Účelové snímače v automatické kontrole
Automatická kontrola délek, úchylek tvaru a polohy je dnes smysluplně realizovatelná jen při použití účelových snímačů. Ty nevyrábí velké firmy s širokým spektrem měřicí techniky, jak by se dalo očekávat, ale většinou kusově malí dodavatelé zakázkových měřicích zařízení.
Unikátní účelové snímače bývají součástí firemního know-how a jejich výroba často probíhá jen pro vlastní potřebu. Nynější změny orientace strojírenské výroby ale podporují potřebu intenzivního vývoje a výroby těchto sofistikovaných zařízení. Proto je cílem článku dosáhnout větší informovanosti o této málo známé oblasti strojírenské metrologie.
Nejčastěji se ve snímačích v Česku a v německy mluvících zemích používá k odměřování délek indukčnostní diferenciální systém se dvěma cívkami a jádrem uvnitř. Standardem elektrických vlastností se stal systém snímačů švýcarských firem TESA/HIRT, navržený pro univerzální snímače a laboratorní použití. Tyto elektrické vlastnosti mají i všechny nově vyvíjené „speciály“. Standardem se tak stalo rozlišení (často i opakovatelnost) 0,01 µm. Pracovní zdvih nepřesahuje 1 mm a volný zdvih pro snadné vkládání součástky do měřicího místa bývá do 5 mm. Většinou jsou vybavené pneumatickým odstavováním/přistavováním měřicího doteku. Základním požadavkem je 100% zaměnitelnost.
Vývojem účelových snímačů u nás se dlouhodobě zabývá brněnská společnost MESING, která je používá ve svých automatických kontrolních stanicích. Hlavní cíl automatizace kontroly spočívá v zamezení NOK dílům opustit výrobu a snímač je tak prvním prvkem, který se na tom podílí.
Trend – Abbeho princip
Cílem vývoje účelových snímačů je zvýšit přesnost a zlepšit komfort měření. K tomu vedou dvě hlavní cesty – striktně dodržovat Abbeho princip a používat konstrukční prvky bez pasivních odporů.
Tento trend dnes určuje směr vývoje prakticky všech nově koncipovaných snímačů. I velmi sofistikovaná předepnutá lineární kuličková vedení jsou nyní nahrazována relativně jednoduchými pružnými klouby. Pro názornost uvádíme příklady nové koncepce vybraných, zejména nejčastěji používaných typů snímačů.
Ploché snímače
Jsou nejvíce používaným typem v zakázkové měřicí technice, a to hlavně díky robustnosti a vhodnosti pro sdružování při víceparametrických měřeních. Dosud byl jezdec uložen na hlavním předepnutém lineárním kuličkovém vedení a na pomocném kluzném vedení.
Nová verze snímače musela mít všechny hlavní vlastnosti stávajícího, tzn. rozměry (včetně připojovacích), pneumatické ovládání, stavění směru i velikosti síly a samozřejmě i elektrické parametry TESA/HIRT Standard. Tento snímač je vybavený paralelogramem se čtyřmi pružnými klouby. Na obr. 1 je porovnání staré a nové verze.
Testy ukázaly zlepšení opakovatelnosti o cca 50 %. Důležitý byl i test životnosti pružných kloubů – při automatickém odstavování jezdce pneumatickým válcem vydržely vzorky 10 mil. cyklů.
Druhá, zjednodušená verze je pákového typu a využívá jen jeden pružný kloub (obr. 2). Při vývoji se vycházelo ze stejných požadavků jako u čtyřkloubové verze. Přirozeně je méně univerzální, ale díky striktnímu dodržení Abbeho principu, pružného kloubu a minimální délce měřicího obvodu, jsou opakovatelnost i dlouhodobá stabilita pro tento typ nadstandardní. Test opakovatelnosti a dlouhodobé stability je na obr. 3.
Otvorové snímače
Měření otvorů bývá všeobecně mnohem náročnější než měření vnějších povrchů. Velkou roli hrají rozměry – průměr a jeho délka. Do popředí zájmu přichází i měření drážkovaných otvorů s velkým poměrem L/D. Proto se jeví jako metrologicky nejnáročnější a k realizaci stanic je potřeba větší soubor speciálních snímačů. Na obr. 4 jsou některé nové příklady s opakovatelností 0,1 µm, ale i v řádu několika 0,01 µm.
Doplňkem jsou rozpínací snímačové hlavice pro měření jak průměrů, tak třeba i šířky drážek. Realizaci umožňuje použití nestandardního indukčnostního systému s trubičkovým jádrem, který je citlivější a méně náchylný na radiální posunutí jádra v cívkách při použití pákových uložení (viz obr. 5).
Nízkosilové snímače
Vývoj byl zaměřen na snímače pro univerzální použití, které jsou vhodné jak pro laboratorní měření, tak i pro automatickou kontrolu. Prezentujeme dva snímače páčkového typu. První používá uložení s pružným kloubem tl. 0,1 mm a jeho měřicí síla je 50 mN. Pracovní zdvih s nelinearitou 3 µm je ± 0,5 mm. Je vhodný do „hrubšího prostředí“ (obr. 6 nahoře).
Druhý používá ocelovou planžetu tloušťky 10 µm a jeho měřicí síla je cca 10krát nižší než u snímače s kloubem. Ostatní parametry i vlastnosti jsou obdobné (viz obr. 6 dole). S použitím se počítá pro měření měkkých nebo velmi kvalitně obrobených povrchů, které nesmí být měřením „poškozené“.
Miniaturizace
Všechny dosud zmíněné snímače používají indukčnostní odměřovací systém. Ten má ale své rozměrové limity a je pro intenzivní miniaturizaci nepoužitelný. Jako optimální se jevil speciální zakázkový tenzometr. Nevýhodou je, že neumožňuje použít standardní měřicí karty a je nutná její speciálně navržená verze.
Dnes asi nejmenší známý délkový snímač vyvinula firma MESING se svým německým partnerem. Průřez snímače je 3 x 2,8 mm2 a umožní pracovat s rozlišením 0,1 µm, jeho pracovní rozsah je 0,4 mm. Při zabudování do speciální hlavice je možné v automatickém režimu i odstavovat měřicí dotek (včetně tělesa testeru viz obr. 7).
V současnosti jsou všeobecným trendem ve strojírenství účelově koncipovaná zařízení. Pro snímačovou techniku to platí dvojnásobně. Díky nové koncepci se daří splňovat nejnáročnější požadavky na automatizaci kontroly. Nové snímače jsou snadno modifikovatelné pro kontrolu širokého spektra součástek.
Jan Kůr
Foto: MESING
56
