POMIARY RĘCZNE I AUTOMATYCZNE NA MASZYNACH WSPÓŁRZĘDNOŚCIOWYCH

POMIARY RĘCZNE I AUTOMATYCZNE NA MASZYNACH WSPÓŁRZĘDNOŚCIOWYCH (na przykładzie ZEISS C400 i PowerINSPECT)

WSTĘP Współrzędnościowa technika pomiarowa charakteryzuje się odmienną od klasycznej metrologii strategią pomiarową Opiera się na przetwarzanych komputerowo informacjach pomiarowych w postaci dyskretnej i umoŝliwia wyznaczanie wymiarów przestrzennie ukształtowanych części maszyn, ze stosunkowo wysoką dokładnością Technika ta charakteryzuje się procedurami pomiarowymi opartymi na wartościach współrzędnych punktów pomiarowych Punkty lokalizowane podczas procesu pomiarowego są podstawą do wyznaczenia wszystkich geometrycznych figur, z których składa się element mierzony Pomiar (wyznaczenie) średnicy otworu odbywa się przez wyznaczenie, co najmniej trzech wartości punktów tego okręgu w miejscach dowolnie rozmieszczonych (zalecane jest równomierne ich rozłoŝenie na obwodzie mierzonego otworu) Aproksymacja okręgiem średnio kwadratowym umoŝliwia wyznaczenie średnicy lub promienia okręgu oraz współrzędnych jego środka Podejście takie znacznie skraca czas pomiaru, w stosunku do metod klasycznych (konieczne wówczas jest odpowiednie usytuowanie narzędzia pomiarowego względem elementu mierzonego) Rys1 Układy współrzędnych maszyny pomiarowej i mierzonego przedmiotu

We współrzędnościowej technice pomiarowej podstawą jest maszyna (Coordinate Measuring Machine - CMM), której zespoły ruchome mogą się przemieszczać w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach Rys2 Główne zespoły współrzędnościowej maszyny pomiarowej Kierunki te są oznaczone jako osie X m, Y m, Z m maszyny i przedstawiają przestrzenny układ współrzędnych Przemieszczenia wzdłuŝ wybranej osi są interpretowane za pomocą odpowiednich wzorców długości (np liniały) W odróŝnieniu od konwencjonalnych metod pomiaru, pomiar na maszynach współrzędnościowych moŝe się odbywać w dowolnym połoŝeniu detalu Korekta nierównoległości osi pomiarowej przyrządu z osią mierzonego wymiaru jest przeprowadzana komputerowo, przy czym relacje między kątami pochylenia osi są wyznaczone uprzednio w procesie pomiarowym Czyli pomiary detalu moŝna realizować w dowolnym wcześniej zdefiniowanym układzie współrzędnych

WSPÓŁRZĘDNOŚCIOWE MASZYNY POMIAROWE Współrzędnościowe maszyny pomiarowe składają się z następujących zespołów: 1 zespół nośny, 2 układ pomiarowy, 3 głowica pomiarowa (sondy), 4 komputer wraz z niezbędnym osprzętem, 5 układ napędowy i sterujący Zespół nośny zapewnia dzięki łoŝyskowaniu aerostatycznemu moŝliwość przemieszczania poszczególnych członów maszyny w osiach X, Y i Z Układy pomiarowe słuŝą do wyznaczania odległości pomiędzy punktami pomiarowymi (wyznaczonymi przez styk trzpienia pomiarowego z powierzchnią mierzonego detalu) W praktyce wyznaczane są wartości współrzędnych punktów pomiarowych (z uwzględnieniem promienia kulki pomiarowej) odczytywane z liniałów umieszczonych w poszczególnych osiach maszyny (X, Y, Z) Głowice pomiarowe nazywane inaczej sondami, słuŝą do lokalizacji punktów pomiarowych w przestrzeni roboczej maszyny, będących podstawą do wyznaczenia wybranej cechy opisującej mierzony elementu (np długość, kąt itp) W zaleŝności od metody lokalizacji punktów pomiarowych, głowice dzielą się na: stykowe, do których naleŝą: a) głowice przełączające, zwane równieŝ impulsowymi, b) głowice mierzące, bezstykowe, do których naleŝą: a) laserowe triangulacyjne, b) wykorzystujące kamerę CCD Komputer pomiarowy wraz z dedykowanym osprzętem na który w głównej mierze składa się dedykowane oprogramowanie do obsługi maszyny współrzędnościowej (np PowerINSPECT) Komputer słuŝy do przetwarzania wyników pomiaru oraz (jeśli maszyna pracuje w trybie automatycznym CNC) współdziała z sterownikiem maszyny przy realizacji przygotowanych programów (praca w trybie automatycznym) Układy napędowe i sterujące we współrzędnościowych maszynach pomiarowych stosowane są

róŝnorodne rozwiązania zespołów napędowych Opcjonalnie stosowane są stoły obrotowe i głowice zmotoryzowane zwiększające w znaczny sposób moŝliwości pomiarowe maszyny współrzędnościowej W przypadku współrzędnościowych maszyn pomiarowych stosowane są róŝne rozwiązania konstrukcyjne W zaleŝności od przestrzennego usytuowania zespołów nośnych maszyny i kierunku ich ruchów, moŝna wyróŝnić cztery podstawowe konstrukcje współrzędnościowych maszyn pomiarowych: maszyny portalowe (rys3a), charakteryzujące się zakresami pomiarowymi w przedziale od 700 do 2500mm (jedna oś prostopadła do portalu, najczęściej jest nią oś Y, moŝe mieć zakres kilku metrów) W praktyce występują maszyny z nieruchomym stołem i przesuwanym portalem lub rzadziej ze stałym portalem i przesuwanym stołem pomiarowym Pewną odmianę stanowią maszyny portalowe z portalem w kształcie litery L, maszyny mostowe (rys 3b), osiągające zakresy 1200 5000mm, w osi Y zakres pomiarowy moŝe osiągnąć nawet 16m, maszyny wspornikowe (rys 3c), charakteryzujące się stosunkowo małym zakresem pomiarowy, przewaŝnie zawierający się w przedziale od 300 do 700mm, maszyny wysięgnikowe (rys 3d), charakteryzują się zakresami pomiarowymi w przedziale od 800 do 2000mm, przy czym w osi X zakres pomiarowy moŝe dochodzić nawet do 6m Norma PN-EN ISO 10360-1 rozróŝnia kilka odmian maszyny wysięgnikowych: z ruchomą kolumną i poziomym ramieniem, z nieruchomym stołem i poziomym ramieniem oraz z ruchomym stołem i poziomym ramieniem

a) b) c) d) Rys 3 Rozwiązania konstrukcyjne typowych maszyny współrzędnościowych Współrzędnościowa maszyna pomiarowa ZEISS C400 Stanowisko pomiarowe stosowane do pomiarów w trakcie laboratorium stanowi kompletny system współrzędnościowej techniki pomiarowej W jego skład wchodzi: maszyna pomiarowa C400 firmy Carl Zeiss, zespół głowicy pomiarowej firmy Renischaw, sterownik UCC2 firmy Renishaw, urządzenie sterowania ręcznego (joystik) MCU1 firmy Renishaw, komputer PC z oprogramowaniem pomiarowym PowerINSPECT firmy Delcam

Współrzędnościowa maszyna pomiarowa C400 firmy Carl Zeiss (rys 4) jest konstrukcją portalową, (z bocznym napędem portalu) Charakteryzuje się ona zakresem pomiarowym w osiach: X 380 mm, Y 450 mm, Z 280 mm Rys 4 Widok współrzędnościowej maszyny pomiarowej ZEISS C400 Wymiary gabarytowe maszyny to: szerokość 840 mm, długość 890 mm, wysokość 1880 mm WyposaŜona ją w układy pomiarowe refleksyjne (wykorzystujące efekt Moire`a), o rozdzielczości sygnału 0,5 µm Dokładność maszyny (wyraŝona według specyfikacji VDI/VDE 2617) wynosi: jednowymiarowa U 1 =3,5 L/200[ m], (gdzie: L - długość w mm), trójwymiarowa U 3 =4,5 L/200[ m], (gdzie: L - długość w mm), Portal (1) oraz pinola (2) wykonane są z ceramiki, natomiast stół pomiarowy (3) i prowadnica osi Y (4) z granitu W stole pomiarowym znajdują się nagwintowane otwory M6 Układ nośny łoŝyskowany jest za pomocą siedmiu łoŝysk aerostatycznych w osi Y oraz dwóch łoŝysk aerostatycznych kasetowych dla osi X i Z, co przedstawiono na rysunku 5

Maszyna współrzędnościowa ZEISS C400 powinna pracować w następujących warunkach: wilgotność powietrza od 40 % do 60 %, temperatura otoczenia 20 C±2K, ciśnienie powietrza od 6 do 10 bar (powietrze dostarczane do układu łoŝyskującego powinno być uprzednio oczyszczone), zapotrzebowanie na spręŝone powietrze 25 l / min dla ciśnienia 5,5 bar, zasilanie energią elektryczną ze standardowej sieci 220 V / 50 Hz Rys 5 System łoŝyskowania maszyny (1,2-7 - łoŝyskowanie osi Y, 8 - łoŝyskowanie osi X, 9 - łoŝyskowanie osi Z) GŁOWICE POMIAROWE STOSOWANE NA WSPÓŁRZĘDNOŚCIOWYCH MASZYNACH POMIAROWYCH Głowice pomiarowe, zwane równieŝ sondami, słuŝą głównie do lokalizacji punktów pomiarowych w przestrzeni roboczej maszyny, które są podstawą wyznaczania wymiarów mierzonego elementu Lokalizacja punktów pomiarowych moŝe odbywać się przez styk końcówki trzpienia

pomiarowego głowicy z powierzchnią mierzonego przedmiotu, lub bezstykowo na drodze optycznej Wynika stąd podział głowic na: głowice stykowe które dzieli się na: a) sztywne, bez przetwornika pomiarowego, w których trzpień pomiarowy jest sztywno związany z korpusem głowicy, b) przełączające, z przetwornikiem Lokalizacja punktu głowicą sztywną odbywa się na drodze doprowadzenia, poprzez operatora, końcówki trzpienia do styku z powierzchnią mierzonego elementu Decyzję o zaistnieniu styku podejmuje operator, uruchamiając przycisk, który wysyła impuls powodujący sczytanie wartości współrzędnych x, y, z lokalizowanego punktu z układów pomiarowych poszczególnych osi maszyny W wyniku stosunkowo duŝego rozrzutu nacisku pomiarowego, wynikającego z manualnego charakteru doprowadzenia końcówki do styku, powstają ugięcia trzpienia i ugięcia na styku końcówkapowierzchnia przedmiotu, które powodują stosunkowo duŝe błędy lokalizacji styku dochodzące do kilku mikrometrów Dlatego głowice sztywne są uŝywane jako głowice uzupełniające inne rodzaje głowic, jak np przy bezpośrednim wyznaczaniu odległości osi otworów o małych średnicach końcówkami stoŝkowymi głowice przełanczające (impulsowe) lokalizują punkty pomiarowe, poprzez wygenerowanie sygnału elektrycznego przez przetwornik głowicy, w chwili styku końcówki pomiarowej z badaną powierzchnią Sygnał ten powoduje sczytanie, z układów pomiarowych maszyny, wartości współrzędnych x, y, z mierzonego punktu Najczęściej stosowane są głowice z przetwornikiem elektrostykowym ilustrowanym na rysunku 6 W korpusie 1 znajdują się trzy pryzmy 4, izolowane elektrycznie od korpusu, rozmieszczone na okręgu co 120 Trzpień pomiarowy 5 połączony jest z trzema ramionami 3, mającymi kuliste zakończenia Dzięki naciskowi, wywieranemu przez spręŝynę 2, ramiona te umiejscawiają się w pryzmach 4 i zamykają obwód elektryczny wg schematu pokazanego na rysunku 9b W chwili styku końcówki trzpienia 5 z mierzoną powierzchnią 6 następuje jego wychylenie i tym samym wychylenie jednego z ramion 3, powodujące rozwarcie styku W wyniku tego dochodzi do zerwania obwodu elektrycznego, szeregowo połączonych styków, a na wyjściu przetwornika pojawia się sygnał informujący

o zaistniałym styku końcówki kulistej trzpienia 5 z powierzchnią mierzonego przedmiotu 6, powodujący sczytanie wartości współrzędnych lokalizowanego punktu i zatrzymanie napędów maszyny Rys 6 Schemat głowicy przełączającej z przetwornikiem elektrostykowym Na rynku spotykane są róŝne rozwiązania konstrukcyjne przetworników elektrostykowych MoŜe istnieć połączenie elektrostyków, które zamiast tradycyjnej pryzmy, składa się z dwóch wałeczków ułoŝonych pod kątem w kształcie litery V, w których spoczywa wałeczek połączony z trzpieniem głowicy Głowice z przetwornikiem elektrostykowym obarczone są błędem, który wynika z trójramiennej konstrukcji jego przetwornika W zaleŝności od zmiany kierunku dojścia trzpienia sondy do styku (rys 7), co wiąŝe się z działaniem sił F R i F L, zmienia się przełoŝenie przetwornika (stosunek długości ramion stykowych r 1 i r 2 do długości L trzpienia pomiarowego), co daje trójgraniastą charakterystykę błędów sondy Poszukiwanie rozwiązania eliminującego ten błąd doprowadziło do budowy przetworników korzystających z dodatkowego przetwornika piezoelektrycznego Firma CZEISS zastosowała dodatkowo piezoelementy, zachowując równieŝ elektrostyki Schemat takiej głowicy ilustruje rysunek 7 Trzy sensory piezoelektryczne 4 rozmieszczone są co 120, między

dwiema częściami 2a i 2b zespołu ruchomego 2, zakończonego trzpieniem pomiarowym 3 Zespół ruchomy 2 jest ułoŝyskowany w korpusie 1 i za pośrednictwem trzech ramion 5, rozmieszczonych co 120, tworzy układ elektrostyków analogicznie jak w głowicy elektrostykowej Docisk wstępny zapewnia spręŝyna 6 W chwili styku końcówki trzpienia pomiarowego 3 z powierzchnią mierzonego przedmiotu następuje, pod wpływem nacisku pomiarowego wynoszącego 0,01N, odkształcenie piezoelementów W wyniku tego zostaje wygenerowany impuls, przez jeden z trzech piezoelementów 4, który powoduje sczytanie wartości współrzędnych lokalizowanego punktu i chwilowe ich zapamiętanie Rys 7 Schemat głowicy przełączającej z przetwornikiem piezoelektrycznym i elektrostykowym Dalsze przemieszczenie głowicy powoduje, przy nacisku pomiarowym rzędu kilku setnych niutona, pojawienie się drugiego sygnału z przetwornika elektrostykowego, tzw sygnału potwierdzającego, który powoduje uaktywnienie chwilowo zapamiętanych współrzędnych punktu x, y, z i zatrzymanie maszyny Wprowadzenie do głowicy elektrostykowej dodatkowego przetwornika piezoelektrycznego poprawiło dokładność głowicy tak, Ŝe powtarzalność sygnału dla głowic z długimi trzpieniami np 60mm, nie przekracza 0,5µm Dodatkowym atutem zastosowanie drugiego przetwornika jest zabezpieczenie głowicy przed skutkami ewentualnej kolizji, poniewaŝ przy jej zaistnieniu następuje przerwanie obwodu elektrycznego w innej kolejności niŝ podczas

pomiaru, powodując zatrzymanie maszyny Głowice przełączające z przetwornikiem elektrostykowym produkuje firma RENISHAW, - modele głowic: TP1(S), TP2-5W, TP2-6W, TP6, TP20, natomiast głowice z podwójnymi przetwornikami to: - RENISHAW: TP200, TP800, - CZEISS: ST, ST2, ST3, RST głowice mierzące (skaningowe) umoŝliwiają nie tylko wyznaczenie punktów styku, ale równieŝ wyznaczanie wartości współrzędnych, korzystając z przetwornika pomiarowego głowicy, którym najczęściej jest przetwornik indukcyjny W przeciwieństwie do pomiarów dynamicznych, za pomocą głowicy przełączającej, pomiar głowicą mierzącą następuje w warunkach statycznych z nastawialnym naciskiem i bez udziału sił nacisku Zasada działania takiej głowicy polega na tym, Ŝe styk końcówki pomiarowej z przedmiotem jest rejestrowany przez indukcyjne przetworniki pomiarowe Sygnał indukcyjnego systemu pomiarowego głowicy jest dodawany do wartości współrzędnych połoŝenia głowicy zarejestrowanych przez komputer maszyny i tak powstała suma jest dopiero wartością współrzędnych połoŝenia końcówki pomiarowej GEOMETRYCZNE ELEMENTY BAZOWE Powierzchnię kaŝdego mierzonego przedmiotu typu korpusowego o konfiguracji skrzynkowej moŝna opisać za pomocą podstawowych elementów geometrycznych NaleŜą do nich: punkt, prosta, płaszczyzna, okrąg, kula, walec, stoŝek Czasami dochodzą do tego figury dodatkowe takie, jak elipsa, pierścień, torus itp W związku z tym, poprzez matematyczne wyznaczenie parametrów figur oraz brył geometrycznych moŝna opisać połoŝenie w przestrzeni, wszystkich części mierzonego elementu Poszczególne elementy geometryczne definiowane są zazwyczaj w następujący sposób: punkt przez współrzędne x, y, z, prosta przez jeden z jej punktów i kosinusy kierunkowe wektora równoległego, płaszczyzna przez jeden z jej punktów i kosinusy kierunkowe wektora normalnego

(prostopadłego do płaszczyzny), okrąg (w płaszczyźnie układu współrzędnych) przez środek okręgu (punkt) i wartość promienia, walec przez oś (prosta) i wartość promienia, stoŝek przez oś, wierzchołek (punkt) i wartość kąta stoŝka, kula przez środek kuli (punkt) i wartość promienia lub średnicy Oczywiście oprócz ww metod definiowania połoŝenia elementów bazowych istnieje wiele innych sposobów, np punkt moŝna zdefiniować poprzez miejsce przecięcia się trzech wzajemnie prostopadłych płaszczyzn Tabela 1 Minimalna liczba punktów przy wyznaczaniu podstawowych elementów i figur geometrycznych Element Matematyczna Pomiarowa Element geometryczny minimalna liczba minimalna liczba geometryczny wyznaczony min punktów punktów liczbą punktów punkt 1 1 prosta 2 3 płaszczyzna 3 4 okrąg 3 4 kula 4 6 elipsa 5 6 walec 5 8 stoŝek 6 12

Do wyznaczenia kaŝdego z wymienionych wcześniej elementów przedmiotu wykorzystuje się, otrzymane bezpośrednio z pomiaru lub na drodze obliczeń, współrzędne punktów naleŝących do danego elementu KaŜdy z elementów geometrycznych ma dwie tzw Minimalne liczby punktów potrzebnych do jego zdefiniowania Są to: matematyczna minimalna liczba punktów wynika z liczby stopni swobody jaką ma element, pomiarowa minimalna liczba punktów jest tak dobrana, aby wpływ najmniejszej odchyłki kształtu na wynik był nieistotny Minimalne liczby punktów konieczne do zdefiniowania poszczególnych elementów zestawiono w tabeli powyŝej (tabela 1) Przy wyborze punktów pomiarowych muszą być spełnione warunki dodatkowe, np do wyznaczenia wymiaru kuli punkty nie mogą leŝeć w jednej płaszczyźnie, a do pomiaru otworu leŝeć blisko siebie itp RELACJE MIĘDZY ELEMENTAMI GEOMETRYCZNYMI Obliczenie podstawowych parametrów figur geometrycznych, wchodzących w skład mierzonego przedmiotu, jest w większości przypadków niewystarczające Przy sprawdzaniu wymiarów danego przedmiotu potrzebne są informacje o wzajemnych odległościach, grubościach ścian, kątach pochylenia osi i płaszczyzn, rzutach i przekrojach itp dlatego teŝ typowy program obliczeniowy, sprzęŝony z maszyną współrzędnościową, zawiera procedury obliczeniowe relacji między elementami geometrycznymi NaleŜą do nich min: odległość między punktami w przestrzeni (rys 8a), odległość między punktami w jednej z płaszczyzn układu (rys 8b), wyznaczona przez wymiar bezpośredni l lub współrzędnymi x i y, odległość d między punktem w przestrzeni a prostą lub płaszczyzną (rys 8c) jako prostopadłą do płaszczyzny, odległość d między prostymi w przestrzeni (rys 8d), kąt α między prostymi w jednej z płaszczyzn układu (rys 8e), kąt α między płaszczyznami w przestrzeni (rys 8f)

a) b) c) d) e) f) Rys 8 Przykłady relacji występujących pomiędzy elementami mierzonymi Programy do obsługi maszyn współrzędnościowych zawierają, oprócz wyŝej wymienionych opcji, równieŝ procedury wyznaczania typowych odchyłek kształtu, takich jak np prostoliniowość, okrągłość, płaskość, walcowości itp Ponadto program daje zazwyczaj moŝliwość wyznaczania typowych odchyłek połoŝenia i bicia, takich jak: równoległość, prostopadłość, tolerancja kąta,

współśrodkowość, współosiowość, symetria, bicie wzdłuŝne, bicie poprzeczne Na dokładność wyznaczenia odchyłek kształtu i połoŝenia bardzo istotny wpływ ma ilość punktów pomiarowych W tym przypadku minimalna ilość punktów wystarczająca do wyznaczenia głównych wymiarów figur geometrycznych jest niewystarczająca do prawidłowego określenia odchyłek kształtu i połoŝenia Prawidłowe określenie tych odchyłek w praktyce oznacza zebranie najczęściej kilkunastu, a nawet kilkudziesięciu punktów Często zachodzi sytuacja, w której dany wymiar podany na rysunku wykonawczym przedmiotu nie moŝe być zmierzony bezpośrednio Konieczne jest wtedy dokonanie pewnych przekształceń i konstrukcji, takich jak obliczenie elementów przecięcia, symetrii odbić lustrzanych względem osi i płaszczyzn, rzutowanie, dokonywanie przekrojów przedmiotu mierzonego Typowy program przystosowany do współpracy z maszyną współrzędnościową obejmuje przykładowo następujące konstrukcje: okrąg zawierający środki trzech, lub więcej, innych okręgów, linia prosta przechodząca przez środki dwóch, lub więcej, kul, punkt symetrii dwóch punktów usytuowanych dowolnie w przestrzeni (np środki kul) lub leŝących na jednej z płaszczyzn układu współrzędnych (np środki okręgów), płaszczyzna symetrii dwóch płaszczyzn, rzut punktu w przestrzeni na płaszczyznę lub prostą w przestrzeni, rzut prostej w przestrzeni (np oś walca lub stoŝka) na dowolną płaszczyznę, punkt przecięcia dwóch prostych leŝących na tej samej płaszczyźnie, punkt przecięcia prostej w przestrzeni z płaszczyzną lub kulą; krawędź przecięcia dwóch płaszczyzn, środek i średnica okręgu jako wynik przecięcia kuli i płaszczyzny lub dwóch kul

Przebieg realizacji ćwiczenia Zadanie 1 Definicja układu PLP Czynności niezbędne do wykonania: 1 Uruchomić PowerINSPECT-a 2 Zdefiniować uŝywany w trakcie pomiarów układ trzpieni pomiarowych /trzpień pomiarowy/ 3 Skalibrować zdefiniowany trzpień pomiarowy 4 Zbudować plan pomiarowy obejmujący swym zakresem pomiar elementów koniecznych do definicji układu współrzędnych metodą PLP 5 Zdefiniować układ współrzędnych PLP 6 Sprawdzić poprawność połoŝenia układu w stosunku do rysunku wykonawczego Zadanie nr 2 Kontrola dokładności wykonania wskazanego detalu, w oparciu o rysunek wykonawczy Czynności niezbędne do wykonania: 1 Dokonać analizy wytycznych do pomiaru (dokumentacji 2D / lub postaci geometrycznej mierzonego detalu) 2 Podjąć decyzję o sposobie realizacji pomiaru 3 Określić sposób zamocowania detalu na WMP 4 Określić konfigurację trzpieni pomiarowych (układów trzpieni) niezbędnych do realizacji pomiaru 5 Wykonać kalibrację trzpieni pomiarowych 6 Opracować strategię pomiaru definicja układu / plan pomiaru itp 7 Wykonać pomiar 8 Dokonać analizy otrzymanych wyników /Analiza protokołu pomiarowego/ 9 Opracować model bryłowy mierzonego detalu Literatura: 1 E Ratajczyk: Współrzędnościowa technika pomiarow Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005