Jeśli chcemy zmierzyć złożone detale z metalu, tworzyw sztucznych czy szkła, to potrzebujemy systemów pomiarowych z zaawansowanymi czujnikami wykorzystującymi różne technologie. Dane urządzenie może być wyposażone w kombinację czujników wizyjnych i dotykowych, co pozwala wykonać pomiary szybciej i z większą pewnością uzyskać dokładne wyniki.

Specjaliści oceniają, że w przemyśle dobrze prowadzone pomiary mają wpływ nie tylko na wartość i jakość produktu końcowego, ale też w ok. 10–15% na koszty produkcji. Podstawowe technologie wykorzystywane obecnie w systemach pomiarowych do kontroli jakości wytwarzania to systemy wizyjne, laserowe i sondy dotykowe. Maszyny pomiarowe oferują kombinację różnych typów czujników i technologii. Na przykład urządzenia pomiarowe wideo wyposażane są w sondy dotykowe bądź czujniki laserowe lub optyczne, a współrzędnościowe maszyny pomiarowe (WMP, z angielskiego nazywane też CMM) – w czujniki dotykowe i kamery, pomiary wideo bądź też czujniki laserowe lub optyczne.

Zaawansowane pomiary i czujniki

Współrzędnościowe maszyny pomiarowe zawierają systemy do pomiaru w trzech osiach współrzędnych XYZ oraz sondę do lokalizacji położenia powierzchni elementu. Pomiary w trybie automatycznym, nazywanym CNC (ang. Computerized Numerical Control), możliwe są dzięki wykorzystaniu napędów i odpowiedniego oprogramowania.

Maszyna współrzędnościowa oferuje pomiary o dużej dokładności, dzięki czemu sprawdza się przy przedmiotach o skomplikowanych kształtach, sprawiających kłopoty w przypadku standardowych przyrządów warsztatowych, jak suwmiarki, czujniki, mikroskopy czy długościomierze.
Systemy wielosensorowe umożliwiają producentom wykonywanie większej liczby pomiarów w pojedynczej konfiguracji i na tej samej maszynie, co zwiększa ogólną wydajność. Pozwalają na uzyskanie większej dokładności i eliminują tzw. wąskie gardła. Na dobór konkretnych rodzajów czujników wpływ mają wymiary podlegające pomiarom oraz rozmiary i charakterystyki mierzonych części.

Od kilku lat obserwujemy bardzo szybki rozwój technologii stosowanych w czujnikach. Do wyboru jest wiele czujników kontaktowych i bezdotykowych, od wielu producentów i dostawców. To czujniki wideo lub optyczne, lasery, sondy skanujące i dotykowe. Czujniki optyczne dobrze sprawdzają się w pomiarach krawędzi, a sondy skanujące – w pomiarach powierzchni konturowych. Sondy dotykowe uważane są za urządzenia o bardzo dużej dokładności, a skanery laserowe można dziś dobrać w taki sposób, że sprawdzą się przy pomiarach zarówno ciemnych, rozpraszających powierzchni, jak i tych silnie odbijających światło.

Sposoby na trudne powierzchnie

Bardzo zaawansowany jest dziś rozwój technologii optycznych wspieranych oprogramowaniem. Coraz częściej korzystamy – i w przyszłości będziemy korzystać – z sond bezdotykowych. Jak może wyglądać taki pomiar? Pierwszym etapem – niezależnie od mierzonej części i etapu produkcji – jest uzyskanie obrazu części. Zwykle do tego celu wykorzystuje się kamerę. Kolejny krok to digitalizacja uzyskanego obrazu i jego analiza za pomocą oprogramowania. Do pozyskiwania i mierzenia obrazów wideo można wykorzystać kilka technik, np. wykrywanie krawędzi, czyli obszaru przejścia między światłem a ciemnością (cieniem). W stosowanych dziś rozwiązaniach w celu przyspieszenia pomiaru można np. podpowiedzieć systemowi pomiarowemu, gdzie ma ich szukać.

Przy pomiarach optycznych potrafimy już sobie radzić z problemami sprawianymi przez elementy wykonane z materiałów przezroczystych lub silnie obijających światło. Jeśli występują obszary, które nie mają naturalnego kontrastu, można na ich powierzchni wyświetlić obraz podnoszący jej kontrast, np. wzór w formie siatki szachownicy.

W przypadku gdy mierzony element jest zbyt duży, aby system wideo zobaczył go w jednym ujęciu, wykonuje się wiele jego migawek, które następnie są łączone w jeden duży obraz.

Także systemy pomiarów wideo są już dziś bardzo wydajne i sprawdzają się, gdy trzeba szybko i dokładnie zmierzyć np. małe części, które trudno byłoby przytrzymać do pomiaru z użyciem sondy dotykowej. W niektórych rodzajach pomiarów poza obrazem wideo wykorzystuje się też szybkobieżne i bezdotykowe czujniki laserowe. Dobrze sprawdzają się przy skanowaniu i bardzo dokładnym wykonywaniu pomiarów wysokości i głębokości.

Wiele problemów sprawiały metrologii części o powierzchniach z teksturą lub bardzo lśniących. W nowych rozwiązaniach producenci urządzeń starają się takie ograniczenia eliminować. Stosuje się tu czujniki chromatyczne – konfokalne – do szybkich pomiarów odległości, przemieszczenia i grubości.

Jak podaje firma WObit, oferująca m.in. tego typu czujniki firmy Micro-Epsilon, technologia ta stosowana jest w przemyśle półprzewodnikowym, szklarskim, farmaceutycznym, w inżynierii medycznej, do produkcji elementów z tworzyw sztucznych itp. Pomiar odbywa się przy użyciu kontrolera przetwarzającego otrzymane wyniki z optyki. Wiązka białego światła widzialnego, uzyskiwana z wbudowanego źródła LED wewnątrz kontrolera, skupiana jest na powierzchni przez optykę skonstruowaną z zestawu soczewek. Do pomiarów wykorzystuje się zjawisko aberracji chromatycznej. Przy użyciu jednego czujnika można zrealizować jednostronny pomiar grubości przezroczystych materiałów lub zmierzyć przestrzeń między wieloma przezroczystymi warstwami wraz z jednoczesnym pomiarem odległości.

Przy niektórych rodzajach pomiarów nadal konieczne jest użycie sondy dotykowej. Można nią skanować powierzchnię, nieznany kontur itp. Jednak metoda dotykowa napotyka na ograniczenia choćby przy pomiarach bardzo delikatnych lub odkształcających się elementów. W takim wypadku można skorzystać z tzw. sondy piórkowej, stale rezonującej z wysoką częstotliwością. Gdy zbliży się do części lub jej dotknie, zmienia się częstotliwość drgań. To dobra technologia do mierzenia części, które są elastyczne i nie można ich dokładnie zmierzyć przy użyciu sondy konwencjonalnej. Przykładem może być sonda piórkowa Feather Probe firmy OGP oferująca możliwości pomiaru niedostępne dla sensora optycznego lub standardowej sondy stykowej detali podatnych na odkształcenia.

Metrologia 3D

Coraz więcej dziś mówi się o zastosowaniach nowoczesnej metrologii 3D w kolejnych branżach i dziedzinach. Według raportu opublikowanego w lutym br. przez firmę analityczną Research and Markets rynek metrologii 3D, wyceniony w 2018 r. na 9,5 mld dolarów, osiągnie do 2024 r. wartość 16,2 mld dolarów. Średni roczny wzrost rynku w latach 2018–2025 ma wynieść 9,3%.

Na całym świecie zwiększają się wymogi związane z dokładną kontrolą produkowanych części i wykorzystaniem zebranych w trakcie pomiarów danych do modelowania przestrzennego, np. w programach typu CAD. Analitycy zwracają uwagę, że ograniczeniem w szerokiej implementacji tej technologii może być brak wiedzy fachowej w zakresie wydajnej obsługi systemów metrologii 3D oraz wysokie koszty urządzeń i tworzenia infrastruktury w zakładach. Wzrasta zastosowanie urządzeń pomiarowych 3D w takich branżach jak: przemysł lotniczy i obronny, motoryzacyjny, architektoniczny i budowlany, medyczny, elektroniczny i energetyczny. Także rosnący rynek maszyn współrzędnościowych zwiększa zapotrzebowanie na sprzęt 3D. Na przykład przemysł motoryzacyjny wymaga pomiarów CMM do zapewnienia jakości komponentów, a tym samym bezpieczeństwa użytkowników końcowych.

Jak wskazano w ww. raporcie, przemysł motoryzacyjny coraz częściej korzysta z optycznych systemów pomiarowych i współrzędnościowych maszyn pomiarowych zamiast konwencjonalnych czujników tensometrycznych, przyspieszeniomierzy i ekstensometrów. Rozwija się też technologia inspekcji 3D AOI dostarczająca danych np. o wysokości końcówek lutu przy montażu obudów układów scalonych BGA (ang. Ball Grid Array) itp.

Metrologia 3D często stosowana jest także w procesach inżynierii odwrotnej – do badania produktów i sposobów ich wytworzenia. Wśród głównych graczy na tym rynku firma analityczna QYReports wymienia takich producentów i dostawców jak: FARO Technologies, Hexagon, Nikon, Mistras Group, ZEISS, Basler, Olympus, Zetec, Mitutoyo America C, GOM, Creaform, 3D Digital, Perceptron, 3D Systems, Zebicon, Zygo i Shining 3D Tech.

Oprogramowanie

Wydaje się, że obecnie to oprogramowanie jest kluczowym problemem dla dostawców systemów metrologii wieloczujnikowej. Rozpowszechnienie się czujników bezdotykowych w systemach wielosensorowych oznaczą dużą ilość danych, które muszą być szybko analizowane. Użytkownicy poszukują przy tym systemów prostych w obsłudze nawet dla niewykwalifikowanych operatorów.

Coraz większe znaczenie ma też komunikacja pomiędzy sprzętem a oprogramowaniem. Oczekuje się łatwej integracji z innymi systemami cyfrowymi wykorzystywanymi w zakładach produkcyjnych. Dostawcy stale więc rozwijają swoje oferty w tym zakresie, a na rynku jest dostępnych wiele różnych programów, np.: ComGage firmy IBR, CAM2 firmy FARO, CMM-Manager firmy Nikon, PC-DMIS CMM firmy Hexagon.

Systemy wielosensorowe od dawna wykorzystywane były w wysokoprzepustowych, powtarzalnych aplikacjach. W takim przypadku uzasadniona była inwestycja w drogi system, bo przekładało się to na poprawę wydajności produkcji. W opinii specjalistów klienci nadal nie są w pełni świadomi korzyści płynących z systemów wielosensorowych i nie mają wiedzy o dostępnych na rynku rozwiązaniach. A duża konkurencja między producentami i postęp technologiczny wpływają na coraz przystępniejsze ceny. Przed producentami urządzeń pomiarowych nadal stoi wiele wyzwań – nie ma jeszcze czujnika, który spełniałby wszystkie wymagania systemów metrologicznych.

W systemie wieloczujnikowym zmniejsza się ogólna niepewność pomiarów, oszczędzany jest czas i na każdym etapie procesu produkcyjnego można używać tego samego sprzętu do pomiaru części. Korzyści zyskuje się już dzięki zastosowaniu platformy wieloczujnikowej, jeszcze więcej jednak można zyskać, stosując specjalistyczne oprogramowanie. Precyzję w danym zadaniu pomiarowym można zoptymalizować poprzez kalibrację czujników względem siebie lub łączenie wyników, co pozwala to na eliminację zakłóceń i artefaktów.

Z pewnością coraz trudniej produkować dziś bez wykonywania dokładnych pomiarów na wielu etapach wytwarzania, a odpowiedzią na te potrzeby może być właśnie metrologia wieloczujnikowa.