Omiń nawigację

Ważne decyzje — przewodnik po wyborze trzpieni do współrzędnościowych maszyn pomiarowych

Decydując o tym, który trzpień będzie najlepszy, należy wziąć pod uwagę kilka ważnych czynników.

Czynniki wyboru trzpienia pomiarowego

Dokonując oszacowania wymaganej dokładności pomiarów na maszynie współrzędnościowej, zazwyczaj przyjmuje się stosunek niepewności maszyny współrzędnościowej do tolerancji elementu równy przynajmniej 1:5 (idealną wartością jest 1:10, lecz w wielu przypadkach może okazać się, że byłoby to zbyt kosztowne, aby być praktyczne). Stosunek ten oferuje margines bezpieczeństwa zapewniający względnie małą niepewność wyników w porównaniu ze spodziewanym zakresem zmienności przedmiotu obrabianego. Dopóki można utrzymywać stosunek 1:5 przy najwęższej tolerancji, powinien on stanowić koniec argumentu dokładności.

Niestety, czasami coś tak niewinnego, jak zmiana trzpienia pomiarowego na sondzie może mieć zadziwiająco duży wpływ na rzeczywistą osiąganą dokładność, powodując znaczną zmienność wyników pomiarów. Coroczna kalibracja maszyny współrzędnościowej nie wystarcza do kontroli dokładności, ponieważ potwierdza to jedynie wynik dla trzpienia pomiarowego użytego do testowania (zwykle bardzo krótkiego). Jest to prawdopodobnie dokładność najlepszego przypadku. Aby uzyskać pełniejsze pojęcie o prawdopodobnej precyzji szerszego zakresu pomiarów, potrzebna jest wiedza o tym, w jakim stopniu trzpień pomiarowy wpływa na niepewność pomiaru.

W niniejszej sekcji zostaną przedstawione cztery główne aspekty wyboru trzpienia pomiarowego, które wpływają na ogólną niepewność maszyny współrzędnościowej:

1. Sferyczność (okrągłość) kulki trzpienia pomiarowego

2. Zginanie się trzpienia pomiarowego

3. Stabilność termiczna

4. Dobór materiału końcówki pomiarowej trzpienia (zastosowania skanowania)

Sferyczność (okrągłość) kulki trzpienia pomiarowego

Końcówkę pomiarową większości trzpieni stanowi kulka, najczęściej wykonana z syntetycznego rubinu. Każdy błąd sferyczności (okrągłości) tych kulek będzie czynnikiem niepewności pomiarów maszyny współrzędnościowej i w ten sposób można łatwo utracić aż 10% dokładności maszyny współrzędnościowej

Kulki rubinowe wytwarza się przy różnych poziomach precyzji, określanej przez ich „klasę”, która odnosi się do maksymalnej odchyłki kształtu kulki od idealnej kuli. Najczęściej używa się kulek klasy 5 i klasy 10 (im niższa klasa, tym lepsza kulka). „Obniżenie klasy” z klasy 5 do klasy 10 oferuje niewielką oszczędność na koszcie trzpienia pomiarowego, lecz może być wystarczające, aby zagrozić stosunkowi 1:5.

Problem polega na tym, że nie można wizualnie określić klasy kulki i nie jest ona w sposób oczywisty widoczna w wynikach pomiarów, co powoduje, że trudno jest ją obliczyć, jeśli ma to istotne znaczenie. Jedynym rozwiązaniem jest standardowe specyfikowanie kulek klasy 5: kosztują one nieco więcej, lecz jest to niewielki koszt w porównaniu z potencjalnym złomowaniem dobrego przedmiotu obrabianego, lub co gorzej, z dopuszczeniem przedmiotu nie odpowiadającego specyfikacji. Przewrotnie, im dokładniejsza jest maszyna współrzędnościowa, tym większy jest wpływ klasy kulki. W przypadku najdokładniejszych maszyn współrzędnościowych, można w ten sposób utracić do 10% dokładności.

Spójrzmy na przykład…

Typowy błąd pomiarowy według ISO 10360-2 (MPEP), określany przy użyciu kulki klasy 5, wynosi:

  • MPEP = 1,70 µm

Wartość ta jest określana w oparciu o pomiary w 25 pojedynczych punktach, z których każdy był wyznaczany jako 25 oddzielnych promieni. Zakres zmienności promieni jest wartością MPEP. Parametr okrągłości kulki trzpienia pomiarowego przyczynia się do tego bezpośrednio. Tak więc przejście z kulki klasy 5 na kulkę klasy 10 zwiększa tę wartość o 0,12 μm i powoduje pogorszenie błędu pomiarowego o 7% w tym przypadku:

  • MPEP = 1,82 µm

Należy także zwrócić uwagę, że okrągłość kulki trzpienia pomiarowego również wpływa na wartość MPETHP, w której przypadku wykorzystuje się cztery ścieżki skanowania na powierzchni kuli do wyznaczenia parametrów pomiarów skanujących.

Uwagi:

  • Odchyłka sferyczności kulki klasy 5 = 0,13 µm
  • Odchyłka sferyczności kulki klasy 10 = 0,25 µm

W przypadku najbardziej wymagających zastosowań, Renishaw oferuje gamę trzpieni pomiarowych zaopatrzonych w kulki klasy 3, których odchyłka sferyczności wynosi zaledwie 0,08 μm.

Zginanie się trzpienia pomiarowego

Kiedy używa się takich elektrostykowych sond pomiarowych, jak standard branżowy TP20, często stosowane postępowanie polega na zmianie modułów trzpieni pomiarowych w celu wykorzystania zalet różnych trzpieni pomiarowych, z których każdy jest zoptymalizowany dla danego zadania pomiarowego. Powodem, dla którego nie używa się jednego długiego trzpienia pomiarowego do pomiaru wszystkich elementów, jest utrata dokładności, wzrastająca ze wzrostem długości trzpienia pomiarowego. Dobra zasada postępowania polega na używaniu jak najkrótszego oraz jak najbardziej sztywnego trzpienia pomiarowego – lecz dlaczego?

Chociaż trzpień nie jest bezpośrednio odpowiedzialny za ten konkretny błąd, wzrasta on wraz z długością trzpienia. Błąd ten wynika ze zmienności siły potrzebnej do wyzwolenia sondy w różnych kierunkach. Większość sond nie wyzwala się w chwili zetknięcia trzpienia pomiarowego z przedmiotem, lecz wymagany jest wzrost siły dla przezwyciężenia obciążenia sprężyną wewnątrz mechanizmu czujnika. Ta siła powoduje elastyczne odkształcenie trzpienia pomiarowego. To ugięcie powoduje niewielkie przemieszczenie sondy względem przedmiotu po wystąpieniu fizycznego zetknięcia, a przed wygenerowaniem wyzwolenia sondy. To przemieszczenie jest określane jako droga przełączania.

Trójkątny układ kinematyczny zamocowania większości sond powoduje, że do wygenerowania wyzwolenia wymagane są różne siły. W kierunkach o większej sztywności sonda będzie odporna na wyzwolenie aż do wystąpienia większego ugięcia trzpienia pomiarowego. Oznacza to także, że maszyna współrzędnościowa wykona większe przemieszczenie, tak więc droga przełączania będzie zmieniać się w zależności od kierunku podejścia (patrz wykres z prawej strony). Problem zmienności drogi przełączania komplikuje się jeszcze bardziej, gdy występują złożone kąty podejścia (w osiach X, Y i Z).

W celu zminimalizowania tego efektu wszystkie trzpienie pomiarowe są przed użyciem kalibrowane na kuli wzorcowej o znanej wielkości. W sytuacji idealnej w tym procesie następowałoby odwzorowanie błędów dla każdej kombinacji trzpienia pomiarowego i kąta podejścia. W praktyce, często stosuje się wyrywkowe kąty dla oszczędności czasu, następuje uśrednianie w pewnym stopniu i może pozostawać pewien niewielki błąd.

Bez przeprowadzenia testów empirycznych trudno jest obliczyć wpływ tego zjawiska na niepewność pomiarów. Należy zwrócić uwagę na kluczowy fakt powiększania dowolnego błędu zmienności drogi przełączania przez elastyczność wybranego trzpienia. Podkreśla to znaczenie wyboru materiałów w konstrukcji trzpienia pomiarowego, wyważając sztywność zginania trzonu względem innych parametrów, takich jak ciężar i koszt. Podczas gdy stal, mając moduł Younga E = 210 kN/mm2, nadaje się na wiele krótszych trzpieni pomiarowych, powszechnie stosowanym materiałem o większej sztywności jest węglik wolframu (E = 620 kN/mm2), lecz jego gęstość jest także większa i dlatego jest rzadko używany na długie trzpienie pomiarowe. W tych przypadkach, włókno węglowe oferuje doskonałe połączenie sztywności (E ≥ 450 kN/mm2) i małego ciężaru. Tymczasem w zastosowaniach pomiarowych na obrabiarkach, gdzie istotnymi czynnikami są mały ciężar i stabilność termiczna, często stosuje się trzony ceramiczne (E = 300 – 400 kN/mm2).

Na sztywność trzpienia pomiarowego wpływ wywierają również połączenia w zespołach trzpieni pomiarowych. Ogólna zasada praktyczna mówi, że najlepiej jest unikać połączeń, gdy tylko jest to możliwe, ponieważ mogą wprowadzać histerezę, chociaż może to być niemożliwe, jeśli do pomiaru złożonych przedmiotów używa się stałego czujnika. W takich przypadkach może być potrzebna konfiguracja zbudowana z gamy trzpieni pomiarowych, przedłużaczy, złączy i przegubów. Jeszcze raz, ważne jest przeanalizowanie materiałów wybieranych na każdy element układu, ponieważ będzie to mieć wpływ na sztywność, ciężar i odporność całej konfiguracji.

Stabilność termiczna

Wahania temperatury mogą powodować poważne błędy pomiarów. Wybranie właściwego materiału na przedłużacze trzpieni pomiarowych może zapewnić większą stabilność w zmiennych warunkach, dając w rezultacie bardziej spójne wyniki pomiarów. Preferowane są materiały o niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej, zwłaszcza gdy mają być stosowane długie trzpienie pomiarowe, ponieważ wydłużenie cieplne zależy od długości.

Jak wspomniano poprzednio, włókno węgłowe jest materiałem najczęściej stosowanym w przypadku długich trzpieni pomiarowych i przedłużaczy, ponieważ jest sztywne, lekkie i nie zmienia swej długości wraz ze zmianami temperatury. Tam gdzie konieczne jest zastosowanie metali – na złącza, przeguby itd. – tytan oferuje najlepszą kombinację wytrzymałości, stabilności i gęstości. Renishaw dostarcza sondy i przedłużacze trzpieni pomiarowych, w których stosuje się oba te materiały.

Dobór materiału końcówki pomiarowej trzpienia

Kulki rubinowe stanowią domyślny wybór na końcówki trzpieni pomiarowych dla większości zastosowań. Są jednak pewne okoliczności, w których inne materiały oferują lepszą alternatywę.

W przypadku pomiarów stykowych końcówka trzpienia styka się z powierzchnią tylko przez krótki okres i nie występuje przemieszczenie względne. Inaczej jest w przypadku skanowania, ponieważ kulka ślizga się po powierzchni przedmiotu, co powoduje zużycie cierne. Taki długotrwały kontakt może, w skrajnych przypadkach, powodować usuwanie lub osadzanie materiałów na kulce trzpienia pomiarowego, co wpływa na jej odchyłkę sferyczności. Efekt ten ulega wzmocnieniu, jeśli jeden obszar powierzchni kulki ciągle wchodzi w kontakt z przedmiotem. Firma Renishaw przeprowadziła rozległe badania tego efektu, wyróżniając dwa różne mechanizmy zużycia:

Zużycie ścierne

Abrasive wear Zużycie ścierne powstaje podczas skanowania powierzchni takich materiałów jak żeliwo, kiedy to drobne cząstki pozostałości powodują drobne zarysowania na trzpieniu pomiarowym i przedmiocie obrabianym, czego skutkiem są małe „spłaszczenia” na końcówce trzpienia pomiarowego. W przypadku takich zastosowań optymalnym wyborem są końcówki trzpieni pomiarowych z twardego tlenku cyrkonu.

Zużycie adhezyjne

Adhesive wear test 2 Zużycie adhezyjne występuje wtedy, gdy materiał kulki trzpienia pomiarowego i materiał przedmiotu wykazują wzajemne powinowactwo chemiczne. Można to zaobserwować podczas skanowania aluminiowych przedmiotów przy użyciu kulki z rubinu (tlenku glinu). Materiał przechodzi z względnie miękkiego przedmiotu na trzpień pomiarowy, czego skutkiem jest tworzenie się powłoki aluminiowej na końcówce trzpienia pomiarowego, co niekorzystnie wpływa na jej okrągłość. W takiej sytuacji najlepszym wyborem jest azotek krzemu, ponieważ ma dobrą odporność na ścieranie i nie wykazuje powinowactwa chemicznego do glinu.

Inne czynniki

Inne okoliczności uwzględniane przy wyborze trzpienia pomiarowego obejmują:

  • rozmiar gwintu trzpienia pomiarowego dopasowany do wybranego czujnika,
  • typ trzpienia pomiarowego – prosty, gwiazdowy, przegubowy lub konfiguracja niestandardowa,
  • typ końcówki trzpienia pomiarowego – kulka, walec, dysk, półkula,
  • wielkość końcówki trzpienia pomiarowego minimalizująca wpływ chropowatości powierzchni na dokładność pomiarów.

Wszystkie te zagadnienia są bardziej szczegółowo omawiane w broszurze Trzpienie pomiarowe o wysokiej precyzji firmy Renishaw

Wnioski

Trzpienie pomiarowe są niezwykle ważnym elementem w przypadku każdego pomiaru, stanowiąc interfejs o krytycznym znaczeniu pomiędzy czujnikiem i przedmiotem obrabianym. Zapewniają dostęp do elementów wokół przedmiotu obrabianego i muszą wiernie przekazywać sondzie informacje o położeniu powierzchni. Aby ułatwić dokładną kontrolę, muszą być skonstruowane z precyzyjnych części składowych, których każda jest wykonana z materiału odpowiadającego wymaganiom danego zadania pomiarowego. Po starannym wybraniu, właściwy trzpień pomiarowy nie powiększy niepewności w sposób znaczący i będzie dostarczał spójne i niezawodne wyniki. Gdy tolerancje są wąskie i konieczne jest użycie dłuższego trzpienia pomiarowego, należy wziąć pod uwagę wpływ dokonywanych wyborów na dokładność.