Zaawansowane skanowanie 2D: rozwiązanie dla wzorcowania pierścieniowych i trzpieniowych sprawdzianów gwintowych

Transkrypt

1 Zaawansowane skanowanie D: rozwiązanie dla wzorcowania pierścieniowych i trzpieniowych sprawdzianów gwintowych Ir. R. Galestien IAC Geometrical Engineers B.V. Doorndistel WT KLAZIENAVEEN HOLANDIA Tel.: Fax: reginald.galestien@iac-instruments.com Streszczenie Wzorcowanie sprawdzianów gwintowych za pomocą metody skanowania dwuwymiarowego praktycznie spełnia najnowsze wymagania wytycznych VDI 618 część 4.8 i 4.9. Techniki wzorcowania, takie jak przeprowadzane w jednej osi, na maszynach pomiarowych, w połączeniu z kulkami lub drutami dają niewiarygodne wyniki. Pomiar odległości tylko między drutami lub kulkami jest niewystarczający do określania średnicy podziałowej gwintu sprawdzianu gwintowego, jeżeli przyjmuje się, że inne parametry mają wartości nominalne. Dobrze znane metody obliczeń Berndta dla drutów lub kulek, zalecane przez EA, jako najdokładniejsze wzory do obliczeń średnicy podziałowej gwintu, wykazują problemy z dokładnością, jeśli wartości aktualne kąta wzniosu linii śrubowej, kąta pochylenia linii śrubowej gwintu i kąta powierzchni bocznej różnią się od wartości stosowanych w obliczeniach. Zatem jasne jest, że muszą być również mierzone kąt pochylenia linii śrubowej gwintu i kąt powierzchni bocznej gwintu. To jest dokładnie to, co mieści się w zakresie najnowszych wytycznych. Z zastosowaniem konwencjonalnych urządzeń wzorcowanie sprawdzianów gwintowych staje się bardzo skomplikowane i czasochłonne. Jednak, po spełnieniu wszystkich wymagań, odchyłki prostoliniowości powierzchni bocznych gwintu powstałe wskutek zużycia lub błędów wytwarzania, nie są uwzględnione w obliczeniach średnicy podziałowej gwintu. Wniosek jest taki, że określanie średnicy podziałowej gwintu z zastosowaniem drutu lub kulek nie zapewni optymalnych wyników i nie jest już na dłuższą metę, ekonomicznie uzasadnione. Z tego powodu preferowaną metodą do pomiaru średnicy podziałowej gwintu lub zwykłej średnicy podziałowej gwintu jest metoda, która uwzględnia wszystkie wspomniane powyżej kryteria. Metoda ta została początkowo opracowana przez IAC Geometrical Engineers w roku 199, dla celów automatycznej kontroli poprodukcyjnej generatorów gazu poduszek powietrznych samochodów. Jednym z najważniejszych wymagań dla zatwierdzenia przez TÜV, był pomiar na linii produkcyjnej wszystkich parametrów dla każdego gwintu, włącznie z prostoliniowością powierzchni bocznych gwintów trapezowych niesymetrycznych, jednej poduszki powietrznej, wykonywany w ciągu 30 sekund. IAC pomyślnie rozwiązała ten problem z pomocą opracowanych dwuwymiarowych dotykowych skanerów gwintowych. Taka sama technika stosowana jest w skanerze MasterScanner do wzorcowania sprawdzianów gwintowych. Pełne dwuwymiarowe przenikanie powierzchni sprawdzianu gwintowego z płaszczyzną matematyczną przechodzącą przez oś odniesienia, składa się z sekwencyjnego skanowania dwóch przeciwległych zarysów gwintu, mierzonych za pomocą sondy z dwoma stylusami. Bezpośrednio po zakończeniu procesu skanowania MasterScanner oblicza i przedstawia parametry: roboczą średnicę gwintu, zwykłą średnicę podziałową gwintu, rzeczywistą średnicę gwintu, średnicę zewnętrzną gwintu, średnicę rdzenia śruby (nakrętki), kąt pochylenia linii śrubowej gwintu i kąt powierzchni bocznej, wady prostoliniowości każdej powierzchni bocznej gwintu, stożek itd. W celu zapewnienia powtarzalności wyników opracowane zostały specjalne metody wzorcowania.

2 Wprowadzenie Definicja zwykłej średnicy podziałowej gwintu: Średnica rowka gwintu wyobrażalnej powierzchni walca, która przechodzi przez zarys gwintu w takich punktach, które sprawiają, iż szerokość żłobka gwintu jest równa połowie jego podstawowej długości skoku. [4.5] Definicja średnicy podziałowej gwintu: Średnica wyobrażalnej powierzchni walca, która przecina powierzchnię zarysu gwintu w taki sposób, iż szerokość żłobka gwintu jest równa połowie jego podstawowej (nominalnej) długości skoku. [6] Pomiary tradycyjne roboczej średnicy gwintu i zwykłej średnicy gwintu przeprowadza się za pomocą pomiarów odległości m nad drutami lub kulkami. (patrz rysunek 1) 618 (006),w części 4.8 i 4.9, w celu przeprowadzenia pierwszej kontroli gwintu obowiązkowo należy również mierzyć skok gwintu i kąty. [,3] Najbardziej zaawansowane wzory do obliczania średnicy podziałowej d lub D na podstawie zmierzonej wartości m zostały opracowane przez profesora Berndta. Rys. 1 Gwint zewnętrzny z drutami i gwint wewnętrzny z kulkami. Zalecane jest przez EA wykorzystać z tych wzorów [1]. d, D =m cosθ d D cos β γ sin β +γ 1 arcsin(θ k )= d cos β cosγ cos β γ D l π m cos β +γ m sin θ d D cos ( β γ ) ± ( l n l θ cos β cosγ π ) sin (β +γ ) m sin θ 1 k 1 d D cos ( β γ ) cosθ k 1 ±sin ( β +γ ) cos ( β γ ) d D Rys. Wzory Berndta m 1 m sin θ k 1 d D cos ( β γ ) Problemy z pomiarem przeprowadzanym z zastosowaniem kulek i 3 drutów Jednakże, sama wartość m jest niewystarczająca. Nawet dobrze znane metody obliczeniowe Berndta dla zastosowań drutów i kulek wykazują problemy z dokładnością, jeśli wartości aktualne kąta wzniosu linii śrubowej, kąta pochylenia linii śrubowej gwintu i kąta powierzchni bocznej gwintu różnią się od wartości stosowanych w obliczeniach. Tak więc jasne jest, że muszą być również mierzone kąt pochylenia linii śrubowej gwintu i kąt powierzchni bocznej gwintu. Ponadto w metodzie Berndta przyjęto założenie, iż aktualny zarys gwintu ma idealnie proste powierzchnie boczne. W większości przypadków tak nie jest, z powodu zużycia i niewłaściwej jakości produkcji. Jednakże, pomiar roboczej średnicy gwintu opiera się nie tylko na odległości m, jak widać we wzorach na rysunku. W najnowszych wytycznych VDI W przypadku wad prostoliniowości powierzchni bocznych gwintów, wzory Berndta nie będą obowiązujące. Wniosek jest taki, iż pomiary średnicy podziałowej gwintu za pomocą drutów i kulek nie mogą zapewnić optymalnych dokładnych wyników i są obecnie nieopłacalne. Kształt rzeczywisty zarysu gwintu, włącznie z jego wadami, odgrywa ważną rolę w obu wspomnianych definicjach średnicy podziałowej gwintu i zwykłej średnicy podziałowej gwintu i powinny one być brane pod uwagę. Rozwiązanie: Skanowanie D (dwuwymiarowe) Metoda Skanowania D została początkowo opracowana przez IAC Geometrical Engineers w roku 199, dla celów automatycznej kontroli

3 poprodukcyjnej generatorów gazu poduszek powietrznych samochodów. Jednym z najważniejszych wymagań dla zatwierdzenia przez TÜV, był pomiar na linii produkcyjnej wszystkich parametrów dla każdego gwintu, włącznie z prostoliniowością powierzchni bocznych gwintów trapezowych niesymetrycznych, jednej poduszki powietrznej w ciągu 30 sekund. IAC pomyślnie rozwiązała ten problem z pomocą opracowanych dwuwymiarowych dotykowych skanerów gwintowych. Dalszy rozwój tych technik spowodował, iż stało się możliwe przeprowadzanie wzorcowania sprawdzianów gwintowych. Opracowany instrument otrzymał nazwę: MasterScanner IAC (patrz rysunek 3) IAC produkuje MasterScannery od 1995 roku. Rzeczywisty kształt końcówek sondy skanującej musi być dostępny dla wzorcowania skanów zarysu. Poprzez zastosowanie skanowania atestowanych zarysów Sprawdzianu głównego (patrz rysunek 4) i zaawansowanych technik łączenia, matematycznie kompensowany jest kształt stylusa skanującego, wraz z uwzględnieniem zużycia końcówek. Rys. 4 Sprawdzian główny dla wzorcowania sondy Dla każdego kierunku lewego i prawego zarysu gwintu oceniany jest rzeczywisty funkcjonalny promień stylusa, włącznie z wpływem zużycia i ugięcia itd. (patrz rysunek 5) Rys. 3 MasterScanner IAC Wyzwania skanowania D Wyzwanie skanowania D jest takie, że po rozwiązaniu pewnych problemów związanych ze skanowaniem dotykowym możliwe jest otrzymanie wyników pomiarów w jednym szybkim cyklu automatycznym z bardzo małą niepewnością odnośnie: roboczej średnicy gwintu, zwykłej średnicy podziałowej gwintu, rzeczywistej średnicy gwintu, średnicy zewnętrznej gwintu, średnicy rdzenia śruby (nakrętki), kąta pochylenia linii śrubowej gwintu i kąta powierzchni bocznej, wad prostoliniowości każdej powierzchni bocznej gwintu, stożka itd. Również dla analizy tych wszystkich informacji bardzo pomocna jest wizualna prezentacja zarysów skanowanych gwintów. Wzorcowanie końcówek Dla tej metody bardzo ważne jest, by określać granicę między stalą na powierzchni bocznej gwintu i powietrzem. Rys. 5 Odwzorowanie stylusa na Sprawdzianie głównym Mocowanie i centrowanie Sprawdziany są podparte przez samocentrujące, szybko-wymienne wsporniki typu klik-on. Funkcją wsporników klik-on jest ustawianie każdego sprawdzianu w powtarzalnym położeniu mimośrodowym względem pola skanowania. Oznaczenie to jest możliwe do wykorzystania tzw. wzorcowania pośredniego. (patrz rysunki 6 i 7) Wzorcowanie pośrednie Wzorcowanie pośrednie każdego wspornika eliminuje potrzebę ręcznego centrowania bez strat

4 Źródła niepewności pomiaru Rys. 6 Wspornik dla sprawdzianów pierścieniowych W niniejszym przykładzie zestawione zostały źródła niepewności pomiaru roboczej średnicy gwintu pierścieniowego sprawdzianu gwintów. Wzorcowanie pierścieniowego sprawdzianu gwintów może być podzielone na dwa procesy: 1) wzorcowanie pośrednie pierścienia ustawczego ) skanowanie sprawdzianu W przypadku pierścienia ustawczego 30 mm dla celów wzorcowania pośredniego i wzorcowania pierścieniowego sprawdzianu gwintów M30-6g, z połączenia procesu 1 i uzyskuje się co następuje: Niepewność pomiaru roboczej średnicy gwintu pierścieniowego sprawdzianu gwintów: 1,9 μm Rys. 7 Wspornik dla sprawdzianów trzpieniowych dokładności i jest skanowaniem atestowanego pierścienia ustawczego lub trzpienia ustawczego. Z wykorzystaniem tej procedury szacuje się, o ile mniejsza mierzona średnica wzorcowanych sprawdzianów jest przesunięta względem osi konkretnego wspornika. Dokładność przywracana jest przez dodanie tej wartości kompensacji do mierzonych średnic. (patrz rysunek 8) Known centre Click'on supports ring gauges on two corners Out of centre position ring gauge Field of Scanning Rys. 8. Wzorcowanie pośrednie wsparcia wzorcowanym pierścienia ustawczego Oszacowanie to jest niepewnością opartą na niepewności standardowej mnożonej przez współczynnik pokrycia k =, i w warunkach roboczych MasterScannera XP1005 w naszym laboratorium. Dla MasterScannera XP 1005 określamy:,5 μm Proces 1: Wzorcowanie pośrednie pierścienia ustawczego 1.1 Stalowy pierścień wzorcowy przedmiotu mierzonego Niepewność certyfikatu zmiany średnicy pierścienia na skutek przesunięcia materiału mm 1. Przedmiot mierzony w środowisku pomiaru Odchyłka temperatury otoczenia od temperatury 0 C Różnica średnicy wskutek odchyłki standardowej współczynnika rozszerzalności cieplnej ppm/ C Zmiana średnicy wskutek zmian temperatury w stosunku do temp. otoczenia w C 1.3 Przekazywanie informacji o standardowym odchyleniu skanera Master Scanner Niepewność wzorcowania stylusa sondy równoległości 1.4 Przetwarzanie informacji Zaokrąglenie wewnętrzne Równoległe ustawienie osi odniesienia sprawdzianu względem osi MasterScannera dokonywane jest przez transformację współrzędnych. Oś odniesienia sprawdzianu może być wyprowadzona z górnego i dolnego zarysu.

5 Proces : Wzorcowanie roboczej średnicy gwintu.1 Średnica podziałowa gwintu przedmiotu mierzonego do wzorcowania pierścieniowego sprawdzianu do gwintów Niepewność powierzchni styku mm. Przedmiot mierzony w środowisku pomiaru Odchyłka temperatury otoczenia w C Różnica średnicy w mm wskutek odchyłki standardowej współczynnika rozszerzalności cieplnej ppm/ C Różnica średnic nominalnych Różnica średnic na skutek zmian temperatury pierścienia C.3 Przekazywanie informacji o standardowym odchyleniu skanera Master Scanner Błąd mimośrodowości E Przemieszczenie skali szklanej Heidenhaina mm Zmiana skali szklanej Heidenhaina wskutek odchyłki standardowej współczynnika rozszerzalności cieplnej ppm/ C Zmiana skali szklanej Heidenhaina wskutek zmian temperatury C Liniowa odchyłka skali szklanej Heidenhaina Położenia przecięcia aktualnego profilu górnego i dolnego zarysu powierzchni gwintu z liniami średnicy podziałowej: Niepewność osiowego pomiaru X Niepewność resztkowa na skutek wzorcowania promienia stylusa Głównego sprawdzianu.4 Przetwarzanie informacji Zaokrąglenie wewnętrzne Dostępne zakresy średnic Wnioski Porównanie w niniejszej prezentacji metody skanowania D w stosunku do metod pomiarów z drutem i kulkami wykazało wyraźnie, że metoda skanowania D ma wiele zalet w stosunku do metod konwencjonalnych. Skanowanie D lepiej ocenia średnicę podziałową gwintu i zwykłą średnicę podziałową gwintu zgodnie z definicjami norm gwintów. Wymagania nowych wytycznych, takie jak VDI 618 części 4.8 i 4.9 mogą być spełnione w sposób realny jedynie poprzez zastosowanie skanowania D. Literatura [1] EA-10/10: Wytyczne EA do określania średnicy podziałowej gwintu, równoległych sprawdzianów gwintowych, za pomocą sondowania mechanicznego [] VDI/VDE/DGQ 618 cześć 4.8 (marzec 006) Instrukcje testowania dla trzpieni ustawczych i sprawdzianów trzpieniowych dla gwintów walcowych. [3] VDI/VDE/DGQ 618 cześć 4.9 (kwiecień 006) Instrukcje testowania dla pierścieni ustawczych i sprawdzianów pierścieniowych dla gwintów walcowych [4] DIN 44 [5] ANSI/ASME B1.7M [6] Gwinty metryczne - ISO 150, W chwili obecnej skanerami dwuwymiarowymi IAC objęte są następujące średnice: D-Scanner MasterScanner XP MasterScanner XPL Średnica wewnętrzna (mm) najmniejsza Średnica zewnętrzna (mm) największa najmniejsza największa, ,