R Z E C Z P O S P O L IT A (12) OPIS PATENTOWY (19) P L (11) 157934 P O L S K A (13) B1 (21)Numer zgłoszenia: 273564 (51) In t.c l.5: G01B 5/20 U r z ą d P a te n t o w y (22) D ata zgłoszenia: 04.07.1988 R z e c z y p o s p o lit e j P o lsk ie j Sposób i stanowisko do pomiaru dużych przedmiotów przestrzennie złożonych, zwłaszcza ram wózków kolejowych (43)Z głoszen ie ogłoszon o: 08.01.1990 B U P 01/90 (73)U p raw n iony z p a ten tu : Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki, Kraków, PL P K P Kolejowe Zakłady Maszyn i Sprzętu Drogowego "Racibórz, Racibórz, PL (45) O u d zielen iu p a te n tu ogłoszono: 31.07.1992 W U P 07/92 (72)T w ó rcy w ynalazku: Zbigniew Oramus, Kraków, PL Stanisław Dżuła, Kraków, PL Zbigniew Cichocki, Kraków, PL Tadeusz Kosek, Kraków, PL Lesław Sroka, Kraków, PL Jerzy Tatarczyński, Kraków, PL Michał Rudzki, Kuźnia Raciborska, PL Andrzej Przewoźnik, Racibórz, PL Jerzy Madecki, Racibórz, PL PL 157934 B1 1. Sposób pomiaru dużych przedmiotów przestrzen- (57) nic złożonych, zwłaszcza ram wózków kolejowych, polegający na ustawieniu przedmiotu w przestrzeni pomiarowej stanowiska, pomiarze współrzędnych stanowiskowych poszczególnych punktów charakterystycznych przedmiotu przez doprowadzenie do styku z danym punktem ostrza głowicy pomiarowej o trzech stopniach swobody, zgodnych z układem osi współrzędnych stanowiskowych x, y, z, przy czym współrzędne stanowiskowe położenia głowicy pomiarowej ustalane są na podstawie sygnałów z przetworników obrotowo-impulsowych, przekazywanych do komputera zawierającego uprzednio wprowadzony numeryczny model przedmiotu, a komputer przeprowadza obliczenia rzeczywistych wymiarów i odchyłek, znamienny tym, że przy dowolnym ustawieniu przedmiotu w przestrzeni pomiarowej, najpierw dokonuje się pomiaru współrzędnych stanowiskowych x, y, z co najmniej trzech punktów o znanym usytuowaniu na mierzonym przedmiocie, na ich podstawie określa się w komputerze (14) metodą analityczną formułę transformacji układu współrzędnych stanowiskowych x, y, z na układ współrzędnych przedmiotowych xp, yp, zp, po czym przeprowadza się w dowolnej kolejności pomiary każdorazowo transformując je w komputerze (14) na współrzędne przedmiotowe xp, yp, zp, natomiast obliczenia rzeczywistych wymiarów i odchyłek przeprowadza się po zweryfikowaniu kompletności pomiarów wyznaczonych w numerycznym modelu przedmiotu.
SPOSÓB I STANOWISKO DO POMIARU DUŻYCH PRZEDMIOTÓW PRZESTRZENNIE ZŁOŻONYCH, ZWŁASZCZA RAM WÓZKÓW KOLEJOWYCH Z a s t r z e ż e n i a p a t e n t o w e 1. Sposób pomiaru dużych przedmiotów przestrzennie złożonych, zwłaszcza ram wózków kolejowych, polegający na ustawieniu przedmiotu w przestrzeni pomiarowej stanowiska, pomiarze współrzędnych stanowiskowych poszczególnych punktów charakterystycznych przedmiotu przez doprowadzenie do styku z danym punktem ostrza głowicy pomiarowej o trzech stopniach swobody, zgodnych z układem osi współrzędnych stanowiskowych x,y,z, przy czym współrzędne stanowiskowe położenia głowicy pomiarowej ustalane są na podstawie sygnałów z przetworników obrotowo-impulsowych, przekazywanych do komputera zawierającego uprzednio wprowadzony numeryczny model przedmiotu, a komputer przeprowadza obliczenie rzeczywistych wymiarów i odchyłek, z n a m i e n n y tym, że przy dowolnym ustawieniu przedmiotu w przestrzeni pomiarowej, najpierw dokonuje się pomiaru współrzędnych stanowiskowych x,y,z co najmniej trzech punktów o znanym usytuowaniu na mierzonym przedmiocie, na ich podstawie określa się w komputerze /14/ metodą analityczną formułę transformacji układu współrzędnych stanowiskowych x,y,z na układ współrzędnych przedmiotowych xp, yp, zp, po czym przeprowadza się w dowolnej kolejności pomiary każdorazowo transformując je w komputerze /14/ na współrzędne przedmiotowe xp, yp, zp, natomiast obliczenia rzeczywistych wymiarów i odchyłek przeprowadza się po zweryfikowaniu kompletności pomiarów wyznaczonych w numerycznym modelu przedmiotu. 2. Stanowisko do pomiaru dużych przedmiotów przestrzennie złożonych, zwłaszcza ram wózków kolejowych, posiadające trójosiowy zespół prowadnicowy, wyznaczający układ współrzędnych stanowiskowych x,y,z, dla przestrzennie przemieszczanej stykowej głowicy pomiarowej, wyposażone na każdej z prowadnic w obrotowo-impulsowe przetworniki, z których sygnały przekazywane są do elektronicznego układu kalkulatorowego z wyświetlaczem cyfrowym, z n a m i e n n e t y m, że zespół prowadnicowy stanowią połączone w układzie suwnicowym dwie estakady / 1/ równolegle obejmujące przestrzeń pomiarową, belka przejezdna /2/ oraz wózek pomiarowy /3/ z pionowo prowadzoną kolumną /4/, na której końcu zamocowana jest głowica pomiarowa /7/, przy czym elektroniczny układ kalkulatorowy / 33/ z wyświetlaczem cyfrowym /34/ i przyciskami operatorskimi /35/ zabudowane są na wózku pomiarowym /3 /, a ponadto stanowisko posiada komputer bazowy /14/ wyposażony w stację dysków /37/ oraz drukarkę /38/, połączony podwieszonym przewodem /9/ z układem kalkulatorowym /33/. 3. Stanowisko według zastrz.2, z n a m i e n n e t y m, że głowica pomiarowa /7/ posiada trzpień /24/ mocowany przegubowo /23, 26/ na końcu kolumny /4/ w położeniach wzajemnie prostopadłych i blokowanych zatrzaskami /25, 39/, przy czym na końcu trzpienia /24/ znajdują się stykowe ostrza /27/ ukierunkowane zgodnie z osiami współrzędnych stanowiskowych x,y,z. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób oraz stanowisko do przeprowadzania pomiarów geometrycznych dużych przedmiotów o przestrzennie złożonym kształcie, szczególnie ram wózków wagonowych i lokomotywowych. W procesach wytwórczych i naprawczych występuje konieczność dokonania pomiarów w celu weryfikacji geometrycznej przedmiotu, sprawdzenia zgodności z dokumentacją, określenia wielkości zużycia i odkształceń powstałych w wyniku eksploatacji.
157 934 3. Z polskiego opisu patentowego nr 146 700 znany jest sposób pomiaru przedmiotów profilowanych, zwłaszcza łopatek turbin lub sprężarek osiowych, łopat śmigła. Na podstawie rysunku konstrukcyjnego, który opisuje współrzędne x,y punktów powierzchni przedmiotu w jego kolejnych przekrojach, tworzy się przy wspomaganiu komputerowym wzorcowy model matematyczny przedmiotu, który uwzględnia jednocześnie geometrię układu pomiarowego, uchwytu przedmiotu, średnice kulek czujników pomiarowych. Na podstawie takiego modelu urządzenie wyjściowe komputera sporządza wykresy linii z polem dopuszczalnych odchyłek, według których powinien przesuwać się środek kulki pomiarowej czujnika, stykającej się w danym przekroju z profilem przedmiotu. Przedmiot ustalany jest w wychylnym uchwycie, w ściśle określonym usytuowaniu w przestrzeni pomiarowej. Przy pomocy czujników pomiarowych określa się rzeczywiste współrzędne x,y, punktów powierzchni przedmiotu. Sygnały współrzędnych wprowadzane są do komputera, który przekazuje je na wykres, co pozwala ocenić dokładność wykonania w porównaniu z wzorcem i dopuszczalnymi odchyłkami. Konieczność zamocowania przedmiotu w uchwycie, którym przedmiot wychylany jest przy pomiarze skokowo o wartość kąta jednostkowego, uniemożliwia zastosowanie tego sposobu dla dużych przedmiotów przestrzennie złożonych. Istotnym problemem dla przedmiotów o znacznych wymiarach i dużej masie jest ustalenie baz pomiarowych układu osi współrzędnych x,y,z, związanych z mierzonym przedmiotem. Stanowisko pomiarowe przedstawione polskim opisem zgłoszenia wynalazku nr P.256150, przeznaczone do pomiarów ostoi wózka wagonu kolejowego, wyposażone jest w zespół dwóch poziomych, wzajemnie prostopadłych prowadnic dla przyrządów strunowych służących do przestrzennego ustalenia podłużnej i poprzecznej osi wózka. Wózek ustawiony jest na stanowisku w specjalnych stojakach centrujących oraz na podnośnikach służących do poziomowania. Rozwiązanie przyrządów strunowych umożliwia pionowe przemieszczanie strun. Osie wyznaczone strunami i prowadnice stanowię bazę pomiarową względem których przy użyciu uniwersalnych narzędzi mierniczych, na przykład wysokościomierzy ustala się współrzędne x,y,z, punktów charakterystycznych przedmiotu. Przy weryfikacji naprawczej, określone na tej podstawie wymiary porównywane są z wymaganymi kartą pomiarową. Znane są również rozwiązania miernicze w których ustalanie współrzędnych punktów polega na doprowadzeniu do styku z tym punktem ostrze głowicy pomiarowej, przestrzennie prowadzonej na trójosiowym zespole prowadniczym, wyznaczającym układ osi współrzędnych x,y,z, stanowiska. W jednym z takich rozwiązań, przedstawionym polskim opisem patentowym nr 117 666, trójosiowy zespół prowadnicowy stanowią dwa wzajemnie prostopadłe, sprzężone krzyżakiem jarzma przesuwne oraz kolumna prowadzona prostopadle do płaszczyzny krzyżaka a wyznaczająca trzecią oś współrzędnych. Głowica pomiarowa zamocowana jest do jarzma dolnego a kolumna do jarzma górnego. Współrzędne ostrza głowicy pomiarowej ustalane są w oparciu o sygnały trzech przetworników obrotowo-impulsowych zamocowanych na poszczególnych prowadnicach zespołu. Współrzędne mierzonych punktów przedmiotu określane są w stosunku do początkowego położenie zerowego głowicy pomiarowej. Z tego powodu rozwiązania takie stosowane są zwłaszcza dla robotów przemysłowych. Uzyskane współrzędne stanowiskowe x,y,z, są przydatne dla określenia wymiarów przedmiotu wyłącznie w warunkach ustawiania go w ściśle określonym położeniu na płaszczyźnie bazowej, gdy układ osi współrzędnych przedmiotowych xp,yp, zp, pokrywa się, względnie jest przynajmniej równoległym do układu osi stanowiskowych x,y,z. Celem wynalazku jest opracowanie sposobu pomiaru oraz konstrukcji stanowiska zapewniających maksymalne uproszczenie i zautomatyzowanie czynności mierniczych przy dużych i przestrzennie złożonych przedmiotach, skrócenie czasu oraz zwiększenie dokładności pomiaru. Sposób według wynalazku wykorzystuje stykową metodę ustalania współrzędnych poszczególnych punktów przedmiotu przy pomocy głowicy pomierowej o trzech stopniach swobody, zgodnych z układem osi współrzędnych stanowiskowych x,y,z. Współrzędne stanowiskowe położenia głowicy pomiarowej ustalane są na podstawie sygnałów z przetworników obrotowo-impulsowych, przekazywanych do komputera zawierającego uprzednio wprowadzony numeryczny model przedmiotu. Istota sposobu polega na tym, że przy dowolnym ustawieniu przedmiotu w przestrzeni pomiarowej, najpierw dokonuje się pomiaru współrzędnych stanowiskowych x,y,z co najmniej trzech
4 157 934 punktów o znanym usytuowaniu na mierzonym przedmiocie. Na ich podstawie określa się w komputerze metodą analityczną formułę transformacji układu współrzędnych stanowiskowych x,y,z, na układ współrzędnych przedmiotowych xp, yp, zp. Obliczenia rzeczywistych wymiarów i odchyłek przeprowadza się po zweryfikowaniu kompletności pomiarów wyznaczonych w numeracznym modelu przedmiotu. Stanowisko według wynalazku, umożliwiające przeprowadzenie pomiaru przedstawionym sposobem, ma trójosiowy zespół prowadnicowy stykowej głowicy pomiarowej, w którym na każdej z prowadnic zabudowane są obrotowo-impulsowe przetworniki, a ich sygnały przekazywane są do elektronicznego układu kalkulatorowego z wyświetlaczem cyfrowym. Istota rozwiązania polega na tym, że zespół prowadnicowy stanowią połączone w układzie suwnicowym dwie estakady równolegle obejmujące przestrzeń pomiarową, belka przejezdna oraz wózek pomiarowy z pionowo prowadzoną kolumną, na której końcu zamocowana jest głowica pomiarowa. Elektroniczny układ kalkulatorowy z wyświetlaczem cyfrowym i przyciskami operatorskimi zabudowane są na wózku pomiarowym. Stanowisko posiada ponadto komputer bazowy, wyposażony w stację dysków i drukarkę, połączony podwieszonym przewodem z układem kalkulatorowym wózka pomiarowego. Korzystne rozwiązanie głowicy pomiarowej posiada trzpień mocowany przegubowo na końcu kolumny w położeniach wzajemnie prostopadłych i blokowanych zatrzaskami. Na końcu trzpienia znajdują się stykowe ostrza, ukierunkowane zgodnie z osiami współrzędnych stanowiskowych. Przedstawione rozwiązania umożliwia przeprowadzenie pomiaru przy dowolnym ustawieniu przedmiotu w przestrzeni pomiarowej, co jest istotnym ułatwieniem z uwagi na duży ciężar i znaczne wymiary przedmiotu. Dzięki współpracy z komputerem czynności pracownika przeprowadzającego pomiar sprowadzają się wyłącznie do naprowadzenia ostrza głowicy pomiarowej do styku z wybranym punktem przedmiotu i przez uruchomienie przycisku do przekazania sygnałów współrzędnych stanowiskowych z układu kalkulatorowego do komputera. W warunkach pomiaru znanego geometrycznie przedmiotu, gdy do komputera wprowadzony jest numeryczny program przedmiotu zawierający zbiór punktów we współrzędnych przedmiotowych, kolejność pomiaru może być dowolna. Komputer weryfikuje nie tylko ustalone programem wymiary i odchyłki przedmiotu, lecz także kompletność wykonania. Opracowanie wyników odbywa się automatycznie z bezpośrednim udokumentowaniem z drukarki. Rozwiązanie głowicy pomiarowej zapewnia wielokierunkowy dostęp ostrza. Pełne zrozumienie wynalazku umożliwi poznanie przykładowego wykonania stanowiska pomiarowego oraz opis sposobu przeprowadzenia pomiaru na tym stanowisku. Stanowisko zobrazowane jest na rysunku, którego fig. 1 przedstawia widok aksjonometryczny, fig.2 głowicę pomiarową, fig.3 schemat zespołu obrotowo - impulsowego przetwornika położenia, fig.4 fragment napędu przetwornika zabudowanego na kolumnie, a fig.5 schemat blokowy elektronicznego układu przetwarzania danych. Przestrzeń pomiarowa stanowiska wyznaczona jest układem suwnicowym złożonym z dwóch estakad 1 oraz ustalonej na nich tocznie belki przejezdnej 2. Wymaganą dokładność ustawienia płaszczyzny poziomej określonej przez zamocowane na estakadach 1 szyny 10, uzyskana jest ustawieniem zespołu klinowej regulacji poziomowania i mocowania 16 estakad 1 na ławach fundamentowych oraz zespołu uchwytów regulacji 1 poziomowania 17 szyn 10 na estakadach 1. Belka przejezdna 2, o skrzynkowej konstrukcji, posiada zamocowaną od spodu listwę przejezdną 15, stanowiącą prowadnicę dla wózka pomiarowego 3. Na końcu belki przejezdnej 2 znajdują się gniazda 18, którymi osadzona jest ona w wózku podporowym 5 i w wózku prowadzącym 6. Wózek prowadzący 6 ma dwa toczne zespoły pionowo-poziome 19, mocowane na końcach ramy wózka i obejmujące z trzech stron główkę szyny 10, od góry i z boków. Wózek podporowy 5 wyposażony jest w jeden toczny zespół pionowy 20, oparty o górną powierzchnię szyny 10. Ne wózku prowadzącym 6 zainstalowany jest przetwornik obrotowo-impulsowy 11, kinematycznie sprzężony rolką 28 z szyną 10. Wózek pomiarowy 3 wyposażony jest w trzy toczne zespoły jezdne 21, obejmujące listwę przejezdną 15. Położenie wózka pomiarowego 3 na listwie jezdnej 15 określone jest przetwornikiem obrotowo-impulsowym 13, napędzanym rolką 28 przetaczającą się po listwie jezdnej 15. W korpusie wózka pomiarowego 3 znajduje się suwliwie ustalona w tulejowych prowadnicach 22 pionowa kolumna 4, zakończona głowicą pomiarową 7. Wzdłuż tworzącej kolumny 4 przymocowana jest listwa zębata 30, na bocznych powierzchniach współpracująca z prowadnikiem rolkowym, uniemożliwiającym obrót kolumny 4 względem osi pionowej. Listwa zębata 30 napędza
157 934 5 koło zębate 29, osadzone na wałku przetwornika obrotowo-impulsowego 12, przekształcające- go pionowe przesunięcia kolumny 4 na ciąg impulsów elektrycznych. Głowica pomiarowa 7 połączona jest z kolumnę 4 poprzez łącznik obrotowy 23 z zaciskiem 25. W łączniku obrotowym 23 osadzony jest trzpień 24, na którego końcu znajduje się pięć ostrzy stykowych 27, usytuowanych w kierunkach wzajemnie prostopadłych. Ł ącznik obrotowy 23 jest połączony z trzpieniem 24 przegubem 26 umożliwiającym ustawienie trzpienia 24 w blokowane zatrzaskiem 39 położenie pionowe lub poziome. Jednocześnie przy zwolnieniu zacisku 25 można dokonać ukierunkowania trzpienia 24 w płaszczyźnie poziomej, w czterech położeniach co 90 zgodnych z osiami x,y, współrzędnych stanowiskowych. Każdy z przetworników obrotowo impulsowych 12, 13, 14, połączony jest przez układ przekształcający 31 z elektronicznym układem pomiarowym. Elementy elektronicznego układu pomiarowego zabudowane są na wózku pomiarowym 3 oraz na stałym pulpicie usytuowanym obok estakad 1 stanowiska. Na wózku pomiarowym 3 znajduje się układ transformacji poziomu sygnału 32, z którego sygnały przekazywane są do układu kalkulatorowego 33, który stanowi mikrokomputer pomiarowy współpra- cujący z wyświetlaczem cyfrowym 34 i układem przycisków operatorskich 35. Sygnały z układu kalkulatorowego 33 przekazywane są przez układ transmisji szeregowej 36 i prowadzony pod belką przejezdną 2 i estakadą 1 przewód podwieszony 9, do komputera bazowego 14 na pulpicie. Komputer bazowy wyposażony jest w stację dysków 37 i drukarkę 38. Sposób przeprowadzenia pomiaru przedstawiony jest przykładowo na tle koniecznej w procesie naprawy głównej wagonu kolejowego kontroli wymiarów ramy wózka wagonu. Zachowanie wymiarów konstrukcyjnych ramy w granicach wymaganych tolerancji ma istotny wpływ na popraw- ną współpracę pojazdu z torem, tym samym na bezpieczeństwo ruchu pociągów. Mierzona rama ustawiana jest w przestrzeni pomiarowej między estakadami w sposób dowolny. Po wciśnięciu przycisku operatorskiego 35 "Start" przeprowadzony zostaje autotest układu pomiarowego, a następnie inicjacje wprowadzonych do elektronicznego układu pomiarowego numerycznych programów przedmiotu. Dla konkretnego typu ramy program taki stanowi określony na podstawie dokumentacji technicznej zbiór charakterystycznych punktów ramy, ujęty we współrzędnych przedmiotowych xp, yp, zp z odpowiednimi odchyłkami, co w sytuacji wagonu eksploatowanego, dotyczy dopuszczalnego trwałego odkształcenia ramy. Na wstępie operator stanowiska dokonać musi pomiaru trzech punktów ściśle określonych dla danego typu ramy, w celu zorientowania ramy w przestrzeni pomiarowej stanowiska. W tym celu pociągając za uchwyt wózka pomiarowego 3 naprowadza ostrze 27 głowicy 7 na dany punkt ramy i naciskając przycisk operatorski 35 "Pomiar" przesyła sygnał współrzędnych x,y,z, do komputera bazowego 14. W komputerze bazowym 14 dokonuje się matematyczne porównanie wprowadzonych do programu współrzędnych przedmiotowych xp, yp, zp, tych trzech punktów z wyznaczonymi przez pomiar ich współrzędnych stanowiskowych x,y,z. Na tej podstawie ustalona zostaje formuła transformacji układu współrzędnych stanowiskowych x,y,z, na układ współrzędnych przedmiotowych xp, yp, zp. Kolejność przeprowadzania pomiarów kolejnych, punktów ramy jest dowolna, każdorazowo po naciśnięciu dla danego punktu przycisku operatorskiego 35 Pomiar" w komputerze bazowym 14 następuje matematyczna transformacja współrzędnych i weryfikacja względem wymaganego programu wymiaru i odchyłek. Po zakończeniu pomiarów operator naciska przycisk "koniec", którego sygnał powoduje kontrolę przez komputer 14 kompletności pomiaru. W przypadku rozbieżności przekazuje do wyświetlacza cyfrowego 34 na wózku pomiarowym 3 kolejno numery brakujących punktów pomiarowych celem uzupełnienia lub powtórzenia pomiaru, Jeżeli zbiór pomiarów jest kompletny, komputer bazowy 14 przeprowadza obliczenia wymiarów, porównuje z wymiarami nominalnymi określając odchyłki a następnie dokumentuje wyniki pomiaru drukarką 38.
157 934
157 934 Fig. 2 Fig.4 Fig. 5
157 934 Fig. 1 Zakład Wydawnictw UP RP. N akład 90 egz. Cena 5000 zł.