naar top
Menu
Logo Print
26/11/2018 - MATTHIAS ROBBE

TOUCH-TRIGGER PROBES: HOE ZIT DAT NU WEER IN ELKAAR?

Voornaamste werkingsprincipes van gevoelige meettasters

Het aantal sensoren in CNC-machines is groot en zal de komende jaren alleen maar verder toenemen. Ook de daaraan gekoppelde analysetools zijn al enkele jaren aan een opmars bezig. Het meten van een werkstuk (of gereedschap) moet namelijk zorgen voor de beheersing van het verspaningsproces. Geen overbodige luxe in een tijdperk waarin non-stop moet worden geproduceerd en kleine productieseries de kans op onnauwkeurigheden vergroten. Meten is eigenlijk steeds meer een onderdeel van de bewerkingscyclus. Dat gebeurt van oudsher met schakelende meettasters, een technologie die nog steeds haar nut bewijst.

METEN IS WETEN … EN BEHEERSEN

Over het waarom we een werkstuk of gereedschap meten, bestaat eigenlijk nog maar weinig discussie. Het principe is meer en meer een integraal onderdeel van de bewerkingscyclus geworden, in plaats van tussen de vier muren van de meetkamer in een verspanend bedrijf. Aan de hand van een aantal kritische maatvoeringen wordt de hele geometrie van het gereedschap en het eindproduct in kaart gebracht, zodat deze kunnen worden gecorrigeerd voor slijtage - vaak al tijdens de bewerkingscyclus. Het vervolg van het proces kan dan worden bijgestuurd, zodat de kwaliteit van het eindproduct niet in het gedrang komt. Meten is weten, maar dan vooral ook beheersen van het verspaningsproces. Meten kost ook tijd, maar voorkomt dat de operator 's morgens moet vaststellen dat de machine's nachts vooral slechte stukken heeft staan produceren.

Meten op de werkvloerFoto: Renishaw

Er was een tijd dat meten het exclusieve domein was voor de medewerkers van de meetkamer, maar de toenemende automatisering én almaar hogere eisen aan werkstukken zorgden ervoor dat het meten geleidelijk naar de werkvloer is verschoven. Dat kan zowel in de machine als naast de machine. In de machine gebeurt dit eigenlijk al lang, onder andere om met meettasters de nulpuntpositie te bepalen van een werkstuk. Nieuw is dat de tasters ook worden ingezet om het product na de bewerking in de machine te meten. Omdat je vanwege de temperatuur een minder betrouwbaar resultaat krijgt, kunnen bedrijven nu ook vergelijkend meten naast de machine.

MEETTASTERS

De vraag is dan hoe we het werkstuk of gereedschap meten. Van oudsher wordt bij de tastertechniek vaak gedacht aan gevoelige contactmeettasters (touch-trigger probes) waarmee afmetingen worden opgenomen op coördinatenmeetmachines (CMM's). Die worden gebruikt om complexe problemen met de maatnauwkeurigheid op te lossen. Het betreft een uitgebreide schakelaar, die een signaal afgeeft als hij contact maakt met een productoppervlak en zo zorgt voor nauwkeurige en herhaalbare geometrische gegevens. Als die gegevens gedurende het gehele productieproces worden gemeten, kan dit de eindproducten binnen de gevraagde specificaties houden. De kwaliteit van het eindproduct is daarbij vaak het doorslaggevende criterium. Een recente ontwikkeling is de opkomst van de scannende taster, die in kortere tijd veel meer punten kan detecteren. Van nog recentere datum zijn de combinaties van tastend en scannend meten in één meetcyclus. Bijna al deze tasters meten de geometrie van een werkstuk. Steeds vaker worden CMM's uitgerust met sensoren om complexe vormen te meten. Er bestaan inmiddels heel wat verschillende sensoren. Denk maar aan versnellingssensoren voor het meten van de versnelling van de assen of aan temperatuursensoren, druk- en krachtsensoren, trillingssensoren … Ook voor het bewaken van bewerkingsvloeistoffen worden er sensoren gebruikt, veelal capacitieve. Druksensoren meten ook of het werkstuk nog goed geklemd wordt. Desalniettemin blijft de schakelende meettaster een belangrijke rol spelen bij het inspecteren van de grootte van het werkstuk en de positie ervan op de coördinatenmeetmachine. Ook voor het uitlijnen van het ruwe werkstuk op de machine, de controle van het eindproduct en het controleren van de gereedschappen blijven schakelende meettasters relevant.

Veranderingen in elektrische weerstand

VERSCHILLENDE WERKINGSPRINCIPES

Algemeen beschouwd, worden meettasters geïntegreerd in een gereedschapshouder, zodat ze kunnen worden opgenomen in de machinespindel en CNC-aangestuurd. De meettaster raakt daarbij met de stylus (vaak een kleine robijn) het oppervlak van het werkstuk, waardoor de stylus uit zijn oorspronkelijke standaardpositie wordt gebogen (deflexie). Daarbij werkt de taster met een geringe kracht in op het oppervlak en zal de machine afremmen voordat de taster zich terugtrekt. De deflexie wordt geregistreerd door een schakelaar of sensor in de sonde bovenaan in de taster, waarna de gegevens worden doorgestuurd naar de NC-besturing. De veer zorgt ervoor dat de stylus steeds terugkeert naar dezelfde plaats ten opzichte van de machinespindel, wanneer er geen contact is met het werkstuk (mechanische herhaalbaarheid). De taster geeft altijd een signaal bij dezelfde deflexie in om het even welke richting (elektrische herhaalbaarheid). Wat de registratie van die deflexie betreft, volgen de fabrikanten verschillende principes.

  • Het meten van de verandering in de elektrische weerstand van een kinematische sensor, door middel van een driepuntsverbinding van stiftjes tussen kogels.
  • Optische sensor met lichtbundel en fotocel. Bij deflexie registreert de fotocel een signaal, doordat de lichtbundel afbuigt.
  • Een verende schotel met daaraan een stiftje dat door een lichtscherm beweegt in een opto-elektronische meetsensor.

Elektrisch circuit

De allereerste schakelende meettaster is gebaseerd op een verende kinematische rangschikking van stiftjes tussen kogels. Die geven verschillende contactpunten die ervoor zorgen dat de taster op een unieke locatie wordt gehouden, met herhaalbaarheid. Dit mechanisme maakt het mogelijk dat de stylus van de taster wordt afgebogen (deflexie), wanneer deze het oppervlak van het werkstuk raakt, terwijl de veer ervoor zorgt dat het mechanisme terugkeert, wanneer de stylus niets raakt. De contactelementen zijn gemaakt van wolfraamcarbide, een harde stof die ervoor zorgt dat de raakpunten klein zijn. Die raakpunten zijn de plaatsen waarbij het materiaal elastisch vervormt onder invloed van de kracht van de veer. Een elektrisch circuit dat door de contacten loopt, veroorzaakt een weerstand. Het verschil in die weerstand wordt gemeten door de meettaster.

Rekstrookjes

Een nieuwere variant op deze technologie speelt in op de beperkingen van de kinematische meettasters. Daarbij worden silicium rekstrookjes gebruikt op doordachte plaatsen en structuren in de meettaster, doorgaans boven de kinematische elementen, die nog steeds gebruikt worden om de stylus juist te positioneren. Deze evolutie werd mogelijk door moderne compacte elektronica en solid state sensing (halfgeleidersensoren). De rekstrookjes meten de kracht (contact) die uitgeoefend wordt op de stylus, en genereren een trigger, zodra de spanningskracht een drempelwaarde overschrijdt. De rekstrookjes zijn extreem gevoelig voor krachten en detecteren zelfs vibraties van de machine, wanneer de stylus niet in contact is met het oppervlak van het werkstuk. Door de circuits in de taster te filteren, kan bepaald worden of de spanningskrachten het resultaat zijn van een reële deflexie van de stylus.

Contactloze optische schakelaar

Foto: Heidenhain

Een contactloze optische schakelaar als sensor is ook een mogelijkheid. Een led zorgt voor een lichtbundel die inwerkt op een differentiële fotocel. Wanneer deze lichtbundel wordt afgebogen, registreert de fotocel een triggersignaal. Ook in dit geval zorgt een driepuntsverbinding met stiftjes tussen kogels voor de ideale rustpositie van de stylus. De optische schakelaar wordt contactloos ingezet. Zo stijgt de levensduur van de meettaster.

Lichtstraal

Om de snelheid van de meetcyclus te verhogen, gebruikt nog een andere fabrikant een lichtstraal in de meettaster, die gebroken wordt door een stiftje en waardoor een trigger ontstaat.

Druksensor

De meetnauwkeurigheid verhogen, ten slotte, kan met een druksensor. Deze is gevoeliger dan de optische variant, maar heeft wel een lagere naderingssnelheid.

SCANNENDE MEETTASTERS

Als aanvulling op de schakelende meettasters, die puntsgewijs meten, zijn er recent scannende meettasters ontwikkeld. Die kunnen in een kortere tijd veel meer punten detecteren. Bij een scannende meettaster blijft de stylus voortdurend in contact met het werkstuk. Het principe berust op het constant houden van de druk, terwijl de taster over het oppervlak sleept. Op die manier worden de variaties in de geometrie direct geregistreerd. Deze manier van meten levert een grote hoeveelheid data op, waardoor ook de verwerkingscapaciteit van de besturingssoftware navenant moet zijn. Met name bij vrije vormen en ronde werkstukken kan scannend meten veel nauwkeurigere informatie opleveren.

BESLUIT

Schakelende meettasters zijn nog steeds de meest gebruikte contactsensoren op coördinatenmeetmachines en CNC-bewerkingsmachines, ondanks de stijging in het gebruik van scannende tasters. Schakelende meettasters (touch-trigger probes) blijven een belangrijke rol spelen in de kwaliteitsbewaking en procesbeheersing in het productieproces. De meettasters zijn geëvolueerd om te voldoen aan de behoeften van een breed scala aan meettaken, waarbij innovatieve sensortechnologie voor betere prestaties zorgt, evenals een langere levensduur en flexibiliteit.

Met dank aan Heidenhain, Renishaw en Blum