Maszyny i roboty pomiarowe

Transkrypt

1 Prof.Eugeniusz Ratajczyk Maszyny i roboty pomiarowe Część II Układy pomiarowe Głowice (sondy) pomiarowe 24 sierpnia 2016

2 Współrzędnościowe Maszyny Pomiarowe Część I Część II 1. Istota pomiarów współrzędnościowych 2. Główne zespoły maszyn i ich funkcje 3. Rodzaje konstrukcji maszyn Układy pomiarowe Głowice (sondy) pomiarowe Część III. Oprogramowania Część IV. Część V. Roboty i centra pomiarowe Ramiona pomiarowe Część VI. Skaning pasywny, skaning aktywny 24 sierpnia 2016

3 Układy pomiarowe Rodzaje układów pomiarowych: tarczowe odmierzają wartości kąta liniowe odmierzają wartości długości inkrementalne kodowe interferencyjne 24 sierpnia 2016

4 Inkrementalne układy pomiarowe Rodzaje: optoelektroniczne wzorzec w postaci liniału z ciemnymi i jasnymi polami ułożonymi na przemian, o okresie (stałej wzorca) w przedziale μm (niepewność 2-3 μm/1 m przy rozdzielczości 1 μm) induktosynowe wykorzystują zjawisko indukcji magnetycznej, powstające pomiędzy uzwojeniami suwaka i liniału w postaci meandrów o okresie 2 4 μm (niepewność 3-5 μm/1 m) pojemnościowe podstawowym elementem pomiarowym jest kondensator różnicowy

5 Optoelektroniczne układy pomiarowe transmisyjne pracujące w świetle przechodzącym refleksyjne pracujące w świetle odbitym

6 Optoelektroniczne układy pomiarowe Układ odczytowy z przeciwwzorcem dającym efekt moire a 1 oświetlacz 2 soczewka 3 fotoelement 4 płytka stanowiąca przeciwwzorzec 5 liniał inkrementalny

7 Optoelektroniczne układy pomiarowe Układ odczytowy z przeciwwzorcem dającym efekt moire a D d1 d2 D dw

8 Optoelektroniczne układy pomiarowe Układ odczytowy z przeciwwzorcem z okienkami przesuniętymi w fazie 1 oświetlacz 2 soczewka 3 fotoelement 4 płytka stanowiąca przeciwwzorzec 5 liniał inkrementalny

9 Optoelektroniczne układy pomiarowe Układ odczytowy z przeciwwzorcem z okienkami przesuniętymi w fazie wzorzec

10 Optoelektroniczne układy pomiarowe Przebieg sygnałów w układach optoelektronicznych

11 Optoelektroniczne układy pomiarowe Przebieg sygnałów w układach optoelektronicznych przesuniecie fazowe rezultat kompensacja składowej stałej wykrycie kierunku ruchu

12 Optoelektroniczne układy pomiarowe Układy pomiarowe Renishaw serii RG z siatką dyfrakcyjną RGS 20 RGS 42 Rozdzielczość wyjściowa 5, 1, 0,5, 0,1 lub 0,05µm

13 Optoelektroniczne układy pomiarowe Charakterystyka układów pomiarowych RGS 20 i RGS42 Błąd nieliniowości: ±0,75µm na 60mm lub ±3µm na 1m

14 Materiał na wzorce optoelektroniczne Zerodur jest opatentowaną ceramiką szklaną, którą pierwotnie opracowano do termicznej stabilizacji dużych teleskopów kosmicznych. Zerodur Normalne szkło 0.0 ±0.05 µm/metr/ o C Stal α=7,8,5 x 10-6 x1/ o C α = 11,5 x 10-6 x1/ o C 7.8 ± 0.5 µm/metr/ o C 11.5 ± 0.5 µm/metr/ o C ΔL = [α x L x ΔT] ±s Δα

15 Induktosynowe układy pomiarowe 1- liniał 2 i 3 uzwojenia suwaka = 2 mm rozdzielczość = 1 μm niepewność 2-3 μm/1 m

16 Induktosynowe układy pomiarowe 1. Suwak z meandrami 2. Liniał z meandrami 3. Charakterystyka sygnału podstawowego 4. Charakterystyka sygnału wyjściowego

17 Pojemnościowe układy pomiarowe Zasada działania kondensatora różnicowego, składającego się z dwóch okładek umieszczonych w jednej płaszczyźnie (1 i 2) oraz równoległej do nich okładki ruchomej (3)

18 Kodowe układy pomiarowe 1 liniał kodowy 2 źródło światła 3 soczewka 4 fotodetektory 5 kodowe sygnały elektryczne

19 Rodzaje kodów

20 Sposoby eliminacji błędów w układach kodowych 1. Wprowadzenie dodatkowej ścieżki synchronizującej 2. Metoda dwóch równoległych kolumn czujników odczytujących 3. Metoda V e P L1 P L2 L3 P2 P3 l

21 Interferencyjne układy pomiarowe Najprostszy schemat pomiarowy interferometru laserowego oparty jest na układzie Twymana-Greena. 1 laser 2 fotodetektory 3 ukł. formowania impulsów 4 licznik rewersyjny 5 zwierciadło pryzmatyczne 6 płytka światłodzieląca 7 zwierciadło pryzmatyczne

22 Głowice pomiarowe (sondy)

23 Głowice pomiarowe (sondy) Służą do lokalizacji punktów pomiarowych sygnał z przetwornika sondy pozwala sczytać współrzędne lokalizowanego punktu Rodzaje: głowice stykowe: głowice sztywne głowice przełączające (impulsowe) głowice mierzące głowice bezstykowe: laserowe głowice triangulacyjne optoelektroniczne głowice wyposażone w kamerę CCD

24 Głowice przełączające (impulsowe) Rodzaje: głowice z przetwornikiem elektrostykowym głowice z podwójnym przetwornikiem piezoelektrycznym i elektrostykowym

25 Głowice z przetwornikiem elektrostykowym Głowice z przetwornikiem elektrostykowym 1 korpus 2 sprężyna 3 ramiona 4 pryzmy 5 trzpień 6 mierzony element 1. Korpus 2. Elektrostyki 3. Sprężyna

26 Głowice z przetwornikiem elektrostykowym TP200 Prod. firmy ang. Renischaw Max powtarzalność jednokierunkowa ±0,40µm (0,14)*, Powtarzalność w płaszczyźnie ±0,80µm (0,105)* Przy l=50mm, V=480mm/min, * W zakupionym egzemplarzu TP-5WAY Powtarzalność jednokierunkowa ±0,35µm, - - w płaszczyźnie ±0,80µm Przy l=10mm, V=480mm/min,

27 Głowice z przetwornikiem elektrostykowym TP6 Prod. firmy ang. Renischaw ±X, ±Y, +Z Powtarzalność jednokierunkowa ±0,35µm, - - w płaszczyźnie ±0,60µm Przy l=21mm, V=480mm/min, TP12 ±X, ±Y, +Z Powtarzalność jednokierunkowa ±0,25µm, - - w płaszczyźnie ±0,15µm Przy l=10mm, V=480mm/min,

28 Głowice z przetwornikiem elektrostykowym Głowice pomiarowe TP20 o konstrukcji modułowej firmy Renishaw Moduł trzpienia pomiarowego +przetwornik elektrostykowy Moduł główny do połączenia Do wymiany automatycznej zespołu trzpienia pomiarowego

29 Głowice z przetwornikiem elektrostykowym Charakterystyka głowicy elektrostykowej

30 Głowice z przetwornikiem piezoelektrycznym Głowice z przetwornikiem piezoelektrycznym i elektrostykowym 1 korpus 2 zespół ruchomy 3 trzpień pomiarowy 4 sensory piezoelektryczne 5 elektrostyki 6 - sprężyna

31 Głowice z przetwornikiem piezoelektrycznym Przykłady głowic prod. Firmy C.Zeiss: ST RST

32 Głowice z przetwornikiem piezoelektrycznym ST-ATAC 6-way < 0,01N Ruch jałowy X,Y:±14mm Z:±7mm Powtarzalność 0,5µm Przy l=60mm i d=8mm

33 Głowice z przetwornikiem piezoelektrycznym i elektrostykowym firmy Renishaw TP200 TP800-2 Moduł główny Moduł główny Moduł trzpienia pomiar. SF,LF, EO Moduł trzpienia pomiarowego SH800

34 Głowica obrotowouchylna Podstawowy zestaw głowic pomiarowych, trzpieni i przedłużaczy z głowicą obrotowo-uchylną PH10T firmy Renishaw Przedłużacze Głowice pomiarowe Trzpienie z końcówkami pomiarowymi

35 Głowice mierzące Rodzaje: głowice z przetwornikiem indukcyjnym głowice z przetwornikiem optoelektronicznym

36 1 układ sprężyn płaskich 2 przetworniki indukcyjne 3 końcówka pomiarowa Głowice z przetwornikiem indukcyjnym Głowica MT Produkcji firmy C.Zeiss

37 Głowice z przetwornikiem indukcyjnym 2002 VAST Navigator

38 Głowice z przetwornikiem indukcyjnym Zasada pomiaru głowicą z przetwornikiem indukcyjnym MK wartość odczytana z układów pomiarowych maszyny TA wartość odczytana z układów pomiarowych głowicy

39 Głowice mierzące z przetwornikiem indukcyjnym Rodzaje pomiaru głowicą mierzącą z przetwornikiem indukcyjnym firmy Zeiss:» pomiar statyczny» pomiar wielopunktowy» pomiar skaningowy» pomiar samocentrujący

40 Głowica HIGH SPEED SCANNING firmy Zeiss Głowica HIGH SPEED SCANNING powiązana z 16-bitowym multiprocesorowym sterowaniem, umożliwia wykonanie pomiarów skaningowych 100-krotnie szybciej od pomiaru głowicą przełączającą.

41 High Speed Scanning Pomiar skaningowy - film 7:21min

42 Głowica VAST i VAST XT firmy Zeiss PARAMETRY 6 way, nacisk pomiarowy od 0,05 do 1N Rozdzielczość 0,05µm Prędkość pomiarowa: -pojedynczych punktów >2s/punkt, -skaning >200punktów/s Zakres skaningu: >±0,3mm głowica VAST 1 >±1,0mm głowica VAST 2 Max wychylenie: ±5mm VAST, ±2 VAST XT Dop.dł.trzpienia: 450mm VAST, 500mm VAST XT

43 Głowica VAST firmy Zeiss

44 Actives Scanning 5:27min

45 Głowica indukcyjna firmy Leitz

46 Głowice mierzące z przetwornikiem optoelektronicznym Oparte są na wzorcach inkrementalnych Stosowane są w przypadku, gdy występuje potrzeba uzyskiwania większych zakresów pomiarowych. Przykłady: głowica wg patentu DE , firmy Zeiss głowica TL3M1 firmy DEA (dokładność: 3.5 μm oś z, 15 μm oś x i y) głowica MPP-2 firmy Mitutoyo (rozdzielczość 0,5 μm, zakres pomiarowy 4mm)

47 Głowice mierzące z przetwornikiem optoelektronicznym Schemat głowicy SP25M firmy Renishaw

48 Głowice mierzące z przetwornikiem optoelektronicznym Głowica SP25M firmy Renishaw Korpus głowicy Moduł kinematyczny Zakres pomiarowy: ±0,5mm Rozdzielczość: 0,1µm Nacisk pomiarowy: 0,2 do 0,6N/mm Zakres ruchu jałowego: X,Y ±2mm, +Z 1,7mm, -Z 1,2mm Moduł skanujący

49 Głowice mierzące z przetwornikiem optoelektronicznym Głowica SP25M firmy Renishaw

50 Głowice mierzące z przetwornikiem optoelektronicznym Głowica SP80 firmy Renishaw Zakres pomiarowy: ±2,5mm w każdej osi Rozdzielczość: 0,02µm Nacisk pomiarowy: ok.1,8n

51 Głowice mierzące z przetwornikiem optoelektronicznym Schemat głowicy SP80 firmy Renishaw Elektryczne połączenia Czytnik optyczny Wiązka światła Wzorce refleksyjne Zespół ruchomy połączony z trzpieniem

52 Głowice mierzące Głowica Revo Renscan 5 firmy Renishaw Prędkość przemieszczania 500mm/s Prędkość skanowania 6000p/s

53 Głowice mierzące Głowica Revo Renscan 5 firmy Renishaw Łożyska aerostatyczne w obu osiach wysoka sztywność i małe tarcie 0,08 arc-sek obrotowy enkoder synchronizacja z Przyspieszeniomierz wykrywający ruch głowicy i przyspieszenie, zapewnia dynamiczną kompensację geometrii i skręcenia tulei łożyskowej Ultralekkiej konstrukcji końcówka odczytująca ze zintegrowanym laserem i odbiornikiem

54 Głowice mierzące Głowica Revo Renscan 5 firmy Renishaw Film

55 Głowice (sondy) bezstykowe

56 Zasada triangulacji Bezstykowa, laserowa głowica triangulacyjna 1 fotolinijka 2 ukł. optyczny 3 przedmiot mierzony 4 pomiarowa wiązka światła 5 dioda laserowa

57 Cechy pomiaru laserowymi głowicami triangulacyjnymi Zalety i wady pomiaru laserowymi głowicami triangulacyjnymi: Zalety:» brak odkształceń mierzonego elementu (brak nacisku pomiarowego)» duża szybkość pomiarów (przy skanowaniu)» stosunkowo duży zakres pomiarowy Wady:» zależność dokładności pomiaru od własności rozpraszających powierzchni mierzonego elementu» mniejsza, w stosunku do głowic stykowych, dokładność

58 Głowice triangulacyjne Głowica OP2, produkcji firmy Renishaw Głowica TP60, produkcji firmy Zeiss

59 Głowice triangulacyjne Głowica laserowa OTP6M firmy Renishaw Laser półprzewodnikowy 5mW =0,68 µm Średnica plamki ok. 50µm Powtarzalność (2s) 2µm Niedokładność lokalizacji punktu ±25 µm w zakresie pomiarowym ±4mm Prędkość pomiaru 0,5-50mm/s

60 Ważniejsze parametry laserowych głowic triangulacyjnych Parametry techniczne Jedn ostka OP2 Renishaw OTP6M Renishaw OP5M Renishaw LTP 60 Zeiss Laser: - dł. fali nm max. moc wyj. mw wiązki pom. µm odl. pracy Y mm zakres pomiarowy Z mm rozdzielczość µm (0.1) - powtarzalność µm 2 ± niedokładność pom. µm 10 ± częstotliwość pom. Hz

61 Głowice triangulacyjne Głowica AutoScan firmy C.Zeiss Skanowanie powierzchni, krawędzi i linii konturowych z prędkością ok.400p/s na szerokości 10mm

62 Głowice triangulacyjne Głowica EAGLEEYE Navigator firmy C.Zeiss Laser generuje linię świetlną uzyskanie wartości punktów na sek.

63 Głowice z kamerą CCD Głowica ViSCAN firmy C.Zeiss Pomiary w zakresie 2D: małe wymiary, np. obwody drukowane, elementy z miękkich materiałów Matryca CCD 1/3, Rozdzielczość: 769(pozioma)x575(pionowa) Rozmiar piksli 6,0x6,0µm Aktywna powierzchnia 4,8x3,6mm Powiększenia od 0,14, 0,3, 0,5 do 8x

64 Głowice z kamerą CCD Głowica QVP firmy Mitutoyo Kamera CCD ½ Kołowe oświetlenie Powiększenia obiektywów 1x, 3x (standard), 5x i 10x Pole obserwacyjne: 9,6x12,8mm, 3,2x4,3mm 1,9x2,2mm, 1x1,3mm Powtarzalność (3s) ±1µm Pomiary otworów, szczelin, rowki, zarysy, kontury, krawędzie, itp.

65 Głowice z kamerą CCD Głowica OPTAS firmy C.Zeiss 1 kamera CCD 2 detektor laserowy 3 dioda laserowa 4 głowica przełączająca 5 czterosegmentowy oświetlacz 6 obiektyw 7 oświetlenie światłowodowe

66 Bezstykowa optoelektroniczna głowica z kamerą CCD Głowica OPTAS, produkcji firmy Zeiss

67 Konfiguracje głowic i trzpieni pomiarowych Rodzaje: 1. Zestaw trzpieni pomiarowych, np. układ typu gwiazda, 2. Magazynki ramowe i karuzelowe, 3. Głowice obrotowo-uchylne (tzw. przegubowe)

68 Konfiguracje głowic i trzpieni pomiarowych Kalibracja na kuli wzorcowej

69 Konfiguracje głowic i trzpieni pomiarowych Konfiguracja trzpieni pomiarowych typu gwiazda, np. pięć trzpieni pomiarowych. Dotarcie do przedmiotu z różnych stron.

70 Konfiguracje głowic i trzpieni pomiarowych Konfiguracje trzpieni do głowic firmy C.Zeiss

71 Głowice obrotowo-uchylne Głowica obrotowo-uchylna umożliwia: przestrzenne ustawienie sondy pomiarowej zgodnie z kierunkiem pomiaru, zapewnia dotarcie do powierzchni wewnątrz elementu.

72 Głowice obrotowo-uchylne Głowica PH9, produkcji firmy Renishaw w osi A w osi B rozdzielczość 7,5

73 Głowice obrotowo-uchylne Głowica RDS, firmy Zeiss rozdzielczość kątowa: 2.5 ponad 20 tys. pozycji przestrzennych powtarzalność 1 zakresy przemieszczeń: 180.

74 Magazynki Rodzaje magazynków:» magazynki ramowe» magazynki karuzelowe

75 Dziękuję za uwagę Część III obejmuje oprogramowania