Endoskop czy obrotowy sondnik laserowy? Kontrola wnętrza otworów o średnicy Ø1,5 mm

Przegląd

Inspekcja wnętrza otworów to część inspekcji wymiarowej i wad, która najczęściej pozostaje ręczna. Powodem jest dostęp: otwór to powierzchnia skierowana wewnątrz, a jedynymi sposobami na jej zobrazowanie są spojrzenie wzdłuż osi za pomocą układu optycznego wystarczająco małego, aby wejść do niego, lub obrót czujnika w jego wnętrzu i budowanie obrazu linia po linii. Obie metody są stosowane w produkcji i zawodzą na różne sposoby.

Sonda optyczna w stylu boreoskopu dostarcza rzeczywistego obrazu w kolorze, co czyni ją intuicyjną dla operatora i skuteczną przy wizualnej detekcji wad takich jak zadrapania, wgniecenia i porowatość odlewów. Sonda obrotowa laserowa mierzy profil zamiast koloru, co czyni ją odporną na problemy związane z oświetleniem, które utrudniają pracę optycznych sond w małych otworach, oraz nadaje jej możliwość wykrywania kolizji, której brak w sondach optycznych.

Big Bird Industrial (dawniej Shimada Big Bird Industrial) buduje systemy do czyszczenia i usuwania wykańczania z elementów układów napędowych pojazdów samochodowych od 2001 roku, a poniższe dane inspekcyjne pochodzą ze stacji produkcyjnych, a nie z urządzeń laboratoryjnych.

1. Co sonda optyczna do badania otworów potrafi i czego nie potrafi

Metoda optyczna polega na umieszczeniu małej kamery lub układu soczewkowego z przekaźnikiem wewnątrz otworu. Światło jest doprowadzane do dalszego końca, a obraz jest przesyłany z powrotem do czujnika – bezpośrednio lub za pośrednictwem wiązki światłowodów. Wynikiem jest obraz kolorowy, który może być interpretowany przez człowieka lub wytrenowany model w celu rozpoznawania klas wad.

Trzy konfiguracje optyczne

Sztywna, opancerzona soczewka jest najczęściej stosowaną układem dla prostych otworów: rura ze stali nierdzewnej z optyką na jej końcu, zapewniająca widok frontalny lub boczny pod stałym kątem. Soczewka panoramiczna o kącie obejrzania 360 stopni rejestruje pełny obwód w jednym ujęciu, co jest efektywne przy dużych otworach, ale daje ograniczoną rozdzielczość na jednostkę powierzchni. Konfiguracja rybiego oka zapewnia szerokie pole widzenia w krótkiej odległości roboczej, co czyni ją odpowiednią do płytkich wgłębień i frezowanych wgłębień stożkowych.

Te trzy konfiguracje nie są wzajemnie zamienne. Widok panoramiczny informuje jedynie, że wadliwe miejsce znajduje się gdzieś na obwodzie, ale nie wskazuje jego dokładnej pozycji; sztywna soczewka widoku bocznego określa precyzyjną pozycję azymutalną, lecz wymaga obracania, aby objąć cały obwód – co wydłuża czas cyklu.

Ograniczenie rozdzielczości

Rozdzielczość optyczna wewnątrz otworu jest ograniczona przez średnicę otworu, który można fizycznie wstawić, oraz przez odległość roboczą. System zaprojektowany z uwzględnieniem minimalnej średnicy otworu wynoszącej 1,5 mm pozwala rozróżnić szczegóły o wielkości 0,01 mm na powierzchni przy prawidłowym ustawieniu optyki, lecz osiąga się to jedynie przy konkretnej odległości roboczej i jakość obrazu pogarsza się w miarę wycofywania sondy.

2. Co zmienia laserowa sonda obrotowa

Laserowa sonda obrotowa rzuca linię laserową na ścianę otworu i obraca się w jego wnętrzu, rejestrując profil przy każdej pozycji kątowej. Wynikiem jest chmura punktów powierzchni wewnętrznej, a nie jej zdjęcie fotograficzne.

Odporność na światło otoczenia

Ponieważ pomiar opiera się na triangulacji linii laserowej, a nie na obrazowaniu odbitego światła białego, sondy nie zakłóca oświetlenie otoczenia ani kolor powierzchni. Eliminuje to dwa główne źródła fałszywych wykryć w inspekcji otworów optycznych: światło rozproszone przenikające przez otwór oraz powierzchnie odblaskowe lub ciemne, które zmieniają pozorną kontrastowość wad.

Wykrywanie kolizji i materiału obcego

Wirująca sonda może wykryć przeszkodę jeszcze przed uderzeniem w nią, ponieważ mierzony profil zmienia się gwałtownie. W praktyce pozwala to sondzie zidentyfikować materiał obcy w otworze i zatrzymać się – wymóg ten dotyczy części, w których wiórek lub naddatek odlewniczy mógłby uszkodzić kolejną operację frezowania. W korpusach zaworów obecność ciała obcego o profilu przekraczającym 0,25 mm stanowi wykrywalne zdarzenie, a czasy cyklu wynoszą 14 sekund dla otworu cylindra i 18 sekund dla otworu wspomagacza.

3. Wybór według średnicy otworu i głębokości

Pierwszym kryterium wyboru jest średnica otworu, ponieważ eliminuje ona opcje jeszcze przed zastosowaniem jakichkolwiek innych kryteriów. Otwory o średnicy od 5 do 40 mm oraz od 40 do 120 mm są rutynowo inspekcjonowane przy stosunku głębokości do średnicy wynoszącym około jeden do jednego. Powyżej tego stosunku sondę należy wykonać dłuższą w stosunku do jej średnicy, co zwiększa ugięcie i zmniejsza dokładność pozycjonowania na jej końcu.

Kompromis między głębokością a średnicą

Długa, cienka sonda ugina się. Nawet sztywna, opancerzona soczewka ugnięta jest mierzalnie przy długości przekraczającej 300 mm, a to ugięcie zmienia odległość roboczą (stand-off distance) i tym samym ostrość obrazu. Systemy działające na taką głębokość albo używają obudowy o większej średnicy, albo akceptują niższą rozdzielczość na dalszym końcu; specyfikacja powinna podawać parametry działania przy określonej głębokości, a nie najkorzystniejsze wartości.

4. Granice wykrywalności i to, co one ukrywają

Podana granica wykrywalności to zazwyczaj optymalna wartość dla odniesienia do defektu. Liczba istotna w produkcji to granica wykrywalności w najgorszej pozycji wewnątrz otworu, czyli zwykle na jego dalekim końcu i w obszarze, w którym sondę przesuwa się z największą prędkością.

Oświetlenie jako dominująca zmienna

W systemach optycznych kontrast defektu zależy od kąta oświetlenia względem powierzchni. Rysa na matowanej powierzchni otworu jest widoczna pod jednym kątem, a niewidoczna pod innym, dlatego stacje inspekcyjne do kontroli otworów często stosują więcej niż jedno źródło oświetlenia i łączą wyniki. Stacja korzystająca wyłącznie z pojedynczego pierścieniowego źródła światła zapewnia stabilny, ale niepełny obraz.

Kalibracja i dryf

Obie metody wymagają artefaktu odniesienia. W przypadku sondy optycznej jest to cel znanymi rozmiarami cech w odległości roboczej; w przypadku sondy laserowej jest to cylinder kalibracyjny o znanej średnicy i kroku. Sprawdzanie artefaktu na początku każdej zmiany to najtańszy sposób wykrycia powolnego dryfu, który w przeciwnym razie objawia się zmianą wskaźnika fałszywych alarmów zamiast komunikatu o błędzie. Sonda poza ostrością nadal zwraca obraz, a sonda utraciła kalibrację nadal zwraca profil; żadna z nich nie zgłasza błędu, dopóki ktoś nie porówna wyniku z znaną częścią.

5. Integracja z linią produkcyjną

Sonda do otworów jest czujnikiem wolniejszym niż kamera obszarowa, więc zwykle przesuwa się ją do cech, a nie cechy do niej. Oznacza to użycie robota lub mechanizmu dwuosiowego przenoszącego sondę między otworami oraz konieczność, aby stanowisko kontroli wiedziało, gdzie znajduje się każdy otwór na części.

Praktyczna konsekwencją jest to, że czas cyklu zależy od liczby kontrolowanych otworów, a nie od rozmiaru detalu. Detal z czterema krytycznymi otworami wymaga około czterokrotnie dłuższego czasu kontroli niż detal z jednym otworem, a tę zależność arytmetyczną należy uwzględnić w budżecie takt przed określeniem stacji.

Najczęściej zadawane pytania

Czy endoskop może być używany do 100-procentowej kontroli?

Tak, o ile mechanizm i czas cyklu na to pozwalają. Typowym kompromisem jest kontrola każdego detalu pod kątem dwóch lub trzech otworów niosących najwyższe ryzyko oraz audyt pozostałych otworów metodą próbkowania.

Jaki jest najmniejszy możliwy do kontroli otwór?

Do 1,5 mm przy użyciu dedykowanej optyki. Poniżej tej wartości średnica sondy ogranicza oświetlenie i rozdzielczość, a alternatywne metody, takie jak pomiar manometrem powietrznym, są zwykle bardziej praktyczne.

Która metoda lepiej radzi sobie z ciemnym lub odbłyskującym otworem?

Optyczny sondnik obrotowy laserowy, ponieważ nie zależy od odbitego światła białego. Optyczny sondnik na ciemnej powierzchni wymaga większego oświetlenia i generuje mniejszy kontrast, co zwiększa zarówno odsetek pominiętych defektów, jak i odsetek fałszywych alarmów.

Jak często należy kalibrować sondnik?

Sprawdzenie odniesienia na początku każdej zmiany oraz pełna rekaliczbracja zgodnie z harmonogramem ustalonym przez producenta. Sprawdzenie na początku zmiany pozwala wykryć uszkodzenia mechaniczne i przesunięcia ostrości, które występują między zaplanowanymi kalibracjami.

Wniosek

Wybór pomiędzy optycznym sondnikiem do otworów a obrotowym sondnikiem laserowym zależy od klasy defektu i charakteru powierzchni, a nie od wartości rozdzielczości. Jeśli kryterium oceny to wada wizualna w łatwo dostępnym otworze przy kontrolowanym oświetleniu, system optyczny zapewnia bogatszy obraz. Jeśli natomiast kryterium dotyczy geometrii, położenia lub obecności ciał obcych w otworze, który może być ciemny lub odbijający światło, profil laserowy jest bardziej odporny.

Oba są ograniczone przede wszystkim otworem i głębokością, więc specyfikacja powinna zaczynać się właśnie od tych parametrów. Granica wykrywalności podana bez średnicy otworu, głębokości oraz stanu powierzchni, przy którym została osiągnięta, nie stanowi właściwej specyfikacji.