หัวโพรบ เทคนิคการเลือกใช้สำหรับเครื่อง CMM

how-to-choose-styli

หัวโพรบ คืออะไร?

ถ้าจะพูดถึงคำว่า หัวโพรบ หรือภาษาอังกฤษมาจากคำว่า Probe Head สำหรับเครื่องมือวัดขนาดแบบสามมิติ หรือ CMM (Coordinate Measuring Machine) นั้น เราหมายถึงชุดอุปกรณ์ที่ใช้ในการแตะสัมผัสที่ชิ้นงานในการวัดขนาด และอ่านค่าของตำแหน่งที่สัมผัสนั้นออกมารายงานในรูปแบบสามมิติ ซึ่งชุดของ หัวโพรบ นั้นอาจประกอบไปด้วยส่วนต่างๆ เช่น Probe Head, Probe Body, Probe module และ styli เป็นต้น ซึ่งบางประเภท อาจมีรูปแบบที่ต่างกัน เช่น RTP20 จะไม่มี Probe Body หรืออาจกล่าวได้ว่ารวม Probe Head และ Probe Body ไว้ในชุดเดียวกัน

rtp20-probe-head
Probe Head ยี่ห้อ Renishaw รุ่น RTP20
ph10t-probe-head
Probe Head ยี่ห้อ Renishaw รุ่น PH10

ประเภทของ หัวโพรบ

เราอาจแบ่งประเภทของ Probe head ได้หลากหลาย เช่น แบ่งตามการหมุนในการทำงาน เช่น fixed head คือไม่สามารถหมุนเพื่อเปลี่ยนองศาได้ และ Rotating Probe ที่สามารถเปลี่ยนองศาได้ หรืออาจแบ่งประเภทตามความสามารถในการแตะสัมผัส เช่น Touch-Trigger probe การแตะสัมผัสและเก็บค่าที่ละตำแหน่งแบบไม่ต่อเนื่อง Scanning Probe การแตะสัมผัสและเก็บค่าที่ละตำแหน่งแบบต่อเนื่อง มาถึงตรงนี้เราจะขอกล่าวถึงรายละเอียดเกี่ยวกับ Probe Head กันอย่างละเอียดในโอกาสถัดไป

เครดิต youtube วิดีโอจาก Renishaw และ Zeiss

ซึ่งในบทความนี้เราจะขอพูดถึงคำว่า หัวโพรบ ที่ใช้กับเครื่อง CMM หรือเวลาที่เราต้องการซื้อหรือเปลี่ยนให้เหมาะกับการทำงาน ตามความหมายที่เข้าใจกันสำหรับคนไทยซึ่งเรามักหมายถึง Styli นั่นเอง

หัวโพรบ หรือ Stylus (styli)

หัวโพรบ หรือ Stylus (styli) คือ ส่วนของเครื่องมือวัด CMM (Coordinate Measuring Machine) เพียงส่วนเดียวที่สัมผัสกับชิ้นงานแล้วอ่านค่าออกมา จึงต้องให้ความสำคัญกับส่วนนี้อย่างมาก และต้องเลือกให้เหมาะสมกับชิ้นงานประเภทและตำแหน่งต่างๆ ที่ต้องการทำการวัด

การเลือกใช้ Stylus (Styli) ต้องคำนึงถึงอะไรบ้าง

ก่อนการเลือกใช้หัว Styli สำหรับเครื่อง CMM (Coordinate Measuring Machine) ผู้ใช้เครื่อง CMM ควรจะทราบถึงคุณลักษณะพื้นฐานก่อน เช่น ขนาดเกลียว วัสดุและน้ำหนักเป็นต้น

A ขนาดของลูกบอล

B ระยะรวมของ Styli

C ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของก้าน Styli

D ระยะที่ทำการวัดได้จริง (effective lenght)

ขนาดต่างๆ ที่ควรต้องรู้ของ Styli (ขอขอบคุณภาพจาก Renishaw)

วัสดุที่ใช้ทำก้านและลูกบอล

การพิจารณาโดยการพิจารณาจากวัสดุก็เป็นปัจจัยสำคัญมากอย่างนึ่ง การเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมเราจะพิจารณาจาก ซึ่งเราสามารถแยกชิ้นส่วนที่ทำจากวัสดุต่างๆ ได้ 2 ชิ้นส่วนหลักๆ คือ วัสดุที่ใช้ทำก้าน (Stem material) และ วัสดุที่ใช้ทำลูกบอล (Ball material)

วัสดุที่ใช้ทำก้าน (Stem material)

stem-steel
Stainless steel

Steel Styli
ก้านที่ผลิตจากสเตนเลสสตีลนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีราคาไม่สูง นิยมใช้กับลูกบอลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางบอล ขนาด 2 มิลลิเมตร ขึ้นไปและมีความยาวก้านไม่เกิน 30 มิลลิเมตร ในช่วงความยาวประมาณนี้ ก้านสเตนเลสสตีลแบบชิ้นเดียวจะมีอัตราส่วนความแข็งต่อน้ำหนักที่เหมาะสม

stem-tunsten-carbide
Tungsten carbide

Tungsten carbide Styli
ก้านที่ผลิตจากทังสเตนคาร์ไบด์มีความแข็งสูงเหมาะสำหรับลูกบอลที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็ก 1 มิลลิเมตร หรือต่ำกว่า และความยาวก้านไม่เกิน 50 มิลลิเมตร ถ้าใช้ยาวกว่านี้ด้วยน้ำหนักของก้านอาจส่งผล stiffness ทำให้ค่าที่วัดได้อาจไม่แม่นยำ

stem-ceramic
Ceramic

Ceramic Styli
ก้านที่ผลิตจากเซรามิก นิยมสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางของลูกบอลมากกว่า 3 มิลลิเมตร และความยาวมากกว่า 30 มม. ก้านเซรามิกจะมีความแข็งเทียบเท่ากับเหล็ก แต่มีน้ำหนักเบากว่าทังสเตนคาร์ไบด์อย่างมาก นอกจากนั้นในทางอ้อมแล้วก้านที่ทำจากเซรามิกยังสามารถป้องกันการชนให้กับโพรบของคุณ เนื่องจากก้านจะแตกเมื่อเกิดการชนกัน

stem-carbon-fiber
Carbon fibre

Carbon fibre Styli
ก้าน หัวโพรบ ที่ผลิตจากคาร์บอนไฟเบอร์มีน้ำหนักน้อยกว่า หัวโพรบ ทังสเตนคาร์ไบด์ประมาณ 20% ทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสมสำหรับ หัวโพรบ ที่ต้องการก้านแบบยาว ทั้งยังมีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีมาก ซึ่งทำให้เหมาะสำหรับใช้ในสภาพแวดล้อมต่างๆ

stem-aluminium
Aluminium

Aluminium Styli
ก้านที่ผลิตจากอลูมิเนียมนี่เป็นวัสดุที่เบามากจึงเหมาะสำหรับใช้เป็นตัวต่อ (Extension) แต่ต้องอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมอุณหภูมิที่คงที่ เนื่องจาก อลูมิเนียมมีอัตราการยืดขยายตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิสูง

stem-titanium
Titanium

Titanium Styli
ก้านที่ผลิตจากไททาเนียมมีความเสถียรทางความร้อนเมื่อเทียบกับ อลูมิเนียมมีความแข็งแรงดัดงอได้ดีและยังเบามากอีกด้วย ลักษณะเหล่านี้ทำให้เหมาะมากสำหรับการใช้เป็นตัวต่อ (Extension) แต่ก็มีราคาที่สูงมากถ้าเทียบกับอลูมิเนียม


วัสดุที่ใช้ทำลูกบอล (Ball material)

ruby-ball
Ruby

Ruby Ball
ลูกบอลวัสดุทับทิม เป็นวัสดุที่นิยมใช้กันมากที่สุดและสามารถใช้ได้ในหลากหลายชิ้นงาน เป็นวัสดุที่มีความแข็งสูง ทับทิมสังเคราะห์นั้นมีส่วนประกอบเป็นอะลูมิเนียมออกไซด์ถึง 99% ซึ่งเติบโตเป็นผลึก (หรือ “ลูกเปตอง”) ที่อุณหภูมิ 2000 องศาเซลเซียส โดยใช้กระบวนการเวอร์นอยล์ (Verneuil process)
จากนั้น ลูกเปตอง จะถูกตัดและค่อยๆกลึงเป็นทรงกลมหรือลูกบอล ลูกบอลทับทิม (ruby ball) มีความเรียบเนียนเป็นพิเศษบนพื้นผิวมีกำลังอัดสูงและมีความต้านทานต่อการกัดกร่อนทางกลสูง จากที่กล่าวมาแล้วข้างต้นการวัดด้วยเครื่อง CMM จะนิยมใช้ลูกบอลทับทิบ (Ruby ball) ในหลากหลายลักษณะงาน อย่างไรก็ตามมีสองงานที่แนะนำให้ใช้ลูกบอลที่ผลิตจากวัสดุอื่น
ลักษณะงานวัดแรกคือสำหรับการวัดสัมผัสด้วยการสแกนแบบต่อเนื่องบนอะลูมิเนียม เนื่องจากวัสดุดึงดูดจึงอาจเกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า ‘adhesive wear’ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการสะสมของอะลูมิเนียมจากพื้นผิวชิ้นงานลงบนลูกบอล วัสดุลูกบอลที่ดีกว่าสำหรับการใช้งานดังกล่าวคือซิลิคอนไนไตรด์
ลักษณะงานวัดที่สองคือในการวัดสัมผัสด้วยการสแกนแบบต่อเนื่องบนเหล็กหล่อ ปฏิกิริยาระหว่างวัสดุทั้งสองอาจส่งผลให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า ‘abrasive wear’ ของพื้นผิวลูกทับทิม สำหรับการใช้งานดังกล่าวขอแนะนำให้ใช้ลูกบอลเซอร์โคเนีย

silicon-nitride-ball
Silicon nitride

Silicon nitride Ball
ซิลิคอนไนไตรด์มีคุณสมบัติคล้ายกับทับทิมหลายประการ เป็นเซรามิกที่แข็งและทนต่อการสึกหรอซึ่งสามารถกลึงเป็นทรงกลมที่มีความแม่นยำสูงได้ นอกจากนี้ยังสามารถขัดให้มีพื้นผิวเรียบมาก
ซิลิคอนไนไตรด์ไม่มีแรงดึงดูดต่ออลูมิเนียมดังนั้นจึงไม่มีการสะสมของเนื้ออลูมิเนียมที่พื้นผิวลูกบอลที่เรียกว่า ‘adhesive wear’ ที่เกิดขึ้นกับลูกบอลทับทิม อย่างไรก็ตามซิลิคอนไนไตรด์แสดงลักษณะการสึกกร่อนที่มีนัยสำคัญเมื่อทำการสแกนบนพื้นผิวเหล็กดังนั้นการใช้งานจึงจำกัดเฉพาะชิ้นงานอลูมิเนียม

zirconia-ball
Zirconia

Zirconia Ball
เซอร์โคเนียเป็นวัสดุเซรามิกที่มีความแข็งเป็นพิเศษซึ่งมีความแข็งและลักษณะการสึกหรอใกล้เคียงกับทับทิม คุณสมบัติพื้นผิวทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับการวัดสัมผัสด้วยการสแกนแบบต่อเนื่องบนผิวเหล็กหล่อ

Styli มีรูปร่างหน้าตาอย่างไรบ้าง

รูปทรงได้ถูกออกแบบมาให้เหมาะสมกับการใช้งานต่างๆ รูปทรงที่หลากหลายช่วยในการวัดชิ้นงานให้มีประสิทธิภาพและแม่นยำมากที่สุด จากข้อมูลก่อนหน้านี้วัสดุของ Stylus มีความสำคัญมาก แต่อย่างไรก็ตามรูปร่างก็มีความสำคัญไม่น้อยไปกว่ากัน
บางบริษัทผู้ผลิตสามารถให้ลูกค้ามีส่วนออกแบบรูปร่างของได้เอง ซึ่งเรียกว่า custom stylus ซึ่งผู้เขียนจะขอกล่าวอย่างละเอียดถึงในโอกาสหน้า
ในบทความนี้ ผู้เขียนจะยกตัวอย่างรูปร่างที่เป็นที่นิยมโดยทั่วไปมาตามตารางด้านล่างนี้

stylus straightStraight Stylus แบบก้านตรง
stylus starStar Stylus แบบดาว หรือแบบแฉก สามารถวัดได้จากหลายทิศทางโดยไม่ต้องเปลี่ยน
หัวโพรบ
stylus diskDisk Stylus แบบจาน ใช้ในการวัดร่องและความกว้างของร่องโดยเฉพาะร่องด้านใน
stylus cylinderCylinder Stylus แบบทรงกระบอก นิยมใช้วัดเกลียว หรือบางตำแหน่งที่ไม่สามารถวัดด้วย หัวโพรบแบบลูกบอลได้
stylus hemisphereHemisphere Stylus แบบครึ่งทรงกลม มีพื้นที่ผิวในการวัดมาก เหมาะสำหรับการวัดร่องลึกและพื้นผิวชิ้นงานที่ไม่เรียบ

นอกจากรูปร่างต่างๆด้านบนแล้ว ยังมีรูปทรงที่เราสามารถสั่งให้ผู้ผลิตสร้างเพื่อให้เหมาะสมกับการทำงานของเราได้มากที่สุดอีก และนอกเหนือจากที่ใช้กับ CMM ก็ยังมีหัว styli ที่ใช้กับ AACMM (Articulated Arm Coordinate Measuring Machine) ด้วย

ผู้เขียนขอสรุปเทคนิคการเลือกใช้เป็นข้อๆ เพื่อให้เข้าใจง่ายตามนี้

  1. ทำให้สั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้ซึ่งจะช่วยเพิ่มความเสถียร ถ้าหากจำเป็นที่จะต้องใช้ขนาดยาวจริงๆก็ควรจะตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีเสถียรภาพก่อน
  2. ตรวจสอบก่อนใช้ บริเวณเกลียวและส่วนต่างๆ เช่น พื้นผิวของบอลจะต้องไม่สึกหรือมี ข้อบกพร่องใดๆ
  3. การยึดไม่แน่นเป็นสาเหตุอันดับหนึ่งของการวัดที่ได้ค่าผิดๆ เราต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าขันเกลียวแน่นหนาเรียบร้อยแล้วก่อนการใช้งาน
  4. เมื่อลูกบอลเริ่มสึก หรือคดงอ หรือมีส่วนใดส่วนนึ่งชำรุด ควรจะต้องเปลี่ยนใหม่เพื่อป้องกันการวัดที่ไม่ถูกต้อง
  5. อุณหภูมิและสภาพแวดล้อมมีผลอย่างมากต่อการวัด ตรวจสอบให้แน่ใจว่าเราได้เลือกที่มีส่วนประกอบที่มีความเสถียรทางความร้อน
  6. น้ำหนักเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องคำนึงถึง ก่อนเลือกใช้ ตรวจสอบข้อมูลจำเพาะจากสเปคของผู้ผลิตเพื่อให้แน่ใจว่าเราไม่ใช้ styli ที่มีน้ำหนักมากจนเกินไป ซึ่งอาจทำให้ค่าที่วัดได้ผิดพลาด
  7. ใช้ชิ้นส่วนให้น้อยที่สุด การเชื่อมต่อด้วยข้อต่อ (Extension) ที่ไม่จำเป็นอาจทำให้เกิดความไม่เสถียรและมีโอกาสทำให้ค่าของการวัดไม่ถูกต้อง
  8. หากต้องการใช้เพื่อการสแกนสัมผัสแบบต้องเนื่องสำหรับชิ้นงานที่เป็นอลูมิเนียม จำเป็นที่จะต้องใช้ลูกบอลที่ทำจากวัสดุซิลิกอนไนไตรด์ (silicon nitride)
  9. ควรใช้ลูกบอลที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เนื่องจากพื้นผิวชิ้นงานนั้นมีความไม่เรียบอยู่ ซึ่งถ้าใช้ ลูกบอลขนาดเล็กอาจสัมผัสพื้นผิวบริเวณที่ไม่สมบูรณ์ได้ เพราะฉะนั้นการใช้ลูกบอลใหญ่กว่า จะทำให้ไม่เก็บค่ารายละเอียดเล็ก ๆ เหล่านี้
  10. ณ ตำแหน่งที่ต้องการวัด การเคลื่อนที่ของลูกบอลที่สัมผัสชิ้นงานควรตั้งฉากกับชิ้นงานเพื่อให้ได้ค่าจากการวัดที่แม่นยำที่สุด
  11. แรงและความเร็วในการวัดควรเหมาะกับส่วนประกอบต่างๆ ขนาดที่เล็กกว่าและก้านที่บางกว่านั้นต้องการแรงและความเร็วในการวัดลดลง

ในบทความนี้ผู้เขียนได้พยายามสรุปเนื้อหาให้เข้าใจได้ง่าย และเป็นเพียงคำแนะนำพื้นฐานเท่านั้น ในการทำงานจริงอาจต้องมีการประยุกต์และรายละเอียดเพิ่มเติมมากกว่านี้ ซึ่งไม่สามารถที่จะบรรยายทั้งหมดภายในบทความเดียวได้ หากผู้อ่านต้องการคำปรึกษาแบบเฉพาะเจาะจง สามารถส่งรีวิวบทความเหล่านี้ได้ หรือหากท่านต้องการให้เขียนบทความใดๆเกี่ยวกับงานการวัดขนาดแบบสามมิติ สามารถส่งคำขอมาได้เช่นกัน ทางทีมงานผู้เขียนขอขอบพระคุณทุกท่านครับ

หากท่านสนใจ หัวโพรบ แบบต่างๆ สำหรับเครื่อง CMM ของท่าน สามารถคลิ๊กที่นี่

Leave a Comment

อีเมลของคุณจะไม่แสดงให้คนอื่นเห็น ช่องข้อมูลจำเป็นถูกทำเครื่องหมาย *

Shopping Cart