Az éleslátás titka – útmutató a koordináta-mérőgépeken használatos tapintószárak kiválasztásához
Az Ön alkalmazásának leginkább megfelelő tapintószár kiválasztásakor több fontos tényezőt is figyelembe kell venni.
A tapintószár kiválasztásának tényezői
A koordináta-mérőgépes mérés pontosságának megállapításakor bevett gyakorlat az 1:5 arányú tűrést megengedő mérési bizonytalanság használata (az 1:10 arányú tűrés az ideális, de ez több esetben túlságosan költséges lehet ahhoz, hogy praktikusan megoldható legyen). Ez az arány egy biztonsági ráhagyást biztosít, így az eredmények a munkadarab várható szórási tartományához képest viszonylag kis bizonytalansággal megállapíthatók. Mivel az 1:5 arány fenntartható a legszigorúbb tűrés mellett, a pontosság problémáját ezzel meg is oldottuk.
Sajnos az olyan ártalmatlannak tűnő műveletek, mint a tapintószár mérőcsúcson való cseréje, meglepően nagy hatással lehetnek az elérhető pontosságra, észrevehető eltérést okozva a mérési eredmények tekintetében. A pontosság ellenőrzéséhez nem elegendő a koordináta-mérőgép éves kalibrációjában megbízni, mivel ez csak a teszt során használt tapintószár (általában egy nagyon rövid tapintószár) eredményeit igazolja. Ez viszont többnyire csak a legkedvezőbb esetben elérhető pontosság. A szélesebb körben elvégzett mérések valószínűsíthető pontosságának teljesebb megismeréséhez meg kell értenünk, hogy a tapintószár hogyan járul hozzá a mérési bizonytalansághoz.
Ez a fejezet áttekintést nyújt a koordináta-mérőgép pontosságát alapvetően befolyásoló négy fő szempontról:
1. A tapintószár gömbhűsége (gömbölyűsége)
2. A tapintószár kihajlása
3. Hőmérséklet-változással szembeni stabilitás
4. A tapintóvég anyagválasztása (szkenneléses alkalmazások)
A tapintószár gömbhűsége (gömbölyűsége)
A legtöbb tapintószár mérőcsúcsa gömb alakú, és általában szintetikus rubinból készül. A csúcsok gömbhűségét (gömbölyűségét) érintő bármely hiba hozzájárul a koordináta-mérőgép mérési bizonytalanságához, és ennek következtében a mérőgép pontossága akár 10%-kal is csökkenhet.
A rubin gömbök megmunkálási pontosságuk szerint „osztályokba” sorolhatók a tökéletes gömbalaktól való eltérésük mértéke alapján. A két leggyakrabban használt gömbbesorolás az 5-ös és a 10-es osztály (minél alacsonyabb az osztály, annál pontosabb a gömbalak). Az 5-ös osztályról 10-es osztályra történő váltás csupán kismértékű költségcsökkenést eredményez, és elég lehet ahhoz, hogy az 1:5 arányú tűrés ne legyen betartható.
A gömb pontossági osztályát szemrevételezéssel sajnos lehetetlen megállapítani, és a mérési eredményekben sem mutatkozik meg nyilvánvaló módon, így nagyon nehéz megállapítani a jelentőségét. Az egyik lehetséges megoldás, ha az 5-ös osztályú gömböt vesszük standardnak: egy kicsit többe kerül, viszont kiküszöbölhető vele a jó alkatrészek leselejtezése, vagy még rosszabb esetben a nem megfelelő elemek előállítása. Meglepő módon annál nagyobb a gömb osztályának jelentősége, minél pontosabb a koordináta-mérőgép. A magasabb besorolású koordináta-mérőgépek esetén a pontosságnak akár 10%-a is ezen múlhat.
Vizsgáljuk meg ezt egy példán keresztül:
Egy tipikus tapintási hiba az ISO 10360-2 szabványnak megfelelően (MPEP), 5-ös osztályú gömbbel rendelkező tapintószárral meghatározva:
- MPEP = 1,70 µm
Ez az ábra 25 különálló pont mérése alapján lett meghatározva, melyek mindegyike 25 különböző sugárként került kiértékelésre. A sugarak szórási tartománya az MPEP érték. Ehhez a tapintógömb gombhűsége közvetlenül hozzájárul, így annak 5-ösről 10-es osztályúra történő cseréje ezt az értéket 0,12 μm-rel fogja megnövelni, és 7%-kal fogja rontani a tapintási hiba mértékét ebben az esetben:
- MPEP = 1,82 µm
Fontos megjegyezni, hogy a gombhűség az MPETHP értékét is befolyásolja, amely a vizsgálat eredményét, amely mérőcsúcs pontosságát a gömb négy irányban történő szkennelésével megállapítva tükrözi.
Megjegyzések:
- 5-es osztályú gömb gömbhűsége = 0,13 µm
- 10-es osztályú gömb gömbhűsége = 0,25 µm
A legnagyobb kihívást jelentő alkalmazásokhoz a Renishaw 3-as osztályú gömbbel ellátott tapintószárakkal is rendelkezik, melyek gömbhűsége mindössze 0,08 μm.
A tapintószár kihajlása
Kapcsoló típusú tapintó mérőfejek – mint például az ipari szabványoknak megfelelő TP20 – használata esetén általános gyakorlat a különböző mérési feladatokhoz optimalizált tapintószármodulok közötti váltás. Azért nem ajánlott minden feladathoz egyetlen hosszú tapintószárat használni, mert minél nagyobb a tapintószár hossza, annál nagyobb a pontatlanság. Az a legjobb megoldás, ha a tapintószár a lehető legrövidebb és legmerevebb – de mi ennek az oka?
Habár a tapintószár közvetlenül nem felelős a hibáért, hosszának növekedése felerősíti azt. A hiba a mérőfej különböző irányokba való kitéréséhez szükséges, változó mértékű erőre vezethető vissza. A legtöbb mérőfej még nem kapcsol akkor, amikor a tapintószár a munkadarabhoz ér, ezért szükség van egy felépített nyomóerőre, amellyel ellensúlyozható az érzékelő mechanizmusának rugóterhelése. Ez az erő a tapintószár rugalmas alakváltozását okozza. Ezen kihajlásnak köszönhetően a mérőcsúcs egy rövid utat tesz meg a munkadarabbal létrejött fizikai érintkezés és a kapcsolás létrejötte között. Ez az elmozdulás a kapcsolási késedelem.
A mérőfejek háromszögletű mozgó (kinematikus) rögzítőszerkezetei különböző erőt igényelnek a kapcsolás létrejöttéhez. A merevebb irányokban a mérőcsúcs nem aktiválódik addig, amíg a tapintószár nagyobb mértékű kihajlása meg nem történt. Ez a koordináta-mérőgép további elmozdulását is eredményezi, így a kapcsolási késedelem a megközelítési szög szerint fog változni (lásd a jobb oldali ábrát). A kapcsolási késedelem további eltérést mutathat több megközelítési szög egyidejű használata esetén (X, Y és Z tengelyek).
Ezen hatás minimálisra csökkentéséhez a tapintószárak használat előtt egy ismert méretű referenciagömbön kerülnek bekalibrálásra. Elméletben ennek az eljárásnak fel kellene térképeznie a tapintószárak és megközelítési irányok összes lehetséges kombinációjához tartozó hibalehetőségeket. A gyakorlatban viszont – időmegtakarítás céljából – szögminták átlagolásával történik a kalibrálás, így egy kisebb hibaszázalék továbbra is megmarad.
Ennek a mérési bizonytalanságra kifejtett hatását tapasztalati vizsgálatok elvégzése nélkül nehéz megítélni. A probléma kulcsa, hogy a kiválasztott tapintószár hajlékonysága a kapcsolási késedelem eltéréseiből eredő minden járulékos hibát felerősít. Ebből is látható, hogy milyen fontos a tapintószárak gyártásához használt anyagok megfelelő kiválasztása, különös tekintettel a hajlítási merevségre, szemben egyéb tulajdonságokkal, mint például a tömeg vagy a költségek. Míg az E = 210 kN/mm2 Young-modulussal rendelkező acél több rövid tapintószár anyagaként megfelelő választás lehet, merevebb anyagként széles körben használatos a volfrám-karbid (E = 620 kN/mm2) is, ez nagy fajsúlya miatt azonban nem praktikus hosszú tapintószárak anyagaként. Ebben az esetben a szénszál kellő merevséget (E ≥ 450 kN/mm2) biztosít kis fajsúly mellett. A kerámia tapintószárakat (E = 300–400 kN/mm2) gyakran alkalmazzák szerszámgépeken használt mérőfejek esetén, ahol a könnyű felépítés és hőmérséklet-változással szembeni stabilitás kiemelt fontosságú.
A tapintószár merevségét a tapintószáregység csuklói is befolyásolják. Ökölszabályként megállapítható, hogy ahol csak lehetséges, kerülni kell a csuklók használatát, mert ezek hiszterézist okozhatnak. Előfordulhat azonban, hogy ez nem lehetséges bonyolult munkadarabok rögzített érzékelőkkel történő mérésekor. Ebben az esetben tapintószárakat, hosszabbítókat, csatlakozókat és csuklókat tartalmazó konfiguráció kialakítása szükséges. Az egyes elemek anyagának kiválasztása kiemelt fontossággal bír, mivel ez a konfiguráció merevségét, tömegét és tartósságát is befolyásolja.
Hőmérséklet-változással szembeni stabilitás
A hőmérséklet-ingadozások jelentős mérési hibákat okozhatnak. A tapintószár-hosszabbítók megfelelő anyagának kiválasztásával nagyobb stabilitás érhető el változó körülmények között is, így még egyenletesebb mérési eredmények kaphatók. Alacsony hőtágulási együtthatójú anyagok használata ajánlott, különösen a hosszú tapintószárak esetén, mivel a hőtágulás az alaphossz függvényében nő.
Ahogy már említettük, a hosszú tapintószárak és a hosszabbítók anyagaként a szénszálas anyagokat használják leggyakrabban, mivel ezek kellően merevek, könnyűek, és nem változtatják hosszukat hőmérséklet-változás hatására. Ahol fémes anyagokra van szükség – csatlakozókhoz, csuklókhoz stb. – a titán biztosítja az erő, a stabilitás és a fajsúly legjobb kombinációját. A Renishaw kínálatában mindkét anyagból készült mérőcsúcsok és tapintószár-hosszabbítók is megtalálhatók.
A tapintóvég anyagválasztása
A legtöbb alkalmazás esetén a rubin gömbös tapintóvég az alapértelmezett választás. Bizonyos körülmények között azonban egyéb anyagok jobb alternatívát kínálnak.
A kapcsoló típusú tapintó mérések során a tapintóvég csak rövid időre lép érintkezésbe a felszínnel, és nincs relatív elmozdulás. A szkennelés során ettől eltérően a gömb elcsúszik a munkadarab felszínén, súrlódásos kopást okozva. Szélsőséges esetekben a hosszú ideig tartó érintkezés anyagleválást vagy -lerakódást okozhat a tapintógömb felületén, ami befolyásolja annak gömbhűségét. Ezen hatások még súlyosabbak, ha a gömb valamely része állandóan érintkezik a munkadarabbal. A Renishaw kiterjedt vizsgálatokat folytatott ezen hatások kutatására, különös tekintettel kétféle kopási mechanizmusra:
Abráziós kopás
Az abráziós kopás például öntöttvas felület szkennelése során jön létre, ahol az apró törmelékrészecskék megkarcolják a tapintószár és a munkadarab felületét, ezzel a tapintóvég „laposodását” okozva. Ezen alkalmazások esetén a kemény cirkónium tapintóvég az optimális választás.
Adhéziós kopás
Az adhéziós kopás akkor jön létre, ha a tapintószár gömbje és a munkadarab anyaga között kémiai kölcsönhatás alakul ki. Ez például alumínium alkatrészek rubin gömbbel (alumínium-oxiddal) való szkennelése során jön létre. A részecskék átvándorolnak a viszonylag puhább felületről a tapintószárra, és egy vékony alumínium bevonatot hoznak létre a tapintóvégen, mely szintén hatással lesz annak gombhűségére. Ebben az esetben a szilícium-nitrid jelenti a legjobb választást, mivel ez kiválóan ellenáll a kopásnak, és nem vonzza az alumíniumot.
Egyéb tényezők
További szempontok a tapintószár kiválasztásához:
- A kiválasztott érzékelőhöz illeszkedjen a tapintószár menetmérete
- Tapintószár típusa – egyenes, csillag, csuklós vagy egyedi konfigurációjú
- Tapintóvég típusa – gömb, henger, tárcsa vagy félgömb alakú
- Tapintóvég mérete a felületérdesség mérési pontosságra gyakorolthatásának minimalizálása érdekében
Ezeket a szempontokat részletesen kifejtjük a Renishaw Nagy pontosságú tapintószárak kiadványában
Következtetés
A tapintószárak a mérések kritikus elemei, mivel döntő fontossággal bírnak az érzékelő és az alkatrész közötti interakcióban. Ezek biztosítják a munkadarab teljes felszínéhez való hozzáférést, és pontosan kell továbbítaniuk a felszín helyzetét a mérőcsúcshoz. A pontos vizsgálat megkönnyítése érdekében precíziós alkatrészekből kell állniuk, amelyek mindegyike olyan anyagból készül, amely megfelel az adott mérési feladat követelményeinek. Ha gondosan választja ki, akkor a megfelelő tapintószár nem növeli jelentősen a bizonytalanság mértékét, illetve következetes és megbízható eredményeket fog adni. Szigorú tűrések esetén, valamint ha hosszabb tapintószárra van szükség, gondosan mérlegelni kell a választás pontosságra gyakorolt hatását.
