Pomiary na maszynie pomiarowej

Pomiary na maszynie pomiarowej

Poprawny pomiar wymiarów geometrycznych jest ważnym czynnikiem procesu produkcyjnego. Wykonywanie pomiarów z tym samym punktem odniesienia we wszystkich procesach realizowanych przez firmy umożliwia tworzenie produktów o gwarantowanej jakości, które są idealnie zgodne z projektem.

Pomiary maszyną współrzędnościową cechują się bardzo dużą dokładnością i obiektywnością. Jedną z zalet tej techniki pomiarowej jest możliwość pomiarów przedmiotów o skomplikowanych kształtach (np: łopatek turbin, kół zębatych) których nie można łatwo zmierzyć za pomocą podstawowych przyrządów warsztatowych: suwmiarek, czujników, mikroskopów, długościomierzy. Wykorzystując maszyny współrzędnościowe, można także mierzyć odchyłki kształtu i położenia.

Podstawowa zasada na której opiera się współrzędnościowa technika pomiarowa polega na tym że informacja o wymiarze i kształcie poszczególnych części mierzonego przedmiotu zbierana jest jako zbiór współrzędnych punktów pomiarowych. Punkty te są identyfikowane najczęściej przez styk kulistej końcówki trzpienia pomiarowego z powierzchnią mierzonego elementu. W oparciu o uzyskany zbiór współrzędnych punktów specjalne oprogramowanie wyznacza parametry elementów geometrycznych: linii, powierzchni itp. Następnie na tej podstawie obliczane są wymiary i odchyłki kształtu i położenia mierzonego detalu, sprawdzana jest też ich zgodność z wymaganiami konstrukcyjnymi określonymi w dokumentacji technicznej.

Współrzędnościowe maszyny pomiarowe

Współrzędnościowa maszyna pomiarowa (WMP) po angielsku nazywana: Coordinate Measuring Machine (CMM) to rodzaj zaawansowanej maszyny pomiarowej wykonującej pomiary przestrzenne skomplikowanych elementów. Wyposażona jest w przynajmniej trzy systemy pomiarowe mierzące położenie w trzech osiach współrzędnych XYZ specjalnej sondy do lokalizacji powierzchni elementu. Dzięki napędom i komputerowi ze specjalnym oprogramowaniem możliwe są pomiary w trybie automatycznym, maszyna może być oczywiście ręczne sterowana przez operatora.

Rodzaje maszyn współrzędnościowych

Poszczególne rozwiązania konstrukcyjne maszyny współrzędnościowej wynikają z wymaganych zakresów pomiarowych i dopuszczalnego obciążenia stołu (wymiary i masa mierzonego przedmiotu). Są one połączeniem wymaganej sztywności maszyny i jednocześnie łatwego dostępu do mierzonego przedmiotu.

Rozróżniamy następujące typy maszyn współrzędnościowych ze względu na ich budowę:

Maszyny współrzędnościowe o budowie zamkniętej cechują się dobrą sztywnością, dzięki dwustronnemu podparciu i co za tym idzie wysoką dokładnością pomiaru. Wadą jest ograniczona dostępność do przestrzeni pomiarowej i niższe prędkości pomiarowe.

Maszyna mostowa (suwnicowa) – budową przypomina konstrukcje suwnic, cechuje się dużą sztywnością i wynikającą z tego małą niepewnością pomiaru, przy dużych zakresach pomiarowych (nawet kilkadziesiąt metrów w najdłuższej osi). Są one używane do pomiarów dużych elementów np: w przemyśle samochodowym, lotniczym, stoczniowym, maszynowym gdzie wymagana jest duża dokładność. Wadą tych maszyn jest ograniczony dostęp do przestrzeni pomiarowej, przez słupy podtrzymujące konstrukcję .

Maszyna portalowa – ma dobrą sztywność, co przekłada się na znaczne zakresy pomiarowe, zachowując jednocześnie niską niepewność pomiaru. Wadą ich jest ograniczony dostęp do przestrzeni roboczej przez belki portalu. W tej grupie maszyn spotyka się dwie zasadnicze odmiany: z ruchomym stołem i z ruchomym portalem. Maszyny o budowie portalowej nadają się do pomiaru detali o bardzo zróżnicowanych kształtach i wymiarach. Są stosowane do pomiarów części o wąskich tolerancjach wykonania. To najdokładniejsza stosowana dziś konstrukcja dlatego oprócz zakładów stosuje się je w laboratoriach wzorcujących i badawczych jako maszyny referencyjne.

Maszyny współrzędnościowe o budowie otwartej zapewniają dostęp do mierzonego detalu z przynajmniej dwóch stron, mają mniejszą sztywność i mniejsze zakresy pomiarowe.

Maszyna wspornikowa – głowica znajduje się na poziomym wysięgniku mocowanym na ruchomym pionowym słupie. Charakteryzuje się stosunkowo małymi zakresami pomiarowymi, zakres roboczy ramienia nie przekracza 800 mm w osi X. Maszyny te mogą pracować w parach, co umożliwia równoczesny pomiar części symetrycznych, skracając czas pomiaru. Maszyny te mogą wykonywać szybkie ruchy przesuwu.

Maszyna kolumnowa – głowica zamontowana pionowo do nieruchomej kolumny. Wyposażona w stół przesuwny lub obrotowy. Stół obrotowy znajduje zastosowanie w pomiarach krzywek i korpusów w układzie walcowym. Konstrukcja rzadziej produkowana i stosowana, na rzecz maszyn portalowych.

Maszyna współrzędnościowa – budowa

Podstawowymi elementami budowy maszyny współrzędnościowej są:

• konstrukcja nośna (korpus maszyny) z elementami ruchomymi oraz układy napędowe
• stół pomiarowy
• układy pomiarowe (wzorzec+przetwornik)
• system lokalizacji punktów pomiarowych (głowica pomiarowa i konfiguracje trzpieni pomiarowych sondy)
• układ sterowania
• komputer, urządzenia peryferyjne i oprogramowanie pomiarowe.

 

Korpus maszyny pomiarowej

Dla maszyn mających niewielki zakres pomiarowy jest wykonany najczęściej z żeliwa, w większych modelach maszyny pomiarowej budowany jako konstrukcja stalowa spawana lub ceramiczna zbrojona elementami ze stopów lekkich i włókien węglowych aby zachować odpowiednią sztywność.

Ruchome elementy maszyny poruszają się w prowadnicach. Jedną z często stosowanych opcji są prowadnice granitowe, dzięki swej sztywności i stabilności cieplnej. Odchyłki prostoliniowości, płaskości i prostopadłości, prowadnic powodują błędy pomiaru, które w niektórych rozwiązaniach mogą być d kompensowane. Wraz z nimi stosowane są łożyska aerostatyczne, które cechują się dużą dokładnością, nie występuje w nich tarcie i nie ulegają zużyciu. Zaletą łożysk aerostatycznych jest łatwość konserwacji, dzięki własnościom samoczyszczenia. Stosowanie tych łożysk jest najbardziej rozpowszechnione w budowie maszyn pomiarowych. Działanie łożysk tocznych jest podatne na zabrudzenia i korozję więc są rzadziej stosowane w produkcji maszyn, mimo swej dokładności.

Stół pomiarowy współrzędnościowej maszyny pomiarowej

To miejsce na którym umieszczany jest mierzony element. Wykonywany jest z granitu, stali lub żeliwa. W jego części bazowej znajdują się specjalne rowki lub gwintowane nieprzelotowe otwory dzięki którym mierzony przedmiot mocowany jest na stole. Stoły granitowe stosuje się często ze względu na ich zalety. Granit jest łatwo obrabialny, umożliwia wykonanie stołów o sporych rozmiarach, nie ulega korozji, przy uderzeniach nie powstają wypływki materiału. Ma też inne pożądane cechy: mniejszą gęstość, małe odkształcenia temperaturowe, jest materiałem niemagnetycznym i nie przewodzi elektryczności. Materiał ten jest tańszy niż metal, lecz jego wadą jest pęcznienie pod działaniem wody.

Do pomiarów przedmiotów lekkich stosuje się stoły obrotowe. Stół obrotowy traktowany jest jako jedna z dodatkowych osi maszyny. Ułatwia on pomiary elementów obrotowych, wykorzystywany jest również do pomiarów korpusów. Zastosowanie stołu obrotowego zwiększa efektywny zakres pomiarowy maszyny, możemy też zastosować prostsze konfiguracje trzpieni pomiarowych.

Układ przetworników maszyny pomiarowej

Do każdej z trzech osi pomiarowych maszyny przyporządkowany jest układ pomiarowy, składający się ze wzorca i przetwornika. W budowie maszyn pomiarowych w zależności od konstrukcji stosuje się układy pomiarowe rejestrujące długości (odległości liniowe), możliwe jest też użycie przetworników działających w oparciu o zmierzone wartości kąta.

Głowica pomiarowa maszyny współrzędnościowej

Jest jednym z najważniejszych elementów współrzędnościowej maszyny pomiarowej. Najbardziej powszechne jest zastosowanie głowic stykowych impulsowych. W momencie dotknięcia końcówką elementu i po nieznacznym wychyleniu trzpienia końcówki w głowicy generowany jest impuls sterujący, który pozwala na odczytanie aktualnych współrzędnych z układów pomiarowych maszyny. Pomiar odbywa się dynamicznie w czasie rzeczywistym.

Do wykonania pomiaru złożonych i skomplikowanych części gdzie wymagana byłaby duża liczba trzpieni ustawionych pod różnymi kątami łączy się głowicę z przegubem obrotowo – uchylnym zapewniającym łatwy dostęp do każdego fragmentu mierzonego elementu.

Współrzędnościową maszynę pomiarową można wyposażyć również w nowocześniejsze głowice mierzące (skaningowe) i głowice laserowe (bezstykowe).

Głowica skaningowa nie tylko umożliwia wykrycie styku końcówki pomiarowej z powierzchnią mierzoną ale również pozwala zmierzyć wartości współrzędnych położenia sondy dzięki przetwornikom pomiarowym występującym w każdej z jej osi. Jest ona w zasadzie mikromaszyną współrzędnościową mierzącą położenie końcówki. Podczas pomiaru informacje o położeniu końcówki z przetworników zamontowanych w głowicy są dodawane do wartości współrzędnych położenia samej głowicy zarejestrowanych przez sterownik współrzędnościowej maszyny pomiarowej. Zastosowanie głowicy skaningowej umożliwia nie tylko zbieranie informacji w wybranych kluczowych punktach detalu (punkt po punkcie) jak w głowicach impulsowych, ale również na zastosowanie techniki pomiarowej w trybie skanowania. W tym trybie maszyna pomiarowa tak steruje końcówką i prowadzi sondę że nie traci ona kontaktu z powierzchnią mierzonego przedmiotu. Pozwala to na skrócenie czasu pomiaru i przejęcie większej liczby punktów pomiarowych. Głowice skaningowe dzielą się w zależności od technologii zadawania nacisku pomiarowego na pasywne oraz aktywne. W głowicach pasywnych wykorzystuje się zespoły sprężyn płasko-równoległych, a w głowicach aktywnych zaawansowane elektryczne generatory siły nacisku.

Użycie głowic laserowych umożliwia bezstykowy pomiar elementów, co jest istotne dla miękkich materiałów, podatnych na odkształcenia (pianki, guma, tworzywa itp). Pomiar za pomocą sondy dotykowej w ich przypadku może generować duże błędy i małą dokładność odtworzenia kształtu. Głowice laserowe działają w oparciu o rzutowanie wiązki lasera na mierzony przedmiot. Kamera CCD umieszczona pod określonym kątem rejestruje triangulację wiązki. Pomiary głowicą laserową są najszybsze, cały mierzony element możemy zeskanować w kilku przejazdach maszyny pomiarowej, za jej pomocą można zebrać też informacje o największej liczbie punktów. Głowice laserowe różnią się ilością zastosowanych wiązek lasera, jego barwą itp. Ich dokładność jest przeważnie mniejsza niż skaningowych ale do zastosowań w produkcji zwykle jest wystarczająca.

Głowice są układami wymiennymi, więc w praktyce pomiarowej stosuje się różne odmiany techniki pomiarowej, obejmujące najróżniejsze konfiguracje głowic. Głowice mogą mieć modułową konstrukcję umożliwiającą automatyczną wymianę trzpieni bez konieczności każdorazowej kalibracji.

Układ sterowania współrzędnościowej maszyny pomiarowej

Układ sterowania przekazuje informacje i polecenia między różnymi zespołami z których zbudowana jest maszyna, jak napędy, układy pomiarowe, głowica pomiarowa itp.

Ze względu na cechy stosowanego układu sterowania rozróżnia się współrzędnościową maszynę pomiarową:

• ręczną,
• z napędem silnikowym,
• ze sterowaniem CNC,
• włączoną (zintegrowaną) w systemy CAD, CAM

W maszynach ręcznych i z napędem silnikowym układ sterowania obsługuje jedynie proces pomiarów współrzędnych punktów pomiarowych, dojazdy i przesuwy sterowane są przez operatora. W pozostałych przypadkach układ sterowania jest również odpowiedzialny za sterowanie przemieszczeniami zespołów maszyny. Do zadań układu sterowania należy również obsługa zabezpieczeń antykolizyjnych czy kompensacji temperaturowej elementów konstrukcji. Użycie nowoczesnych sterowników i algorytmów korekcji pozwala na znaczne zwiększenie dokładności pomiaru przez numeryczną kompensację różnego typu błędów systematycznych. Przykładem może być numeryczna kompensacja błędów dynamicznych przetworników pomiarowych.

Komputer i oprogramowanie pomiarowe

W skład systemu pomiarowego wchodzi także komputer (mikrokomputer) wspomagający realizację czynności zapewniających dokładny pomiar, na przykład :

• wzorcowanie i konfigurację trzpieni pomiarowych;
• definiowanie układu współrzędnych związanego z mierzonym przedmiotem;
• tworzenie przebiegów CNC

Oprogramowanie pomiarowe jest oferowane jako wyposażenie dodatkowe i umożliwia np.: wyznaczanie poszczególnych elementów geometrycznych przedmiotu tworzących jego kształt (powierzchnie płaskie, walcowe, linie, ewolwenty i inne składowe); wyznaczanie wzajemnych relacji między zidentyfikowanymi elementami przedmiotu; pomiary złożonych elementów maszyn ( jak koła zębate różnych typów, krzywki); opracowanie graficzne wyników pomiarów, tworzenie modeli graficznych i parametrycznych mierzonych części; opracowania statystyczne, określanie tolerancji i błędów jakimi obarczone są pomiary, tworzenie baz danych i plików. Oprogramowanie pomiarowe realizuje dziś wiele funkcji, ich dokładne omówienie przekracza ramy tego artykułu.

Współrzędnościowa maszyna pomiarowa – technika i metody pomiarów

Najważniejsze cechy pomiarów jakimi charakteryzuje się współrzędnościowa technika pomiarowa polegają na interpretacji postaci geometrycznej mierzonego przedmiotu na podstawie opisu zbioru współrzędnych (x,y,z) punktów środka kulistej końcówki pomiarowej stykającej się z mierzonym przedmiotem.

W procesie pomiarowym jaki realizuje współrzędnościowa maszyna pomiarowa możemy wyróżnić następujące etapy: pomiar, określenie zastępczych elementów geometrycznych, oraz opracowanie wyników.

Najpierw należy określić strategię pomiaru którą należy zastosować do danego zadania pomiarowego:

1. Określamy przebieg pomiaru (punkty w których będziemy mierzyć, ścieżki przesuwu, częstotliwość próbkowania itp zależnie od wykorzystywanej metody i głowicy) i metody opracowania wyników pomiarów.
2. Wybieramy sposób ustawienia i zamocowania przedmiotu na stole pomiarowym.
3. Wybieramy konfigurację trzpieni pomiarowych potrzebnych do odwzorowania kształtu detalu.

Przy pomiarach laboratoryjnych przedmiot powinien zostać umieszczony w laboratorium metrologicznym kilka godzin przed pomiarem, tak aby zaaklimatyzował się do temperatury panującej w pomieszczeniu Zapobiegnie to błędom pomiarowym powstającym wskutek rozszerzalności cieplnej. W przypadku pomiarów realizowanych w czasie produkcji często rezygnuje się z tego wymogu stosując elektroniczne i programowe metody kompensacji i dostosowując konstrukcje maszyn do warunków jakie mogą panować na hali produkcyjnej firmy (np umieszczając maszynę w odpowiedniej kabinie).

Przed rozpoczęciem pomiaru przeprowadza się wzorcowanie trzpieni pomiarowych dla głowic stykowych. Jest to procedura która ma na celu na celu wyznaczenie tzw. średnicy dynamicznej dla każdej z kulistych końcówek używanych trzpieni pomiarowych. Kalibracja wynika stąd, że zetknięcie końcówki pomiarowej odbywa się z pewną prędkością i od momentu styku z przedmiotem do odczytania współrzędnych następują pewne niepożądane przemieszczenia elementów ruchomych przyrządu. Podobnie wyznacza się wzajemne położenia pozostałych końcówek w stosunku do jednej, określanej jako główna (kwalifikacja trzpieni). Istnieją specjalne elementy wzorcowe o znanych wymiarach do wykonywania tej procedury.

W przypadku przedmiotów o złożonych kształtach konieczne jest ustalenie układu współrzędnych związanego z elementem mierzonym. Wyznacza się początek układu współrzędnych i kierunki osi. Oprogramowanie maszyn pomiarowych ułatwia ten proces i umożliwia definiowanie kilku różnych układów współrzędnych, także przemieszczonych lub obróconych w stosunku do wcześniej zdefiniowanych. W czasie pracy możliwe jest korzystanie na zmianę z poszczególnych układów.

Kolejną czynnością jest wybór jakie niezbędne elementy zastępcze (elementy geometryczne tworzące kształt przedmiotu jak płaszczyzna, kula, stożek itp) będą mierzone i w ilu punktach. Pomaga w tym oprogramowanie obsługujące maszynę współrzędnościową które wyznacza element zastępczy ze zmierzonych punktów stosując jedno z możliwych kryteriów najlepszego dopasowania punktów.

Opracowanie wyników pomiarów

Po przeprowadzeniu pomiaru otrzymujemy chmurę współrzędnych punktów które należy poddać obróbce i interpretacji. Na podstawie zarejestrowanych współrzędnych poszczególnych punktów komputer wyznacza figury geometryczne, z których składa się mierzony detal. Cechy tych figur to wymiary, a odległości poszczególnych punktów od wyznaczonych elementów odniesienia to odchyłki kształtu. Oprogramowanie w jakie wyposażona jest maszyna współrzędnościowa oblicza również wzajemne odległości figur geometrycznych składających się na mierzony element oraz związane z tym odchyłki położenia.

Zależnie od potrzeb wyniki pomiarów można prezentować w postaci zestawienia tabelarycznego (formularz) lub graficznego. Ponadto dane pomiarowe można poddać wieloaspektowej analizie komputerowej, przykładem może być porównane geometrii części otrzymanej na podstawie pomiaru z wzorcową postacią geometryczną elementu opracowanego przez konstruktora i sprawdzenie czy tolerancje wymiarowe mieszczą się w dopuszczalnych przedziałach.

Aby zapewnić wiarygodność pomiarów maszyna współrzędościowa powinna być okresowo kalibrowana. Najważniejszą częścią kalibracji jest wyznaczenie mapy korekcji. Określa się ją przez pomiar wzorca do tego przeznaczonego, bądź za pomocą interferometru.

Usługi pomiaru na maszynie pomiarowej

Poprawne zaplanowanie i wykonanie pomiarów wymaga specjalistycznej wiedzy i umiejętności. Koszty zakupu i utrzymania sprzętu pomiarowego, a także zapewnienie odpowiedniego środowiska pomiarowego mogą być wysokie. Nie wszystkie firmy mogą sobie na to pozwolić, często rozwiązaniem jest znalezienie zewnętrznej firmy świadczącej usługi pomiarowe wykonywane na maszynie pomiarowej.

W zakres usługi zwykle wchodzi:

• kompleksowy pomiar elementów o skomplikowanych kształtach
• pomiary odchyłek położenia i kształtu
• pomiary serii produktów z wykorzystaniem programów pomiarowych
• przygotowanie profesjonalnych raportów pomiarowych z uwzględnieniem wymagań klienta