BIULETYN WAT VOL. LVIII, NR 1, 2009 Badania powtarzalności złącza magnetycznego modułowych głowic stosowanych we współrzędnościowych maszynach pomiarowych ADAM WOŹNIAK, PRZEMYSŁAW OSAK Politechnika Warszawska, Wydział Mechatroniki, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, 02-525 Warszawa, ul. Św. A. Boboli 8 Streszczenie. W artykule zaproponowano procedurę badania powtarzalności pozycjonowania złącza magnetycznego modułowych głowic stosowanych we współrzędnościowych maszynach pomiarowych. Przedstawiono również wyniki badań eksperymentalnych kilku najbardziej popularnych głowic umożliwiających szybką wymianę trzpienia pomiarowego: Vast Gold (Zeiss), Vast XXT (Zeiss), TP20 (Renishaw). Słowa kluczowe: współrzędnościowe maszyny pomiarowe, zespół głowicy pomiarowej, złącze magnetyczne Symbole UKD: 621.317 Wstęp Współrzędnościowe maszyny pomiarowe to obecnie urządzenia, które umożliwiają pomiar nie tylko wymiarów liniowych, lecz także odchyłek kształtu i położenia często skomplikowanych części maszyn. Mimo znacznego już zaawansowania technika ta przeżywa ciągły rozwój, szczególnie w obszarze oprogramowania, procedur pomiarowych oraz oprzyrządowania. Świadczy o tym ciągle rosnąca liczba publikacji związanych z zagadnieniem [1-8]. Obserwuje się dwa trendy działań w tej dziedzinie: prace na rzecz zwiększenia dokładności pomiaru oraz na rzecz zwiększenia jego automatyzacji [1]. Automatyzacja pomiaru wiąże się oczywiście ze skróceniem czasu pomiaru przy zachowaniu liczby mierzonych cech, co jest szczególnie istotne dla zapewnienia kontroli wymiarowej w rytmie dostosowanym
316 A. Woźniak, P. Osak do produkcji. Nowoczesne maszyny współrzędnościowe pracujące w trybie CNC wyposażone są zwykle w magazynki automatycznej wymiany trzpieni pomiarowych lub modułów głowic pomiarowych. Dzięki temu maszyna współrzędnościowa może wykonać pomiar według wcześniej napisanego programu bez udziału operatora nawet wtedy, gdy w danym zadaniu pomiarowym wymagana jest wymiana trzpienia lub całej głowicy pomiarowej. To tego potrzebne są nie tylko odpowiednie magazynki automatycznej wymiany trzpieni i głowic pomiarowych, lecz także odpowiednia modułowa konstrukcja samej głowicy [1]. Zwykle stosuje się magnetyczne złącza zawierające elektromagnes lub magnes stały, które ustalają położenie końcówki w gnieździe głowicy pomiarowej lub między jej modułami. Jednak taki dodatkowy element zespołu głowicy może być istotnym źródłem błędów pomiarów na maszynie współrzędnościowej, szczególnie że producenci maszyn nie wymagają kalibracji zespołu głowicy pomiarowej po każdej wymianie trzpienia. Złącza magnetyczne w maszynach WMP Złącze magnetyczne to bardzo ważny, z punktu widzenia automatyzacji procesu pomiarowego, element głowicy pomiarowej. Zapewnia szybką i sprawną wymianę trzpienia pomiarowego, modułu głowicy lub całej głowicy pomiarowej. W dużym stopniu zmniejsza udział operatora w procesie pomiarowym i skraca czas wykonania kolejnych czynności pomiarowych wymagających wymiany końcówek. Dzięki temu operator może skoncentrować się głównie na ustaleniu planu pomiarowego i ewentualnej kontroli jego przebiegu, a nie na bezpośredniej obsłudze maszyny pomiarowej, polegającej na wymianie jej oprzyrządowania. Obecnie produkowane są głowice zbudowane w ten sposób, że końcówka pomiarowa wymieniana jest razem z modułem głowicy, jak w przypadku przedstawionej na rysunku 1a) głowicy impulsowej TP200 angielskiej firmy Renishaw. Jednak zdecydowanie najczęściej złącze magnetyczne znajduje się między głowicą a końcówką pomiarową. Składa się z gniazda w głowicy oraz talerzyka, w którym zamocowana jest końcówka pomiarowa, jak w przypadku przedstawionej na rysunku 1b) głowicy skaningowej Vast XXT niemieckiej firmy Zeiss. Do każdego rodzaju złącza magnetycznego przeznaczony jest specjalny magazynek umieszczany zwykle na stelażu na stole pomiarowym. W magazynku znajdują się gniazda współpracujące z danym modułem lub talerzykiem głowicy. Widok magazynka przeznaczonego do współpracy z głowicami skaningowymi Vast XXT przedstawiono na rysunku 1c). Prawidłowe osadzenie talerzyka w gnieździe lub połączenie modułów głowicy zapewnione jest przez magnes umieszczony w centralnym punkcie złącza. W mniejszych głowicach jest to magnes stały, w większych dominującym rozwiązaniem jest zastosowanie sterowanych programem pomiarowym elektromagnesów. Jednak
Badania powtarzalności złącza magnetycznego modułowych głowic... 317 Rys. 1. a) Przykład złącza magnetycznego modułowej głowicy impulsowej, TP200 firmy Renisław; b) przykład występowania złącza magnetycznego w skaningowej głowicy Vast XXT firmy Zeiss; c) magazynek do automatycznej wymiany modułów we wszystkich przypadkach budowa złącza opiera się na schemacie trzech gniazd rozłożonych równomiernie (co 120 stopni) na obwodzie dolnej części głowicy, w które wchodzą elementy ustalające, rozmieszczone na obwodzie talerzyka, podobnie jak w gnieździe również co 120 stopni. Zarówno gniazda, jak i elementy ustalające są wykonane w różny sposób, w zależności od sondy, w której są zastosowane. Przedstawione na rysunku 1 złącza głowic TP200 oraz Vast XXT zbudowane są na zasadzie kulek współpracujących odpowiednio z pryzmami lub gniazdami zbudowanymi z pary kulek. Natomiast w głowicy skaningowej Vast Gold firmy Zeiss elementami ustalającymi są wałeczki współpracujące z parami kulek tworzących gniazda, jak na rysunku 2a). Podobne rozwiązanie występuje np. w obrotowouchylnych głowicach RDS firmy Zeiss, jak to pokazano na rysunku 2b). Wymianę trzpieni, głowic lub ich modułów można przeprowadzić na dwa sposoby. Pierwszy to wymiana automatyczna, a drugi ręczna. Wymiana automatyczna daje możliwość szybkiej zmiany konfiguracji pomiarowej maszyny wg wcześniej ustalonego i zaprogramowanego planu pomiarowego bez ingerencji operatora w momencie samej wymiany. W takim przypadku mamy do czynienia z losową kolejnością osadzania się elementów ustalających w gniazdach złącza. Wynika to z tego, że w chwili, gdy głowica najeżdża nad magazynek z wymiennymi modułami, jeden z elementów ustalających jest bliżej talerzyka i zostanie wcześniej złapany niż inne. Podczas wymiany ręcznej zazwyczaj preferowany jest jeden z kierunków. Dzieje się tak ze względu na to, że w każdym wymiennym module występuje element kątowo orientujący moduł względem gniazda. Może to być kołek lub kulka w zależności od budowy złącza. Dlatego w przypadku wymiany
318 A. Woźniak, P. Osak Rys. 2 a) Złącze magnetyczne głowicy skaningowej Vast Gold; b) złącze magnetyczne obrotowouchylnej głowicy RDS ręcznej operator łączy złącze magnetyczne z tego samego kierunku związanego z elementem orientującym. Gniazda położone bliżej elementu ustalającego są zwykle łączone w pierwszej kolejności. Współczesne oprzyrządowanie współrzędnościowych maszyn pomiarowych w postaci różnorodnych głowic oraz ich przedłużaczy, przegubów obrotowo-uchylnych oraz końcówek pomiarowych i ich przedłużaczy, umożliwia tworzenie różnorakich konfiguracji dostosowanych do zadań pomiarowych. Rysunek 3 przedstawia tylko niektóre możliwe konfiguracje pomiarowe z użyciem złączy magnetycznych. Linią ciągłą zaznaczone są łączenia elementów na stałe, natomiast linią przerywaną połączone są elementy, pomiędzy którymi występuje złącze magnetyczne. Mając na uwadze to, jak powszechne stało się stosowanie złączy magnetycznych w różnych konfiguracjach pomiarowych, powstaje pytanie: jak duży jest udział błędu związanego z powtarzalnością złącza magnetycznego w całkowitej niedokładności pomiaru na maszynie współrzędnościowej? Jak dotąd problem dokładności pozycjonowania takiego złącza nie ma odzwierciedlenia w zaleceniach dotyczących badania dokładności maszyn współrzędnościowych, np. wg ISO 10360 [9]. W literaturze z zakresu techniki współrzędnościowej również próżno szukać tej tematyki. Producenci maszyn współrzędnościowych oraz głowic zwykle nie umieszczają w specyfikacjach swoich produktów informacji o powtarzalności złączy magnetycznych. Jednym z wyjątków jest firma Renishaw, która w specyfikacji obok powszechnie stosowanych parametrów oceny dokładności głowic pomiarowych podaje informacje o powtarzalności wymiany końcówki
Badania powtarzalności złącza magnetycznego modułowych głowic... 319 Rys. 3. Niektóre możliwe konfiguracje pomiarowe z użyciem złączy magnetycznych pomiarowej. Przy czym rozróżniono przypadek wymiany ręcznej i wymiany automatycznej przy pomocy specjalnego magazynka. Jednak w dobie automatyzacji produkcji oraz związanej z tym automatyzacji procesu kontroli wymiarowej oraz wzrastających wymagań co do jego dokładności, należy rozważyć, czy błędy wynikające z dokładności pozycjonowania złączy magnetycznych mają istotny wpływ na dokładność współrzędnościowej maszyny pomiarowej. Stanowisko badawcze Badania eksperymentalne zostały przeprowadzone na maszynie współrzędnościowej ACCURA firmy Zeiss z oprogramowaniem pomiarowym CALIPSO. Błąd graniczny dopuszczalny wskazania tej maszyny w pomiarze wymiaru, zgodnie z [9] wynosi MPE E = 1,7+L/333 μm dla głowic skaningowych oraz MPE E = 2,2+L/333 μm dla głowic impulsowych współpracujących z przegubem obrotowo-uchylnym RDS. L oznacza mierzoną długość podaną w metrach.
320 A. Woźniak, P. Osak Badane głowice Zbadano dokładność pozycjonowania złącz magnetycznych trzech popularnych głowic pomiarowych, tj.: Vast XXT, Vast Gold oraz TP20. Vast XXT jest głowicą skaningową pasywną firmy Zeiss, której dopuszczalny błąd graniczny zgodnie z [9] wynosi MPE Tij = 2,7 μm, a dopuszczalny błąd graniczny w przypadku pomiaru punktowego zgodnie z [9] wynosi MPE P = 1,7 μm. Złącze magnetyczne zbudowane jest z gniazda modułu głównego głowicy oraz talerzyka, w którym mocowane są końcówki pomiarowe. W talerzyku znajdują się trzy kulki o średnicy 2 mm rozstawione na obwodzie o średnicy 25 mm, co 120. Czwarta kulka służy do kątowego ustalania talerzyka względem gniazda. W centralnej części talerzyka i modułu głównego znajduje się magnes stały. Widok złącza głowicy Vast XXT został wcześniej przedstawiony na rysunku 1b. Vast Gold jest głowicą skaningową aktywną, również firmy Zeiss, dla której specyfikowane przez producenta błędy graniczne są podobnej wartości, jak w przypadku głowicy Vast XXT. Jej złącze magnetyczne zbudowane jest na bazie elektromagnesu i magnesu stałego. Magnes stały służy do wstępnego mocowania talerzyka w gnieździe, natomiast elektromagnes dociąga i ostatecznie ustala położenie wałeczków względem kulek. Oba magnesy są umieszczone centralnie w głowicy, aby zapewnić równomierną siłę docisku. W module głównym głowicy znajdują się kulki o średnicy 5 mm, a w talerzyku wałeczki o tej samej średnicy rozmieszczone na obwodzie o średnicy 62 mm. Elementem ustalającym kątowe położenie talerzyka względem modułu głównego jest kołek współpracujący z odpowiednim wpustem w talerzyku. Widok złącza głowicy Vast Gold został wcześniej przedstawiony na rysunku 2a. Zarówno w przypadku głowicy Vast Gold, jak również Vast XXT producent nie podaje osobnego parametru opisującego powtarzalność złącza magnetycznego. Głowica TP20 jest to głowica impulsowa z przetwornikiem elektrostykowym. Producent podaje, że jednokierunkowa powtarzalność głowicy jest w granicach od ±0,35 μm do ±0,8 μm, a niestabilność drogi przełączania od ±0,6 μm do ±2 μm w zależności od modułu pomiarowego. Głowica ma budowę modułową i składa się z modułu głównego i modułu trzpienia pomiarowego, w którym znajdują się przetworniki. Moduł główny sondy może być osadzany w głowicy stałej lub przykręcany do głowicy obrotowo-uchylnej, np. typu RDS (Zeiss) lub PH10 (Renishaw). Złącze magnetyczne zbudowane jest na magnesie stałym umieszczonym w centralnych częściach obu modułów głowicy. W module pomiarowym znajdują się trzy kulki o średnicy 2 mm rozmieszczone równomiernie na obwodzie o średnicy 9,5 mm. Gniazda stanowią pryzmy wytłoczone w korpusie głowicy. Specyfikowana powtarzalność wymiany modułu pomiarowego z końcówką wynosi: ±0,5 μm dla wymiany automatycznej oraz ±1 μm dla wymiany ręcznej. Producent informuje również, że po wymianie modułu z końcówką, która wcześniej była już kalibro-
Badania powtarzalności złącza magnetycznego modułowych głowic... 321 wana, nie jest potrzebna ponowna rekalibracja. Producent nie podaje, czy długość końcówki pomiarowej ma wpływ na wartość błędów pomiaru spowodowanych powtarzalnością złącza magnetycznego. Metoda badania Metoda badania powtarzalności złączy magnetycznych została tak opracowana, aby była możliwie spójna z obowiązującymi zaleceniami normy PN-EN ISO 10360-2:2002 [9]. Zatem analogicznie do badania parametru P wg [9] do badań użyto kuli badawczej o średnicy nominalnej 25 mm spełniającej wymagania [9], która została zmierzona w 25 punktach równomiernie rozmieszczonych na połowie kuli zgodnie z rozkładem: jeden punkt na biegunie kuli badawczej (określony przez kierunek wyznaczony przez oś trzpienia końcówki pomiarowej); cztery punkty (równo od siebie oddalone) 22,5 poniżej bieguna kuli; osiem punktów (równo od siebie oddalonych) 45 poniżej bieguna kuli i obróconych 22,5 w stosunku do poprzedniej grupy punktów; cztery punkty (równo od siebie oddalone) 67,5 poniżej bieguna kuli i obrócone 22,5 w stosunku do poprzedniej grupy punktów; osiem punktów (równo od siebie oddalonych) 90 poniżej bieguna kuli i obróconych 22,5 w stosunku do poprzedniej grupy punktów. Na podstawie punktów pomiarowych wyznaczano środek kuli Gaussa. Następnie dokonywano rozłączenia i ponownego połączenia złącza magnetycznego i ponownie przeprowadzano pomiar 25 punktów kuli badawczej z wyznaczeniem środka kuli skojarzonej. Przy założeniu, że kula badawcza nie zmieniała położenia podczas pomiaru, obserwowana zmiana położenia środka kuli Gaussa jest miarą błędów pozycjonowania złącza magnetycznego. Badania przeprowadzono dla ręcznego trybu wymiany modułów z końcówkami. Wykonano 10 powtórzeń wymiany dla każdego z trzech możliwych kierunków łączenia złącza. W sumie otrzymujemy 30 powtórzeń dla każdej badanej głowicy. Litery A, B, C na rysunku 4 oznaczają kierunki, z których był wkładany talerzyk. Każdy kierunek zdeterminowany jest przez dwa elementy ustalające, które są łączone w pierwszej kolejności tak, aby trzeci element był dociągnięty przez magnes w złączu. Ustawienie gniazd względem współrzędnych X, Y jest przypadkowe i może być różne dla każdej z głowic. Wyniki badania rozróżniono oznaczeniami dla różnych kierunków łączenia złącza, jak na rysunku 4. Wyniki badań eksperymentalnych Przykładowe wyniki badań eksperymentalnych głowic TP20, Vast XXT oraz Vast Gold przedstawiono odpowiednio na rysunkach 5, 6 i 7. Ponieważ błędy pozycjo-
322 A. Woźniak, P. Osak Rys. 4. Kierunki łączenia złącza magnetycznego podczas wymiany ręcznej nowania złącza magnetycznego nie występują w osi głowicy, wyniki przedstawiono w postaci punktów na płaszczyźnie XY. Punkty pomiarowe dla jednego kierunku łączenia oznaczone są tym samym symbolem: kółkiem dane z kierunku A, kwadratem z kierunku B, trójkątem z kierunku C. Wypełnionymi symbolami zaznaczone są środki grup wyników dla poszczególnych kierunków. Okrąg oznacza podawany przez producenta dwusigmowy przedział 2 s powtarzalności złącza względem środka oznaczonego krzyżykiem. Dla lepszego porównania wszystkie wykresy zamieszczono w tej samej skali. W przypadku głowicy TP20 obserwowany rozrzut punktów wynosi blisko ±0,5 μm w osi X i ±0,7 μm w osi Y. Rozrzut ten mieści się całkowicie w specyfikowanym przez producenta przedziale ±1 μm maksymalnych błędów niepowtarzalności wymiany modułu pomiarowego z końcówką dla wymiany ręcznej. Rys. 5. Wyniki badania powtarzalności złącza magnetycznego głowicy impulsowej TP20 z końcówką o długości 40 mm
Badania powtarzalności złącza magnetycznego modułowych głowic... 323 Rys. 6. Wyniki badania powtarzalności złącza magnetycznego głowicy skaningowej Vast XXT z końcówką o długości 60 mm Rys. 7. Wyniki badania powtarzalności złącza magnetycznego głowicy skaningowej Vast Gold z końcówką o długości 60 mm Głowica Vast XXT ma znacznie większy rozrzut wyników sięgający ±0,75 μm w osi X i ±1,2 μm w osi Y. Producent tej głowicy nie podaje osobnego parametru opisującego powtarzalność złącza magnetycznego, jednak w takim przypadku błędy z nim związane nie powinny przekraczać błędu granicznego dopuszczalnego, który wynosi MPE P = 1,7 μm. Wartość ta została przekroczona. Złącze magnetyczne głowicy Vast Gold okazało się bardzo powtarzalne. Rozrzut wyników nie przekracza ±0,4 μm w obydwu osiach. Producent również nie podaje
324 A. Woźniak, P. Osak dla tej głowicy osobnego parametru opisującego powtarzalność złącza magnetycznego. Jednak, jak pokazały badania, udział błędów związanych z wymianą końcowej za pomocą złącza magnetycznego jest znacznie mniejszy od błędu granicznego dopuszczalnego, który dla głowicy Vast Gold wynosi MPE P = 1,7 μm. Analizując wyniki badań przedstawione na rysunkach 5, 6 i 7, nie obserwujemy wyraźnego grupowania się punktów w zależności od kierunku łączenia. Potwierdziła to wielowymiarowa analiza wariancji Manova [10], która wykazała, że na poziomie ufności 95% możemy odrzucić hipotezę, że kierunek łączenia ma istotny wpływ na powtarzalność złącza magnetycznego głowic TP20 oraz Vast XXT. Jedynie w przypadku głowicy Vast Gold wpływ ten okazał się istotny. Oznacza to, że w większości przypadków ewentualne błędy wynikające z kierunku łączenia złącza magnetycznego nie są widoczne na tle rozrzutów spowodowanych innymi czynnikami, np.: błędami zespołów kinematycznych i przetworników samej głowicy. Adam Woźniak jest beneficjentem programu Powroty (Homing) Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Praca jest wspierana z subwencji MF EOG. Artykuł wpłynął do redakcji 23.04.2008 r. Zweryfikowaną wersję po recenzji otrzymano w maju 2008 r. LITERATURA [1] E. Ratajczyk, A. Woźniak, Nowe trendy w budowie głowic stykowych stosowanych w maszynach współrzędnościowych, Mechanik, 12, 2004, 797-804. [2] A. Woźniak, M. Dobosz, Factors influencing probing accuracy of Coordinate Measuring Machine, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 54, 6, 2005, 2540-2548. [3] A. Woźniak, M. Dobosz, Strategia sprawdzania stykowych sond impulsowych WMP, Krajowy Kongres Metrologii, Warszawa, VI 2001, referaty, tom 3, 79-84. [4] P. Miguel Cauchick et al., A review on methods for probe performance verification, Measurement, 23, 1998, 15-33. [5] E. Ratajczyk, Współrzędnościowa technika pomiarowa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1994. [6] A. Woźniak, M. Dobosz, CMM probe testing by means of a low force sensor, XVI World Congress IMEKO 2000, Sept. 25-28, 2000, Vienna, Austria, Proceedings, vol. 8, 341-344. [7] A. Woźniak, M. Dobosz, 3D model of the pre-travel of a CMM touch trigger probe-vertically oriented, International Scientific Conference Mechatronics 2000, Warsaw, Poland, Sept. 21-23, 2000, Proceedings, vol. 2, 427-430. [8] E. Ratajczyk, Współrzędnościowa technika pomiarowa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2005. [9] PN-EN ISO 10360: 2003, Specyfikacja geometrii wyrobów (GPS), Badania odbiorcze i okresowe współrzędnościowych maszyn pomiarowych (CMM). [10] M. Dobosz, Wspomagana komputerowo statystyczna analiza wyników badań, Akademicka Oficyna Wydawnicza, Warszawa, 2001.
Badania powtarzalności złącza magnetycznego modułowych głowic... 325 A. WOŹNIAK, P. OSAK Testing of repeatability of magnetic joints of module probes of coordinate measuring machines Abstract. In this paper, a method for testing the repeatability of magnetic joints of probes for coordinate measuring machines (CMM) will be proposed. The basic principle of the method as well as experimental results from testing the Vast GOLD, Vast XXT and TP20 probe will be presented. Keywords: coordinate measuring machine, probing system, magnetic joint Universal Decimal Classification: 621.317