Technologie pomiarowe wychodzą na przeciw potrzebom procesów obróbki

Wraz z ewolucją maszyn i procesów produkcyjnych, wytwórcy elementów toczonych na średnią i dużą skalę muszą stawić czoła coraz większym wymaganiom metrologicznym w zakresie częstotliwości, pomiaru cech geometrycznych oraz statyski produkcji, jak również coraz wyższym specyfikacjom dokładnościowym. Producenci szukają możliwości rozwoju w zakresie technologii pomiarowej – pragną zwiększyć szybkość cykli pomiarowych, przeprowadzać kontrolę części z wyższą dokładnością i z dużą precyzją mierzyć cechy geometryczne oraz swobodne (luźne) formy.

Na przestrzeni ostatnich pięciu lat metrologia przeszła długą drogę – powstały narzędzia, dzięki którym możliwe jest spełnienie  restrykcyjnych wymagań kontroli.   Ich wybór oczywiście zależy od indywidualnych potrzeb użytkownika końcowego.  Przyjrzyjmy się trzem różnym, ale jakże efektywnym sposobom precyzyjnej kontroli toczonych elementów w produkcji na średnią i dużą skalę.

Bezdotykowe Centra Pomiarowe Toczonych Elementów

Przemysł implantów dentystycznych to idealny przykład branży wykorzystującej optoelektroniczne bezstykowe systemy pomiarowe. W tym sektorze producenci wytwarzają główne “kluczowe” elementy implantów dentystycznych o różnorodnych kształtach i rozmiarach za pomocą toczenia/gwintowania, w czym - przy produkcji na wielką skalę- pomaga im technologia toczenia CNC.  Implanty, zwane również endoprotezami, to ludzkie “części zamienne”. Dlatego jakość ma tu ogromne znaczenie - wszystkie funkcjonalne wymiary muszą być sprawdzone w 100%.

Elementy implantów są bardzo małe - ich średnica zazwyczaj nie przekracza 4mm. Często pomiar jest bardzo trudny i czasochłonny, jeśli przeprowadzany jest za pomocą tradycyjnych sprawdzianów, takich jak projektor optyczny, mikroskopy warsztatowe ślusarskie bądź ręczne urządzenia pomiarowe - np.śruby mikrometryczne.  Z powodu wzrostu produkcji i wymagań jakościowych oraz ogromnej różnorodności i ilości komponentów wytwarzanych z zachowaniem coraz bardziej rygorystycznych kryteriów pomiarowych, bezstykowe systemy pomiarowe to kolejne rozwiązanie metrologiczne, które idealnie sprawdza się w tej branży przemysłowej.

Obecnie jedno automatyczne urządzenie do pomiarów bezstykowych elementów obrotowych z projektorem profilu, takie jak TESASCAN 25, może być stosowane w centrach tokarskich składających się z 2 lub 3 tokarek CNC wytwarzających jeden rodzaj produktu. Po zabezpieczeniu elementu mierzonego w obrotowym uchwycie i jego obrocie (pomiar dynamiczny - jeśli jest konieczny), profil elementu wyświetlany jest w układzie czujników matrycowych (obraz cienia), które dokonują cyfryzacji obrazu.  Następnie oprogramowanie mierzy wstępnie zaprogramowane cechy geometryczne, wykorzystując obraz cyfrowy jako wzorzec. Standardowy czas cyklu w przypadku kontroli 12 wymiarów elementu wynosi 28 sekund.  Często inżynier produkcyjny odpowiada za programowanie części w trybie on- lub offline, natomiast operatorzy wykorzystują system pomiarowy do automatycznej kontroli komponentów.  Operatorzy CNC mogą sprawdzić wszystkie najważniejsze wymiary zewnętrzne za pomocą jednej maszyny pomiarowej.  Urządzenia wykorzystujące projektor profilu, takie jak TESASCAN, mają przewagę nad systemami laserowymi zarówno pod względem dokładności, jaki i szybkości oraz możliwości pomiaru różnorodnych cech geometrycznych.

Po zmierzeniu każdego elementu wyniki mogą zostać wyświetlone jednocześnie zarówno w formie graficznej, jak i numerycznej. Statystyczną analizę danych pomiarowych można przeprowadzić na podstawie histogramów, kart kontrolnych oraz raportów funkcji. Możliwości te – wcześniej niedostępne w przypadku manualnych metod kontroli - stanowią bazę statystyczną umożliwiającą ocenę tendencji procesu oraz regulację  poszczegółnych obrabiarek.  Dodatkowo dane pomiarowe są identyfikowalne – wystarczy, że operator wprowadzi numer seryjny maszyny lub numer identyfikacyjny obrabiarki.

Automatyczny pomiar gwintu może zostać przeprowadzony, jeśli maszyna posiada obrotowe urządzenie umożliwiające przechył części, aby lepiej zmierzyć frezowane (obrabiane) gwinty i kąt pochylenia linii śrubowej gwintu.

Kolejną zaletą tego rodzaju narzędzia jest jego skalowalność. Jeśli warsztatowa produkcja toczonych elementów ma wytworzyć końcowe produkty o różnych wielkościach, należy zakupić tokarki, które będą mogły dokonać obróbki znacznie większych części – do 500 mm długości oraz średnicy do 80mm.   Jednak tego rodzaju narzędzia mają swoje ograniczenia.  Ogółem mogą one dokonać obróbki jednej części na raz, a elementy muszą być ładowane i wyładowane ręcznie, nawet jeśli cykl pomiarowy jest automatyczny. W przypadku, gdy mierzona cecha geometryczna nie jest widoczna w profilu, jak  np. kanały obróbki, nie może ona zostać zmierzona. 

Systemy Optyczne

W przypadku obróbki, jedną z głównych korzyści płynących z przeprowadzenia pomiarów wizyjnych jest zwiększona wydajność, co widać choćby w branży motoryzacyjnej, przy produkcji zaworów tłokowych. Na przykład, jeśli pomiary realizowane są za pomocą metod konwencjonalnych, w przypadku zaworów tłokowych kontrola części zajmie nawet godzinę lub dłużej.  Co ważne, w tym czasie nie zostanie przeprowadzone ani porównanie danych, ani  analiza statystyczna niezbędna dla większości tego rodzaju elementów. Dzięki wprowadzeniu na rynek szybkich wizyjnych systemów pomiarowych, pełen proces kontroli jednego elementu można skrócić do niespełna 5 minut.  
Element taki jak zawór tłokowy ma także bardzo “egzotyczne” kształty i promień  gięcia, które wymagają kontroli. Również i w tym przypadku wizyjna technologia pomiarowa stanowi właściwe rozwiązanie. Dzięki zastosowaniu narzędzi do obliczenia profili, pomiar bardzo złożonych krzywych ogranicza się jedynie do prostego śledzenia profilu.   Pomiar na podstawie modelu CAD, możliwy dzięki pakietowi oprogramowania takiemu jak PC-DMIS Vision, jeszcze upraszcza zastosowanie narzędzi pomiarowych.  Dzięki kilku prostym czynnościom model CAD dostosowywany jest do fizycznej (realnej) części, aby umożliwić wsparcie typu wskaż i kliknij (point-and-click) podczas pomiaru złożonych profili.   Proces ten można przeprowadzić dla różnego rodzaju części, takich jak małe elementy wyposażenia medycznego z tolerancjami profili rzędu mikronów bądź komponenty elektroniczne z pomiarem szczelin i wysokości na poziomie submikronów. 

Także wiele innych elementów idealnie nadaje się do pomiarów wizyjnych. Dane części zazwyczaj zbierane są zaledwie w kilka sekund i wspomagane przez podajniki typu pick-and-place, które maksymalnie zmniejszają wysiłek operatora. Lokalizacja cechy i jej forma mogą zostać zmierzone na podstawie pozyskanych danych.   Systemy te charakteryzuje szeroki przedział cenowy – cena zazwyczaj zależy od ich możliwości, szybkości oraz dokładności. Dzięki temu systemy te są na każdą kieszeń.  System wizyjny taki jak   Optiv   Classic to rozwiązanie ekonomiczne. Jego przeciwieństwo stanowi system   Optiv  Performance, który zapewnia wyjątkową precyzję z dokładnością co do submikrona. Metrologia wizyjna naprawdę może być zwana „mikrometrologicznym” narzędziem przyszłości.

Świat metrologii optycznej podlega nieustannym zmianom.  Wprowadzenie na rynek interaktywnej technologii wieloczujnikowej całkowicie zrewolucjonizowało pomiary 3D przeprowadzane za pomocą systemów wizyjnych. Różnorodne sensory stanowią „główny element składowy” rozszerzenia lub udoskonalenia systemów wizyjnych. Tego rodzaju udoskonalenia mogą być również „dotykowe”, tak jak w przypadku sond stykowych z tolerancją kilku mikronów. Możliwa jest także, jeśli jest to konieczne, artykulacja sondy. Artykulacja pozwala na pomiar cech, które mogą być "niezgodne" z czujnikiem wizyjnym. Dodatkowo, sondy bezdotykowe, takie jak laser lub sondy skanujące w technologii światła białego, mogą mierzyć precyzyjnie na poziomie submikronów i - w bardzo wyjątkowych sytuacjach - z dokładnością liczoną w angstremach.  Lasery zapewniają selektywne wsparcie w przypadku pomiaru form, wykorzystując obrót w czasie rzeczywistym lub oś nachylenia. Technologia światła białego idealnie sprawdza się w pomiarach bardzo małych cech geometrycznych, takich jak małe przeskoki (stopnie), oraz form 3D.  Współdziałanie tych sensorów w połączeniu z czujnikiem optycznym oferuje niezrównane korzyści związane z przyspieszeniem i usprawnieniem działania systemów wizyjnych.

Systemy Sond Stykowych

Ostatnie omawiane rozwiązanie do obróbki części zapewnia najwyższą wydajność, wykorzystując do kontroli w centrach tokarskich stykową sondę pomiarową.  Jedna z firm odniosła liczne korzyści z zastosowania takiego systemu.  Davromatic Precision Ltd. z siedzibą w Rugby w Wielkiej Brytanii jest dostawcą kategorii Tier 2 w przemyśle lotniczym, obronnym i maszyn ciężkich. Każdego dnia firma, jako producent precyzyjnych elementów toczonych, stara się osiągnąć równowagę.  Z jednej strony musi wyprodukować precyzyjnie toczone i frezowane elementy z tolerancjami wynoszącymi jedynie +/- 8 mikrometrów, z drugiej zaś strony zmniejszyć do minimum koszty produkcji.  Dla Davromatic centrum frezarsko-tokarskie z sondą stykową okazało się najbardziej ekonomiczną inwestycją. 

W produkcji na dużą skalę każdy przestój i każda ręczna regulacja centra tokarskiego wpływa na wydajność i rentowność pracy.  Aby zapewnić jakość części o bardzo wąskim polu tolerancji i uniknąć “dekoncentracji” produkcji, należy zastosować zintegrowane rozwiązanie metrologiczne umożliwiające stałe monitorowanie i regulację parametrów procesu obróbki. 
 
Firma Davromatic wykorzystała w produkcji system sondy stykowej pracujący w paśmie podczerwieni marki M&H Inprocess Messtechnik GmbH, który umożliwia tokarce z ruchomymi głowicami kontrolę konturów frezowania i toczenia, gdy część znajduje się jeszcze na maszynie, w przecwiwrzecionie.  Sonda stykowa mocowana jest na wsporniku montażowym blisko końcówki wrzeciona, aby przeciwwrzeciono mogło przesunąć obrabiane części w kierunku sondy stykowej, w celu przeprowadzenia pomiarów wymiarowych.

Najważniejsze wymiary pomiarowe, takie jak zewnętrzna średnica, długość, szerokość  przekrojów poprzecznych sześciokąta, a także frezowanie powierzchni przeprowadzane są zaledwie w kilka sekund. Od kiedy proces pomiarowy realizowany jest jeszcze w przeciwwrzecionie, może być on przeprowadzany niezależnie od wrzeciona głównego, co również ma wpływ na produkcję.

Davromatic czerpie także inne, dodatkowe korzyści z systemu – może monitorować wykorzystanie narzędzi i uniknąć ich przedwczesnego zużycia.  Niektóre stosowane w produkcji stopy mają wpływ na nierównomierne oraz nieprawidłowe zużycie narzędzi, co skutkuje bardzo szybkim wyjściem poza granice tolerancji.  Próbkowanie każdego elementu umożliwia monitorowanie produkcji w czasie rzeczywistym, dzięki czemu można dokonać wymiany narzędzi zanim cała partia drogich materiałów zostanie zniszczona, a czas produkcji wydłużony.

Ogółem, dzięki możliwości osiągnięcia 100% częstotliwości próbkowania oraz regulacji obrabiarek podczas procesu produkcji, firma Davromatic zwiększyła swoją wydajność o około 20%, redukując ilość wybrakowanych produktów praktycznie do zera.

To przykład zakończonej wyjątkowym sukcesem kontroli przeprowadzanej na linii produkcyjnej. Jednak technika ta ma kilka ograniczeń.  Po pierwsze – ponieważ metoda ta opiera się na sondzie stykowej, każdy mierzony element musi zostać „dotknięty”.  W zależności od rodzaju części, niektóre cechy mogą być zbyt małe, aby je “dotknąć” bądź też może się zdarzyć, iż jedna sonda stykowa nie przeprowadzi odpowiedniej kontroli wszystkiego, co ma być zmierzone.  Skomplikowane geometrie mogą pozostawać poza możliwościami tego systemu.  Po drugie – system sam w sobie nie zapewnia niezależnej weryfikacji jakości części.  Jeśli maszyna jest niedokładna, wynik może budzić wątpliwości. W przypadku pewnych programów jakościowych lub wymagań klientów niezbędna jest niezależna weryfikacja wyników.   Jednym ze sposobów przeprowadzenia ostatecznej weryfikacji jest wykorzystanie systemu sond stykowych w połączeniu z rozwiązaniem offline do monitorowania i kontroli produkcji.

Co Przyniesie Przyszłość

Mamy dobrą wiadomość – obecnie produkcja toczonych elementów ma do swojej dyspozycji znacznie więcej możliwości kontroli niż kiedykolwiek przedtem - od pomiarów przeprowadzanych poza linią produkcyjną po kontrolę na hali produkcyjnej, a nawet rozwiązania hybrydowe łączące wiele technik i urządzeń.

Podsumowując – produkcja cylindrycznych elementów nadal jest w fazie rozwoju. Wiele systemów metrologicznych spełnia specjalne wymagania jakościowe oraz budżetowe tej branży przemysłowej.  Wszystkie elementy – od śrub implantowych przez zawory po komponenty z tworzywa sztucznego – mogą być mierzone z pełnym zaufaniem w wiarygodność uzyskanych wyników.  Dzisiejsze standardy produkcyjne wymagają szybkości i większej dokładności. Przemysł metrologiczny gotowy jest podjąć to wyzwanie. W rezultacie w przyszłości czas przeznaczony na kontrolę ulegnie skróceniu, a sam proces pomiarowy zostanie udoskonalony, co w znacznym stopniu zmieni oblicze produkcji