Dotyková a optická meracia technika

Keďže požiadavky na kvalitu súčastí neustále rastú, kontrola geometrických rozmerov vrátane zrozumiteľnej dokumentácie je v dnešnom výrobnom procese nevyhnutná. Pred obstaraním nového 3D meracieho systému však vyvstáva základná otázka, ktorá technológia je pre danú meraciu úlohu najvhodnejšia. Je potrebný dotykový 3D merací systém, ktorý zachytáva všetky relevantné meracie body pomocou meracej sondy? Alebo je vhodnejší optický 3D merací systém, ktorý digitalizuje celé povrchy bezkontaktne? Tento článok vysvetľuje základné funkcie oboch metód a na príklade automobilového priemyslu skúma ich výhody, rozdiely a oblasti použitia.

V oblasti rozmerovej kontroly súčastí sú súradnicové meracie stroje (CMM) najznámejšími zástupcami klasickej meracej techniky. CMM pracujú s dotykovými alebo skenovacími meracími systémami. Pri meraní sa sonda umiestni do požadovaného meracieho bodu. Prípadne možno použiť riadený otočný stôl na otáčanie dielu. Pripojený merací softvér z nameraných jednotlivých bodov vypočíta geometrické prvky a odvodí z nich skutočné hodnoty kontrolovaných vlastností objektu.

Dotyková meracia technika sa vyznačuje najmä svojou veľmi vysokou absolútnou presnosťou, a preto je stále prvou voľbou pri meraní vysokopresných dielov. Stacionárny súradnicový merací stroj dokáže merať body s presnosťou na tisícinu milimetra. Tak vysokú presnosť dnes ešte optická 3D meracia technika nedosahuje.

Optická 3D meracia technika je veľmi vhodná, ak sú požiadavky na presnosť len v rozsahu stotín milimetra. Ak chcete zakúpiť nový merací systém a nie ste si istí, či chcete dotykový, alebo optický, prvým krokom je zistiť, akú presnosť potrebujete. Základné pravidlo hovorí, že systémová presnosť meradla by mala byť vždy päť až desaťkrát vyššia ako najvyššia požadovaná tolerancia merania. To znamená: Ak je tolerancia charakteristiky napríklad 0,1 mm, meradlo by malo mať presnosť aspoň 0,02 mm.

V automobilovom priemysle sú ozubené kolesá, kľukové hriadele a bloky motorov klasickými kandidátmi na dotykové merania: Tolerancie a presnosti, ktoré musia tieto diely spĺňať, vyžadujú najvyššiu mieru presnosti. Ozubené koleso z automobilového priemyslu zvyčajne vyžaduje presnosť aspoň 1 µ (mikrón). Túto presnosť je v súčasnosti optickými meracími zariadeniami takmer nemožné dosiahnuť.

Jedným z argumentov proti technike dotykového merania je časová náročnosť pri požiadavke na vyššiu hustotu dát: Zachytenie stoviek meracích bodov na jednej súčasti môže trvať dlho, niekedy aj niekoľko hodín. Kompletná kontrola je teda počas výrobného procesu takmer nemožná – z uvedených časových dôvodov, a tiež preto, že mnohé súradnicové meracie stroje často nemôžu byť umiestnené priamo do výroby. Na úsporu času je možné znížiť počet meracích bodov, čo však ide na úkor hustoty dát. Tu je vždy potrebné dôkladne zvážiť pomer časovej náročnosti a hustoty dát.

Bez ohľadu na to, koľko meracích bodov sa čo najstarostlivejšie zachytí: Nie je možné zmerať celý povrch meraného objektu. Tu prichádza na rad optická meracia technika: Optická meracia technika je nielen rýchlejšia, ale vytvára aj digitálny obraz celého meraného objektu, a preto poskytuje podrobnejšie informácie o kvalite ako dotyková meracia technika.

Postup merania s optickými 3D meracími systémami je veľmi jednoduchý: Meraný objekt sa umiestni pred senzor – buď ručne, alebo pomocou robota. Potom začína snímanie: Merací senzor postupne zachytáva každú stranu meraného objektu. Na zachytenie celého povrchu sa buď súčasť pohybuje tak, aby senzor mohol zachytiť všetky plochy, alebo sa senzor pohybuje okolo súčasti. Pripojený merací softvér potom automaticky transformuje všetky jednotlivé merania do spoločného súradnicového systému. Výsledkom je kompletné 3D mračno bodov povrchu objektu. Získané meracie dáta umožňujú rôzne kontroly, napríklad celoplošné porovnávanie nominálnych a skutočných hodnôt geometrie objektu alebo kontrolu tolerancií tvaru a polohy. Na základe farebného znázornenia odchýlok je možné ľahko rozpoznať problematické oblasti, čo umožňuje cielené zlepšenie výrobného procesu. Týmto spôsobom je možné vyhnúť sa zbytočným iteračným slučkám.

Ďalšia výhoda optickej 3D meracej techniky: Merací postup je extrémne rýchly. Digitalizácia zložitých dielov trvá len niekoľko minút – niekedy len sekúnd.

V automobilovom priemysle môžeme nájsť nespočet príkladov použitia optickej 3D meracej techniky: od plánovania procesov na overenie spôsobilosti strojov cez automatizovanú kontrolu kvality v lisovniach a karosárňach až po kontrolu liatych, kovaných a plastových dielov až po optimalizáciu procesov v konečnej montáži.

V súčasnosti prichádza na trh čoraz viac meracích systémov, ktoré kombinujú obe meracie metódy: Na umožnenie a zrýchlenie merania dotykových povrchov môžu byť súradnicové meracie stroje (CMM) vybavené optickým senzorom. Optické meracie systémy môžu byť zase rozšírené o sondu, aby bolo možné snímať ťažko dostupné miesta súčasti, ako sú hlboké vrty, vrecká alebo podrezy. V tejto súvislosti je potrebné zohľadniť jeden dôležitý aspekt: Systémovú presnosť optických 3D meracích systémov nemožno zvýšiť dodatočnou sondou – je možné len zachytiť ďalšie vlastnosti objektu na zložitých štruktúrach.

Pre optické 3D kontroly rozmerov vyvinula spoločnosť ZEISS rad priemyselných 3D skenerov ATOS: Optické 3D skenery pracujú bezkontaktne a rýchlo poskytujú digitálne snímky dielu vo vysokom rozlíšení. ATOS kombinuje najnovšie hardvérové vybavenie s inteligentným softvérom.