ŚLĄSKIE TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W KATOWICACH PRACA DYPLOMOWA

Transkrypt

1 ŚLĄSKIE TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W KATOWICACH PRACA DYPLOMOWA Temat: Rola maszyn współrzędnościowych stosowanych w UAR. Zabezpieczenia taśmociągu. Promotor: mgr inŝ. Ireneusz BOCZEK Pracę wykonał: Rafał FOLTA Klasa: V d Katowice, maj 2003

2 - 2 - Spis treści str. 1. Cel i zakres pracy Wprowadzenie Istota współrzędnościowej techniki pomiarowej Pomiar w układzie współrzędnych Głowice pomiarowe Układ współrzędnych maszyny i przedmiotu Tryby pracy maszyny współrzędnościowej Praca ze sterowaniem ręcznym Praca w trybie CNC Przykłady współrzędnościowych maszyn pomiarowych Charakterystyka maszyny Koordynatometr XYZ Charakterystyka maszyny C Charakterystyka maszyny SMC Oprogramowanie współrzędnościowych maszyn pomiarowych Układy pomiarowe Inkrementalne układy pomiarowe Optoelektroniczne układy pomiarowe Induktosynowe układy pomiarowe Pojemnościowe układy pomiarowe Kodowe układy pomiarowe Interferencyjne układy pomiarowe Roboty i centra pomiarowe Roboty i automaty pomiarowe Centra pomiarowe Źródła błędów i dokładność maszyn Podsumowanie Literatura... 34

3 Cel i zakres pracy Praca pisemna obejmuje temat współrzędnościowej techniki pomiarowej, a na pracę praktyczną składa się wykonanie modelu taśmociągu. Celem pracy pisemnej jest przedstawienie istoty współrzędnościowej techniki pomiarowej, czym się ona charakteryzuje, na jakiej zasadzie się opiera, itd. Celem pracy praktycznej jest przedstawienie zabezpieczeń taśmociągu, polegających na przepuszczeniu lub nie przepuszczeniu elementów, które mogłyby zakłócić dalszy proces obróbczy lub podający Wprowadzenie Współrzędnościowa technika pomiarowa znajduje szerokie zastosowanie w procesach produkcyjnych, a w szczególności przy pomiarach elementów wytwarzanych. Najliczniejsze zastosowanie znajduje ona w przemyśle motoryzacyjnym, jednak jest ona wprowadzana równieŝ do innych gałęzi przemysłu. Stosowanie maszyn współrzędnościowych staje się nieodzownym warunkiem zapewnienia produkowanym wyrobom wymaganej jakości i dokładności. Zapewnienie tej jakości staje się wręcz niemoŝliwe przy wykorzystaniu dotychczasowych metod pomiaru. Dotychczasowe metody pomiaru niejednokrotnie wydłuŝały czas wyprodukowania części maszyn. Współrzędnościowa technika pomiarowa umoŝliwia wyznaczenie wymiarów części maszyn w czasie dostosowanym do rytmu ich wytwarzania. Technika ta charakteryzuje się odmienną od klasycznej metrologii strategią pomiarową. Opiera się ona na dyskretnej postaci informacjach pomiarowych przetwarzanych komputerowo.

4 Istota współrzędnościowej techniki pomiarowej Technika ta charakteryzuje się procedurami pomiarowymi opartymi na wartościach współrzędnych lokalizowanych punktów pomiarowych, które są podstawą wyznaczania wszystkich geometrycznych figur, z których składa się element maszyny. Na przykład, wyznaczanie średnicy otworu odbywa się przez wyznaczenie, co najmniej czterech wartości punktów tego okręgu w miejscach dowolnie, chociaŝ w miarę równomiernie, rozmieszczonych. Aproksymacja okręgiem średniokwadratowym umoŝliwia wyznaczenie średnicy lub promienia okręgu oraz współrzędnych jego środka. 1 Skraca to czas pomiaru w stosunku do metod klasycznych. Podstawą procedur pomiarowych techniki współrzędnościowej jest opis matematyczny prostych figur matematycznych za pomocą całek, róŝniczek, macierzy Pomiar w układzie współrzędnych Podstawą techniki współrzędnościowej jest maszyna (rys. 1.), której zespoły ruchome mogą się przemieszczać w trzech prostopadłych kierunkach. Rys. 1. Współrzędnościowa maszyna pomiarowa z zaznaczonymi kierunkami przemieszczeń 1 str. 7. E. Ratajczyk Współrzędnościowa technika pomiarowa maszyny i roboty pomiarowe

5 - 5 - Kierunki te oznaczone są jako osie X, Y i Z maszyny i uosabiają przestrzenny układ współrzędnych, podobnie jak w przypadku obrabiarek sterowanych numerycznie. Przesunięcia wzdłuŝ osi są wskazywane przez wzorce długości i przesyłane do pamięci komputerowych i elektronicznych zespołów sterujących. W celu lepszego zobrazowania techniki współrzędnościowej moŝna posłuŝyć się praktycznym porównaniem z konwencjonalnymi metodami pomiarów. Jeśli pomiar długości za pomocą suwmiarki nie odbywa się wzdłuŝ osi przedmiotu, powstaje wówczas błąd pomiaru (tzw. przekoszenie). W przypadku techniki współrzędnościowej pomiar moŝe odbywać się w dowolnym połoŝeniu przedmiotu, a korekta nierównoległości osi przeprowadzana jest komputerowo, przy czym relacje między kątami pochylenia osi są wyznaczone uprzednio we wstępnym procesie pomiarowym Głowice pomiarowe WaŜnym elementem maszyny współrzędnościowej jest głowica pomiarowa, zwana równieŝ sondą, dzięki której moŝliwe jest umiejscowienie punktu pomiarowego w przestrzeni maszyny. W wyniku jej sygnału odczytane zostają wartości współrzędnych lokalizowanego punktu i przesłane do pamięci komputera. Generalnie głowice pomiarowe moŝna podzielić na dwa zasadnicze typy: stykowe i bezstykowe. Do głowic stykowych zalicza się: głowice sztywne obecnie rzadko stosowane, wymagają obsługi operatora, który wyzwala ręcznie impuls po stwierdzeniu dojścia do styku głowicy z mierzonym przedmiotem. Są one jednak niekiedy wykorzystywane do pomiarów ciągłych (skaningowych), jak na przykład w maszynie C 400 firmy Zeiss; głowice przełączające (impulsowe) po zaistnieniu styku głowicy z mierzonym przedmiotem następuje wychylenie trzpienia i w konsekwencji zerwanie styku elektrycznego wewnątrz głowicy, co

6 z kolei powoduje samoczynne wysłanie impulsu w postaci sygnału dyskretnego do układów odczytujących i sterujących; głowice mierzące wartość wychylenia trzpienia pomiarowego jest wyznaczana z przetwornika pomiarowego głowicy, np. przetwornika indukcyjnościowego. Taka postać sygnałów ciągłych moŝe być wykorzystywana w pomiarach skaningowych nieregularnych powierzchni. Głowice bezstykowe mogą działać zarówno jako głowice przełączające, jak i mierzące. Lokalizacja punktu pomiarowego na drodze bezstykowej przeprowadzana jest sygnałem optycznym bądź przez zogniskowaną wiązkę światła laserowego, bądź teŝ z kamerą CCD, rozpoznającą obraz powierzchni lub teŝ przez głowice laserowe, pracujące na zasadzie triangulacyjnej. Konstrukcja głowicy stykowej zazwyczaj składa się z trzpienia zakończonego rubinową kulką. Głowice droŝsze i bardziej uniwersalne mają moŝliwość ręcznego lub automatycznego wychylenia i obrotu trzpienia w róŝnych kierunkach tak, Ŝe staje się moŝliwe dokonanie pomiarów nawet najbardziej skomplikowanych części. MoŜna wyróŝnić jeszcze głowice gwiaździste, składające się z kilku trzpieni pomiarowych, z których kaŝdy usytuowany jest w innym kierunku. Długość tych trzpieni moŝna regulować dowolnie. Zasada pomiaru tymi głowicami polega na tym, Ŝe kaŝda końcówka mierzy przedmiot z innej strony. Jeśli dalej mamy problem ze zwymiarowaniem elementu, stosujemy wtedy magazynki zawierające do kilkunastu róŝnych głowic i trzpieni pomiarowych. Maszyna współrzędnościowa wyposaŝona w takie magazynki, w zaleŝności od potrzeb, samoczynnie dokonuje zmian poszczególnych głowic, nie przerywając procesu pomiarowego. Jednak nie moŝemy zmienić głowicy w maszynie i oczekiwać, Ŝe proces pomiarowy będzie przebiegać w dobry sposób. Zawsze po uzbrojeniu głowicy w zestawy trzpieni i końcówek pomiarowych naleŝy wykonać proces kalibracji (wzorcowania).

7 Układ współrzędnych maszyny i przedmiotu Jak juŝ wcześniej zostało wspomniane, na maszynach współrzędnościowych element moŝna ustawić prawie dowolnie. Dopasowanie przedmiotu do układu współrzędnych odbywa się rachunkowo. Maszyna dysponuje własnym układem współrzędnych, jednak moŝemy poprzez stwierdzenie połoŝenia przedmiotu w przestrzeni zdefiniować nowy układ obowiązujący dla danego elementu. Zapisuje się to matematycznie z wykorzystaniem macierzy. Określa się równieŝ wzajemne relacje między współrzędnymi punktów w jednym i drugim układzie współrzędnych tak, Ŝe moŝliwe są do przeliczenia między układami maszyny (UWM) i przedmiotu (UWP). W ten sposób moŝna zdefiniować dowolny układ współrzędnych, ustawiony pod dowolnym kątem w przestrzeni pomiarowej maszyny Tryby pracy maszyny współrzędnościowej Praca ze sterowaniem ręcznym Tryb manualny, wymagający obsługi operatora, który wprawia maszynę w ruch przez przemieszczenie ręką pinoli lub za pomocą pulpitu sterującego (joystików). Spotykane są najczęściej dwa typowe rozwiązania techniczne: dwa joystiki jeden do przemieszczania maszyny w kierunku X i Y, drugi w kierunku Z i ewentualnie z moŝliwością sterowania stołem obrotowym; jeden joystik wychylenie dźwigni joystika przemieszcza maszynę w kierunku X i Y, zaś obrót główki joystika, zgodnie lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, przemieszcza maszynę w osi Z. Przy realizacji pomiarów z pulpitu sterującego występuje często tzw. procedura ucząca z tekstem uŝytkownika, w czasie której na monitorze pojawiają się informacje o poszczególnych operacjach, kolejnych punktach pomiarowych i o wszelkich czynnościach, jakie powinien wykonać operator, by prawidłowo przeprowadzić zadanie pomiarowe. Występuje zazwyczaj przy pomiarach powtarzających się procedur tego samego elementu.

8 Praca w trybie CNC Tryb pomiarów CNC (Computer Numeric Control) jest trybem zautomatyzowanym, nie wymagającym obsługi operatora. Pomiary CNC polegają na wykonywaniu przez maszynę uprzednio napisanego programu. Taki program powinien zawierać dane na temat układu współrzędnych, rodzajów końcówek pomiarowych, rozłoŝenia punktów pomiarowych, kolejności realizacji zadań pomiarowych, torów ruchu przemieszczania się maszyny między kolejnymi pomiarami, obliczeń i konstrukcji, a takŝe formy przedstawiania wyników. Program CNC moŝna przygotować na dwa sposoby: programowanie uczące LEARN; programowanie OFF-LINE. 2 Oba sposoby programowania są szeroko stosowane. Programowanie uczące moŝe wykonać kaŝdy operator maszyny beŝ znajomości instrukcji CNC. Programowanie OFF-LINE wymaga wiedzy fachowej, ale umoŝliwia stworzenie programu CNC na dowolnym komputerze i to juŝ na etapie przygotowania produkcji, np. w trybie CAD/CAM. NiezaleŜnie od wybranej metody programy CNC mogą być później modyfikowane, wzajemnie łączone, powielane, itp. Wszelkie zmiany moŝemy wprowadzać oboma sposobami programowania. Wielką zaletą maszyn współrzędnościowych pracujących w trybie CNC jest ich wysoka wydajność, która wynika ze zwiększonych prędkości przemieszczeń w tzw. ruchu jałowym, skróconych czasów dochodzenia do styku oraz wyŝsza dokładność. Trzeba wspomnieć, Ŝe nowoczesne maszyny CNC umoŝliwiają automatyczną zmianę zestawu końcówek pomiarowych, a liczba tych zmian jest ograniczona jedynie pojemnością magazynku. W/w zalety zadecydowały o szerokim zastosowaniu maszyn CNC w procesach produkcyjnych. 2 str. 20. E. Ratajczyk Współrzędnościowa technika pomiarowa maszyny i roboty pomiarowe

9 Przykłady współrzędnościowych maszyn pomiarowych W zaleŝności od zakresu pomiarowego, dokładności i obszaru zastosowania wytwarzanych jest kilka rodzajów współrzędnościowych maszyn pomiarowych (WMP). Głównym kryterium podziału stał się sposób rozwiązania układu prowadnic. MoŜna wyróŝnić cztery podstawowe rodzaje konstrukcji współrzędnościowych maszyn pomiarowych, których schematy kinematyczne ilustruje rys. 2.: a) portalowe (bramowe); b) mostowe; c) wysięgnikowe; d) kolumnowe (z pionowym i poziomym usytuowaniem osi pomiarowej). a) b) c) d) Rys. 2. Schematy kinematyczne współrzędnościowych maszyn pomiarowych: a) portalowa, b) mostowa, c) wysięgnikowa, d) kolumnowa KaŜdy z wymienionych typów maszyn moŝe mieć własne szczegółowe rozwiązania mechaniczne układów przemieszczeń, np. ruchomy stół, ruchomy portal, itp.

10 - 10- RóŜnice konstrukcyjne wiąŝą się z zakresem pomiarowym WMP. Zestawienie typowych zakresów pomiarowych w zaleŝności od rodzaju maszyny przedstawia tablica 1. Tablica 1. Orientacyjne zakresy pomiarowe maszyn o róŝnych typach budowy Rodzaj WMP Zakres pomiarowy Wysięgnikowa 0,2 m 0,7 (1,2) m Kolumnowa 0,3 m 3 m Portalowa 0,7 m 1,6 m Mostowa 2,0 m 16,0 m NiezaleŜnie od rodzaju konstrukcji kaŝda maszyna WMP składa się z kilku zasadniczych zespołów, a mianowicie: głowicy pomiarowej (sondy); zespołu pomiarowego wraz z układem wskazującym; zespołu nośnego (mechanicznego) Charakterystyka maszyny Koordynatometr XYZ Współrzędnościowa maszyna pomiarowa Koordynatometr XYZ została opracowana w Ośrodku Badawczo-Rozwojowym Narzędzi przy Kombinacie Przemysłu Narzędziowego VIS w Warszawie. Jest to typowa maszyna portalowa, która została przedstawiona na rys. 3. Zakresy pomiarowe tej maszyny wynoszą odpowiednio: w osi X 500 mm, w osi Y 500 mm, w osi Z 300 mm.

11 - 11- Rys. 3. Współrzędnościowa maszyna pomiarowa Koordynatometr XYZ Maszyna umoŝliwia jedynie ręczne dokonywanie pomiarów według zainstalowanego programu komputerowego, z bezpośrednim, tj. z maszyny, lub z ręcznym, tj. z klawiatury, wprowadzaniem danych do komputera. Mechaniczny zespół nośny 1 wraz z podzespołami wykonawczymi poszczególnych osi jest łoŝyskowany pneumatycznie. Płaszczyznę bazową stanowi granitowa płyta pomiarowa z otworami 2, która spoczywa na czterech kwadratowych płytkach stalowych 3 z gumowymi nakładkami. Płytki te oparte są na śrubach słuŝących do poziomowania płyty pomiarowej i stanowiących część podstawy maszyny. Całość, osłonięta blachami, zawiera takŝe instalację uzdatniania spręŝonego powietrza oraz miejsce na wyposaŝenie narzędziowe maszyny. W skład zestawu wchodzi równieŝ zespół przeliczników elektronicznych 4, z cyfrowymi wyświetlaczami wyników pomiarów w milimetrach,

12 zaopatrzonych w przyciski zerowania pomiarowych w dowolnych miejscach zakresów W kaŝdej osi maszyny VIS znajduje się inkrementalny układ pomiarowy typu Minilid 300 firmy Heidenhein, z przetwornikiem optoelektronicznym zapewniającym rozdzielczość 0,001 mm. Koordynatometr wyposaŝony jest w wymienną głowicę pomiarową 5, typu sztywnego lub elektrostykową, mocowaną w gnieździe pinoli. KaŜdy egzemplarz maszyny Koordynatometr XYZ moŝe zostać dodatkowo wyposaŝony w zestaw komputerowy 6. Dane techniczne WMP Koordynatometr XYZ : zakresy pomiarowe: 500 x 500 x 300 mm; wartość działki elementarnej: 0,001 mm; błąd wskazań: oś X 0,012 mm, oś Y 0,010 mm, oś Z 0,008mm; powtarzalność wskazań: oś X ±0,004 mm, oś Y ±0,003 mm, oś Z ±0,002 mm przesuw zespołów pomiarowych: ręczny; maks. prędkość przesuwu: 200 mm/s; gniazdo w pinoli do mocowania głowic pomiarowych: stoŝek Morse a; ciśnienie zasilania powietrznego: 0,4 0,6 MPa; zasilanie elektryczne: 220 ±5 V, 50 Hz; zakres temperatur pracy: 20 C ±2 C; maks. masa przedmiotu: 300 kg; masa maszyny: 800 kg Charakterystyka maszyny C 400 Współrzędnościowa maszyna pomiarowa C 400 firma Carl Zeiss jest konstrukcji portalowej. Ma ona następujące zakresy pomiarowe: w osi X 380 mm, w osi Y 450 mm, w osi Z 300 mm. 3 str. 23. E. Ratajczyk Współrzędnościowa technika pomiarowa maszyny i roboty pomiarowe

13 Maszyna ma moŝliwość pracy trybie MANUAL. Jej konstrukcję przedstawia rys. 4. zarówno w systemie CNC, jak i w Zespół nośny ułoŝyskowany jest pneumatycznie. Portal 3 oraz pinola 2 wykonane są z ceramiki, zaś stół pomiarowy 1 i prowadnice 5 w osi Y z granitu. W stole pomiarowym znajdują się nagwintowane otwory M6 słuŝące do mocowania wszelkiego rodzaju uchwytów. Rys. 4. Współrzędnościowa maszyna pomiarowa C 400 firmy Zeiss Maszyna wyposaŝona jest w dozorowany elektronicznie napęd serwo o podwyŝszonej dynamice. KaŜda z osi wyposaŝona jest w elektroniczne ograniczniki siły przemieszczającej. Przekazanie napędu odbywa się poprzez koła cierne. W przypadku pracy ręcznej istnieje moŝliwość wysprzęglenia napędu. Sterowanie maszyny odbywa się w oparciu o mikroprocesor (tzw. sterowanie wektorowe w trzech osiach).

14 - 14- Układ pomiarowy o rozdzielczości sygnału wynoszącej 0,5 µm, składa się ze szklanych wzorców inkrementalnych 4 oraz z przetworników optoelektrycznych. Maszyna wyposaŝona jest w głowicę przełączającą, typu elektrostykowego. W skład systemu wchodzi równieŝ komputer PC firmy Samsung o następujących parametrach: mikroprocesor Intel 80286; pamięć RAM 1 MB; częstotliwość zegara 8/12 MHz; dysk twardy o pojemności 40 MB; stacja dysków elastycznych 3½" 1.44 MB; karta graficzna i monitor VGA; jedno złącze równoległe; dwa złącza szeregowe; drukarka igłowa firmy Epson. Dane techniczne współrzędnościowej maszyny pomiarowej C 400 : zakres pomiarowy: 380 x 450 x 300 mm; rozdzielczość wskazań: 0,001 mm; prostopadłość: wewnątrz 1 sekundy kątowej; prostoliniowość osi pomiarowych: 0,002 mm; płaskość stołu: 0,004 mm; maks. masa mierzonego elementu: 450 kg; masa maszyny: 350 kg; zasilanie elektryczne: 220 V ±10%, 50Hz; ciśnienie zasilania powietrznego: 0,6 MPa. Parametry dokładnościowe zachowują waŝność w następujących warunkach: temperatura otoczenia: 20 C ±3 C; gradient zmiany temperatury: 2 C/godz., 3 C/dzień;

15 - 15- przestrzenny gradient temperatury: 1 C/m; dopuszczalne drgania: Hz dla 0,01 g Charakterystyka maszyny SMC WMP SMC jest wytwarzana przez firmę Carl Zeiss. Jest to maszyna typu kolumnowego budowana w wersji z jedną lub dwiema kolumnami. Ma następujące zakresy pomiarowe: w osi X: 1800, 2400, 3000, 4200 mm, w osi Y: 1000, 1350 mm, w osi Z: 1500, 2000, 2400 mm. Maszyna moŝe pracować w trybie ręcznym, jak i CNC. Jej wygląd przedstawia rys. 5. Rys. 5. Kolumnowa maszyna współrzędnościowa SMC produkcji firmy Zeiss Kolumna 1 i ramię poziome (pinola) 2 zostały wykonane w technologii CARAT, co zmniejsza wpływ wahań temperatury na dokładność pomiaru. Specjalna konstrukcja podstawy maszyny ma za zadanie eliminować wpływ drgań podłoŝa. Stół pomiarowy 3 został wykonany z granitu. Maszyna wyposaŝona jest w napęd serwo o wysokiej dynamice z elektroniczną kontrolą napędu. W maszynie wykorzystano optoelektroniczne wzorce długości typu inkrementalnego, działające na zasadzie światła odbitego, mające rozdzielczość 1 µm. 4 str. 25 E. Ratajczyk Współrzędnościowa technika pomiarowa maszyny i roboty pomiarowe

16 - 16- Maszyny jedno- i dwukolumnowe wyposaŝone są w głowice przełączające z piezoelementami RST. Opcjonalnie moŝna wykorzystać głowicę laserową triangulacyjną oraz magazynek do głowic z rozpoznawaniem sensorowym. We wszystkich przypadkach do sprzęŝenia głowic z maszyną stosuje się zautomatyzowany uchwyt DSE 05. Uchwyt ten pozwala na wychylenie w dwóch prostopadłych płaszczyznach o kąt ±180, z rozdzielczością 0,5" i z niedokładnością połoŝenia 3". Maszyna jest sterowana w trzech osiach wektorowo za pomocą mikroprocesora. Sterowanie w czwartej i piątej osi realizowane jest przy uŝyciu uchwytu DSE 05. Do obsługi maszyny przewidziano pulpit sterujący wraz z joystikami, pozwalający na wykonanie wszystkich operacji bez konieczności wykorzystywania klawiatury komputera. Zestaw cyfrowego przetwarzania danych pomiarowych stanowi komputer osobisty typu IBM PC wraz z osprzętem. Dane techniczne współrzędnościowej maszyny pomiarowej SMC : zakres pomiarowy: oś X 1800, 2400, 3000, 4200 mm, oś Y 1000, 1350 mm, oś Z 1500, 2000, 2400 mm; rozdzielczość: 0,001 mm; maks. masa mierzonego elementu: 1500 kg; masa maszyny: kg; zasilanie elektryczne: V ±10%, Hz ±3,5%; ciśnienie zasilania powietrznego: 0,6 1,0 MPa. Parametry dokładnościowe zachowują waŝność w następujących warunkach: a) przy temperaturze otoczenia: C: wahania temperatury: 2 K/h, 8 K/d; gradient temperatury: przestrzenny 0,5 K/m. b) przy temperaturze otoczenia: 20 ±3 C: wahania temperatury: 1 K/h, 3 K/d; gradient temperatury: przestrzenny 0,5 K/m.

17 - 17- Podobne typy maszyn kolumnowych pod symbolem KMS wytwarza równieŝ niemiecka firma Komeg. Maszyna ta jest budowana w trzech wersjach: KMS FS z jedną kolumną; KMS FSD z dwiema kolumnami, zamocowanymi do wspólnej płyty prowadzącej; KMS FA/FAB z dwiema niezaleŝnie zamocowanymi kolumnami Oprogramowanie współrzędnościowych maszyn pomiarowych Oprogramowanie współrzędnościowej maszyny pomiarowej (WMP) jest jednym z najwaŝniejszych czynników wpływających na moŝliwości i zakres zastosowania maszyny. Z tego względu producenci maszyn przywiązują duŝą wagę do zastosowanej części softwarowej. Obecnie moŝemy spotkać kilka pakietów wspomagających pracę z WMP. Są to zarówno opracowania własne, jak teŝ programy tworzone na zamówienie. Firma Zeiss stworzyła dla własnych maszyn oraz dla maszyn firmy Mauser i Komeg pakiet UMESS. Dla mniejszych maszyn serii C 400 i C 700 stworzono program U-SOFT. Firma Kemco wykorzystuje własne opracowanie lub oprogramowanie szwajcarskiej firmy METROSOFT 3D. Włoska firma DEA (Digital Electronic Automatition) preferuje własne pakiety TUTOR i MASTER. Firma Leitz stworzyła pakiet QUINDOS, który jest przystosowany do zaimplentowania na dowolnej maszynie współrzędnościowej. W Instytucie Metrologii i Systemów Pomiarowych opracowano program XYZ przeznaczony dla maszyny Koordynatometr XYZ Układy pomiarowe Układy pomiarowe są stosowane do odmierzania odległości pomiędzy punktami, wyznaczonymi przez styk trzpienia pomiarowego sondy 5 str. 31 E. Ratajczyk Współrzędnościowa technika pomiarowa maszyny i roboty pomiarowe 6 str. 36 E. Ratajczyk Współrzędnościowa technika pomiarowa maszyny i roboty pomiarowe

18 - 18- z powierzchnią mierzonego przedmiotu. W praktyce wyznaczane są wartości współrzędnych punktów, które są odczytywane z układów pomiarowych umieszczonych w poszczególnych osiach maszyny XYZ. Układy pomiarowe dzielimy na tarczowe odmierzające wartości kąta i liniowe odmierzające wartości długości (rys. 6). Jeśli stosowane są tarczowe układy pomiarowe, które mierzą kąt, to w przypadku maszyn współrzędnościowych następuje zmiana kąta na długość poprzez układy pośredniczące. Zwykle są nimi zębnik-zębatka lub śruba-nakrętka. W większości WMP wykorzystuje się liniowe układy pomiarowe inkrementalne zarówno optoelektroniczne, jak i induktosynowe. W nielicznych przypadkach stosuje się układy kodowe mające charakter wzorca absolutnego lub układy pojemnościowe. W najdokładniejszych maszynach moŝna spotkać interferencyjne układy pomiarowe Inkrementalne układy pomiarowe Podstawą działania inkrementalnych układów pomiarowych są wzorce przyrostowe tzw. inkrementalne, których odcinki długości (stałe wzorców) zamieniane są na ciągi elektrycznych sygnałów sinusoidalnych i cosinusoidalnych. Sygnały te są przetwarzane na impulsy, których zliczanie umoŝliwia uzyskanie cyfrowego wyniku wskazań mierzonej długości. RozróŜnia się następujące rodzaje inkrementalnych układów pomiarowych: optoelektroniczne; induktosynowe; pojemnościowe Optoelektroniczne układy pomiarowe Zasada działania optoelektronicznych układów pomiarowych polega na zliczaniu przetworzonych sygnałów elektrycznych wychodzących z fotodetektorów. Sygnały te po odpowiednim przetworzeniu tj.

19 wzmocnieniu, uformowaniu kształtu i zróŝniczkowaniu przesyłane są do licznika, który zliczaną liczbę impulsów wyświetla w postaci cyfrowej jako wartość mierzonej długości przemieszczenia oświetlacza wraz z fotodetekcyjnym czytnikiem względem liniału inkrementalnego. Ciągi sygnałów elektrycznych powstają w fotodetektorach w wyniku pojawiania się strumienia świetlnego, modulowanego pasywnymi i aktywnymi tj. ciemnymi i jasnymi polami wzorca inkrementalnego, podczas przemieszczania względem niego oświetlacza wraz z optoelektronicznym czytnikiem. Optoelektroniczne inkrementalne układy pomiarowe mogą pracować w świetle przechodzącym - jako tzw. transmisyjne (rys. 7a) lub w świetle odbitym - jako tzw. refleksyjne (rys. 7b), które zawierają pola odbijające i pochłaniające strumienie świetlne. Wówczas wzorcami są albo liniały szklane, albo liniały stalowe. a) b)

20 - 20- Rys. 7. Optoelektroniczny inkrementalny układ pomiarowy: a) transmisyjny, b) refleksyjny Induktosynowe układy pomiarowe Induktosynowy układ pomiarowy (rys. 8) składa się z dwóch elementów. Rys. 8. Zasada działania induktosynowego układu pomiarowego Są nimi liniał, który charakteryzuje się jednym uzwojeniem meandrowym 1 oraz suwak, na którym znajdują się przynajmniej dwa tego typu uzwojenia 2 i 3 przesunięte względem siebie o wartość λ/4 (gdzie λ - podziałka induktosyna) Pojemnościowe układy pomiarowe Pojemnościowe układy pomiarowe opierają się na zasadzie działania kondensatora róŝnicowego (rys. 9). Rys. 9. Kondensator róŝnicowy jako podstawa działania pojemnościowego układu pomiarowego

21 Kondensator ten składa się z dwóch ustawionych w jednej płaszczyźnie okładek (elektrod) 1 i 2 oraz z trzeciej, równoległej do nich, okładki 3, która moŝe się przemieszczać Kodowe układy pomiarowe Podstawowymi zespołami fotoelektrycznych kodowych układów pomiarowych (rys. 10) są: liniał kodowy i ruchomy względem liniału zespół odczytowy, który składa się ze źródła światła 2, soczewki skupiającej 3 oraz zespołu fotodetektorów 4. Rys. 10. Schemat kodowego układu pomiarowego Istotą pomiaru jest przetworzenie wielkości analogowych, jakimi są przemieszczenie zespołu odczytowego, bądź jego połoŝenie względem liniału, na kodowane sygnały elektryczne 5 wychodzące z fotodetektorów. Sygnały te są następnie zamieniane w dekoderach na wartość liczbową. Otrzymana wielkość jednoznacznie określa chwilowe połoŝenie zespołu odczytowego względem liniału, co oznacza, Ŝe kodowe układy pomiarowe mierzą w sposób absolutny. W układach tych wzorcem długości jest liniał kodowy, którym jest szklana listwa pokryta szeregiem nieprzepuszczających światła prostokątów, rozmieszczonych według pewnego kodu binarnego Interferencyjne układy pomiarowe Współczesne interferometry umoŝliwiające wyznaczanie wartości wymiarów o duŝych zakresach pomiarowych oparte są na laserowym źródle światła, którym jest najczęściej laser gazowy He-Ne. Najprostszy schemat

22 - 22- pomiarowy interferometru laserowego oparty na układzie Twymana-Greena ilustruje rys. 11. Rys. 11. Uproszczony schemat interferometru Twymana-Greena Składa się on z lasera 1, płytki światłodzielącej tzw. dzielnika 6, dwóch pryzmatycznych zwierciadeł 5 i 7, zestawu fotodetektorów 2, układu formowania impulsów 3 i licznika rewersyjnego 4. Wiązka światła z lasera jest rozdzielana, na powierzchni światłodzielącej X-X dzielnika 6, na dwie wiązki. Jedna z nich skierowana jest do nieruchomego zwierciadła pryzmatycznego 5, a druga - do ruchomego 7. Odbite od zwierciadeł wiązki światła interferują ze sobą, tworząc w płaszczyźnie fotodetektorów prąŝki interferencyjne. Podstawą interferencji dwóch ciągów fal świetlnych jest istnienie róŝnych dróg optycznych, które powstają na skutek konstrukcyjnego pochylenia zwierciadeł. W wyniku przesuwu zwierciadła pryzmatycznego 7, w polu fotodetektorów, następuje przemieszczanie prąŝków, których liczba jest podstawą wyznaczenia wartości przemieszczenia zwierciadła o wartość L. W praktyce ruchome zwierciadło jest związane z osią przesuwu WSP, a wiązka z lasera jest uprzednio rozdzielana na trzy kierunki przemieszczeń XYZ. Laser i fotodetektory znajdują się najczęściej w jednej obudowie, a w drugiej pozostałe zespoły jak układ formowania impulsów, zamieniający je z sinusoidalnego na prostokątne wraz z elektronicznym układem korygującym i licznikiem rewersyjnym..

23 - 23- Zastosowanie zwierciadeł pryzmatycznych, o kształcie naroŝa sześcianu, zmniejsza wpływ błędów geometrycznych przesuwu poszczególnych osi maszyny. W celu uzyskania duŝej dokładności interferometru, idącej w parze z wysoką rozdzielczością, uwzględnia się takie czynniki jak temperatura, ciśnienie, wilgotność, korygując wynik pomiaru w sposób automatyczny. 6. Roboty i centra pomiarowe Współrzędnościowe pomiary związane bezpośrednio z produkcją zespołów maszynowych wymagają maszyn, które odznaczałyby się zwiększoną szybkością pomiaru oraz mniejszą podatnością na zakłócenia zewnętrzne jak temperatura, drgania, itp. Takie właściwości spełniają roboty pomiarowe, które budowane są najczęściej w dwóch odmianach: a) jako maszyny współrzędnościowe o konstrukcji wysięgnikowej, z jednym lub dwoma ramionami wysięgnikowymi sterowanymi najczęściej jednym komputerem; b) jako maszyny współrzędnościowe o konstrukcji kolumnowej zabudowane, tzw. kapsułowe, zwane równieŝ automatami pomiarowymi. Tam, gdzie wymagana jest najwyŝsza dokładność pomiaru, stosuje się klimatyzowane centra pomiarowe, w skład których wchodzi maszyna lub maszyny współrzędnościowe wysokiej dokładności. W centra te wyposaŝone są wydziały produkcyjne, pracujące często w układzie elastycznym Roboty i automaty pomiarowe W odróŝnieniu od typowych maszyn współrzędnościowych, robot czy automat pomiarowy, pracujący w układzie współrzędnościowym, powinien mieć następujące cechy: zwiększoną, w stosunku do maszyny współrzędnościowej, prędkość pomiaru, dotyczącą przemieszczeń poszczególnych osi oraz duŝe przyspieszenia;

24 duŝą odporność na wpływy zewnętrzne; wysoki stopień elastyczności, adekwatny do elastyczności systemu obróbkowego, a takŝe takim czasem pomiaru, by był on w miarę dostosowany do rytmu wytwarzania; moŝliwość monitorowania procesu obróbkowego i oddziaływania na korektę procesu obróbkowego; dokładnością zbliŝoną do klasycznych maszyn współrzędnościowych, co jest trudne do osiągnięcia wobec zaburzeń tkwiących w środowisku produkcyjnym, w którym robot ma pracować. Roboty o konstrukcji wysięgnikowej, realizujące przemieszczenia pomiarowe na kierunkach X, Y i Z, w sposób pokazany na rys. 12, zaczęła wytwarzać szwajcarska firma Tesa oraz włoska DEA. Rys. 12. Fragment robota wysięgnikowego Jedno z pierwszych zastosowań robota pomiarowego zrealizowała firma Tesa przy współudziale firmy Brown and Sharp, w amerykańskiej firmie Harris Graphics w Dover w 1986 roku, do kontroli precyzyjnych elementów maszyn drukarskich, a konkretnie korpusu przekładni zębatej. O ile pomiar tego korpusu prowadzony uprzednio tradycyjnie, przy uŝyciu róŝnorodnych narzędzi pomiarowych, trwał 4,5 godziny, a przy zastosowaniu

25 - 25- współrzędnościowej maszyny pomiarowej 50 min., to zastosowanie robota pomiarowego skróciło ten czas do 15 min. 7 Firma DEA wytwarza roboty wysięgnikowe, zarówno jedno-, jak i dwuramienne, pod nazwą BRAVO, których poszczególne rodzaje przewidziane są do następujących zastosowań: BRAVO AA - do kontroli małych przedmiotów odlewanych i obrabianych skrawaniem; BRAVO 11 i 21 - do kontroli elementów średnich wymiarów, paneli, elementów ramowych, jak np. elementy podwozi samochodowych; BRAVO 32 i 42 - do kontroli zespołów karoserii samochodowych i całych karoserii. Dokładność robotów o budowie otwartej, jakimi są roboty wysięgnikowe, nie jest zbyt duŝa i odbiega od dokładności maszyn współrzędnościowych o porównywalnym zakresie pomiarowym. Nadają się więc one do mierzenia elementów o duŝych tolerancjach, zgodnie z zasadą, Ŝe błąd pomiaru stanowić powinien ok % kontrolowanej tolerancji wymiarowej. Roboty te mają zastosowanie głównie do elementów odlewanych, odkuwek i obróbek zgrubnych. Najliczniejsze ich zastosowanie występuje w kontroli wymiarowej karoserii samochodowych, które wytwarzane są w duŝych ilościach w sposób zautomatyzowany przy współudziale robotów przemysłowych, praktycznie bez bezpośredniego udziału człowieka. Wśród grupy najdokładniejszych robotów pomiarowych na uwagę zasługuje robot zwany centrum pomiarowo produkcyjnym lub potocznie automatem pomiarowym (kapsułowym) o symbolu FMC firmy Zeiss. Obecnie stosuje się symbol FC. Urządzenie FC jest automatem pomiarowym o konstrukcji kolumnowej. Na rys. 13 pokazano widok zasłoniętego automatu. 7 str. 153 E. Ratajczyk Współrzędnościowa technika pomiarowa maszyny i roboty pomiarowe

26 - 26- Rys. 13. Automat pomiarowy FC firmy Zeiss Widoczna jest kolumna 1, pinola z głowicą pomiarową 2, pomiarowy stół obrotowy 3 oraz obok szafa sterująca z komputerem i alfa-numeryczny pulpit sterujący. Wytwarzane są dwa rodzaje automatów FC 600 i FC 900 o zakresach pomiarowych wynoszących odpowiednio 300 x 450 x 600 i 500 x 700 x 900 mm. Mogą one mierzyć elementy o masach dochodzących do 300 kg i do 1000 kg. Są to urządzenia wysokiej dokładności, dzięki zastosowaniu korzystnych termicznie prowadnic w osi X i Z wykonanych w technologii CARAT i wzorców inkrementalnych o rozdzielczości sygnału wyjściowego wynoszącego 0,2 µm, a wykonanych z termicznie odpornego materiału ZERODUR. Zastosowany automatyczny system pomiaru temperatury, zarówno mierzonych przedmiotów, jak i istotnych pod względem termicznym węzłów automatu, umoŝliwia na tyle kompensacje wpływu temperatury, Ŝe realna jest praca urządzenia obudowanego nawet w obszarze temperatury otoczenia wahającej się od 15 do 35 C.

27 - 27- Zintegrowany z systemem sterująco-pomiarowym automatu, stół obrotowy (rys. 14) stwarza czwartą, kątową, oś pomiarową i umoŝliwia ustawianie przedmiotu, w trybie CNC, odpowiednio do kierunku przemieszczenia pinoli, co zwiększa dokładność i prędkość pomiaru, jak i stopień penetracji, rozumianej jako dostępność do wewnętrznych kształtów przedmiotu (moŝliwe jest mierzenie przedmiotów o powierzchniach pryzmatycznych). Rys. 14. Pomiarowy stół obrotowy zintegrowany z systemem sterująco-pomiarowym automatu FC Pomiarowy stół obrotowy RT lub RT ma rozdzielczość wskazań wynoszącą 0,25 i moŝe osiągać prędkość obrotu od 1 /s do 90 /s z błędem połoŝenia kątowego wynoszącym 2. Automat wyposaŝony jest w dwustopniową głowicę pomiarową przełączającą ST2, pracującą dynamicznie. MoŜliwe są dwa następujące warianty wyposaŝenia: jeden, gdy głowica zawiera tzw. aktywny talerz zmianowy z piezoelementami i sztywny wydłuŝony trzpień pomiarowy (rys. 15); drugi, gdy głowica składa się z pasywnego talerz mocującego i zminiaturyzowanej głowicy piezoelektrycznej RST (rys. 16).

28 - 28- Rys. 15. Dwustopniowa głowica pomiarowa z aktywnym talerzem piezoelektrycznym Rys. 16. Dwustopniowa głowica pomiarowa z pasywnym talerzem mocującym i ze zminiaturyzowaną głowicą piezoelektryczną RST DuŜą zaletą automatu FC są stosunkowo duŝe prędkości pomiarowe, dochodzące nawet do 300 mm/s, i przyspieszenia, dochodzące do 2000 mm/s² Centra pomiarowe Centra pomiarowe tworzone są na bazie klasycznych maszyn współrzędnościowych, które, jako maszyny laboratoryjne, wymagają spełnienia odpowiednich warunków, by moŝna było wykorzystać ich wysokie dokładności. Odpowiednie warunki mogą zaistnieć przez umieszczenie maszyny współrzędnościowej w kabinie, jak to ilustruje rys str. 160 E. Ratajczyk Współrzędnościowa technika pomiarowa maszyny i roboty pomiarowe

29 - 29- Rys. 17. Najprostsze centrum pomiarowe, utworzone na bazie maszyny współrzędnościowej UMC firmy Zeiss W tym przypadku zastosowano dokładną współrzędnościową maszynę pomiarową UMC firmy Ziess. To najprostsze centrum pomiarowe przeznaczone jest do pomiaru korpusów 2 i 3 silników samochodowych. Proces pomiaru odbywa się w trybie CNC łącznie z automatyczną wymianą zestawów trzpieni i końcówek pomiarowych pobieranych z magazynka 1. Bardziej rozbudowane centra pomiarowe, przygotowane do pracy w elastycznych systemach produkcyjnych (ESP), tworzy niemiecka firma KOMEG. Najbardziej rozbudowanym centrum pomiarowym, opracowanym i zbudowanym przez tą właśnie firmę dla jednej z fabryk w Hamburgu jest QUATRO (rys. 18).

30 - 30- Rys. 18. Centrum pomiarowe QUATRO Składa się ono z czterech maszyn współrzędnościowych 1 PMC 850 i WMM 850 produkcji firmy Zeiss, manipulatora kolumnowego 2, magazynu regałowego 3, w którym umieszcza się palety z przedmiotami oraz centralnego komputera sterującego 4. QUATRO ma 62 stanowiska paletowe, pracuje w systemie elastycznym i umoŝliwia mierzenie, w trybie CNC, zarówno elementów typu korpusowego, jak i kół zębatych. Na rys. 19 przedstawiono schemat centrum pomiarowego QUATRO. Zastosowany system sterujący ATRAL, oparty na komputerze HP1000, odpowiada za transport elementów na paletach i ich składowanie w magazynie regałowym, steruje pracą manipulatora; odpowiada za czynności za- i wyładowcze. Ponadto system ATRAL uruchamia procedury pomiarowe na poszczególnych maszynach współrzędnościowych odpowiednie dla elementów, które są rozpoznawane dzięki zakodowaniu ich cech na palecie.

31 - 31- Rys. 19. Schemat centrum pomiarowego QUATRO Połączenie systemu z manipulatorem, jak i z poszczególnymi maszynami pomiarowymi, które mają własne komputery HP, odbywa się poprzez interfejs RS232C Źródła błędów i dokładność maszyn Wynik pomiaru na WSP obarczony jest błędem, na którego wielkość ma wpływ szereg czynników. Są to: błędy układów prowadnic (ich luzy i tarcie), niedokładność układów pomiarowych i błędy ich połoŝenia; procedury pomiarowe i obliczeniowe oraz wynikający z nich software; strategia pomiaru, własności mechaniczne oraz stan powierzchni mierzonego elementu, warunki otoczenia (temperatura, wilgotność i ich zmiany w czasie pomiarów oraz drgania). Ze względu na przenikanie się poszczególnych źródeł błędów i wzajemne ich powiązania ich pogrupowanie jest utrudnione. Wielu autorów podejmuje próbę ich sklasyfikowania, jednak najpełniejszym opracowaniem jest podział źródeł błędów przedstawiony na rys. 20, który klasyfikuje błędy na osiem grup str. 164 E. Ratajczyk Współrzędnościowa technika pomiarowa maszyny i roboty pomiarowe 10 str. 169 E. Ratajczyk Współrzędnościowa technika pomiarowa maszyny i roboty pomiarowe

32 - 32- Rys. 20. Źródła błędów współrzędnościowej maszyny pomiarowej Producenci na ogół nie podają niedokładności poszczególnych układów maszyny lecz ogólnie niedokładność całej maszyny, w której zawarte są te wszystkie źródła błędów. Opisują je najczęściej równaniem liniowym w postaci: U = A + KL, gdzie: L mierzona długość w mm; A stała opisująca udział błędów przypadkowych; K współczynnik opisujący charakter zmian błędów systematycznych. Stała A zaleŝy od dokładności urządzeń i czynników procesu pomiarowego: dokładności głowicy pomiarowej, jej powtarzalności i liniowości charakterystyki; systemu pomiarowego (jego rozdzielczości i krótkookresowych błędów wzorca); rodzaju pomiaru (przy pomiarze dynamicznym między stykiem a sczytaniem impulsu mogą wystąpić błędy);

33 - 33- układu odniesieniowego maszyny oraz jego krótkookresowych (liniowych i rotacyjnych) błędów prowadnic. Natomiast współczynnik K zaleŝy od: długookresowych błędów wzorca; deformacji układu odniesieniowego maszyny, spowodowanego długookresowymi (liniowymi i rotacyjnymi) błędami prowadnic, wpływem temperatury oraz ugięć pod wpływem zmiany obciąŝeń statycznych. NaleŜy pamiętać, Ŝe błędy mają charakter nieliniowy, dlatego przedstawienie ich równaniem liniowym jest duŝym uproszczeniem. Jest to jednak dopuszczalne, taka nawet postać jest przydatna dla uŝytkowników maszyn. 8. Podsumowanie Niniejsza praca przedstawia ogólną problematykę związaną ze współrzędnościową techniką pomiarową. Zagłębianie się w dany temat wykracza poza temat pracy i jest technicznie niemoŝliwe, gdyŝ kaŝda firma realizuje własne koncepcje. Wymienione przykłady róŝnych rozwiązań systemów pomiarowych opartych na technice współrzędnościowej, które tworzone są zarówno na bazie robotów pomiarowych, jak i centrów pomiarowych, ale takŝe z bezpośrednio samych maszyn współrzędnościowych, dają pogląd o wymaganiach stawianych współrzędnościowej technice pomiarowej. Jest teŝ faktem, Ŝe wreszcie technika pomiarowa stanęła na wysokości oczekiwań przemysłu i wnosi w jego rozwój jakościowy istotny wkład.

34 - 34- Literatura 1. Ratajczyk E.: Współrzędnościowa technika pomiarowa maszyny i roboty pomiarowe, Warszawa, OWPW, Załącznik 1 Wykaz : Kamera CCD UWM układ współrzędnych maszyny; UWP układ współrzędnych przedmiotu; CNC Computer Numeric Control, jest zautomatyzowanym trybem pracy maszyny, nie wymagającym obsługi operatora; CAD/CAM WMP współrzędnościowa maszyna pomiarowa; RST CARAT technologia termiczna ZERODUR materiał odporny termicznie ESP elastyczny system produkcji