôch na ktorých budú zosnímané, je súčasťou stratégie merania, ktorá je plne v rukách obsluhy SMS. Z dôvodu dosiahnutia najvyššej možnej presnosti sa odporúča tieto body snímať na čo najpresnejších, navzájom kolmých plochách.

obr3

Obr. 3: Vyrovnanie metódou „3-2-1“
O – súradnicový systém stroja,
O´ – súradnicový systém súčiastky

 

Snímací systém na súradnicových meracích strojoch
Dôležitým prvkom súradnicového meracieho stroja je jeho kontaktný snímací systém, ktorého úlohou je zabezpečenie kontaktu hrotu dotyku s povrchom meranej súčiastky a taktiež zistenie okamihu, kedy k uvedenému kontaktu dôjde. Kontaktný snímací systém pozostáva z nasledovných prvkov (obr. 4):

obr4

Obr. 4: Snímací systém súradnicového meracieho stroja
1 – indexovateľná motorická hlava, 2 – telo skenovacej sondy, 3 – výmenný modul sondy, 4 – magnetický tanierový držiak dotyku, 5 – dotyk snímacieho systému

 

Základné časti dotyku snímacieho systému sú zobrazené na obr. 5.

obr5

Obr. 5: Dotyk snímacieho systému
1 – metricky závit, 2 – stopka, 3 – driek stopky, 4 – hrot dotyku

 

Medzi najdôležitejšie vlastnosti dotykov snímacích systémov možno zaradiť vysokú tuhosť drieku dotyku, nízku tepelnú rozťažnosť použitého materiálu, nízku hmotnosť, vysokú mechanickú pevnosť a nízku oteruvzdornosť. Práve oteruvzdornosť je dôležitou vlastnosťou dotykov používaných pri spojitom snímaní bodov, tzv. skenovanie, počas ktorého je dotyk snímacieho systému nepretržite vedený po povrchu kontrolovanej súčiastky. V dôsledku nanášania materiálu zo snímaného povrchu alebo zo vznikajúceho opotrebenia, dochádza k tvarovým zmenám hrotu dotyku, čo má za následok ovplyvnenie dosiahnutých výsledkov. K nanášaniu materiálu na hrot dotyku, tzv. adhéznemu opotrebeniu (obr. 6a), dochádza napríklad pri spojitom snímaní bodov na povrchu súčiastok vyrobených z hliníka dotykom zakončeným rubínovou guľôčkou. Podobne k abrazívnemu opotrebeniu (obr. 6b) dochádza pri skenovaní povrchu súčiastok z liatiny, kedy drobné čiastočky zvyškov materiálu spôsobujú na povrchu hrotu dotyku škrabance. Práve zvolením vhodného materiálu hrotu dotyku je možné uvedené problémy eliminovať [3].

obr6a obr6b

Obr. 6: Opotrebenie hrotu dotyku [3]
a) adhézne opotrebenie na rubínovej guľôčke

b) abrazívne opotrebenie

 

Konštrukčné materiály dotykov
Konštrukčné materiály používané na výrobu dotykov je možné rozdeliť do dvoch základných skupín, a to na materiál hrotu dotyku a na materiál drieku dotyku.

Materiál hrotu dotyku
Rubín – je jedným z najtvrdších materiálov, ktorý je vhodný pre väčšinu meracích aplikácií. Synteticky rubín je oxid hlinitý s čistotou až 99 %. Rubínové guľôčky majú výnimočne hladký povrch, vynikajúcu pevnosť v tlaku a vysokú odolnosť voči mechanickému poškodeniu. Je len málo operácií, kde rubín nie je možné použiť.
Existujú však dva prípady, v ktorých rubín nie je vhodným materiálom hrotu dotyku snímacieho systému. Obzvlášť pri dlhodobom spojitom snímaní bodov na povrchu hliníkových a liatinových súčiastok je pre dosiahnutie správnych výsledkov merania nevyhnutné použiť dotyky, ktorých hroty sú vyrobené z nitridu kremíka a oxidu zirkoničitého.
Nitrid kremíka – ide o veľmi tvrdý materiál, odolný voči opotrebeniu, ktorý je možné opracovať do veľmi presných guľových tvarov. Vysoko hladký povrch sa dosiahne leštením. Dotyky, ktorých hroty sú vyrobené z nitridu kremíka, je vhodné použiť pri spojitom snímaní bodov na povrchu súčiastok vyrobených z hliníka. Nakoľko medzi hliníkom a nitridom kremíka nedochádza k vzájomnému opotrebeniu, je pri tejto kombinácii materiálov možné vylúčiť adhézny oter a teda aj ovplyvnenie dosiahnutých výsledkov v dôsledku tvarových zmien hrotu dotyku snímacieho systému.
Oxid zirkoničitý – je veľmi pevný keramický materiál, ktorého charakteristiky tvrdosti a opotrebenia sa približujú kvalitám rubínu. Vďaka dobrým vlastnostiam povrchu je ideálnym materiálom pre aplikácie skenovania liatinových súčiastok.

obr7

Obr. 7: Materiály drieku dotyku snímacieho systému
a) dotyk s oceľovým driekom, b) dotyk s driekom z karbidu volfrámu, c) dotyk s keramickým driekom, d) dotyk s driekom z uhlíkových vlákien

 

Materiál drieku
Oceľ – nemagnetická nehrdzavejúca oceľ je široko využívaným materiálom na výrobu driekov dotykov s guľôčkou s priemerom od 2 mm a dĺžkou do 30 mm. V tomto rozmedzí poskytujú kompaktné oceľové stopky optimálny pomer tuhosti a hmotnosti. Nevýhodou dotykov, ktorých stopky sú vyrobené z ocele, je vyšší teplotný koeficient.
Karbid volfrámu – karbidu volfrámu je optimálnym riešením pre dotyky, od ktorých je vyžadovaná maximálna tuhosť pri minimálnom priemere drieku. Tieto parametre sú vyžadované pri takých dotykoch, ktorých priemer guľôčky je menší ako 1 mm a celková dĺžka dotyku je do 50 mm. Pri dotykoch, ktorých driek je vyrobený z karbidu volfrámu, sa stáva problematickou vyššia hmotnosť dotyku a teda aj nebezpečenstvo nižšej tuhosti pri väčších dĺžkach.
Keramika – dotyk snímacieho systému, ktorého driek je vyrobený z keramiky a má priemer nad 3 mm, pri celkovej dĺžke cez 30 mm poskytuje tuhosť porovnateľnú s dotykom vyrobeným z ocele, no zároveň je výrazne ľahší ako dotyk, ktorého driek je vyrobený z karbidu volfrámu. Nakoľko sú dotyky s keramickými driekmi krehké a pri kolízii snímacieho systému s meranou súčiastkou sú poškodené ako prvé, je ich nezanedbateľnou výhodou ochrana meracej sondy a teda aj celého snímacieho systému súradnicového meracieho stroja.
Uhlíkové vlákna – drieky vyrobené z uhlíkových vlákien možno predstaviť ako ideálne riešenie pre maximálnu tuhosť a veľmi nízku hmotnosť dotykov snímacích systémov s dĺžkou nad 50 mm. Majú nízky koeficient tepelnej rozťažnosti (tab. 1) a vykazujú vynikajúce charakteristiky tlmenia vibrácií.

tab1
Tab. 1: Koeficienty tepelnej rozťažnosti jednotlivých materiálov častí dotyku

 

Odporúčania pre voľbu dotykov
Pre zabezpečenie maximálnej presnosti pri snímaní bodov na povrchu meranej súčiastky je potrebné dodržať nasledovné základné odporúčania (tab. 2):
1. Používať čo najkratšiu dĺžku dotykov – pri použití dlhých dotykov dochádza k ohybu samotného dotyku. Čím viac sa dotyk ohýba alebo vychyľuje, tým je presnosť merania nižšia. Najlepšou voľbou je použiť čo najkratší dotyk s čo najvyššou tuhosťou. V prípade nevyhnutnosti použitia dlhých dotykov je vhodné zvoliť taký dotyk snímacieho systému, ktorého driek je vyrobený z materiálu zabezpečujúceho vysokú tuhosť aj pri väčších dĺžkach.
2. Počet spojov znížený na minimum – ak to nie je nutné snažíme sa nepoužívať predĺženia dotykov. Každý spoj dotyku a predlžovacieho nadstavca sa stáva zdrojom možných deformácii a bodu ohybu. Je potrebné dbať na to, aby sme znížili počet dielov, z ktorých je celá konfigurácia dotyku snímacieho systému zložená na minimum.
3. Používať čo najväčší priemer guľôčky (obr. 8) – použitím čo možno najväčšej guľôčky predídeme nechcenej kolízii drieku dotyku s hranou meranej súčiastky. Dostatočne veľkou guľôčkou dotyku snímacieho systému eliminujeme vplyv kvality obrobenej plochy snímaného povrchu na presnosť dosiahnutých výsledkov merania.

obr8

Obr. 8: Dôležitosť priemeru použitej guľôčky dotyku snímacieho systému
a) kolízia v dôsledku použitia guľôčky s malým priemerom,
b) eliminácia vzniknutej kolízie


4. Pri skenovaní použiť správny typ dotyku v závislosti od materiálu súčiastky – na kontrolu súčiastok vyrobených z hliníkových materiálov volíme dotyk s guľôčkou z nitridu kremíka, na kontrolu súčiastok vyrobených z liatinových materiálov použijeme dotyk s guľôčkou z oxidu zirkoničitého, na kontrolu súčiastok vyrobených z ocele volíme guľôčku z rubínu.
Na záver si uvedieme podľa tab. 2 niektoré odporúčania na výber dotykov na súradnicových meracích strojoch:

tab2
Tab. 2: Odporúčania pre výber dotykov na súradnicových meracích strojoch

 

Záver
Stratégiu merania možno optimalizovať podľa viacerých kritérií. Optimalizačné kritériá z hľadiska času, presnosti a pod. potom sú: minimálny počet použitých snímacích dotykov, minimálny počet výmen snímacích dotykov, minimálny počet natáčaní snímacích dotykov, minimálny počet upnutí. Správne stanovená stratégia merania je základným predpokladom na získanie relevantných výsledkov strojových súčiastok a tým aj následného rozhodovania v strojárskej výrobe.

Článok je vznikol na základe podpory Vedeckej grantovej agentúry MŠ SR na základe zmluvy č. VEGA 1/0670/15 a VEGA 1/0652/16.

Použitá literatúra:
[1] BUDISKÝ, Roman - KRÁLIK, Marián - KOST, Ján. Evaluation of true position using coordinate measuring machine. In Applied Mechanics and Materials. Vol. 555, (2014), s. 511-517. ISSN 1660-9336.
[2] BUDISKÝ, Roman - KRÁLIK, Marián. Hodnotenie odchýlky rovnobežnosti plochy s využitím súradnicových meracích strojov. In Strojárstvo - Strojírenství. Roč. 17, č. 2 (2013), s.44-48. ISSN 1335-2938.
[3] Průvodce pro výběr doteku pro souřadnicový měřicí stroj. Dostupné na http://www.renishaw.cz/cs/na-spicce-pruvodce-pro-vyber-doteku-pro-souradnicovy-mericistroj--10927

TEXT/FOTO: Marian Králik, Zuzana Tekulová, Zuzana Chodasová, STU, Strojnícka fakulta
Lektoroval: doc. Ing. Miroslav Rakyta, PhD.