koszyk koszyk
Start
Baza wiedzy
Pomiary wielkości geometrycznych Wyzwania metrologii w kontekście przemysłu przyszłości

Wyzwania metrologii w kontekście przemysłu przyszłości

Współrzędnościowa maszyna pomiarowa (CMM) Deltron

Będąc młodym pracownikiem naukowym (parafrazując młodą lekarkę ze znanej swego czasu audycji radiowej),
znalazłem się w gabinecie naszego uczelnianego szefa, profesora Jana Chajdy, który rozmawiał z raczkującym podówczas przedsiębiorcą, deklarującym wytwarzanie kół zębatych w bardzo wymagającej klasie. Zachwycał się obrabiarką i narzędziami, aż w końcu profesor spytał: – A skąd wiesz, jaka to klasa, czym to mierzysz? W odpowiedzi usłyszał, że producent maszyny tak deklaruje i czy w związku z tym trzeba mierzyć? Szef zadumał się chwilę i odpowiedział: – Produkujesz, ale nie mierzysz, więc nie wiesz, co produkujesz, bo tak się mówi, że jeśli żyjesz, ale nie mierzysz, to nie żyjesz...

Zacząłem prowokacyjnie? Trochę tak, ale proszę się nie denerwować, dalej nie wszystko będzie prowokacyjne i nie skorzystam z mojej ulubionej koncepcji Alfreda Hitchcocka – najpierw trzęsienie ziemi, a potem napięcie będzie narastać. Nie będzie też śmiertelnie poważnie. Niemniej ta lekko filozoficzna i mocno prowokacyjna maksyma towarzyszy mi po dziś dzień i nie raz zaprezentowała swój pazur w sytuacjach wątpliwych. Pokazuje ona, jak ważna jest metrologia w każdej dziedzinie życia, oferując skuteczne narzędzie weryfikacji różnych działań. Tak jest od zarania dziejów, od czasów, z których zachowały się jakiekolwiek informacje i przypisy, i pewnie będzie tak do końca działalności człowieka. Dział nauki o pomiarach określany jako metrologia długości i kąta, jest szczególnie istotny w aplikacjach przemysłowych. Dzięki zapewnieniu odpowiednich wymiarów poszczególne elementy „pasują” do siebie, zachowane zostają kształty, a nierówności na powierzchni formowane są w taki sposób, aby dzieło inżynierskie mogło trwać ku chwale jego autora. Nic zatem dziwnego, że urządzenia, które mają zapewnić te warunki, są z jednej strony coraz bardziej zaawansowane i wyrafinowane, a z drugiej wymagają coraz większej wiedzy i umiejętności od osób zarządzających i obsługujących.

Rys. 1. Łokieć jako miara długości i egipski wzorzec łokcia

Krótki rys historyczny

Już w starożytności zdawano sobie sprawę z tego, że poprawne pomiary różnych wielkości dają nieocenioną wiedzę i pozwalają tworzyć bardzo zaawansowane konstrukcje. Piramidy egipskie są tu przykładem sztandarowym. Znajdujemy w nich rysunki świadczące o istotności metrologii w pracach budowlanych, a nawet świadectwo istnienia czegoś, co dziś nazwalibyśmy kontrolą czynną, czyli kontrolą pomiarów w trakcie wykonywania. Z tamtych czasów wywodzą się również pierwsze wzorce długości, np. łokieć przedstawiony na rys. 1.

Na podstawie łokcia faraona z czarnego granitu wykonano wzorzec długości stosowany powszechnie w pracach budowlanych. Już wtedy granit uznano za materiał o odpowiedniej trwałości i małej wrażliwości na otoczenie. Wzorzec taki był bardzo kosztowny i mało kogo było na niego stać. Opracowano zatem hierarchię wzorców (prawda, że brzmi znajomo?), a wzorce długości codziennego użytku wykonywane były z drewna. Wzorce te zaraz po wykonaniu oraz okresowo co jakiś czas sprawdzano, porównując ze wzorcem granitowym. i jakby na to nie spojrzeć organizacyjnie do dziś niewiele się zmieniło. Przejdźmy teraz do pierwszej rewolucji przemysłowej, której wyznacznikiem było krosno mechaniczne i maszyny parowe, a którą datuje się na rok 1784. Co wtedy działo się w metrologii? Otóż już 6 lat później opracowano pierwszą suwmiarkę z noniuszem (produkowaną z drewna albo mosiądzu), dostrzegając konieczność pomiarów długości z mniejszą niepewnością. Zaczęto też zdawać sobie sprawę z konieczności opracowania jednostki długości. W 1791 roku Francuskie Zgromadzenie Narodowe wydało uchwałę definiująca tę jednostkę, czyli metr, jako dziesięciomilionową część ćwiartki południka ziemskiego. Kilka lat później powstał pierwszy oficjalny końcowy wzorzec archiwalny wykonany z platyny na podstawie właśnie pomiarów południka. Metodykę opracowano bardzo starannie, uwzględniając oczywiście fakt, że południk nie jest tworem materialnym, a więc trzeba było zmierzyć coś, czego fizycznie nie ma... Niemniej, jak widać z powyższego opisu, Przemysł 1.0 nie wyobrażał sobie życia bez mariażu z metrologią, a puenta „żyli długo i szczęśliwie” bardzo trafnie oddaje kolejne lata współżycia.

Jakieś 86 lat później w 1870 roku miała miejsce rewolucja przemysłowa numer dwa, także zakończona udanym związkiem z Metrologią 2.0. Wyznaczyła ją pierwsza linia produkcyjna (zresztą w przemyśle mięsnym), pojawiła się produkcja masowa, linie montażowe, zamienność części w produkcji i energia elektryczna. A co na to współmałżonek? Otóż konieczność dalszego zmniejszenia niepewności pomiaru zaowocowała uruchomieniem regularnej produkcji mikrometru kabłąkowego dla przemysłu. Powstały pierwsze konstrukcje mikroskopów pomiarowych i interferometrów, a Johansson zaproponował płytki wzorcowe, bez których nawet dziś żaden metrolog nie wyobraża sobie porządnego laboratorium. W późniejszych latach dostrzeżono, że zbudować silnik to jedno, a zapewnić jego długotrwałe funkcjonowanie to inna sprawa i pojawiły się pomiary chropowatości powierzchni z pierwszymi urządzeniami do tego celu. Metr także nie próżnował – w 1875 roku podpisana została konwencja metryczna (Polska dołączyła do niej po odzyskaniu niepodległości) i utworzono Międzynarodowe Biuro Miar i Wag (BIPM), a kilkanaście lat później przyjęto definicję metra w oparciu, o odległość dwóch kres. Na kolejną rewolucję czekaliśmy aż 99 lat, do 1969 roku. Uczciwie patrząc w lustro, byłem już na świecie, standardowo dawałem rodzicom w kość i niespecjalnie pochylałem się nad kwestiami metrologicznymi. Nie doceniałem też doniosłości faktu powstania pierwszego sterownika PLC i idącej za tym automatyzacji, komputerów i elektroniki.

Metrologia 3.0 była na miejscu – już od końca lat 50. funkcjonowały pierwsze współrzędnościowe maszyny pomiarowe (rys. 2), do których w 1962 roku dołożono oś Z, a stosowane początkowo głowice sztywne zastąpiono przełączającymi i skaningowymi. Rok 1975 to początki analizy topografii powierzchni. Metr również nie próżnował: najpierw wzorzec materialny zastąpiony został bazującym na długości fali światła emitowanego przez krypton-86, aż w końcu w 1983
roku pojawiła się obecna definicja, określająca go jako długość drogi przebytej w próżni przez światło w czasie 1/299 792 458 sekundy. W ten sposób kolejna generacja Przemysłu i Metrologii wspólnie ruszyła w ciekawe lata końca XX wieku i już 42 lata później doczekała się czwartej rewolucji przemysłowej, wyznaczanej przez systemy cyberfizyczne, Internet rzeczy, sieci i duże zbiory danych w chmurach, zza których optymistycznie wygląda błękitne niebo.

Rys 3. Wkład pracy artysty i inżyniera w swoje dzieła poprzez wieki

Uwarunkowania przemysłu przyszłości

Minęło już prawie 10 lat od początku idei Przemysłu 4.0, która coraz bardziej przeistacza się w przemysł przyszłości. Liczba specjalistów Przemysłu 4.0 stale rośnie i mam wrażenie, że wykładniczo. W tym czasie powstały na ten temat różne opracowania [2], co nie zmieniło bliskich relacji z pomiarami, pojmowanymi jako Metrologia 4.0 lub metrologia przyszłości. Mało tego, związek ten stał się bliższy niż kiedykolwiek poprzednio, ponieważ analiza stanu wszystkiego, co można zmierzyć i ma sens, jest jednym z filarów tej rewolucji. Podobnie jak rozwój technologii związanych z postrzeganiem rzeczywistości, a w szczególności rzeczywistości wirtualnej i rozszerzonej. Doniosłą rolę odegrać mają IoT, czyli Internet rzeczy, oraz sztuczna inteligencja. Według koncepcji IoT wszystkie elementy, a nawet przedmioty, są jednoznacznie identyfikowalne. Wykorzystanie sztucznej inteligencji, czyli AI, umożliwi sprawne i szybkie podejmowanie decyzji na podstawie uzyskanych danych i przesłanek z bazy wiedzy stworzonej i rozwijanej na bazie codziennych zadań. Młode pokolenie dyktujące zapotrzebowanie rynku odbiera świat jako zdecydowanie cyfrowy, najlepiej w wersji 3D, w czasie rzeczywistym i z efektem immersji, czyli zanurzenia w tym, co się dzieje, niezależnie, czy chodzi o media społecznościowe, czy pracę zawodową. Komunikacja, odgrywająca bardzo ważną rolę pomiędzy ludźmi, będzie się rozwijać również pomiędzy systemami oraz ich elementami składowymi, a także poszczególnymi sensorami do nich należącymi. Coraz bardziej uwidacznia się kwestia, że kiedy młody inżynier świeżo po studiach przyjdzie do zakładu pracy, istotniejsze będzie nie to, czy jest on przygotowany do pracy w tym przedsiębiorstwie, ale czy ono jest gotowe na niego.

Wśród zmian w mentalności człowieka już teraz pojawiają się: wielozadaniowość, pobieżne (tylko) zapoznawanie się z informacjami oraz uzależnienie od technologii mobilnych i sieci, nie zawsze jako elementy pozytywne. Dostrzegamy zmiany fizjologiczne wynikające z tego, że praca tradycyjna powodująca obciążenie mięśni ramion, przedramion i dłoni, zastępowana jest przez działania obciążające mięśnie palców, oczu i głowy. Głębsze zanurzenie w rzeczywistości wirtualnej to ryzyko zmian w psychice związanych z izolacją i poczuciem odosobnienia. i to wszystko, kiedy ok. 15% populacji świata wciąż nie ma dostępu do elektryczności (nie korzysta z drugiej rewolucji przemysłowej). W taką rzeczywistość wpisuje się Przemysł 4.0, jako strategia wykorzystująca różne technologie umożliwiające stworzenie autonomicznych i inteligentnych systemów produkcyjnych mających możliwość samokonfiguracji i samokontroli, a w szczytowych osiągnięciach nawet samodzielnego naprawiania. Jak widać, rozwój sensoryki jest do tego po prostu niezbędny. Będzie on polegać na opracowaniu nowych modułów i układów niezbędnych do pozyskiwania informacji o stanie procesów i ich elementów składowych, dzięki czemu możliwa stanie się wielokryterialna optymalizacja procesów i bardziej efektywne wykorzystanie zasobów. Natomiast same maszyny i urządzenia technologiczne utrzymywane będą w sprawności i gotowości do szybkiej zmiany konfiguracji (rekonfiguracja). Podstawowym celem tego działania jest stworzenie tzw. smart factory (inteligentnej fabryki) o wysokim stopniu automatyzacji i robotyzacji, z procesami realizowanymi optymalnie (wielokryterialnie), szybkimi i elastycznymi zmianami wyrobu i – co bardzo istotne – orientacją na klienta. Każda nowa technologia w założeniu będzie dawać początek nowszej i jeszcze sprawniejszej.

Strategia ta – według inicjatorów – jest odpowiedzią na problemy współczesnego przemysłu, m.in.: brak rąk do pracy (mały przyrost naturalny w krajach rozwiniętych), niedobór wykwalifikowanej kadry i rosnące wymagania ekologiczne. A zatem czwarta rewolucja jest zupełnie inna niż trzy poprzednie: zmienia nie tylko to, co i jak robimy, ale także to, kim jesteśmy. Zmienia podejście inżynierskie, zależności biznesowe, ekonomiczne i społeczne. Przez to dotyczy nie tylko maszyn i systemów, ale obejmuje wszystkie aspekty życia i nauki. Jak w tym współczesnym świecie odnajdzie się inżynier? Zdecydowanie w cenie coraz bardziej będzie wiedza multidyscyplinarna. Dla osób patrzących z zewnątrz wiele naszych działań pozostanie nawet nie tyle w sferze wiedzy i nauki, ile, patrząc z punktu widzenia efektów, w sferze artyzmu, a nawet magii. Dobrze odzwierciedla to wykres na rys. 3 porównujący wkład pracy artysty i inżyniera w swoje dzieła poprzez wieki. Prawda, że interesujący? No cóż, sam go opracowałem jakieś dwa lata temu... Chyba wyraźnie się starzeję, skoro filozofowanie na temat nauki zaczyna mi sprawiać pewną przyjemność... Takie wydają się obecnie wyzwania współczesnego świata. A jak odnajduje się w nim metrologia? Dokąd zmierza, trzymając się nieustannego rozwoju i gdzie jest w tym wszystkim miejsce dla człowieka? Nieco starsi czytelnicy (czyli plus minus moi rówieśnicy) pamiętają z pewnością powiedzenie z lat słusznie minionych: jak w zakładzie z kimś nie ma co zrobić – to trzeba dać go do kontroli jakości, przerabiane pejoratywnie na: ślepy i głuchy? Do kontroli jakości. Sytuacja ta zmieniła się tak bardzo,
że w tej chwili proces weryfikacji poprawności wykonania przedmiotu wymaga często większej uwagi, wiedzy i zaangażowania niż produkcja sama w sobie, szczególnie przy wzrastającym stopniu jej automatyzacji i różnorodności zadań pomiarowych stawianych przed laboratorium pomiarowym w zakładzie przemysłowym.

Bardzo wyraźnie widać w tym miejscu, że mniejszym problemem dla wielu rozwijających się firm jest inwestycja w sprzęt, w porównaniu z inwestycją w człowieka, który miałby się nim zaopiekować. Urządzenia pomiarowe i nowe technologie w nich zawarte wymagają wiedzy i zrozumienia tego, co się dzieje w trakcie procesu pomiarowego, bo inaczej wynik pomiaru będzie bardziej radosną twórczością niż rzetelnym odzwierciedleniem rzeczywistości. Słyszeliście Państwo slogan powtarzany przez jedną z firm bombardujących klientów e-mailami napisanymi bardzo kiepskim językiem polskim: Mierz bez wiedzy metrologicznej? Jest to klasyczna herezja we współczesnym wydaniu, lansowana przez ludzi, którzy nie potrafią (albo nie chcą) znaleźć różnicy pomiędzy słowem „mierzyć” a określeniem „kłaść przedmioty na stole pomiarowym i wciskać przycisk”. Do tego drugiego wystarczy bowiem robot lub manipulator, żeby nie napisać istota człekokształtna... A kiedyś, przed pierwszą rewolucją przemysłową, za herezję palono na stosie. Nie, ja naprawdę nie namawiam, żeby do tego wrócić.

Rys. 4 Współczesny profilometr stykowy z możliwością pomiaru nierówności i konturu [8]

Quo vadis, metrologio?

Jeśli do tej pory komuś brakowało konkretnych rozwiązań metrologicznych, to uspokajam, że właśnie ten rozdział postanowiłem im poświęcić. Trochę odniosę się do skali mierzonych długości, traktując mikro (a nawet nano) jako pomiary nierówności powierzchni, makro jako pomiary wymiarów i kształtów, a mezo – jako obszar pośredni, w którym wymiary (lub odchyłki) stają się na tyle małe, że wkraczają w obszar tradycyjnie rozumiany jako chropowatość. Granice pomiędzy skalami są płynne, a do tego poszczególne przyrządy dotychczas kojarzone z jedną skalą coraz śmielej wkraczają w inne. W ten sposób na przykład przyrządy do pomiaru nierówności powierzchni pozwalają mierzyć kształty, a współrzędnościowe maszyny pomiarowe zaczynają stosować głowice do pomiarów powierzchni w skali mikro. Wszystkie współczesne systemy pomiarowe w tych skalach funkcjonują w oparciu o współrzędnościową techniką pomiarową, czyli zbierają współrzędne punktów i na ich podstawie prezentują wybrane cechy. Zacznę od mikro, które w mojej działalności naukowej zawsze było głównym obszarem zainteresowań. Tutaj profilometria stykowa (rys. 4) ma się cały czas bardzo dobrze [3,4], szczególnie w aplikacjach przemysłowych, a – parafrazując klasyka – wszelkie informacje o jej śmierci są całkowicie nieprawdziwe i przedwczesne. Moment totalnej fascynacji technikami optycznymi mamy już za sobą, co pozwoliło znaleźć ich miejsce i udane aplikacje, ale pokazało też, że pomiary stykowe w wielu aspektach pozostaną jako dominujące. Dlaczego? Są dobrze poznane ze wszystkimi swoimi zaletami i wadami [5], a z drugiej strony fala elektromagnetyczna, jaką jest światło w kontakcie z powierzchnią, na którą pada, zachowuje się zupełnie naczej niż końcówka stykowa, co w wielu sytuacjach powoduje trudności w porównaniu wyników uzyskanych różnymi metodami. Dlatego przygotowywana właśnie norma ISO 21920 dotycząca analizy nierówności na podstawie profilu pozwala w oznaczeniu na rysunku technicznym narzucić metodę pomiarową (metodę wyodrębniania profilu) jako stykową (MP – profil mechaniczny) lub optyczną (EP – profil elektromagnetyczny). Pomiary optyczne wymagają także idealnej wręcz czystości powierzchni, a poza tym są wrażliwe na sposób i konfigurację oświetlenia powierzchni [6,7]. Wymagają też często lepszej izolacji od otoczenia z punktu widzenia drgań. Wcale nie znaczy to, że należy ich unikać! Wręcz przeciwnie, do ich zalet należą bowiem zdecydowanie mniejszy czas pomiaru, często większa liczba danych z powierzchni i możliwość badania przedmiotów, dla których dotyk końcówki pomiarowej zmienia ich geometrię. To tak jak z wymagającą kobietą: jeśli poświęci się jej odpowiednio dużo atencji i wykaże trochę więcej zaangażowania, to odpłaci pięknem, eksponując całą swoją wspaniałość.

Metrologia 4.0 w profilometrii stykowej to rozwinięcie opcji pomiarów CNC. Stanowisko może cechować się automatycznie realizowanymi przemieszczeniami w osiach liniowych i obrotowych. W najbardziej zaawansowanej konfiguracji, jaką widziałem, łącznie było ich 7, ale inwencja konstruktorów nie ma tu jakichś wyraźnych granic. Po zaprogramowaniu wszystkich miejsc pomiaru jest on realizowany bez udziału operatora. Dotyczy to pomiaru nierówności i konturu. Staram się unikać popularnego terminu „chropowatość”, mówiąc o nierównościach, ponieważ chropowatość to tylko jedna ze składowych nierówności powierzchni (oprócz falistości) i wymaga przefiltrowania danych, które powoduje, że nie mamy już informacji o pewnych zjawiskach na powierzchni. Warto też pamiętać, że filtrowanie związane jest albo ze sposobem obróbki powierzchni, albo z funkcjonalnym uwypukleniem pewnych charakterystycznych cech powierzchni. i właśnie dlatego klasyczny podział na chropowatość i falistość, np. dla technik przyrostowych, nie ma uzasadnienia, więc lepiej mówić po prostu o nierównościach. Podstawową wadą pomiarów stykowych, zwłaszcza w ujęciu 3D [9,10], jest czas ich realizacji, wynikający z konieczności powolnego przemieszczania końcówki stykowej po mierzonej powierzchni, co z kolei powoduje dodatkową wrażliwość na zmiany termiczne [11]. Pomiary optyczne uznano w pewnym momencie dziejów za remedium na czasochłonność, co stworzyło pole do opracowywaniaprzyrządów opartych na różnych zasadach fizycznych. Ich bardziej szczegółowy opis można znaleźć w literaturze [12], tutaj przedstawię tylko te, których zastosowanie upowszechnia się najbardziej. Zacznijmy od starego, dobrego interferometru, którego jedną zważniejszych konstrukcji opracował nasz rodak, urodzony w Strzelnie na Kujawach Albert Michelson, za co zresztą w 1907 r. otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Obecnie, zamiast jednej długości światła, stosujemy interferometry światła białego lub chociaż polichromatyczne (fragment pasma widzialnego).

Rys. 5 Skaningowy interferometr koherentny [14]

Zgodnie z normą [13] przyrządy bazujące na tej zasadzie określane są jako skaningowe interferometry koherentne. Wiązka światła padającego w korelacji z wiązką referencyjną pozwala uzyskać wyraźny obraz prążków na określonej wysokości, a efekt trójwymiarowy uzyskujemy, skanując cały zakres pomiarowy w osi pionowej. Wielkość mierzonej powierzchni w jednym ujęciu zależy od powiększenia i rozdzielczości, jaką chcemy uzyskać. Są systemy pozwalające na pomiary już od ułamków nanometra, zakresy niektórych pozwalają mierzyć błędy kształtu i wymiary, mocno wchodząc w zakres skali mezo. Przykładowy interferometr tego typu przedstawiono na rys. 5.

Rys. 6 Mikroskop różnicowania ogniskowego [16]

Najbardziej chyba rozpowszechnionym w aplikacjach przemysłowych optycznym przyrządem do pomiaru powierzchni w skali mikro i mezo jest mikroskop różnicowania ogniskowego [15], pokazany na rys. 6. i choć od pierwszych konstrukcji tego typu minęło zaledwie kilkanaście lat, technologia ta rozwinęła się tak bardzo, że właściwie trudno porównać obrazy uzyskiwane przez jej liderów z firmami, dla których jest to jedna z opcji dodatkowych. Jak to działa? Najprościej ujmując, bierzemy klasyczny mikroskop, któryostry obraz pokazuje na pewnej wysokości, i rozbudowujemy go o precyzyjną oś pionową, która pozwala na zbieranie takich właśnie ostrych obrazów, poziom po poziomie, w całym zakresie.

Rys. 7 Analiza narzędzi skrawających na mikroskopie różnicowania ogniskowego [19]

Wszystkie zebrane ujęcia z dobrymi danymi pomiarowymi zostają następnie przekształcone w przestrzenny obraz trójwymiarowy. Mikroskop taki również obejmuje skalę mikro i mezo, oprócz nierówności powierzchni znakomicie nadaje się również do pomiaru narzędzi skrawających [17,18], łącznie z ich geometrią (rys. 7). Płynnie przechodząc od skali mikro, poprzez mezo, do makro, nie sposób nie zacząć od klasycznej współrzędnościowej maszyny pomiarowej. Czy dla takiego urządzenia z 60-letnią historią jest jeszcze miejsce wśród innych technik, które pojawiły się dopiero w obecnym stuleciu? Okazuje się, że tak i to z paru powodów. Główny jest taki, że jak na razie ani tomografia, ani skanowanie optyczne nie pozwalają osiągnąć tak małych niepewności pomiaru, jak wysokiej klasy współrzędnościowa maszyna pomiarowa.

Rys. 8 Mikroskop różnicowania ogniskowego [20]

A skoro wspomniałem o przechodzeniu między skalami, to przedstawiam ciekawą współrzędnościową maszynę pomiarową w konwencji mikroskopu różnicowania ogniskowego lub odwrotnie, zależnie od upodobań. Zakresy pomiarowe na poziomie 400 mm to już zdecydowanie skala makro, a obiektywy, zamiast tradycyjnej głowicy pozwalają mierzyć nierówności powierzchni i błędy kształtu (rys. 8). To najlepszy przykład tego, o czym pisałem poprzednio, że przyrządy z konkretnych skali chętnie rozszerzają swoje zakresy pomiarowe w kierunku innych.

Rys. 9 Optyczno-stykowa współrzędnościowa maszyna pomiarowa [21]

Skoro końcówkę stykową maszyny zastąpiliśmy obiektywem, to czy nie dobrze byłoby mieć urządzenie, które wykorzystuje oba typy końcówek? Ależ naturalnie! W ten sposób otwieramy drzwi do multisensoryki w metrologii długości i kąta. Jej najprostsza wersja to wykorzystanie właśnie głowicy stykowej (z różnymi końcówkami) i optyki mikroskopowej, co w efekcie daje współrzędnościową maszynę pomiarową optyczno-stykową (rys. 9). W takich konstrukcjach obie głowice „znają” swoje wzajemne położenie, co pozwala mierzyć część przedmiotu stykowo, a część optycznie. Urządzenia multisensorowe rozwijają się w stronę mniejszych skali. Coraz częściej na współrzędnościowej maszynie pomiarowej montuje się końcówki do stykowych pomiarów nierówności powierzchni, a nawet głowice optyczne do pomiarów w skali mikro, na przykład interferometryczne. Rozwiązania multisensorowe dotyczą też urządzeń mniej uniwersalnych.

Rys. 10 Optyczny przyrząd do pomiaru elementów obrotowo-symetrycznych z dodatkową końcówką stykową [22]

Ciekawym przykładem jest tu przyrząd do oceny cech geometrycznych przedmiotów obrotowo-symetrycznych, który mierzy optycznie na zasadzie analizy tego, co na linijce CCD zostałozasłonięte przez przedmiot. Miejsca, do których optyka nie dociera, mogą być analizowane za pomocą końcówki stykowej (rys. 10). Zawsze aktualne zostaje oczywiście pytanie, ile pracy ma samo urządzenie i czy pomiary multisensorowe (zwłaszcza w różnych skalach) są efektywne, czy jednak warto realizować je za pomocą dwóch oddzielnych urządzeń. To zależy od konkretnego zadania pomiarowego i miejsca pomiaru – laboratorium zawsze będzie bardziej szukać rozwiązań uniwersalnych, a produkcja – specjalizowanych. XXI wiek wniósł do współrzędnościowej techniki pomiarowej nowe urządzenia, wśród których z pewnością warto wymienić skanery optyczne i tomografy techniczne.

Rys. 11 Ręczny skaner laserowy pracujący w oparciu o światło niebieskie [23]

Zacznijmy od skanerów. Kilkanaście lat rozwoju spowodowało, że obecne konstrukcje są bardzo zaawansowane. Technologia skanowania laserowego wypiera światło strukturalne stosowane w poprzedniej generacji, dając – oprócz bardzo dobrych parametrów dokładnościowych – przede wszystkim rozwiązania niewymagające statywów i znikomą wrażliwość na zmianę refleksyjności oraz oświetlenie zewnętrzne. Od niedawna stosowane jest światło niebieskie (rys. 11). Skanery pracują również w wersji zrobotyzowanej (rys. 12). Przedstawiona koncepcja opiera się na skanerze zamocowanym na ramieniu robota i trackerze śledzącym jego położenie. Przedmiot zamocowany jest na stole obrotowym, dzięki czemu mamy dodatkową oś w całym systemie pomiarowym. Ponadto rozwiązanie to, w którego tworzeniu miałem przyjemność uczestniczyć, posiada zestaw kamer i oprogramowanie umożliwiające oddalonemu użytkownikowi na zdalny udział w procesie pomiarowym. Pomysł powstał przed pandemią, ale szczególnie w dzisiejszych czasach okazał się znakomitą opcją. Zlecający pomiary może obserwować ruchy na bieżąco, uzyskując informacje o mierzonych cechach na wyższym stopniu wtajemniczenia software’owego, może nawet ingerować w procedurę pomiaru [24]. Godne uwagi jest to, że całość została nominowana do nagrody Unii Europejskiej Regiostars. 

Rys. 12 Zrobotyzowane stanowisko skanujące [25]
Rys. 13 Tomograf techniczny – istota działania [27]

Tomografy techniczne oparte na promieniowaniu X to kolejne urządzenia współrzędnościowej techniki pomiarowej wkraczające do metrologii. Dzięki ich zastosowaniu możliwe jest nie tylko obrazowanie defektów w przedmiotach, ale także pomiary cech geometrycznych, nawet całkowicie niewidocznych [26]. Konstrukcja tomografu do zastosowań technicznych składa się z lampy, manipulatora z uchwytem do przedmiotu i detektora obrazu zamocowanych na wspólnej ramie (rys. 13) oraz oprogramowania do przygotowania i analizy danych pomiarowych. Tomograf musi jeszcze posiadać obudowę, zawierającą płyty ołowiane, pełniącą funkcję osłony przed promieniowaniem.

Ponadto dla celów metrologicznych wymagane jest zapewnienie we wnętrzu odpowiednio stabilnych warunków termicznych. Wygląd takiego tomografu wraz z robotem podającym i odbierającym mierzone przedmioty pokazano na rys. 14. Koboty i roboty (jak ten przedstawiony na rys. 14) stają się w Metrologii 4.0 codziennością. Ich wykorzystanie pozwala coraz bardziej uniezależnić się od człowieka, jako niestety najbardziej nieprzewidywalnego elementu procesu pomiarowego. Operator jest także z punktu widzenia zjawisk cieplnych bardzo istotnym elementem wpływającym na niepewność pomiaru. To również sprawia, że przyszłość systemów pomiarowych kojarzona jest z rosnącą automatyzacją.

Rys. 14 Tomograf techniczny dla celów metrologicznych z robotem [28]

Podsumowanie

Na koniec warto wspomnieć, że metrologia zmienia się również pod względem usług oferowanych przez wyspecjalizowane laboratoria pomiarowe. Przedstawiony w artykule system skanujący jest tego najlepszym przykładem. Skoro bowiem nie trzeba opuszczać biura, żeby wziąć zdalny udział w pomiarach, to pojawia się pytanie, czy na pewno konkretny system pomiarowy jest w danej firmie niezbędny, czy nie lepiej zlecić pomiary na zewnątrz? Jest to oczywiście funkcją liczby zadań pomiarowych, ale jeśli jest ich mało, to opcja outsourcingu jest godna rozważenia. Do jej zalet należy – oprócz tego, że nie trzeba inwestować w urządzenie pomiarowe – również to, że nie ma konieczności zatrudniania specjalistów, a zleceniobiorca posiada (a przynajmniej powinien posiadać) wykwalifikowaną kadrę, której koszty w ostatnich latach w naszym kraju zdecydowanie rosną. Napisałem, że powinien posiadać, ponieważ wybór zleceniobiorcy nie zawsze jest zadaniem prostym, na rynku pojawia się szereg podmiotów, w różny sposób zachwalających swoje usługi, chociaż ich jakość nie zawsze jest tym, czego chcielibyśmy doświadczać.

Weryfikacja dostawcy powinna zostać przeprowadzona bardzo skrupulatnie, nie tylko pod względem kosztów, ale z całą świadomością oceny dostawcy. Mam chwilami wrażenie, że jeśli w nazwie podmiotu pojawia się słowo „centrum”, a do tego „kompetencja” czy „doskonałość”, to jego mocodawcy bardziej podają pobożne życzenia czegoś, co kiedyś chcieliby osiągnąć (ale najprawdopodobniej nigdy nie będzie im to dane) niż obecny stan faktyczny. Czy też macie Państwo czasem takie odczucia? Dobrym wskaźnikiem przy wyborze partnera jest posiadanie przez niego akredytacji zgodnie z normą ISO 17025. Akredytacji – to bardzo ważne słowo, ponieważ znów spotyka się podmioty reklamujące się posiadaniem procedur zgodnych z podaną powyżej normą, ale nic niepiszących o akredytacji.

Niestety, sama deklaracja, bez certyfikatu akredytacji, nie ma większej wartości, a w zasadzie jest całkowicie bezużyteczna. Dlaczego? Ponieważ ewentualne nieprzestrzeganie wymagań ISO 17025 nie ma dla zleceniobiorcy żadnych konsekwencji. Zleceniodawca w tym przypadku ze swoim niezadowoleniem zostaje całkowicie sam, a przy laboratorium akredytowanym ma pełne prawo uzyskania wsparcia od podmiotu akredytującego (czyli np. PCA – Polskiego Centrum Akredytacji). Natomiast korzystanie z usług laboratorium akredytowanego daje pełną gwarancję, że wyniki są wiarygodne i bezstronne, a akredytowany podmiot zaatrudnia personel z odpowiednią wiedzą i kompetencjami, odpowiednie wyposażenie oraz stosuje wiarygodne i poprawne metody badawcze. Nie bez znaczenia jest także fakt, że to po stronie wykonującego pomiary leży również obowiązek kalibracji przyrządów pomiarowych. Tyle refleksji na temat tego, co w metrologii łączy się z przemysłem przyszłości. Czas pokaże, czym zaskoczy nas rzeczywistość, ale zdolność istoty ludzkiej do adaptacji w nowych warunkach na pewno pozwoli szybko się do niej dostosować.

Artykuł w pierwotnej wersji ukazał się w kwietniowym wydaniu czasopisma "STAL Metale & Nowe Technologie" 3-4/2021.

Piśmiennictwo:

1. Hocken R.J., Pereira P.H. (eds.): Coordinate Measuring Machines and Systems. CRC Press, Boca Raton 2012.
2. Schwab K.: Czwarta rewolucja przemysłowa. Studio EMKA, 2018.
3. Wieczorowski M.: Chropowatość nie jest taka straszna... „Stal Metale & Nowe Technologie”, 1-2/2014, s. 58-62.
4. Wieczorowski M.: Przenośne przyrządy do pomiaru nierówności powierzchni. „Stal Metale & Nowe Technologie”, 3-4/2014, s. 99-102.
5. Pawlus P., Wieczorowski M., Mathia T.: The errors of stylus methods in surface topography measurements. ZAPOL, Szczecin 2014.
6. Gapiński B., Śmierzchalski D., Mendak M., Ziętkiewicz P., Wieczorowski M.: Bestykowe pomiary nierówności powierzchni – cz. I. „Stal Metale & Nowe Technologie”, 3-4/2019, s. 68-69.
7. Gapiński B., Śmierzchalski D., Mendak M., Ziętkiewicz P., Wieczorowski M.: Bestykowe pomiary nierówności powierzchni – cz. II. „Stal Metale & Nowe Technologie”, 5-6/2019, s. 134-135.
8. W900, materiały firmy Jenoptik.
9. Wieczorowski M.: Systemy do pomiaru topografii powierzchni. „Stal Metale & Nowe Technologie”, 5-6/2014, s. 138-142.
10. Wieczorowski M.: Trójwymiarowa analiza nierówności powierzchni. „Stal Metale & Nowe Technologie”, 7-8/2014, s. 22-25.
11. Miller T., Adamczak S., Świderski J., Wieczorowski M., Łętocha A., Gapiński B.: Influence of temperature gradient on surface texture measurements with the use of profilometry. „Bulletin of the Polish Academy of Sciences”, 65, 1, 2017, p. 53-61.
12. Wieczorowski M.: Metrologia nierówności powierzchni – metody i systemy. ZAPOL, Szczecin 2013.
13. ISO 25178-604:2013 Geometrical product specifications (GPS) – Surface texture: Areal – Part 604: Nominal characteristics of noncontact (coherence scanning interferometry) instruments.
14. TMS 500, materiały firmy Polytec.
15. ISO 25178-606:2013 Geometrical product specifications (GPS) – Surface texture: Areal – Part 606: Nominal characteristics of non-contact (focus variation) instruments.
16. Infinite Focus G5, materiały firmy Alicona.
17. Mendak M., Wieczorowski M., Grochalski K., Gapiński B.: Wiarygodność pomiaru geometrii freza kulistego oraz jej wpływ na nierówności powierzchni po frezowaniu kopiowym, przy wykorzystaniu mikroskopu różnicowania ogniskowego. „Mechanik”, 8-9/2018, s. 710-712.
18. Brzozowski D., Wieczorowski M., Gapiński B.: Pomiar geometrii i ocena powierzchni narzędzi za pomocą mikroskopu różnicowania ogniskowego. „Mechanik”, 11/2017, s. 1020-1022.
19. Analysis of cutting tools, materiały firmy Alicona.
20. Micro CMM, materiały firmy Alicona.
21. Venture Plus, materiały firmy Baty.
22. Opticline, materiały firmy Jenoptik.
23. Metrascan, materiały firmy Creaform.
24. Wieczorowski M., Pawlus P., Gapiński B.: Perspektywy współczesnej metrologii. „Mechanik”, 12/2019, s. 767-773.
25. Wieczorowski M., Szelewski M., Matuszak M., Pollak K.: Platforma do interakcyjnych analiz metrologicznych w koncepcji Przemysł 4.0 umożliwiająca zrobotyzowaną laserową digitalizację powierzchni w skali makro. Projekt RPWP.01.05.02-30-0065/18.
26. Gapiński B.: Obrazowanie i pomiary w technicznej tomografii komputerowej ze szczególnym uwzględnieniemprzedmiotów wykonanych technikami przyrostowymi i analizy nierówności powierzchni. Wydawnictwo Studio Poligrafia, 2019.
27. Vtomex L, materiały firmy Waygate.
28. Vtomex M, materiały firmy Waygate.

Treść powyższego artykułu korzysta z ochrony udzielanej przez przepisy ustawy z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych (j.t. Dz. U. z 2006 r. Nr 90, poz. 631 ze zm.). Każdy z Klientów zobowiązany jest do poszanowania praw autorskich pod rygorem odpowiedzialności cywilnoprawnej oraz karnej wynikającej z przepisów tej ustawy. Treść artykułu – w całości bądź jakiejkolwiek części – może być wykorzystywana tylko w zakresie dozwolonego użytku osobistego. Wykorzystanie tego artykułu - w całości bądź jakiejkolwiek części - do innych celów a w szczególności - komercyjnych, w tym kopiowanie, publiczne odtwarzanie, lub udostępnianie osobom trzecim w jakikolwiek inny sposób, może następować tylko pod warunkiem uzyskania wyraźnego pisemnego zezwolenia ITA i na warunkach określonych przez ITA. W celu uzyskania zgody na wykorzystanie zawartości Strony, należy skontaktować się z ITA za pośrednictwem formularza kontaktowego dostępnego w zakładce Kontakt. Korzystanie z powyższej treści w celu innym niż do użytku osobistego, a więc do kopiowania, powielania, wykorzystywania w innych publikacjach w całości lub w części bez pisemnej zgody ITA jest zabronione i podlega odpowiedzialności cywilnoprawnej oraz karnej wynikającej z przepisów ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych.

Nadchodzące webinary i wydarzenia

Wszystkie wydarzenia

ITA spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Sp. k. ul. Poznańska 104, Skórzewo,  
60-185 Poznań
+48612225800 +48612225800 fax: +48612225801

Obserwuj nas