Zastosowanie współrzędnościowych systemów pomiarowych 3D w przemyśle

Przemysł rozwija się w zawrotnym tempie. Znaczący wpływ na ten rozwój mają nowoczesne technologie - pozwalają osiągać maksimum wyników produkcyjnych w krótkim czasie bez uszczerbku na jakości produktów. Niewątpliwie jednym z wynalazków, który zrewolucjonizował proces produkcyjny, jest współrzędnościowy system pomiarowy. Choć sam jego koncept powstał w latach 60. XX wieku, formuła była stale ulepszana, aby na stałe zagościć w branży przemysłowej. W których sektorach gospodarki jest wykorzystywany?

Znaczenie współrzędnościowych systemów pomiarowych w przemyśle

Aby sprostać wymaganiom, jakie stawia współczesny przemysł w kwestii dokładności wymiarowo-kształtowej, potrzebny jest wielofunkcyjny, a zarazem precyzyjny sprzęt. Współrzędnościowa maszyna pomiarowa pozwala na sprawną realizację zadań pomiarowych i precyzję ich wykonania. Minimalizuje wystąpienie błędów geometrycznych i przestojów na linii produkcyjnej, doskonaląc kontrolę jakości. To dlatego współrzędnościowa technika pomiarowa 3D została doceniona zwłaszcza w sektorze produkcyjnym. W motoryzacji spełnia ważną funkcję w kontroli jakości podzespołów samochodowych. W przemyśle lotniczym i kosmicznym umożliwia dokonanie pomiarów wieloczęściowych elementów konstrukcyjnych statków powietrznych, co zwiększa bezpieczeństwo podczas lotu. W medycynie stosowana jest zaś m.in. do produkcji implantów i narzędzi chirurgicznych.

Zasada działania maszyn pomiarowych

Współrzędnościowe maszyny pomiarowe wyposażone w trzpień pomiarowy zakończony specjalną sondą oraz specjalistyczne oprogramowanie bardzo dokładnie rejestrują trójwymiarową geometrię mierzonego przedmiotu, tworząc jego cyfrowy model współrzędnych, który następnie wykorzystywany jest do:

• analizy geometrycznej;
• porównywania z modelem referencyjnym;
• kontroli jakości;
• identyfikacji ewentualnych odstępstw od normy;
• wprowadzania odpowiednich działań naprawczych.

System CMM bazujący na zbieraniu punktów pomiarowych wzdłuż trzech osi przedmiotu (X, Y, Z) zapewnia uzyskanie nie tylko danych takich jak: długość, szerokość, kąt, czy grubość, ale również głębokość i kształt powierzchni. Osiągana precyzja pomiarów ma kolosalne znaczenie zwłaszcza w gałęziach przemysłu, w których wykorzystywane są komponenty o skomplikowanej i złożonej geometrii. Doskonałym przykładem jest branża motoryzacyjna, w której każda, nawet najmniejsza część konstrukcji musi być skrupulatnie wykonana wedle ściśle określonych specyfikacji. Wszystko to po to, aby zapewnić najwyższy poziom bezpieczeństwa podczas późniejszej eksploatacji.

Współrzędnościowe systemy pomiarowe w produkcji na przykładzie branży motoryzacyjnej

Nieregularność i złożoność części składowych samochodu determinują konieczność zastosowania zaawansowanych systemów pomiarowych. Ilość geometrycznie zróżnicowanych elementów, które poddawane są inspekcji pomiarowej, jest naprawdę duża. Należą do nich m.in. silniki, elementy nadwozia, karoserii, układy napędowe. Przeprowadzanie serii skanów i zaawansowanych pomiarów dotykowych na różnych obszarach geometrycznych części samochodowych zakończone analizą danych oraz raportowaniem wyników pozwala na spełnienie najwyższych standardów jakościowych produktów i wyeliminowanie błędów produkcyjnych.

Ten wieloetapowy proces jest niezbędny dla bezpieczeństwa i wydajności pojazdów, co finalnie prowadzi oczywiście do zadowolenia i satysfakcji klientów. Przeanalizujemy zatem, na czym dokładnie polega seria istota pomiarów na linii produkcyjnej i wskażemy, które z urządzeń pomiarowych sprawdzają się najlepiej w przemyśle samochodowym.

Proces pomiarowy w przemyśle motoryzacyjnym

Jednym z najważniejszych elementów silnika spalinowego w samochodzie jest wał korbowy. Jego funkcją jest przekazywanie energii z ruchu tłoków do zespołu napędowego. Do mierzenia tego strukturalnie skomplikowanego komponentu najczęściej stosuje się maszyny pomiarowe typu portalowego. W produkcji części samochodowych coraz chętniej wykorzystywana są także skanery laserowe 3D, które sprzyjają dokładnym i powtarzalnym pomiarom nawet przy wysokim tempie produkcji. 

Na przykładzie wału korbowego wskazaliśmy poszczególne etapy procesu pomiarowego z użyciem maszyny pomiarowej 3D. Oto one:

• Przygotowanie maszyny pomiarowej. Na tym etapie operator przygotowuje sprzęt do pracy – wykonuje kalibrację maszyny ew. sondy dotykowej w celu zapewnienia jak największej dokładności pomiarów. Do kalibracji maszyn często wykorzystywane są wzorce pomiarowe.
• Przygotowanie samego wału korbowego do pomiaru – do zadań operatora należy również oczyszczenie mierzonego obiektu z zanieczyszczeń oraz prawidłowe umieszczenie go na stole pomiarowym.
• Zaprogramowanie procesu pomiarowego – określenie przez operatora ścieżek, punktów i parametrów pomiarowych na powierzchni wału korbowego, np. średnicy w trzech przekrojach czopów głównych, czy współśrodkowości kołnierza oraz wprowadzenie tych danych do systemu komputerowego.
• Wykonanie pomiaru – przesuwanie głowicy wzdłuż zdefiniowanych ścieżek pomiarowych i zbieranie danych pomiarowych z wybranych punktów. W przypadku wału korbowego brane są pod uwagę cechy geometryczne, takie jak: 
  • średnica czopów głównych;
• średnica łożysk korbowodowych;
• odległość między łożyskami a wałem korbowym.

Współrzędnościowy system pomiarowy zakłada również ocenę zużycia mierzonego wału i zlokalizowanie na jego powierzchni nierówności i pęknięć.

• Analiza danych – szybkie przetwarzanie GD&T (Geometric Dimensioning and Tolerancing) na podstawie bezpośrednio importowanych z modelu CAD danych PMI (Product Manufacturing Information) oraz interpretacja wyników, które porównywane są z tolerancjami geometrycznymi i wymaganiami technicznymi.
• Raportowanie – wyniki pomiarów gromadzone są w zbiorczym pliku. Ich podsumowanie umożliwia podjęcie dalszych działań np. naprawy wału.

Co ciekawe, systemy pomiarowe nowej generacji odgrywają w motoryzacji jeszcze jedną ważną rolę. Mianowicie rejestrowanie fizycznych wymiarów i generowanie modeli cyfrowych w oparciu o istniejące już obiekty służą do odwzorowywania lub modyfikacji części starszych modeli pojazdów. Proces ten znany jest jako inżynieria odwrotna.

System pomiarowy 3D w przemyśle medycznym

Jak zostało już wcześniej wspomniane, korzyści płynące ze zastosowania pomiarów współrzędnościowych dostrzeżono też w przemyśle medycznym, gdzie przeprowadzane są operacje kontrolne na różnego rodzaju wyrobach np. protetycznych implantach, narzędziach chirurgicznych w celu utrzymania najwyższych standardów bezpieczeństwa użytkowania. Na tym polu znakomicie sprawdzają się skanery optyczne 3D oraz ramiona pomiarowe, które pozwalają określić topografię i chropowatość powierzchni przedmiotów, grubość ich warstwy powierzchniowej oraz monitorują zużycie ostrzy narzędzi chirurgicznych. Poza wyżej wymienionymi wyrobami pomiarom 3D poddawane są ponadto:

• ciało człowieka – możliwa jest dynamiczna analiza ludzkich kości, ścięgien i więzadeł;
• produkty medyczne wykonane z tworzyw sztucznych np. strzykawki i cewniki;
• implanty stomatologiczne i aparaty dentystyczne – co zapewnia ich idealne dopasowanie.

Zbieranie pomiarów 3D na przykładzie implantów stomatologicznych

Protezy dentystyczne powinny być dobrze dopasowanie do ludzkiej szczęki. Z racji tego, że ich zewnętrzne powłoki wykonywane są ze stopów tytanu lub ceramiki cyrkonowej, nakłada to na producenta konieczność utrzymania określonej chropowatości i geometrii powierzchni. W celu zgodności z wymaganymi tolerancjami chropowatości w trakcie trwania procesu produkcyjnego należy podejmować czynności nadzorujące. Skrupulatnie mierzone są: topografia korony, końcówki implantów, skok i głębokość gwintu (odpowiednia geometria gwintu zapewnia równomierne obciążenie kości i redukuje praktycznie do zera wystąpienie szkodliwych dla kości punktów przeciążeniowych). Oczywiście bierze się pod uwagę również objętość i kierunek powierzchni protezy, które oddziałują na optymalne dostosowanie implantu do tkanki kostnej.

Tak drobne i wymagające powierzchnie najlepiej mierzyć metodą bezdotykową, aby w żaden sposób nie naruszyć polerowanych i przezroczystych powłok implantu. Znakomicie sprawdza się tu zatem optyczny system pomiarowy, w skład którego wchodzą skanery optyczne oraz badania mikroskopowe.

Nowoczesne współrzędnościowe systemy pomiarowe na stałe wpisały się w panoramę hal produkcyjnych. Ich wysoka dokładność, wydajność, elastyczność i zdolność kompensacji błędów pomiarowych sprawiły, że weszły w skład parków maszynowych także w innych gałęziach przemysłu.

Dziś trudno wyobrazić sobie mierzenie skomplikowanych komponentów i przeprowadzanie operacji kontrolnych bez stosowania systemu CMM. Biorąc pod uwagę dynamikę wdrażanych rozwiązań w dziedzinie metrologii, z ekscytacją patrzymy w przyszłość i oczekujemy, że kolejne innowacje jeszcze bardziej będą wspierać rozwój nowych produktów i wielu branż w tym technologii medycznych.