Zapewnianie jakości w przemyśle

W kontroli jakości w przemyśle korzysta się z metod niszczących i nieniszczących. Badania nieniszczące (Nondestructive Testing, NDT) polegają na poddaniu obiektu testom pod kątem występowania niedoskonałości w jego wnętrzu albo na jego powierzchni, które nie wymagają podejmowania działań mogących go uszkodzić albo zniszczyć. Dzięki temu - w przypadku pozytywnie zakończonej inspekcji - będzie on w dalszym ciągu nadawał się do użytku. Ponadto badania nieniszczące można wielokrotnie powtarzać bez konsekwencji.

OGRANICZENIA BADAŃ NISZCZĄCYCH

Przeciwieństwem testów NDT są badania o charakterze destrukcyjnym, które powodują trwałe uszkodzenia produktów. W związku z tym badania niszczące przeprowadza się na wybranej - zazwyczaj losowo, grupie wyrobów o ograniczonej liczebności. Sprawdzają one przede wszystkim właściwości fizyczne produktów, na przykład ich wytrzymałość na: zginanie, łamanie, rozciąganie, uderzenia, korozję oraz twardość.

W ramce charakteryzujemy przykładowe metody badań niszczących. W dalszej części artykułu przedstawiamy natomiast przegląd najpopularniejszych technik nieniszczących. Do tych ostatnich zaliczanych jest wiele metod. Warto dodać, że w zakładach przemysłowych poza kontrolą jakości gotowych produktów, znajdują one zastosowanie także w utrzymaniu ruchu.

Fot. 1. Aplikacja penetrantu i wynik jego działania

JAKIE METODY NALEŻĄ DO GRUPY NDT?

Są to na przykład badania: akustyczne, polegające na pomiarze i analizie dźwięków i drgań, które są generowane pod wpływem oddziaływania na obiekt obciążenia mechanicznego, gwałtownej zmiany temperatury albo ciśnienia, elektromagnetyczne, falami ultradźwiękowymi, które rozchodzą się wzdłuż przedmiotu inspekcji, na przykład rurociągu oraz interferometryczne. W tych ostatnich dokonuje się analizy interferencji światła laserowego odbitego od badanej powierzchni.

Właściwości produktu - na przykład zawartość wilgoci w wyrobach spożywczych i budowlanych, sprawdza się również za pomocą mikrofal. Wykorzystuje się w tym przypadku fakt, że obecność wody powoduje tłumienie oraz przesunięcie fazy ich wiązki przenikającej badaną próbkę. W kontroli jakości używa się też ultradźwięków oraz kamer (patrz ramka).

Do grupy badań NDT należą oprócz tego testy szczelności - na przykład metodą bąbelkową (pęcherzykową), pomiary wycieku pola magnetycznego, badania penetracyjne i magnetyczno-proszkowe. Radiografia, termografia oraz pomiary wibracji również nie powodują zniszczenia obiektów poddawanych inspekcji.

Badania niszczące

Do tytułowej grupy zaliczanych jest wiele metod. Wśród nich można wyróżnić kilka kategorii. Jedną z nich są badania wytrzymałości. W ramach sprawdzania tej cechy wykonywane są m.in. próby rozciągania, ściskania, zginania, ścinania oraz łamania. Do grupy testów niszczących zalicza się również badanie udarności.

Sprawdza ono odporność na działanie dużej siły w krótkim czasie. Wykonuje się je, uderzając w próbkę młotem wahadłowym Charpy’ego. Przeprowadza się także testy wytrzymałości na podwyższone temperatury i odporności na korozję. Ważną cechą jest oprócz tego twardość. Sprawdza się ją metodami statycznymi lub dynamicznymi. Te pierwsze wykorzystuje się częściej.

Do grupy technik statycznych zalicza się m.in. metodę Rockwella. Polega ona na pomiarze głębokości wcisku w obiekt wzorcowego stożka diamentowego. Wśród jej zalet wymienia się: szybkość, łatwość realizacji oraz możliwość automatyzacji. W metodzie Vickersa w powierzchnię badanego materiału wgniata się diamentowy ostrosłup.

Inaczej, niż w przypadku techniki Rockwella, ustawienie przedmiotu w mniejszym stopniu ma wpływ na wynik pomiaru. Metoda Brinella polega z kolei na wciskaniu kulki wykonanej ze stali hartowanej lub węglików spiekanych. W porównaniu do dwóch pierwszych technik, w jej przypadku powierzchnia obiektu badań ulega większemu uszkodzeniu.

METODA PRĄDÓW WIROWYCH

W kontroli jakości w przemyśle w praktyce najczęściej korzysta się tylko z kilku spośród wyżej wymienionych metod. Jedną z nich są badania elektromagnetyczne. Do tej grupy zalicza się m.in. metodę prądów wirowych (Eddy Current Testing, ET). Jej podstawę stanowi zjawisko indukcji elektromagnetycznej, zaś inspekcji dokonuje się przy użyciu sondy pomiarowej.

Cewki tej ostatniej są zasilane prądem przemiennymi i generują zmienne pole magnetyczne. Po zbliżeniu ich do detalu, wykonanego z materiału przewodzącego prąd, powstają w nim prądy wirowe. Te zaś generują własne pole magnetyczne, które oddziałuje na cewkę sondy. Zmiany grubości albo defekty w obiekcie zmieniają amplitudę oraz rozpływ prądów wirowych, a w rezultacie wpływają na rozkład pola i prądy w cewkach sondy.

Gęstość prądów wirowych jest największa na wierzchu detalu. Tam więc uzyskuje się największą rozdzielczość pomiarową. Przyjmuje się, że głębokość penetracji tej metody odpowiada odległości od brzegu obiektu, na której gęstość prądów wirowych wynosi około 40% wartości na powierzchni.

CO WPŁYWA NA SKUTECZNOŚĆ BADANIA PRĄDAMI WIROWYMI?

Na efektywność tego typu badania wpływa kilka czynników. Na przykład im większa jest przewodność elektryczna materiału, tym skutecznej można wykryć defekty na jego powierzchni. Równocześnie jednak głębokość inspekcji będzie mniejsza.

Analogiczny wpływ ma też większa częstotliwość testowa. Natomiast im jest ona mniejsza, tym łatwiej jest wykryć skazy znajdujące się w głębi obiektu inspekcji. Im większe są cewki sondy pomiarowej, tym większą objętość detalu można skontrolować. Te mniejsze z kolei dokładniej wykrywają drobne defekty.

O ile na cechy materiału operator systemu nie ma wpływu, o tyle częstotliwość testowa, rodzaj oraz rozmiary cewki powinny być dobrane do specyfiki obiektu badania. Dlatego, żeby zapewnić jak największą rozdzielczość oraz wymaganą głębokość penetracji, w urządzeniach stosowanych w przemyśle można przestrajać częstotliwości oraz korzystać z sond różnego typu.

Kontrola jakości otworów wypalonych laserem

Jeden z producentów plastikowych elementów, będących częścią detektorów gazów, postanowił uzupełnić linię wypalania w nich otworów za pomocą lasera o system wizyjny, który badałby ich jakość. Miał on dokonywać inspekcji kilkunastu wariantów takich detali, o średnicach otworów w przedziale od kilkunastu, do kilkudziesięciu mikrometrów. Sprawdzane miały być: ich położenie i rozmiary, od strony wlotowej i wylotowej.

Linia technologiczna
Elementy z kolejnych partii dostarczane były w pojemnikach oznakowanych unikalnym kodem, który był rozpoznawany przez czytnik. Na tej podstawie zmieniano ustawienia oraz narzędzia, których używano w dalszej obróbce. Następnie sterowany wizyjnie robot wyjmował z pojemnika detale i układał je na taśmociągu. Wtedy laser wypalał w nich otwory w kształcie ściętego stożka. Kolejnym etapem była kontrola jakości. Elementy, które przeszły weryfikację pozytywnie, trafiały do dalszej produkcji.

Sterowanie robotem
Aby otwór został wypalony we właściwym miejscu, wcześniej robot powinien ułożyć element w odpowiedniej pozycji. W tym celu, po wyjęciu go z pojemnika, system wizyjny rejestrował jego obraz. Następnie specjalne oprogramowanie, w którym zaimplementowano algorytm dopasowania wzorca, wyszukiwało w bibliotece detali w różnych wariantach jego pierwowzór. Na tej podstawie wyznaczana była różnica między aktualnymi a docelowymi współrzędnymi elementu. W oparciu o nią sterownik robota kierował jego ruchem.

Kontrola jakości - etap 1
Kontrola jakości w opisywanym ciągu technologicznym była kilkuetapowa. W pierwszym kroku system wizyjny oceniał położenie otworu. W tym celu rejestrował jego obraz, który następnie był analizowany w oprogramowaniu, w którym zaimplementowano algorytm rozpoznawania kształtu i detekcji krawędzi. Te ostatnie wykrywa się, wyszukując takie miejsca, w których sąsiadują ze sobą piksele znacznie różniące się jasnością. W ten sposób wyznaczano położenie otworu. Współrzędne te porównywano z wartościami zadanymi.

Kontrola jakości - etap 2
Następnie sprawdzano średnice wlotu i wylotu otworu. Grubość i kształt elementu mają duży wpływ na dokładność ich pomiaru. Dlatego, aby uzyskać jak najlepszy wynik, stosowano powiększenie, zaś każdy detal fotografowano kilkadziesiąt razy, z różnych odległości. Dzięki temu, porównując intensywność pikseli wokół krawędzi otworu, można było wybrać obraz o największej ostrości. Następnie, po przetworzeniu go w oprogramowaniu systemu wizyjnego przy użyciu algorytmu wykrywania krawędzi, mierzono średnice wlotu i wylotu otworu.