25 éves gyors fejlődés a koordinátametrológiában

A tapintós rendszerektől az optikai, röntgentomográfiai és multi-szenzoros koordináta-metrológiai rendszerekig

Nehéz elképzelni egy olyan modern minőségbiztosítási megközelítést, amely nem használ multiszenzoros koordináta-mérőgépeket. Nem mindig volt így, ez leginkább az elmúlt 25 év gyors fejlődésének az eredménye. Ez a technológia most már sokféle mérési feladathoz alkalmazható, ami a mérések megnövekedett automatizálási, sebességi és pontossági követelményeinek  eredménye.

Az 1980-as években a koordináta-méréstechnikát a tapintós gépek uralták. Az optikai mérőgépeknél hasonló szenzorok még nem álltak rendelkezésre. Az első megoldások az 1970-es évek végén jelentek meg, amikor dr. Siegfried Werth kifejlesztette a Werth „Tastauge” pontszerű, üvegszálas kivezetésű optoelektronikus éldetektor szenzort a mérő projektorok számára. Vizsgálták a CCD kamerák használatának lehetőségét is a koordináta méréstechnikában, de még jó idő telt el, amíg a képfeldolgozó szenzorokkal működő mérőgépeket kifejlesztették. Az első CCD-kamerákkal és képfeldolgozással rendelkező gépek az 1980-as évek végére voltak elérhetők. Példa erre a Werth Inspector® (1. ábra), valamint más vállalatok hasonló gépei. Nem voltak képesek behatolni a piacra a magas ár és a gyakran nem megfelelő teljesítmény miatt. A gépek széles körű felhasználása elmaradt. A digitális képfeldolgozás bevezetése A PC-technológia fejlődése az 1990-es évek elején az első Frame-Grabber kártyákkal erőteljes hatással volt az optikai koordináta mérőgépek automatizálására.

A Werth Messtechnik volt az első európai gyártó, amely a PC-technológián alapuló képfeldolgozó koordinátamérőgépet, a VideoCheck®-et bevezette a mérőgépek piacára. Automatikus méréseket tett lehetővé a beeső fény felhasználásával, az autofókusz pont mérési módszerrel pedig a 3D-s mérés vált elérhetővé. A Werth azon döntését, hogy a képfeldolgozást a PC és a Windows operációs rendszer platformon valósítja meg, akkoriban sok szakértő hibának tekintette. Ma ez a megoldás a szabvány.

A következő években folytatódott a képfeldolgozó szenzorok továbbfejlesztése. A szabadalmaztatott Werth Zoom (2. ábra) lehetővé tette a felhasználók számára, hogy ne csak a nagyítást, hanem a munkatávolságot is beállítsák a különböző mérési feladatokhoz. A MultiRing® felhasználható a megvilágítási szög széles tartományban történő beállítására, hogy megbízhatóan feleljen meg a munkadarab mérési követelményeinek. A képfeldolgozás alkalmazása a koordináta-méréstechnikában még 20 év elteltével is eredményezhet forradalmi fejleményeket. Például a 2016-ban bemutatott Raster Scanning HD folyamat lehetővé teszi a korábban ismeretlen mérési sebességeket, miközben növeli a pontosságot. Ehhez a munkadarab képeit mozgás közben a maximális kamera frekvencián rögzítik, és szabadalmaztatott módszerrel egymásra helyezik, hogy megalkossák az összképet (3. ábra). A nagy területeket gyorsan, nagy felbontással rögzíti. Ez a módszer lehetővé teszi például egy 7 hüvelykes félvezető lap óriási nagyításnál történő teljes bemérését, mindössze 2 perc mérési idő alatt. 256 megapixeles képet készít, amelyből meghatározhatók a félvezető lap geometriai tulajdonságai. Egy másik alkalmazás a teljes vágóél élgeometria mérése a marószerszámon. 1,5 másodpercen belül egymás után 32 fogat lehet mérni, majd „a képen” elemezni és meghatározni az élszögeket, rádiuszokat.

A képfeldolgozástól a multiszenzoros rendszerekig

Ahogy a munkadarabok sokfélesége és összetettsége növekszik, a mérési feladatokat gyakran nem lehet egyetlen szenzorral megoldani. A multiszenzoros koordináta-mérőgépeket úgy alakítják ki, hogy különféle szenzorokat integrálnak a mérőberendezésbe, melyek közül mindegyik egyedi feladatot lát el. Mivel az összes szenzor ugyanabban a munkadarab-koordináta-rendszerben mér, a mérési eredmények bármilyen kombinációban összekapcsolhatók. A képfeldolgozás sikere nyomán egyértelmű következő lépés volt az ilyen szenzorok beépítése a tapintós koordináta-mérőberendezésekbe, így multiszenzoros koordináta-mérőgépet (például a VP1 videó-szenzorrendszer) létrehozva. A megoldás azonban nem volt túl sikeres a piacon, mert a képfeldolgozó érzékelőnek nagyon kompaktnak kell lennie. Ez korlátozta a képalkotó optika és a világítási rendszerek teljesítményét és rugalmasságát. A multiszenzoros rendszerek egy másik megközelítése, hogy a képfeldolgozó szenzort beépített lézer-távolságérzékelővel látta el (4. ábra). Ez eleinte tisztán optikai multiszenzoros koordináta-mérőgép volt, amely gyorsabb 3D-méréseket tett lehetővé, mint ha csak a képfeldolgozó szenzor autofókusz funkciója biztosította volna a 3D mérést.

Az optikai és a tapintós-elektromos szenzorok kombinációjának használatát 1993-ban kezdte sikeresen a Werth Messtechnik, mivel a már kialakított Renishaw tapintórendszert beépítették a kompakt optikai VideoCheck® koordináta-mérőberendezésekbe. Így a tapintós szkennelési üzemmódok lehetővé tették a kontúrok gyors, magas pontsűrűséggel történő mérését, kombinálva a 2D képfeldolgozó mérésekkel és a 3D-s lézeres szkenneléssel. Németországban jó együttműködés van a középvállalatok, az egyetemek és a kutatóintézetek között. A Werth Messtechnik és a Német Nemzeti Metrológiai Intézet (PTB – Physikalisch Technische Bundesanstalt) közötti együttműködés 1998-ban a tapintós-optikai üvegszálas mikrotapintót eredményezte. Ez a szabadalmaztatott mérési elv a rugalmas üvegszálat kizárólag az érzékelőgömb pozicionálására használja, amelynek átmérője akár 20 µm is lehet. A gömb elmozduláást optikailag méri egy képfeldolgozó szenzor. Ez az elv alacsonyabb tapintási erőt, nagyobb pontosságot és megnövelt megbízhatóságot eredményez, különösen a hagyományos mikrotapintókkal összehasonlítva (5. ábra). A 3D Werth Fiber Probe®-t az eredeti 2D elv alapján fejlesztették ki 2011-ben. A hagyományos tapintók szinte minden mérési módszerét képes használni, például az egypontos tapintást és szkennelést is.

A következő években különösen az optikai távolságérzékelők spektrumát bővítették. A fent említett lézer-távolságérzékelőket kromatikus fókuszszenzorok egészítették ki a felület kontúrjainak és a fényvisszaverő felületek síkjának mérésére. Ez a szenzor meghatározza a munkadarab felületétől való távolságot a fehér fényt alkotó színspektrum különböző fókusz síkjai alapján, tehát ezt gyakran egyszerűsítve említik fehér fényű szenzorként.
A fókuszváltozás elvét alkalmazó területérzékelő szenzorok, például a Werth 3D Patch, vagy olyan konfokális
szenzorok, mint például a Nano Focus Probe (NFP), nagy pontsűrűségű felszíni topográfiákat vesznek fel az érdesség, az alak és az egyéb geometriai tulajdonságok meghatározására. Mindkét mérési elv mellett a kamera minden pixeljére egy 3D-s mérési pontot kell meghatározni.

Ehhez merőlegesen mozgatják a szenzort a munkadarab felületére, miközben a kontrasztot (fókuszvariancia szenzorokkal) vagy a kép fényerejét (konfokális szenzorokkal) értékelik, hogy meghatározzák a munkadarab felületétől való távolságot.

A vonalszenzorokkal a munkadarab felületének viszonylag nagy területeit gyorsan meg lehet mérni. 2017 óta a vonallézer (LLP) és a fehérfényű szenzor (CFL) is elérhető (6. ábra).

A CFL példátlan módon ötvözi a nagy mérési sebességet és a nagy pontosságot. A fent említett mérési elvek különböznek a potenciális pontosságban, de elsődlegesen függenek a munkadarab néhány ismérvétől, úgymint a felületek kontrasztja, fényvisszaverése és dőlésszöge. A mérőgép specifikációk, amelyek egységes modellt és tanúsított kalibrálást alkalmaznak, lehetővé teszik a különböző koordináta-mérőgépek teljesítményének objektív összehasonlítását, biztosítva a nyomon követhető méréseket. 2004-ben elkezdte működését a Werth Messtechnik DKD kalibráló laboratóriuma (DKD – Deutscher Kalibrierdienst – A Német Kalibrációs Szolgálat), mint az első Akkreditált Kalibráló Laboratórium, amely az ISO 17025 szabvány szerint lett akkreditálva optikai és multiszenzoros koordináta-mérőgépekre. A Werth DAkkS kalibráló laboratóriuma (DAkkS – Deutsche Akkreditierungsstelle – A Német Akkreditációs Testület) jelenleg az egyetlen akkreditált laboratórium
röntgen tomográfiával rendelkező koordináta-mérőgépek kalibrálásra. Ez biztosítja, hogy a felhasználók DAkkSkalibrált mérőberendezéssel végezhetik a munkadarabellenőrzéseket, az IATF 16949 előírásainak megfelelően.

Új szenzor: CT, röntgentomográfia

Az első kísérletek a számítógépes tomográfia (CT) bevezetésére a koordináta-méréstechnikában a 2000-es évek elején történtek. Sajnos a folyamat még mindig túlságosan pontatlan volt, a mérési eltérések tizedmilliméterben voltak mérhetők. Az egyik korai megoldás a Werth Autocorrection (autokorrekciós) módszer volt, amelyben egy mesterdarabot egy tapintós szenzorral megmértek, és a CT-mérés eltéréseit a további munkadarabok későbbi CT-méréseinek korrigálására használják. Ez a módszer és a bevált multiszenzoros koordináta-mérőgépek alkalmazása lehetővé tette a Werth Messtechnik számára a TomoScope® 200-as létrehozását 2005-ben. Az első röntgentomográfiai készülék, amelyet kifejezetten a koordináta-méréstechnikában való használatra fejlesztettek ki opcionális multiszenzoros rendszerrel. Ennek a gépnek már voltak olyan specifikációi és pontossági paraméterei, melyek alapján összehasonlíthatóvá vált a hagyományos koordináta-mérőgépekkel. Az új mottója a „Teljes és pontos mérés” volt, mivel most először sikerült megragadni a munkadarab minden nehezen hozzáférhető területét, beleértve a belső geometriákat is (7. ábra).

A CT (röntgentomográfia) területén különösen gyors fejlődés tapasztalható. Számos szoftveres korrekciós módszer áll rendelkezésre, így általában elegendő pontos CT-mérés lehetséges autokorrekció nélkül. Az autokorrekcióval a mérési folyamat még a gépjárművek üzemanyag-befecskendezőinek furatain is alkalmazható, amelyek tűrése 5 μm. Az utóbbi években bekövetkezett számos új fejlesztés egyik példája a Werth Multi-ROI CT (ROI – Region of Interest), amely lehetővé teszi a munkadarab bármely kívánt részterületének nagy felbontású mérését excentrikus tomográfia segítségével. Ezzel a módszerrel a munkadarab 3D-s felhőjét az alacsony felbontású áttekintő mérésből egyesítik az érdekes régiók (ROI) nagy felbontású méréseivel (8. ábra).

A multiszenzoros koordináta-méréstechnika jövője

A jövő a fokozott integrációra mutat rá. Ennek egyik példája a Werth multiszenzoros rendszer, amelyben megtalálható a hagyományos tapintós rendszer, az üvegszálas mikrotapintó és/vagy a kontúrtapintó, valamint olyan kiegészítők, mint a szögoptika és a kiegészítő lencsék, amelyeket közvetlenül a képfeldolgozó rendszer fényútjába helyeznek egy integrált lézer-távolságmérő szenzorral (9. ábra).

A tapintók két egymástól független tengelyre vannak elosztva, melyek közül az aktuálisan aktív szenzor közelíti meg a munkadarabot, ezzel szintén növelve a rugalmasságot és a gépkezelő komfortszintjét. A mérési technológiákat egyre inkább integrálják a termelési folyamatokba. Az olyan funkciók, mint az OnTheFly üzemmód, ahol a mérések a képalkotó szenzorral elvégezhetők, miközben a gép tengelyei mozognak, lehetővé teszik a nagy teljesítményt. A CT területén a monoblokk transzmissziós röntgencsövekkel rendelkező gépek (10. ábra) nagy pontosságú gyors mérésekhez használhatók.  A képfeldolgozó szenzorokhoz hasonlóan az OnTheFly CT egyes alkalmazásoknál akár tízszeresére is képes növelni a mérési sebességet.

Az optikai és tapintós multiszenzoros koordináta-mérőgépek továbbra is dominálnak a termelés ellenőrzésének, monitorozásának területén, mivel gyorsabbak, mint a CT-gépek, de csak akkor, ha néhány méretet kell ellenőrizni. A szokásos tapintós rendszerek, amelyek a metrológia automatizálásának kezdetén léteztek, soha nem tűnnek el, mivel az optikai érzékelők nem érhetnek el minden elemet, és nem képesek minden felületet megközelíteni. A gyors, rugalmas mérésekhez az optikai és tapintós szenzorok kombinációja a megoldás. A CT előnye a hagyományos koordináta-mérőgépekkel szemben azonban a munkadarab teljes beszkennelésében rejlik, roncsolásmentesen, lehetővé téve például az első minta gyors ellenőrzését vagy a műanyag-fröccsöntéshez a hatékony szerszámjavítást, ezáltal felgyorsítva a termékfejlesztést. A komputertomográfiát gyakrabban használják a termelés monitorozására is, mivel a mérési időt nem befolyásolja a mérések száma. Ez főleg olyan munkadarabok esetében nyer értelmet, amelyeken sok az ellenőrzendő méret. 25 évvel ezelőtt a Werth még mindig szkeptikus volt a tekintetben, hogy lehet-e valaha lényegesen pontosabb mérést végezni, mint egy mikrométer. A pontosság javítása továbbra is fejlesztési cél marad, de a Werthnél már fejlesztés alatt állnak azok a gépek és tapintók, amelyek mérési hibája kisebb, mint 100 nm.

Forrás: Werth Multisensor 2018