Werth multisenzorové souřadnicové měřící stroje s kompenzací teploty Autoři Dipl.Ing. (FH) Detlef Ferger Dipl.Ing. (FH) Hans Joachim Neumann, Werth Messtechnik, Giessen Dotykové měřící stroje a měřící stroje s více senzory (multisenzorové) se již dnes nepoužívají výhradně ve zkušební laboratoři, ale ve vzrůstající míře i přímo ve výrobě. To znamená měření při teplotách, které se silně liší od referenční teploty 20 0 C. Chyby měření, které vyplývají z tohoto rozdílu teplot, se často podceňují, zůstávají nezohledněny a zkreslují tím výsledky měření. Odměřovací systém Dílec Obr. 1: Prodloužení odměřovacího systému a dílce působí v opačném směru Kromě jiných vlivů, jako např. tepelně podmíněné deformace měřícího stroje, změny délek senzorů apod., je tepelně podmíněná lineární odchylka při měření způsobená teplotou dílce a odměřovacího systému ze zkušeností nejdůležitějším zdrojem chyb. Proto je nezbytné při umístění měřících strojů do výroby použít odpovídající korekční opatření. Tepelně podmíněná odchylka měření Teploty lišící se od 20 0 C vedou k tomu, že se odměřovací systém souřadnicového měřícího stroje a měřený dílec z důvodu různých materiálů rozdílně protahují. K tomu přistupuje ještě vliv různých teplot. Protože ve stroji na měření délky jsou tato protažení v jednom směru, působí pouze rozdíl protažení odměřovacího systému a dílce. Vliv tepelné roztažnosti je téměř lineární. Tak se dá bez velkých nákladů realizovat jednoduchá lineární korekce v příslušných osách měření a u menších měřených délek je dostačující. Teplotně podmíněná změna délky se v principu vypočítá následovně: L = α. L 0. t L = teplotně podmíněná změna délky α = koeficient roztažnosti L 0 = referenční délka, prakticky i naměřená délka t = teplotní odchylka t=t-20 0 C Protažení odměřovacího systému: L M = α M. L 0. t M Protažení dílce: L W = α W. L 0. t W Teplotně podmíněná délková odchylka měření (obr. 1) je rozdíl L M a L W : L =L 0 (α W. _t W - α M. t M ) - 1 -
Jak je z výše uvedené rovnice patrné, jsou při stejné teplotní odchylce t na dílci a odměřování, z čehož můžeme ve zjednodušeném případě vycházet, rozhodující pro délkovou odchylku měření L již jen rozdíly koeficientů roztažnosti. V tabulce 1 jsou uvedeny možné chyby měření, v závislosti na tepelně podmíněné délkové odchylce měření L u dílců z různých materiálů pro teploty prostředí 20 0 C, 25 0 C, 30 0 C a 35 0 C. Hodnoty platí pro měřenou délku 100 mm a pro měrku z oceli. Dále se předpokládá, že dílec a měrka dosáhly stejnou teplotu. Tabulka ukazuje, že v letní den při 35 0 C ve výrobní hale se musí při měření dílce z PVDC o délce 100 mm bez korekce počítat navíc s chybou měření 208 µm. V praxi se musí počítat s poněkud jinými odchylkami, protože většinou jsou teploty odměřovacího systému a dílce rozdílné. To ale nemění nic na tom, že jsou odchylky nepřijatelně velké. Délkové protažení odměřovacího systému a dílce se mohou kompenzovat, když je odměřování a dílec ze stejného materiálu, jako např. u páru ocel ocel (viz tabulka 1). Obr. 2: ScopeCheck 300/200/200 nebo 400/200/200 měření blízké výrobě na nové výkonové úrovni v menších rozsazích měření Měřená délka: 100 mm Měrka: ocel Stejná teplota Materiál Koeficient roztažnosti α 10-6 /K 20 0 C 25 0 C 30 0 C 35 0 C Teplota Střední systematická délková odchylka měření L µm PVDC 150 0 69,3 138,5 207,8 Polyamid 100 0 44,2 88,5 132,8 Hliník 24 0 6,3 12,5 18,8 Ocel 11,5 0 0 0 0 Tab. 1: Systematická odchylka délky závislá na teplotě bez korekce při stejné teplotě dílce a odměřování V praxi se to ale většinou nestává, tzn. koeficienty roztažnosti jsou různé. Jako závěr lze odvodit, že je naléhavě potřebná odpovídající korekce vlivu teploty. Měřící stroje vhodné pro výrobu integrovaná kompenzace teploty je potřebná Řada přístrojů ScopeCheck (obrázky 2,3) nabízí solidní základ konstrukce z tvrdého granitu s vedeními uzavřenými v pouzdrech, která jsou přihlášena jako patent. Přístroje jsou koncipovány jako moduly a dají se tak přesně přizpůsobit požadavkům uživatelů. Součástí výbavy jsou spínací a měřící snímací systémy a také laserové senzory a senzory na zpracování obrazu. Přístroje dovolují jak jednoduchá ruční měření tak i CNC řízené měření s dvou a trojrozměrnými CAD záznamy dat. Pomocí Werth TomoScope (obr. 4) se firmě Werth Messtechnik GmbH podařilo na světě poprvé integrovat rentgenovou počítačovou tomografii do souřadnicového stroje s více senzory. Uživatele mohou díky tomu provádět nedestruktivní kompletní měření při současné možnosti vztažení výsledků měření na národní standardy. Díky kompaktní konstrukci uložené v žule a provedení jako plně chráněný přístroj i díky snadnému ovládání, lze - 2 -
TomoScope používat přímo bez dalších opatření. Úspora času při přípravě prvních vzorků u dílů z plastu ze současných několika dnů na několik hodin, nabízí uživatelům značnou výhodu oproti konkurenci. Všechny přístroje řady Scope byly přizpůsobeny přesně požadavkům v podmínkách výroby a umí vypočítat korekci při zohlednění koeficientů roztažnosti přístroje a dílce, teploty dílce a odpovídajících teplot odměřování. Teploty na odměřování se měří senzory a tak je automaticky zohledněno tepelné protažení odměřování. Rovněž se měří a zohlední teplota v blízkosti dílce nebo na přání zákazníka probíhá měření kontaktním teploměrem. Pro každou naměřenou hodnotu se vypočítá hodnota korekce _L v závislosti na délce podle výše uvedeného vzorce a výsledky měření se odpovídajícím způsobem upraví. Tato korekce platí samozřejmě i při umístění měřené délky šikmo v prostoru, protože se korekce provádí ve všech 3 osách měřeného prostoru a tak se zohlední právě promítnuté části. Obr. 3: ScopeCheck 400/400/150 nebo 400/400/300 měření blízké podmínkám ve výrobě s rozsahy měření od 400 mm v ose X a Y Nutné okrajové podmínky jsou: udání pokud možno přesné hodnoty koeficientů roztažnosti dílce a dodržení prostorových (_K/m) a časových (_K/hod.) teplotních gradientů podle zadání výrobce stroje. Pokud by koeficient roztažnosti dílce nebyl znám popř. byl znám jen nedostatečně, dokáže i pouhý odhad hodnoty ještě značně snížit odchylku měřené délky. To platí zvláště u velkých rozsahů měření (obr. 5). Měřící stroje pro vyšší požadavky na přesnost kompenzace teploty snižuje nároky na měřící prostor Souřadnicové měřící stroje s více senzory řady VideoCheck (obr. 6) se vyznačují přesnou mechanikou uloženou ve vzduchových ložiscích. Délková odchylka měření takových přístrojů je v typickém případě určena hodnotou E1 = (0,75 + L/500)µm. Těmito přístroji se měří nejrůznější přesnější výrobní dílce. Přitom si musíte uvědomit, že tolerance několika málo 10µm jsou již v moderní výrobě samozřejmostí. Obr. 4: TomoScope počítačová tomografie v souřadnicovém měřícím stroji s více senzory úplné a přesné měření Obr. 5: ScopeCheck MB 1500 pro velké a těžké dílce s rozsahy měření až 3000 mm v ose X Obr. 6: VideoCheck IP 600/650 multisenzor pro náročné měřící úkoly - 3 -
Obr. 8: VideoCheck V HA 400 pro rotačně symetrické přesné díly (nástroje a hřídele) Aby byla zaručena vhodnost měřícího procesu v takových rozměrech, je potřebná výše uvedená třída přístrojů. Mimo zpracování obrazu, měřících a spínacích snímacích systémů, jsou k dispozici různé další speciální senzory, aby bylo možno kompletně řešit příslušný měřící úkol. Aby se dosáhlo výše uvedené specifikace, je potřebné umístit přístroj v klimatizované místnosti a nechat před měření vyrovnat teplotu měřených dílců s teplotou prostředí. V normálních měřících prostorech může ale zůstat odchylka několika Kelvinů. V závislosti na výbavě měřícího prostoru, zvláště pokud jde o časově a místně konstantní teplotu, to úplně nestačí. Použitím vysoce přesné kompenzace teploty, při které se musí teplota dílce podle okolností přesně určit pomocí několika senzorů, může být i u takových měřících prostorů dosažena malá nejistota měření. Zde používaný hardware musí ovšem splňovat nejvyšší požadavky, pokud jde o rozlišení a přesnost. V opačném případě je možné, že teplotní kompenzace způsobí větší odchylky, než se zde vlastně chtějí odstranit. Bezpodmínečným předpokladem je pečlivé provedení kontaktu teplotních senzorů na dílci. Proto může být pro uvedené aplikace velmi výhodný dostatečně stabilní klimatizovaná prostor. Maximálně přesné měřící stroje pro pod-mikronovou oblast stabilní teplotní podmínky jsou předpokladem Přístroje VideoCheck HA a VideoCheck V HA (obr. 7 a 8) jsou v současnosti nejpřesnější multisenzorové souřadnicové měřící s E1 = (0,25 + L/900)µm popř. E1 = (0,5 + L/900)µm (při jedno- popř. dvousměrném snímání) nabízí doposud nedosaženou přesnost pro použití, jako kalibrace měřících prostředků, měření vysoce přesných výrobních dílů, mikroskopických tvarů a nářadí. Mechanická konstrukce z tvrdého granitu se speciálními vzduchovými ložisky s nízkými vibracemi, maximální rozlišení odměřovacího systému a konstrukční opatření proti hysterezi zaručují vynikající reprodukovatelnost výsledků měření v rozsahu 0,1 mikrometru a menší. Kompletní korekce geometrických odchylek probíhá na základě maximálně přesného etalonu kalibrovaného Spolkovým fyzikálně technickým ústavem. Přístroje jsou koncipovány jako moduly a dají se přesně přizpůsobit požadavkům uživatelů. Zpracování obrazu, laser a na celém světě nejmenší (průměr snímací kuličky až 10 µm) a nejpřesnější (odchylka při snímání 0,1 µm) dotykový senzor Werth Fasertaster WFP jsou součástí výbavy senzoru. I přes konstrukční opatření lze extrémní specifikace těchto přístrojů zaručit jen při dobrých teplotních podmínkách okolí. Dokonce i minimální lokální nebo časové kolísání teploty výrazně ovlivní přesnost výsledků měření. Metrologické zachycení takových výkyvů teploty menších než 0,1 K by nebylo na mnoha místech v souřadnicovém měřícím stroji a zvláště na dílci a v něm realizovatelné. Také jsou vlivy chyb vlastního měření teploty, jako rozlišení a nespolehlivost kalibrace, vedení tepla v místě kontaktu a zbytková chyba způsobená nezachycenými teplotními gradienty příliš velké. Kompenzace teploty má proto u této třídy přístrojů malý smysl. Je potřebná temperance dílců a měřícího přístroje v rozsahu 1/10 Kelvina. Mezní odchylka měření teploty K Mezní odchylka koeficientu roztažnosti 10-6 /K Zbývající, teplotně podmíněná, rozšířená nespolehlivost měření µm 2% 3 0,2 0,5 1 5% 7,5 10% 15 2% 3 5% 7,5 10% 15 2% 3 5% 7,5 6,3 13,5 26 10 16 27 18 22 31 10% 15 Tabulka 2: Zbývající teplotně podmíněná nespolehlivost měření s teplotní korekcí Výsledek teplotní korekce - porovnání s korekcí a bez korekce - 4 -
Pokud se rozhodnete, že je teplotní korekce potřebná (výrobní prostory nebo normální klimatizovaný prostor), nelze vycházet z toho, že nyní nepůsobí žádné teplotní vlivy. I přes korekci vlivu teploty zůstává zbytková nejistota měření, které je tím nižší, čím lépe je znám koeficient roztažnosti dílce a čím přesněji se měří teplota. Obr. 7: VideoCheck HA 400/400/200 nejvyšší přesnost díky inteligentním konstrukčním principům Vysvětlení provedeme na příkladu: Bez korekce vznikne (viz tabulka 1) při 35 0 C a dílci z PVDC dlouhém 100 mm chyba měření 208 µm. S korekcí se sníží vliv teploty, jak je znázorněno v tabulce 2 pro různé mezní odchylky (1). Pod mezní odchylkou se rozumí maximálně možná (odhadnutá) odchylka od skutečné hodnoty. Předpokládá se, že je rovnoměrně rozložena. Takzvaná rozšířená nespolehlivost měření je podle mezinárodních norem standardní odchylka vynásobená rozšiřujícím faktorem k = 2 a platí tak pro oblast spolehlivosti 95%. Pro zvolený příklad měření vycházejme z toho, že lze změřit teplotu s mezní odchylkou 0,5 K. Koeficient roztažnosti dílce je známý s maximální odchylkou 5%. Podle tabulky 2 tím zůstává nespolehlivost měření 16 µm. To je zde již jen 7,7% z původní chyby 207,8 µm bez korekce. Tipy pro praxi Korekce teploty je spolehlivější a účinnější, když se provedou následující opatření: Dovolte pokud možno jen malé změny teploty Zamezte průvanu Při rychlých změnách teploty přístroje umístěte do uzavřené skříně Zdroje tepla udržujte v konstantním provozu Přístroje nainstalujte minimálně ve vzdálenosti 1 m od stěn Podlahu tepelně zaizolujte Zabraňte vnikání přímého slunečního světla Teplota měřeného objektu by se měla vyrovnat s okolím Nedotýkejte se dílců rukama popř. používejte rukavice Zajistěte během jednoho měřícího cyklu konstantní teplotu Při dlouhých měřících cyklech proveďte kontrolu systematické změny rozměrů v určeném směru překontrolováním referenční souřadnicové soustavy. Uvedenými opatřeními a použitím měřících strojů s korekcí teploty lze úspěšně používat souřadnicové měřící stroje ve výrobě i za náročných teplotních podmínek. Bez takovéto korekce jsou výsledky měření zatíženy nezanedbatelnými chybami. Tyto mohou být podle okolností podstatně větší než výrobní tolerance, které se vlastně měly zkontrolovat. Literatura: (1) Neumann, H. J. Lineární teplotní vlivy Příručka pro praktické použití, s. 283-304, z Neumann, H. J. Přesná měřící technika ve výrobě se souřadnicovými měřícími stroji, expert verlag, 2. vydání, 2005. (2) Christoph R., Neumann H.J., Multisenzorová souřadnicová měřící technika Opticko-dotykové určování rozměrů, tvaru a polohy, blízké podmínkám ve výrobě, Nakladatelství Moderne Industrie, ISBN 3-478-93290-4. Werth Messtechnik, Gießen www.werthmesstechnik.de PRIMA Bilavčík, s.r.o. zastoupení Werth Messtechnik GmbH pro ČR a SR www.merici-pristroje.cz - 5 -
Werth Souřadnicová měřící technika s více senzory Pro všechny případy Werth Multisensorik Werth Zpracování obrazu: Skutečné zpracování obrazu obrysu pro spolehlivé snímání hran Werth 3D-Patch (přihlášení patentu): Trojrozměrný povrchový senzor pro nejmenší charakteristiky Werth Rentgenová tomografie: Úplně zachycení dílce v jedno měřícím kroku Werth Laserový snímač WLP (patent): Vysoce přesné skenování povrchu Werth Fast Laser Probe FLP: Rychlé bezdotykové skenování trojrozměrných tvarů Werth Laserový liniový senzor LLP: Rychlé optické zachycení volných ploch i na velkých dílcích Werth Chromatic Focus Probe CFP: Vysoce přesné měření na silně odrazivých plochách (zrcadla, čočky, ) Mechanicky spínající a měřící snímací systémy: Program Renishaw kompletně integrován Werth Mikro Sonda WFP (patent): Celosvětově nejmenší (min. průměr snímací kuličky 10 µm) a nejpřesnější snímače Werth Contur Probe WCP (přihlášení patentu): Snímací řezný senzor pro měření profilu a drsnosti - 6 -
Obrázkové přílohy - 7 -
- 8 -
- 9 -
- 10 -