ANALIZA WPŁYWU STOPNIA POWIĘKSZENIA UKŁADU OPTYCZNEGO MULTISENSOROWEJ MASZYNY WSPÓŁRZĘDNOŚCIOWEJ NA DOKŁADNOŚĆ WYZNACZENIA WIELKOŚCI GEOMETRYCZNYCH

Transkrypt

1 DOI: /mechanik Dr inż. Paweł ZMARZŁY (Plitechnika Świętkrzyska): ANALIZA WPŁYWU STOPNIA POWIĘKSZENIA UKŁADU OPTYCZNEGO MULTISENSOROWEJ MASZYNY WSPÓŁRZĘDNOŚCIOWEJ NA DOKŁADNOŚĆ WYZNACZENIA WIELKOŚCI GEOMETRYCZNYCH Streszczenie Przeanalizwan wpływ wybru stpnia pwiększenia biektywu telecentryczneg multisensrwej maszyny współrzędnściwej na dkładnść wyznaczania średnicy twrów. D badań użyt specjalnie wyknanej próbki z twrami różnych średnicach. Wyniki badań wykazały, że stpień pwiększenia układu ptyczneg wpływa na dkładnść wyznaczeniaśrednicy twrów. Słwa kluczwe: systemy wizyjne, multisensrwa maszyna współrzędnściwa, dkładnść pmiaru IMPACT ANALYSIS OF MAGNIFICATION LEVEL OF MULTISENSOR MEASURING MACHINE OPTICS AT THE ACCURACY OF MEASUREMENT GEOMETRICAL FEATURES Abstract The paper presents an impact analysis f selectin magnificatin level f telcentric lens used in multisensr measuring machine at the accuracy f determining hles diameter. A specially designed and manufactured specimen with different hles was used t research. Research results indicate that magnificatin level f lens impact at accuracy f hle diameters measurement. Key wrds: visin systems, multisensr measuring machine, measurement accuracy 442

2 ANALIZA WPŁYWU STOPNIA POWIĘKSZENIA UKŁADU OPTYCZNEGO MULTISENSOROWEJ MASZYNY WSPÓŁRZĘDNOŚCIOWEJ NA DOKŁADNOŚĆ WYZNACZENIA WIELKOŚCI GEOMETRYCZNYCH Paweł ZMARZŁY 1 1. WPROWADZENIE Współczesny przemysł wymaga, aby prcedury pmiarwe były w pełni zautmatyzwane i sterwane kmputerw. Dlateg tak dużą ppularnścią cieszą się maszyny współrzędnściwe CNC, które prócz dużej dkładnści pmiarwej pzwalają na autmatyczny pmiar przy użyciu głwic impulswych lub skanujących [1,2]. Jednakże maszyny współrzędnściwe ze względu na knstrukcję raz zasadę działania głwicy pmiarwej mają graniczne zastswanie w przypadku pmiaru wymiarów gemetrycznych małych detali. Obecny rzwój technlgii wiąże się z prdukcją craz mniejszych i bardziej skmplikwanych części, c w znaczny spsób utrudnia ich pmiar. Ma t szczególnie isttne znaczenie w przemyśle precyzyjnym raz elektrnicznym, gdzie małe elementy muszą cechwać się wyską jakścią wyknania. Pwszechny dstęp d drukarek 3D sprawił, że jesteśmy w stanie znacznie szybciej wytwarzać detale zadwalających właściwściami mechanicznych [3]. W związku z tym należy pszukiwać nwych rzwiązań pmiarwych pzwalających sprstać wymaganim nwczesnych technlgii wytwarzania. Tradycyjnie d ceny cech gemetrycznych małgabarytwych elementów mechanicznych stsuje się prjektry pmiarwe lub mikrskpy warsztatwe, jednakże pmiar realizwany tymi przyrządami pmiarwymi jest czaschłnny i wymaga d peratra dużeg dświadczenia. Craz częściej d teg typu pmiarów stsuje się systemy wizyjne [4,5], a w szczególnści multisensrwe współrzędnściwe maszyny pmiarwe, które wyk- 1 Plitechnika Świętkrzyska, Wydział Mechatrniki i Budwy Maszyn, Katedra Technlgii Mechanicznej i Metrlgii. 443

3 rzystują technikę pmiaru ptyczneg i stykweg w ramach jedneg urządzenia pmiarweg [6,7,8]. Dzięki temu jedn urządzenie pmiarwe pzwala zastąpić tradycyjnie stswane prjektry pmiarwe, mikrskpy warsztatwe raz maszyny współrzędnściwe. Systemy takie mgą pracwać w trybie autmatycznym CNC, c jest szczególnie isttne w prdukcji seryjnej np. pdczas wyknywania elementów z twrzyw sztucznych na wtryskarkach. Pmiar ptyczny pzwala na uzyskanie dużej ilści punktów pmiarwych w bardz krótkim czasie. Właściwść ta stanwi znaczącą przewagę w stsunku d pmiarów stykwych ze względu na skrócenie czasu pmiaru. Brak nacisków pmiarwych pzwala na cenę gemetrii detali wyknanych z materiałów elastycznych, kruchych raz delikatnych. Natmiast ddatkwe zastswanie głwicy stykwej w systemach ptycznych pzwala na realizacje pmiaru w miejscach niedstępnych dla ptyki. Dzięki temu mżemy cenić wiele różnych cech gemetrycznych detalu w jednym zamcwaniu. Łatwść autmatyzacji, szybkść pmiaru raz duża uniwersalnść sprawiły, że systemy wizyjne znalazły swje zastswania w wielu gałęziach przemysłu. Zadania realizwane przez przemysłwe systemy wizyjne są bardz różnrdne np. dczyt kdów kreskwych, cena wymiarów i defektów wytwarzanych prduktów, takich jak łżyska tczne [9]. Na dkładnść wyznaczenia gemetrii elementu za pmcą multisensrwych maszyn współrzędnściwych wpływa wiele parametrów pmiarwych m.in. rdzaj wybraneg źródła światła (światł dbite lub przechdzące), intensywnść świetlenia, klr użyteg światła, ustawienie strści brazu (autfcus), czystść raz stan pwierzchni elementu mierzneg, ilść raz spsób pzyskiwania punktów pmiarwych, filtracja punktów nietypwych, maksymalny dpuszczalny błąd maszyny raz rdzaj pwiększenia układu ptyczneg. Pmim craz większej ppularnści systemów wizyjnych, nie zstały pracwane nrmy kreślające ptymalne parametry pmiarwe zalecane d wyznaczenia cech gemetrycznych. W związku z tym w artykule dknan ceny wybraneg parametru pmiarweg tj. wpływu stpnia pwiększenia na dkładnść wyznaczenia średnicy trzech twrów. 2. BADANIA EKSPERYMENTALNE Aby dknać ceny dkładnści pmiaru średnic twrów w zależnści d stpnia pwiększenia układu ptyczneg tj. stpnia zm multisensrwej maszyny współrzędnściwej przeprwadzan badania prównawcze. Badania te plegały na pmiarze średnicy trzech twrów za pmcą przyrządu wzrcweg tj. maszyny współrzędnściwej Prism Navigatr firmy Zeiss maksymalnym błędzie granicznym wynszącym 0,9 + L/350 μm. D badań użyt głwicy skanującej VAST Gld S- ACC. Następnie psiadając zmierzne wartści średnic twrów, dknan pnwnych ich pmiarów za pmcą multisensrwej maszyny współrzędnściwej O- Inspect 442. Każdy twór zstał zmierzny pięcikrtnie stsując 6 różnych stpni 444

4 zm (0,5x, 0,56x, 0,65x, 0,76x, 0,93x, 1,18x). Bazując na zmierznych wartściach średnic bliczn wartści średnie z pmiarów ( ), błędy średnie kwadratwe pjedynczeg pmiaru (s) raz względne błędy pmiaru średnicy twrów ( δ ). Zmiennym parametrem pmiarwym był pwiększenie układu ptyczneg, natmiast pzstałe parametry pmiarwe były stałe tj. zastswan przechdzące źródł światła, autfcus, d wyznaczenia średnicy twru użyt 250 punktów pmiarwych zbieranych metda autmatyczną. Uzyskane wartści średnic prównan z wartściami wzrcwymi uzyskanymi za pmcą maszyny współrzędnściwej. Celem przeprwadznych badań eksperymentalnych był kreślenie zalecaneg stpnia zm systemu pmiarweg O-Inspect 442 w zależnści d danej średnicy twru PRÓBKA UŻYTA DO BADAŃ W celu realizacji badań wyknan detal z zaprjektwanymi cechami gemetrycznymi. Obróbkę próbki przeprwadzn w Labratrium Obrabiarek Sterwanych Numerycznie Plitechniki Świętkrzyskiej na pinwym centrum bróbczym DMG DMU 50 [10]. Na rysunku 1 przedstawin schemat badaneg detalu wraz z zaznacznymi cechami gemetrycznymi raz wymiarami nminalnymi załżnymi pdczas bróbki. Rys. 1. Schemat próbki użytej d badań 2.2. MULTISENSOROWA MASZYNA WSPÓŁRZĘDNOŚCIOWA O-INSPECT 442 D przeprwadzenia badań eksperymentalnych wykrzystan multisensrwą maszynę współrzędnściwą O-Inspect 442 (rys. 2) firmy Zeiss znajdującą się na wyp- 445

5 sażeniu Labratrium Kmputerwych Pmiarów Wielkści Gemetrycznych Plitechniki Świętkrzyskiej w Kielcach. System pmiarwy O-Inspect pzwala na realizację pmiarów kntaktwych za pmcą sndy stykwej raz pmiarów bezkntaktwych za pmcą układu ptyczneg, dzięki czemu zastępuje n wiele urządzeń specjalistycznych. System ptyczny wypsażny w zmienngniskwy biektyw telecentryczny pzwala na maksymalne pwiększenie rzędu x12, c w przypadku małgabarytwych elementów jest w pełni wystarczające. Pmiar mże być prwadzny przy użyciu trzech trybów świetlenie przedmitu mierzneg: światł przechdzące, światł dbite segmentwe, światł dbite współsiwe. System pmiarwy O-Inspect 442 zstał zaprjektwany d szybkich raz dkładnych pmiarów wielu części, c ma szczególnie duże znaczenie w przemyśle medycznym, samchdwych, elektrnicznym. Na rysunku 2 przedstawin ftgrafie badaneg systemu pmiarweg O-Inspect 442. Rys. 2. Multisensrwa maszyna współrzędnściwa O-Inspect 442 firmy Zeiss. Tabela 1. Parametry systemu O-Inspect 442 Zakres pmiarwy X = 400 mm Y = 400 mm Z = 200 mm Maksymalna masa mierzneg detalu 40 kg Maksymalny błąd graniczny Głwica stykwa VAST XXT L/250 μm (L w mm) Układ ptyczny L/250 μm (L w mm) 446

6 2.3. BADANIA PORÓWNAWCZE Badania prównawcze miały na celu sprawdzenie wpływu stpnia pwiększenia (zm) układu ptyczneg multisensrwej maszyny współrzędnściwej O-Inspect na dkładnść wyznaczenia średnicy trzech twrów. Bazując na uzyskanych wynikach pmiarwych bliczn względny błąd pmiaru średnicy twru [11] kreślny pniższą zależnścią (1). gdzie: s δ = 100% (1) s s średnica twrów zmierzna WMP Prism Navigatr, - średnia arytmetyczna pięciu pmiarów średnicy twrów za pmcą O-Inspect 442. Wyniki przeprwadznych pmiarów średnic trzech twrów wraz z blicznymi przedstawin w tabeli 2. Cecha gem. twór 1 twór 2 twór 3 Cecha gem. twór 1 twór 2 twór 3 WMP s Tabela 2. Wyniki badań prównawczych O-Inspect 442 Stpień zm 0,5x 0,56x 0,65x mm mm mm % mm mm % mm mm % 8,234 8,176 0,0006-0,70 8,190 0,0026-0,53 8,271 0,0009 0,45 12,124 12,019 0,0005-0,87 12,082 0,0008-0,36 12,079 0,0037-0,37 14,361 14,283 0,0019-0,54 14,321 0,0019-0,27 14,317 0,0013-0,30 WMP s O-Inspect 442 Stpień zm 0,76x 0,93x 1,18x s δ mm mm mm % mm mm % mm mm % 8,234 8,277 0,0007 0,52 8,267 0,0007 0,40 8,258 0,0004 0,29 12,124 12,084 0,0007-0,34 12,083 0,0011-0,35 12,082 0,0005-0,36 14,361 14,322 0,0015-0,27 14,322 0,0006-0,27 14,321 0,0013-0,27 447

7 Aby uwidcznić wpływ stpnia pwiększenia układu ptyczneg na względny błąd pmiaru średnicy twrów, ddatkw wyniki pmiarwe zstały przedstawine w frmie wykresu na rysunku 3. Rys. 3. Wykres względneg błędu pmiaru średnicy twrów w zależnści d stpnia pwiększenia układu ptyczneg systemu pmiarweg O-Inspect 442. Analizując wyniki badań przedstawine w tabeli 1 raz na rysunku 3 mżna djść d wnisku, że stpień pwiększenia układu ptyczneg multisensrwej maszyny współrzędnściwej O-Inspect 442 wpływa na dkładnść wyznaczenia średnicy twrów. Dla wszystkich trzech badanych twrów najgrszą dkładnść pmiarwą uzyskan dla najmniejszeg stpnia pwiększenia wynsząceg 0,5x (patrz rys. 3). Analizując wyniki pmiaru średnicy najmniejszeg twru (twór 1), mżna stwierdzić, ze wartść średnicy uzyskana za pśrednictwem systemu pmiarweg O- Inspect 442 jest większa d średnicy zmierznej za pśrednictwem WMP Prism Navigatr. Wyjątek stanwią wyniki uzyskane dla pwiększenia 0,5x raz 0,56x. Przeciwnie jest dla twrów większej średnicy (twór 1 raz 2), gdzie średnice zmierzne za pmcą układu ptyczneg są mniejsze d wartści wzrcwych. Mże t wynikać ze spsbu pzyskiwania punktów pmiarwych za pmcą systemu ptyczneg, gdzie dknujemy pmiaru punktów najbardziej wysuniętych na całej wyskści twru. Dla twru 1 najmniejszej średnicy tj. ϕ 8,20 największą dkładnść pmiarwą uzyskan dla badaneg największeg stpnia pwiększenia wynsząceg 1,18x. W przypadku pmiaru średnicy teg twru, mżna zauważyć, że wzrst pwiększenia zmniejsza wartść względneg błędu pmiaru średnicy twru. Natmiast rzpatrując wyniki pmiarwe uzyskane dla twrów większych średnicach (twór 2 raz 3), mżna stwierdzić, że najlepszą dkładnść pmiarwą uzyskan dla pwiększenia 0,76x. W tym przypadku wzrst pwiększenia układu 448

8 ptyczneg systemu O-Inspect 442 w umiarkwany spsób pwduje bniżenie dkładnści wyznaczenia średnicy twrów, jednakże wartści te są znikme. Rzpatrując błędy średnie kwadratwe s bliczne na pdstawie uzyskanych wyników pmiarwych, mżna stwierdzić, że pmiary ptyczne cechują się stsunkwą wyską pwtarzalnścią. Pdsumwując analizę wyników przedstawinych w tabeli 1, mżna stwierdzić, że w przypadku twrów mniejszej średnicy należy stswać większe zakresy pwiększenia pmiarweg. Natmiast dknując pmiaru średnic większych twrów, zastswanie większeg stpnia pwiększenia nie wpływa znacząc na dkładnść pmiaru średnicy twru, a wręcz bniża ją. Na szczególną uwagę zasługuje fakt, że dla wszystkich badanych twrów najmniejszą dkładnść uzyskan dla najmniejszeg stpnia pwiększenia. W związku z tym należy unikać jeg stswania. 3. PODSUMOWANIE Głównym celem przeprwadznych badań była cena wpływu stpnia pwiększenia układu ptyczneg zastswaneg w systemie wizyjnym na dkładnść wyznaczenia pdstawwych cech gemetrycznych tj. średnic twrów. Pprzez pwiększenie układu ptyczneg rzumie się tutaj stpień zm biektywu zmienngniskweg Discvery systemu O-Inspect 442. Wyniki badań prezentwane w artykule wykazały, że w zależnści d wartści średnicy twru, należy dpwiedni dbrać stpień pwiększenia układu ptyczneg multisensrwej maszyny współrzędnściwej. W przypadku mniejszych twrów należy dążyć d mżliwie największeg pwiększenia. Natmiast dknując pmiaru średnicy większych twrów, wzrst stpnia pwiększenia nie pprawia dkładnści pmiarwej lecz wydłuża czas pmiaru, c jest zjawiskiem niepżądanym. W większści przypadków wartści średnic twrów zmierznych metda ptyczna były mniejsze d wartści uzyskanych metdą stykwą za pmcą maszyny współrzędnściwej. Należy ddać, że interpretacja wyników uzyskanych za pmcą systemów wizyjnych nie jest d kńca jednznaczna. Związane jest t z tym, że na wynik pmiarwy uzyskany za pśrednictwem multisensrwej maszyny współrzędnściwej wpływa wiele czynników np. wybór spsbu świetlenia przedmitu mierzneg, stpień pwiększenia, jakść wyknanej pwierzchni. Wybór dpwiednich parametrów pmiarwych np. stpnia pwiększenia w głównej mierze zależy d decyzji peratra. Jednakże badania przedstawine w artykule mgą stanwić wskazówki dtyczące jak te parametry dbrać, aby wynik pmiarwy barczny był mżliwie jak najmniejszym błędem. 449

9 LITERATURA [1] RATAJCZYK E., Współrzędnściwa technika pmiarwa, Warszawa, Oficyna Wydawnicza Plitechniki Warszawskiej, [2] GAPIŃSKI B., Zalecenia dla pmiaru dchyłki krągłści na współrzędnej maszynie pmiarwej (CMM). W: PAK vl. 53, nr 9bis/2007, [3] ADAMCZAK S., BOCHNIA J., KACZMARSKA B., Estimating the uncertainty f tensile strength measurement fr a phtcured material prduced by additive manufacturing. W: Metrl. Meas. Syst., Vl. XXI, N. 3, 2014, [4] ADAMCZAK S., BŁASIAK S., BOCHNIA J., Pmiary wielkści gemetrycznych mdeli kształtwanych przyrstw z zastswaniem skanera 3D, W: Mechanik 8-9, 2014, [5] CIESZYŃSKI W., ZIĘBA M., REINER J., Wizyjny system pmiarwy płżenia złącza dla krekcji trajektrii ptycznej głwicy laserwej w prcesie spawania. W: Mechanik 8-9, 2014, [6] KEFERSTEIN C. P., MARXER M., GOTTI R., THALMANN R., JORDI T., ANDRAS M., BECKER J., Universal high precisin reference spheres fr multisensr crdinate measuring machines. W: CIRP Annals - Manufacturing Technlgy 61, 2012, [7] RAMU P., YAGUE J.A., HOCKEN R.J., MILLER J., Develpment f a parametric mdel and virtual machine t estimate task specific measurement uncertainty fr a five-axis multi-sensr crdinate measuring machine. W: Precisin Engineering 35, 2011, [8] Materiały infrmacyjne firmy Zeiss. [9] HAO S., SHUXIAO L., DUOYU G., HONGXING C., Bearing defect inspectin based n machine visin. W: Measurement 45, 2012, [10] NOWAKOWSKI Ł., MIKO E., Wpływ knstrukcji brabiarki na dkładnść wyknania przedmitu próbneg. W: PAK vl. 58, nr 1/2012, 2012, [11] ADAMCZAK S., JANUSIEWICZ A., MAKIEŁA W., STĘPIEŃ K., Statistical validatin f the methd fr measuring radius variatins f cmpnents n the machine tl. W: Metrl. Meas. Syst., Vl. XVIII, N. 1, 2011,