Přeskočit navigaci

Na špičce – průvodce výběrem doteku pro CMM

Při rozhodování o nejvhodnějším doteku je nutno brát v úvahu několik důležitých faktorů.

Faktory ovlivňující výběr doteku

Při vyhodnocování potřebné přesnosti měření souřadnicového měřicího stroje se obvykle používá poměr nepřesnosti souřadnicového měřicího stroje k toleranci měřeného rozměru minimálně 1:5 (ideální je poměr 1:10, avšak v mnoha reálných případech se může ukázat jako příliš nákladný pro praktické využití). Tento poměr poskytuje bezpečnostní rezervu zajišťující výsledky s relativně malou nepřesností ve srovnání s očekávaným rozsahem odchylky dílu. Pokud lze zachovat poměr 1 : 5 na nejmenší toleranci, nemělo by být pochybnosti o dosahované přesnosti měření.

Snímací dotek je relativně drobnou součástí celého měřicího stroje. Bohužel, v některých případech může mít drobný snímací dotek překvapivě velký vliv na skutečně dosažitelnou přesnost měření a vést k znatelným odchylkám ve výsledcích měření. Při kontrole přesnosti se nestačí spoléhat na každoroční kalibraci souřadnicového měřicího stroje, protože ta pouze potvrdí výsledky pro dotek použitý při testu (obvykle velmi krátký). Pravděpodobně tak zjistíme pouze nejlepší dosažitelnou přesnost. Pokud chceme získat dokonalejší přehled o pravděpodobné přesnosti většího rozsahu měření, potřebujeme vědět, jak dotek přispívá k nepřesnosti měření.

Tento dokument se zaměřuje na čtyři hlavní aspekty výběru doteku, které ovlivňují celkovou přesnost souřadnicového měřicího stroje.

1. Tvarová úchylka kuličky doteku

2. Tuhost doteku

3. Teplotní stabilita

4. Volba materiálu kuličky doteku (důležitá zejména u skenovacích aplikací)

Tvarová úchylka kuličky doteku

Většina měřicích doteků je zakončena kuličkou, která je nejčastěji vyrobena ze syntetického rubínu. Jakákoli tvarová úchylka kuličky bude ovlivňovat nejistotu měření souřadnicového měřicího stroje, a tak lze snadno ztratit až 10 % přesnosti.

Rubínové kuličky se vyrábí s určitou mírou přesnosti definovanou „stupněm“ přesnosti, který se vztahuje k maximální odchylce povrchu kuličky od ideální koule. Kuličky jsou obvykle dodávány ve dvou stupních přesnosti,Grad 5 nebo Grad 10 (nižší hodnota označuje vyšší přesnost kuličky). Snížení přesnosti kuličky ze stupně 5 na stupeň 10 sice mírně sníží cenu doteku, může však ohrozit zachování výše uvedeného poměru nejistoty měření k toleranci rozměru 1:5.

Problém je v tom, že stupeň přesnosti kuličky nelze zjistit vizuálně a není zřejmý ani z výsledků měření. Je tedy obtížné vypočítat, jak výsledky měření ovlivňuje. Řešením je specifikovat kuličky Grad 5 jako standardní. Stojí o něco více, ale to je zanedbatelné oproti potenciálnímu znehodnocení dobrého dílu nebo, v horším případě, dodání nevyhovujícího dílu. Paradoxní je skutečnost, že čím přesnější je souřadnicový měřicí stroj, tím výraznější je vliv stupně přesnosti kuličky. U velmi přesných souřadnicových měřicích strojů se takto může ztratit až 10 % přesnosti.

Podívejme se na příklad...

Obvyklá chyba měření dle normy ISO 10360-2 (MPEP) dosažená při použití doteku s kuličkou stupně přesnosti Grad 5:

  • MPEP = 1,70 µm

Tato hodnota je stanovena měřením 25 jednotlivých bodů, které jsou hodnoceny jako 25 samostatných poloměrů. Rozsah odchylky poloměrů je hodnota MPEP. Kulovitost kuličky doteku k tomu přímo přispívá a nahrazením kuličky stupně 5 kuličkou stupně 10 se zvýší tato hodnota o 0,12 μm, což v našem případě zhorší chybu sondy o 7 %:

  • MPEP = 1,82 µm

Je třeba zmínit, že tvarová úchylka kuličky doteku rovněž ovlivňuje MPETHP, která slouží pro vyhodnocení výkonu skenovacích sond.

Poznámky:

  • Stupeň přesnosti Grad 5 = tvarová úchylka 0,13 µm
  • Stupeň přesnosti Grad 10 = tvarová úchylka 0,25 µm

Pro nejnáročnější aplikace nabízí Renishaw řadu velmi přesných doteků s kuličkami stupně přesnosti Grade 3, které se vyznačují tvarovou úchylkou pouze 0,08 μm.

Tuhost doteku

Při použití spínacích dotekových sond, například sonda TP20, se využívá výměnných modulů osazených doteky různých délek. Pro měření různých prvků na stejném dílci jsou tak určeny různé doteky. S větší délkou doteku se totiž zvyšuje také nepřesnosti měření. Je tedy velmi vhodné používat co možná nejkratší a nejtužší dotek – ale proč?

S větší délkou se zvyšuje chyba měření. Příčinou chyby je proměnlivá spínací síla sondy, která má v různých směrech různou velikost. U většiny sond se spínací signál neaktivuje v okamžiku, kdy dojde ke kontaktu doteku s dílcem. Signál je vygenerován po vyvinutí určité síly nutné k překonání odporu spínacího mechanismu sondy. Tato síla elasticky deformuje dotek. Deformace způsobuje velmi malý pohyb sondy blíže k měřenému dílci. Velikost pohybu je úměrná délce prodlevy mezi konaktem doteku a vygenerováním spínacího signálu Tento pohyb je označován jako „přejezd pozice“ (pre-travel).

Trojúhelníkové kinematické uspořádání většiny sond má za následekrůznou velikost síly vyžadované k vygenerování spínacího signálu v různých směrech. Ve směru, kde je sonda tužší, bude odolávat aktivaci spínacího signálu, dokud nedojde k vyšší deformaci doteku Větší deformace doteku s sebou nese i větší přejezd pozice, takže se hodnota bude lišit podle úhlu, pod kterým sonda najíždí k měřenému prvku dílce (viz diagram vpravo). Takto definovaná „odchylka přejezdu pozice“ se ještě více zkomplikuje, zohledníme-li pohyb sondy ve všech třech osách současně (úhly nájezdu v osách X, Y a Z).

Pro zmenšení přejezdu pozice je třeba všechny doteky před použitím zkalibrovat na referenční kouli známé velikosti. V ideálním případě by tento proces zmapoval chyby při všech kombinacích doteků a úhlů nájezdu. V praxi se pro úsporu času provádí kalibrace jen pod některými úhly, v ostatních úhlech se chyba průměruje a malý podíl chyby může ve výsledcích zůstat.

Je obtížné vypočítat účinek průbyhu doteku na nepřesnost měření bez provedení empirických testů. Klíčovým faktem je, že nižší tuhost doteku má za následek větší přejezd pozice. Proto je pro návrh doteku důležitá vhodná volba materiálu dříku a správná konstrukce doteku. Neméně důležitý je vztah tuhosti doteku vůči dalším parametrům, zejména hmotnosti a ceně doteku. Pro většinu kratších doteků postačuje použít ocel, která má modul pružnosti v tahu E = 210 kN/mm2; nejtužším běžně používaným materiálem je karbid wolframu (E = 620 kN/mm2), který má ovšem také vysokou měrnou hmotnost, a proto se u dlouhých doteků používá výjimečně. Uhlíková vlákna v takových případech představují ideální kombinaci tuhosti (E ≥ 450 kN/mm2) a nízké hmotnosti. Sondy určené pro obráběcí stroje jsou často vybaveny doteky s keramickými dříky (E = 300 – 400 kN/mm2), u kterých je oceňována jejich nízká hmotnost a teplotní stabilita.

Tuhost doteku ovlivňují také spoje v sestavách doteků. Obecně platí, že počet prvků a tedy i spojů, v sestavě doteků by měl být omezen na minimum. Spoje způsobují hysterezi s snižují tuhost celé sestavy. V určitých případech však mají složité sestavy doteků své opodstatnění. Pak bude pravděpodobně třeba použít konfiguraci sestavenou z řady doteků, nástavců, konektorů a kloubových spojů. Znovu je důležité vzít v úvahu materiály vybrané pro každou složku, protože to bude mít vliv na tuhost, hmotnost a robustnost celé konfigurace.

Teplotní stabilita

Kolísání teploty může způsobovat závažné chyby měření. Výběrem správného materiálu prodlužovacích nástavců lze dosáhnout větší stability v proměnlivých teplotních podmínkách, a získat tak konzistentnější výsledky měření. Teplotní roztažnost je přímo úměrná délce. Z toho důvodu jsou zejména pro delší doteky vhodnější materiály s nízkým koeficientem teplotní roztažnosti.

Jak už bylo uvedeno, uhlíkové vlákno je materiálem nejčastěji používaným pro dlouhé doteky a nástavce. Nástavce vyrobené z tohoto materiálu jsou tuhé, lehké a při změnách teploty se nemění jejich délka. Pokud je nutné použít kov (pro spojky, klouby apod.), nejlepší kombinaci pevnosti, stability a měrné hmotnosti poskytuje titan. Společnost Renishaw nabízí prodlužovací nástavce vyrobené z obou těchto materiálů.

Výběr materiálu kuličky doteku

Pro většinu aplikací je nejvhodnějším materiálem pro kuličku doteku rubín. Za určitých okolností však mohou být lepší alternativou jiné materiály.

V případě spínacího dotykového měření je kulička doteku v kontaktu s měřeným povrchem pouze na krátkou dobu a nedochází k žádnému relativnímu pohybu. Skenování se liší v tom, že kulička klouže po povrchu obrobku. To má za následek opotřebení otěrem. Tento prodloužený kontakt může v extrémních případech způsobit obrušování kuličky nebo naopak nanášení materiálu dílce na povrch kuličky, což ovlivňuje její geometrii. Tento vliv je ještě zvýrazněn, pokud v kontaktu s dílcem jen jedna oblast kuličky. Společnost Renishaw provedla rozsáhlý výzkum těchto vlivů a poukázala na dva odlišné mechanizmy opotřebení:

Abrazivní otěr

Abrasive wear Opotřebení abrazívním otěrem vzniká při skenování litinových povrchů. Malé částečky zbytků materiálu způsobují drobné škrábance na doteku a obrobku. Výsledkem je vytvoření drobných plošek na kuličce doteku. Pro tyto aplikace jsou optimální volbou doteky se zirkoniovými kuličkami.

Adhezní otěr

Adhesive wear test 2 Adhezní otěr vzniká při vzájemném chemickém působení kuličky doteku a materiálu měřeného dílce. Lze jej pozorovat při skenování hliníkových dílů rubínovou kuličkou (oxid hlinitý). Materiál se z relativně měkkého dílce přenáší na kuličku doteku. Výsledkem je nerovnoměrný nárůst velikosti kuličky a změna geometrie tvaru kuličky. V tomto případě je nejlepší volbou nitrid křemíku, který vykazuje dobrou odolnost vůči opotřebení a neváže se na hliník.

Další faktory

Další okolnosti, které je třeba zvážit při výběru doteku:

  • Připojovací závit doteku podle použité sondy
  • Typ doteku – přímý, hvězdicový, otočný nebo atypický vyrobený na zakázku
  • Typ hrotu doteku – kulička, váleček, disk, polokoule
  • Velikost kuličky doteku podle drsnosti měřeného povrchu

Všechny tyto detaily jsou podrobněji popsányv brožuře Přesné doteky společnosti Renishaw

Závěr

Doteky jsou rozhodujícím elementem při jakémkoli měření; poskytují kontakt mezi snímačem a měřeným dílcem. Poskytují přístup k měřeným prvkům na celém dílci a musí věrně přenášet pozici bodu na povrchu dílce na sondu. Pro zajištění přesného měření musí být doteky zkonstruovány z vhodných komponent a materiálů, které odpovídají dané měřicí úloze. Při správném výběru nebude dotek výrazně zvyšovat nepřesnost a bude poskytovat konzistentní a spolehlivé výsledky. Při vysokých požadavcích na přesnost měření nebo potřebě použít delší doteky je třeab zohlednit vliv doteku na výslednou přesnost měření.

Další informace