HAZAI MŰSZERÚJDONSÁGOK

 

A topoSurf, PC-vezérelt 3D-s érdességmérő műszer

A technikai felületek működési tulajdonságait - több más jellemző mellett - alapvetően befolyásolják annak mikrogeometriai-mikrotopográfiai sajátosságai. A felületi érdesség minősítése általában felületi profilból nyert, szabványos mérőszámokkal történik. Müködéskor a tényleges felületen végbemenő tribológiai, fizikai, kémiai stb. folyamatok viszont térben (3D-ben) valósulnak meg. Ez azt jelenti, hogy a hagyományos 2D-s érdességmérés és kiértékelés csak közelítőleg alkalmas a felületi mikrotopográfia egyértelmű leírására, illetve a működés jellemzésére. Jelen munkában bemutatjuk azokat a fejlesztéseket és kutatási irányokat, amelyeket ezen a tématerületen elértünk, illetve megfogalmaztunk.

A volt Bánki Donát Műszaki Főiskolán több mint két évtizede foglalkozunk a felületi mikrogeometria metszettapintós vizsgálatával, a mérésből kapott felületprofilok kiértékelési lehetőségeinek korszerűsítésével, kiszélesítésével [ 1], [2], [3] .

Ez az időszak közelítőleg egybeesik a világban végbemenő méréstechnikai forradalommal, amikor is a digitális mérési elv gyors térhódítása és ezzel párhuzamosan a számítástechnika látványos bevonulása volt tapasztalható a mérési eredmények létrehozásába és feldolgozásába [ 4], [5] .

A kutató-fejlesztő munkát 1975-ben még egy szovjet gyártmányú Kalibr-201 típusú érdességmérővel kezdtük meg. Az első, FOKAL nyelvű kiértékelő programok TPA-i számítógépen futottak, néhány száz profiladatra vonatkoztatva is tetemes futtatási idővel, rengeteg digitalizálási problémával.

Napjainkra a kutatás eszközállománya jelentősen korszerűsödött. Van zsebben elférő kéziműszerünk (Surtronic-10), mely az Ra vagy az Rz érdességi paraméter mérésével közvetlenül segítheti a gyártás közbeni ellenőrzést. Igényesebb minőségvizsgálatra nyújt lehetősége az Ra, Rz, Rt jellemző számszerű kijelzésére és profilgörbe előállítására alkalmas Perthometer C3A/C40 érdességmérő, melynek analóg kimeneti jele A/D átalakítón keresztül közvetlenül is alkalmas számítógépes feldolgozásra.

Igen széles paraméterválasztékot és korszerű statisztikai mérésfeldolgozást biztosít a mikroprocesszoros Perthometer S6P felületmérő műszer, mely különböző beállításaival lehetővé teszi az érdesség, a hullámosság és az alakhiba külön-külön, vagy együttes vizsgálatát. Egy-egy mérési/vizsgálati hely profiladatai digitális rögzítése után a legkülönfélébb módon végezhetjük el a kiértékelést.

 

A Perthometer S6P tartozékainak széles választékával és tapintóinak teljes készletével megvalósítható a külső vagy belső íven való mérés, 1,5 mm átmérőjű furatfelületek vizsgálata, forgácsolószerszámok él-érdességének mérése, hogy csak néhány különlegesebb alkalmazást említsünk.

Felületek mikrogeometria vizsgálata területén az elmúlt években számos kutatási, fejlesztési és minőségellenőrzési munkában vettünk részt, méréstechnikai segítséget nyújtottunk vállalatoknak, intézményeknek, újabban egyéni vállalkozásoknak is. Vizsgáltunk fogaskerék fogfelületeket, forgácsoló, illetve kivágó szerszámok élét és működő felületeit, görgős- és golyócsapágyak elemeit, hidraulikus hengereket, húzógyűrűket, utasszállító repülőgépek szárnyfelületeit, villamos érintkezőfelületeket, kábeleket stb. Számos esetben adtunk méréstechnikai, alkalmazástechnikai tanácsot, segítettünk felületmérő műszerek beszerzési célú kiválasztásában. Kapcsolatban vagyunk a főbb felületmérő műszereket gyártó cégek (Mahr-Perthen, Rank Taylor Hobson, Mitutoyo, Hommel stb.) magyarországi képviseletével. Különösen sok támogatást és figyelmet kapunk a Perthometer felületmérő műszercsaládot forgalmazó Büll Strunz Kft.-től, akik mind a műszerkarbantartásban és javításban, mind pedig műszereink korszerűsítésében segítenek. Az utóbbi három-négy évben végzett aktív fejlesztőmunka eredményei az alábbiakban foglalhatók össze:

 

Fejlesztések a 2D-s felületértékelésben

Kiemelt területként kezeltük a felületi mikrogeometriáról digitalizált formában felvett profiladatok számítógépes feldolgozásának és kiértékelésének megvalósítását, folyamatos korszerűsítését. Az 1980-as években olyan fejlesztési feladatot oldottunk meg, amely már meglevő, illetve viszonylag olcsón beszerezhető, egy-két érdességi mérőszámot szolgáltató felületmérő műszerhez számítógépes illesztést valósított meg, lehetővé téve a nemzetközi szabványokban előírt, illetve a kutatásban használt különleges érdességi és hullámossági paraméterek, jellemző függvények, illetve profilgörbék megjelenítését is.

A számítógépes kiértékelés képi megjelenítésében, az adatfeldolgozás gyorsításában azóta további előrelépés történt [ 6] . A fejlesztés ma is folytatódik a nemzetközi kutatási eredmények és a szabványosítási előírások beépítésével. Ezt mutatják az 1. és a 2. ábrák.

1. ábra. A felületi profil adatfelvételének beállításai

2. ábra. A felületet jellemző „ időtartománybeli” függvények

A felületi mikrogeometriához kapcsolódó fogalom-meghatározásokat és a jellemzőket szabványosították. Vannaknemzeti szabványok is, de ezek jelentéktelen műszaki eltérésekkel megegyeznek az ISO 4287/1-1997. nemzetközi szabvánnyal. E szabvány alapján a jellemzők három fő csoportba sorolhatók:

A három fő csoportot kiegészítve, a felületi mikrogeometriát összességében és legpontosabban a szűrés nélküli, ún. teljes profil jellemzi. (A letapogatás során nyert mérési adatokból, a mintavételezés törvényei, illetve a műszerrendszer pontossága, hibái által korlátozott módon visszaállítható „ eredeti” profilgörbe. Az adatok feldolgozása során azonban azokat különböző algoritmusok szerint szűrik. Gyakori feladat például az érdesség és a hullámosság különválasztása.) A méréstechnikai és kiértékelési gyakorlatban viszont e profil két összetevője, az érdességi és a hullámossági profil játszik kiemeltebb szerepet.

Fejlesztések a 3D-s felületértékelésben

Fejlesztéseink jelen időszakban a „ háromdimenziós” felület méréstechnikai felvételére, a topografikus kép megjelenítésére, valamint a jellemző „ térbeli” paraméterek kidolgozására irányulnak.

A felületi érdességet és mikrogeometriát mérő rendszerek az utóbbi évtizedek alatt óriási fejlődésen mentek keresztül. Az egy-két jellemzőt (Ra, Rz) mérő 2D-s analóg műszereket felváltották a számítógépes kiértékelést, és a 3D-s megjelenítést nyújtó nagy pontosságú, vezérelt mérő rendszerek (3. ábra).

3. ábra. A felületi mikrogeometria mérési rendszere

Ma a felületmérő rendszerrel szemben általánosan az alábbi főbb elvárások fogalmazhatók meg:

A BMF Bánki Donát Gépészmérnöki Főiskolai Karán folyó, a következőkben bemutatott műszerfejlesztés – tekintettel a különleges kutatási igényekre – a széles körű alkalmazhatóság és az többcélú tapintók, tartozékok szempontjából nem teljesíti a fenti követelményeket; ez a szakosodott műszergyártók feladata. Ellenben a számítógéppel való kapcsolata rendkívül szoros, hiszen a műszer minden lényeges részegysége számítógépes felügyelet (monitoring) alatt áll.

A topoSurf, PC-hez illesztett topografikus érdességmérő berendezés

A topografikus érdességmérés különleges követelményeit az egy síkban dolgozó (2D-s) hagyományos érdességmérő berendezések nem, vagy csak igen komoly átalakítás után tudják teljesíteni. Az átalakítás a kivételesen pontos műszerek esetén jó eredménnyel járhat – ilyen sikeres átalakításon esett át a BME Közlekedési Kara Gépelemek tanszékének ME-10 típusú, a VEB Carl Zeiss (Jena) által az 1970-es években készített csöves elektronikájú érdességmérője – , mégis célszerűnek látszott egy kifejezetten erre a célra kidolgozott műszer megtervezése.

Műszerünk vázlatos látszati képe a 4. ábrán látható. A rajz alapján alig különbözik egy szokásos profilletapogató érdességmérőtől; első pillantásra szinte csak a léptetőmotoros tárgyasztal az, ami feltűnő. Látszólag tehát csak egy léptetőmikrométerrel kell kiváltani a tárgyasztal eredeti mikrométerét, amit pl. egy PC-s illesztőkártya kimeneti vonalaival vezérelhetővé tehetünk, a mérőerősítő jelét pedig a szintén a számítógéphez illesztett analóg-digitál átalakítóra vezethetjük. A többi már csak szoftver kérdése!

4. ábra. A topoSurf, 3D-s érdességmérő műszer vázlatos látszati képe

Sajnos, a fejlesztés során szembe kellett néznünk egy gyakorlati nehézséggel. Történetesen azzal, hogy egy 10 nm mérési felbontású műszerhez szükséges finommechanikai, optikai elemeket honnan szerezzük be? Magyarországon a finommechanikai ipar gyakorlatilag megszűnt, így az olyan forrásokra, mint a hajdani MOM vagy a Gamma, nem számíthattunk. Végül a legkülönbözőbb leselejtezett gépek, műszerek használható elemeiből „ építkeztünk” ; ez bizony komolyan megkötötte a kezünket Például a mérőfejszán vezetőrugói egy lefejtő fogköszörű gyorsacél szalagjából készültek, a lézerinterferométer optikai elemei egy Schmalz-mikroszkópból, egy Uverszkij-interferométerből és egy kismikroszkópból származtak, a léptetőasztalhoz többek között egy korai Zeiss mérőautomata golyósasztalát, egy digitális mikrométer orsóját és egy régi merevlemezes tároló léptetetőmotorját használtuk fel. Egyes finommechanikai elemek (pl. nagy futáspontosságú golyóscsapágyak, vezetőpálcák stb.) szintén merevlemezes tárolóból származtak, de az alkalmas lineáris motorra is egy egy ilyen, 5,25"-os egység fejmozgató mechanikájában találtunk rá [8]. Az erős műszerállvány egy leselejtezett gépipari mérőműszeré volt valaha. Szerencsére az elektronikai egységhez szükséges, régebben különlegességnek számító IC-k és egyéb alkatrészek beszerzése már nem probléma, csupán pénzkérdés.

További gondot jelentett a nem megfelelő gyártási kapacitás. A pontosan megmunkálandó finommechanikai elemek jó része csak nemrég készült el, így a műszert is csak néhány hónapja tudtuk készre szerelni. Ez után következik a mechanika és az időközben megépített elektronikus illesztőegység összehangolása, a hibák kijavítása, majd az időigényes programfejlesztés! Szerencsére az általunk kényesnek ítélt részegységek (mérőfej, mérőfejszán, léptetőasztal) jól működnek, az előzetes várakozásnak megfelelnek.

A műszer felépítése

Topografikus (3D-s) felületérdességmérő berendezésünk mechanikai érintkezés útján, gyémánttűvel végzett profilletapogatás módszerével dolgozik. A profilletapogatás hagyományos felépítésű differenciáltranszformátoros mérőfejjel történik. A mérőfej sajáttervezésű; a feladat jellegének megfelelően annak keresztirányú – azaz a letapogatási, vontatási irányra merőleges irányú – merevsége nagyobb a legtöbb gyári mérőfejénél. Ezt a két keresztrugós csukló viszonylag nagy távolságával és a rendkívül merev, de könnyű, üreges, kúpos tapintókarral értük el. A tapintókar megkívánt merevsége és a kart is magában foglaló lengő rész lehető legkisebb tömege egymásnak ellentmondó követelményt támasztott a mérőfej kialakításakor. A kis mozgórész-tömeg a minél kisebb tehetetlenségi nyomatékot célozza: ezzel a kellő pontosságú profilkövetés nagyobb vontatási sebességen is elérhető anélkül, hogy túlságosan nagy tűszorító erőt kellene alkalmaznunk. Ez utóbbi azért lényeges, mert a jó profilkövetés érdekében kis lekerekítési sugarú tű felületi nyomása esetleg olyan nagy lenne, hogy nemcsak hogy meghamisítaná a mérési eredményeket, de esetleg megengedhetetlen mértékben karcolná a mért felületet. (A mérőcsúcs egy Perthen cégtől vásárolt, 2 mm lekerekítési sugarú, 90° csúcsszögű gyémánttű; a beszerzés idején ez volt az egyik „ leghegyesebb” tapintó.)

Mérőfejünk hátránya, hogy jelenlegi kivitelében csak külső felületekhez fér hozzá, ezt a próbatestek megválasztásánál figyelembe kell majd venni. A mérőberendezés jellegéből adódóan nem papucsos, hanem az egyenesbe vezetett mérőfejszánhoz mereven rögzített tapintófejjel dolgozik. A papucson támaszkodó mérőfejek ugyanis kisebb-nagyobb mértékben „ elsimítják” a felület hullámosságait, ezért a mintavételezett adatokból kevésbé valósághű képet kapnánk. Ebből következik, hogy görbült felületek mérésekor a legkisebb görbületi sugarat a letapintandó területen belüli legnagyobb szinteltérés korlátozza; minden pontnak belül kell lennie a kiválasztott méréstartományon.

A négytekercses, félig zárt mágneses körű differenciáltranszformátor [9] egy különleges, vivőfrekvenciás mérőelektronikához kapcsolódik [10], [11], [12], amelynek kimeneti DC feszültségjele arányos a tapintótűnek a mérendő felületre merőleges kitérésével. A mérőerősítő erősítése négy kalibrált erősítésérték közül választható ki, ezzel a méréstartomány ± 10, ± 20, ± 50, vagy ± 100 mm lehet. Az A/D 12 bites, azaz mintegy 4000 pont felbontású. Tökéletesen lineáris Uki = f(Z) összefüggést feltételezve, ahol Uki a mérőjelátalakító elektronika kimenőfeszültsége, Z a tapintótű elmozdulása, a rendszer elméleti legnagyobb érzékenysége 20/4000 = 5 nm (0,005 mm), a legkisebb pedig 200/4000 =50 nm (0,05 mm). A linearitáshibát és az A/D bizonytalanságait is figyelembe véve a valódi felbontás az előbbi két esetben legfeljebb 10 nm, ill. 100 nm.

Természetesen mint minden más differenciáltranszformátoros mérőjel-átalakítónak, az általunk használtnak is van linearitáshibája. Ez azonban rendszeres hiba, amelyet a mérés-adatgyűjtő program a jelleggörbe törtvonalas közelítésével helyesbít.

A mérőfejhez illeszkedő vivőfrekvenciás erősítő kimenetét a nullhiba-kompenzáló (ofszetkompenzáló) jelfogón keresztül vezetjük az A/D-kártya 1. csatornájának bemenetére. A váltóérintkezős jelfogót meghatározott számú letapogatási ciklusonként a program zárja, amikor az az A/D-csatorna bemenetét a mérőerősítőről leválasztja és a föld feszültségre kapcsolja. Ekkor egy A/D átalakítási ciklus után az A/D-ből az adott csatorna hibafeszültsége olvasható be, amivel a mérési eredmény helyesbíthető.

A Z irányú mérési eredményeket a vivőfrekvenciás erősítő oszcillátorának amplitúdóváltozásai közvetlenül befolyásolják. Kis amplitúdóváltozást feltételezve, a tényleges kimenőjel-változás úgy aránylik a kalibráláskor mért kimenőjel-változáshoz, mint a pillanatnyi oszcillátoramplitúdó a kalibráláskor mért oszcillátoramplitúdóhoz. Bár az oszcillátor amplitúdója stabilizált, a rendszer időnként ezt is megméri (2. A/D-csatorna), és ennek számbavételével is módosítja a mérési eredményeket.

Az elmondottakat és a hibajavítás módszerét az 5. ábra mutatja be.

5. ábra. A differenciáltranszformátoros mérőfej és a hozzá illesztett mérőjel-átalakító áramkör tömbvázlata; a Z irányú mérőrendszer elmozdulás-kimenőfeszültség jelleggörbéje és annak törtvonalas közelítése; a rendszeres hibák javításának módszere

A mérőfej vontatási irányú megvezetése az érdességmérőknél szokatlan szerkezeti egységgel: párhuzamrugós vezetőmechanikával történik [13]. A szóba jöhető megvezetések közül ugyanis ennek az alkatrészei voltak elkészíthetők a főiskola közepes felszereltségű, és nem kifejezetten finommechanikai feladatokra felkészült gépműhelyében. A párhuzamrugós megvezetéssel korábban kedvező tapasztalatokat szereztünk a Gépgyártástechnológiai Tanszéken kifejlesztett többmérőhelyes, moduláris felépítésű hosszmérőautomaták kapcsán. E megvezetőrendszer hibáit – az itt megkövetelt viszonylag kis, legfeljebb 1,8 mm-es elmozdulást tekintve – gondos szereléssel néhány nm-re lehet csökkenteni akkor is, ha az egyes elemek (megvezetőrugók, rugómerevítések, rögzítőelemek) csak legfeljebb 0,02 mm pontossággal készültek. Ugyanez nem mondható el a geometriai hibákra rendkívül kényes pneumatikus megvezetés gyártásáról, amit a Zeiss cégnél jól megtudtak csinálni (lásd az említett ME-10-et), esetünkben nem.

A keresztirányú elmozdulásra kiegyenlített szánrendszer rezgéseit pneumatikus csillapítóhenger csökkenti. A vontatási irányban a szán ütköztetett elmozdulásából az a szakasz, ahol a vontatási sebesség állandónak tekinthető, azaz a mintavételezés folyhat, mintegy 1,2...1,4 mm. A 6. ábra felső része a kiegyenlített párhuzamrugós megvezetés elvét szemlélteti. Az ábra jobb alsó fele a lineáris motort ábrázolja. A vezérlése a program által indítható, de egyébként önállóan üzemelő fűrészáram-generátorral történik [14]. Látható, hogy a vontatómű a szokásos megoldásokhoz képest rendkívül egyszerű.

6. ábra. A kiegyenlített rugós párhuzamvezeték kinematikai vázlata a mérőfejjel, a csillapítóhengerrel, a vontatómotorral és az induktív markeradóval

A mérőfej vontatási irányú mozgását saját tervezésű és kivitelezésű, prizmakockás sugárosztójú Michelson-interferométer érzékeli (7. ábra). Az interferométer sugárosztójában gyűrűs interferenciakép keletkezik (lásd az ábra jobb felső sarkában), amelyen a gyűrűk a mérőtükör elmozdulása során vagy folyamatosan tágulni vagy folyamatosan szűkülni látszanak. Az objektív ennek csak egy kis (pl. az ábrán valamelyik négyszöggel határolt) részét vetíti az résmaszkra, ahol a mérőtükör mozgása közben az már „ futó” csíksorozatnak látszik. Hogy a csíkok függőleges vagy vízszintes (esetleg valamilyen ferde) irányban haladnak-e, az a kardántükör beállításától függ; ez a mérés szempontjából tulajdonképpen közömbös.

7. ábra. A prizmakockás sugárosztójú lézerinterferométer sugármenete

Az interferenciacsíkok elhaladását a résmaszk mögött elhelyezett fototranzisztorhoz illesztett fotoáram-erősítő/komparátor alakítja át feszültségimpulzusokká. Az interferométer fényforrása egy mérési célokra kifejlesztett, analitikai műszerből származó, hullámhossz-stabilizált szilárdtestlézer. A lézer névleges hullámhossza 670 nm, így egyetlen fotodetektort használva érzékelőként, a vontatási útmérés felbontása 335 nm-re adódik. Megjegyezzük, hogy ilyen nagyságrendű felbontásra képes, növekményes (inkrementális) üvegmércés mérőeszközök beszerezhetők ugyan, de ezek ára lényegesen meghaladja a házilag készült interferométerét, (több nagyságrenddel drágábbak!)

Az indítóimpulzusokat az interferométerbe épített fototranzisztoros érzékelő felerősített, négyszögesített jeléből képezzük. Ez azt jelenti, hogy két szomszédos interferenciacsíknak a fotodetektor maszkja előtti elhaladásához a mérőfejszánnak 335 nm-t kell elmozdulnia. Mivel a lézer hullámhossza eltér a névlegestől, a tényleges lépésközöket az elkészült műszeren méréssel határozzuk meg, és az így kapott értéket a vezérlő/mérésadatgyűjtő programba bevisszük. Az A/D átalakítási ciklusokat ezen indítóimpulzusok kezdeményezik. Minden impulzus hatására egy mintavétel történik a mérőjelátalakító áramkör kimenetéről. A mintavételezés kezdetét – azaz a vontatás viszonyítási pontját – a szánrendszer elmozdulását érzékelő differenciáltranszformátoros útadó komparátorának kimeneti jelváltozása adja. Ezt a merülőmagos, háromtekercses, nagy stabilitású útadót (6. ábra, bal alsó rész) úgy terveztük, hogy az interferométeres mérés esetleges sikertelensége esetén ezzel mérhessük a szánelmozdulást, ahogyan azt az ME-10 műszeren is megoldottuk. Ott a mérés úgy történik, hogy a mérőfej erősítője és a szánelmozdulás jelátalakító erősítője kimenőjeleit két szomszédos csatornán gyakorlatilag egyidejűleg mintavételezzük, és az adatgyűjtő program egyezteti az egyes letapogatási rétegek azonos X koordinátájú pontjait.

A differenciáltranszformátor analóg feszültségjelét – az indítójelet képező nullkomparátor mellett – a szánmozgást kijelző, előlapi mutatós műszerre is rávezettük. A kísérleti adatgyűjtő programszegmens jelenleg mindkét útadó jeleit fel tudja használni a mintavételezések kezdeményezésére. Az útadó vázlatos felépítése és a hozzá kapcsolódó mérőjelátalakító áramkör hasonlít a [9]-ben közölthöz, kiegészítve egy nagy érzékenységű és nagy ismétlési pontosságú komparátorral. Itt említjük meg, hogy a differenciáltranszformátoros indítójel-képző helyett használhattunk volna fehér fénnyel (azaz közönséges izzóval) megvilágított referencia-interferométert is. Ez akkor ad az ernyőn egy „ bevillanást” , ha az interferométer két karja – azaz a sugárosztó középpontja és a referenciatükör, illetve a sugárosztó középpontja és a mérőtükör közötti távolság – egyenlő. Még egy interferométer rendszerbe állításának gondolatát azonban viszonylagos bonyolultsága és kényes felépítése miatt elvetettük.

Éppen a szánelmozdulást mérő rendszer az, amely műszerünket alapvetően megkülönbözteti a legtöbb, topografikus felületletapogatásra (is) alkalmas műszertől. Az ismert érdességmérőkben ugyanis a mérőfejszánt egy kis elektromotor mozgatja, valamilyen – általában fogaskerék/menetes orsó – áttételen keresztül. A vontatási sebesség állandósága a motor fordulatszám-állandóságától függ. Ráadásul a mintavétel kezdetét jelző „ markeradó” többnyire közönséges mikrokapcsoló. Az egyébként rendkívül gondosan felépített, nagyon pontos, megvezetéssel mozgó mérőfejű Zeiss-műszerrel szerzett tapasztalataink szerint ezzel az egyes rétegek X irányban azonos koordinátapontjai nem egyeztethetők szabatosan; a vontatásirányú útmérés elengedhetetlen!

Az egész mérőrendszert egy merev műszerállvány pontos megvezetésű függőleges szánjára szereljük. A szán csigán átvetett acélszalaghoz kapcsolódó, az állvány talpazatába szerelt sokmenetű spirálrugóval felszerelt rugódobok által kiegyensúlyozott részegység. A mozgatás – azaz a mérőtűnek a felülethez közelítése – fogasléc-fogaskerék páron keresztül, kézikerék segítségével történik. A mérőfejnek az esetleges túlmozdításkor bekövetkező sérülését annak különleges felépítése előzi meg. A mérőfejben lévő elektromos érintkező a túlmozdításkor hibaállapot-jelet ad az illesztőkártya egyik bemeneti vonalára, aminek hatására a vezérlő/mintavételező program figyelmeztető jelzést ad. A függőleges szánnak a neves érdességmérő-gyártók által alkalmazott motoros mozgatásáról a munkaigényessége miatt lemondtunk.

A próbatestet a műszerállvány talpazatára szerelt műszerasztalra erősítjük fel. A műszerasztal alapja egy előfeszített golyós megvezetésű asztalka, amely a mérőfej vontatási irányára merőlegesen (Y irányban) mozdulhat el. Az asztalt játékmentes fogaskerékáttételen és 0,5 mm emelkedésű, szabatos mikrométerorsón keresztül egy kis léptetőmotor mozgatja. Az orsó/anya kapcsolatot húzórugók játékmentesítik. A legkisebb programozható lépésköz 0,5 mm, de a mérésadatgyűjtő program lehetővé teszi a legkisebb lépésköz gyakorlatilag tetszőleges egészszámú többszörösének a beállítását. A keresztirányú elmozdulás véghelyzeteit különleges kialakítású végálláskapcsolók érzékelik [15]. Ezek kapcsolási pontossága jobb mint 1 mm, így nullhelyzet-érzékelőként is működhetnek. A legnagyobb keresztirányú elmozdulás kb. 12 mm.

A nagypontosságú végálláskapcsolókat két szempont is indokolja. Mérés előtt nullahelyzetbe vezérelve az asztalt, a továbbiakban annak mindenkori Y koordinátája azonosítható és a léptetőrendszer kinematikai hibái – mint rendszeres hibák – a program segítségével helyesbíthetők. A másik szempont a mérés esetleges megismételhetősége. A végálláskapcsolókat a vezérlőprogram egy alprogramja pergésmentesíti.

A golyós asztalra három talpcsavarral szintezhető próbatest-felfogót szerelünk fel. A szintezőmechanika a hagyományos geodéziai műszerekére hasonlít. Ez lehetővé teszi a próbatest mérendő síkjának a vontatási irány és az arra merőleges léptetési irány által kitűzött síkkal (azaz az XY síkkal) történő párhuzamossá tételét. A párhuzamosság ellenőrzésére a mérésadatgyűjtő program egy menüpontja szolgál. Ez nagy asztal-lépésközökkel „ bejárja” a kijelölt letapogatási területet és a képernyőre azonos időben, az „ éles” mintavételezésénél jóval kisebb felbontású grafikán ábrázolja a mérési eredményeket. Ha valamely kerületi pont túlságosan megközelíti a mérőfej méréshatárát, akkor az adott pontot az ábrán átszínezi. Ennek alapján „ párbeszédes” módon a szükséges helyesbítések az állítócsavarokkal elvégezhetők. A módszer az ME-10 esetében már bevált. A léptető/szintezőasztal-rendszer kinematikai vázlatát a 8. ábra mutatja.

8. ábra. A léptető/szintezőasztal-rendszer kinenematikai vázlata

A próbatest kis önbeálló műszersatuval, csavaros szorítókkal vagy ideiglenes ragasztással (pl. gyurmával) rögzíthető a felfogólap síkjához. A léptetőasztal-egységet az állvány talpába épített finomállító szerkezet segítségével lehet függőleges irányban (Z irányban) igen finoman beállítani, megkönnyítve ezzel a megérintett felületi pontnak az érdességmérő fej méréstartományába való „ behozását” . Ezt nemcsak a program által a képernyőn megjelenített ábrák, adatok segítik, hanem az illesztőegység előlapján elhelyezett mutatós műszer is.

A rendszert a saját tervezésű és készítésű külső elektronikai egység közbeiktatásával a PC-ben elhelyezett gyári vezérlő/mérésadatgyűjtő kártya (Advantech PCL-718) vezérli. A kártya TTL-szintű kimeneti vonalai kapcsolják be a külső elektronikai egység hálózati tápegységét, állítják be a kívánt méréstartományt, vezérlik a lineáris motort meghajtó fűrészgenerátort, léptetőimpulzusokat adnak ki a léptetőmotornak, kapcsolják a mérőtű-megvilágítást stb. E műveletek mindegyikét a vezérlő/mérésadatgyűjtő program kezdeményezi. A TTL-szintű bemeneti vonalakra kerülnek a mechanika állapotjelei: a mérőfej-túlterhelés, a végállások, a markerjelet stb., illetve a külső elektronikai egység tápfeszültség-állapotjele. Ez utóbbi áramkört a [16] mutatta be. A bemeneti vonalak állapotát is a vezérlő/adatgyűjtő program értékeli ki. A földhurkok elkerülésére minden B/K vonal optocsatolt.

Az elektronikai egység főbb moduljai

A külső elektronikai rendszernek önálló hálózati tápellátása van. A következő áramköri részegységeket tartalmazza:

A doboz előlapján helyeztük el a jelző LED-eket és a tapintótű, illetve a szán vontatásirányú elmozdulását kijelző két mutatós műszert. A legfontosabb állapotokat LED-ek is kijelzik, a programtól függetlenül. A műszerek és a világító diódák elsősorban mérőrendszer és az elektronika építés, beállítás, kalibrálás közbeni bevizsgálásakor játszanak nagy szerepet, hiszen a program elkészülte után már minden lényeges adat, állapot a képernyőn is megjelenik.

Az analóg jelek (a mérőjel és a vivőfrekvenciás oszcillátor amplitúdójával arányos jel) a többcsatornás, 12 bites A/D bemeneteire kerülnek. Az adatokat a már említett, menüvezérelt vezérlő/mérésadatgyűjtő program a PC felső tárterületén gyűjti, majd a felhasználó által megadott néven és formátumban elmenti. A program vezérli a mechanikai rendszer mozgásait, figyeli az állapotbiteket, ha szükséges, vészjelzést ad és leállítja a mérést.

Minden egyes letapogatási ciklus után a mérőfejszán a letapogatási sebességnél mintegy 5-ször nagyobb sebességgel alaphelyzetbe tér vissza. Eközben megtörténik az asztalléptetés és a begyűjtött mérési adatok helyesbítése. Ekkor a program figyelembe veszi az A/D-csatorna nullpontvándorlását, a mérőfejet tápláló vivőfrekvenciás oszcillátor amplitúdóváltozását, a mérőfej linearitáshibáját és a szánvezetés beállási hibáit. Ezen utóbbi két rendszeres hiba mértékét részben hibatáblázatokból „ olvassa ki” a program, részben képletek segítségével határozza meg.

Az így javított adathalmaz a PC felső tárterületén (az XMS-ben) áll rendelkezésre, különleges formátumban. Ezt a mérés végén az előre megadott névvel, a mérési segédadatokat – a mérés időpontját, a mérő személy nevét, a próbatest jelét, a hossz-, ill. keresztirányú felbontást és a pillanatnyi Z irányú felbontást – tartalmazó fejléc hozzáfűzésével merevlemezes tárolóra menti. Az adatállomány a vezérlő/mérésadatgyűjtő programtól független kiértékelő program számára feldolgozható formába alakítható át. Ezt vagy a mérésadatgyűjtő program vagy egy külön szoftver végzi el.

A kiértékelés ezek után tetszőleges programmal, akár egy másik számítógépen is elvégezhető. Ez különösen sorozatmérések esetén előnyös, hiszen egy felületletapogatás igen hosszú időt is igénybe vehet. Például egy 1 x 1 mm-es felület 1 mm-es asztalléptetés és a mérőfejnek 0,2 mm/s-ra tervezett vontatási sebessége mellett – ha a visszafutási idő 1 s – a teljes mérési idő 6000 s, azaz közel egy és háromnegyed óra! Ezt még megelőzi egy legalább 10...20 perces próbatest-felfogási és beállítási eljárás, így egy mérésre nagyjából két órát kell szánni. Az egész rendszer tömbvázlata (9. ábra) látható.

9. ábra. A teljes érdességmérő-rendszer tömbvázlata

A pásztázó elektronmikroszkópia szerepe a felületértékelésben

A felületek jellegzetességeinek képi megismerésében sok segítséget ad az Anyag- és Alakítástechnológia Tanszékre 1996-ban beszerzett JEOL JSM-5310 típusú pásztázó elektronmikroszkópja, amely 200.000-szeres nagyításával mind a gyártásban kialakuló felületi mikroszerkezet jellegzetességeinek feltárását, mind pedig a valós felületek működés közbeni megváltozásának nyomon követését lehetővé teszi (10. ábra).

10. ábra. Köszörült felület elektronmikroszkópos képe

A pásztázó elektronmikroszkóp különösen sokat segít az érdes felületek érintkezési állapotának feltárásában, valamint a száraz csúszóérintkezésű testek kopási folyamatának megismerésében. Ezen utóbbi folyamatot a barázdaképződéssel kapcsolatos mikroforgács leválása és "elporladása" jellemzi. A barázdaképződésért feltehetően az egymáson súrlódó fémfelületek letört érdességi csúcsai, a felületre megmunkálás közben felhegedt/feltapadt vagy a felületek valamelyikéből leváló részecskék felelősek. Ezek a jelenségek, folyamatok számítógépes adatfelvételi és mikroszkópos módszerekkel, azaz a barázdakörnyéki mikrogeometria feltérképezésével mélyebben vizsgálhatók, elemezhetők. A 11. ábrán bemutatott kép érzékletesen mutatja a karc jellegzetes barázdáit, majd a karcolást kiváltó idegen kemény anyag szétporladását és a karcvégi kráter keletkezését.

11. ábra. Barázdakép a szétporladással

A képi felvételek kiegészíthetők háromdimenziós topografikus mérésekkel, amelyekből megállapíthatók a barázdát jellemző méretek, következtethetünk az ott lezajló képlékeny alakváltozási folyamatra, valamint a barázdák hosszából egy-egy mikroforgács, illetve részecske "élettartamára". A pásztázó elektronmikroszkóp adta vizuális képi lehetőségek tehát olyan alapvető információkat szolgáltathatnak, amelyek jelentősen segítik a kopási folyamatok feltárásával foglalkozó kutatásokat is.

A felületi topográfia 3D-s paraméteres és képi jellemzése

A megmunkált felületekkel szemben támasztott növekvő igények miatt van szükség a felületi mikrotopográfia sokoldalú kiértékelésére, amely a mintavételi felületről gyűjtött adatok feldolgozásával történő felületjellemzést jelenti. Ennek megvalósítása a vizsgált felületrészt egyedi pontokban letapogató nagypontosságú mérőkészüléket (lásd 3.1. pont), továbbá a felület mikrogeometriáját jellemző paraméterek és szemléletes képi megjelenítések számítógépi programjának kidolgozását igényli.

Több kiadvány látott napvilágot e tárgykörben, melyek közül a leginkább átfogó és legtöbb szakirodalmi hivatkozásban szereplő a [18] EU-ajánlás. Az említett ajánlás a bevezetésre javasolt háromdimenziós paramétereket négy csoportba sorolja (12. ábra).

12. ábra. A 3D-s mikrotopográfiai paraméterek és a hagyományos 2D-s megfelelőjük

A felületi mikrotopográfia 3D-s jellemzésére szolgáló paraméterek áttekintése

Az 12. ábrán feltüntetett 3D-s paraméterek - csoportosításuknak megfelelően - különböző szempontok szerint képesek a mikrotopográfia jellemzésére.

A felületek háromdimenziós feldolgozásakor az "érdesség" helyett a felületi mikrogeometria átfogóbb jellemzésére utaló mikrotopográfia elnevezést alkalmazzuk. Az egyes paraméterek betűjelére a kétdimenziós jellemzőknél használt R (roughness) helyett a térbeliségre utaló S (surface) használata javasolt, a hagyományos, tényleges geometriai tartalomra utaló alsó index feltüntetésével (pl. Sa, Sq, Sz, stb.).

A háromdimenziós topográfiai jellemzők az alábbiak szerint csoportosíthatók:

Amplitúdó- (vagy magasság-) irányú paraméterek

Térközi (vagy vízszintes irányú topográfiai tulajdonságokat jellemző) paraméterek

Hibrid (vagy összetett geometriai) paraméterek

Ezen paramétereket a magasságirányú, valamint térközi jellemzők felhasználásával számíthatjuk.

Funkcionális (vagy működési tulajdonságokat leíró) paraméterek

A fenti 3D-s topográfiai paraméterek részletes leírását, matematikai definícióját a [ 18] , illetve a [19] irodalom tartalmazza.

A 3D-s kiértékelést elvégző számítógépi program saját fejlesztésű. A program alkalmas a 12. ábra szerinti 3D-s mikrotopográfiai paraméterek számítására, valamint a felület különböző matematikai-statisztikai függvényekkel való jellemzésére, illetve a mért adatok több szempont szerinti képi feldolgozására (13. ábra) [20].

13. ábra. Néhány lehetőség a Surf3D program által nyújtottakból: a. a 3D-s mikrotopográfiai paraméterek kiszámítása; b. a felület képe; c. a felület negatív (inverz) képe; d. 50%-os hordozófelületnél csonkolt felület képe; e. a felület térbeli autokorrelációs függvényének képe; f. a felület szintvonalas ábrázolása; g. szürkeskálás ábrázolás

A 3D-s felület felhasználása a tribológiai alkalmazások kutatásában

Az előzőekben bemutatott tématerületen széles körű együttműködés valósult meg a BME Gépészmérnöki Kar Gépszerkezettani Intézete, valamint a Közlekedésmérnöki Kar Gépelemek Tanszéke kutatóival a működő gépalkatrészek érintkezési állapotát, tribológiai törvényszerűségeit feltáró kutatásokban.

Fém-fém testek közötti súrlódási állapotot, az érintkezési, feszültségi és hőtani állapotok kialakulását és változását csak a tényleges (megmunkált) topografikus felületek (14. ábra) figyelembevételével tudjuk vizsgálni.

14. ábra. Két érdes felület a csúszóérintkezésnek megfelelő elrendezésben

A tényleges csúszófelületek megismerése mindenekelőtt a felületi elrendeződés (textúra) 3D-s felvételét igényli, majd pedig olyan eljárásokat, amelyek révén sor kerülhet a csúszósúrlódáshoz tartozó érintkezési állapotok meghatározására, a csúszási folyamat tetszőleges fázisaiban. Az érintkezési állapot megismerése a csúszófelületeken lezajló folyamatokhoz szükséges alapinformáció. Érdes felületek érintkezési állapotának vizsgálata az érintkezési tartományok pillanatnyi helyének, az érintkezés mentén ébredő nyomáseloszlásnak és a testek közeledésének meghatározását jelenti, adott nagyságú terhelés esetén. Ennek a kérdéskörnek a vizsgálatához közelítő rugalmas-képlékeny számszerű érintkezési algoritmust alkalmazhatunk, amelyet a BME Gépészmérnöki Kar Gépszerkezettani Intézetének kutatói dolgoztak ki. [21].

Az érintkezési hőmérséklet tanulmányozása választ ad arra a kérdésre, hogy csúszósúrlódáskor a tényleges érintkezési tartományok mentén értelmezett és hővé alakult veszteségteljesítmény milyen „ pillanatnyi” hőmérsékletet okoz a tényleges érintkezési tartományok kis környezetében. Az érintkezési és hőtani algoritmusok segítségével egymáson csúszó szikraforgácsolt és köszörült felületek érintkezési és hőtani kölcsönhatását mutatjuk be, a csúszási irányra merőleges és az azzal párhuzamos köszörülési irányok esetén (15. ábra).

15. ábra. Érintkezési hőmérséklet-eloszlások (v = 10 m/s)

A felület alatti „ változásokat” jól tükrözi a feszültségi állapot, amelynek vizsgálata hasznos információt ad a kifáradási folyamatok tanulmányozásához. A felület alatti feszültségi állapot, végeselem-módszerrel vizsgálható. A BME Közlekedésmérnöki Karának Gépelemek Tanszékén dolgoztak ki olyan szimulációs eljárást [22], amelynek segítségével a súrlódó felületek a mechanikai kopásállóság szempontjából elemezhetők. A száraz súrlódás modelljének sajátosságait és legfontosabb tulajdonságait a 16. ábra mutatja be.

16. ábra. Súrlódó elempár végeselemes modellje száraz súrlódás esetén

Dr.Palásti Kovács Béla*
Kovács Kálmán**
Pálinkás Tibor***
Dr.Váradi Károly****

Irodalom

  1. Palásti K. B.: Az érdességi jellemzők információtartalma, Gép, 1992/5. p: 30.
  2. Horváth S. – Palásti K. B.: Speciális érdességi és hullámossági jellemzők, Gép, 1992/7. p: 36.
  3. Horváth S. – Palásti K. B.: Forschungsergebnisse Der Oberflächengeometrie in Ungarn. 4. Internationalles DAAAM Symposium, Brno, 1993.
  4. Palásti K. B.: A felületi mikrogeometria kiértékelésének számítógépes módszerei, Gép 1992/8. p: 45-48.
  5. D.J. Whitehouse,: Handbook of Surface Metrology, Philadelphia and Boston, 1993.
  6. Palásti, K. B. - Néder, Z.: A felületi mikrogeometria mérése és kiértékelése, Gépgyártástechnológia, 1995/11-12. p: 425.
  7. Pálinkás, T. – Palásti, K. B.: topoSurf, a PC-hez illesztett topografikus érdességmérő berendezés, Gépgyártástechnológia, 1999/9. p: 51)
  8. Pálinkás, T.: Mi termelhető ki a PC-s meghajtókból?, Hobby Elektronika 1999/8., 9., 10., 11., 12
  9. Pálinkás, T.: Elmozdulásmérő transzformátor, Hobby Elektronika 1997/6. p: 187
  10. Pálinkás, T.: Vezéroszcillátor és fázisérzékeny egyenirányító II., Rádiótechnika 1998/11. p: 549.
  11. Pálinkás, T.: Vezéroszcillátor vivőfrekvenciás híderősítőhöz, Rádiótechnika 1999/3. p: 120.
  12. Pálinkás, T.: PC-vezérelt vivőfrekvenciás mérőerősítő, Rádiótechnika1999/4. p: 173.
  13. Petrik, O.: Finommechanika · Tervezés, szerkesztés, Műszaki könyvkiadó, 1974. p.: 443
  14. Pálinkás, T.: Vontatórendszer műszerekbe, automatákba, Rádiótechnika 2000/5. p: 223.
  15. Pálinkás, T.: Precíziós végálláskapcsoló, Hobby Elektronika 1997/2. p: 63.
  16. Pálinkás, T.: Tápfeszültség-monitor PC-vezérelt berendezésekhez, Hobby Elektronika 1997/2. p: 57.
  17. Pálinkás, T.: Differenciáltranszformátor illesztése egyszerűen és korszerűen, Rádiótechnika 1999/5. p: 216.
  18. K. J. Stout, – P. J. Sullivan, – W. P. Dong, – E. Mainsah, – N. Luo, – T. Mathia, – H. Zahouaro: The Developent of Methods for the Characterisation of Roughness in Three Dimensions, Commission of the European Communities 1994.
  19. Kovács, K. – Palásti Kovács B., Műszaki felületek mikro-topográfiájának jellemzése háromdimenziós paramé-terekkel. I. A háromdimenziós topográfiai paraméterek áttekintése. Gépgyártástechnológia, 1999/8. p: 19.
  20. Kovács, K. – Wiezl, Cs.: Műszaki felületek mikrotopográfiájának háromdimenziós jellemzése, II. Vizuális jellemzési technikák, Gépgyártástechnológia,. 2000/3. p: 29.
  21. Néder, Z. – Váradi, K.: Szerkezeti elemek csúszóérintkezésének modellezése, Jubileumi Tudományos Konferencia, Bánki Donát Műszaki Főiskola, 1999. Szept. p: 327.
  22. Eleőd, A. – Pálinkás, T. – Devecz, J.: Érintkező felületek annalízisének kísérleti és numerikus módszerei, Jubileumi Tudományos Konferencia, Bánki Donát Műszaki Főiskola, 1999. Szept. p: 339.

Megjegyzések

*: Budapesti Műszaki Főiskola Bánki Donát Gépészmérnöki Kar
**: Boronkai György Műszaki Szakközépiskola, Vác
***: Rádióvilág Kft. – Szerkesztőség,
****: Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Gépészmérnöki Kar

A laprendszer készítője: UFE