MOŻLIWOŚCI POMIAROWE MODUŁOWEGO SYSTEMU DO POMIARU I ANALIZY TOPOGRAFII POWIERZCHNI TOPO 01

Tatiana Miller

W związku ze stałym postępem techniki, w każdej dziedzinie produkcji następuje wzrost wymagań dotyczących jakości

elementów, z których powstają złożone mechanizmy. Często od ich jakości, w tym dokładności geometrycznej i jakości
powierzchni (między innymi chropowatości, falistości, prostoliniowości), zależy trwałość wyrobów, a nawet bezpieczeństwo
ludzi. Dlatego też stała kontrola jakości wyrobów staje się wymogiem koniecznym do spełnienia wzrastających wymagań w tym
zakresie.

Do tego celu przydatne są między innymi profilometry i kształtografy, wchodzące w skład modułowego systemu do

pomiaru i analizy topografii powierzchni TOPO 01 (rys.1). Profilom

etry przeznaczone są do pomiaru i analizy chropowatości,

falistości i profilu pierwotnego (bez filtracji), ale mają też pełne możliwości analizy wymiarowej zmierzonego zarysu.
Kształtografy w głównej mierze przeznaczone są do kontroli wymiarowej wyrobów, ale wprowadzona możliwość skanowania
przestrzennego powierzchni, w

zakresie pomiarów kształtu, znacznie rozszerza możliwości zastosowania przyrządów. Pozwala

to np. na kontrolowanie geometrii narzędzi i ocenę ich zużycia.

W zakładach przemysłowych najbardziej rozpowszechnione są proste przyrządy warsztatowe do pomiarów chropowatości,

ale mają one ograniczone możliwości pomiarowe. Przyrządy laboratoryjne są stosowane głównie przez duże laboratoria
pomiarowe oraz tam, gdzie z uwagi na prowadzoną produkcję zaistniała konieczność wprowadzenia bardziej zaawansowanych
metod kontroli jakości. Bardziej złożone systemy pomiarowe, w tym obejmujące pomiary przestrzenne – 3D stosowane są do tej
pory jedynie w laboratoriach wyższych uczelni.

Instytut Zaawansowanych Te

chnologii Wytwarzania w Krakowie (dawniej Instytut Obróbki Skrawaniem) jest jedynym

polskim producentem takich przyrządów. Instytut już w latach 1994 – 2002 wdrażał pierwsze przyrządy do pomiarów
przestrzennych topografii powierzchni, współpracujące z komputerem. Były to profilografometr PGM-1C i kształtograf PG-2/200.
Obecnie opracowane w

Instytucie przyrządy z systemu TOPO 01 są urządzeniami najnowszej generacji, mają znacznie

rozszerzone możliwości pomiarowe w stosunku do wcześniejszych wersji oraz bardzo szeroki zakres analizy zapamiętanych
danych pomiarowych.

Rys 1. Modułowy system do pomiaru i analizy topografii powierzchni TOPO 01

nagrodzony Złotym Medalem MTP na targach INNOWACJE – TECHNOLOGIE – MASZYNY POLSKA 2008

nominowany do Godła „TERAZ POLSKA” dla Przedsięwzięć Innowacyjnych 2009

MODUŁOWY SYSTEM DO POMIARU I ANALIZY TOPOGRAFII POWIERZCHNI TOPO 01

System TOPO 01 przeznaczony jest do pomiarów i analizy profili chropowatości i falistości powierzchni oraz profilu

pierwotnego, zarysów kształtu i ich wymiarowania oraz do pomiarów i analizy przestrzennej powierzchni 3D.

Modułowa struktura systemu TOPO 01 umożliwia kompletowanie stanowisk, w zależności od potrzeb i wymagań

użytkowników. Z modułów systemu można tworzyć oddzielne przyrządy przeznaczone do pomiarów chropowatości -
PROFILOMETR

TOPO 01P (rys.2) oraz kształtu - KSZTAŁTOGRAF TOPO 01K. Modułowa struktura systemu pozwala na

rozszerzanie jego konfiguracji sprzętowej w trakcie eksploatacji, w miarę zmieniających się potrzeb pomiarowych i możliwości
finansowych użytkownika.

Oryginalne, własne oprogramowanie opracowane zostało z uwzględnieniem specyficznych potrzeb systemu pomiarowego

i zgodnie z

obowiązującymi w tym zakresie normami PN-ISO i ISO. Należy pamiętać że normy te zmieniane są sukcesywnie od

roku 1997. Program analizy zawiera też wyprzedzająco elementy analizy stereometrycznej, które dopiero będą w najbliższym
czasie wprowadzone przez ISO. Opracowanie tych algorytmów programu zgodne jest z zawartością projektów norm ISO/DIS
25178-2 Geometrical product specifications (GPS)

— Surface texture: Areal. Part 2: Terms, definitions and surface texture

parameters, 2008 oraz ISO/DIS 25178-3 Geometrical product specifications (GPS)

— Surface texture: Areal. Part 3:

Specification operators, 2007.

Sz

eroki zakres możliwości pomiarowych i wieloaspektowe, rozbudowane oprogramowanie umożliwiają przeprowadzenie

pełnej analizy topografii zmierzonej powierzchni: chropowatości, falistości, prostoliniowości i kształtu, zarówno dla pojedynczych
przekrojów jak i dla pomiarów przestrzennych 3D oraz analizę wymiarową geometrii przekrojów, w tym również mikrogeometrii.
Mając tak rozbudowany i szeroki zakres analizy, system TOPO 01 pozwala na przeprowadzanie zaawansowanych badań
naukowych. Na podstawie analizy wielu

różnorodnych parametrów, wyznaczanych funkcji i rozkładów możliwa jest np. analiza

wpływu parametrów technologicznych procesów stosowanych w czasie obróbki na własności tribologiczne powierzchni
podczas jej eksploatacji.

Charakterystyczną cechą systemu jest możliwość skanowania przestrzennego powierzchni w zakresie mikro

(chropowatość) i makro (kształt) oraz ich analiza. Pozwala to np. na kontrolowanie geometrii narzędzi i ocenę ich zużycia.

ZAKRES ZASTOSOWANIA PRZYRZĄDÓW

Zakres zastosowań modułowego systemu pomiarowego TOPO 01 to pomiary elementów wykonanych tradycyjnymi

ubytkowymi metodami obróbki (frezowanie, szlifowanie, toczenie, docieranie, honowanie, itp.) oraz niekonwencjonalnymi
metodami obróbki (ultradźwiękowa, laserowa, strumieniem elektronów, jonów lub wiązką plazmy, obróbka strumieniowo–
ścierna, elektroerozyjna, elektrochemiczno–ścierna i inne).

Przyrządy mogą być wykorzystane w tribologii (ocena nacisków powierzchni w kontakcie, smarowania, pomiary

rzeczywistej powierzchni kontaktu, analiza

tarcia, zużycia, odkształceń) oraz dla powierzchni poddawanych procesom

chemicznym, a także w wielu innych dziedzinach nie związanych bezpośrednio z budową maszyn: w naukach medycznych
i

bioinżynierii (badania powierzchni kości, zębów, endoprotez), np. w biologii, elektronice i wielu innych. Przy zastosowaniu

odpowiednich końcówek pomiarowych możliwy jest nawet pomiar powierzchni drewna, gumy i papieru.

System może znaleźć szerokie zastosowanie do badań w zakresie mikrotechnologii wytwarzania. Jest znacznie tańszy

od podobnych urządzeń zagranicznych, w szczególności od urządzeń optycznych, a umożliwia pomiary parametrów struktury
geometrycznej powierzchni w zakresach poniżej 1



m, w tym

pomiary i wymiarowanie mikrokształtów.

ELEMENTY SYSTEMU



zespół pomiarowo-sterujący TOPO 01



kolumna z płytą granitową 750 x 450 mm



zespół przesuwu do pomiarów chropowatości TOPO L50 lub TOPO L120



zespół przesuwu do pomiarów kształtu TOPO L200 lub TOPO L120



czujniki do pomiaru chropowatości: S250, BS250, BS1000



czujnik do pomi

aru kształtu PG40



programy pomiarowo-

sterujące i analizy dla chropowatości i kształtu w wersjach 2D i 3D oraz dowolny komputer

PODSTAWOWE DANE TECHNICZNE



zakres pomiarowy głowic profilometru (oś Z)

1000



m lub 250



m



zakres pomiarowy głowic kształtografu (oś Z) 40 mm



odcinki pomiarowe profilometru (oś X)

do 120 mm



odcinki pomiarowe kształtografu (oś X)

do 200 mm



zakres skanowania 3D (oś Y)

25 mm -

standard (możliwość opcji)

Rys.2. Profilometr TOPO 01P

PROGRAM ANALIZY PROFILU 2D
Prog

ram analizy profilu 2D umożliwia obliczanie parametrów wg

aktualnych norm ISO i PN-ISO, generuje najbardziej
rozpowszechnione funkcje i charakterystyczne krzywe, oblicza
statystykę parametrów. Umożliwia wymiarowanie zarysów profilu
w zakresie mikrogeometrii.

Analiza przeprowadzana jest dla następujących rodzajów profilu:
Profil R -

profil chropowatości

Profil W -

profil falistości

Profil P - profil pierwotny



parametry wg aktualnych norm ISO i PN -ISO

oraz dodatkowo inne

– nieznormalizowane,



programowe filtry profilu - Gaussa z

korekcją fazy

wg PN-EN ISO 111562 oraz wg PN-EN ISO 13565-1,



najbardziej rozpowszechnione funkcje

i charakterystyczne krzywe,



statystyka parametrów:

XQ, s, Rs, MIN, MAX,



możliwość wymiarowania zarysów profilu,



obliczanie pól pod i nad profilem na wybranych odcinkach,



eksport punktów profilu i parametrów 2D - formaty txt, xls,



dowolne redagowanie protokołów pomiarowych.

Parametry 2D
Wyznaczane są dla profili R,W,P
zgodnie z PN-EN ISO 4287, PN-EN ISO 13562-2 .
Dodatkowo wyzn

aczane są parametry nie ujęte w aktualnych

normach, a przydatne w

analizach porównawczych i prowadzonych

pracach badawczych (rys. 3).

Rys.3. Dostępne w programie parametry 2D

Funkcje i charakterystyczne krzywe



krzywe udziału materiału - Abbotta Firestona,



krzywa gęstości amplitudowej,



symetryczna krzywa nośności,



rozkład liczby wierzchołków,



funkcja autokorelacji,



funkcja widmowej gęstości mocy.

Rys.4. Przykłady analizy 2D i 3D powierzchni zmierzonej profilometrem TOPO 01vP

PROGRAM ANALIZY PRZESTRZENNEJ 3D PROFILU
I KSZTALTU

Program analizy przestrzennej 3D pozwala na rysowanie

widoku

izometrycznego,

tworzenie

map

warstwicowych

i

wyznaczanie parametrów przestrzennych (rys. 5). Możliwe jest też

ob

liczanie objętości materiału na wybranych obszarach powierzchni

płaskiej, walcowej i kulistej oraz obliczanie promieni z wycinków kuli
i walca.



rysowanie widoku izometrycznego,



tworzenie map warstwicowych,



wyznaczanie parametrów przestrzennych chropowatości,
falistości i powierzchni pierwotnej (R,W,P),



możliwość wybierania profili do analizy 2D oraz do
wymiarowania,



obliczanie objętości materiału lub ubytku materiału na
wybranych obszarach powierzchni płaskiej, walcowej i kulistej,



obliczanie promieni z wycinków kuli i walca,



eksport pun

któw powierzchni i parametrów 3D - formaty txt, xls.

Rys. 5. Dostępne w programie parametry 3D

PROGRAM ANALIZY ZARYSU KSZTA

ŁTU 2D

Program analizy zarysu kształtu 2D umożliwia wymiarowanie odległości, kątów oraz promieni, często z bardzo krótkiego
i

trudno dostępnego wycinka zarysu. Dla potrzeb kontroli produkcji seryjnych dostępne jest automatyczne wymiarowanie

zarysów kształtu jednakowych elementów. Jest to szczególnie przydatne do wymiarowania skomplikowanych kształtów,
o powtarzalnych zarysach. P

rzykłady analizy 2D i 3D powierzchni zmierzonej kształtografem TOPO 01K przedstawiono na

rys. 6.



wymiarowanie odległości punktów z pomiaru oraz punktów wyznaczanych analitycznie, np. środków okręgów, punktów
przecięcia prostych, punktów przecięcia okręgów, punkty przegięcia profilu i wiele innych,



wyznaczanie prostych i okręgów wg różnych algorytmów, np. prostych równoległych, prostopadłych, stycznych, okręgów
średniokwadratowych, stycznych do profilu, do dwóch prostych, wpisany itp.,



wyznaczanie kątów, w tym między bardzo krótkimi odcinkami zarysu, kąty do pionu i poziomu,



wyznaczanie promieni i odchyłek od promienia z wycinka okręgu,



obliczanie pól pod i nad profilem z wybranych odcinków,



automatyczne wymiarowanie zarysów kształtu jednakowych elementów,



e

ksport punktów zarysu kształtu - formaty txt,xls,



dowolne redagowanie protokołów pomiarowych i wybór parametrów edycji okienek ekranów.

Rys. 6. Przykłady analizy 2D i 3D powierzchni zmierzonych kształtografem

WYPOSAŻENIE DODATKOWE
Oferowane dodatkowe wyposażenie systemu (rys. 7)
ułatwia wykonywanie pomiarów i rozszerza podstawowe
możliwości pomiarowe przyrządów:



stolik ustawczy:

przesuwy w osiach X i Y - 25 mm
obrót



5



w

płaszczyźnie XY,

poziomowanie w

płaszczyznach XZ i YZ,



imadło obrotowe na przegubie kulowym,



stolik skaningowy z układem sterowania,

standardowy zakres przesuwu w osi Y to 25 mm,
opcjonalnie - do uzgodnienia.

System TOPO 01 jest bardzo nowoczesnym narzędziem

pomiarowym,

umożliwiającym

przeprowadzanie

pomiarów

stereometrycznych powierzchni i wyposażonym w wieloaspektowe
oprogramowanie, które pozwala na pełną analizę topografii zmierzonej
powierzchni. Wszystkie te czynniki powodują, że system TOPO 01 jest
szczególnie przydatny do przeprowadzania zaawansowanych badań
naukowych.

Rys. 7. Wyposażenie dodatkowe

Jest to oryginalne opracowanie IZTW i nie ma krajowych odpowiedników takich urządzeń. Parametry techniczne

przyrządów i zakresy analizy są porównywalne z poziomem nowoczesnych rozwiązań oferowanych przez renomowane firmy
zagraniczne.

System jest stale rozbudowywany, zarówno w zakresie wyposażenia w nowe elementy rozszerzające zakres możliwości

pomiarowych jak też w zakresie programu analizy. Oprogramowanie, które jest własnym opracowaniem IZTW, jest stale
weryfikowane i

rozbudowywane, zgodnie z potrzebami użytkowników. Uwzględniane są również nietypowe potrzeby

użytkowników, co nie jest możliwe w przypadku przyrządów z produkcji seryjnej firm zagranicznych.

Szczegółowy opis przyrządów oraz zakres możliwości pomiarowych i programy analizy w wersjach profilometr TOPO 01P

i

kształtograf TOPO 01K można znaleźć na stronie Instytutu

http://www.ios.krakow.pl/metrol/topo01.php

.