MOŻLIWOŚCI POMIAROWE MODUA
OWEGO 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). Profilometry 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 Technologii 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
MODUA
OWY 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 - KSZTAA
TOGRAF 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.
Szeroki 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 PRZYRZ
DÓW
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 (ultradz
więkowa, 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 znalez
ć 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�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 pomiaru 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�m lub 250 m�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
Program 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 wyznaczane 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
obliczanie 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 punktów powierzchni i parametrów 3D - formaty txt, xls.
Rys. 5. Dostępne w programie parametry 3D
PROGRAM ANALIZY ZARYSU KSZTAA
TU 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. Przykłady 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,
�� eksport 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 ą� 5�� w płaszczyz
nie 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 znalez
ć na stronie Instytutu http://www.ios.krakow.pl/metrol/topo01.php.