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
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)
Steel Styli
ก้านที่ผลิตจากสเตนเลสสตีลนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีราคาไม่สูง นิยมใช้กับลูกบอลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางบอล ขนาด 2 มิลลิเมตร ขึ้นไปและมีความยาวก้านไม่เกิน 30 มิลลิเมตร ในช่วงความยาวประมาณนี้ ก้านสเตนเลสสตีลแบบชิ้นเดียวจะมีอัตราส่วนความแข็งต่อน้ำหนักที่เหมาะสม
Tungsten carbide Styli
ก้านที่ผลิตจากทังสเตนคาร์ไบด์มีความแข็งสูงเหมาะสำหรับลูกบอลที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็ก 1 มิลลิเมตร หรือต่ำกว่า และความยาวก้านไม่เกิน 50 มิลลิเมตร ถ้าใช้ยาวกว่านี้ด้วยน้ำหนักของก้านอาจส่งผล stiffness ทำให้ค่าที่วัดได้อาจไม่แม่นยำ
Ceramic Styli
ก้านที่ผลิตจากเซรามิก นิยมสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางของลูกบอลมากกว่า 3 มิลลิเมตร และความยาวมากกว่า 30 มม. ก้านเซรามิกจะมีความแข็งเทียบเท่ากับเหล็ก แต่มีน้ำหนักเบากว่าทังสเตนคาร์ไบด์อย่างมาก นอกจากนั้นในทางอ้อมแล้วก้านที่ทำจากเซรามิกยังสามารถป้องกันการชนให้กับโพรบของคุณ เนื่องจากก้านจะแตกเมื่อเกิดการชนกัน
Carbon fibre Styli
ก้าน หัวโพรบ ที่ผลิตจากคาร์บอนไฟเบอร์มีน้ำหนักน้อยกว่า หัวโพรบ ทังสเตนคาร์ไบด์ประมาณ 20% ทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสมสำหรับ หัวโพรบ ที่ต้องการก้านแบบยาว ทั้งยังมีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีมาก ซึ่งทำให้เหมาะสำหรับใช้ในสภาพแวดล้อมต่างๆ
Aluminium Styli
ก้านที่ผลิตจากอลูมิเนียมนี่เป็นวัสดุที่เบามากจึงเหมาะสำหรับใช้เป็นตัวต่อ (Extension) แต่ต้องอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมอุณหภูมิที่คงที่ เนื่องจาก อลูมิเนียมมีอัตราการยืดขยายตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิสูง
Titanium Styli
ก้านที่ผลิตจากไททาเนียมมีความเสถียรทางความร้อนเมื่อเทียบกับ อลูมิเนียมมีความแข็งแรงดัดงอได้ดีและยังเบามากอีกด้วย ลักษณะเหล่านี้ทำให้เหมาะมากสำหรับการใช้เป็นตัวต่อ (Extension) แต่ก็มีราคาที่สูงมากถ้าเทียบกับอลูมิเนียม
วัสดุที่ใช้ทำลูกบอล (Ball material)
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
ซิลิคอนไนไตรด์มีคุณสมบัติคล้ายกับทับทิมหลายประการ เป็นเซรามิกที่แข็งและทนต่อการสึกหรอซึ่งสามารถกลึงเป็นทรงกลมที่มีความแม่นยำสูงได้ นอกจากนี้ยังสามารถขัดให้มีพื้นผิวเรียบมาก
ซิลิคอนไนไตรด์ไม่มีแรงดึงดูดต่ออลูมิเนียมดังนั้นจึงไม่มีการสะสมของเนื้ออลูมิเนียมที่พื้นผิวลูกบอลที่เรียกว่า ‘adhesive wear’ ที่เกิดขึ้นกับลูกบอลทับทิม อย่างไรก็ตามซิลิคอนไนไตรด์แสดงลักษณะการสึกกร่อนที่มีนัยสำคัญเมื่อทำการสแกนบนพื้นผิวเหล็กดังนั้นการใช้งานจึงจำกัดเฉพาะชิ้นงานอลูมิเนียม
Zirconia Ball
เซอร์โคเนียเป็นวัสดุเซรามิกที่มีความแข็งเป็นพิเศษซึ่งมีความแข็งและลักษณะการสึกหรอใกล้เคียงกับทับทิม คุณสมบัติพื้นผิวทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับการวัดสัมผัสด้วยการสแกนแบบต่อเนื่องบนผิวเหล็กหล่อ
Styli มีรูปร่างหน้าตาอย่างไรบ้าง
รูปทรงได้ถูกออกแบบมาให้เหมาะสมกับการใช้งานต่างๆ รูปทรงที่หลากหลายช่วยในการวัดชิ้นงานให้มีประสิทธิภาพและแม่นยำมากที่สุด จากข้อมูลก่อนหน้านี้วัสดุของ Stylus มีความสำคัญมาก แต่อย่างไรก็ตามรูปร่างก็มีความสำคัญไม่น้อยไปกว่ากัน
บางบริษัทผู้ผลิตสามารถให้ลูกค้ามีส่วนออกแบบรูปร่างของได้เอง ซึ่งเรียกว่า custom stylus ซึ่งผู้เขียนจะขอกล่าวอย่างละเอียดถึงในโอกาสหน้า
ในบทความนี้ ผู้เขียนจะยกตัวอย่างรูปร่างที่เป็นที่นิยมโดยทั่วไปมาตามตารางด้านล่างนี้
 | Straight Stylus แบบก้านตรง |
 | Star Stylus แบบดาว หรือแบบแฉก สามารถวัดได้จากหลายทิศทางโดยไม่ต้องเปลี่ยน หัวโพรบ |
 | Disk Stylus แบบจาน ใช้ในการวัดร่องและความกว้างของร่องโดยเฉพาะร่องด้านใน |
 | Cylinder Stylus แบบทรงกระบอก นิยมใช้วัดเกลียว หรือบางตำแหน่งที่ไม่สามารถวัดด้วย หัวโพรบแบบลูกบอลได้ |
 | Hemisphere Stylus แบบครึ่งทรงกลม มีพื้นที่ผิวในการวัดมาก เหมาะสำหรับการวัดร่องลึกและพื้นผิวชิ้นงานที่ไม่เรียบ |
นอกจากรูปร่างต่างๆด้านบนแล้ว ยังมีรูปทรงที่เราสามารถสั่งให้ผู้ผลิตสร้างเพื่อให้เหมาะสมกับการทำงานของเราได้มากที่สุดอีก และนอกเหนือจากที่ใช้กับ CMM ก็ยังมีหัว styli ที่ใช้กับ AACMM (Articulated Arm Coordinate Measuring Machine) ด้วย
ผู้เขียนขอสรุปเทคนิคการเลือกใช้เป็นข้อๆ เพื่อให้เข้าใจง่ายตามนี้
- ทำให้สั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้ซึ่งจะช่วยเพิ่มความเสถียร ถ้าหากจำเป็นที่จะต้องใช้ขนาดยาวจริงๆก็ควรจะตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีเสถียรภาพก่อน
- ตรวจสอบก่อนใช้ บริเวณเกลียวและส่วนต่างๆ เช่น พื้นผิวของบอลจะต้องไม่สึกหรือมี ข้อบกพร่องใดๆ
- การยึดไม่แน่นเป็นสาเหตุอันดับหนึ่งของการวัดที่ได้ค่าผิดๆ เราต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าขันเกลียวแน่นหนาเรียบร้อยแล้วก่อนการใช้งาน
- เมื่อลูกบอลเริ่มสึก หรือคดงอ หรือมีส่วนใดส่วนนึ่งชำรุด ควรจะต้องเปลี่ยนใหม่เพื่อป้องกันการวัดที่ไม่ถูกต้อง
- อุณหภูมิและสภาพแวดล้อมมีผลอย่างมากต่อการวัด ตรวจสอบให้แน่ใจว่าเราได้เลือกที่มีส่วนประกอบที่มีความเสถียรทางความร้อน
- น้ำหนักเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องคำนึงถึง ก่อนเลือกใช้ ตรวจสอบข้อมูลจำเพาะจากสเปคของผู้ผลิตเพื่อให้แน่ใจว่าเราไม่ใช้ styli ที่มีน้ำหนักมากจนเกินไป ซึ่งอาจทำให้ค่าที่วัดได้ผิดพลาด
- ใช้ชิ้นส่วนให้น้อยที่สุด การเชื่อมต่อด้วยข้อต่อ (Extension) ที่ไม่จำเป็นอาจทำให้เกิดความไม่เสถียรและมีโอกาสทำให้ค่าของการวัดไม่ถูกต้อง
- หากต้องการใช้เพื่อการสแกนสัมผัสแบบต้องเนื่องสำหรับชิ้นงานที่เป็นอลูมิเนียม จำเป็นที่จะต้องใช้ลูกบอลที่ทำจากวัสดุซิลิกอนไนไตรด์ (silicon nitride)
- ควรใช้ลูกบอลที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เนื่องจากพื้นผิวชิ้นงานนั้นมีความไม่เรียบอยู่ ซึ่งถ้าใช้ ลูกบอลขนาดเล็กอาจสัมผัสพื้นผิวบริเวณที่ไม่สมบูรณ์ได้ เพราะฉะนั้นการใช้ลูกบอลใหญ่กว่า จะทำให้ไม่เก็บค่ารายละเอียดเล็ก ๆ เหล่านี้
- ณ ตำแหน่งที่ต้องการวัด การเคลื่อนที่ของลูกบอลที่สัมผัสชิ้นงานควรตั้งฉากกับชิ้นงานเพื่อให้ได้ค่าจากการวัดที่แม่นยำที่สุด
- แรงและความเร็วในการวัดควรเหมาะกับส่วนประกอบต่างๆ ขนาดที่เล็กกว่าและก้านที่บางกว่านั้นต้องการแรงและความเร็วในการวัดลดลง
ในบทความนี้ผู้เขียนได้พยายามสรุปเนื้อหาให้เข้าใจได้ง่าย และเป็นเพียงคำแนะนำพื้นฐานเท่านั้น ในการทำงานจริงอาจต้องมีการประยุกต์และรายละเอียดเพิ่มเติมมากกว่านี้ ซึ่งไม่สามารถที่จะบรรยายทั้งหมดภายในบทความเดียวได้ หากผู้อ่านต้องการคำปรึกษาแบบเฉพาะเจาะจง สามารถส่งรีวิวบทความเหล่านี้ได้ หรือหากท่านต้องการให้เขียนบทความใดๆเกี่ยวกับงานการวัดขนาดแบบสามมิติ สามารถส่งคำขอมาได้เช่นกัน ทางทีมงานผู้เขียนขอขอบพระคุณทุกท่านครับ
หากท่านสนใจ หัวโพรบ แบบต่างๆ สำหรับเครื่อง CMM ของท่าน สามารถคลิ๊กที่นี่