Fejlett alumínium ötvözet váltja a koordináta-mérőgépek vázában használt gránitot

A koordinálta-mérőgép (CMM) felhasználók ismereteinek bővülésével, a gránit alapú gépek egyre elavultabbá válnak – derült ki egy friss tanulmányból.

Egy koordináta-mérőgépet manapság ritkán telepítenek tökéletes működési hőmérsékletű (20 ± 0,5 °C-os) környezetbe. Következésképpen, a CMM-ek szerkezetében használt anyag kritikus jelentőséggel bír a maximális pontosság tekintetében. A korszerű koordináta-mérőgépek ennek megfelelően lényegesen pontosabbak, mint amit a korábbi – a szerkezeti anyagtudomány szempontjából kevésbé kritikus – generációk kínáltak.

Az első, több mint 40 évvel ezelőtt épített CMM-ek gépváza gránitból készült. A gránitsíkok, kopásállóságuk, lassú hőreakciójuk és viszonylag alacsony költségeik miatt akkoriban már ismeretesek voltak a gyártóiparban, így logikus lépésnek tűnt, hogy a CMM-ekhez is ezt az anyagot válasszák.

A gyártás során a gránitsíkot csak alap referenciaként használják, a hőmérséklet emelkedésének pedig nincs hatása a funkcióra, amíg a sík sima marad. Nem ez a helyzet ugyanakkor a nagy pontosságú CMM gépvázak építésekor. Minden anyag rendelkezik egy saját hőtágulási együtthatóval, ami bizonyos anyagok esetében nagyobb, mint másokénál.

A CMM-ek vázszerkezetében az elmúlt négy évtizedben gyakran használt anyagokat az 1. ábra mutatja:

fig1_hun

A tanulmány szerint az alumínium hőtágulása 3,5-szerese a grániténak, a leszállított CMM-ek 80%-a ma mégis alumínium vázzal készül. Ennek egyik oka a termikus diffúzió (hőmérséklet-vezetési tényező) sebességével van összefüggésben. A lehető legnagyobb pontosság biztosítása érdekében rendkívül fontos tényező, hogy a mérőgép váza milyen gyorsan reagál a hőmérsékleti változásokra. Valamennyi anyag eltérő hőmérséklet-vezetési sebességgel rendelkezik, mely az alábbi ábrán is jól látszik:

fig2_hun

Termikus diffúzió

Az alumínium hőmérséklet-vezetési tényezője 60-szor gyorsabb, mint a gránité. Ez valójában kevesebb hőnövekedést eredményez, mint a gránit, mivel az alumínium hőszivattyúként működik, és gyorsabban stabilizálódik a megváltozott hőmérsékleten. A gránit nyolc órát vesz igénybe a hőváltozások teljes eloszlatásához, és tekintve, hogy a műszakváltás jellemzően nyolc óránként esedékes, könnyen lehet, hogy egy műszak végén a gránit még éppen stabilizációs fázisban van. Egy pont az alumíniumnak.

A termikus diffúzió tehát az egyik – de közel sem az egyetlen – fő oka annak, hogy a modern CMM vázak fejlett alumíniumötvözetből készülnek!

Hiba kompenzáció

Manapság minden CMM hibakompenzált, hiszen az előírt térfogati pontosságot képtelenség kizárólag a beépített mechanikus pontossággal elérni. Még a gránit mérőgépeknek is elkészítik a hibatérképét. A CMM-ek 21 fokú hibakompenzációval rendelkeznek, ami valós időben korrigálja a mérőszoftverben az X-Y-Z pozíciókat (3. ábra). A gépek mérőléceit szintén össze kell vetni egy lézeres referencia-szabvánnyal, az esetleges hibákat pedig ugyanúgy fel kell térképezni.

fig3

A CMM-ek pontosságát a mérőlécek adják

A mérőléceket kizárólag a CMM-ek szerkezetének referencia oldalán kell rögzíteni (lebegő skála), ezzel téve lehetővé a gép skáláktól független mozgását (4. ábra). Ezt úgy lehet elérni, hogy a skálákat egy pályára szerelik. A legtöbb gránit CMM gyártó közvetlenül a gránitsíkra ragasztja a skálát, ezzel további, a szerkezet tágulásából eredő hibákat idézve elő.

fig4_hun

A nehéz gránit mérőgépek mozgatásához nagy teljesítményű motoros hajtásra is szükség van. Ezek a motorok további hőt termelnek, ami közvetlenül a gépvázon oszlik el, újabb hibákat eredményezve. A gránit CMM gyártók általában hűtőventilátorokat telepítenek a gép burkolatába, hogy ezen helyi hőforrások gépvázra gyakorolt hatását csökkenteni tudják. Újabb pont az alumíniumnak.

Hőkompenzáció

Számos gyártó biztosít hőkompenzációt koordináta-mérőgépein. A skálák hőmérséklete folyamatos ellenőrzés alatt áll, a hibatérkép pedig a hőemelkedés függvényében változtatható (5. ábra).

fig5_hun

A gránit, az alumíniummal ellentétben, nem egységes lineáris sebességgel tágul, hőkompenzációja ezért kevésbé pontos, mint egy alumínium vázas gép esetében. Ismét egy pont az alumíniumnak.

Hővisszaverődés

Az alumínium a sugárzott hő körülbelül 90%-át visszaveri, a felvett hőnek pedig csak kis százalékát bocsátja ki. Ez az alacsony átvitel teszi az alumíniumot ideális CMM anyaggá, hiszen a hőváltozások abszorpciója kuclsfontosságú a mérőgépek hosszútávú pontosságához (6. ábra).

fig6_hun

Szintén jól dokumentált tény, hogy a sötét színek (fekete gránit) jobban melegszenek, mint a világosak (ezüst alumínium). Ez pedig egy újabb negatív faktor a gránit tekintetében, így egyben újabb előny az alumínium mellett.

Páratartalom

A gránit egy porózus anyag, ami nedves légkörben szivacsként viselkedik és nedvességet szív fel. Ez szerkezeti deformitásokat, tehát esetleges mérési hibákat eredményezhet, amely ráadásul nem is kompenzálható. Magas páratartalmú terekben nem is javallott a gránit gépvázas CMM-ek használata.

fig7_hun

A csak gránit CMM mítosza – NEM CSAK GRÁNIT!

Hogy egy koordináta-mérőgép váza csak gránitból van, csupán mítosz. A légcsapágyak és a központi szán alumíniumból készül. A függőleges hídgerenda tartóoszlopokat szintén jellemzően alumíniumból vagy acélból gyártják, így csak a hídgerenda és a Z-oszlop készülnek gránitból. A gránit CMM-ek ebből adódóan a hőváltozás következtében nem egyenletesen tágulnak.

Z-tengely merevség

A koordináta-mérőgépek Z-tengely merevsége kritikus a pontosság szempontjából. Minél nagyobb a Z-tengely mérési tartománya, annál fontosabb a merevség. Amint az a 7. ábrán is látható, az alumínium rugalmasságai együtthatója 33%-kal merevebb, mint a szilárd gránité. A gránitból készült Z-oszlopokat süllyesztik, hogy csökkentség a tömeget és lehetővé tegyék a kábelezést, tovább rontva ezzel merevségüket. Ebből kifolyólag, egyes gyártók, a magasabb CMM-ekhez inkább kerámiát használnak a Z-oszlopok kialakításához. Az alumínium ezzel megszerezte ötödik pontját.

Összefoglalásképpen… Milyen is a tökéletes CMM szerkezet?

  • Könnyű, nagy hőt termelő motorok nélkül is megfelelő dinamikát kínáló CMM szerkezet
  • Lebegő mérőlécek
  • Hővisszaverő anyagból készült gépváz
  • Hőváltozásra gyorsan reagáló anyagból készült gépváz
  • Lineáris, jósolható tágulással rendelkező gépváz
  • Páratartalom által nem befolyásolt anyagú gépváz
  • Általános anyagból gyártott gépváz komponensek
  • Merev Z-oszlopok

Ezen okokból kifolyólag, az évente előállított koordináta-mérőgépek több mint 80%-át alumínium gépvázzal építik, a gránit vázas berendezések pedig szinte kizárólag kínai és indiai ellátóktól származnak. 

Megosztás
[
    ]