Sondy pomiarowe: Rodzaje i zastosowania

Sonda pomiarowa jest jednym z kluczowych akcesoriów wyposażenia maszyny CMM, dzięki któremu możliwe jest uzyskanie precyzyjnych pomiarów geometrycznych obiektów. W tym artykule omówimy działanie sondy pomiarowej, wyszczególnimy jej poszczególne typy oraz przedstawimy dziedziny przemysłu, w których jest stosowana.

Czym jest sonda pomiarowa i jaką spełnia funkcję w pomiarze detalu?

Sondy pomiarowe na maszynach CMM to zautomatyzowane urządzenia, które odpowiadają za zbieranie punktów pomiarowych z powierzchni przedmiotu i generowanie ich współrzędnych, czego efektem jest dostarczanie precyzyjnych i powtarzalnych danych na temat  mierzonego wyrobu. 

Z perspektywy zakładów produkcyjnych takie rozwiązanie technologiczne szybko przynosi zatem wymierne korzyści – niska niepewność pomiarowa i skrócenie prac kontrolnych przekładają się na większą przepustowość i wydajność produkcji.

Budowa sondy pomiarowej 3D

Jak zbudowana jest sonda pomiarowa? Jej budowa może różnić się w zależności od typu sondy (stykowa, bezstykowa, optyczna, itp.), ale ogólna struktura sondy pomiarowej składa się z następujących elementów:

Korpus sondy: To główna część sondy, która zawiera wszystkie niezbędne mechanizmy i elektronikę. Korpus jest zazwyczaj wykonany z materiałów odpornych na wibracje i zmiany temperatury, co zapewnia stabilność i dokładność pomiarów.

Trzpień pomiarowy: Jest to część sondy, która bezpośrednio styka się z mierzonym obiektem. Trzpień jest zazwyczaj zakończony kulką wykonaną z wytrzymałych materiałów, takich jak rubin lub stal hartowana, aby minimalizować zużycie i zapewnić precyzyjne punkty kontaktu. Długość i średnica trzpienia mogą się różnić w zależności od aplikacji.

System detekcji sygnału: To kluczowy element sondy, który odpowiada za rejestrację kontaktu trzpienia z mierzonym obiektem. W sondach stykowych najczęściej stosuje się mechaniczne systemy przerywaczy, które wykrywają odchylenie trzpienia w momencie kontaktu. W sondach bezstykowych wykorzystuje się techniki optyczne lub laserowe.

Mechanizm sprężynowy: W sondach stykowych trzpień jest zazwyczaj zamontowany na mechanizmie sprężynowym, który umożliwia jego delikatne przemieszczanie się w momencie kontaktu z powierzchnią obiektu. Mechanizm ten chroni sondę przed uszkodzeniem i umożliwia dokładne odczytywanie punktów pomiarowych.

Złącze sygnałowe: Sonda jest połączona z systemem CMM za pomocą złącza sygnałowego, które przekazuje dane pomiarowe do systemu komputerowego maszyny. To złącze musi być niezawodne i odporne na zakłócenia, aby zapewnić precyzyjne przekazywanie informacji.

Elektronika i oprogramowanie: Wewnątrz sondy znajduje się zaawansowana elektronika, która przetwarza sygnały z systemu detekcji i przekazuje je do systemu CMM. Nowoczesne sondy często mają wbudowane oprogramowanie umożliwiające automatyczną kalibrację, kompensację błędów oraz analizę danych pomiarowych w czasie rzeczywistym.

System kompensacji temperatury: Niektóre sondy są wyposażone w czujniki temperatury i systemy kompensacji, które automatycznie dostosowują pomiary do zmieniających się warunków termicznych, co jest szczególnie ważne w precyzyjnych aplikacjach.  

Rodzaje sond pomiarowych

Różne preferencje producentów dotyczące systemów pomiarowych oraz nowe wyzwania, jakie stawia przed nimi przemysł, determinują pojawianie się na rynku różnych typów maszyn CMM.  Nietrudno sobie wyobrazić, że ich elementy konstrukcyjne różnią się między sobą. Także same sondy będą wykazywały między sobą znaczące różnice – zarówno w budowie, jak i sposobie rejestrowania pomiarów. 

Sondy pomiarowe stosowane obecnie w maszynach CMM można podzielić na kilka głównych kategorii w zależności od ich zasady działania i zastosowania. Oto podstawowy podział:

1. Sondy stykowe

• Sondy stykowe mechaniczne: Najbardziej klasyczny typ sond, w których trzpień z kulką dotyka powierzchni mierzonego obiektu, a kontakt jest rejestrowany przez system mechaniczny.

• Sondy stykowe ze sprężyną: Zastosowanie sprężyny w trzpieniu pozwala na elastyczny ruch, co chroni sondę przed uszkodzeniem przy zbyt dużym nacisku.

• Sondy z wymiennym trzpieniem: Umożliwiają szybką wymianę trzpienia, co jest przydatne w przypadku różnych aplikacji pomiarowych.

2. Sondy bezstykowe

• Sondy optyczne: Wykorzystują światło do pomiaru odległości między sondą a obiektem. Idealne do pomiarów delikatnych lub trudnodostępnych powierzchni.

• Sondy laserowe: Używają lasera do dokładnego pomiaru odległości, co pozwala na szybkie i precyzyjne pomiary powierzchni bez kontaktu.

3. Sondy multisensoryczne

• Sondy kombinowane: Łączą różne technologie pomiarowe, np. stykowe i optyczne, co pozwala na kompleksowe pomiary różnych parametrów na tej samej maszynie.

4. Sondy specjalistyczne

• Sondy do mikropomiarów: Przeznaczone do pomiaru bardzo małych obiektów lub detali o mikroskopijnej precyzji.

• Sondy do pomiaru wewnętrznego: Stworzone do pomiarów wewnętrznych powierzchni, np. otworów, rowków lub kanałów.

• Sondy do pomiaru szorstkości powierzchni: Zaprojektowane do oceny mikroskopijnej struktury powierzchni, określając jej szorstkość.

Podział ten pozwala na dobranie odpowiedniego rodzaju sondy do specyficznych potrzeb pomiarowych, co jest kluczowe dla osiągnięcia najwyższej precyzji i efektywności w procesach produkcyjnych.

Sondy stykowe i bezstykowe

Pierwszym kryterium podziału sond pomiarowych jest sposób zbierania danych z powierzchni przedmiotu. Tu wyróżnimy następujące typy sond pomiarowych:

• sondy stykowe – generowanie danych polega na bezpośrednim stykaniu się końcówki pomiarowej z powierzchnią przedmiotu. Ich dodatkowymi funkcjami są: automatyczne wykrywanie punktów pomiarowych oraz regulacja nacisku. W przypadku tej grupy przyrządów bardzo ważne jest, aby sonda wykorzystywała stałą prędkość podczas pomiaru; 

• sondy bezstykowe – zbierają dane pomiarowe bez fizycznego kontaktu z badaną powierzchnią. Bezdotykowe określanie współrzędnych punktów odbywa się przy użyciu różnych technologii, w tym optycznej, laserowej i ultradźwiękowej (o czym mowa niżej).

Pomiarowe sondy skanujące i elektrostykowe

Sondy do pomiaru narzędzi mogą być także klasyfikowane na podstawie rodzaju używanej technologii pomiarowej. W tej kategorii znalazły się:

• sondy skanujące (bezstykowe) – umożliwiają skanowanie niepłaskich powierzchni o zróżnicowanej strukturze. Zbierają kilkaset punktów pomiarowych w ciągu jednej sekundy, jednocześnie zwiększając możliwości maszyny CMM. W celu zrealizowania pomiaru współrzędnościowego mogą bazować na:

- technologii optycznej (sondy optyczne) – kamery optyczne, czujniki światła;

- laserowej – skanowanie powierzchni obiektu zachodzi dzięki promieniowaniu laserowemu;

- ultradźwiękowej – pomiar odległości oraz prace pomiarowe zapewnia wykorzystanie fal ultradźwiękowych.

• sondy elektrostykowe – podstawą do zbierania danych pomiarowych jest styk elektryczny. Przeznaczone do skanowania pojedynczych punktów. 

Jakie miejsce w przemyśle zajmuje sonda skanująca?

Wysoka precyzja techniki skanowania sprawdza się zwłaszcza w zakładach, gdzie mierzone są przedmioty o złożonej geometrii  lub odchyłki kształtu mierzonego wyrobu uwzględniane są w budżecie dokładności (zwanym również budżetem niepewności). 

W przypadku pomiarowych jednostek skanujących inaczej podchodzi się do kwestii projektowania czujników, sterowania maszyną pomiarową CMM oraz samej interpretacji wyników. Z tego względu zadania programowane przez operatorów charakteryzują się dużą dynamiką i sprawnością pomiarową oraz zwieńczone są uzyskaniem wysokiej jakości wyników.

Sondy skanujące znakomicie spełniają swoją funkcję w działach kontroli jakości i monitorowania procesów produkcyjnych, (np. obróbki ubytkowej, formowania wtryskowego). Są także niezbędne podczas naprawy wyprodukowanych części i odwzorowania geometrii - tworzenia trójwymiarowych modeli już istniejących obiektów.

Przykładowo sondy skanujące firmy Renishaw powszechnie używane są w przemyśle lotniczym, kosmicznym, motoryzacyjnym, medycznym i precyzyjnym (m.in. w produkcji zegarków i obróbce mechanicznej). Są to produkty oferujące pełny zakres funkcji, który doskonale odpowiada na potrzeby precyzyjnych zastosowań przemysłowych.

Gdzie sonda dotykowa w przemyśle?

Narzędzie pomiarowe, które podczas wykrywania punktów bezpośrednio styka się z powierzchnią przedmiotu, służy do dokładnego określania jego cech i tolerancji geometrycznych: wymiarów, kształtu, położenia nietypowych detali np. otworów i nacięć.

W związku z wysoką precyzją pomiarową, o wyposażenie w sondy dotykowe powinny starać się zwłaszcza te przedsiębiorstwa, których głównym profilem działalności jest produkcja. Konkretnym przykładem ich zastosowania jest mierzenie części samochodowych m.in. elementów silnika. Kluczowe jest tutaj przyleganie końcówki sondy do mierzonej powierzchni, aby uzyskać niezawodne pomiary.

Sondy te są dostępne w naszej ofercie, gwarantując najwyższą jakość i niezawodność pomiaru detalu.

Pozycja sondy elektrostykowej w przemyśle

Sonda elektrostykowa zajmuje ważne miejsce w przemyśle, zwłaszcza w kontekście precyzyjnych pomiarów na maszynach CMM. Dzięki swojej niezawodności i dokładności, jest powszechnie stosowana do kontroli jakości w produkcji komponentów o wysokiej precyzji. Jej działanie opiera się na mechanicznym kontakcie trzpienia z powierzchnią mierzonego obiektu, co umożliwia dokładne odczytywanie wymiarów geometrycznych. Sonda elektrostykowa jest ceniona za trwałość, prostotę obsługi oraz szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, od motoryzacji po lotnictwo.