Przenośne przyrządy do pomiaru nierówności powierzchni

Działanie profilometrów 

Analizując konstrukcję profilometrów stykowych, można w nich wyróżnić dwa układy: mechaniczny, wraz z głowicą pomiarową, i elektroniczny, odpowiedzialny za sterowanie, zbieranie danych i prezentację wyników. Za przesuw końcówki pomiarowej po mierzonej powierzchni odpowiedzialna jest jednostka napędowa. Jej zakres zależy od możliwości profilometru i wynosi od kilkunastu milimetrów dla prostych konstrukcji przenośnych do ponad 200 milimetrów dla niektórych konstrukcji stacjonarnych. Z punktu widzenia wymagań norm związanych z odcinkiem elementarnym dla samych tylko nierówności w zupełności wystarczy kilkanaście milimetrów. 

Jednostka napędowa posiada prowadnicę wykonaną z dużą precyzją, szczególnie gdy ma umożliwić pomiary za pomocą głowic bez ślizgacza. Wymagana płaskość jest wtedy na poziomie najwyżej kilku dziesiątych części mikrometra, a zdarza się, że nie przekracza 0,1 μm. Jednostka napędowa w profilometrach przenośnych jest swobodna (trzymana w ręku operatora) lub mocowana na prostych statywach. Na końcu jednostki napędowej mocowana jest głowica pomiarowa. Ten bardzo precyzyjny układ zbierający dane z powierzchni i wysyłający je do dalszego przetwarzania może mieć różne konfiguracje, co opisano w dalszej części artykułu. Obróbka sygnału następuje w jednostce sterująco-obliczeniowej, zawierającej płytki kontrolujące działanie części mechanicznej, przetwarzające sygnał pomiarowy na cyfrowy i gromadzące dane oraz posiadającej oprogramowanie pomiarowe umożliwiające obliczanie parametrów nierówności, filtrację, obróbkę profilu i raportowanie oraz różne inne możliwości, zależnie od fantazji twórców.

Głowice bez ślizgacza

Sygnał z mierzonej powierzchni zbierany jest przez głowicę pomiarową, pokazaną na rys. 2.

Wśród stykowych głowic pomiarowych występują dwa rodzaje rozwiązań: ze ślizgaczem i bez ślizgacza.

W głowicach bez ślizgacza bazą odniesienia jest powierzchnia geometrycznie prawie idealna, a przedmiot mierzony jest w kontakcie tylko z końcówką pomiarową. Głowice bez ślizgacza (rys. 3) bardzo dobrze nadają się do pomiarów nierówności powierzchni, jako że pozwalają na odwzorowanie wszystkich ich składowych: chropowatości, falistości i wybranych odchyłek kształtu (w swoim zakresie pomiarowym). Poza tym, z uwagi z jednej strony na małe wymiary (brak ślizgacza), a z drugiej na możliwe do wykonania większe długości ramion (większy pionowy zakres pomiarowy), głowice te można stosować w szerszym zakresie aplikacyjnym, poczynając od małych otworów i krótkich odcinków, a kończąc na dużych krzywiznach.

Głowice bez ślizgacza mocowane są w uchwycie sztywnym (rys. 4), dzięki czemu mierzone są wychylenia ostrza w stosunku do bardzo dokładnie wykonanej prowadnicy.

Głowice ze ślizgaczem 

W przypadku głowic ze ślizgaczem pionowe przemieszczenie końcówki pomiarowej związane jest z przemieszcze
niem pionowym ślizgacza, a wartość sygnału jest różnicą tych dwóch przemieszczeń. Ślizgacz stał się rozwiązaniem na uniknięcie kosztownego wykonania dokładnych prowadnic. Ponadto głowice pomiarowe ze ślizgaczem są raczej niewrażliwe na drgania, a zatem ślizgacz sprawdził się jako układ znieczulający przyrząd na drgania, co jest nie bez znaczenia na przykład przy pomiarach bezpośrednio na hali produkcyjnej lub nawet na obrabiarce. Ślizgacz jest filtrem mechanicznym i powoduje nie zawsze pożądaną modyfikację sygnału uzyskiwanego z powierzchni rzeczywistej. Głowice ze ślizgaczem produkowane są w dwóch odmianach: z jednym ślizgaczem (rys. 5) i z dwoma ślizgaczami, co jest rozwiązaniem stosowanym bardzo rzadko.

Głowica ze ślizgaczem pojedynczym stosowana jest do zadań ogólnych pomiaru chropowatości powierzchni o różnej geometrii w skali makro – zarówno płaskich, jak i walcowych (zewnętrznych i wewnętrznych). Podwójny ślizgacz wykorzystuje się do pomiaru chropowatości powierzchni zakrzywionych, jak np. walce. Generalnie pomiary głowicami ze ślizgaczem umożliwiają jedynie analizę chropowatości, a głowice mocowane są w uchwytach wahliwych (rys. 6), co pozwala ślizgaczowi na swobodne „płynięcie” po mierzonej powierzchni. 

Ślizgacz może opierać się na wierzchołkach nieleżących na trasie końcówki pomiarowej, przez co nie ma pojedynczego przekroju wyznaczającego ruch ślizgacza. Ważnym aspektem jest też sama wartość wzdłużnego promie nia zaokrąglenia ślizgacza w stosunku do wielkości nierówności. Jeśli jest ona bardzo mała, ślizgacz dubluje rolę końcówki pomiarowej i nie ma działania filtrującego, a może jedynie powodować dodatkowe błędy. Dopiero przy odpowiednio dużej wartości ślizgacz staje się prawdziwym filtrem mechanicznym.

Porównanie profili zmierzonych za pomocą przyrządów bez ślizgacza, z jednym ślizgaczem i z dwoma zaprezentowano na rys. 7. Różnice w wyglądzie profili będą mieć wpływ na wartości parametrów wysokościowych opisujących maksymalne cechy profilu.

Elementy głowicy pomiarowej

Końcówka pomiarowa głowicy

Głowica w układzie pomiarowym spełnia dwa podstawowe zadania: po pierwsze, służy jako precyzyjny uchwyt do końcówki pomiarowej, a po drugie, jest w niej zabudowany przetwornik zamieniający sygnał mechaniczny na elektryczny. Dwa jej najważniejsze elementy z punktu widzenia dokładności zbierania i przetwarzania danych to końcówka pomiarowa i przetwornik. Końcówka, czyli diamentowe ostrze, jest przeważnie stożkiem z wierzchołkiem kulistym o kącie wierzchołkowym 90° ± 5’ lub 60° ± 5’ i promieniu zaokrąglenia wierzchołka 2 μm ± 1 μm lub, dla większych nierówności, 5 μm ± 2 μm, a nawet 10 μm ± 3 μm. Nacisk ostrza powinien być z jednej strony na tyle mały, żeby nawet powierzchnie stosunkowo miękkich materiałów nie uległy zniszczeniu podczas pomiaru, a z drugiej na tyle duży, aby końcówka nie odrywała się od mierzonej powierzchni. Zgodnie z zaleceniami nacisk powinien się mieścić w granicach od 0,6 do 2,0 mN. Dla typowych nacisków stosowanych w końcówkach pomiarowych i typowych wielkości pola kontaktu nacisk powierzchniowy ma wartość ok. 2,5 kN/mm2, czyli mniej niż wynosi granica plastyczności dla większości materiałów stosowanych w budowie maszyn. 

Przetwornik pomiarowy

Drugim kluczowym elementem głowicy pomiarowej jest przetwornik pomiarowy. Największą popularność zdobyły przetworniki indukcyjne. Próbowano stosować układ z ruchomą cewką, ale z uwagi na dynamikę jego sygnał wyjściowy bardziej zależy od prędkości końcówki niż położenia. Lepsze okazało się rozwiązanie oparte na układzie LVDT, gdzie dwie cewki nawinięte są na przeciwległe ramiona rdzenia w kształcie litery E (rys. 8).

Ramię środkowe związane jest z końcówką pomiarową poprzez ostrze nożowe i w ten sposób nierówności powierzchni powodują zmiany szczeliny na obu ramionach zewnętrznych. Tego typu przetworniki do dziś są powszechnie stosowane w wielu komercyjnych przyrządach pomiarowych. Zasadniczą wadą przetworników indukcyjnych jest to, że ich rozdzielczość i dokładność wyraźnie pogarszają się ze wzrostem zakresu pomiarowego, co zmusza do mocnego ograniczania zakresu przy dokładnych pomiarach.

Trudny wybór profilometru

Oczywiście każdy profilometr (nawet przenośny) ma jeszcze wiele innych elementów warunkujących jego przydatność aplikacyjną. Zastanówmy się zatem, na co warto zwrócić uwagę, wybierając go z oferty rynkowej.

Istota poprawnego odwzorowania profilu tkwi w głowicy, a zatem warto upewnić się, że zgodnie z wymaganiami norm ma ona promień zaokrąglenia wierzchołka wynoszący 2 mikrometry. Poza tym głowica powinna mieć dobrą stabilność wskazań w długim czasie użytkowania. Jeśli producent umożliwia, a wręcz zaleca, okresową regulację wskazań dokonywaną przez użytkownika, to taki system pomiarowy nie będzie budził zaufania ani wytrawnego pomiarowca, ani potencjalnego auditora. Regulacje wskazań powinny więc być jedynie domeną serwisu w czasie przeglądów okresowych, i to tylko, jeśli jest to absolutnie niezbędne. Poza tym przyrząd przenośmy powinien mieć akumulatory zasilające pozwalające na stabilną pracę oraz dogodne ładowanie. Przydaje się także możliwość pracy na zasilaniu z sieci.

Elektronika powinna umożliwiać wybór co najmniej trzech najpowszechniejszych odcinków elementarnych, a mianowicie: 0,25 mm, 0,8 mm i 2,5 mm. Ponieważ pomiarów często dokonuje się na powierzchniach krzywoliniowych, zalecane jest, aby maksymalny zakres pionowy nie był mniejszy od 300 mikrometrów. Drukowanie wyników powinna umożliwiać drukarka (najczęściej na papier termiczny w rolce), wbudowana lub będąca oddzielnym modułem, albo złącze typu USB czy Bluetooth pozwalające podłączyć przyrząd do komputera zewnętrznego.

Ważnymi elementami tego ostatniego są wewnętrzna pamięć wyników pomiarów i odpowiednie oprogramowanie, dzięki którym można wykonać serię pomiarów, a potem wygodnie przetransferować wyniki (lub nawet całe profile) w celu dokonania obróbki danych. W zależności od wymagań można spotkać przyrządy podające wartości tylko trzech najpopularniejszych parametrów, a mianowicie: Ra, Rt i Rz, albo takie, których elektronika oblicza kilkadziesiąt parametrów według różnych norm. i tu ważna informacja: jeśli wymagane są tylko parametry z rodziny R, to można je mierzyć głowicami ze ślizgaczem, ale jeśli pojawi się parametr z rodziny W lub P, to bezwzględnie wymagana jest głowica bez ślizgacza. Przyrząd przenośny powinien być wyposażony w wygodną walizkę, w której można go transportować w dowolne miejsce hali produkcyjnej lub środowiska.

Bardziej wymagający użytkownicy docenią również pewne elementy ułatwiające pracę, a mianowicie kolorowy wyświetlacz (na którym pojawiają się parametry, profile, krzywe, statystyka itp.), tolerancje, wbudowane programy pomiarowe, możliwość mierzenia w pozycji odwróconej, tzw. do góry nogami, i w pozycji pionowej, a nawet obrót głowicy o 90° wokół osi pionowej i pomiar w kierunku poprzecznym. Można również pomyśleć o statywie rozbudowującym przyrząd przenośny do małego stanowiska pomiarowego i wzorcu do kontroli wskazań.