1
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE
FAKULTA STROJNÍ
Ústav technologie obrábění, projektování a metrologie
In-line rozměrová kontrola kvality s využitím CMM a jednoúčelových měřicích stanic
DIPLOMOVÁ PRÁCE
Autor: Bc. Jitka Omelková
Studijní obor: Výrobní a materiálové inženýrství
Vedoucí práce: Ing. Libor Beránek, Ph.D.
Akademický rok: 2018/19
2
3 Prohlášení
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracovala zcela samostatně a za odborného vedení vedoucího diplomové práce. Všechny informační zdroje, ze kterých bylo čerpáno, jsou citovány v práci a uvedeny v kapitole zdroje informací. Vedoucí může výsledky této práce využít, když mě uvede jako spoluautora.
V Praze dne ……… ………
podpis
4 Poděkování
Ráda bych poděkovala svému vedoucímu Ing. Liboru Beránkovi Ph.D. za poskytnutí materiálů, vstřícnost, ochotu, trpělivost a cenné rady při psaní této diplomové práce. Dále děkuji Ing. Janu Urbanovi za odbornou konzultaci a technickou podporu a také rodině, kamarádům a přítelovi za psychickou a finanční podporu mého studia.
5
Abstrakt
Cílem diplomové práce je in-line rozměrová kontrola kvality s využitím CMM a jednoúčelových měřicích stanic. První část se zabývá souřadnicovou měřicí technikou a postupem měření na souřadnicových měřicích strojích. Dále popsáním senzorů, které se využívají pro in-line metrologii a jejich zabudováním do jednoúčelových měřicích stanic. V hlavní části je popis časové a prostorové struktury ve Škoda Auto v Mladé Boleslavi. Následuje návrh automatizace přepravy dílů do měrového střediska.
Klíčová slova
Souřadnicové měřicí stroje, snímače využívané pro měření ve výrobních procesech, měřicí stanice, vizuální inspekce, časová a prostorová struktura, automatizace přepravy
Abstract
The aim of Engineer Thesis is in-line dimensional quality control using CMM and dedicated one-purpose measuring stations. The first part researches coordinate measuring technology and measuring methodology for coordinate measuring technology. Description of sensors, which are used for in-line metrology and their imbedding to dedicated one-purpose measuring stations.
The main part is description of time and dimensional structure in Škoda Auto in Mladá Boleslav.
The following part is an automatization design of transport of parts into the measuring center.
Keywords
Coordinate measuring machines, sensors used for measuring in manufacturing processes, measuring station, visual inspection, time and space structure, shipping automatization.
6
Obsah
Seznam zkratek ...8
1 Úvod ...9
2 Moderní trendy v oblasti rozměrové kontroly ... 10
3 Souřadnicová měřicí technika ... 11
3.1 Postup měření na CMM ... 12
3.1.1 Analýza výkresové dokumentace ... 12
3.1.2 Volba upnutí ... 12
3.1.3 Konfigurace snímacího systému... 13
3.1.4 Kalibrace snímacího systému ... 14
3.1.5 Stanovení souřadného systému ... 14
3.1.6 Extrakce bodů ... 15
3.1.7 Výpočet geometrických prvků... 16
3.1.8 Vyhodnocení charakteristik ... 16
3.2 Konstrukce CMM ... 16
4 In-line metrologie ... 18
4.1 Měření ... 19
4.2 Kontrola ... 19
4.3 Snímače využívané pro měření ve výrobních procesech ... 19
4.3.1 Snímače na principu vířivých proudů ... 20
4.3.2 Kapacitní senzory ... 22
4.3.3 Konfokální snímače ... 24
4.3.4 Pneumatické snímače ... 26
4.3.5 Induktivní snímače ... 27
4.3.6 Laserové skenovací mikrometry ... 29
4.3.7 Triangulační laserový snímač ... 32
4.3.8 Kamerové snímače ... 36
4.4 Měřicí stanice ... 37
4.5 Vizuální inspekce ... 43
4.5.1 Kontrola barev ... 44
4.5.2 Detekce povrchových vad ... 44
4.5.3 Detekce teploty ... 44
5 Analýza současného stavu měrové laboratoře ve Škoda Auto a návrh automatizace přepravy dílů ... 45
5.1 Stanovení časové struktury ... 45
7
5.1.1 Čas temperace jednotlivých dílů ... 46
5.1.2 Vyhodnocení časů pro jednotlivé díly ... 48
5.2 Analýza času měření vybraného výrobního představitele ... 61
5.2.1 Analýza měřených charakteristik ... 62
5.2.2 Upnutí součásti... 62
5.2.3 Vyrovnání ... 62
5.2.4 Definování bezpečnostního kvádru ... 63
5.2.5 Konfigurace snímacího systému... 63
5.2.6 Měření vybraných charakteristik ... 65
5.2.7 Optimalizace vybraných elementů... 66
5.2.8 Hodnocení programu ... 68
5.3 Stanovení prostorové struktury ... 68
5.4 Návrh automatizace přepravy dílů do měrového střediska ... 71
5.4.1 Současný stav dopravy dílů ... 71
5.4.2 Návrh pro automatizaci přepravy dílů ... 72
5.4.3 Typy navigace vozíků ... 75
5.4.4 Řídící a monitorovací systémy ... 77
5.4.5 Předpokládaná návratnost ... 77
6 Závěr ... 79
Zdroje ... 81
Seznam obrázků ... 88
Seznam tabulek ... 90
Seznam grafů ... 92
Seznam příloh ... 93
8
Seznam zkratek
CMM Coordinate Measuring Machine (Souřadnicový měřicí stroj) CAD Computer Aided Design (Konstruování podporované počítačem) 3D Three-dimensional space (Trojrozměrný prostor)
PLC Programmable Logic Controller (Programovatelný logický automat) AGV Automated guided vehicle (Automaticky řízená vozidla)
PNG Portable network graphics (Přenosná síťová grafika)
9
1 Úvod
Kontrola vyrobených dílů je nezbytnou součástí výrobního procesu ve firmách. V dnešní spotřební době je nutné vše zrychlovat a tento trend se nevyhnul ani měření dílů. Se zvyšujícími se nároky na kvalitu výroby, roste tlak na zkracování zpětné vazby kontrolou kvality a samotným výrobním procesem, aby rozpracovanost výroby byla, co nejmenší. Už nestačí měření v měrových laboratořích, měření se přesouvá k výrobní lince, in-line měření, měření probíhá za pomocí senzorů pro jednoduché rozměry. Díky in-line metrologii jsme schopni chybu odhalit hned po dokončení operace jednotlivých dílů, což ušetří peníze, čas a materiál. Pro složitější měření jako je souosost válců nebo kolmost určitých charakteristik jsou CMM nezbytné.
V první části jsou popsány moderní trendy v oblasti rozměrové kontroly. Kontrolu kvality lze zajistit měřením v měrové laboratoři, in-line a at-line měření. Dále je charakterizována souřadnicová měřicí technika. Následuje popis in-line metrologie a zároveň jsou popsány i snímače, které mohou být použity pro in-line měření. Tyto snímače se skládají podle požadavků zákazníka do měřicí stanice.
Hlavní částí diplomové práce je analýza současného stavu měrové laboratoře ve Škoda Auto v Mladé Boleslavi a návrh automatizace přepravy dílů do měrové laboratoře. Nejdůležitější pro možnou automatizaci měrové laboratoře je analýza časové náročnosti, aby při zavádění bezobslužné kontroly bylo vše v pořádku a nedocházelo ke kolizím. Podstatné je zaznamenat všechny časy, které by mohly ovlivnit bezobslužnou kontrolu. Čas temperace dílu je také nedílnou součástí analýzy, díly nemohou být měřeny, dokud jsou teplé. Proto je čas temperace důležitý. Nejen časy činnosti pracovníka jsou důležité a z pohledu časové náročnosti jsou v porovnání s časem samotného měření zanedbatelné. Proto jsem u vybraného dílu optimalizovala rychlost měření u kruhových drah. Dispoziční řešení budoucího automatizovaného měrového střediska musí vycházet ze současného stavu, proto jsem se rozhodla tomuto tématu věnovat. Automatizace by se neměla soustředit jen na samotné středisko, ale i na zavážení dílů do laboratoře a odvážení dílů z laboratoře. V poslední části této diplomové práce jsem popsala tento problém a navrhla možná řešení automatizace.
10
2 Moderní trendy v oblasti rozměrové kontroly
V novém výrobním konceptu se měřicí a kontrolní technologie stávají nástrojem řízení inteligentní výroby. To je možné jen tehdy, když je díl vyráběn a současně měřen. Pomocí měřicích přístrojů lze vytvořit most mezi virtuálním světem, kde se plánuje a simuluje výrobní proces, ve kterém může nastat neočekávaná situace. Zpětná vazba nám pomáhá zabránit výrobě zmetků. Proto je důležité pro jednotlivé výrobní řetězce zvolit vhodnou měřicí technologii. Buď zvolit přesné měření v laboratoři nebo rychlé měření přímo ve výrobním procesu.
Dříve bylo standardní, že měřicí technologie pracovala nezávisle na výrobním procesu, ale požadavky na in-line metrologii jsou stále náročnější. V současné době se 100% kontrola používá například při výrobě karoserií automobilů nebo kritických komponentů vstřikovacích systémů motoru. Odstranit chyby dříve, než k nim dojde je možné díky získávání a vizualizaci dat v reálném čase. Detekce anomálií je důležitá pro rychlou reakci na vznikající problém a jeho odstranění dříve, než dojde k výrobě zmetků. Tento typ kontroly je ovšem velice náročný z hlediska požadavků na vysokou přesnost a rozlišení měřicích technologií, které musí odolávat i výrobnímu prostředí, teplotním výkyvům a prachu. Tyto parametry zatím splňuje použití senzorů, které jsou schopné zkontrolovat celé karoserie automobilů nebo jejich podsestavy, na průmyslových robotech.
Mezi plným měřením na lince a měřením v laboratoři existuje ještě jeden typ měření, který se nazývá at-line. At-line měření slouží jako podpůrný systém ve výrobě. Realizace at-line měření spočívá ve vložení „výhybky“ do výrobního procesu. Takt měření je zpravidla pomalejší než výrobní takt. Ve velmi krátkém čase se tak dají zkontrolovat vyrobené díly bez ztráty času na dopravu dílů do měrové laboratoře, temperaci dílu atd. Problémem u at-line měření je, že se nedají na 100 % vyloučit zmetky.
Velké množství metod rychlých měření ve výrobě spočívá v porovnání s referenčními hodnotami, které se získávají z výstupů z měrových laboratoří.
Rozvoj všech tří metod v budoucnosti je velmi důležitý pro možnosti zvýšení efektivity oproti dnešní době. [1]
11
3 Souřadnicová měřicí technika
Souřadnicové měřicí stroje (Coordinate Measuring Machines – dále jen CMM) jsou jedny z nejpoužívanějších metrologických nástrojů v oblastech průmyslového odvětví, kde se staly nepostradatelnou součástí výrobního procesu. CMM jsou ručně, nebo s pomocí počítače, ovládaná elektromechanická zařízení. Pro svou flexibilitu, univerzálnost a přesnost jsou jedněmi z nejrychleji se vyvíjejících měřicích prostředků. Díky svým rozsáhlým možnostem využití a praktičnosti je CMM cenově výhodné zařízení, které dokáže rychle posbírat potřebná data a vyhodnotit je, na rozdíl od jiných měřicích procesů. CMM je praktické zařízení, díky propracovaným kontaktním a bezkontaktním sondám ve vztahu s počítačovým zpracováním.
V posledních letech patří CMM mezi špičku v kontrole kvality. Toto postavení je dáno zejména vysokou produktivitou a flexibilitou kontrolního bodu výroby. CMM dělíme na kartézské a nekartézské uspořádání. [2] [3] [4]
Obrázek 1 - CCM s kartézským uspořádáním, 1 - osa x, 2 - osa y, 3 - osa z, 4 - konfigurace snímačů, 5 - snímací hlava, 6 - ovládací panel, 7 - řízení stroje, 8 - základna stroje, 9 - stůl pro umístění součásti [5]
12
Obrázek 2 - CMM s nekartézským uspořádáním [6]
3.1 Postup měření na CMM
Před samotným měřením je důležité prostudovat výkresovou dokumentaci. Dále zvolit vhodné upnutí. Na základě upnutí zvolit konfiguraci a kalibraci snímacího systému, stanovení základního souřadného systému, extrakce bodů a následné vyhodnocení změřených geometrických prvků a charakteristik.
3.1.1 Analýza výkresové dokumentace
Analýza výkresové dokumentace je nezbytná pro měření na souřadnicovém měřicím stroji.
Díky této analýze se volí vhodné upnutí dílu, konfigurace snímacího systému, dají se určit základny pro kontrolu charakteristik a vyrovnání souřadného systému, ve kterém se bude měřit.
[3]
3.1.2 Volba upnutí
Z výkresové analýzy se volí vhodné upnutí součásti tak, aby se daly změřit všechny kontrolované charakteristiky. V některých případech se může stát, že se musí vyrobit speciální přípravek pro upnutí dílu. Je také důležité prověřit, jestli upnutí nedeformuje danou součást, což by znehodnotilo měření. Zvolení vhodného upnutí je proto velmi problematické. Dají se využít jednoúčelové přípravky, svěráky, různé upínky a další. Konfigurace snímačů je také ovlivněna volbou upnutí.
13
3.1.3 Konfigurace snímacího systému
Jednou z částí CMM je snímací systém. Pomocí nasnímaných bodů se získá numerický obraz dílu, který se porovnává s CAD modelem. Snímací systém se skládá z několika částí: snímací hlava, prodloužení snímací hlavy, snímací dotek a prodloužení snímacího doteku, ten umožní kontakt mezi sondou a měřeným dílem, dojde k sepnutí v mechanismu sondy. Tím vznikne signál, kterým se zaznamená měřený bod součásti. Nejdůležitějšími vlastnostmi u měření dotekem je tuhost snímacího systému a dokonalý tvar kuličky. Podle složitosti součásti a materiálu se volí vhodný tvar a rozměr doteku (Obrázek 3). Pro co možná nejvyšší přesnost by se měl volit co nejkratší dotek, aby nedocházelo k průhybu snímače. Dále také co nejmenší počet nástavců pro prodlužování, protože může docházet ke zmenšení přesnosti měření. U kuličky by se měl volit co možná největší průměr, protože se zvětšuje i průměr stopky doteku a tím se zvyšuje i tuhost doteku. [3]
Obrázek 3 - Rozměry doteku [3]
Jedním z faktorů, které mohou ovlivnit měření je volba materiálu kuličky. U většiny měření se volí rubínová kulička. Najdou se ale i případy, kdy je vhodnější jiný materiál než rubín. Jedním z takových případů je výkonné skenování dílů vyrobených z hliníkových materiálů. Při použití rubínové kuličky dochází k adheznímu otěru, hliník se usazuje na povrchu kuličky. Pro tento případ je vhodnější použít nitrid křemíku. Dalším případem kdy nepoužívat rubínovou kuličku je skenování litinového povrchu. U rubínové kuličky může dojít k opotřebení povrchu otěrem při vzájemném působení obou materiálů. V takové situaci je vhodnější zvolit oxid zirkoničitý.
Nejpřesnější měření nabízí kulička vyrobená z diamantu. Díky extrémní tvrdosti diamantu a hladkému povrchu kuličky je opotřebení třením na minimální hranici. Diamant je vhodný pro měření všech materiálů včetně hliníkových součástí. [3]
Samozřejmě i vhodný materiál stopky neboli dříku je důležitou součástí přesného měření. Pro kuličku s průměrem 2 mm nebo s větším a délkou dříku do 30 mm poskytuje optimální poměr tuhosti a hmotnosti takový, který je vyrobený z nemagnetické nerezavějící oceli. Porovnatelnou tuhost s ocelí má keramika, vhodná pro kuličky nad 3 mm a délkou dříku nad 30 mm. Při kolizi ochrání sondu, protože stopka se při kontaktu rozbije. Vynikající tlumení vibrací a zanedbatelný
14
koeficient tření poskytuje stopka vyrobená z uhlíkového vlákna, která je vhodná pro vysoce přesné sondy založené na tenzometrickém řešení. [3]
Dalším faktorem je typ doteku. Nejjednodušším tvarem je stopka s přesnou kuličkou. Pro snímání složitých prvků nebo otvorů využijeme hvězdicový dotek. V takovém případě je ke střednímu dílu pevně připevněno 4 až 5 snímačů s kuličkami. Pro snímání zápichů nebo drážek, do kterých se nemůže snímač dostat s hvězdicovým dotekem se využívá diskový dotek. Pro měření se využije malá část povrchu obdobně jako u měření s velkým průměrem. [3]
3.1.4 Kalibrace snímacího systému
Kalibrace je potřebná při každém zapnutí stroje nebo změně snímacího systému, aby se zajistilo přesné měření. Postupně se snímač se všemi použitými dotyky dotýká referenčního bodu. Pro referenci se využívá přesně vyrobená koule, u které známe průměr, nazývá se kalibrační koule (Obrázek 4). Do libovolné části CMM se umístí kalibrační koule a její rozměry se zapíšou do měřicího softwaru. Potom se provede měření koule pomocí 4 bodů, které leží na rovníku a pátý bod leží na vrchlíku. [8] [9]
Obrázek 4 - Kalibrační koule [7]
3.1.5 Stanovení souřadného systému
V pracovním prostoru měřicího stroje je důležité určit polohu a orientaci součásti. Jedná se o určení lokálního souřadného systému na součásti. Z mechanického hlediska se dá říct, že se jedná o převedení souřadného systému součásti do souřadného systému stroje. Těleso má 6 stupňů volnosti, které se mu musí odebrat například pomocí metod metoda 3-2-1, 3D připasování, RPS metoda nebo metoda P6. [10]
15
3.1.6 Extrakce bodů
Kontrolované součásti se mohou rozdělit do dvou skupin z pohledu souřadnicového měření.
Součásti, které jsou tvořené obecnými tvarovými plochami patří do první skupiny. Plochy těchto součástí se dají definovat matematickým předpisem. Můžeme sem zařadit plastové komponenty nebo lopatky turbín. Pro tyto součásti se vyhodnocují tolerance profilu čáry nebo tolerance profilu plochy.
Do druhé skupiny se řadí díly, které se skládají ze základních geometrických prvků (Obrázek 5). Do této skupiny se mohou zařadit bloky motorů nebo vstřikovací čerpadla. Na takovýchto dílech se měří a následně vyhodnocuje tolerance umístění, orientace, tvaru a házení.
Aby se daly určit tyto základní geometrické prvky musí být zaznamenán minimální počet bodů, kvůli přesnému definování a vyhodnocení. [3]
Obrázek 5 - Základní geometrické prvky [3]
Základem měření na CMM je určení základního bodu v prostoru a poloha dalších bodů se změří v osách x, y, z ze souřadnicových rozměrů. Bod je popsán v nepohyblivém kartézském souřadnicovém prostoru, který je pevně spojen s rámem stroje. Geometrické elementy se získají z jednotlivých změřených bodů. Z těchto získaných geometrických elementů se dají vyjádřit geometrické tolerance a rozměrové charakteristiky.[10]
16
3.1.7 Výpočet geometrických prvků
Po stanovení souřadného systému a získání bodů v nepohyblivém kartézském souřadném systému lze vyhodnotit geometrické prvky. Pomocí softwaru se zpracují vztahy mezi jednotlivými geometrickými prvky, jedná se např. o geometrickou odchylku polohy a tvaru nebo rozměry. Existuje více metod pro výpočet skutečných rozměrů např. pro kružnici se dá využít několik možností (maximální vepsaná kružnice, minimální opsaná kružnice, Gaussova metoda).
Maximální vepsanou kružnici lze pochopit jako maximální průměr náboje, do kterého lze vložit hřídel. Opsaná kružnice určuje minimální rozměr hřídele, na kterou lze nasunout náboj. [11]
3.1.8 Vyhodnocení charakteristik
Dochází k porovnání rozměrů a geometrických specifikací naměřeného dílu s CAD modelem.
Naměřené hodnoty se porovnají s konstrukčními požadavky na součástku. V protokolu z měření se porovnávají charakteristiky s požadavky na výkrese. Charakteristiky, které splňují dané podmínky jsou v protokolu v zeleném rámečku a nevyhovující v červeném rámečku. [12]
3.2 Konstrukce CMM
Konstrukce CMM ovlivňuje přesnost, flexibilitu, dobu cyklu nebo průchodnost a náklady na životnost. CMM se dají rozdělit na několik typů, které uvádím níže. [2]
Mostové CMM s pohyblivým portálem
CMM s pohyblivým portálem (Obrázek 6) patří mezi jedny z nejrozšířenějších konstrukcí. Má pevný stůl, na kterém leží měřený díl a pohyblivý portál. Při pohybu sloupů různými rychlostmi může dojít ke zkroucení portálu, což ovlivní přesnost měření součásti. Výhodou tohoto sestrojení je, že díky dvěma sloupům se zmenší ohybový účinek vodorovné osy. Toto CMM má malý až střední měřicí rozsah, který je omezen konstrukcí a má relativně malé nejistoty. [2]
Obrázek 6 - Mostové CMM s pohyblivým portálem [13]
17 Mostové CMM s pevným portálem
Jelikož je portál nepohyblivý, tak jednu osu pohybu zajišťuje chod stolu. Tato konstrukce eliminuje zkroucení portálu a poskytuje vysokou tuhost. Nevýhodou je nižší rychlost, kvůli posouvání těžkého stolu a dílů na něm, proto je maximální hmotnost měřeného dílu menší. Stůl je poháněn centrálně.[2]
Výložníkové CMM
Změnu směru pinoly zajišťuje pohyblivé výložníkové rameno. Jelikož stůl neobsahuje vodící lišty, tak se na něm můžou měřit poměrně těžké díly, aniž by to ovlivnilo přesnost měření. Díky otevřeným třem stranám stroje je měřený díl dostupnější. Toto CMM je vhodné zejména pro měření dlouhých a tenkých součástí. [2]
Sloupové CMM s vodorovným ramenem
Tyto stroje jsou vhodné pro měření mezi dalšími částmi výroby automobilových součástí nebo rozměrově podobných prvků. Měřicí rameno se posunuje po sloupu, který se pohybuje po stole CMM. Jednou z nejvyužívanějších možností této konstrukce je duální rameno, které je postavené na opačné straně, což umožňuje měření z obou stran dílu současně, díky čemuž se urychluje měření. Výhodou u těchto CMM je dostupnost ke všem stranám dílu. Nevýhodou je omezená přesnost. Konstrukce nám poskytuje možnost měření na jedné ose výrazně delší až o 25 000 mm než u zbylých dvou. [2]
Portálové CMM
Portálový typ CMM je vhodný pro větší objemy měření nad 10 m3 nebo relativně malé tolerance. Základem je masivní konstrukce pro omezení deformací, které by mohly způsobit narušení struktury. Výhodou je snadný přístup obsluhy ke všem částem ve svazku stroje. Mobilní část stroje má menší váhu, protože se pohybuje jen vodorovná osa, proto dosahuje normální přesnosti i pro velké objemy měření. [2]
18
4 In-line metrologie
In-line metrologie zajišťuje fungování měřidel použitých v průmyslu, ve výrobních a zkušebních prostorech. Zásadní je instalace odolné senzorové techniky, která musí být hlavně spolehlivá i v náročných prostorech výroby a bude schopna poskytovat data nepřetržitě.
Prostředí, ve kterém fungují obráběcí stroje není metrologicky vhodné. V posledních letech se velmi osvědčila laserová metrologie, která má nepatrný dopad na výrobu. Dotykové systémy začínají být vytlačovány optickými senzory, protože poskytnou mnohem více informací v kratším čase, např. se využívají při montáži kabin řidičů nákladních aut, avšak dotykové systémy se u některých aplikací nedají nahradit. Přímo na obráběcím stroji, po obrobení bez nutnosti přesunu do měrové laboratoře, lze rychle a jednoduše pomocí optických senzorů změřit tvar a geometrii na všech stranách a pak následně vytvořit protokol z měření. [14]
Procesy řízení kvality spadají do dvou odlišných prostředí:
1. Metrologické laboratoře, kde jsou díly kontrolovány off-line.
2. Kontrola součástí probíhá v rychle se pohybujících in-line procesech s použitím optických metod. [16]
Obrázek 7 - Měření v laboratoři (vlevo), měření ve výrobě (vpravo) [15]
Obě řešení mají vlastní postoj k zajištění kvality. Hlavním rozdílem mezi CMM a in-line metrologií je v rychlosti, přesnosti a komplexnosti kontrolovaných charakteristik. V podnicích jsou dopravníky a pohyby robotů optimalizovány tak, aby byl maximalizován produkční výkon.
Skenování součásti často probíhá v několika mikrosekundách. V in-line metrologii se vyžaduje bezkontaktní skenování cíle. Nejčastějším řešením pro digitalizaci jsou laserové triangulační a strukturované světelné 3D senzory. Pro statické části se využívá strukturované světlo, lasery obvykle měří pohybující se části. Správná funkčnost těchto systémů zajišťuje kompaktnost a konstrukční řešení, jako utěsnění a pasivní chlazení, aby přístroje byly chráněny od podmínek ve výrobě. Pro kalibraci měřidla během provozu není prostor, proto je potřeba, aby před samotnou
19
instalací a spuštěním výroby byla měřidla zkalibrována tak, aby přesnost vydržela spoustu let.
[16]
Hlavní není 100% kontrola kvality celého povrchu dílu, ale skenování určitých charakteristik každého dílu na výrobní lince. Nejlepší postup k dosažení tohoto cíle je in-line kontrola, která vyžaduje jak přesnost metrologické kvality, tak i bezkontaktní vysokorychlostní kontrolní schopnosti. Do in-line metrologie patří skenování, měření a kontrola – vše probíhá in-line, zatímco se součást pohybuje. Vysoce detailní 3D model získáme naskenováním bezkontaktních optických metod, které nám poskytnou dostatečné rozlišení pro měření kritických vlastností.
[16]
4.1 Měření
Uživatel je pomocí vestavěných měřicích nástrojů schopen nastavit, které parametry jsou potřebné pro kontrolu, ať už se jedná o průměr díry, výšku, úhel nebo vztah mezi jednotlivými elementy součásti. [15] [16]
Možnost měření je v reálném čase s minimálním zpožděním mezi získáním dat a vizualizací, což je vhodné pro továrny, které mohou nepřerušeně plnit cílové hodnoty. [15] [16]
4.2 Kontrola
Podle porovnání naměřených dat a požadavků je kontrola konečným krokem komunikace s továrními stroji. Buď se jedná o aktivaci odmítnutí, třídění hardwaru nebo k odeslání údajů o měření dílu přes tovární síť. Vestavěné tovární protokoly podporují přímou komunikaci přes tovární síť s PLC roboty. [16]
4.3 Snímače využívané pro měření ve výrobních procesech
Snímače jsou nedílnou součástí in-line metrologie, s jejich pomocí se chyby dají odhalit snadněji. Oproti měření s dotykovými snímači nehrozí ovlivnění měření průhybem snímače, opotřebením snímače nebo deformace dílu při dotyku. Bezdotykové snímače nedetekují skutečnou součást, jen vytvoří její aproximaci, nedají se využít pro složitější součásti jako jsou vnitřní otvory nebo zápichy. Výhodou in-line měření je rychlost, snímání celého povrchu a skenování zahřáté součásti.
Dále jsem zpracovala přehled jednotlivých typů senzorů, které je možné využívat. Popsala jsem principy fungování, vhodné aplikace, měřicí rozsahy a přesnost snímačů na principu vířivých proudů, kapacitních, konfokálních, pneumatických, induktivních, triangulačních laserových, kamerových snímačů a laserových mikrometrů.
20
4.3.1 Snímače na principu vířivých proudů
Snímače vířivých proudů detekují blízkost vodivých předmětů snímáním rozdílů magnetického pole vytvářeného referenční cívkou. Informace o generování a zjišťování polí jsou poskytovány v rozmezí kHz až MHz. Snímače jsou velmi vhodné pro aplikace, u kterých se požaduje vysoká přesnost i v horších podmínkách průmyslu jako jsou prach, tlak a teplota. Dají se také využít ve vysokorychlostních procesech, u kterých se objevuje oscilace i vibrace při maximální frekvenční odezvě. [17] [18]
Snímače vířivých proudů mohou detekovat polohu vodivých objektů s vysokým rozlišením.
Na čelní straně snímače se nachází cívka, která slouží ke generování střídavého magnetického pole. Při přiblížení vodivého objektu k magnetickému poli se v objektu vytvoří vířivé proudy. Na opačné straně magnetického pole, na čele senzoru, jsou indukovány vířivé proudy protilehlého magnetického pole, které berou potenciál ze snímače. Toto destruktivní rušení se využívá pro výpočet polohy cíle. Signální odezva na polohu cíle má vysokou linearitu. [18] [20]
Obrázek 8 - Princip vířivých proudů [19]
U snímačů s vířivými proudy najdeme výhody jako jsou tolerance špinavého prostředí a vysoké rozlišení. Na materiál v mezeře mezi sondou a cílem nejsou citlivé. Při velké vzdálenosti mezi senzorem a měřeným objektem nejsou snímače vířivých proudů moc vhodné. [20] [21]
21 Použití snímačů s vířivými proudy:
Senzory s vířivými proudy jsou užitečné všude, kde se vyžaduje měření nebo sledování polohy vodivého cíle, hlavně ve znečištěném prostředí. Výstupy snímačů ukazují velikost mezery mezi sondou snímače a měřeným objektem. Měření dynamiky pohybujícího cíle vyžaduje určité bezkontaktní měření. Můžou se také využít na monitorování hnací hřídele nebo měření vibrací.
[20]
Obrázek 9 - Měření polohy (vlevo), měření vibrací (vpravo) snímačem vířivých proudů [20]
Také se používají pří odlévaní hliníkových výlisků do formy. Při lití tekutého hliníku do formy při vysoké rychlosti a pod vysokým tlakem, který působí na uzavřenou formu a tlačí ji od sebe, což způsobuje otřepy. Snímače měří změnu vzdálenosti forem od sebe. I přes vysoké teploty, okolní tlak a nečistoty jsou snímače schopné spolehlivého měření. [22]
U kotoučové spojky se měří axiální, radiální nebo tangenciální průhyb. Tyto snímače jsou určeny pro náročné okolní podmínky a díky své kompaktní velikosti se mohou vestavět do instalačně omezených prostorů. [23]
Pro měření výšky pájené vlny, což je jedno z nejdůležitějších kritérií při pájení plošných spojů desek na pájecím stroji, se využívají snímače na principu vířivých proudů. [24]
Dveře u letadla se před odletem uzamykají centrálně, snímače detekují koncovou polohu přímo na zámku dveří. [25]
22 Příklady snímačů vířivých proudů:
EddyNCDT a ELC202
Obrázek 10 - Snímač vířivých proudů EddyNCDT [17]
Tabulka 1 - Technické parametry vybraných snímačů vířivých proudů [17] [20]
Technické parametry EddyNCDT 3001 ECL202
Měřicí rozsah 2-8 mm 0,25-15 mm
Rozlišení max. 4 μm max. 1 μm
Linearita 28 μm 0,2 % rozsahu
4.3.2 Kapacitní senzory
Snímače měří délku, odstup nebo polohu proti všem vodivým předmětům. V průmyslu a laboratořích se využívají hlavně díky vysoké stabilitě signálu a rozlišení až v desetinách μm.
Tyto snímače se často používají v čistých prostorách nebo ve vakuovém prostředí. [26]
Princip kapacitního měřicího systému (Obrázek 11) tvoří snímač a měřicí desky ideálního kondenzátoru. Pokud střídavý proud protéká kondenzátorem senzoru při konstantní frekvenci a amplitudě, pak je amplituda střídavého napětí na senzoru úměrná vzdálenosti od snímače.
Systém kapacitního měření je jako elektromagnetický proces, který měří všechny kovy se stabilní citlivostí a linearitou. Můžeme jimi měřit i izolační materiály. [26] [27] [28]
Obrázek 11 - Princip měření [27]
23
Mezera mezi snímačem a cílem musí být čistá, protože je detekováno dodatečné dielektrikum v mezeře, což narušuje výsledky měření. Způsobilost rozlišení je pod jedním nm, proto jsou kapacitní snímače jedním z nejpřesnějších měřicích systémů na trhu. Nejčastěji se používají pro přesné a stabilní výsledky měření vibrací, deformací a tloušťky. [26] [27] [28]
Použití kapacitních snímačů:
Lze je využít u bezkontaktní kontroly proměnlivé tloušťky brzdových kotoučů. Měření se provádí na zkušebních lavicích nebo v autoservisu pomocí kapacitních snímačů, které nám určí tloušťku brzdného kotouče z obou stran. [22]
Obrázek 12 - Měření brzdových kotoučů [28]
Kapacitní snímače se využívají i u přesného měření tloušťky křemíkových destiček. Tloušťka se měří pomocí dvou protilehlých snímačů, také se nimi zaznamenávají další parametry jako je deformace. [29]
Kapacitní snímače se dají také využít v energetických technologiích pro měření mezery mezi statorem a rotorem pro sledování chování v generátoru. I přes vysoké teploty a elektromagnetická pole mohou kapacitní snímače poskytnout vysokou přesnost. [23]
Příklady kapacitních senzorů:
CapaNCDT
Obrázek 13 - Snímač CapaNCDT [26]
24
Tabulka 2 - Technické parametry vybraných kapacitních senzorů [26]
Technické parametry CapaNCDT 6110 CapaNCDT6 6200
Měřicí rozsah 0,05-10 mm 0,05-10 mm
Rozlišení max. 0,005 μm 0,2 nm
Linearita max. 0,025 μm 0,01 μm
4.3.3 Konfokální snímače
Konfokální snímače, u kterých světelný zdroj vyzařuje současně červené a zelené světlo, se používají pro rychlé měření tloušťky a vzdálenosti. Oproti bílému světlu mají výhodu, že světlo emitované tímto zdrojem je stabilnější a má větší jas v širokém rozsahu vlnových délek. Díky různým druhům provedení snímačů a kontrolérů se můžou využít i jinde např.: ve sklenářství, v polovodičovém, plastovém průmyslu a medicíně. Díky konfokálnímu chromatickému principu měření se dá posunutí a vzdálenost měřit s vysokou přesností i na odrazivých a reflexních površích. Ke stínovým efektům nedochází díky axiální dráze paprsku. Snímače s radiálním provedením můžeme využít na měření geometrických vlastností uvnitř otvorů nebo na těžko přístupných místech. [30] [32]
Konfokální snímače můžeme využít i pro měření transparentních materiálů díky chromatickému principu měření. Pouze s jedním snímačem jsme schopni změřit tloušťku s přesností na jeden μm. Pomocí webového rozhraní můžeme přizpůsobit typické parametry pro některé materiály. Změřit vícevrstvé objekty až šesti rozhraními se nazývá vícevrcholové měření, jinými slovy multi-peak. Díky webovému rozhraní není potřeba žádný další software. Přes Ethernet se dá dostat na webové rozhraní, které nám umožní nastavení a možnosti konfigurace.
[30]
Na cílový povrch je vícebarevným optickým systémem zaměřeno polychromatické bílé světlo.
Čočky (obrázek 14) jsou uspořádány tak, aby bylo bílé světlo řízené chromatickou odchylkou a bylo tak rozptýleno do monochromatických vlnových délek. Pro měření se využívá jen ta vlnová délka, která je zaměřena na měřený objekt. Světlo, které se od toho objektu odrazí, je zobrazeno pomocí optického uspořádání na senzorovém prvku, který je citlivý na světlo, a následně se vyhodnotí příslušná spektrální barva. V případě vícevrcholového měření je odpovídajícím způsobem vyhodnoceno několik vzdáleností. [31]
25
Obrázek 14 - Princip měření konfokálního snímače [31]
Použití konfokálních snímačů:
Nejčastěji je najdeme u měření tloušťky destiček, kontroly trhlin, ohybu a zvlnění desek nebo tloušťky naneseného těsnění nebo lepidla. [30] [32]
Obrázek 15 - Měření zakřivení čočky [33]
Konfokální snímače se používají pro měření zakřivení čoček u brýlí nebo u objektivu.
Vlastnosti povrchu se zjišťují na základě hodnot vzdáleností. Velký úhel náklonu umožňuje senzorům detekovat i vysoce zakřivené povrchy. Lze měřit i vzdálenost mezi objektivy s automatickým ostřením, tím se zvýší kvalita obrazu. [33]
26 Příklady konfokálních snímačů:
ConfocalDT a CL-L007
Obrázek 16 - ConfocalDT snímač [30]
Tabulka 3 - Technické parametry vybraných konfokálních snímačů [30] [34]
Technické parametry ConfocalDT IFS2402 CL-L007
Měřicí rozsah 400 µm-3,5 mm ± 1,5 mm
Rozlišení 0,016 µm 0, 25 µm
Linearita 0,3 µm ± 2,1 µm
4.3.4 Pneumatické snímače
Už dlouhou dobu se, jak v měřicích laboratořích, tak i ve výrobě osvědčují pneumatické snímače, které nám umožňují bezkontaktní měření. Na vyhodnocovacích přístrojích jsou zpracovávány naměřené hodnoty z jednoho nebo více snímačů. [35]
Tyto snímače využívají poměr mezi změnou tlaku a vzdáleností měřicích trysek od obrobku.
Určí se rozdíl tlaku mezi dvěma tlakovými komorami. Při dodávání konstantního tlaku do komor (trysek) se obrobek přiblíží k druhé komoře (měřicí trysce) a dojde ke změně tlaku, který je měřitelný a určí se odchylka od jmenovité hodnoty. Obě komory lze připojit na dva výstupy vyhodnocovací jednotky. Vyhodnocovací jednotka musí být opatřena jednotkou úpravy vzduchu s konstantním tlakem, lze ji připojit na standartní vzduchové rozvody s tlakem od 3,5 bar do 10 bar. Vzduchové filtry by měli být také připojeny. Vzduch, který se využívá k měření musí být suchý a bez olejů. [35]
K vyhodnocovací jednotce můžeme připojit jeden měřicí snímač např.: pneumatický trn nebo kroužek. Vyhodnocovací jednotka automaticky rozpozná, o který měřicí prostředek se jedná.
[35]
27 Použití pneumatických snímačů:
Pneumatické snímače se dají použít na měření různých součástí např.: pro měření tloušťky, tloušťky stěny, průměru obvodu, přímosti válcového otvoru speciálním trnem, vnitřního kuželu pomocí speciálního trnu a další aplikace. [35]
Obrázek 17 - měření průměru válcové hřídele (vlevo), párování otvoru a hřídele (uprostřed), měření průměru slepých děr (vpravo) [35]
Příklad pneumatických snímačů:
Millimar 6002
Obrázek 18 - Pneumatický trn pro průchozí otvory Millimar 6002 [35]
Tabulka 4 - Technické parametry Millimar 6002 [35]
Technické parametry Millimar 6002
Měřicí rozsah 25-100 µm
Minimální délka otvoru 4,75 mm
4.3.5 Induktivní snímače
Induktivní snímače vyčnívají díky jejich robustnosti a spolehlivosti v drsných podmínkách.
Nabízejí teplotní stabilitu, odolnost proti vibracím a rázu, vysokou kvalitu signálu a také odolnost proti špíně a vlhkosti, proto jsou často
využívány v těchto průmyslových podmínkách. Lze je použít v různých aplikacích např.: automatizaci, testovacích soupravách i v automobilovém průmyslu. [36]
Výhodou je vysoká linearita v celém rozsahu měření, silný výstupní signál a odolnost proti rušivým elementům. Kabel a tělo sondy se dají jednoduše oddělit pro snadnou výměnu. [36]
28
Snímače jsou konstruovány s primárním a dvěma sekundárními cívkami, které jsou uspořádány k primárnímu vinutí. V závislosti na poloze jádra jsou ve dvou sekundárních vinutích indukovaná střídavá napětí. Nachází-li se jádro ve své „nulové pozici“, tak je spojení primární a obou sekundárních cívek stejně velké. Pohyb jádra uvnitř magnetického pole cívky způsobí vyšší napětí v jedné sekundární cívce a nižší napětí ve druhé sekundární cívce. Rozdíl mezi oběma sekundárními napětími je úměrný posunutí jádra. [37]
Obrázek 19 - Měřicí senzor [37]
Použití induktivních snímačů:
Dají se použít u měření tloušťky, obvodového a čelního házení, kontroly tvaru klínů nebo kontroly soustřednosti dvou průměrů hřídele. [35]
Obrázek 20 - Měření tloušťky (vlevo), měření obvodového házení (uprostřed), kontrola tvaru klínu, kuželů (vpravo) [35]
Díky induktivnímu snímači polohy lze vypočítat během plnění a odstřeďování pračky vychýlení bubnu. Z těchto získaných dat lze určit správné množství pracího prostředku. Rychlost odstřeďování je přizpůsobena zjištěnému vychýlení. Snímač je zabudován do tlumiče tření. [38]
Příklady induktivních snímačů:
Induktivní snímač MSC7401
Obrázek 21 - Induktivní snímač MSC7401 [38]
29
Tabulka 5 - Technické parametry MSC7401 [38]
Technické parametry MSC7401
Měřicí rozsah ± 5 mm
Linearita 30 µm
Rozlišení přibližně 1,2 µm
4.3.6 Laserové skenovací mikrometry
Tyto mikrometry nabízejí bezkontaktní měření průměru drátů, tyčí a válců a jiných rozměrových charakteristik geometrických objektů. Při měření se dosahuje vysoké přesnosti měření a určení polohy součásti pomocí principu „stínového měření“. K přijímači je přeneseno kolimované laserové světlo přes objektiv systému měření. Pokud leží ve světelné dráze objekt, tak je paprsek přerušen. Stínování generované tímto objektem je zaznamenáno přijímacím optickým systémem. Vysoce kvalitní komponenty v přijímači, filtry a čočky, pomáhají zvýšit přesnost snímače. [40]
Obrázek 22 - 1 Záření polovodičového laseru, 2 čočka, 3 pole CCD fotodetektoru, 4 procesor [41]
Obrázek 23 - Měření osy x (vlevo) a y (vpravo) [42]
Výsledky měření mohou ovlivněny drsností. Pokud se něco takového stane je nutné provést kalibraci pomocí referenčního obrobku, který je rozměrově, tvarově a drsností povrchu podobný
30
měřenému dílu. Pokud naměřené hodnoty mají vysoký rozptyl přidá se obvykle další skener, aby došlo k zprůměrování hodnot a ke zlepšení přesnosti měření. [39]
Tyto mikrometry se primárně používají jako součást výrobního procesu a řízení kvality výrobní linky, měření kontinuálního materiálu i jednotlivých dílů. Vysoká rychlost měření zajišťuje vysokou a kontinuální rychlost výroby. [40]
Použití laserových skenovacích mikrometrů:
U tisku dřeva s dekoracemi se využívají laserové mikrometry k ovládání polohy desky.
Snímače se snaží zabránit kolizi tiskové hlavy s deskou. Mikrometry měří přímo dřevo a monitorují nástroj. [39] [40]
Využívají se hlavně pro měření průměru, oválnosti a mezer mezi dvěma součástkami. [39]
Obrázek 24 - Měření vnějšího průměru válcových obrobků (vlevo), měření hrany, profilu a povrchu (uprostřed), měření velikosti obrobku (vpravo) [39]
Obrázek 25 - Měření mezery mezi obrobky (vlevo), měření osy x a y průměru, pozice a povrchu (vpravo) [39]
31 Příklady laserových mikrometrů:
Laserový skenovací mikrometr Portable
Obrázek 26 - Laserový skenovací mikrometr Portable [43]
Tabulka 6 - Technické parametry Portablu [43]
Technické parametry Portable
Měřicí rozsah 28 mm
Rozlišení 0,4375 μm
Opakovatelnost 3 μm
Doba odezvy 0,333 ms
Měřicí režimy hrana 1, hrana 2, průměr, mezera, střed
Laserový skenovací mikrometr Micro X-Y
Obrázek 27 - Laserový skenovací mikrometr Micro X-Y [44]
32
Tabulka 7 - Technické parametry Micro X-Y [44]
Technické parametry Micro X-Y
Měřicí rozsah 28 mm
Rozlišení 0,4375 μm
Opakovatelnost 3 μm
Doba odezvy 0,391 ms
Měřicí režimy hrana 1, hrana 2, průměr, mezera, střed
4.3.7 Triangulační laserový snímač
Laserové snímače polohy nabízejí vysokou přesnost měření a spolehlivé výsledky i v nepřetržitém průmyslovém provozu. Přes webové rozhraní můžou být nastaveny konfigurace snímačů a uloženy. Díky integrované kontrole je umožněna rychlá montáž a elektroinstalace.
Snímače dokážou měřit nejen matný, ale dokonce i lesklý povrch. Konvenční laserové modely s oválným laserovým bodem zvládnou odfiltrovat vyvolané rušení, proto je pro ně jednodušší měřit lesklé povrchy. Bezdotykový princip umožňuje měření bez opotřebení, protože senzory nejsou ve fyzickém kontaktu s měřenou součástí. [45] [46]
Princip spočívá v tom, že senzor pracuje s laserovou diodou, která vyzařuje viditelné světlo na cílovou součást. Světlo, které se odrazí je zobrazeno optickým přijímacím systémem na prvek citlivý na polohu. Při změně polohy se světelné skvrny optickým přijímacím systémem ukážou na přijímacím prvku a vyhodnotí se. Snímače se dělí od základních modelů pro snadné úkoly přes standardní modely pro úspornější laserová měření až po špičkové produkty pro rychlá měření s vysokým rozlišením a rozsahem měření od 0,5 mm až do 1 000 mm. [45]
Obrázek 28 - Princip měření Triangulačního laserového snímače [42]
33 Použití triangulačních laserových snímačů:
Dají se využít u měření předpínací oceli, řádků na deskách plošných spojů a vzdálenost vozidla od povrchu komunikace.
Obrázek 29 - Měření plošných spojů [46]
Detekce přítomnosti a přesné polohy je během tváření v lisovacích zařízeních velmi důležitá.
Proto se mezi razidly měří plech pomocí triangulačních senzorů. I přes vibrace, otřesy a olejovou vlnu je nutné dosáhnout vysoké přesnosti měření v těsných prostorách. Průměr laseru musí být malý kvůli malé měřicí mezeře. [22]
Při výrobě automobilu se prochází různými stanicemi ve výrobě, na kterých se provádí automatické kroky zpracování. Pro přesné umístění těla vozidla je důležité, aby několik laserových triangulačních senzorů změřilo a odeslalo údaje o poloze do řídící jednotky robota.
[22]
U pil, které jsou plně automatizované se musí určit poloha dřevěných desek před řezáním, aby bylo řezání přesné. Tyto snímače polohu desky detekují ze dvou stran. [30]
Obrázek 30 - Kontrola polohy desky [30]
34
Tyto lasery mají uplatnění i v energetické technologii, slouží pro měření pohybu věže větrné elektrárny. Díky vysoké rychlosti měření se dají detekovat vibrace a v závislosti na počtu snímačů lze provést podrobné hodnocení vibračního chování. [23]
Příklady triangulačních laserových:
Triangulační laserový snímač – TLE1
Obrázek 31 - TLE1 [47]
Tabulka 8 - Technické parametry vybraných triangulačních laserových snímačů [47]
Technické parametry TLE1-35-65 TLE1-58-122 TLE1-100-300
Měřicí rozsah vzdálenosti
35-65 mm 58-122 mm 100-300 mm
Rozsah měření výšky
17 mm v 35 mm 24 mm v 65 mm
23 mm v 58 mm 40 mm v 122 mm
30 mm ve 100 mm 90 mm v 300 mm
Doba odezvy 33,34 ms 33,34 ms 33,34 ms
Rozlišení vzdálenosti 1 μm 3 μm 6 μm
Výškové rozlišení 24 μm 40 μm 80 μm
Dlouhou dobu byl využíván triangulační laserový systém, protože vlnová délka červeného světla měla největší citlivost, ale u některých předmětů podléhalo světlo určitým omezením.
U těchto případů se dají využít snímače s modro-fialovým světlem, které umožňují měření konkrétních aplikací jako jsou vibrace na motorovém potrubí. Snímač s modrým světlem pracuje na vlnové délce 405 nm na rozdíl od červeného, který se pohybuje na opačném konci barevného spektra při vlnové délce 670 nm. Vlnová délka 405 nm je velmi blízká ultrafialovému záření. CCD prvky jsou citlivější na infračervené oblasti než ultrafialové, proto lze využít infračervené u více objektů. Pro některé objekty, ale nelze využít červený laserový senzor např.: žhavý kov vyzařující
35
infračervené záření ruší červený laserový senzor. Kolem teploty 700 °C je obtížné dosáhnout dobrých výsledků měření. Modré světlo poskytuje maximální vzdálenost od infračerveného záření a nedochází tak k rušení senzoru. Modré světlo nemá tak velký rozptyl na povrchu součásti jako červený laserový snímač. [48]
Pro účely řízení motoru je nezbytná celá řada měření. Teplota výfukových plynů se měří pomocí termočlánku uvnitř rozdělovače. Pro kontrolu připevnění je důležité zkontrolovat náchylnost k vibracím a mechanickou tuhost konstrukce. Zde lze využít místo červeného laserového snímače modrý. Díky krátké vlnové délce modrého světla nedojde k oslnění senzoru.
[48]
Použití triangulačních laserových snímačů s modrým laserem:
Pro spolehlivé, rychlé a důsledné měření velikosti otvorů karoserie se využívají laserové skenery s modrým laserem. Díky němu se dá měření provést na širokém výběru karoserií. [22]
Jako prevence vzniku koroze je důležitá aplikace nepřerušené a bezchybné antikorozní ochrany. Jelikož nanesená vrstva laku může být rozetřena jen v omezené tloušťce, tak je nezbytné odhalit otřepy před nanesením antikorozní ochrany a dalších vrstev laku. [22]
Snímač lze využít pro měření tloušťky plochého skla. [42]
Příklady triangulačních laserových snímačů s modrým světlem:
OptoNCDT
Obrázek 32 - OptoNCDT [49]
36
Tabulka 9 - Technické parametry vybraných triangulačních laserových snímačů s modrým laserem [49]
Technické parametry OptoNCDT 1700BL OptoNCDT 2300BL
Měřicí rozsah 20-1000 mm 2-50 mm
Linearita max. 16µm max. 0.6µm
Rozlišení max. 1.5µm max. 0.03µm
4.3.8 Kamerové snímače
Kamera zachytí snímky, které následně slouží k určení přímosti, orientace a přesnosti dílů.
Díky obsažení fotoaparátu, světla a řídící jednotky v jedné konstrukci je provoz jednoduchý. Mezi těmito senzory a jinými senzory pro obecné použití existují určité rozdíly. Díky širokému zornému poli je detekce možná i v případě, že cílová poloha není konzistentní. [50]
Kamerou zachycený obraz prochází čočkou a je převeden na elektrický signál pomocí prvku přijímajícího světla. Pro minimalizaci ztráty intenzity světla se zkoumá tvar reflektoru, díky tomu je osvětleno celé zorné pole. [50]
Tento senzor lze nainstalovat kamkoliv s minimálním omezením prostoru. Instalace není složitá jak do stávajícího zařízení, tak i do nově navrhovaného. [50]
Obrázek 33 - Kamerový snímač [50]
37 Použití kamerových snímačů:
Dá se využít k posouzení tvaru mezi přední a zadní částí součásti (Obrázek 34 vlevo), detekci závadného tlačítka (Obrázek 34 uprostřed), detekci přítomnosti přístrojové desky a k detekci modelu vozidla pomocí rozdílu gravírování (Obrázek 34 vlevo). [50]
Obrázek 34 - Ukázka využití [44]
Příklady kamerových snímačů:
Kamerový snímač IV-HG300CA
Obrázek 35 - Kamerový snímač IV-HG300CA [51]
Tabulka 10 - Technické parametry vybraných kamerových snímačů [51]
Technické parametry IV-HG300CA IV-HG600CA
Měřicí rozsah 40-300 mm 40-600 mm
Obraz – pixely 752x480 752x480
Teplota okolí 0-50 °C (bez zamrznutí) 0-50 °C (bez zamrznutí) Odolnost proti vibracím 10-55 Hz, dvojitá amplituda 1,5 mm, 2 hodiny v každém
směru x, y, z
4.4 Měřicí stanice
Na světě existuje celá řada výrobců automatických měřicích stanic např.: Marposs, Aeroel a další. V Česku patří mezi nejznámější Amest a Mesing.
38
Měřicí stanice sama o sobě není funkční, proto je důležité dodat potřebné snímače, více o snímačích v kapitole 4.3. Firmy uvedené výše tyto senzory zabudují do měřicích stanic tak, aby měření bylo co nejefektivnější. Tyto plně vybavené měřicí stanice lze zabudovat do výrobních linek pro mezioperační i konečné měření.
Kontrolní a měřicí stanice umožňují 100% mezioperační i konečnou kontrolu součástí. Lze s nimi změřit rozměry, předepsanou hmotnost, tvary a kvalitu opracování. Měřicí stanice se dají vybavit automatickým podáváním kontrolních součástí, speciálními snímači rozměrů, váhami a automatickým tříděním zkontrolovaných součástí podle zvolených parametrů. Do měřicího místa vložíme etalon a automaticky proběhne kalibrace. Čas pro kalibraci a vlastní měření jsou stejné. [52] [53]
Kontrola ozubení – Systém DEXTERA
Díky zdokonalení metody přesného měření „přes kuličky“ se dosahuje vysoké přesnosti, spolehlivosti a produktivity. Do všech zubových mezer kola nebo hřídele, které se otáčejí, zapadá měřicí dotyk. Zjištěné hodnoty se posoudí v řádu tisícin mm. Touto kontrolou zjistíme odchylku kruhovitosti roztečné kružnice, házení roztečné kružnice vůči středu kola nebo jiným plochám.
[54]
I při velkosériové výrobě se dá spolehlivě kontrolovat dodržení úzkého tolerančního pole všech kontrolovaných kol a včas určit chybné kusy z dalšího procesu výroby. [54]
Tabulka 11 - technické parametry Dextera [54]
Technické parametry
Přesnost roztečného průměru ±0,5 μm
Měření modulu 0,25-5 mm (u základní verze)
Automatická měřicí stanice pro kontrolu rozměrů skříně převodovky a spojky
Touto stanicí se dají měřit průměry otvorů nebo jejich rozteče ve skříni převodovky. Na měřicí stanici jsou dvě nezávislá zakládací místa, jedno z nich se používá pro kontrolu otvoru na straně víka převodovky a druhé slouží ke kontrole otvorů na straně spojkové příruby a na bocích skříně.
Po vložení dílu a zahájení měření obsluhou, zařízení pracuje automaticky. Měření je řízeno elektropneumaticky. Výsledkem měření je rozhodnutí, jestli je díl dobrý, opravitelný, či ne. [55]
39
Obrázek 36 - Automatická měřicí stanice pro kontrolu rozměrů skříně převodovky [55]
Jiným typem měřicí stanice jsme schopni změřit průměr otvorů a jejich rozteče ve skříni spojky. Zařízení pracuje na stejném principu jako měřicí stanice pro kontrolu skříní převodovek.
[55]
Tabulka 12 - Technické parametry pro měření skříně převodovky a spojky [55]
Technické parametry
Skříň převodovky Skříň spojky
Kontrola 19 parametrů skříně Kontrola 16 parametrů skříně Přesnost měření ±0,0001 mm Přesnost měření ±0,0001 mm
Automatická stanice pro měření přesných válcových ploch
Měřicí stanice pro kontrolu průměru, přímosti a válcovitosti díry trysky tvoří tuhá základová deska, na které je umístěno lineární vedení, jehož vozíkem pohybuje programem řízený krokový motor. Podle typu kontrolované trysky se upevní na vozík jeden z pěti výměnných upínačů, který se na vozík upevní čtyřmi šrouby. Samotné měření je uskutečněno dynamickým měřicím trnem, kterým se kontroluje vnitřní průměr trysky ve zvoleném počtu řezů a také kruhovitost a přímost.
Stůl s pracovní deskou, vyhodnocovací elektronikou a elektrorozvaděčem je součástí měřicí stanice. [56]
Tabulka 13 - Technické parametry pro měření přesných válcových ploch trysky [56]
Technické parametry
Kontrola vnitřního průměru (10 řezů) Od Ø4 + 0,002 mm
Kruhovitost 0,002
Přímost 0,002
40
Obrázek 37 - Tryska [56]
Pro kontrolu průměru, kuželovitosti, kruhovitosti a přímosti jehel trysek se používá jiná měřicí stanice. Lineární vedení je upevněno na stativu. Po vedení se pohybuje upínací stolek, na kterém je upevněn měřený díl – jehla. Pohon měřeného dílu a upínací mechanismus jsou umístěny na stolku. Dvě přestavitelná měřidla snímající údaje pro vyhodnocení v elektronickém systému jsou upevněna na rámu. Řízený krokový motor pohaní šroub, který posunuje stolek s upnutým měřeným dílem. [56]
Tabulka 14 - Technické parametry pro měření přesných válcových ploch jehly [56]
Technické parametry
Kontrola vnějšího průměru (10 řezů) Od Ø3 + 0,002 mm
Kruhovitost 0,002
Přímost 0,002
Válcovitost 0,002
Obrázek 38 - Jehla [56]
Vnitřní průměr šoupat se kontroluje dynamicky. Tato stanice slouží pro kontrolu vnitřních průměrů po honování. Po založení dílu probíhá měření na stativu automaticky. V této měřicí stanici nalezneme elektronický měřicí a vyhodnocovací systém, jednotku úpravy vzduchu a rozvaděč. Měřicí stativ se skládá ze základové desky, dynamického trnu se čtyřmi vyměnitelnými hroty, čtyřmi výměnnými upínacími soupravami pro daný typ rozměru s uchycením na lineárním vedení a také posuvným systém se třemi pneumatickými válci, které mají nastavitelné dorazy. Dvě tlačítka na stole slouží jako ovládání. [56]
41
Tabulka 15 - Technické parametry pro přesné válcové plochy šoupátek [56]
Technické parametry
Kontrola vnitřního průměru Od Ø4 + 0,0015 mm
Kruhovitost 0,002
Přímost 0,002
Rozměrová kontrola pastorků a hřídelí
Tato automatická měřicí stanice se dá využít k měření pro různé technologické operace jako házení, průměru, délek u hřídelí a pastorků. Po vložení dílu obsluha zahájí automatické měření.
Základová deska s lineárním vedením tvoří základ měřicího stativu. Lineární vedení slouží k přísuvu upínací rampy s obrobkem do měřicí polohy ke konzoli s měřicími jednotkami. Řídicí konzole je osazena paralelogramovými měřicími jednotkami pro kontrolu průměrů, délek a radiálních házení. Pro měření jsou použity indukční diferenciální snímače. [57]
Obrázek 39 - Automatická měřicí stanice pro kontrolu pastorků a hřídelí [57]
Měřicí automat pro měření, vážení, značení a třídění pístů
Automatická měřicí stanice je schopna v čase měřicího cyklu do 20 sekund kontrolovat teplotní kužel, válcovitost pístu, průměr otvorů pro pístní čep, kolmost osy těchto otvorů k osám pístu a kompresní výšku. Díky dynamickému měření je zajištěna vysoká přesnost a spolehlivost kontroly. Dynamickým trnem se měří průměry pro pístní čepy a rychle přestavitelný portál slouží k měření ostatních rozměrů. Do 20 minut lze měřicí stanici přestavět na jiný typ rozměru výměnou jednoduchých součástí. [58]
42
Tabulka 16 - Technické parametry pro přesnost měření čepů a ostatních rozměrů [58]
Technické parametry
Přesnost měření otvorů pro čep ±0,15 μm Přesnost měření ostatních rozměrů ±1 μm
Automatická laserová měřicí stanice
Ve stanici je zabudovaný vysokorychlostní a vysoce přesný laserový mikrometr, který se používá k měření průměrů a poloh hran dílu. Pro odečet podélné polohy dílu se využívá digitální stupnice na nepohyblivé části stanice, na které je umístěn motor a měřený díl. Pro maximální přesnost a tuhost je šoupátko vyrovnáno a připevněno na žulovém základu stanice. Podle přednastaveného programu uloženého v počítači je díl převeden do měřicí pozice. Pro získání kruhovitosti a házení je možné s dílem točit v dané pozici. Při použití vhodných přípravků a zpracování průměrů, poloh hran a informací o podélném posuvu se, může zkontrolovat několik rozměrů na různých částech. Počítač následně zpracuje naměřená data. [59]
Obrázek 40 - Automatické laserová stanice [59]
Tabulka 17 - Technické parametry laserové měřicí stanice [59]
Technické parametry
Šířka měřicího pole 40 mm
Průměry od 0,3 do 30 mm
Lineární rozsah posuvu 300 mm
Linearita (průměr a délka) ± 0,5 μm
Opakovatelnost Průměr ± 0,1 μm, délka ±3 μm
Rozlišení podélného posuvu ± 1 μm
Maximální rychlost posuvu 500 mm/s
43
Automatická měřicí stanice pro měření vačkových hřídelí
Může se použít pro měření rozměrů a geometrických tvarů, tak i pro rekonstrukci profilů vaček na jedné hřídeli. Lze kontrolovat finální verzi nebo i mezioperační fázi. Díky kombinaci elektronických měřidel, které se přizpůsobí specifickým algoritmům, lze opakovatelnost a přesnost srovnat s měrovou laboratoří. Přesně lze změřit vačkovou hřídel přímo i v dílenském prostředí. [60]
Obrázek 41 - Automatická měřicí stanice pro vačkové hřídele [60]
Automatická měřicí stanice pro kontrolu diskových součástí
Stanice provádí rozměrové, geometrické a nedestruktivní měření. Stanici lze přizpůsobit pro dané oddělení, přenášení nebo rotaci přicházejících dílů z výrobní linky. Lze zkontrolovat až 100 % vyrobených dílů. Nedestruktivní kontrola odhaluje závady jako trhliny, nedostatek materiálu a povlaku. [61]
4.5 Vizuální inspekce
Výrobní proces se snaží poskytovat nejvyšší kvalitu v každé fázi výrobního nebo montážního procesu. Vizuální inspekce zahrnuje více než polovinu těchto kontrol. Potvrzení, že díl je na správném místě a má správný tvar, barvu nebo texturu a je-li povrch bez skvrn, škrábanců, děr a cizích částic. Kontrola kvality není jednoduchá, protože vada se může vyskytnout kdekoliv na povrchu. Také je potřeba rozlišit vady do různých skupin, aby se potenciální příčiny daly řešit.
[62]
Hlavní úkolem automatizované kontroly je zajistit, aby byly odhaleny i chyby, které člověk pouhým okem nerozezná. Automatizace napomůže ke zvýšení kvality výrobků.
44
4.5.1 Kontrola barev
Bezchybný výrobní řetězec se očekává u lesklých povrchů karoserií, aby konečný produkt poskytoval propracovaný vizuální vzhled. Na povrch se promítne plošný vzor, který nám pomůže odhalit odchylky, které jsou způsobené nějakou vadou. Tyto vady jsou zaznamenány dvěma kamerami a vyhodnoceny pomocí softwaru. Zde lze použít plně automatickou povrchovou inspekci lakovaných karoserií. [63]
Ve farmacii se při výrobě tablet využívají různé složky, které svou koncentrací ovlivňují výslednou barvu tablety. Pomocí snímače pro kontrolu barvy lze odhalit jiné složení tablety. [63]
4.5.2 Detekce povrchových vad
U automobilů je samozřejmě kromě vizuálních požadavků na interiér důležitá i funkční schopnost komponentů. S pomocí laseru je generována lámavá linie u airbagů spolujezdce.
Lámavá linie zajišťuje bezpečné vystřelení airbagu na stanovené lince. [22]
V automobilkách se snaží předcházet chybám způsobených lidským faktorem a zajistit správnou montáž veškerých součástí. V interiéru auta se kontroluje barva švů, které mohou mít často jinou barvu. V minulosti se tyto kontroly prováděly manuálně, dnes už se využívají bezkontaktní snímače. [22]
4.5.3 Detekce teploty
Vy vývoji vozidel je velmi důležité teplotní chování brzd. Účinnost brzdového systému se dá určit dobou trvání ohřevu a chlazením brzdových kotoučů. Bezkontaktní snímače teploty sledují vývoj teploty ve zkušebním stavu a silničním testu. [22]
Ve větrných turbínách se nepřetržitě měří během provozu teplota převodovky. Zahřívání součástí může vyvolat problémy během provozu. Při překročení určené prahové hodnoty se zahájí nápravná opatření nebo plánovaná údržba. [23]
45
5 Analýza současného stavu měrové laboratoře ve Škoda Auto a návrh automatizace přepravy dílů
V rámci této diplomové práce byla zpracována prostorová a časová struktura v měrové laboratoři. V časové struktuře byly započítány i příslušné činnosti, které jsou součástí měření na CMM. Tato znalost je nezbytná pro nasazení bezobslužného provozu v budoucnosti.
V prostorové struktuře je popsán současný stav pro budoucí automatizaci. Návrh automatizace dopravy dílů do měrové laboratoře je zde navrhnut také.
5.1 Stanovení časové struktury
Metodika sběru dat
Cílem této metodiky bylo definovat činnosti v rámci procesu kontroly kvality, jejich sled a časovou náročnost v rámci měrového střediska. Z tohoto hlediska byly navrženy parametry, které byly měřeny a následně vyhodnoceny.
Na obrázku (Obrázek 42) jsou znázorněné činnosti, u kterých se normovaly časy a v rámci této práce jsme se také ještě věnovali optimalizaci konkrétního procesu kontroly, abychom prokázali potenciál pro úsporu času i v rámci samotného měření na CMM. Vypracovali jsme si metodiku, jak se budou jednotlivé časy normovat a do vytvořeného formuláře jsme zapisovali data.
Obrázek 42 - Jednotlivé kroky procesu měření
Pojmy
• Označení dílu – Jedná se o číslo dílu, které je uvedeno na doprovodné kartě. Tvar označení může být 04E XXX XXX YY, 0CF XXX XXX YY. X je číselné označení dílu a Y je výrobní index.
Jednotlivá měření jsou součástí kontrolního plánu operace a jde tedy o mezioperační kontrolu.
Příjmutí dílu Temperace
Výměna upínek a snímačů
Manipulace na CMM
Očištění Příprava
měření Měření
Vyhodnocení měření
Odeslání Výsledků
Sundání dílu z
CMM Odvezení dílu
