Классификация и поверка координатно-измерительных машин

АННОТАЦИЯ

В этой статье рассмотрены и даны определение и классификация современных координатно-измерительных машин по их компоновке, конструктивному исполнению, физическому принципу действия оборудования, степени универсальности, поверка и калибровка, области применения в различных отраслях.

ABSTRACT

This article discusses and gives a definition and classification of modern coordinate measuring machines according to their layout, design, physical principle of equipment operation, degree of versatility, verification and calibration, and applications in various industries.

Ключевые слова: координатно-измерительная машина, параллельная структура, анализ, защита, результат, поверка, погрешность, измерительная головка, щуп.

Keywords: coordinate measuring machine, parallel structure, analysis, protection, result, verification, margin of error, measuring head, probe.

Координатно-измерительная машина (КИМ) это инструмент для измерения геометрических свойств объекта. Машина может управляться оператором или автоматизирована с помощью компьютера. Измерения производятся датчиком, прикрепленным к подвижной оси машины. Датчики различаются по принципу действия (электроконтактный, индукционный, оптический, емкостной, пьезометрический, гравитационный), выходной сигнал (аналоговый, дискретный), метод измерения (контактный, бесконтактный), тип измерения и многое другое.

Основой координатных измерений является обработка координат отдельных точек детали. Чтобы понять методы обработки координат, необходимо освоить методы аналитической геометрии в пространстве, некоторые разделы функционального анализа, численные методы и математическую статистику. Необходимые математические знания обычно неизвестны студентам и инженерам, которые обучались в технологических областях высшего образования. В этой главе представлены некоторые математические понятия, используемые при измерении координат при обработке координат определенных точек. В конце второй главы обзор и чтение литературы, основанной на материалах, рекомендуется читателям, которые хотят лучше ознакомиться с предметом. [3]

Мы пользуемся системой координат для описания перемещений измерительной машины. Система координат, придуманная знаменитым французским философом и математиком Рене Декартом в начале 1600-х годов, позволяет определить местоположение элементов деталей относительно других элементов.

В середине XX века разработаны полуавтоматические системы КИМ. В 1970-х годах в Англии построена автоматическая КИМ на основе ЭВМ.

Традиционный «мостовой» КИМ является трехосным с осями X, Y и Z. Оси ортогональны друг другу и образуют обычную трехмерную систему координат. Каждая ось имеет свой масштаб, который определяет местоположение этой оси. Устройство считывает данные с сенсорного датчика по указанию оператора или компьютера. Затем машина использует координаты X, Y, Z каждой из этих точек, чтобы определить размер и местоположение. Как правило, точность измерений координатной машины составляет порядка микрон или микрометров, что составляет одну миллионную часть метра.

Первый тип 3-координатных измерительных приборов составляет приблизительно три центральные оси, а именно: X-; Y-; Z осью они обычно оснащены зондом. Схематическое расположение является примером этого. При разработке 3-х координатных измерительных приборов это важный элемент датчика-возбудителя. В то время требования к метрологическому потенциалу для новых появляющихся координатных датчиков, необходимых для их работы и полной реализации, были четко определены. Эти инновационные датчики были изначально разработаны, изготовлены и испытаны в 1970-х годах. Генеральный директор Renishaw сэр Дэвид Р. МакМюррей отмечает: На самом деле устройства измерения координат обычно имеют ортогональные (90 °) оси, которые обычно конфигурируются в трехмерной системе координат. Каждая из этих линейных стрелок имеет соответствующую систему линейного масштабирования и определяет точное положение головки зонда.

Для работы с 3-мя координатными измерительными приборами квалифицированный инспектор использует полностью автоматизированную компьютерную программу числового управления, с ручным или внутренним управлением.

Шестиосевая Координатно-измерительная машина (гексапод) построена на основе параллельной кинематики. [1] В отличие от трехосной, в ней отсутствуют порталы и мосты. Конструктивно KИM представляет собой «параллельную структуру» в форме перевернутой усеченной пирамиды. В основании пирамиды находятся сферические соединения, которые служат ориентирами для измерительной системы. Шесть метров напрямую соединены с подвижной кареткой, на которой расположена измерительная головка с датчиком. [2]

КИМ, как правило, используется в производственном и сборочном процессе для проверки размеров деталей или проверки качества сборки в сравнении с требуемым дизайном. После сбора X, Y, Z положений множества точек детали, полученные массивы данных анализируются с помощью различных регрессионных алгоритмов. Эти данные о точках собираются с помощью зонда, который позиционируется оператором или автоматически с помощью прямого управления компьютером. КИМ может быть запрограммирована на конвейерный поточный анализ, что позволяет считать КИМ специализированной формой промышленного робота.

Система координат во многом похожа на карту рельефа местности, где по одному краю карты расположены буквы, а по-другому – цифры; высотные отметки, показываемые повсеместно, однозначно описывают каждую точку на карте. Это сочетание "буква/число/высотная отметка" называется координатой, оно показывает определенное положение элемента относительно других.

Координатно-измерительная машина включают в себя три основных модуля:

• основная структура. В трехосевых КИМ гранитный стол для обеспечения платформы для трех осей движения; в шестиосевых КИМ две независимые друг от друга рамы (силовая и измерительная).
• система зондирования;
• система сбора данных и управления, как правило, состоит из контроллера, компьютера и прикладного программного обеспечения.

Координатно-измерительная машина часто используются для [1]:

• измерения габаритов и размеров деталей;
• измерения профиля деталей;
• измерения углов или ориентации;
• построения карт рельефа;
• оцифровки изображений;
• измерения сдвигов.

Особенности

• Противоаварийная защита
• Возможность программирования и автоматизированного контроля действий машины
• Обратное проектирование, реверс-инжиниринг
• Возможность использования в цеху предприятий
• SPC программное обеспечение и режим температурной компенсации.
• Возможность импорта CAD-моделей
• Соответствие стандартам DMIS

Координатно-измерительные машины производятся в широком диапазоне размеров и конструкций с различными технологиями зондов. Ими можно управлять вручную или автоматически через прямое управлением компьютер. Они предлагаются в различных конфигурациях, таких как настольный, карманный и портативный. [3]

Координатно-измерительная машина работает почти точно так же, как ваш палец, когда вы двигаете им по координатным линиям карты; три оси машины образуют ее систему координат. Вместо пальца КИМ использует датчик для измерения точек на детали. Каждая точка на детали уникальна с точки зрения системы координат машины. КИМ объединяет измеренные точки, формируя элемент детали, который может быть соотнесен с другими ее элементами:

Система координат машины

В мире измерений используют два типа систем координат. Первый тип называется машинная система координат. В ней оси X, Y и Z соответствую перемещениям машины. Если смотреть на машину спереди, ось X будет направлена слева направо, ось Y – спереди назад и ось Z направлена вверх и вниз, перпендикулярно другим двум.

Рисунок 1. Общие вид Координатно-измерительные машины

Наиболее распространенным является вертикальный тип конфигурации трех координатно-измерительных приборов. Трехкоординатные измерительные приборы часто конфигурируются и конструируются с помощью двуногой таблицы (т.е. столбцов) [9].

Здесь эти 3 координатных измерительных устройства также расположены со всеми кинематическими тестовыми действиями, выполняемыми трехосным движением моста.

В некоторых других вертикальных конфигурациях крепления моста, мост может свободно перемещаться по гранитному столу, при этом одна из ножек обычно называется внутренней частью ступни.

Напротив, противоположная нога, обычно называемая внешней ногой, просто сидит на гранитном столе, следуя вертикальному контуру поверхности.

Для кинематического линейного движения переносного моста обычным является использование воздушных подшипников, что обеспечивает свободное движение без трения.

Скоординированные измерительные приборы оснащены плоской и управляемой подушкой безопасности с подушками безопасности и сжатым воздухом через несколько небольших отверстий на поверхности подшипника, что обеспечивает свободное движение без трения. Это означает, что действие моста или купола на гранитном столе обычно является одной осью плоскости X-Y. Аналогично, на мосту / портале будет ось, которая пересекает длину между внутренним и внешним плечами, образуя горизонтальную ось X или Y. Третья ось перемещения, а именно ось Z, обычно обеспечивается добавлением вертикальной оси, которая может перемещаться вверх и вниз по центру устройства (мосту). Сенсорный контроллер превращается в датчик, расположенный в конце этой вертикальной оси. Линейное кинематическое расположение движений оси X, Y и Z полностью охватывает измерительную оболочку, называемую координатными измерительными приборами. [9]

Система координат детали

Вторая система координат называется системой координат детали; в ней три оси привязаны к опорным точкам или элементам детали.

Перед вводом в компьютер для измерения координат детали физически выравнивают параллельно осям машины, чтобы координатные системы машины и детали стали параллельными друг другу. Это очень длительная и не очень точная процедура. Если деталь круглая или имеет сложный контур, а не квадратная или прямоугольная, задача измерения становится почти невозможной.

Используя современное программное обеспечение, КИМ измеряет положение контрольных точек детали (по чертежу детали), устанавливает систему координат и математически соотносит ее с системой координат машины.

Процесс сопоставления двух систем координат называется выравниванием. В случае карты улиц мы делаем это автоматически, поворачивая карту таким образом, чтобы она была параллельна улице (опорной линии), или по направлению компаса (например, на север). Проделав это, мы, таким образом, определяем свое положение в "мировой системе координат".

Рисунок 2. Процессы работы координатно-измерительных машин

Хотя современные производственные технологии дают возможность изготавливать детали очень точно, с малыми допусками, неточности по-прежнему остаются. Какими бы маленькими они ни были, тот факт, что существуют допуски означает, что есть ошибки.

Координатно-измерительная машина ничем не отличаются в этом отношении от других изделий. Несмотря на то, что они созданы с предельно низкими допусками, в их конструкции присутствуют ошибки (крена, тангажа, рыскания, отклонения от прямолинейности и ошибки шкал), которые оказывают влияние на их точность. Поскольку производственные допуски становятся все более жесткими, необходимо, чтобы КИМ становились все более точными.

Большая часть погрешностей КИМ может быть скорректирована автоматически с помощью компьютера. После того как все геометрические ошибки КИМ измерены (это называется картой ошибок), их можно минимизировать или даже устранить с помощью мощных программных алгоритмов КИМ. Такая технология называется объемной компенсацией ошибок. [2]

Устраняя ошибки математическими методами, вы снижаете стоимость производства и даете вашим клиентам более высокую производительность за те же деньги.

КИМ обычно получают данные измерения путем касания детали щупом (твердым или электронным), прикрепленным к измерительным осям машины. Хотя наконечник щупа имеет достаточно малую погрешность, после того как щуп установлен на КИМ, необходимо, до того, как начать измерения, определить положение наконечника относительно системы координат машины. Поскольку щуп касается детали наконечником, имеющим округлую форму, центр и радиус щупа определяются путем измерения прецизионной сферы (калибровочной сферы).

После того как центр и радиус наконечника станут известны, щупом касаются детали, и координаты наконечника математически "смещаются" на величину радиуса щупа до истинного значения положения точки контакта (рисунок 4). Направление смещения автоматически определяется с помощью процедуры выравнивания.

Мы выполняем подобную процедуру, паркуя машину. Чем лучше мы оценим смещение от внешних габаритов машины, тем ближе мы сможем запарковать машину к тротуару.

Рисунок 4. Измерительные головки

В метрологии проекции позволяют измерять более точно, каким образом соединяемые детали будут сопрягаться друг с другом. При измерении автомобильных цилиндров (например, блоков двигателя) путем проецирования цилиндра на плоскость головки цилиндров, можно точно определить, как поршни будут сопрягаться с цилиндром и как они будут сопрягаться с камерой сгорания в головке цилиндров.

Минимальное количество точек, требуемое для измерения диаметра окружности, равно трем, но если эти точки находятся не на одинаковом расстоянии от края отверстия, измеренный диаметр будет диаметром эллипса. Чтобы избежать такое неверное представление, данные измерения проецируются на плоскость, перпендикулярную центральной оси цилиндра. Результатом будет точное определение размера этого элемента детали [1].

Рисунок 5. Проекция

Проверка 3-х координатно-измерительных машин

К проведению поверки допускаются лица, изучившие эксплуатационные документы на КИМ, имеющие достаточные знания и опыт.

Перед проведением поверки следует изучить эксплуатационную документацию на поверяемую КИМ и приборы, применяемые при поверке.

К поверке допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности при работе на электроустановках.

Перед проведением поверки средства поверки и поверяемую КИМ подготавливают к работе в соответствии с их эксплуатационными документами.

Условия проведения поверки

При проведении поверки должны соблюдаться следующие нормальные условия измерений:

Перед проведением поверки должны быть выполнены следующие подготовительные работы:

- проверить наличие действующих свидетельств о поверке на средства поверки;

- концевые меры длины и сферу выдержать до начала измерений в помещении, где находится КИМ в течение 3 часов.

Проведение поверки

При внешнем осмотре устанавливают соответствие КИМ следующим требованиям:

- наружные поверхности КИМ не должны иметь дефектов, влияющих на ее эксплуатационные характеристики;

- на рабочих поверхностях КИМ не должно быть царапин, забоин и других дефектов, влияющих на плавность перемещений подвижных узлов КИМ;

- наконечники щупов не должны иметь сколов, царапин и других дефектов;

- маркировка и комплектность должны соответствовать требованиям эксплуатационной документации.

Сначала проверяют взаимодействие частей на холостом ходу перемещением подвижных узлов на полные диапазоны. Перемещения должны быть плавными, без рывков и скачков. Далее проводят однократное измерение типовой детали с использованием всех функциональных узлов и программного обеспечения КИМ. Затем то же самое выполняют в автоматическом режиме.

Определение метрологических характеристик

Определение абсолютной погрешности измерительной головки МРЕр (с контактным датчиком)

Установить сферу на плите рабочего стола КИМ с помощью стойки. Проводится 3 цикла измерений в автоматическом режиме. В каждом цикле производятся измерения поверхности сферы в 25 равномерно расположенных на полусфере точках.

Рекомендуемая модель измерений включает:

- одну точку на вершине испытуемой сферы;

- четыре точки (равномерно распределенных) на 22° ниже вершины:

- восемь точек (равномерно распределенных) на 45° ниже вершины и повернутых на 22,5е относительно предшествующей группы;

- четыре точки (равномерно распределенных) на 68е ниже вершины (рис 1) повернутых на 22,5° относительно предшествующей группы;

- восемь точек (равномерно расположенных) на 90е ниже вершины, т.е. на диаметре и повернутых относительно предыдущей группы на 22.5°.

Погрешность определяется как сумма максимальных отклонений измеренного профиля в положительную и отрицательную области от средней сферы, рассчитанной по методу наименьших квадратов:

где  - отклонение точки i от средней сферы в положительную область, мм;

 - отклонение точки i от средней сферы в отрицательную область, мм.

Концевые меры длины или устройство с концевыми мерами длины устанавливают в пространстве измерений КИМ вдоль линии измерений, используя теплоизолирующие перчатки. Обязательно осуществляется компенсация погрешностей, связанных с отклонениями параметров окружающей среды, отличающихся от нормальных. Измерения проводят в семи различных положениях (рис. 2), каждое измерение повторяется 3 раза. При этом должно быть измерено не менее четырех отрезков различной длины. Измерения должны проводиться в автоматическом режиме.

Рисунок 6. Стандартные положения, в которых производят измерения в пределах объема КИМ

Для диапазона измерений свыше 2000 мм рекомендуется проводить измерения вдоль осей в нескольких местах, равномерно расположенных по длине оси, а для пространственных диагоналей рекомендуется проводить измерения впереди и сзади, справа и слева рабочего объема КИМ.

При использовании контактного датчика провести определение ориентации КМД ощупыванием трех точек на ней, разнесенных как можно дальше друг от друга. Далее провести сбор точек с измерительных поверхностей КМД в автоматическом режиме. При использовании лазерного сканера Optiscan провести определение ориентации КМД сканированием нерабочих поверхностей. Далее провести сканирование измерительных поверхностей КМД в автоматическом режиме.

Результат измерений длины отрезка, воспроизводимого концевой мерой длины или устройством с концевыми мерами длины (L_jik), и действительное значение этого отрезка (L_дjik), сравнить друг' с другом и вычислить абсолютную погрешность измерений длины (пространственных измерений) МРЕе по формуле:

где:   j - номер КМД;

i - номер измерений;

k - номер положения.

Полученные результаты проверяются на основании установленных графиков.

Результаты поверки оформляются протоколом, составленным в виде сводной таблицы результатов поверки по каждому пункту раздела 6 настоящей методики поверки.

При положительных результатах поверки. КИМ признается годной к применению и на нее выдается свидетельство о поверке установленной формы. Знак поверки наносится на свидетельство о поверке в виде наклейки и (или) поверительного клейма.

При отрицательных результатах поверки, КИМ признается непригодной к применению и на нее выдается извещение о непригодности установленной формы с указанием основных причин.

Устраняя ранее ненадежные и неточные погрешности измерений, внедрение полностью компьютеризированных цифровых контроллеров каждые 3 координатных измерительных устройства в настоящее время используется во всем мире. Параллельная разработка различных типов зондов усиливается с помощью оптического зонда с использованием устройства на основе линз. Эти типы оптических зондов ведут себя подобно их эквивалентному механическому типу, но здесь они сфокусированы на материале (то есть особенности компонента), не касаясь материала. Полученное изображение поверхности прикрепляется к границе окна измерения до тех пор, пока контраст между оставшейся черной и белой зонами не станет достаточным. В результате разделительная кривая может быть рассчитана до определенной точки пространства, которая является желаемой точкой измерения.

Это означает, что эти согласованные измерительные приборы важны для развития промышленности и науки в Республике Узбекистан. Это отражается в надежности и надежности машиностроения, аэрокосмической промышленности и ряда других областей. Другим важным фактором является то, что это экономит время и значительно повышает эффективность производства. В настоящее время ГП УзНИМ работает над калибровкой Координатно-измерительных машин в машиностроительном и металлургическом секторах Республики Узбекистан.

Список литературы:
1. Бушуев В.В., Хольшев И.Г. Механизмы параллельной структуры в машиностроении // СТИН.— 2001.— № 1.—С. 3-8. — ISSN 0859-7566
2. Приложение к свидетельству №48202 об утверждении типа средств измерений
3. Зубарев Ю. М., Косаревский С. В., Ревин Н. Н. «Автоматизация координатных измерений. Учебное пособие».— СПб.: Изд-во ПИМаш, 2011. — 160 c. : ил.
4. Пекарш А.И., Феоктистов С.И., Колыхалов Д.Г., Шпорт В.И. Координатно-измерительные машины и комплексы // CALS-технологии. 2011. № 3. С. 36-48.
5. Бражкин Б.С., Исаев Н.И., Кудинов А.А., Миротворский В.С. Координатно-измерительные машины для контроля тел вращения. М., 2012. 207 с.
6. Гришанов В.Н., Ойнонен А.А. Современные лазерные измерительные системы в производственном цикле космической техники // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2012. № 1(32). С. 24–35.
7. Гречников Ф.В., Захаров О.В., Королев А.А. Направления повышения производительности и точности контроля сложных поверхностей на координатно-измерительных машинах // Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта. Москва: ИПУ РАН, 2016. С. 223-225.
8. Печенкин В.А., Болотов М.А., Рузанов Н.В., Янюкина М.В. Оптимизация измерений геометрии деталей со сложными поверхностями // Измерительная техника. 2015. № 3. С. 18-23.
9. Graham T. Smith Machine Tool Metrology Graham T. Smith An Industrial Handbook Springer International Publishing Switzerland 2016