268 Ventil 23 /2017/ 4 Uporaba napredne 3D-merilne naprave v tehniki Damir GRUGRAŠ, Luka ČERČE, Davorin KRAMAR, Franci PUŠAVEC Izvleček: Najnovejša pridobitev Katedre za menedžment obdelovalnih tehnologij s Fakultete za strojništvo, Lju- bljana, je visoko zmogljiv in precizen 3D-merilni mikroskop, ki omogoča 3D-meritve površin v realnih barvah in tako predstavlja korak naprej v smislu prehoda z običajnih 2D-meritev na 3D-meritve. Naprava omogoča merjenje poljubnih 3D-geometrij, hrapavosti površin (linijske, ISO 4258 in ISO 11562) in površinske (ISO 25178)), geometrij rezalnih orodij, obrabe rezalnih orodij itd. V tem prispevku sta predstavljena naprava in njen način de- lovanja, njena široka paleta uporabnosti pa je prikazana z različnimi študijami: (1) študija 3D-obrabe rezalnih oro- dij, (2) podrobna analiza hrapavosti površin in (3) prikaz uporabe naprave na drugih področjih zunaj strojništva. Ključne besede: 3D-merilni mikroskop, 3D-obraba rezalnih orodij, površinska hrapavost, postranica ■ 1 Uvod 3D-meritve tehničnih površin so po- memben del preverjanja in kontro- le lastnosti in funkcije materialov in tehničnih izdelkov. Takšne meritve so se tradicionalno izvajale z dotikal- nimi napravami, v zadnjem desetle- tju pa postajajo vse bolj priljubljene tudi optične naprave. Čeprav imajo dotikalne naprave dolgoletno tradi- cijo pri merjenju površin in so dobro znane in sprejete tako v znanosti kot v industriji, so prav tako obremenje- ne z različnimi težavami, kot so npr. potreba po redni menjavi konic tipal, učinki glajenja zaradi geometrije ti- pal in dolgi merilni časi pri merjenju površin. Optične naprave lahko po drugi strani hitro premerijo večje po- vršine, ne da bi se jih morale dotikati in jih pri tem poškodovati. S takšno optično 3D-merilno na- pravo je opremljena tudi Katedra za menedžment obdelovalnih teh- nologij s Fakultete za strojništvo v Ljubljani. Gre za visoko zmogljiv in precizen 3D-merilni mikroskop Ali- cona InfiniteFocus SL, ki izkorišča majhno globino ostrenja optičnega sistema z vertikalnim skeniranjem, podatke o topografiji in barvi pa pridobiva s spreminjanjem gorišča. Za razliko od drugih optičnih teh- nik ima dve glavni prednosti: (1) metoda ni omejena na koaksialno osvetlitev ali druge posebne tehni- ke osvetlitve, kar odpravlja nekatere omejitve glede največjega naklona, ki ga je še mogoče meriti, in (2) ta tehnologija daje pravo informacijo o barvi za vsako merilno točko [1]. V tem prispevku sta predstavljena naprava in njen način delovanja, nje- na široka paleta uporabnosti pa je prikazana na različnih primerih: (1) študija 3D-obrabe rezalnih orodij, (2) podrobna analiza hrapavosti površin in (3) prikaz uporabe naprave na drugih področjih izven strojništva. ■ 2 Predstavitev 3D-merilne naprave ■ 2.1 Način delovanja in tehnične specifikacije naprave 3D-merilni mikroskop Alicona In- finiteFocus SL deluje na principu spreminjanja gorišča po višini (ang. focus variation) [1]. Da pridobimo celotno 3D-sliko površine, je po- trebno merilni sistem pomikati v vertikalni smeri (Z-osi), kjer se na vsakem nivoju zabeležijo podatki o poziciji posameznih točk na površi- ni. Torej: na vsakem nivoju zajame- mo oz. shranimo pozicije tistih točk, ki so v gorišču. Premikanje v verti- kalni smeri je izvedeno s preciznim mehanskim pozicioniranjem ali pi- ezoelektričnim pozicionirnim siste- mom. Ko je skeniranje opravljeno na vseh nivojih, se podatki računal- niško obdelajo in dobimo 3D-sliko skenirane površine. Velikost skeni- ranega območja v smeri X in Y je odvisna od uporabljenega optične- ga sistema oz. povečave objektiva, ki projicira svetlobo od objekta na CCD-senzor. Tudi natančnost napra- ve je neposredno povezana s pove- čavo objektiva, kakor je razvidno tudi s spodnje tabele s tehničnimi specifikacijami naprave. Skenirne naprave običajno omogočajo tudi skeniranje merjencev večjih dimen- zij od delovnega območja objekti- va, saj jih namestimo na precizno pozicionirno mizico. Ko naprava zaključi s skeniranjem objekta v zor- nem polju objektiva, se objekt na mizici v smeri X in Y premakne, tako da zajame novo območje na mer- jenem objektu. Vsi podatki se nato računalniško obdelajo in združijo v eno 3D-sliko objekta, ki je tako lah- ko mnogo večja od območja zorne- ga polja objektiva [1, 2]. Damir Grugraš, univ. dipl. inž., dr. Luka Čerče, univ. dipl. inž., izr. prof. dr. Davorin Kramar, univ. dipl. inž., izr. prof. dr. Franci Puša- vec, univ. dipl. inž., vsi Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo MERILNE NAPRAVE 269Ventil 23 /2017/ 4 ■ 2.2 Možnosti merjenja in analize podatkov Glede na to, da 3D-merilna napra- va deluje na principu spreminjanja gorišča po višini, torej brezdotič- no, smo pri zajemu podatkov do- kaj neomejeni z obliko površine na določenem delu objekta, ki ga skeniramo. Če želimo skenira- ti celoten objekt, ga je potrebno ustrezno premakniti po vsakem zajetju 3D-podatkov, dokler ne zajamemo celotnega objekta. Vse zajete podatke lahko nato združimo v celoto in pridobimo 3D-model celotnega objekta. Pri pripravi in izvajanju meritev mo- ramo slediti naslednjemu proto- kolu: (i) očistiti površino merjenca, (ii) pritrditi merjenec na delovno mizo naprave, (iii) izbrati ustrezen objektiv glede na želeno natanč- nost meritve, (iv) prilagoditi smer in jakost osvetlitve, (v) prilagoditi programske nastavitve (svetlost in kontrast), (vi) izbrati območje meritve in defi nirati najvišjo in najnižjo pozicijo objektiva, znotraj katere se bo izvajala meritev in (vii) določiti vertikalno in lateralno ločljivost. Vse te nastavitve lahko zelo enostavno določimo/izbere- mo z uporabniškim vmesnikom, ki je prikazan na sliki 1. Tabela 1. Tehnične specifi kacije naprave [2] Povečava objektiva 5 x 10 x 20 x Delovno območje (X, Y, Z) [mm] 50 x 50 x 155 Delovno območje objektiva [mm] 4 x 4 2 x 2 1 x 1 Lateralna resolucija [µm] 3,52 1,76 0,88 Vertikalna resolucija [nm] 510 100 50 Minimalna merljiva profi lna hrapavost Ra [µm] – 0,3 0,15 Slika 1. Uporabniški vmesnik naprave MERILNE NAPRAVE 270 Ventil 23 /2017/ 4 Ko smo ustregli vsem predsta- vljenim korakom protokola, lahko začnemo z izvajanjem meritve. Čas trajanja meritve je zelo odvisen od izbranih nastavitev, velikosti mer- jenca in glede na želeno natančnost izbranega objektiva lahko traja ne- kaj minut ali celo nekaj ur. Meritvi sledi dodatna analiza tridi- menzionalno zajetih podatkov. Na voljo imamo naslednje analize: (i) linijska meritev hrapavosti po stan- dardih ISO 4258 in ISO 11562, (ii) površinska meritev hrapavosti po standardu ISO 25178, (iii) profi lna analiza na določenem delu zajete 3D-slike (npr. meritev radija koni- ce orodja, meritev koraka navoja, meritev poljubne razdalje, …), (iv) meritve 3D-oblike (npr. določitev volumna, …) in (v) volumska pri- merjava različnih 3D-slik. Uporab- nost nekaterih možnih analiz zajetih podatkov je prikazana v naslednjem poglavju 3. ■ 3 Študije primerov ■ 3.1 Študija 3D-obrabe rezalnih orodij Rezalno orodje je med odrezava- njem obremenjeno tako mehansko s silami, ki so posledica deformacij pri nastajanju odrezkov in trenja med orodjem in obdelovancem, kot tudi termično, saj se pri tem razvija toplota, ki segreva orodje, odrezek in obdelovanec. Pri tem prihaja tudi do kemičnih procesov, saj so kon- taktne površine čiste in tako kemič- no aktivne. Vse to pa se odraža na odnašanju delcev s površine orodja, torej na obrabi rezalnega orodja. Zaradi obrabe orodja pa se lahko poslabša kakovost obdelane povr- šine, dobimo odstopke od zahteva- ne dimenzije, hkrati pa se povečajo rezalne sile in poraba moči [3, 4]. Zato se med procesom odrezava- nja velikokrat spremlja/meri obraba orodja. Merjenje obrabe je defi nirano po standardu ISO 3685:1993. Obraba pa se največkrat spremlja z me- ritvijo obrabe proste ploskve VB [mm]. Meritve se običajno izvajajo na navadnih orodjarskih mikro- skopih. Odčitavanje velikosti ob- rabe VB pa je zelo subjektivno, saj iz 2D-slike težko ocenimo točno velikost obrabe. Meritve na orod- jarskem mikroskopu postanejo še bolj nezanesljive, kadar želimo okarakterizirati obrabo na cepilni ploskvi, ki se pojavlja v obliki ko- tanje. Zato smo v Laboratoriju za odre- zavanje (LABOD) za karakterizacijo obrabe vpeljali novo cenilko obra- be [4]. To je faktor c, ki je defi niran kot razmerje med volumnom od- rezanega materiala Vcut,t in volum- sko obrabo orodja Vwear,t po enačbi (1). Volumen odrezanega mate- riala Vcut,t enostavno določimo z enačbo (2), v kateri MRR predsta- vlja volumski odvzem materiala v enoti časa (ang. Material Removal Rate), t pa čas. Za volumsko ob- rabo orodja Vwear,t pa je potrebna 3D-analiza novega in obrabljene- ga orodja (v tem prispevku je pri- kazana analiza dveh frezal: frezalo Slika 2. Prikaz volumske obrabe frezal (primer obrabe na frezalu 2) [3] Slika 3. Primerjava dveh frezal na osnovi faktorja c in cene orodja [3] MERILNE NAPRAVE 271Ventil 23 /2017/ 4 1 in frezalo 2), ki smo jo izvedli s pomočjo 3D-merilne naprave. Z nadaljnjo primerjavo novega in obrabljenega orodja pa dobimo volumsko razliko zajetih 3D-po- datkov, ki predstavlja volumsko obrabo oz. količino materiala, ki je odstranjen z orodja (slika 2). Meritvi sledi dodatna analiza tridimenzionalno zajetih podatkov. Na voljo imamo naslednje analize: (i) linijska meritev hrapavosti po standardih ISO 4258 in ISO 11562, (ii) površinska meritev hrapavosti po standardu ISO , iii pro ilna analiza na dolo enem del zajete -slike (npr. meritev radija konice orodja, meritev koraka navoja, meritev poljubne razdalje, …), (iv) meritve 3D-oblike npr dolo itev vol mna, …) in (v) volumska primerjava razli nih -slik. Uporabnost nekaterih možnih analiz zajetih podatkov je prikazana v naslednjem poglavju 3. 3 Študije primerov 3.1 Študija 3D-obrabe rezalnih orodij Rezalno orodje je med odrezavanjem obremenjeno tako mehansko s silami, ki so posledica deformacij pri nastajanj odrezkov in trenja med orodjem in obdelovancem, kot t di termi no, saj se pri tem razvija toplota, ki segreva orodje, odrezek in obdelovanec. Pri tem prihaja t di do kemi nih procesov, saj so kontaktne površine iste in tako kemi no aktivne se to pa se odraža na odnašanj delcev s površine orodja, torej na obrabi rezalnega orodja. Zaradi obrabe orodja pa se lahko poslabša kakovost obdelane površine, dobimo odstopke od zahtevane dimenzije, hkrati pa se pove ajo rezalne sile in poraba mo i , Zato se med procesom odrezavanja velikokrat spremlja/meri obraba orodja. Merjenje obrabe je definirano po standardu ISO 3685:1993. Obraba pa se najve krat spremlja z meritvijo obrabe proste ploskve mm eritve se obi ajno izvajajo na navadnih orodjarskih mikroskopih. Od itavanje velikosti obrabe VB pa je zelo subjektivno, saj iz 2D-slike težko ocenimo to no velikost obrabe eritve na orodjarskem mikrosk pu postanejo še bolj nezanesljive, kadar želimo okarakterizirati obrabo na cepilni ploskvi, ki se pojavlja v obliki kotanje. Zato smo v Laboratoriju za odrezavanje (LABOD) za karakterizacijo obrabe vpeljali novo cenilko obrabe [4]. To je faktor c, ki je definiran kot razmerje med volumnom odrezanega materiala Vcut,t in volumsko obrabo orodja Vwear,t po ena bi ol men odrezane a materiala Vcut,t enostavno dolo imo z ena bo (2), v kateri MRR pre stavlja v l mski odvzem materiala v enoti asa an Material Removal Rate), t pa as a volumsko obrabo orodja Vwear,t pa je potrebna 3D-analiza novega in obrabljenega orodja (v tem prispevku je prikazana analiza dveh frezal: frezalo 1 in frezal 2), ki sm jo izvedli s pomo jo -merilne naprave. Z nadaljnjo primerjavo novega in obrabljenega orodja pa dobimo volumsko razliko zajetih 3D-podatkov, ki predstavlja volumsko obrabo oz koli ino materiala, ki je odstranjen z orodja (slika 2). (1) (2) (1) Meritvi sledi dodatna analiza tridimenzionalno zajetih podatkov. Na voljo imamo naslednje analize: (i) linijska meritev hrapavosti po standardih ISO 4258 in ISO 11562, (ii) površinska meritev hrapavosti po standardu ISO , iii pro ilna analiza na dolo enem del zajete -slike (npr. meritev radija konice orodja, meritev koraka navoja, meritev poljubne razdalje, …), (iv) meritve 3D-oblike npr dolo itev vol mna, …) in (v) volumska primerjava razli nih -slik. Uporabnost nekaterih možnih analiz zajetih podatkov je prikazana v naslednjem poglavju 3. 3 Študije primerov 3.1 Študija 3D-obrabe rezalnih orodij Rezalno orodje je med odrezavanjem obremenjeno tako mehansko s silami, ki so posledica deformacij pri nastajanj odrezkov in trenja med orodjem in obdelovancem, kot t di termi no, saj se pri tem razvija toplota, ki segreva orodje, odrezek in obdelovanec. Pri tem prihaja t di do kemi nih procesov, saj so kontaktne površine iste in tako kemi no aktivne se to pa se odraža na odnašanj delcev s površine orodja, torej na obrabi rezalnega or dja. Zaradi obrabe orodja pa se lahko poslabša k kovost obdelane površine, dobimo odstopke od zahtevane dimenzije, hkrati pa se pove ajo rezalne sile in poraba mo i , Zato se med procesom odrezavanja velikokrat spremlja/meri obraba orodja. Merjenje obrabe je definirano po standardu ISO 3685:1993. Obr ba pa se najve krat spremlja z meritvijo obrabe proste ploskve mm eritve se obi ajno izvajajo na navadnih orodjarskih mikroskopih. Od itavanje velikosti obrabe VB pa je zelo subjektivno, saj iz 2D-slike težko ocenimo to no velikost obrabe eritve na orodjarskem mikroskopu postanejo še bolj nezanesljive, kadar želimo okarakterizirati obrabo na cepilni ploskvi, ki se pojavlja v obliki kotanje. Zato smo v Laboratoriju za odrezavanje (LABOD) za karakterizacijo obrabe vpeljali novo cenilko obrabe [4]. To je faktor c, ki je definiran kot razmerje med volumnom odrezanega materiala Vcut,t in volumsko obrabo orodja Vwear,t po en bi ol men odrezane a materiala Vcut,t enosta no dolo imo z ena bo (2), v kateri MRR predstavlja vol mski odvzem materiala v enoti asa an Material Removal Rate), t pa as a volumsko obrabo orodja Vwear,t pa je potrebna 3D-analiza novega in obrabljenega orodja (v tem prispevku je prikazana analiza dveh frezal: frezalo 1 i frezalo 2), ki sm jo izvedli s pomo jo -merilne naprave. Z nadaljnjo primerjavo novega in obrabljenega orodja pa dobimo volumsko razliko zajetih 3D-podatkov, ki predstavlja volumsko obrabo oz koli ino materiala, ki je odstranjen z orodja (slika 2). (1) (2) (2) Na osnovi volumna odrezane- ga materiala in volumske obrabe orodja določimo faktor c, s po- močjo katerega lahko primerjamo učinkovitost posameznih orodij med seboj. Večja je vrednost fak- torja c, učinkovitejše je orodje oz. orodje je odrezalo več materiala pri določeni volumski obrabi orod- ja. Celoten vpogled na učinkovitost orodij pa dobimo, če pri tem upo- števamo tudi ceno orodij, kakor prikazuje graf na sliki 3. Vidimo, da ima orodje frezalo 1 večji faktor c od frezala 2. Orodje je tudi dražje, vendar je cena frezala primerljiva z učinkovitostjo, kar pa ne velja za frezalo 2, ki je glede na faktor c predrago [3]. ■ 3.2 Detajlna analiza hrapavosti površin V določenih primerih navadno linij- sko (profi lno) merjenje hrapavosti površin z navadnim profi lometrom ne zadostuje več, pač pa je potreb- na bolj detajlna študija z analizo površinske hrapavosti, ki nam daje bolj točen vpogled v celotno hrapa- vost površine. Primer takšne meritve je prikazan na spodnji sliki, kjer je naročnik zahteval detajlno analizo celotne površine določenega strojnega dela, saj je želel iz nje sklepati na najustreznejše rezalne parametre pri frezanju merjenega kosa. Zato je bila pri meritvah namesto na- vadnega profi lometra uporabljana 3D-merilna naprava, s katero smo zajeli celotno površino in pridobili 3D-obliko. Za določitev točne površinske hra- pavosti merjene površine pa je bilo potrebno izločiti značilno obliko merjene površine. To se je izvedlo s pomočjo funkcije Form Removal (FR), ki iz merjene 3D- -površine odstrani značilno obliko, ki bi negativno vplivala na natančnost meri- tev. Delovanje funk- cije FR je prikazano na sliki 4. Iz merjene površine je s funkcijo FR možno odstraniti obliko parabole, po- linoma poljubne sto- pnje, cilindra, stožca ali krogle. Sledila je še analiza površinske hrapavo- sti po standardu ISO 25178 z različnimi parametri, ki popisu- jejo površinsko hra- pavost (slika 5): - Sa: povprečna višina merjene površine, - Sq: standardna devi- acija merjene povr- šine, - Sp: najvišji vrh mer- jene površine, - Sv: najnižja dolina merjene površine, - Sz: maksimalna višina merjene površine, - Ssk: asimetričnost merjene površine in - Sku: sploščenost merjene površine. Slika 4. Prikaz funkcije Form Removal (FR) Slika 5. Prikaz korakov pri analizi površinske hrapavosti MERILNE NAPRAVE 272 Ventil 23 /2017/ 4 ■ 3.3 Uporabnost naprave na področju biologije 3D-merilno napravo je možno upo- rabljati tudi na področjih, ki niso neposredno povezana s strojni- štvom, kar dokazuje tudi spodnja slika postranice. Postranice ali bibe spadajo v red rakov, v katerega uvrščamo okrog 7.000 danes živečih opisanih vrst, ki živijo večinoma v morjih in jih pre- poznamo po bočno sploščenem te- lesu. Del njihovih nog je prilagojen za premikanje (plavanje, skakanje oz. hojo) in del za prehranjevanje [5]. Postranica na spodnji sliki je bila uspešno skenirana, s 3D-merilno napravo je bila pridobljena njena celotna 3D-oblika. Pridobljeni 3D- -model je primeren tudi za nadalj- njo uporabo (npr. 3D-tiskanje po- stranice v povečani obliki ipd.). ■ 4 Zaključek V prispevku je predstavljena brez- dotična 3D-merilna naprava Alicona Infi niteFocus SL, ki deluje na prin- cipu spreminjanja gorišča po višini. Raznovrstnost te naprave je pred- stavljena s tremi študijami: (1) študija 3D-obrabe rezalnih orodij, (2) anali- za hrapavosti površin in (3) prikaz uporabnosti naprave na področju biologije. Iz študije (1) je razvidno, da lahko s pomočjo naprave pov- sem izključimo vpliv merilca in tako objektiviziramo meritve. V študiji (2) je pokazano, kako je za celovito ka- rakterizacijo določenih problemov potrebna določitev celotne površin- ske hrapavosti. Zadnja študija (3) pa dokazuje, da je merilna naprava pri- merna za izvajanje različnih meritev, tudi na področjih zunaj strojništva. Viri [1] Danzl, R., Helmli, F., Scherer, S.: Focus Variation – a Robust Tech- nology for High Resolution Opti- cal 3D Surface Metrology. Stroj- niški vestnik – Journal of Mecha- nical Engineering, 57(2011)3, str. 245–256. [2] LABOD: Alicona Infi niteFocus SL. Dostopno na: http://lab.fs.uni- -lj.si/labod/assets/aliconaa5.pdf, ogled: 20.04.2017. [3] Rotar, V.: 3D merjenje obrabe vi- jačnih svedrov in krogelnih fre- zal. Magistrsko delo, Ljubljana, 2016. [4] Čerče, L.: Napovedovanje obstoj- nosti rezalnih orodij z upošteva- njem njihove prostorske obrabe. Doktorsko delo, Ljubljana, 2016. [5] Wikipedija: Postranica. Dostopno na: https://sl.wikipedia.org/wiki/ Postranice, ogled: 20.04.2017.Slika 6. 3D-model postranice Application of the Advanced 3D Measuring Device in Technology Abstract: The Department for Management of Production Technologies at the Faculty of Mechanical Engine- ering, Ljubljana is equipped with a high-performance and precise 3D measuring microscope that enables 3D surface measurements in real colours, thus representing a step forward in terms of the transition from normal 2D measurements to 3D measurements. The device enables the measurement of any 3D geometries, surface roughness (profi le (ISO 4258 and ISO 11562) and areal (ISO 25178)), cutting tool geometry, cutting tool wear, etc. In this paper, the device and its mode of operation are presented and its wide range of usability is shown in various studies: (1) a study of 3D cutting tool wear, (2) a detailed analysis of the surface roughness, and (3) application of the device in other fi elds outside mechanical engineering. Keywords: 3D measuring microscope, 3D cutting tool wear, areal surface roughness, amphipoda MERILNE NAPRAVE Otočec, 19. in 20. oktober 2017 www.tpvs.si 27. TEHNIŠKO POSVETOVANJE VZDRŽEVALCEV SLOVENIJE NASVIDENJE na 27. TEHNIŠKEM POSVETOVANJUVZDRŽEVALCEV SLOVENIJE ki bo 19. in 20. oktobra 2017 na Otočcu BREZ UČINKOVITEGA VZDRŽEVANJA ... ... NI ENERGETSKE UČINKOVITOSTI