Mättekniken utvecklas för att möta bearbetningskraven inom industrin

Utvecklingen av dessa bearbetningsverktyg och motsvarande processer innebär att tillverkare av detaljer i stora till mellanstora produktionsvolymer måste uppfylla allt strängare kontrollkrav både när det gäller frekvens, objektmätning och produktionsstatistik samt högre noggrannhet. Tillverkare strävar efter mättekniska framsteg inom många områden, som mätcyklernas hastighet, förmågan att kontrollera detaljer med ännu högre noggrannhet samt förmågan att mäta geometriska objekt och fria former med hög noggrannhet.

Mättekniken har kommit långt under de senaste fem åren och det finns verktyg som kan uppfylla dessa och andra stränga kontrollkrav. Vilken lösning som är den bästa beror naturligtvis alltid på slutanvändarens krav. Vi ska titta närmare på tre olika, men effektiva, förhållningssätt till noggrann mätning av svarvade delar i stora till mellanstora produktionsvolymer.

Kontaktfria mätcenter för svarvade delar

Tandimplantatsbranschen är ett bra exempel på en bransch där optiska kontaktfria mätsystem är mycket användbara. Tillverkare tillverkar många storlekar och variationer av huvudkomponenterna för implantat genom svarvning/gängskärning med CNC-svarvar i stora produktionsvolymer. Implantaten, liksom proteser, är reservdelar för den mänskliga kroppen och därför är kvaliteten av högsta betydelse, alla funktionella mått måste inspekteras till 100 %.

Komponenterna är mycket små, oftast mindre än 4 mm i diameter, och många av måtten är mycket tidskrävande att mäta med traditionella mätmetoder som optiska projektorer, verktygstillverkarnas mikroskop eller handmätdon som mikrometrar. De allt högre kraven på produktionsnivå och kvalitet, samt variationen och volymerna av komponenter som produceras med högre mätkriterier har gjort kontaktfria mätsystem till nästa logiska steg inom denna industri.

Idag kan ett enda kontaktfritt automatiskt mätdon för profiler, som en TESASCAN 25, användas för en enhet med 2 eller 3 CNC-svarvar som tillverkar en produkttyp. Mätobjektet sätts fast i en spindel och roterar (vid behov) medan ett ljus projicerar profilen på en uppsättning av sensorer som digitaliserar bilden. Programvaran mäter sedan de förprogrammerade objekten med den digitaliserade bilden som referens. Den genomsnittliga tiden för 12 mätningar på en detalj är 28 sekunder. Produktionstekniker ansvarar för programmeringen av detaljer, som utförs online och offline, medan operatörerna använder mätsystemet för att automatiskt inspektera komponenterna. CNC-operatörer kan kontrollera alla kritiska externa mått med ett enda mätdon. Profilenheter som TESASCAN har många fördelar i jämförelse med lasersystem, både när det gäller den totala noggrannheten, hastigheten och vilka slags objekt som kan mätas.

När alla komponenter mäts, kan resultaten visas i nummerordning och i grafiska figurer, med möjlighet att analysera mätdata statistiskt i form av stapeldiagram, kontrolldiagram och kapacitetsrapporter. Detta var omöjligt med tidigare manuella kontrollmetoder och bidrar till att skapa en statistisk bas för bestämning av processtrender och justering av individuella bearbetningsverktyg. En annan bonus är att all mätdata kan spåras till enskilda maskiner med ett batchnummer eller ett identifikationsnummer för bearbetningsverktyget som anges av operatören.

Dessutom kan automatisk gängmätning utföras om maskinen har en inbyggd svängenhet som lutar detaljen för att underlätta mätningen av bearbetade gängor och kompenserar stigningsvinkeln.

En annan fördel med denna typ av verktyg är skalbarheten. Om en verkstad som producerar svarvade delar har kapacitet för slutprodukter med olika storlekar, erbjuds svarvade mittdelar som kan hantera mycket större svarvade delar med längder på upp till 500 mm och diametrar på upp till 80 mm. Men denna typ av verktyg har sina begränsningar. De kan i allmänhet endast hantera en enda del åt gången och måste laddas och tömmas manuellt, även om mätcykeln är automatisk. Om mätobjektet inte kan ses i profil, som en maskinbearbetad kanal, kan det inte mätas.

Optiska system

För bearbetning inom produktion är en av de största fördelarna med optisk mätteknik de snabba genomloppstiderna, som för kolvventiler inom fordonsapplikationen. När kolvventiler mäts med traditionell metod kan det ta upp till en timme per kolvventil bara att hämta in detaljens mått. Då omfattar inte kontrolltiden den datasammanställning och statistisk analys som krävs för många av dessa komponenter. Genom att introducera snabba optiska mätsystem, kan den totala kontrollprocessen minskas till under fem till tio minuter per detalj.

Komponenter som kolvventiler har dessutom väldigt udda former och avrundningar som kräver kontroll. Även i detta fall är den optiska mättekniken rätt lösning. Genom att använda formberäkningsverktyg utförs en enda formspårning istället för många mätningar av de komplexa kurvorna. Användningen av beräkningsverktyg blir ännu enklare med stöd av CAD-referenser genom ett programvarupaket som PC-DMIS Vision. Med några enkla steg kan CAD-modellen kopplas till den fysiska delen för att stödja mätningen av komplexa former genom att peka och klicka. Processen kan användas för många detaljer, som små medicinska komponenter med formtoleranser på mikrometer eller elektroniska komponenter med mätning av spalter och höjder på submikron nivå.

Det finns många andra slags detaljer som är idealiska för optisk mätning. Detaljdata hämtas in på några sekunder och stöds av plockbrickor som minimerar operatörsinsatserna. Objektets plats och form kan mätas utifrån de data som inhämtas. Prisområdet för dessa system baseras på kapacitet, hastighet och noggrannhet, vilket ger många system för olika stora investeringar. Ett optiskt system som Brown & Sharpe Optiv 1 Classic passar för en mindre budget. I andra änden av spektrumet finns Brown & Sharpe Optiv 3 Performance som ger ultrahög precision med submikron noggrannhet. Optisk mätteknik kan verkligen kallas framtidens mikromätverktyg.

Optisk mätteknik utvecklas hela tiden. Introduktionen av interaktiva multisensorer har revolutionerat 3D-mätningar med optiska system. De olika sensorerna är byggstenar som används för att utvidga eller förbättra ett optiskt system. Förbättringarna är antingen taktila, som kontaktprober med toleranser på bara ett par mikrometer och som vid behov är ledade. Att de är ledade gör att objekt kan mätas som inte är i linje med den optiska sensorn. Dessutom kan kontaktfria sensorer som scanningprober för laser och vitt ljus öka precisionen till en submikron-nivå och i vissa fall till och med på en ångströmnivå. Laser ger extra stöd för formmätningar med en axel som roterar och lutas i realtid. Sensorteknik med vitt ljus är idealiskt för vissa väldigt små objekt som små steg och 3D-former. Sensorernas samverkan i kombination med den optiska sensorn ger de optiska systemen ojämförlig hastighet och flexibilitet.

Kontaktprobesystem

Den senaste lösningen för bearbetning inom produktionen erbjuder optimal genomloppstid och applicering av en probe för kontaktmätning på själva svarvdubben. Davromatic Precision Ltd. från Rugby i Storbritannien har dragit fördel av ett sådant system. De är den näst största leverantören inom flygteknik, försvar och tung maskinindustri. Varje dag är en balansakt för tillverkare av precisionssvarvade delar. Å ena sidan måste de producera svarvade och frästa precisionsdetaljer med toleranser på endast +/- 8 mikrometer. Å andra sidan måste de hålla kostnaderna på ett minimum. Att investera i en rundfräsmaskin med en integrerad kontaktprobe visade sig vara den mest ekonomiska lösningen.

Med mycket höga produktionsvolymer påverkar alla produktionsstillestånd och alla manuella justeringar av svarvmaskinen jobbets produktivitet och lönsamhet. För att garantera detaljernas kvalitet med snäva toleranser och förebygga processavvikelser krävdes en integrerad mätlösning som permanent övervakar och justerar bearbetningsparametrarna.

Davromatic implementerade ett infrarött kontaktprobesystem med fast program från M&H Inprocess Messtechnik GmbH som gör att de roterande svarvarna med rörliga huvuden kan inspektera svarvade och frästa profiler medan detaljen fortfarande är kvar i maskinens motspindel. Kontaktproben är monterad på en monteringskonsol nära huvudspindelhuvudet för att flytta de kapade arbetsstyckena för dimensionell mätning till kontaktproben vid motspindeln.

Mätning av kritiska mått som den utvändiga diametern, längd och bredd på sexkantiga tvärsnitt och frästa ytor utförs på några få sekunder. Eftersom mätprocessen utförs på motspindeln, kan den utföras oberoende på huvudspindeln vilket minskar inverkan på produktionen ytterligare.

Davromatic har dessutom kunnat utnyttja fler fördelar med systemet genom att övervaka verktygsslitage och för tidiga funktionsavbrott. En del legeringar som användes i produktionen bidrog till inkonsekvent och ojämnt verktygsslitage, vilket orsakade att tillverkningen snabbt överskred toleranserna. Genom att mäta alla detaljer övervakades situationen i realtid så att inlägg kunde ändras innan mycket dyrt material behövde skrotas och produktionstid gick förlorad.

Kapaciteten att uppnå en testtakt på 100 % automatiskt och göra justeringar av maskinverktygen under processen har gett Davromatic möjlighet att öka produktiviteten med ca 20 %, samtidigt som mängden skrot minskades till nästan noll.

Denna utveckling innebar ett imponerande resultat av att kunna utföra mätningar under processen. Men tekniken har en del viktiga begränsningar. Eftersom metoden utförs med hjälp av en kontaktprobe måste allt som ska mätas tåla beröring. Beroende vilken detalj som ska bearbetas kan en del objekt vara för små att beröra och en storlek på kontaktproben kan vara otillräckligt för allt som ska inspekteras. Komplicerad geometri kan vara bortom systemets kapacitet. Dessutom innebär det inte att detaljens kvalitet verifieras av en oberoende instans. Om maskinen har otillräcklig noggrannhet kan resultaten bli opålitliga. En del kvalitetsprogram eller kunder kräver oberoende verifikation av resultaten. Ett alternativ kan vara att använda ett kontaktprobesystem för att övervaka och kontrollera produktionen i kombination med en offlinelösning för slutgiltig verifikation.

Långsiktiga planer

Den goda nyheten är att det finns fler alternativ än någonsin för att inspektera svarvade detaljer, offline, under processen och till och med hybridlösningar som består av en kombination av tekniker och utrustning.

Tillverkningen av cylindriska komponenter fortsätter att utvecklas och utvidgas och nu uppfyller många olika mätsystem kvalitetskraven och de branschspecifika budgetkraven. Allt från benskruvar till ventiler och plastkomponenter kan mätas med tillförlitlighet och reliabilitet. Dagens tillverkningsstandard kräver hög hastighet och större noggrannhet och mätindustrin är redo att tillhandahålla en optimal lösning. Slutresultatet kan bli avsevärda minskningar av kontrolltiden och förbättrad processkontroll. Det bidrar avsevärt till att tillverkarna uppnår sina budgetmål.