Preskoči navigacijo

Na ostrem koncu – vodič po izbiri tipal za KMS

Pri izbiri najboljšega tipala za dano nalogo je treba upoštevati več pomembnih dejavnikov.

Dejavniki pri izbiri tipala

Za ocenjevanje potrebne točnosti meritev na KMS se običajno uporablja razmerje med merilno negotovostjo KMS in toleranco značilnosti vsaj 1:5 (idealno bi bilo sicer razmerje 1:10, toda v tem primeru lahko naglo narasejo stroški in niso več opravičljivi). S takim razmerjem je zajamčeno, da bo negotovost rezultatov razmeroma majhna v primerjavi s pričakovanim razponom variabilnosti komponente. Dokler je mogoče zagotoviti razmerje 1:5 tudi pri najožjih tolerancah, se torej ni več treba ukvarjati z natančnostjo.

Na žalost pa ima lahko tudi nekaj sicer tako nedolžnega kot je menjava tipala na merilni glavi presenetljivo velik vpliv na dejansko natančnost in lahko povzroči znatno variabilnost rezultatov meritev. Zato ni dovolj, da se pri preverjanju natančnosti zanašamo zgolj na letno umerjanje KMS, saj so rezultati potrjeni le za tipalo, ki je bilo uporabljeno v testu (običajno gre za zelo kratka tipala). To bo verjetno najboljša dosegljiva natančnost. Da bi bolje razumeli, s kakšno natančnostjo lahko računamo pri splošnih meritvah, moramo najprej raziskati vpliv tipal na merilno negotovost.

V tem delu si bomo ogledali štiri glavne vidike izbire tipal, ki vplivajo na celotno točnost KMS:

1. Sferičnost (okroglost) kroglice tipala

2. Upogibanje tipala

3. Toplotna stabilnost

4. Izbira materiala konice tipala (za aplikacije skeniranja)

Sferičnost (okroglost) kroglice tipala

Merilne konice večine tipal so oblikovane kot kroglice iz sintetičnega rubina. Vsaka napaka sferičnosti (okroglosti) teh konic predstavlja dejavnik negotovosti meritev s KMS in na ta način zlahka izgubimo do 10 % natančnosti KMS.

Rubinaste kroglice so na voljo v različnih »razredih« natančnosti izdelave, ki opisujejo največje odstopanje kroglice od idealne krogle. Najpogosteje se uporabljajo kroglice 5. in 10. razreda (nižji ko je razred, boljša je kroglica). S prehodom iz 5. na 10. razred kroglice sicer nekaj prihranimo pri strošku tipala, vendar lahko istočasno ogrozimo razmerje 1:5.

Razreda kroglice ni mogoče določiti vizualno, prav tako pa ga ni mogoče nedvoumno razbrati iz rezultatov meritev. Ocenjevanje dejanskega pomena razreda kroglice zato ni preprosta naloga. Ena rešitev je standardizacija uporabe kroglic 5. razreda: ta tipala so sicer nekoliko dražja, toda razlika v ceni je zanemarljiva v primerjavi s tveganjem izločitve dobrega izdelka. Še huje pa je, če potrdimo izdelek, ki v resnici ni ustrezen. Dejstvo je tudi, da je vpliv razreda kroglice večji pri natančnejših KMS. Pri najboljših KMS lahko na ta način izgubimo tudi do 10 % natančnosti.

Oglejmo si primer ...

Značilna merilna napaka po standardu ISO 10360-2 (MPEP) za tipalo s kroglico 5. razreda:

  • MPEP = 1,70 µm

Vrednost je določena z meritvami 25 diskretnih točk, ki se pretvorijo v 25 različnih polmerov. Razpon variabilnosti premera predstavlja vrednost MPEP. Sferičnost kroglice tipala neposredno vpliva na to vrednost in z menjavo kroglice 5. razreda s kroglico 10. razreda se poveča za 0,12 μm (7-odstotno poslabšanje merilne napake):

  • MPEP = 1,82 µm

Sferičnost kroglice tipala vpliva tudi na vrednost MPETHP, ki je opredeljena s štirimi potmi skeniranja na krogli in s katero se vrednoti zmogljivost merilnih glav za skeniranje.

Opombe:

  • Sferičnost kroglice 5. razreda = 0,13 µm
  • Sferičnost kroglice 10. razreda = 0,25 µm

Renishaw ima v svoji ponudbi tipal tudi izdelke za najzahtevnejše aplikacije s kroglicami 3. razreda, ki se ponašajo s sferičnostjo samo 0,08 μm.

Upogibanje tipala

Običajna praksa pri delu z merilnimi glavami s proženjem na dotik, kot je standardna glava TP20, je menjavanje merilnih modulov. Tako lahko vedno izkoristimo optimalno tipalo za vsako merilno nalogo. Glavni razlog za to, da ni mogoče meriti vseh značilnosti z enim samim dolgim tipalom, je obratna sorazmernost natančnosti in dolžine tipala. Dobra praksa je uporaba čim krajših in kar se da togih tipal – toda zakaj?

Čeprav tipalo ni neposredni povzročitelj tovrstne napake, se napaka povečuje z dolžino tipala. Napaka izhaja iz variabilne sile, ki je potrebna za sprožitev merilne glave iz različnih smeri. Večina merilnih glav se ne sproži takoj ob stiku tipala in komponente, saj se mora najprej vzpostaviti sila za premagovanje vzmeti v senzorskem mehanizmu. Ta sila elastično deformira tipalo. Preden se ob fizičnem stiku sproži, se merilna glava zaradi tega upogibanja še nekoliko premakne glede na merjenec. Ta premik je znan kot predgib.

Prožilna sila zaradi trikotne kinematične zasnove pri večini merilnih glav ni vedno enaka. V smeri, kjer je glava bolj toga, se tipalo bolj upogne in merilna glava se dlje upira sprožitvi. To pomeni, da je večji tudi premik KMS in da je predgib odvisen od dostopnega kota (glejte diagram na desni). Variabilnost predgiba se še bolj zakomplicira pri sestavljenih dostopnih kotih (po oseh X, Y in Z).

Za zmanjšanje tega učinka se vsa tipala pred uporabo umerijo na referenčni krogli znane velikosti. V idealnem primeru bi tako določili napako za vsako kombinacijo tipala in dostopnega kota. V praksi se zaradi časovnih omejitev pomeri le vzorec dostopnih kotov in izvede povprečenje, manjši del napake pa se vedno ohrani.

Vpliv na merilno negotovost je težko določljiv brez empiričnih preizkusov. Upoštevati je treba, da se morebitna preostala napaka spremenljivega predgiba še ojači zaradi upogljivosti izbranega tipala. Pomembna je torej prava izbira materiala tipala, pri čemer sta na tehtnici upogibna togost stebla in druge lastnosti, kot sta teža in strošek. Medtem ko je jeklo s prožnostnim modulom E = 210 kN/mm2 primerno za mnoga krajša tipala, je najbolj tog material v splošni uporabi volframov karbid (E = 620 kN/mm2), ki pa ima veliko gostoto in se zato le redko uporablja pri dolgih tipalih. Za daljša tipala so na voljo ogljikova vlakna z odlično kombinacijo togosti (E ≥ 450 kN/mm2) in majhne teže. Keramična stebla (E = 300–400 kN/mm2) so s svojo majhno težo in toplotno stabilnostjo pogosto prisotna v merilnih sistemih na obdelovalnih strojih.

Na togost vplivajo tudi zveze v sestavih tipal. Praviloma je najbolje, da se zvezam izogibamo zaradi histereze. To sicer ni vedno mogoče pri uporabi fiksnih senzorjev za merjenje kompleksnih delov. V takem primeru je morda primernejša konfiguracija, sestavljena iz tipala, podaljškov, konektorjev in zgibov. Tudi v tem primeru je pomembno upoštevanje materialov, iz katerih so narejeni posamezni elementi, saj material vpliva na togost, težo in robustnost konfiguracije.

Toplotna stabilnost

Temperaturna nihanja so lahko vir resnih merilnih napak. Z izbiro pravega materiala za podaljšek tipala je mogoče doseči večjo stabilnost v spremenljivih pogojih in doslednejše rezultate meritev. Prednost imajo materiali z majhnim temperaturnim koeficientom dolžinskega raztezka – zlasti pri dolgih tipalih, saj je raztezek sorazmeren z dolžino.

Kot je bilo že omenjeno, so dolga tipala in podaljški najpogosteje izdelani iz ogljikovih vlaken, ki so toga, lahka in se ne raztezajo s temperaturnimi spremembami. Kjer ne gre brez kovin (v zvezah, zgibih itd.), ima titan najboljšo kombinacijo trdnosti, stabilnosti in gostote. Renishaw ponuja tipala in podaljške iz obeh materialov.

Izbira materiala konice tipala

Standardna izvedba konice tipala za večino aplikacij so rubinaste kroglice. V posebnih okoliščinah bodo morda primernejši drugi materiali.

Konica tipala je pri meritvah s proženjem na dotik le krajši čas v stiku s površino merjenca in ne prihaja do relativnih gibanj. Pri skeniranju je drugače, saj kroglica drsi po površini komponente in prihaja do torne obrabe. Podaljšan stik lahko v izjemnih okoliščinah privede tudi do odnašanja ali nalaganja materiala na kroglico tipala, kar vpliva na njeno okroglost. Ta pojav je še bolj izražen, kadar je le en predel na kroglici v stalnem stiku z merjencem. Renishaw je opravil obsežne raziskave teh vplivov in izkazalo se je, da prevladujeta dva različna mehanizma obrabe:

Abrazivna obraba

Abrasive wear Abrazivna obraba nastane pri skeniranju površine delov iz materiala, kot je železova litina, kjer drobni delci delajo miniaturne raze na tipalu in na obdelovancu, zaradi česar se konica tipala lokalno splošči. Optimalna izbira za tovrstne aplikacije so žilave konice tipal iz cirkonijevega dioksida.

Adhezivna obraba

Adhesive wear test 2 Adhezivna obraba nastane takrat, ko obstaja kemična afiniteta med materialom kroglice tipala in materialom obdelovanca. Opazimo jo lahko pri skeniranju aluminijastih delov s kroglico iz rubina (aluminijevega oksida). Material se z razmeroma mehke komponente prenaša na tipalo. Na konici tipala se tako naloži aluminijasta prevleka, ki vpliva na sferičnost konice. Najboljša izbira v tem primeru je silicijev nitrid, ki ima dobro obstojnost proti obrabi in nima afinitete do aluminija.

Drugi dejavniki

Drugi dejavniki pri izbiri tipala:

  • Primerna velikost navoja tipala za izbrani senzor
  • Vrsta tipala – ravno, zvezdasto, vrtljivo ali po meri
  • Vrsta konice tipala – kroglica, valj, disk, polobla
  • Velikost konice tipala za zmanjšanje vpliva površinske hrapavosti na natančnost meritev

Za podrobnejši pregled problematike glejte Renishawovo brošuro o natančnih tipalih.

Zaključek

Tipala imajo odločilno vlogo pri vsaki meritvi in zagotavljajo stik med senzorjem in komponento. Tipala se morajo približati vsaki značilnosti na delu in posredovati točen podatek o položaju površine v merilno glavo. Za natančno kontrolo morajo biti sestavljena iz preciznih komponent, vsaka od njih pa mora biti iz pravega materiala za potrebe dane merilne naloge. Skrbno izbrano tipalo tako ne prispeva k merilni negotovosti ter daje dosledne in zanesljive rezultate. Pri ozkih tolerancah in pri daljših tipalih je treba skrbno upoštevati vpliv vseh naštetih izbir na natančnost.