5 Координатно-измерительные машины

Координатно-измерительные машины (КИМ) – самое крупное достижение 20ого века в технике линейных измерений. До появления КИМ самые сложные детали удавалось измерить лишь в нескольких сечениях. Технологи и метрологи никогда не знали всех размеров изготовленной детали, а лишь несколько размеров в выбранных точках и сечениях. Двигатели внутреннего сгорания изготавливали более ста лет в миллионах экземпляров и не ,было средств для  измерения полностью всех геометрических параметров блока цилиндров, коленчатого и распределительного вала и др. Обычно ограничивались 10-11 параметраметрами изготовленной детали. Для их измерения создавали сложные контрольные автоматы, которые не давали надежных результатов.

   Все изменилось с появлением КИМ и систем ЧПУ.  Современные КИМ позволяют измерить любые детали даже такие сложные и неопределенные, как турбинные лопатки. Причем КИМ могут определить не только неограниченное число размерных параметров, но и отклонения формы и положения, построить цифровую и графическую модель детали (чертеж) и многое другое.

Основными компонентами, обеспечивающими работу КИМ являются инкрементные линейные энкодеры, датчик касания и числовое программное обеспечение.  Нельзя исключить и другие важные компоненты КИМ – каменное основании, портал и пиноль, регулируемые электроприводы в том числе линейные, аэростатические направляющие и др.

 

Компоновка КИМ

Компоновка КИМ в значительной степени определяется требованиями к конструкции и параметрами основных узлов. В свою очередь компоновка зависит от габаритных размеров и массы и типа  измеряемых деталей; расположения измеряемых поверхностей; необходимого числа координатных перемещений, заданной точности и производительности процесса измерения; применяемых компонентов и узлов КИМ; условий эксплуатации и взаимодействия КИМ с другим технологическим оборудованием. Компоновка КИМ, предназначенной для решения определенных задач, должна оптимально удовлетворять следующим, отчасти противоречивым, требованиям:

– минимальное отклонение от принципа Аббе. Это очень важное , но практически не выполнимое требование. Несоблюдение принципа Аббе вносит дополнительную погрешность измерения;;

– обеспечение оптимальных динамических свойств; уменьшающих деформаций узлов КИМ, зависящих от их массы и скорости перемещений;

– наличие открытого из мерительного пространства, обеспечивающего удобство установки детали и хорошую ее обозримость в процессе измерения.

Не существует классификаии компоновок КИМ, но все компоновочные решения КИМ можно разделить на несколько групп:

– КИМ с неподвижной в процессе измерения деталью (столом). Компоновки с неподвижной деталью более универсальны;

– КИМ с подвижной деталью (столом);

В настоящее время многие фирмы выпускают КИМ самых разных конфигураций и назначения. На выпускаемых КИМ применяют унифицированные  узлы и компоненты.

Условно можно выделить  следующие   варианты исполнения КИМ:

– консольные малогабаритные КИМ

– портальные машины;

– машины для контроля тел вращения с вертикальным расположением детали с поворотным столом;

– машины стоечного типа – одно и двух стоечные;

– машины мостового типа;

– портативные мобильные машины типа «Рука». 

Портальные КИМ

  Хотя все портальные КИМ  (рис. 5.1) имеют идентичную конструкцию выпускают много вариантов машин разного дизайна. Все портальные машины состоят из примерно одинакового набора узлов и компонентов:

– аэростатические или шариковые направляющие;

– электропривод;

– инкрементные линейные оптоэлектронные преобразователи;

– датчик касания или лазерный сканер;

– поворотная головка для установки датчика касания;

– сменные щупы;

– датчики температуры

– демпферы;

– программное обеспечение;

– компьютер;

– компрессор и блок подготовки воздуха для питания аэростатических направляющих;

– калибровочные эталоны, например, сфера.   

Портальные КИМ (рис. 5.1) являются самыми распространенными и наиболее точными машинами.   Все машины состоят из примерно одинакового набора узлов и компонентов. Кроме перечисленного выше набора компонентов портальные машины имеют:

– основание;

– измерительную плита (стол);

– портал;

– пиноль. 

Портальная КИМ   Рис.  5.1    Портальная КИМ

   

Измерительная плита (стол)

В современных КИМ стол выполняется из цельного куска гранита обычно черного цвета или гранита и прокладки из  пористого алюминия. Чем больше диапазон измерения КИМ, тем толще и тяжелее плита. Плита из гранита  имеет небольшой коэффициент температурного расширения. Поверхность плиты тщательно доведена и имеет отклонение от плоскостности не более 2 мкм/м. В плиту (стол) ввернуты резьбовые втулки для крепления контролируемых деталей, эталонов и пр. Толстые плиты из  гранита и плиты из гранита и пористого алюминия хорошо демпфирует внешние колебания и вибрации. Чем толще и тяжелее плита, тем лучше  ее демпфирующие свойства.

Плита (стол) установлена на гранитное основание, иногда сделанное из минерального литья.  Такая конструкция достаточно массивна и хорошо демпфирует колебания и вибрации пола.

Портал

Портал выполняют из керамики,  прочного алюминиевого сплава или гранита. Это обеспечивает высокую жесткость портала. Портал  из алюминиевого сплава имеет небольшой вес, что обеспечивает хорошую динамику КИМ. Кроме того,  алюминий быстро принимает температуру окружающей среды, что снижает температурные погрешности.  Портал перемещается по измерительной плите на аэростатических замкнутых направляющих.

Пиноль

По верхней перекладине портала на аэростатических  направляющих перемещается колонна. Внутри колонны вертикально перемещается четырехгранная гранитная пиноль (координата Z), также установленная на аэростатических  замкнутых подшипниках. Вес пиноли уравновешен пневматическим демпфером.  На конце пиноли установлен датчик касания или  поворотная головка с датчиком касания.  Пиноль  из керамики или гранита имеет высокую жесткость низкий коэффициент линейного расширения и и хорошую температурную стабильность.

Большинство  фирм используют в конструкции  КИМ различные материалы, например, сталь для опор, керамику для моста и колонны по оси Z. Значительные отличия в физических свойствах этих материалов друг от друга (например, в коэффициенте теплового расширения), отрицательно влияют на точность измерений. Для компенсации этого приходится использовать дополнительные датчики, следящие за температурой различных узлов машины и изменением их размеров. Полученные от датчиков данные надо обработать и ввести поправку на измерения. Всё это приводит к усложнению конструкции и системы управления, увеличивает стоимость измерительной машины, и приводит к ужесточению и без того строгих требований к помещению.

Некоторые фирмы изготавливают узлы КИМ из углепластика.

По сравнению, например, с алюминием углепластик имеет в 14 раз больше предел прочности при растяжении, в 19 раз меньше коэффициент теплового расширения, в 5 раз больше модуль упругости, и при этом его удельный вес почти в два раза меньше.

Одностоечные КИМ

Одностоечные КИМ (рис.5.2) выпускают давно и имеется несколько вариантов их конструкций. Обычно одностоечная КИМ состоит из колонны, которая перемещается вдоль плиты (стола) на аэростатической или шариковой  направляющей (рис. ). Это координата Х. По колонне также  на аэростатической направляющей перемещается опора (координата Z), по которой  на аэростатической направляющей горизонтально перемещается квадратная пиноль (координата Y).  На конце пиноли установлен датчик касания. Иногда плиты нет, а направляющие расположены на уровне пола. Преимущество одностоечных КИМ в том, что все рабочее пространство открыто для загрузки контролируемой детали и доступно оператору.  Для контроля крупногабаритных деталей, например, кузовов автомобилей устанавливают две одностоечных КИМ, а между ними расположено рабочее пространство, куда можно поместить кузов или автомобиль. Одностоечные КИМ имеют более низкую точность по сравнению с портальными КИМ и достаточно высокую цену из-за больших габаритов. В последнее время большое распространение получили портативные КИМ, состоящие из поворотных сочленений, имеющие большое полусферическое рабочее пространство до 4,5 м и значительно более низкую цену. Возможно,  портативные КИМ частично вытеснят одностоечные КИМ.

 Одностоечная КИМРис.  5.2   Одностоечные  КИМ

 

Мостовые КИМ

Мостовые КИМ (рис. 5.3)  предназначены для измерения крупногабаритных деталей, узлов и целых изделий. Машины имеют две отдельные горизонтальных направляющие, как правило, шариковых, по которым перемещается мостовая балка. По мостовой балке на шариковых или аэростатических направляющих перемещается колонна , внутри которой перемещается вертикальная пиноль с датчиком касания или лазерным сканером на конце. Мостовые КИМ трудоемки в изготовлении, дороги и поэтому, возможно,  частично  будут  заменены портативными КИМ.

мостовая КИМРис.  5.3   Мостовая  КИМ

 

Материалы для КИМ

Основные материалы, из которых изготавливают несущие узлы КИМ, – сталь, алюминий и его сплавы, гранит, керамика и углепластик. В табл. 5.1.3 приведены характеристики некоторых материалов.

Таблица 5.1.3

Удельный вес Кг/дм3 Коэффициентлинейного расширения 1/К Теплопроводность, Вт/мК Модульупругости103N/мм2
Сталь 7,25 10,4 х10-6 42-63 90-180
Алюминий 2,7 23,8 х10-6 210 72
Керамика 3,85 8х10-6 28 370
Гранит 2,8 6,5х10-6 3,5 0

Крепление деталей на КИМ

При измерении деталей на КИМ легкие детали сложной конфигурации необходимо надежно закрепить, во избежании их сдвига при движениях стола или от случайных причин. Для крепления деталей выпускают много специальных приспособлений (рис. 5.4).

КреплениеРис 5.4 Пример крепления детали на КИМ

Во многих случаях установку и крепление контролируемых деталей делают так, чтобы щупу датчика касания  были доступны все контролируемые поверхности. Особенность установки и крепления детали на КИМ состоит в том, что не нужно выставлять контролируемую деталь по координатам машины. Программное обеспечение КИМ произведет математическое базирование – процедуру, заключающуюся в расчете, расположения системы координат детали (СКД) по предварительно измеренным в системе координат машины (СКМ) точкам базовых элементов детали и последующей трансформации координат точек других элементов детали из СКМ в СКД. При креплении деталей, особенно из легких сплавов необходимо следить за тем, чтобы не деформировать деталь при заворачивании крепежных элементов. Для этого применяют динамометрические ключи.

Ниже приведены некоторые погрешности КИМ по ISO 10360-4.

 Точностные параметры КИМ

.

MPE — Maximum Permissible Error (максимальная допустимая погрешность). По нормам DIN EN ISO 10360 каждая спецификация точности обозначается как МРЕ. Она указывает предельное значение, за границы которого не может выходить погрешность при выполнении измерительного задания. Измерительное задание обозначается индексом. MPEE, например, обозначает погрешность линейного измерения, а MPEP – погрешность касания.

Предельное значение погрешности касания при сканировании MPETHP и MPEЕ.

Для определения погрешности касания при сканировании сканируется сфера  (диаметр 25 мм) с незначительной погрешностью формы  по 4 траекториям, установленным в ISO 10360-4 (рис. 5.5). При сравнении измеренных значений с MPETHP спецификацией должны быть выполнены два условия.

Во-первых, размах радиальных удалений, определенный через отдельные точки, от заменяющего шара не должен превышать значение спецификации.

Во-вторых, разница между радиальными дистанциями и откалиброванным диаметром сферы не должна быть больше, чем значение спецификации.

Кроме того, требуемое для проверки время должно соответствовать спецификации, так как скорость имеет существенное влияние на результат. Указание точности и требуемого времени при проверке погрешности касания при сканировании является важным показателем производительности КИМ.

 MPE-1

 

Рис. 5.5  Определение погрешности касания при сканировании

Предельное значение измерения формы MPERONt(MZCI)

Погрешность КИМ при измерении формы описано  в стандарте  VDI 2617, раздел 2.2. Параметры для  измерения некруглости определены в нормах DIN EN ISO 12181. Измерение производится на эталонном откалиброванном кольце (рис. 5.6)

MPE-2

Рис. 5.6 Погрешность измерения формы MPERONt(MZCI)

 

диаметром 50 мм с незначительной погрешностью формы с высокой плотностью точек в режиме сканирования. Из измеренных значений рассчитывается так называемая окружность Чебышева (MZCI = Minimum Zone Cirсle). Отклонение формы получается как размах радиальных удалений от этой окружности. Он не должен превышать значения спецификации.

Предельное значение погрешности линейного измерения MPEE

Для определения погрешности линейного измерения измеряются откалиброванные концевые меры разной длины или ступенчатые концевые меры. Должно быть определено соответственно 5 различных участков длины в 7 любых позициях в рабочем объеме измерительной машины (рис.5.7). Каждая длина измеряется трижды.

MPE-3

Рис. 5.7 Опредление погрешности линейного измерения MPEE

Полученные значения сравниваются с откалиброванными значениями. При этом погрешность не должна превышать погрешности спецификации. Спецификация чаще всего выдается в зависимости от длины в форме

MPEE =A + L/K.

При этом L обозначает измеренную длину.

Предельное значение погрешности касания MPEP

MPE-4Рис. 5.8 Определение погрешности касания MPEp

Для определения погрешности касания ощупывается сфера (диаметр от 10 до 50 мм) с незначительной погрешностью формы в 25 рекомендованных точках (рис. 5.) по ISO 10360-2.Из значений измерения рассчитывается так называемый заменяющий шар, рассчитанный по Гауссу. Размах радиальных удалений от заменяющего шара не должен превышать значения спецификации.

1  Ральф Кристоф,   Ханс Нейман.   Мультисенсорные координатные измерения, Die Bibliothek der Technik, 2004

  2  И.М. Зубарев, С.В. Косаревский, Н.Н. Ревин.    Автоматизация координатных измерений, Санкт-Петербург, 2011        

3  Б.С. Бражкин,  Н.И. Исаев, А.А. Кудинов, В.С. Миротворский.      Координатно-измерительные машины для контроля тел вращения, М, 2012, 207 с.

          4   И.В. Сурков, Мягкова. Применение КИМ для контроля линейных и угловых параметров зубчатых колес. Оборудование и инструмент, №5, 2007

       5  И.В. Сурков, Мягкова.  Координатные измерения линейных и угловых параметров зубчатых колес. Оборудование и инструмент, №6, 2007

       6    В.А. Гапшис  и др. Координатные измерительные машины и их применение. М. Машиностроение, 1988, – 328 с.

         7    М.А. Палей. Координатные измерения размерных и геометрических параметров. Основные положения. Терминология. РД2 БВ00-9-1990, М, 1990

       8    Б.С. Бражкин, Н.И. Исаев, А.А. Кудинов, В.С. Миротворский.  Технологические основы контроля на координатно-измерительных машинах. Миттель Пресс, 2014.