Hoppa över navigering

I den vassa änden - en guide till val av mätspetsar för koordinatmätmaskiner

Det finns flera viktiga faktorer som måste beaktas vid fastställning av den lämpligaste mätspetsen.

Faktorer vid val av mätspets

Vid bedömning av en CMM-mätnings noggrannhet används vanligtvis ett förhållande mellan CMM-osäkerheten och funktionstoleransen på minst 1:5 (1:10 vore idealiskt men kan bli alldeles för dyrt och är i de flesta fall inte praktiskt möjligt). Detta förhållande ger en säkerhetsmarginal som säkerställer att resultaten får relativt liten osäkerhet jämfört med detaljens förväntade variationsintervall. Bibehållandet av ett förhållande på 1:5 som lägsta tolerans borde sätta punkt för noggrannhetsargumentet.

Tyvärr kan något så ofarligt som byta mätspets på en prob ha förvånansvärt stor påverkan på den verkliga noggrannhet som kan uppnås, vilket orsakar betydande variationer i mätresultatet. Det räcker inte att förlita sig på den årliga kalibreringen av koordinatmätmaskinen för att kontrollera denna noggrannhet eftersom det endast bekräftar resultatet då mätspetsen används vid testet (som vanligtvis är mycket kort). Detta ger troligtvis den högsta noggrannheten. För att få bättre förståelse för den sannolika precisionen av ett bredare urval av mätningar måste vi uppskatta hur mätspetsen bidrar till mätosäkerheten.

I detta avsnitt beskrivs de fyra huvudsakliga aspekterna vid val av mätspets som påverkar den totala CMM-noggrannheten:

1. Mätspetskulans klotformighet (rundhet)

2. Mätspetsböjning

3. Termisk stabilitet

4. Materialval för mätspetsnål (skanningstillämpningar)

Mätspetskulans klotformighet (rundhet)

De flesta mätspetsar har en kula som är tillverkad i syntetisk rubin. Eventuella brister i spetsarnas klotformighet (rundhet) blir en osäkerhetsfaktor vid CMM-mätning. På detta sätt kan man lätt förlora så mycket som 10 % av CMM-noggrannheten.

Rubinkulor tillverkas med olika precisionsnivåer. Dessa klassificeras sedan beträffande kulans högsta avvikelse i förhållande till en helt perfekt sfär. De två vanligaste kulspecifikationerna är klass 5 och klass 10 (ju lägre klass desto bättre kula). Nedgradering av en kula från klass 5 till klass 10 ger en något billigare mätspets, men detta vara tillräckligt för att riskera 1:5-förhållandet.

Problemet är att kulans klass är omöjlig att upptäcka visuellt och är inte heller helt uppenbar i mätresultatet, vilket försvårar beräkningen av dess betydelse. En lösning är att ange kulor av klass 5 som standard. De är något dyrare men denna kostnad är liten jämfört med vad det kostar att skrota en felfri detalj, eller ännu värre, att godkänna detaljer som inte överensstämmer med specifikationen. Tyvärr gäller att ju mer noggrann koordinatmätmaskinen är desto större effekt har kulans klass. På koordinatmätmaskinen med den högsta specifikationen kan så mycket som 10 % av noggrannheten förloras på detta sätt.

Låt oss titta på ett exempel...

En typisk probfel enligt ISO 10360-2 (MPEP) som fastställts med en mätspets med klass 5-kula:

  • MPEP = 1,70 µm

Detta värde bestäms genom att mäta 25 diskreta punkter, där varje utvärderas som 25 separata radier. De radiella variationsintervallet är värdet MPEP. Mätspetskulans rundhet bidrar direkt till detta. Genom att växla kulans klass från 5 till 10 så ökar således detta värde med 0,12 μm och minskar i detta fall probfelet med 7 %:

  • MPEP = 1,82 µm

Observera att mätspetskulans rundhet även påverkas på MPETHP, som använder fyra skanningsbanor över en sfär för att utvärdera skanningsprobens prestanda.

Anmärkningar:

  • Klotformighet för klass 5-kula = 0,13 µm
  • Klotformighet för klass 10-kula = 0,25 µm

För de mest krävande tillämpningarna erbjuder Renishaw ett stort utbud av mätspetsar med klass 3-kulor med klotformighet på endast 0,08 μm.

Mätspetsböjning

Vid användning av beröringskänsliga mätprober, som t.ex. TP20 enligt industristandard, är det vanligt att växla mellan olika mätspetsmoduler för att dra nytta av olika mätspetsar, där samtliga är optimerade för en viss mätuppgift. Anledningen till att en lång mätspets inte används för alla funktioner är att det finns en noggrannhetsminskning, som ökar med längden på mätspetsen. Det är bra att ha hålla mätspetsen så kort och så styv som möjligt - men varför?

Även om mätspetsen inte är direkt ansvarig för det här specifika felet så förstärks det med mätspetsens längd. Felet beror på den variabla kraft som krävs för att aktivera proben i olika riktningar. De flesta prober leder inte till omedelbar kontakt mellan mätspetsen och komponenten. Istället måste en kraft genereras för att klara givarmekanismens fjäderbelastning. Denna kraft deformerar mätspetsen elastiskt. Tack vare böjningen kan proben förflyttas ett kort avstånd i förhållande till detaljen efter fysisk kontakt och före aktiveringen. Denna förflyttning kallas förrörelse.

De flest probers trekantiga, kinematiska utförande resulterar i att olika krafter krävs för att generera en aktivering. I styvare riktningar motstår proben aktivering till ytterligare mätspetsböjning har inträffat. Detta innebär också att koordinatmätmaskinens rörelse blir längre, vilket gör att förrörelsen kommer att variera beroende på ingångsvinkeln (se diagrammet till höger). Denna varierande förrörelse kompliceras ytterligare vid användning av sammansatta ingångsvinklar (X, Y och Z-axlar).

För att minimera denna effekt så kalibreras alla mätspets med ett referensklot av känd storlek före användning. I en perfekt värld hade processen kartlagt felen vid alla olika kombinationer av mätspetsar och ingångsvinklar. I praktiken görs ofta ett vinkelprov för att spara tid, viss genomsnittsberäkning äger rum, och en liten del av felet kan bestå.

Det är svårt att beräkna effekten av denna mätosäkerhet utan att genomföra empiriska undersökningar. Det viktiga är att notera att kvarvarande variationsfel i förrörelsen förstoras av flexibiliteten i den valda mätspetsen. Detta betonar vikten av materialval vid mätspetskonstruktion, vilket väger upp skaftets böjstyvhet i förhållande till dess andra egenskaper som t.ex. vikten och kostnaden. Stål är lämpligt för många korta mätspetsar med elasticitetsmodul E = 210 kN/mm2. Det styvaste materialet som vanligtvis används är dock volframkarbid (E = 620 kN/mm2), men det är kompakt och används därför sällan för långa mätspetsar. I dessa fall ger kolfiber en utomordentlig kombination av styvhet (E ≥ 450 kN/mm2) och låg vikt. Under tiden används ofta keramiska skaft (E = 300 – 400 kN/mm2) i probtillämpningar för verktygsmaskiner för där dess låga vikt och termiska stabilitet.

Mätspetsarnas styvhet påverkas också av mätspetsenheternas kopplingar. Som en tumregel är det, om möjligt, bäst att undvika kopplingar eftersom de kan orsaka hysteres. Detta kanske dock inte är möjligt vid användning av en fast givaren för mätning av komplexa detaljer. I dessa fall kan en konfiguration behövas som är skapad från en rad olika mätspetsar, förlängningar, kontakter och kulleder. Återigen är det viktigt att överväga vilka material som väljs för respektive del eftersom detta kommer att påverka konfigurationens styvhet, vikt och stabilitet.

Termisk stabilitet

Temperaturvariationer kan leda till allvarliga mätfel. Val av rätt material för mätspetsförlängare kan ge ökad stabilitet under varierande förhållanden, vilket ger mer konsekventa mätresultat. Material med låg termisk utvidgningskoefficient föredras. Detta gäller särskilt då långa mätspetsar som används temperaturutvidgning är längdberoende.

Som nämnts tidigare är kolfiber det material som vanligtvis används för långa mätspetsar och förlängningar eftersom materialet är styvt, lätt och inte ändrar längd med temperaturvariationer. När metall krävs, som t.ex. för kopplingar, kulleder, så ger titan den bästa kombinationen av styrka, stabilitet och densitet. Renishaw erbjuder prob- och mätspetsförlängningar med båda dessa material.

Materialval för mätspetsnål

Rubinkulor används som standard för mätspetsnålar för de flesta tillämpningsområden. Det finns dock vissa situationer där andra material är bättre.

Vid beröringskänsliga mätningar kommer mätspetsnålen endast i kontakt med ytan under korta perioder. Dessutom uppstår ingen relativ rörelse. Skanning är annorlunda eftersom kulan glider över komponentens yta, vilket leder till friktionsslitage. Denna långvariga kontakt kan i extremfall orsaka borttagning eller avlagring av material från mätspetskulan som påverkar dess klotformighet. De här effekterna förstärks om en del av kulan ständigt är i kontakt med detaljen. Renishaw har utfört intensiv forskning om dessa effekter och belyser därmed två olika slitagemekanismer:

Slipslitage

Abrasive wear Slipslitage uppstår vid skanning av t.ex. gjutjärnsytor, där små restpartiklar orsakar hårfina repor på mätspetsen och arbetsstycket vilket leder till en liten plan del på mätspetsnålen. Robusta mätspetsnålar i zirkonium är optimala för dessa tillämpningar.

Vidhäftningsslitage

Adhesive wear test 2 Resultat från vidhäftningsslitage när mätspetskulan och komponentmaterialet har en kemisk samhörighet med varandra. Detta kan ses vid skanning av aluminiumdetaljer med en rubinkula (aluminiumoxid). Material passerar från den relativt mjuka komponenten till mätspetsen, vilket resulterar i en aluminiumbeläggning på mätspetsnålen som återigen påverkar dess rundhet. I det här fallet är det bäst att använda kiselnitrid, eftersom det har god slitstyrka och inte attraheras till aluminium.

Övriga faktorer

Ytterligare beaktanden vid val mätspets inkluderar:

  • Mätspetsens gängstorlek ska passa vald givare
  • Mätspetsens typ - rak, stjärnformad, ställbar eller anpassad konfiguration
  • Typ av mätspetsnål - kula, cylinder, skiva, halvklot
  • Mätspetsnålens storlek för att minimera hur ytjämnheten påverkar mätnoggrannheten.

Alla dessa frågor behandlas i mer detalj i Renishaws Broschyr med precisionsmätspetsar

Slutsats

Mätspetsarna är en kritisk del i all mätning och är förbindelselänken mellan givaren och komponenten. De ger tillgång till funktioner kring detaljen och måste troget vidarebefordra ytans läge till proben. För att underlätta en noggrann kontroll måste de vara konstruerade av precisionskomponenter som är tillverkade i material som överensstämmer med mätkraven. Vid val med omsorg kommer korrekt mätspets inte nämnvärt att förhöja risken för osäkerhet utan producerar konsekventa och pålitliga resultat. Vid låg detaljtolerans och krav på längre mätspetsar så måste effekterna av dessa noggrannhetsval övervägas noggrant.