Công nghệ đo tiếp xúc và quang học

Vì các yêu cầu về chất lượng chi tiết luôn tăng lên, việc kiểm tra các khía cạnh hình học bao gồm tài liệu dễ hiểu là điều cần thiết trong quá trình sản xuất hiện nay. Trước khi mua một hệ thống đo lường 3D mới, câu hỏi cơ bản đặt ra là công nghệ nào phù hợp nhất cho nhiệm vụ đo lường tương ứng. Có cần một hệ thống đo 3D tiếp xúc để chụp tất cả các điểm đo có liên quan bằng đầu dò đo không? Hay một hệ thống đo 3D quang học thích hợp hơn để số hóa toàn bộ bề mặt theo cách không tiếp xúc? Bài viết này giải thích các chức năng cơ bản của cả hai phương pháp và điều tra những lợi thế, sự khác biệt và các lĩnh vực ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô.

Trong lĩnh vực kiểm tra mẫu gia công kích thước, máy đo tọa độ (CMM) là hệ thống được biết đến nhiều nhất trong công nghệ đo lường truyền thống. CMM hoạt động với các hệ thống đo tiếp xúc hoặc quét. Đối với phép đo, đầu dò được đặt tại điểm đo mong muốn. Tùy chọn, bảng xoay có kiểm soát có thể được sử dụng để xoay một bộ phận. Phần mềm đo lường được kết nối tính toán các phần tử hình học từ các điểm riêng lẻ đã chụp và lấy các giá trị thực tế từ các điểm này cho các đặc điểm đối tượng phải được kiểm tra.

Công nghệ đo tiếp xúc thuyết phục đặc biệt với độ chính xác tuyệt đối rất cao và do đó vẫn là lựa chọn đầu tiên để đo các bộ phận có độ chính xác cao. CMM tĩnh có thể đo các điểm với độ chính xác một phần nghìn milimet. Tính đến hôm nay, độ chính xác cao như vậy vẫn chưa thể đạt được với công nghệ đo 3D quang học.

Công nghệ đo 3D quang học rất phù hợp nếu các yêu cầu về độ chính xác chỉ trong phạm vi một phần trăm milimet. Nếu bạn muốn có được một hệ thống đo lường mới và không chắc chắn liệu bạn muốn có một hệ thống tiếp xúc hay quang học, tìm ra độ chính xác nào là cần thiết là điều đầu tiên cần làm. Một quy tắc đơn giản cho rằng độ chính xác hệ thống của hệ thống đo luôn phải tăng lên theo hệ số từ năm đến mười so với dung sai yêu cầu cao nhất được đo. Điều này có nghĩa là: Nếu dung sai của một đặc tính là, ví dụ, 0,1 mm, thiết bị đo phải có độ chính xác ít nhất 0,02 mm.

Trong ngành công nghiệp ô tô, bánh răng, trục khuỷu và khối động cơ là những đối tượng cổ điển cho các phép đo tiếp xúc: Dung sai và độ chính xác cần tuân thủ của các bộ phận này đòi hỏi mức độ chính xác cao nhất có thể. Một thiết bị từ ngành công nghiệp ô tô thường yêu cầu độ chính xác từ 1 µ trở lên. Độ chính xác này hiện hầu như là không thể với các hệ thống đo quang học.

Điều chống lại công nghệ đo lường tiếp xúc là đầu tư thời gian cao nếu mật độ dữ liệu cao hơn được yêu cầu: Việc thăm dò hàng trăm điểm đo trên một mẫu có thể mất nhiều thời gian, đôi khi vài giờ. Do đó, việc kiểm tra hoàn chỉnh hầu như không thể thực hiện được trong sản xuất – vì đầu tư thời gian và vì nhiều CMM thường không thể đặt trực tiếp vào sản xuất. Để tiết kiệm thời gian, có thể giảm số lượng điểm đo, nhưng điều này phải trả giá bằng mật độ dữ liệu. Ở đây, tỷ lệ đầu tư thời gian và mật độ dữ liệu luôn phải được cân nhắc cẩn thận.

Cho dù có bao nhiêu điểm đo được ghi lại dưới sự quan tâm cao nhất: Không thể đo toàn bộ bề mặt của vật đo. Đây là nơi mà công nghệ đo quang học phát huy tác dụng: Công nghệ đo quang học không chỉ nhanh hơn mà còn tạo ra hình ảnh kỹ thuật số của toàn bộ đối tượng đo và do đó cung cấp thông tin chất lượng chi tiết hơn so với công nghệ đo tiếp xúc.

Quy trình đo với hệ thống đo 3D quang học rất đơn giản: Vật thể đo được đặt ở phía trước cảm biến – bằng tay hoặc do robot điều khiển. Sau đó, quá trình thu nhận hình ảnh bắt đầu: Cảm biến đo ghi lại từng bước từng mặt của đối tượng đo. Để chụp toàn bộ bề mặt, hoặc là mẫu được di chuyển, để cảm biến có thể chụp tất cả các khu vực, hoặc chính cảm biến được di chuyển xung quanh mẫu. Sau đó, phần mềm đo được kết nối sẽ tự động chuyển đổi tất cả các phép đo riêng lẻ thành một hệ tọa độ chung. Điều này dẫn đến một đám mây điểm 3D hoàn chỉnh trên bề mặt của vật thể. Dữ liệu đo được tạo ra cho phép kiểm tra khác nhau, ví dụ, so sánh thực tế danh nghĩa toàn diện của hình học đối tượng hoặc kiểm tra các phần tử GD&T. Dựa trên các biểu diễn độ lệch màu, các khu vực có vấn đề có thể dễ dàng được nhận ra và do đó cho phép cải thiện quy trình sản xuất ở đúng vị trí. Bằng cách này, có thể tránh được các vòng lặp không cần thiết.

Một ưu điểm khác của công nghệ đo 3D quang học: Quy trình đo cực kỳ nhanh chóng. Việc số hóa các mẫu phức tạp chỉ mất vài phút – đôi khi chỉ mất vài giây.

Ví dụ về việc sử dụng công nghệ đo 3D quang học có thể được tìm thấy rất nhiều trong ngành công nghiệp ô tô: từ lập kế hoạch quy trình cho các phân tích năng lực máy móc đến kiểm soát chất lượng tự động trong các nhà máy ép và sản xuất thân xe cũng như kiểm tra các bộ phận đúc, rèn và nhựa cho đến tối ưu hóa quy trình trong quá trình lắp ráp cuối cùng.

Đến nay, ngày càng có nhiều hệ thống đo lường được đưa ra thị trường kết hợp cả hai phương pháp đo: CMM có thể được trang bị cảm biến quang học để tăng tốc độ đo và cho phép đo các bề mặt nhạy cảm với cảm ứng. Mặt khác, có thể mở rộng các hệ thống đo quang học với một đầu dò để có thể nắm bắt các khu vực của mẫu khó tiếp cận về mặt quang học, chẳng hạn như hố sâu, hốc hoặc rãnh cắt. Về vấn đề này, một khía cạnh quan trọng cần lưu ý: Độ chính xác của hệ thống đo 3D quang học không thể được tăng lên bởi một đầu dò bổ sung – chỉ có thể nắm bắt các đặc tính đối tượng bổ sung trên các cấu trúc phức tạp.

Để kiểm tra kích thước 3D quang học, ZEISS đã phát triển dòng máy quét 3D công nghiệp ATOS: Máy quét 3D quang học hoạt động không tiếp xúc và cung cấp hình ảnh kỹ thuật số độ phân giải cao của mẫu nhanh chóng. Để làm được điều đó, ATOS kết hợp phần cứng mới nhất với phần mềm thông minh.