3D měření tvarově složitých dílů v procesu přesného lití pomocí 3D optického skeneru ATOS Compact Scan

Tags: 3D skenování | ATOS | GOM | MCAE

V akciové společnosti PCS používáme optický skener ATOS Compact Scan 2M od firmy GOM. I přes relativně nízké rozlišení kamery (2 000 000 pixelů) jsou dosavadní zkušenosti naprosto vyhovující. Mezi další nezanedbatelné výhody patří jednoduchost skenování – nepotřebujete žádné programování, díl prostě položíte v libovolné poloze bez nutnosti polohování a upnutí a začnete skenovat. Zhruba před rokem stála naše slévárna před problémem měření a prokazování rozměrové shody nově zaváděných dílů. Před rozhodnutím o nejvhodnějším způsobu měření dílů bylo nezbytné zvážit řadu požadavků, které byly mnohdy protichůdné.

Požadavky na odlévané profilové díly

Charakteristickým rysem profilových dílů je složitý tvar s vysokými nároky na přesnost. Výrobek je kombinací přesně obrobených ploch s plochami, které jsou surovým odlitkem.

Aerodynamický profil je definován v jednotlivých řezech tabulkou diskrétních bodů. Dnes slévárna většinou obdrží CAD model, kde proložení správných křivek a ploch řeší zadavatel. Nicméně vyhledání a opakované dodržení referenčních bodů pro ověření shody výrobku s modelem není pro běžné měřicí metody jednoduchou záležitostí.

Specifické požadavky konstruktéra

Tyto požadavky bývají definovány na výkresech. Jedním z nejvýznačnějších faktorů pro funkčnost a účinnost turbíny je proudová cesta. Jejímu měření je věnována největší pozornost. Dodržení tolerance rozměrů profilu v jednotlivých řezech je základní podmínkou. Přesnost se obvykle pohybuje do +/–0,2 mm. Dalším důležitým parametrem je poloha jednotlivých řezů vzhledem k podélné ose lopatky (stacking axis). Vedle prokázaní shody profilu lopatky v jednotlivých řezech (tzv. best fit profilu), které většinou nečiní problémy, požadují konstruktéři prokázání odchylky skutečného profilu lopatky se zohledněním deformací (prohnutí – BOW a zkroucení – TWIST) vůči teoretickému profilu s nedeformovanou stacking axis.

Příklady lopatek plynových turbín

Příklad barevné mapy odlitku segmentu – porovnání s CAD modelem

Specifické požadavky technologa

Všechny díly musí být na vybraných plochách přesně obrobeny a musí mít rozměrovou a hlavně polohovou vazbu na neobrobené profily. Hlavním požadavkem technologa je zajistit upnutí dílu vztažené k finálnímu profilu tak, aby bylo možné obrobit zámek a funkční plochy s využitím přídavků na odlitku. Proto jsou na odlitku definovány tzv. RPS body, ze kterých se vychází při rozměrových kontrolách. Může se stát, že odlitek vyhoví při ustavení na best fit rozměrovým a tvarovým požadavkům, ale po ustavení na RPS body dojde k rozhození některých rozměrů mimo toleranci. Může tak dojít k situaci, že na obráběných plochách nebude dostatek materiálu pro obrábění.
Specifické požadavky slévárny

Úkolem, který od slévárny požaduje zákazník, je dodání odlitku splňujícího zadané specifikace. V této fázi je velice důležitá znalost všech deformací vznikajících ve výrobě, kterou lze získat jen na základě mnoha měření provedených v rámci celého řetězce forma – voskový model – odlitek.

Příklad RPS bodů na CAD modelu lopatky

Zde je těžiště požadavků slévárny na měření. Je nezbytné získat rozměrové informace o formě, voskovém modelu a konečném odlitku a pomocí vhodného softwaru získat porovnatelné počítačové modely z celého průběhu procesu. Na základě těchto údajů je pak možné rozhodnout o způsobu eliminace deformací vzniklých v průběhu výroby.

Po vyhodnocení všech výše uvedených parametrů a podmínek ve slévárně zůstaly ve finále našeho výběru souřadnicové měřicí stroje a bezdotykové měřicí stroje založené na optickém principu.

Porovnání barevné mapy odchylek pro stejnou lopatku ustavenou na objemový best fit a na RPS body

Zkušenosti z předchozích projektů preferovaly nasazení souřadnicových strojů, se kterými byla v dané oblasti bohatá zkušenost. Nakonec bylo však učiněno rozhodnutí zvolit bezdotykové měření na optickém principu. Mezi nabízenými optickými přístroji jsme po finálních prezentacích vybrali zařízení ATOS Compact Scan 2M od firmy GOM distribuované kuřimskou společností MCAE Systems.

V našem případě o výběru rozhodla především následující kritéria:

• Oproti souřadnicovým strojům jsou minimální požadavky na pracovní prostředí a instalaci zařízení. Při minimální péči se celkem dobře snáší i se zvýšenou prašností typickou pro slévárenské provozy.
• Jednoduché uvedení do provozu, snadnost a intuitivnost obsluhy bez nutnosti přípravy měřicích programů.
• Rychlost a jednoduchost měření (skenování), vytvoření kompletního 3D modelu dílu během několika minut (podklad pro kompletní rozměrovou srovnávací barevnou mapu – srovnání s CAD modelem v celém objemu).
• Vysoká flexibilita měření – díky jednoduše vyměnitelným objektivům lze měřit s vyhovující přesností díly v rozsahu od několika mm až do cca 1 m (s uvedeným zařízením).
• Jednoduchost kalibrace a vyhovující přesnost pro požadavky slévárny.
• Schopnost měření relativně „měkkých" a snadno deformovatelných voskových modelů bez speciálních přípravků.
• Schopnost a flexibilita vyhodnocovacího softwaru jak v oblasti vývojových zkoušek, tak i v oblasti opakovaného sériového měření.
• Úroveň a rozsah technické podpory poskytované distribuční firmou MCAE Systems.
• A v neposlední řadě přijatelné náklady na pořízení a provoz zařízení.

Optický skener ATOS používá zdroj modrého (LED) světla a dvou snímacích kamer. Díl je uložen na NC rotačním stole nebo ve speciálním měřicím rámečku. Pokud je upnut v rámečku (vhodné hlavně pro menší lopatky), systém díky referenčním bodům na rámečku umožňuje naskenovat celý díl ze všech stran. Jinak musíme pro získání prostorového modelu provést řadu snímků skenovaného odlitku z různých stran a většinou je tak nutné během skenování odlitek jednou i vícekrát otočit. Kamery nasnímají obrovské množství bodů, ze kterých software vytvoří prostřednictvím trojúhelníkových sítí prostorový model odlitku (pro představu – středně velký odlitek 150×150×150 mm reprezentuje dle tvarové složitosti 150 až 500 tisíc bodů). Tento počet je již zoptimalizován s ohledem na požadovanou přesnost a křivost odlitku (tj. na rovných a pravidelných plochách software automaticky odstraní nadbytečné body, naopak na hranách a rádiusech zachová jejich původní počet).

Rozlišitelnost optických skenerů se dnes v cenově přijatelných hladinách pohybuje od 1 500 000 pixelů. Naše zkušenost ukazuje, že pro potřeby měření lopatek a rozváděčů do jmenovitého rozměru 400 mm ve slévárenské přesnosti vyhoví skenovací zařízení s rozlišením 2 000 000 pixelů. V současnosti představují tato zařízení již spodní cenovou hranici, a lze je tedy pořídit za přijatelné ceny.

Příklad vyhodnocení řezu profilem lopatky, včetně lokálních parametrů BOW a TWIST

Skenování je jen první částí měřicího procesu. Neméně důležitou částí, která bývá často při nákupu měřicího zařízení opomíjena nebo podceňována, je oblast vyhodnocení pomocí specializovaného softwaru. Doporučení je jednoznačné – nešetřete! Raději zvolte menší komfort při měření, ale investujte do dokonalého vyhodnocovacího softwaru. Zde je totiž největší síla optických skenerů. Uspokojivý 3D model získáte za dodržení určitých podmínek i s pomocí levnějších zařízení. O vyhodnocovacím softwaru to již zdaleka neplatí.

Teprve s dokonalým softwarem vynikne síla optického skenu. Software vám totiž dovolí plně využít získaný 3D model. Můžete okamžitě porovnat díl s teoretickým CAD modelem metodou úplného best fitu formou barevné mapy, můžete vytvářet celou řadu libovolných best fitů na jednotlivé části dílu či ustavovat naskenovaný díl a CAD model na libovolné skupiny RPS bodů. Můžete díl libovolně „rozřezat" a řezy opět porovnat s řezy na CAD modelu, můžete dokonce dělat a vyhodnocovat best fit na jednotlivé řezy. Samozřejmě můžete nadefinovat vyhodnocovací řezy a oblasti a získat stejný výstupní protokol jako ze souřadnicového měřicího stroje. Je možné naskenovat voskový model, provést úpravu modelu eliminující smrštění a porovnat jej se skenem skutečného odlitku. Pro odlaďování procesu je nedocenitelná možnost zjistit posunutí a rotaci naskenovaného řezu oproti řezu v CAD modelu. A pokud máte některý ze speciálních modulů, např. modul pro vyhodnocení lopatkových profilů, můžete v podstatě automaticky vyhodnotit většinu standardních charakteristik kontrolovaného profilu. V neposlední řadě bych rád zmínil celou řadu intuitivních softwarových nástrojů k měření rozměrů na naskenovaných dílech. Jedná se např. o „virtuální" posuvné měřítko, talířový mikrometr, obkročné měřidlo atd.

Jak shrnout více než roční zkušenost se systémem ATOS? Celý měřicí systém (3D skener ATOS Compact Scan 2M, rotační stůl, vyhodnocovací software ATOS Professional) více než splnil naše očekávání. Ocenili jsme intuitivnost, pružnost a rychlost měření a následného vyhodnocování. Pracovníci bez předchozích zkušeností s měřicími stroji či zařízeními a bez školení začali provádět základní měření pro výrobu dříve než za týden. Školení však doporučujeme, protože teprve při něm jsme poznali plnou sílu měřicího systému a začali jej efektivně využívat. Dnes po více než ročním provozu měřicí skener využíváme zhruba 12 hodin denně a připravujeme nákup druhé licence vyhodnocovacího softwaru ATOS Professional. Ukazuje se totiž, že samotné měření je velmi rychlé a pro nás již běžnou rutinou. Praxe ukázala, že pokud již máme nasnímaná data jak voskových modelů, tak i finálních odlitků, lze díky možnostem vyhodnocovacího softwaru získávat celou řadu do té doby nedostupných informací o chování celé soustavy forma–model–odlitek. Proto bylo rozhodnuto o nakoupení druhé licence vyhodnocovacího softwaru, která bude využívána hlavně pro vývoj a zavádění nových odlitků. Obavu vzbuzovalo, zda vybrané rozlišení na spodní hranici nebude překážkou, dosavadní praxe však ukázala, že i s tímto cenově dostupným zařízením lze plně uspokojit požadavky kladené na měření odlitků. Vyšší rozlišení by určitě výrazně zvýšilo komfort a rychlost měření, na druhé straně by výrazně vzrostly pořizovací náklady. Zatím se ukazuje, že námi zvolené řešení je pro naše potřeby optimálním kompromisem.

Co se ekonomického přínosu týká, není snadné provést jednoduché vyhodnocení vzhledem k tomu, že popisované zařízení je prvním měřicím zařízením nasazeným v naší slévárně a veškerá předchozí měření byla prováděna u externích dodavatelů ve velmi omezeném rozsahu. Bez investice do vlastního měřicího zařízení bychom nebyli schopni realizovat vývojové programy a získat nové zákazníky. Externí zadávání měřicích zakázek v takovém rozsahu, který dnes potřebujeme pro realizaci nových programů, by firmu finančně neúměrně zatížilo a technicky a časově by ani nebylo možné. Pokud bychom porovnávali návratnost investice na základě externě nakupovaných měření, byla by doba návratnosti necelých osm měsíců.

Závěr

Všechny údaje zmíněné v článku vycházejí z praktických aplikací používaných v PCS při výrobě a vývoji dílů pro přední výrobce plynových turbín. Jedná se o poznatky získané a ověřené na vlastním zařízení.

Více než roční provoz potvrdil, že pro každodenní měření jak běžné produkce, tak i vývojových dílů se jako nejlepší jeví optické měření, které lze ve slušné konfiguraci pořídit a provozovat za velmi rozumnou cenu. Pro speciální účely, jako je měření dutin forem, měření jader či obrobených odlitků, jsou nezbytné optické skenery s maximálním rozlišením, zde se však jedná již o zcela jiné ceny. V oblastech, které nejsme schopni pokrýt naším zařízením, se osvědčila podpora dodavatelské firmy MCAE Systems. Ta nám na svých špičkových skenerech s maximálním rozlišením a za rozumné ceny provádí měření, která nejsme schopni pokrýt naším zařízením. Z hlediska bezproblémového provozu musíme také ocenit technickou podporu od dodavatele, která zahrnuje jak servis a školení, tak i poradenství při řešení složitějších úloh. Výhodou je, že firma MCAE Systems je také distributorem a sama několik těchto skenerů využívá pro komerční účely v nejrůznějších oblastech. Díky této praxi jsou její pracovníci schopni praktického poradenství na té nejvyšší úrovni.

Autor pracuje v akciové společnosti Prague Casting Services

www.praguecast.cz