5.3 Датчики касания для КИМ

В процессе измерения деталей на КИМ непосредственно в контакт с измеряемой деталью входит так называемый  датчик касания (еще их называли индикатор контакта). Датчик касания играет большую роль в процессе измерения на КИМ и его конструкции уделяется большое внимание. На датчики касания зарегистрированы тысячи патентов. В настоящее время конструкции датчиков касания отработаны, проверены на практике и выпускаются большими сериями. Все датчик содержат щуп с измерительным наконечником, механизм подвески щупа, преобразователь сигнала при касании или перемещении щупа, головку поворота и качаниядатчика и др. Датчики касания условно можно разделить на следующие группы.

По выходному сигналу:

триггерные, выдающие импульсный сигнал в момент касании наконечником датчика  контролируемой поверхности. По этому сигналу в  программном  устройстве КИМ фиксируются и запоминаются  координаты точки касания, а измерительный наконечник (щуп) датчика касания отводится от поверхности детали и подводится к следующей точке согласно запрограммированному алгоритму. Это режим поточечных (дискретных) измерений.

сканирующие (отклонения), выдающие непрерывный сигнал в небольшом диапазоне перемещения щупа при контакте наконечником контролируемой поверхности. Измерительный наконечник сканирующего датчика вводится в контакт с измеряемой поверхностью и перемещается по ней по заданной траектории (окружность, петля, зигзаг, спираль). Координаты точек вдоль траектории фиксируются с заданным постоянным или переменным шагом. Результаты измерения, полученные со сканирующей головки суммируются с результатами измерения по осям КИМ алгебраически или более изощренным способом в программном устройстве.

По способу преобразования сигнала:

электроконтактные (механические);

– с пьезоэлектрическими преобразователями (сенсорами);

– с тензоэлектрическими преобразователями (сенсорами);

– с оптоэлектронными преобразователями.

По способу подвески (установки) измерительного щупа:

– жесткая на шарах;

– на плоскопараллельных пружинах;

– на круглых плоских пружинах с прорезями.

Электроконтактный датчик касания.

С появлением КИМ и станков с ЧПУ  фирмой Renishaw (Великобритания) был изобретен очень простой и по своему оригинальный   трехкоординатный ±X, ±Y, +Z  датчик касания (рис. 5.3.1).

Индик. конт.0002

Рис. 5.3.1  Принцип действия триггерного датчика касания

Конструкция оказалась настолько удачной, что в различных модификациях выпускается до сих пор.

2.19_n

Рис. 5.321   Электроконтактный триггерный датчик касания

Датчик (рис. 5.3.2) имеет очень простую конструкцию, основанную на электроконтактном способе преобразования сигнала. Такие датчики касания еще называют триггерными  (механическими).

Датчик  состоит из корпуса 3, в основании 6 которого установлены три пары шариков 9 (призмы), расположенных  под 120о . Вдоль оси головки располагается  подпружиненный (пружина 4) стержень 7, несущий на одном конце измерительный наконечник 8 (обычно шарик), а на другом  – диск 5 с тремя  роликами 10 расположены в одной плоскости радиально и симметрично под углом 120о.. В исходном положении каждый ролик опирается на свою пару шариков. И такое касание в шести точках создает полную однозначность положения контактного наконечника  8.   При этом каждый ролик замыкает свою пару шариков, которые все включены  последовательно в общую цепь постоянного ток (рис. 5.3.3).  При любом

Призма и роликРис. 5.3.3  Протекание тока через шарики и ролик

смещении наконечника 8 в момент  касания его с деталью хотя бы один из цилиндров отрывается от одного из шариков, разрывая цепь. Электрический сигнал подается в злектросхему КИМ. Таким образом, триггерный датчик касания срабатывает при малейшем касании  с поверхностью контролируемой детали в любом направлении. Кроме этого такая конструкция позволяет наконечнику 8 после контакта еще перемещаться на 10-15 мм в плоскости X-Y и 5 мм по оси Z, обеспечивая разгрузку и предохраняя датчик от поломок. Это важно для КИМ, потому что перемещаясь с большой скоростью узлы КИМ не могут мгновенно остановиться после контакта наконечника 8 с деталью и получения команды на остановку, а имеют какой-то перебег. В направлении ±X и ±Y перебег щупа составляет  ±19-22о , по оси Z перебег  +4-5 мм. С тех пор было предложено и разработано много различных  конструкции датчиков касания, но электроконтактный датчик, щуп которого базируется на трех призмах,  широко применяется до настоящего времени,  благодаря  очевидным конструктивным достоинствам, простоте конструкции и невысокой стоимости . Однако электроконтактные датчики касания имеют несколько существенных недостатков:

    – датчики имеют уменьшающее передаточное отношение – длина щупа всегда больше, чем расстояние от оси щупа до электроконтактов, это влияет на точность срабатывания контактов;

   – передаточное отношение переменное из-за опоры на три точки и при повороте грибка со щупом вокруг одной или двух точек измерительное усилие меняется. Возникает так называемый «лепестковый эффект» (5.3.4) и погрешность срабатывания разная при движении щупа в разных направлениях;

лепестокРис. 5.3.4 Погрешность срабатывания датчика от “лепесткого эффекта”

    – датчик имеет большее  измерительное усилие   и  по оси Z.

    При тестовых испытаниях – длина щупа 10-30 мм, скорость подвода к контролируемой поверхности 480 мм/мин – триггерные электроконтактные датчики имеют следующие метрологические характеристики: – однонаправленная повторяемость точки касания (2σ) составляет ±0,25-0,5 мкм. – измерительное усилие в плоскости XY – 0,07-0,09 Н, по оси Z – 0,15 Н. Однако в рабочих условиях при большей длине и весе щупа величина  повторяемости будет больше.     

 Датчики касания с электронными преобразователями

Чаще всего датчики касания снабжают тензоэлеметами. Примерная конструктивна схема датчика касания с тензоэлементами показана на рис. 5.3.5.  Хотя применяют и другие схемы расположения тензоэлементов (не сжатия, а растяжения). Достоинство электронных триггерных датчиков состоит в том, они в отличии от электроконтактного датчика имеют не релейный  выходной сигнал, а выходной сигнал постоянного тока на небольшом участке в несколько мкм. Это позволяет с помощью электронной схемы усилить сигнал,  повысить точность измерения и исключить “лепестковый эффект”. Датчик работает во всех направлениях  ±X, ±Y, ±Z. В направлении ±X и ±Y перебег составляет примерно ±16о  поворота щупа,  по оси Z перебег  ±5 мм. При тестовых испытаниях – длина щупа 50 мм, скорость подвода к контролируемой поверхности 240 мм/мин – однонаправленная повторяемость (2σ) составляет ±0,25 мкм. Измерительное усилие в плоскости XY – 0,02 Н, по оси Z –   0,15 Н. датчик касРис. 5.3.5  Конструктивная схема датчика касания  с тензоэлементами.  

Сканирующие датчики касания

Сканирующими датчиками касания называют датчики отклонения, потому что в отличие от триггерных датчиков они выдают в систему ЧПУ машины не один сигнал касания, а непрерывный сигнал, соответствующий отклонению щупа датчика при касании контролируемой поверхности и перемещению по ней. Точнее сканирующий датчик выдает три сигнала по каждой оси (X, Y, Z), так как имеет три измерительных преобразователя. Есть несколько аналогичных конструкций пассивных сканирующих датчиков. Щуп  сканирующего датчика установлен на трех парах плоскопараллельных пружин (трех параллелограммах), перемещающихся в трех координатных направлениях  X,Y, Z (рис. 5.3.6).  Это обеспечивает щупу перемещение в пространстве в любом направлении.

Рис. 5.3.6  Конструкция подвески щупа сканирующего датчика касания на трех параллелограммах

  В современных сканирующих датчиках применяют оптоэлектронные преобразователи, работающие в отраженном свете. Пример конструкции сканирующего оптоэлектронного  датчика касания показан на рис. 5.3.7. В корпусе датчика расположен блок из трех пар плоскопараллельных пружин. Первая пара пружин (ближняя к читателю на рис. 5.3.6 и 5.3.7) закреплена неподвижно на корпусе датчика,  Вторая пара соединена с подвижной планкой первой пары и развернута на 90о (на рис. 5.3.3  обе пары условно показаны в одной плоскости), на третьей паре, соединенной со второй, закреплена планка кубической формы. Снизу к планке (кубу) прикреплен щуп (рис.   5.3.5 и 5.3.6), выходящий из корпуса датчика, а сверху три отражающих свет шкалы. (по числу осей). Наконечник щупа может перемещаться во всех направлениях, а каждая отражающая шкала перемещается строго в одном направлении (по ходу плоскопараллельных пружин)   X, Y или Z. На корпусе датчика неподвижно расположены три осветителя, свет которых попадает на шкалы, три индикаторных шкалы  и три фотодиода (или матрицы), которые воспринимают оптические сигналы, отраженные от шкал. Таким образом, три отдельных инкрементных оптоэлектронных преобразователя измеряют перемещения щупа по трем осям. Разные конструкции сканирующих датчиков имеют разные выходные сигналы от своих  трех преобразователей – линейные пропорциональные и нелинейные  неортогональные. Сигналы подаются  в электронный блок с программным обеспечением, преобразуются в цифровой код, и  точно вычисляется положение щупа по трем координатам в каждой точке касания. Описанная система позволяет измерять положения  наконечника щупа с высокой точностью.

Рис. 5.3.7.    Cхема  сканирующего оптоэлектронного датчика касания

Преимущество такой конструкции подвески в возможности установки очень длинных щупов (до 800 мм) и высокой точности отсчета.

В других конструкциях щуп устанавливают на двух плоских круглых пружинах (мембранах) с прорезями (рис. 5.3.8), соединенных между собой упругим шарниром. Одна пружина позволяет щупу  двигаться по координатам X  и Y, другая только по координате Z.

Рис. 5.3.8   Схема установки щупа на плоских круглых пружинах

. Датчик (5.3.8) работает во всех направлениях  ±X, ±Y, ±Z. В направлении ±X и ±Y перебег составляет не менее  ±2,0 мм, по оси Z   ±1,2-1,7 мм. При тестовых испытаниях – длина щупа 50 мм, скорость подвода к контролируемой поверхности 240 мм/мин – однонаправленная повторяемость (2σ) составляет ±0,4 мкм.

Диапазон измерения составляет          от ±0,5 до ±2,5 мм

Разрешение                                          от 0,02 до 0,1 мм Жесткость                                                                от 0,6 до 1,6 Н/мм

Рис.  5.3.9  Схема круглого оптоэлектронного сканирующего датчика касания

Поворотно-качающаяся головка для КИМ

На КИМ измеряют  детали, имеющие  различную иногда очень сложную конфигурацию с многочисленными отверстиями большой глубины.  Для этих целей датчики касания, установленные на пиноль КИМ, снабжали щупами разной конструкции и разной длины. Но постепенно стало ясно, что это не решает всех проблем измерения на КИМ и начали разрабатывать поворотные головки, на которые устанавливали датчик касания и поворачивали его в нужном направлении на нужный угол.

В настоящее время выпускается  достаточно универсальная поворотно-качающаяся головка (рис.5.3.10). Головка имеет две оси – горизонтальную и вертикальную. На горизонтальной оси крепится датчик касания и может поворачиваться на ней на угол ±115о в вертикальной плоскости. Горизонтальная ось вместе с датчиком касания установлена на вертикальной оси и может поворачиваться вокруг нее на 360о вместе с плоскостью качания датчика. Каждая ось поворота установлена на шариковых подшипниках, собранных без люфтов. Головки (рис. 5.3.10) выпускают ручные и моторизованные. На ручных головках датчик поворачивается на фиксированный угол с шагом обычно 7,5о.  Моторизованные головки  снабжены сервоприводом, управляемым от собственного контроллера или контроллера  КИМ по заданному программой алгоритму.

Рис. 5.3.10   Поворотная головка с датчиком касания.

Датчик касания, установленный на моторизованную головку, обеспечивает полную автоматизацию процесса измерения сложных по форме и конфигурации деталей, имеющих отверстия, проточки, выточки и т.п. Важно отметить, что повторяемость установки в одно и тоже положение очень высокая. На головке датчик устанавливается в специальное гнездо, позволяющее его легко и быстро сменить вручную и автоматически. Головка крепится к пиноли и имеет разъем для обмена информацией с ЧПУ машины. Головка позволяет располагать щуп под разными углами к измеряемой поверхности. Поворотные датчики касания чрезвычайно удобны для измерения сложных деталей с различными отверстиями, криволинейными поверхностями, впадинам и выступами. При применении  датчика касания  с поворотной головкой не только увеличивается скорость измерений, но и повышается их точность, потому что всегда можно располагать щуп под оптимальным углом к измеряемой поверхности. Причем после любого поворота датчик точно возвращается в исходное положение, т.е. повторяемость поворотов  очень высокая.

Наибольшей популярностью у изготовителей КИМ пользуются датчики фирмы  Renishaw (Великобритания), которая выпускает всю гамму датчиков и компонентов к ним для любых КИМ. Но некоторые фирмы выпускают датчики собственной конструкции, например, фирма Carl Zeiss (Германия).

Поворотно-качающиеся головки с отсчетом угла поворота

Метрологи никогда не любили проводить измерения в движении, зная, что это вызывает дополнительные динамические погрешности. Но КИМ были устроены таким образом, что измерения координат точки касания  производили при движении ее узлов и кареток  (портала, колонны, пиноли). Это приводило к деформациям этих узлов и сильно ограничивало скорость перемещения при измерениях, т.е. снижало производительность измерения.

В новой головке фирмы Renishaw, модели PН20 в качестве измерителя служит триггерный датчик касания, установленный на головке на двух поворотных осях. Одна ось позволяет триггерному датчику поворачиваться на угол ±115 о, т.е. качаться в одной плоскости. Вторая ось позволяет датчику и плоскости качания датчика вращаться на 360о  и больше. Обе оси установлены на шариковых подшипниках, собранных без люфтов.  Поворот и качание датчика позволяют его наконечнику совершать очень быстрые перемещения в сферическом объеме, определяемым длиной измерительного стержня датчика, и совершать измерения или сканирование только за счет качания-поворота датчика при неподвижных узлах КИМ. Это в разы повышает производительность измерений  или сканирования КИМ, так как масса датчика касания существенно меньше массы узлов КИМ и он может перемещаться значительно быстрее со скоростью до 500 мм/c. .

Поворот и качание датчика касания осуществляют двумя сервоэлектродвигателями  постоянного тока. На каждой оси поворота установлен угловой энкодер .

Таким образом,  при измерении в программное обеспечение КИМ поступают сигналы линейных (установленных на осях координат КИМ) и круговых (установленных на головке касания) экодеров  и сигнал от триггерного датчика касания. Все эти линейные и нелинейные сигналы  обрабатываются сложной программой КИМ и в результате получают размеры линий, дуг, окружностей, вообщем, размеры самых сложных деталей.

В заключение можно отметить, что качающаяся и поворотная головка касания и ее программное обеспечение выполнены очень изящно. В результате, действительно, сильно увеличилась производительность измерений КИМ. Точность измерения, по-видимому, снизилась, потому что поворотные энкодеры, расположенные на оси поворота головки, не могут обеспечить высокую точность при отсчете перемещений измерительного наконечника (шарика), расположенного на длинном щупе датчика. касания, так как передаточное отношение отрицательное.