قياس خشونة السطح المحمول على أي قطعة
مات ويلتون
مدير
جدول المحتويات
مشاركة
إذا تجولت في معظم ورش الآلات أو حظائر الصيانة والإصلاح والعمرة (MRO)، فستظل ترى هذا المشهد: مفتش يمرر ظفره على حافة مدمجة، ويتوقف، ثم يقرر ما إذا كان ملمسها يبدو ملائماً. وإذا كان التقدير دقيقاً ومحيراً، يُستعان بلوح مقارنة ويُحكم على السطح بمقارنته بصف من التشطيبات المرجعية، بالعين وبالمس.
إنه حكم يعتمد على المهارة والخبرة. ولكنه أيضاً لا ينتج أي رقم محدد، ولا يترك أي سجل لكيفية التوصل إليه.
قامت رولز رويس (Rolls-Royce) بتزويد مهندسي الخدمة لديها بمستشعرات GelSight لتحل محل هذا الفحص بالتحديد، حتى أن أحد مسؤوليها التنفيذيين قال إنه يمكنه وضع هذا الجهاز في يد طفل لاستخدامه. وكان هذا التطبيق ملائماً بطبيعته؛ إذ بدأت GelSight مسيرتها في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) كمحاولة لمنح الكاميرا حاسة اللمس. اضغط بها على أي سطح، وستؤدي ما يفعله الظفر تماماً، ثم تحول ذلك الإحساس باللمس إلى خريطة ثلاثية الأبعاد مرفقة بقيمتي Ra وSa.
لذا، فإن السؤال الأفضل هو: كيف ننقل عملية القياس إلى القطعة نفسها، بدلاً من البحث عن جهاز مخبري يتسع لها؟
كيف يقيس GelSight خشونة السطح؟
يعني القياس المحمول لخشونة السطح الحصول على معلمات مثل Ra وSa مباشرة من المكون أينما كان موقعه، باستخدام جهاز محمول باليد. يقوم GelSight بذلك عبر وسادة من المطاط الصناعي الشفاف (الإيلاستومر) يقل عرضها قليلاً عن 2 سم، ومطلية على وجه التلامس بطبقة رقيقة عاكسة.
اضغط بالمستشعر على السطح لتستقر تلك الطبقة في كل قمة وقاع تحته. تضيء ستة مصابيح LED داخل الوحدة تلك الطبقة من زوايا مختلفة بينما تسجلها كاميرا، ويقوم البرنامج ببناء خريطة ارتفاع ثلاثية الأبعاد. في جهاز GelSight Mobile Series 2، يستغرق الالتقاط 100 مللي ثانية فقط.
تمنحك خريطة واحدة معلمات Ra وRz وغيرها من معلمات الم المقطع الجانبي، بالإضافة إلى Sa ومجموعة المعلمات المساحية وفقاً لمعيار ISO 25178-2. يشرح مقالنا حول بنية السطح مقابل الخشونة ما توضحه كل فئة من هذه المعلمات.
لماذا يعمل على أي سطح؟
لأن الكاميرا لا ترى القطعة نفسها على الإطلاق، بل ترى فقط الجزء الداخلي من مادة الهلام (الجل).
يؤدي ذلك إلى التخلص من المشكلات التي تعاني منها الأجهزة البصرية يومياً؛ فالتيتانيوم المصقول يعكس الضوء مباشرة نحو العدسة، والبولي كربونات الشفاف ينفذ الضوء من خلاله، وألياف الكربون السوداء تمتصه بالكامل، بينما تقوم الألواح المطلية بمظهر قشر البرتقال بتشتيت الضوء في كل اتجاه. ولكن تحت وسادة GelSight، تبدو هذه المواد الأربع جميعها كطبقة رمادية موحدة. ولا تؤثر إضاءة الحظيرة، أو أشعة شمس الخليج الساطعة من بوابة مفتوحة، على أي شيء إطلاقاً.
كما أن كل نقطة في الخريطة هي نقطة مقاسة فعلياً. فعلى الجوانب شديدة الانحدار والحواف اللامعة، قد تعطي الطرق البصرية فجوات يقوم البرنامج بملئها عن طريق الاستيفاء الرياضي (Interpolation). أما GelSight، فليس لديه ما يحتاج إلى ملء.
ما الذي يتطلبه الحصول على رقم دقيق للخشونة؟
فكر أولاً في المتطلبات التي تفرضها كل طريقة.
يتطلب جهاز اختبار الخشونة المحمول ذو المجس الميكانيكي (Stylus) قاعدة تثبيت مستقرة ومساراً مستقيماً لمزلجته. وعليك محاذاة مسار القياس عبر اتجاه النمط السطحي، والثبات تماماً أثناء سحب رأس ألماسي عبر 4 مم أو أكثر من السطح، وأن تثق في أن الخط الذي اخترته كان نموذجياً ومعبراً. أما على المنحنيات أو عند جذر شفرة التوربين، فإن جعل المزلجة تستقر بشكل متعامد ومحكم يمثل نصف المهمة وحدها.
أما المجهر أو جهاز قياس التضاريس البصري (Optical Profiler)، فيتطلب وضع القطعة على منصته، وتثبيتها بحيث تواجه المنطقة المطلوبة العدسة الشيئية، وتكون مستوية وضمن بؤرة التركيز. وبالنسبة لشفرة توربين أو الوجه الداخلي لشفة (فلنجة)، قد تستغرق عملية التثبيت وقتاً أطول من القياس نفسه.
وغالباً ما تكون القوالب المنسوخة (Replicas) هي الحل المعتاد للثقوب والزوايا الضيقة؛ إزالة الشحوم، ووضع المادة المركبة، وتركها تتصلب، ثم الانتظار لمدة 30 دقيقة أخرى على الأقل قبل سحبها بحذر لتجنب تشققها، ثم تثبيتها بشكل مسطح وتمرير مجس فوق النسخة. اعتادت شركة MTU Aero Engines إرسال طبعات مماثلة إلى مختبرها بينما تظل المحركات في مرحلة التجميع النهائي متوقفة قيد الانتظار. وتستخدم فرق التجميع لديها جهاز GelSight منذ عام 2019.
مع GelSight، كل ما عليك فعله هو وضع المستشعر على المنطقة والضغط. يلتف الجل حول المنحنيات والحواف وأنصاف الأقطار، وتكتمل عملية الالتقاط قبل حتى أن يستقر المجس الميكانيكي في مكانه. ويتضمن جهاز GelSight Modulus عدسة بزاوية 90 درجة للثقوب، وفي الأماكن التي يصعب على أي مستشعر الوصول إليها فيزيائياً، يقوم GelSight Max بالقياس من نموذج منسوخ.
لا يُسحب أي شيء عبر السطح؛ إذ تُوضع وسادة ناعمة وتُرفع، مما يضمن بقاء الأجزاء المشطبة والمطلية واللينة على حالتها تماماً دون أدنى خدش.
كيف يُقارن GelSight بالبدائل الأخرى؟
المجس المحمول | النسخ بالقالب مع المجس | مقياس التضاريس البصري المخبري | GelSight | |
|---|---|---|---|---|
ما تقوم بقياسه | خط واحد | خط واحد على نسخة | منطقة ثلاثية الأبعاد | منطقة ثلاثية الأبعاد، كل نقطة مقاسة فعلياً |
المكان | عند القطعة، على قاعدة تثبيت مستقرة | تؤخذ النسخة عند القطعة، وتُقاس على طاولة الفحص | على منصة الجهاز | عند القطعة أو في المختبر، بأي اتجاه وزاوية |
قبل الحصول على الرقم | تثبيت المزلجة ومحاذاة مسار القياس | إزالة الشحوم، التطبيق، المعالجة، الاستخراج، التثبيت | التثبيت على الحامل، التسوية وضبط التركيز | الضغط المباشر على السطح |
التلامس مع القطعة | سحب رأس ألماسي على السطح | تطبيق مادة مركبة وسحبها | بدون تلامس | ضغط وسادة جل ناعمة ورفعها |
الأفضل لـ | قياس Ra السريع على الأسطح المسطحة والمفتوحة | الثقوب والفتحات، قبل ظهور الأجهزة المحمولة ثلاثية الأبعاد | بنية السطح وشكله بمقياس النانومتر | قياس Ra وSa على أي قطعة، في أي مكان |
تمتلك مقاييس التضاريس البصرية مجال تميزها الخاص؛ فلقياس البنية السطحية دون الميكرون، أو سماكة الطبقات، أو الشكل الهندسي على الأسطح فائقة الدقة، يُعد جهاز قياس التضاريس البصري ثلاثي الأبعاد Sensofar هو الخيار الأمثل، وتوضح مقارنتنا بين تقنيات المسح متحد البؤر (Confocal)، والتداخل الضوئي (Interferometry)، وتباين التركيز (Focus Variation) التقنية الأنسب لكل سطح. أما للحصول السريع على معلمات Ra وSa أينما وُجدت القطعة، فاستخدم GelSight.
هل يمكن لقراءة واحدة غير مطابقة أن تتسبب في رفض القطعة؟
نعم، وفقاً لمعيار الخشونة الجديد؛ وهذا هو الإجراء الافتراضي.
لقد حل المعيار ISO 21920 محل المعايير ISO 4287 وISO 4288 وISO 1302. ومعظم هذه التغييرات تنظيمية: فقد أصبحت Rz تُسمى الارتفاع الأقصى (Maximum Height)، وتحولت أطوال أخذ العينات إلى أطوال المقاطع، وأصبح Ra يُحسب على كامل طول التقييم بدلاً من حساب متوسطه عبر خمس قطع.
ولكن هناك تغيير جوهري حاسم: ما لم ينص الرسم الهندسي على خلاف ذلك، فإن قبول القطعة يتبع الآن "قاعدة الحد الأقصى"، مما يعني أن كل قيمة مقاسة يجب أن تقع ضمن نطاق التفاوت المسموح به. أما قاعدة الـ 16% القديمة، التي كانت تتغاضى عن نسبة ضئيلة من القراءات المنحرفة، فيجب الآن النص عليها صراحة لتطبيقها.
فكر فيما يعنيه ذلك بالنسبة لمسار قياس مجس واحد؛ لقد قمت بقياس خط واحد، في اتجاه واحد. فإذا وُجدت بقعة من علامات الاهتزاز (Chatter) على بُعد 2 مم فقط جانباً، فإن قبول القطعة أو رفضها سيعتمد تماماً على الموضع العشوائي الذي وضعت فيه المزلجة.
أما المسح المساحي، فيلغي عنصر الحظ والمصادفة؛ إذ يوضح GelSight المنطقة بأكملها أسفل الوسادة، مما يتيح لك تحديد أسوأ جزء من السطح وتمرير مسار قياس Ra عبره مباشرة، سواء مع اتجاه النمط أو عبره، ومن خلال لقطة الالتقاط نفسها. كما أن التوجيهات الخاصة باعتماد معيار ISO 21920 ترشد المهندسين بالفعل نحو استخدام الطرق ثلاثية الأبعاد بموجب ISO 25178 للأسطح التي يصعب قياس مقطعها الجانبي بالطرق التقليدية.
لماذا يمكن لمعلمة Ra وحدها أن تخفي المشكلة؟
يمثل Ra متوسط الارتفاع، ولكنه لا يعبر عن الشكل الهندسي للسطح بأي شكل.
فقد يعطي سطح مجلخ، وثقب موسع بالبرغلة، وسطحان مفرزان قراءة Ra متطابقة تبلغ 0.4 ميكرومتر، ومع ذلك يختلف أداؤها كلياً أثناء التشغيل الفعلي؛ فقد يكون أحدها مليئاً بقمم حادة تتسبب في تآكل موانع التسرب وتمزقها، بينما يحتوي سطح آخر على فجوات عميقة تحتفظ بسائل التزييت بكفاءة، أو تحتفظ بسوائل المعالجة لفترة كافية لحدوث صدأ سريع. وبذلك يمكن للصلب أن يطابق تماماً مواصفات Ra المطلوبة ومع ذلك يتعرض للتآكل.
تكشف المعلمات المساحية ما يغفله Ra؛ حيث يوضح Ssk ما إذا كان السطح تغلب عليه القمم أم الوديان، ويبين Sv أعمق وادٍ، بينما يقيس Sdr المساحة السطحية الحقيقية المتاحة لالتصاق الطلاء وتماسكه. اعتادت هذه القيم أن تكون أرقاماً مخبرية لا تُقاس إلا في المعامل، لكنها مع GelSight تصبح متاحة من نفس ضغطة القياس الخاصة بقيمة Ra، مما يتيح الحكم على أسطح منع التسرب، أو الأسطح المعدة للدهان، أو القطع المصنعة بالتقنيات الإضافية بناءً على أدائها التشغيلي الفعلي، وليس فقط على متوسط خشونتها.
أين يُستخدم القياس المحمول للخشونة؟
تخيل نوبة عمل واحدة لمفتش جودة: إصلاح دمج (Blend Repair) على شفرة ضاغط، ووجه شفة لمضخة مثبتة على قاعدة، ودعامة تصنيع إضافي خارجة للتو من لوحة البناء، ولوح وصول مطلي، والجزء الداخلي لثقب تجويف. كان فحص هذه الأجزاء يتطلب سابقاً أربع أو خمس طرق قياس مختلفة، أما باستخدام مستشعر محمول باليد، فالأمر لا يتطلب سوى الضغطة نفسها مكررة خمس مرات.
صيانة وإصلاح وعمرة الطيران (MRO): إصلاحات الدمج، وأجهزة الهبوط، وأسطح هياكل الطائرات، سواء على الجناح مباشرة أو داخل الورشة.
الفضاء والدفاع: فحوصات العينات الأولى للأجزاء الهيكلية ذات الأحجام الأكبر من أن تتسع لها منصات المختبرات.
التصنيع الإضافي: الأسطح بحالتها الأولية بعد الطباعة والمعالجة لاحقاً، حيث تتغير الخشونة بتغير اتجاه وزاوية البناء.
النفط والغاز: أسطح الإحكام والشفاه (الفلنجات) في المعدات المثبتة بمواقعها.
القوالب والإسطمبات: أسطح القوالب التي يتم فحصها داخل المكابس دون فكها.
الطلاءات والمواد المركبة: الأسطح المطلية والمؤكسدة (المعnode) والمركبة التي قد تتعرض للخدش بسبب المجسات التقليدية.
ما هو طراز GelSight الأنسب لطبيعة عملك؟
تعمل الطرازات الثلاثة جميعها ببرنامج GelSight Mobile ذاته، وتوفر مجموعات المعلمات الكاملة الخاصة بالمقاطع الجانبية والقياسات المساحية.
GelSight Mobile Series 2: يتميز بمجال الرؤية الأوسع بمقاس 17.0 × 14.2 مم، في وحدة بوزن 400 غرام. ويُعد الخيار اليومي المثالي لأعمال قياس الخشونة العامة.
GelSight Max: النظام المحمول باليد ذو الدقة الأعلى على الإطلاق، حيث يقيس الخشونة من 0.2 إلى 20 ميكرومتر بدقة قياس يمكن تتبعها تصل إلى 0.3 ميكرومتر.
GelSight Modulus: مزود بعدسات قابلة للتبديل مصممة لسهولة الوصول، وتغطي عدسات الدقة العالية (HR) نطاقاً من 0.2 إلى 10 ميكرومتر، بما في ذلك العدسة L2090HR بزاوية 90 درجة المخصصة للثقوب والتجاويف.
تحتوي صفحة مجموعة أجهزة GelSight لدينا على كافة التفاصيل الخاصة بكل طراز.
ما الذي ينبغي عليك تحضيره قبل الاتصال بنا؟
بيان متطلبات الخشونة المذكور في الرسم الهندسي، بما في ذلك أي طول قطع (Cut-off) أو قاعدة قبول معتمدة.
صور فوتوغرافية للمنطقة المراد قياسها والمساحة المحيطة بها.
عدد عمليات القياس المطلوبة لكل قطعة أو خلال كل نوبة عمل.
طريقة توثيق النتائج وتقديم التقارير المتبعة لديكم حالياً.
الطريقة المستخدمة حالياً في الفحص، والوقت التقريبي الذي تستغرقه العملية.
كيف تدعمك مجموعة AIET
تتولى مجموعة AIET توريد ودعم أجهزة GelSight Mobile Series 2 وGelSight Max وGelSight Modulus للعملاء في المملكة العربية السعودية، والإمارات العربية المتحدة، وعبر دول مجلس التعاون الخليجي، ونيجيريا، وكينيا. ننطلق دائماً من الرسم الهندسي والقطعة الخاصة بك؛ وبعد دراسة التطبيق، نقوم بقياس مكوناتك الفعلية سواء في موقعك أو عبر عينات مرسلة، لتشاهد نتائج Ra وSa على أسطح منتجاتك قبل اتخاذ قرار الشراء. تتولى مجموعة AIET بعد ذلك عمليات التوريد وتدريب المشغلين، وتظل بجانبك محلياً لتقديم الدعم الفني بمجرد دخول النظام في حيز الاستخدام اليومي.
تواصل مع مجموعة AIET
أرسل لنا متطلبات الخشونة المحددة في رسمك الهندسي، مع بعض الصور للمنطقة، ونوع المادة، وطريقة قياسك الحالية لها. وإذا أمكن، أرفق عينة أو جزءاً متبقياً بنفس مستوى التشطيب. بناءً على ذلك، ستوصي مجموعة AIET بطراز GelSight الأنسب، وتعرض لك نتائج مباشرة وحية على أسطح قطعك الخاصة. اتصل بفريق مبيعات مجموعة AIET لترتيب زيارة ميدانية واختبار أجزائك بشكل عملي ومباشر.
الأسئلة الشائعة
كيف تقيس خشونة السطح دون تحريك القطعة من مكانها؟
يتم ذلك من خلال نقل جهاز محمول إلى موقع القطعة مباشرة؛ حيث يُضغط بمستشعر GelSight المحمول باليد على السطح، ليلتقط خريطة ارتفاع ثلاثية الأبعاد في جزء من الثانية ويقدم نتائج Ra وSa فورياً في الموقع. وبذلك يمكن قياس المسبوكات، وشبكات الأنابيب المركبة، وهياكل الطائرات في موضعها دون الحاجة إلى وسائل تثبيت معقدة أو استخدام قوالب النسخ.
هل يمكن لاختبار الظفر أن يحل محل قياس الخشونة؟
كلا، ففحص الظفر لا يقدم سوى انطباع شخصي، في حين أن التفاوتات المحددة في الرسم الهندسي تتطلب قيماً رقمية دقيقة. ولا يمكن لهذا الفحص توفير قيم Ra أو Sa، كما أنه يختلف من مفتش لآخر ولا يترك أي سجل قابل للتدقيق. وقد تم تطوير GelSight لرقمنة حاسة اللمس، وبذلك يحافظ على سرعة فحص الظفر مع إضافة نتيجة دقيقة ومقاسة وموثقة.
ما الفرق بين Ra وSa؟
يمثل Ra متوسط ارتفاع الخشونة على طول خط واحد، بينما يمثل Sa متوسط ارتفاع الخشونة عبر مساحة كاملة. ويُعرَّف Ra في المعيار ISO 21920-2 بينما يُعرَّف Sa في المعيار ISO 25178-2. وبما أن GelSight يقيس منطقة بأكملها، فإنه يقدم قيمة Sa بشكل مباشر ويستخرج قيمة Ra في أي اتجاه تريده من نفس لقطة الالتقاط.
هل يستطيع GelSight قياس الخشونة على الأسطح اللامعة أو الشفافة؟
نعم، يقيس GelSight الأسطح المصقولة، والشفافة، والسوداء، والمطلية بنفس الدقة والسهولة التي يقيس بها الأسطح المعتمة (المطاطية). فالكاميرا تلتقط صورة للجزء الداخلي من وسادة الجل التي تطابقت مع تضاريس السطح، ولا تصور القطعة نفسها على الإطلاق، مما يجعل انعكاس الضوء أو الإضاءة المحيطة عديمة التأثير تماماً.
هل يتسبب GelSight في خدش القطعة أو ترك علامات عليها؟
كلا، يُعد GelSight فحصاً غير إتلافي تماماً؛ إذ تُضغط وسادة ناعمة من المطاط الصناعي على السطح ثم تُرفع دون سحب أي جزء عبره. وهو آمن تماماً على الأسطح المشطبة، والمصقولة، والمطلية، وتلك المعالجة بطبقات حماية، بالإضافة إلى المواد اللينة التي قد يتعرض سطحها للخدش بفعل المجسات الألماسية التقليدية.
هل يُعتبر GelSight أفضل من أجهزة قياس الخشونة بالمجس الميكانيكي؟
بالنسبة لأعمال الورش والفحص الميداني، يمنحك GelSight بيانات أشمل بجهد أقل بكثير؛ فالمجس الميكانيكي يسجل خطاً واحداً في اتجاه واحد فقط، ويتطلب قاعدة تثبيت مستقرة ومحاذاة بالغة الدقة. أما GelSight، فيلتقط مساحة ثلاثية الأبعاد متكاملة بضغطة واحدة، ويعطيك قيمة Ra في أي اتجاه بالإضافة إلى Sa، ويعمل بكفاءة على الأسطح المنحنية وداخل التجاويف والثقوب.
ما الذي يغيره المعيار ISO 21920 في عمليات فحص الخشونة؟
يجعل المعيار ISO 21920 "قاعدة الحد الأقصى" هي الخيار الافتراضي، وبالتالي فإن قيمة واحدة خارج نطاق التفاوت تؤدي إلى رفض القطعة ما لم ينص الرسم صراحة على قاعدة الـ 16%. ويحل هذا المعيار محل ISO 4287 وISO 4288 وISO 1302، ويعيد تسمية Rz لتصبح "الارتفاع الأقصى". ويضمن قياس مساحة كاملة الكشف عن أسوأ موضع على السطح بدقة.
ما الذي يجب تجهيزه قبل العرض التوضيحي لجهاز GelSight؟
ينبغي إعداد متطلبات الخشونة المحددة في رسمك الهندسي، ونوع المادة وطريقة التشطيب، بالإضافة إلى صور للمنطقة المستهدفة. كما يتيح تجهيز قطعة نموذجية أو عينة تالفة بنفس مستوى التشطيب لمجموعة AIET تقديم نتائج حية ومباشرة لقيمتي Ra وSa على سطح منتجك الفعلي خلال جلسة العرض.
