5.8 Портативная координатно-измерительная машина

Сравнительно недавно были разработаны,  широко рекламируются и выпускаются многими зарубежными фирмами портативные переносные координатно-измерительные машины (портативные КИМ). Эти машины имеют оригинальную  и совершенную конструкцию и обеспечивают измерение размеров различных деталей, узлов и сборных конструкций  в цехе, на станке и в лаборатории. Портативные КИМ оснащены самыми современными компонентами (энкодерами, подшипниками wide-track, компьютером). Портативная КИМ является ручной координатно-измерительной машиной.

В просторечие портативные  КИМ (рис. 5.8.1) называют «Рука», их сочлененные элементы называют «плечо», «локоть», «запястье».

Рис. 5.8.1    Портативная координатно-измерительная машина

Портативная КИМ состоит из механической измерительной оснастки, с помощью которой осуществляются измерения и компьютера, обычно ноутбука для удобства переноски.

Механическая измерительная оснастка портативных  КИМ состоит из неподвижного устойчивого и жесткого основания,  на котором на двухосном шарнире  установлено первое поворотное звено, называемое «плечо». На конце «плеча» также  на двухосном шарнире установлено второе поворотное звено «локоть», на конце которого опять на двухосном шарнире установлено третье поворотное звено «запястье», на конце которого  установлен жесткий измерительный наконечник в виде шара. Все шарниры выполнены на точных шарикоподшипниках, собранных без люфтов. Это обеспечивает хорошую повторяемость при измерениях. На «запястье» имеется рукоятка,  которую держит оператор при подводе измерительного наконечника к контролируемой поверхности и кнопка для снятия результатов измерений в точке касания.

Компоненты портативных  КИМ изготовлены из углепластика, что обеспечивает большую жесткость и  сравнительно небольшой вес портативных КИМ. Поэтому портативная КИМ  легко переносится к месту измерения, например, на поверочную плиту или к станку.  Основание устанавливается на ровную поверхность и при необходимости надежно закрепляется. Измерения производят вручную. Наличие трех двухосных шарниров позволяет перемещать измерительный наконечник в любом направлении по 6-ти осям и касаться измеряемой поверхности детали в нужной точке. Портативные КИМ имеют сферическое рабочее пространство с радиусом от 1,8 до 4,5 м (точнее полусферическое).

На каждой поворотной оси расположен оптоэлектронный абсолютный (кодовый) круговой  преобразователь (энкодер). Сигналы всех экодеров обрабатываются по сложным алгоритмам программным обеспечением    компьютера  и, таким образом, вычисляется положение измерительного наконечника и точки касания  в прямоугольных координатах X, Y и Z.  Энкодеры связаны с компьютером по беспроводным каналам Wi-Fi. Наличие абсолютных (кодовых) энкодеров позволяет программному обеспечению  портативной КИМ определять положение сочленений сразу в момент включения, не требуя начинать измерения с определенной базовой точки. Измерение начинается сразу с момента касания первой измеряемой точки. Питание энкодеров,  преобразование их сигналов в выходной цифровой код и передача его компьютеру осуществляется микропроцессором, установленном на основании портативной КИМ. Энкодеры и микропроцессор  питаются от встроенных аккумуляторов. Значения координат точки касания наконечника с измеряемой деталью высвечивается на цифровом дисплее.

Портативные КИМ снабжают жестким наконечником – рубиновым шариком  диаметром 6 мм или стальным шариком диаметром 15 мм. Диаметр наконечника и его положение относительно базового крепления предварительно калиброваны. Внутри наконечника находится микросхема, которая хранит информацию об этих  размерах. И когда наконечник устанавливается на «запястье» эта информация считывается и учитывается при расчете координат точки касания. Для облегчения перемещения сочленений портативные  КИМ оснащены  противовесом. Вес портативных КИМ составляет от 7 до 10 кг.

Перемещений измерительного наконечника на  поворотных шарнирах сильно расширяет возможности измерения размеров деталей разной формы, например, штампов, кузовов автомобилей, изогнутых труб, сварных конструкций и т.п. Кроме того,  портативные КИМ позволяют измерять большие размеры до 9000 мм.

По данным фирм-изготовителей при тестовых измерениях длины в различных точках объема погрешность измерения (±2σ)  портативных КИМ составляет от 35 до 100 мкм. Иногда погрешность определяют формулой Е = 5 + (L /40), где L в м. Повторяемость составляет от 16 до 50 мкм. Из приведенных цифр видно, что портативные КИМ достаточно грубые приборы по точности сопоставимые с штангенциркулем.

Погрешности портативных КИМ складываются из следующих составляющих погрешностей:

– погрешность из-за одноконтактого измерения с нарушением принцип Аббе;

– погрешность из-за трудности попадания измерительным наконечником в ту же точку при повторном измерении. Это погрешность возникает при принятой практики проведения нескольких измерений одного размера с вычислением среднего значения;

– погрешность, возникающая при вычислении  координат точек по показаниям энкодеров, расположенных на осях поворота сочленений достаточно далеко от измерительного наконечника (косвенное измерение);

– температурная погрешность, которая всегда возникает  при измерении больших размеров;

– погрешность от колебаний измерительного усилия, создаваемого рукой оператора.

Хотя сам процесс измерения на портативной КИМ  не сложен, правильно провести измерение и оценить полученный результат может только квалифицированный оператор.

Из-за низкой точности портативные КИМ применяются в основном для измерения деталей с большим полем допуска, например,   для контроля размеров  штампов, пресс-форм  и литейной оснастки, для контроля размеров сварочных стендов и стапелей, для контроля размеров отливок и сварных кожухов, для контроля размеров труб после гибочных операций и т.п.

Портативные КИМ снабжены программным обеспечением, которое позволяет контролировать и определять значения простейших геометрических элементов (линии, плоскости, окружности, цилиндры и т.п.).

Несмотря на невысокую точность портативные КИМ решают  важную задачу – позволяют измерять детали, узлы  и конструкции больших размеров  прямо  на месте их нахождения без специального базировании.

Портативные КИМ выпускают зарубежные фирмы, изготавливающие координатно-измерительные машины – FARO Technologies (США), Nicon Metrology (Япония), CimCore (Франция). В России портативные КИМ не выпускают.

Следует также иметь в виду, что портативные КИМ довольно дороги.  Их стоимость составляет 30-40 тыс. евро. Поэтому ими должен пользоваться квалифицированные и обученные операторы.

Портативная КИМ с лазерным сканером

     Лазерное сканирование широко применяют для получения объемных картинок (3D) отдельных деталей, узлов, автомобилей, зданий и т.п.  Поэтому КИМ, в том числе портативные, стали оснащать лазерными сканерами (ЛС). В случае портативной КИМ лазерный сканер  установлен на «запястье» и сканирование производят вручную. Оператор держит за ручку «запястье» и проводит ЛС над измеряемой деталью.

ЛС  состоит из излучающего маломощного лазера (безопасного для глаз) обычно красного цвета (длиной волны 680 нм)  и приемной цифровой ВЕБ-камеры.  Излучатель бывает в виде луча диаметром 6-8 мм или чаща в виде6 линии длиной от 60 до 200 мм и шириной 3 мм. Узкую красную линию хорошо видно на сканируемой поверхности. Большая длина лазерного луча  позволяет сразу захватить большую часть сканируемой детали. Луч лазера отражается от измеряемой детали и попадает в ВЭБ-камеру. Сканирующее устройство это лазерный дальномер, приспособленный для измерения деталей. Как большинство лазерных дальномеров ЛС работает по методу триангуляции. Полученные данные обрабатываются штатным программным обеспечением по сложным алгоритмам в так называемое трехмерное облако точек, которое грубо характеризует положение большого числа  точек измеряемой детали относительно друг друга.  Получается очень рванное разноцветное изображение детали (рис. 5.8.2 слева).

 Рис. 5.8.2  Изображение детали сразу после сканирования (слева) и после наложения на полигональную сетку (справа)

Рис. 5.8.3   Окончательное изображение детали  после сканирования и математической обработки

Теперь программа фильтрует это облако точек и накладывает оставшиеся точки  на полигональную сетку или модель и получается трехмерное изображение сканированной детали – САД-модель (рис. 5.8.3). Что можно делать с этой моделью? Можно определить износ, можно провести обратное проектирование (reversible engineering)., т.е создать чертеж детали по ее модели и т.п.

Фокусное расстояние лазерного излучателя составляет от 100 до 250 мм и, что очень важно для ручного сканирования на портативных КИМ, не требуется строго соблюдать  расстояние между ЛС и измеряемой деталью. Допускаются отклонения ±50 мм. Это объясняется тем, что положение ЛС точно  определяется по показаниям энкодеров КИМ, на которой установлен сканер, а расстояние от ЛС до измеряемой детали определяет сам сканер. Таким образом, координаты точек отсканированной детали получают с учетом сигналов энкодеров, установленных в сочленениях звеньев КИМ и сигналов ЛС.

Не от всех поверхностей луч лазера отражается одинаково. Черные и длестящие поверхности плохо отражают луч или создают блики. В этих случаях сканируемую поверхность покрываютматирующим лаком (спреем).

Следует иметь в виду, что ЛС имеет ограниченную разрешающую способность. Это объясняется тем, что измерение производится не по точкам, а по облаку точек, а результат измерения получается путем фильтрации и математической обработки по сложным алгоритмам. При этом часть точек пропадают или игнорируются. Таким образом, с помощью ЛС производят косвенные измерения   с большим количеством расчетов. В результате  плохо видны , например, режущие кромки инструмента, мелкая резьба и т.п. Разрешающая способность у ЛС разная и зависит от числа точек в облаке и алгоритмов их обработки, но всегда больше 20 мкм. Предельно допустимая погрешность измерения MPEP   (линейная)    и      MPEAL (объемная) по данным тестовых испытаний    фирм-изготовителей  меньше разрешающей способности, что выглядит довольно странно. В любом случае точность измерения низкая.

Таким образом, портативная КИМ с ЛС это грубый измерительный прибор, который можно использовать для измерения отливок, штамповок, пластмассовых деталей, гнутых труб и т.п. Но при этом следует иметь в виду, что это дорогой прибор с развитым и сложным программным обеспечением, его эксплуатация доступна только квалифицированным и обученным специалистам, а ремонт возможен только представителям фирмы-изготовителя.

 

И.Б. Прямицын, И.Б. Челпанов
Лазерные сканирующие устройства. Методы исследования характеристик. Область применения.