Измерительные машины

Развитие технологий невозможно без качественного контроля. Широкое использование станков с числовым программным управлением в производстве увеличило требование к используемым средствам контроля, адекватным ответом было использование в контроле координатных измерительных машин (КИМ).

Современные КИМ представлены широким модельным рядом, что позволяет выбрать машину в соответствии с решаемыми измерительными задачами, условиями (температура, давление, влажность, запыленность) и финансовыми возможностями предприятия. КИМ универсальна: контрольно-измерительные операции можно осуществлять как на этапе освоения, так и при серийном выпуске деталей, а также позволяет за одну установку проконтролировать практически все нормируемые параметры, и в лаборатории, и в цеховых условиях.

Основное преимущество современных КИМ — возможность полной автоматизации как на этапе реализации координатного метода измерений, так и на этапе обработки результатов этих измерений. Кроме того, мы получаем возможность осуществлять контроль качества крупных корпусных деталей сложных поверхностей с повышенной точностью и достоверностью результатов измерений.

Принципиально большая информативность координатных измерений позволяет неограниченно расширить набор контролируемых параметров, например, можно определить взаимное расположение разнесенных сложных поверхностей и геометрических элементов, рассчитать прилегающие поверхности, выполнить взаимное вписывание фактического и теоретического профилей по заданному критерию.

Таким образом, использование КИМ является оптимальным для контроля отклонений расположения. Все измерения на КИМ осуществляются только специалистами, прошедшими обучение, по соответствующим методикам выполнения измерений. В данной дипломной работе мы подробно рассмотрим выполнение измерений отклонений расположения элементов деталей на КИМ и разработаем методику выполнения измерений для корпусной детали «Балансир».

Разрабатываемая методика опирается на производственный опыт что позволяет:

1.сократить временные затраты;

2.повысить точность измерения (т.е. снизить влияние субъективных и случайных погрешностей);

  • З. отказаться от большого количества средств измерения.

Глава 1. Координатные измерительные машины

1.1 Общие сведения о координатных измерительных устройствах

Координатно-измерительные устройства — приборы для измерения положения точек на поверхности элементов деталей в системе плоских или пространственных координат. Термин «координатные» закрепился за приборами (чаще всего называемых машинами, хотя они и являются приборами), в которых определяются линейные размеры по результатам измерения в пространстве координат отдельных точек в системе трех ортогональных осей (координат), т. е. по осям, расположенным в пространстве под прямым углом друг к другу. Такие машины (приборы) называют трехкоординатными измерительными машинами или, короче, координатными измерительными машинами (КИМ).

51 стр., 25358 слов

Методы и средства для измерения внутренних и линейных размеров ...

... И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ 1.1 Выбор методов и средств измерений размеров в деталях типа “Корпус” и “Вал” В данном проекте при измерении размеров деталей ... и малая модели) 10 12 12 Микроскопы универсальные измерительные при использовании штриховой головки 7 12 Линейные размеры: ... Допуск выбирается меньшим или равным данному. 1.1.1 Деталь типа «Корпус» Внутренние размеры: 1) Ø42H6 По ГОСТ 8.051-81 для ...

Принципиальная основа измерения на КИМ заключается в том, что любую поверхность или профиль можно представить состоящей из бесконечного числа отдельных точек и если известно положение в пространстве какого-то ограниченного числа этих точек (массив точек), т. е. определены их координаты, то по соответствующим формулам (алгоритмам) можно рассчитать размеры этих поверхностей (про филей), а также расположение поверхностей (профилей) в пространстве и между собой. Например, если на идеальной окружности измерить три точки, то они определяют диаметр окружности, поскольку из геометрии известно, что через три точки может быть проведена окружность и притом только одна.

Принципиальная схема всех КИМ одинакова. Она состоит из трех взаимно перпендикулярных устройств для измерения линейных величин и датчика контакта, который может перемещаться в пространстве с отсчетом этих перемещений одновременно по трем линейным измерительным устройствам. При касании (контакте) наконечника датчика контакта с точкой на измеряемой поверхности датчик выдает команду для считывания значений координат Х, У, Z в момент касания. Иногда КИМ снабжаются съемными или постоянными круговыми столами, что дает возможность производить измерение положения точек в пространстве через угловую координату ц в сочетании с линейными, т. е. измерять положение точек в полярных координатах.

Координатно-измерительные машины известны давно и до 60-х годов нашего столетия обычно изготавливались на базе координатно-расточных станков, в которых вместо инструмента устанавливались отсчетные головки, чаще всего рычажно-зубчатые индикаторы, и производилось измерение деталей при перемещениях, аналогичных перемещениям режущего инструмента. Этот прием применялся и применяется сейчас непосредственно на координатно-расточных станках с целью определения правильности переноса точности станка на точность обрабатываемой детали. Но затем произошло резкое повышение технического уровня КИМ в связи с развитием электронной и вычислительной техники, что позволило, прежде всего, автоматизировать обработку результатов измерения координат положения отдельных точек поверхности с целью получения значения размеров отклонений формы и расположения поверхностей. Более того, электронная и вычислительная техника позволили автоматизировать управление измерением. Таким образом, в современных КИМ имеется возможность полностью автоматизировать как процесс измерения координат отдельных точек, так и процесс обработки результатов этих измерений. КИМ вполне можно отнести к средствам автоматизации контроля размеров. Ниже они рассматриваются только потому, что основное назначение КИМ — измерение отклонений расположения поверхностей, хотя на них можно измерять практически все нормируемые в машиностроении геометрические параметры (кроме шероховатости).

7 стр., 3154 слов

Испытания электрических машин и трансформаторов

... измерения температуры тех частей машины, где имеются переменные магнитные поля. Это связано с тем, что переменные магнитные поля наводят в ртути вихревые токи, ... Машины электрические вращающиеся. Методы испытаний на нагревание» следует измерять методами термометра, сопротивления, заложенных датчиков температуры и встраиваемых датчиков ... имеющими различную температуру точек соединения, появляется ...

Конструктивная схема КИМ состоит из механической части, осуществляющей измерительные перемещения, и электронно-вычислительной части с программно-математическим обеспечением.

1.2 Типы координатно-измерительных машин

Конструктивная схема механической части всех КИМ построена таким образом, что деталь, например, в виде параллелепипеда, находящаяся на измерительной позиции машины, может быть измерена по всем поверхностям, кроме поверхности, на которой она установлена. А если установить эту деталь на специальную подставку, чтобы она не располагалась всей плоскостью на столе, то можно будет измерить элементы этой детали на всех поверхностях без перестановки, за исключением частей поверхности, на которых деталь установлена. Измерения на КИМ осуществляются при относительных перемещениях детали и датчика контакта. В разных конструкциях машин эти относительные перемещения осуществляются по-разному — перемещением датчика касания по всем координатным осям или по некоторым координатам перемещается измеряемая деталь. Единого подхода здесь нет, но чаще деталь при измерении неподвижна, а датчик касания перемещается. Такую компоновку используют при измерении крупногабаритных деталей с большой массой. При измерении небольших деталей стол с деталью часто перемещается по одной координате и редко по двум. Название осей Х, У, Z весьма условно, чаще всего ось с наибольшим диапазоном измерения этой машины называют осью Х, а ось, перпендикулярную основанию, — осью Z. Но бывают и другие обозначения.

Всю совокупность конструктивных решений КИМ можно, в определенной мере условно, разделить на три группы в зависимости от конструкции узла и его расположения, на котором находится датчик касания: машины консольного, портального и мостового (на колоннах) типов.

Консольные КИМ — это машины (приборы), в которых датчик касания расположен на консоли (рис. 1.1).

Часто эти КИМ называют машинами стоечного типа, так как при консольном расположении датчика касания устанавливается одна стойка, которая может быть как неподвижной, так и перемещаться. По своему назначению и по конструкции эти машины могут быть разделены на две группы.

В машинах первой группы стойка для установки на консоли датчика сделана относительно легкой (рис 1.1 а), б), в)) и часто перемещается на большую длину при измерении. Иногда эти машины называют координатно-разметочными, потому что их в большинстве случаев используют не только для измерения, но и для разметки, особенно крупногабаритных деталей.

В консольных машинах второй группы для установки датчика касания сделана стойка тяжелой конструкции, перемещающаяся на небольшую длину по одной координате.

Консольные машины первой группы предназначены для измерений с невысокой точностью из-за невысокой жесткости. Для повышения точности иногда вводят поправки на деформации системы с помощью дополнительных программ. Диапазон измерений таких машин самый разнообразный: от малых (300-700 мм) по всем осям до 24 м по одной из осей (Х).

Консольные КИМ с большим диапазоном измерения используют в основном для измерения корпусных деталей самолетов, кораблей, автомашин и т. д. Таких машин иногда устанавливают на одной измерительной позиции по две и более с независимыми системами. При этом управляются они чаще всего от одной эвм и могут одновременно работать для измерения одного объекта независимо друг от друга. К этому же типу машин можно отнести КИМ, которые получили название измерительные роботы. В принципе, это консольная КИМ, предназначенная для установки непосредственно у конвейера автоматической линии в том числе и в гибких производственных системах.

6 стр., 2692 слов

Робототехнологические комплексы (РТК) и гибкие производственные ...

... деталей с вытянутой осью (круглого, квадратного и прямоугольного сечений) массой 0,4—2,0 т. 2 Гибкие производственные модули (ГПМ) 2.1 Общее представление о гибких производственных модулях Гибкие производственные модули (ГПМ), ... перемещается на один шаг, а ПР возвращается к подающему конвейеру за очередной деталью. ... сварки рамы с кожухом стиральной машины выполнен на базе подвесного устройства ...

Консольные машины второй группы со стойкой тяжелого типа обладают большей жесткостью, чем первые машины, и предназначены для измерения с высокой точностью. В разных конструкциях этих КИМ при измерении в направлении оси Х перемещается стол или стойка, по оси У — суппорт по консоли (стреле) или перемещается вся консоль, а по оси Z перемещается пиноль, в которой закреплен датчик касания.

Консольные КИМ второй группы обычно предназначены для измерения деталей относительно небольших размеров (500х500х500 мм).

Достоинство всех машин консольного типа по сравнению с другими машинами — хороший доступ к измерительной позиции. При установке детали на измерение к ней можно подойти с трех сторон и имеется хороший обзор за процессом измерения. На консольных машинах со стойками тяжелого типа оператор может работать сидя.

Рис. 1.1 Консольные КИМ.

а) Универсальная 5 осевая стоечная измерительная машина ЧПУ с бесступенчатым поворотновращательным устройством. Одно- или многостоечное исполнение.

б) Stiefelmayer тип С.

Направляющие сбоку на измерительной плите 3-х осевое управление ЧПУ (IS 1070) в качестве дополнения.

Идеально подходит для измерения и разметки в производстве форм и моделей, для конструкторских исследований и для контроля крупногабаритных деталей в машиностроении, кузовном производстве и в самолётостроении

в) Stiefelmayer тип D.

Направляющие на измерительной плите, возможно исполнение на уровне пола.

Особенно надёжная и нечувствительная к загрязнению. Особенно подходит для работы дизайнеров.

Портальные КИМ — машины (приборы), в которых датчик касания расположен на портале (рис. 1.2).

В КИМ портального типа датчик касания расположен на верхней части портала, т. е. балки, и перемещается с суппортом вдоль портала (по оси Y или А) вместе с пинолью (ось Z).

По конструктивным решениям портальные машины можно разделить на машины с неподвижным и подвижным порталами.

Машины с подвижным порталом изготавливают для измерения деталей относительно небольших (500- 600 мм) и больших размеров (до 2500 мм).

Обычно стол в этих машинах значительно длиннее диапазона измерения по горизонтальной оси, что обеспечивает свободный доступ к измеряемой детали и позволяет производить установку детали для измерения на одном конце стола, в то время как на другом конце производится измерение другой детали. У этого вида машин обычно большая скорость измерения, что обеспечивает высокую производительность. Однако быстрое перемещение портала с суппортом и пинолью, т. е. узлов с относительно большой массой, может привести к появлению перекосов портала и к дополнительным погрешностям измерения. Особенно значительным перекос может быть в тех случаях, когда привод для перемещения портала не находится в центре тяжести последнего.

7 стр., 3098 слов

Методы измерения и измерительные приборы

... приборов. метод измерение назначение прибор 1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ, Измерительный прибор Измерительные приборы различаются типом выходной информации: приборы с аналоговой (непрерывной) выходной информацией, в ... измерительных приборов и измерительных преобразователей, с помощью которых разнообразные физические величины преобразуются в механическое перемещение ... измеряемой детали. По ...

В машинах с неподвижным порталом и подвижным столом более высокая точность измерения, чем у машин с подвижным порталом, и, прежде всего, из-за динамических погрешностей, поскольку в этих машинах подвижный узел, т. е. стол, можно сделать более жестким, направляющие разнести на большую длину и установить привод в центре тяжести подвижного узла.

По сравнению с консольными, портальные машины обладают большей жесткостью, а, следовательно, в таких конструкциях можно обеспечить более высокую точность. Современные точные КИМ, как правило, портального типа.

Рис. 1.2 Портальные КИМ.

а) Универсальные, точные, быстрые.

Массивная стальная конструкция.

Не требуется отдельный фундамент.

Для экономичного обслуживания производственного процесса изготовления крупногабаритных деталей и приспособлений с наивысшими требованиями по точности и универсальности.

6) Расширение областей применения за счёт растрового поворотно-вращательного устройства RDS. Высокоточное и быстрое пространственное позиционирование сенсоров с маленьким угловым шагом (2,5 градуса) и с высокой повторяемостью (± 1) Возможно более чем 20 000 позиций .

Поворотная и вращательная оси с поворотом на ± 1800и глубиной проникновения более чем 300 мм. Экономичный серийный контроль в производстве или входной контроль.

Гибкая в инструментальном и модельном производстве.

Мостовые КИМ — приборы, в которых подвижный элемент располагается на колоннах (стойках) и при измерении датчик касания перемещается по всем координатам. В принципе, мостовые КИМ аналогичны по конструкции портальным машинам с неподвижным порталом. В машинах мостового типа или, как их еще часто называют, в машинах на колоннах, установлено несколько неподвижных опор (колонн), на которых расположены направляющие для перемещения балки (моста) (ось Х).

По балке (мосту) перемещается суппорт (ось Y), на котором расположена пиноль (ось Z) с установленным на нем датчиком касания. В определенной мере условно эти КИМ можно разделить на два вида машин: со столом (рис. 1.3, а) и без него (рис. 1.3, б).

Но у последних машин все равно имеется площадка для размещения измеряемых деталей.

Большинство мостовых машин не имеет столов. Назначение мостовых машин аналогично консольным машинам первого вида (рис. 1.3 а, б), т. е. для измерения и разметки крупногабаритных деталей в транспортном машиностроении, авиастроении, атомной промышленности и т. д. По сравнению с консольными машинами, машины мостового типа обладают более высокой точностью благодаря более жесткой конструкции. Некоторым неудобством КИМ мостового типа является затрудненный доступ к измеряемой детали.

Рис. 1.3 Мостовые КИМ.

Помимо рассмотренных типов машин (консольных, портальных и мостовых) имеются комбинированные конструкции, например сочетания консольного и мостового типа, поэтому рассмотренную классификацию можно считать достаточно условной.

1.3 Конструкции функциональных узлов координатно-измерительных машин

Как бы ни отличались друг от друга конструктивные схемы КИМ, каждая из них имеет набор определенных конструктивных узлов, выполняющих определенные функции.

6 стр., 2750 слов

Точность механической обработки деталей машин

... деталях, различных параметров. Если после измерения партию деталей разбить на группы с одинаковыми размерами, и отклонениями и построить графическую зависимость ,то получим кривую распределения размеров, которая характеризует точность обработки деталей. ... деталей машин качество их изготовления зависит от технологических факторов , в большей или меньшей степени влияющих на точность обработки ...

Можно выделить следующие конструктивные узлы: станина, стол, направляющие, измерительная система, датчик контакта, устройство для цилиндрических координат поворотный стол. Коротко рассмотрим особенности этих функциональных узлов.

Станина. Каких-либо специфических требований к станинам КИМ по сравнению с другими машиностроительными изделиями, например станками, практически нет. Как и в других изделиях, станина несет на себе все остальные функциональные узлы и должна обеспечивать требуемую жесткость для ограничения величины деформации во всех положениях подвижных частей при измерении деталей. Станины для КИМ с небольшим диапазоном измерения изготавливаются литыми или сварными, а для большого диапазона измерения — только сварными. В станинах должны быть предусмотрены элементы конструкции, обеспечивающие демпфирование от колебаний, поступающих извне и от собственного привода.

Станину обычно устанавливают на три (и более) точки на специальный фундамент или демпфирующие опоры в виде резинометаллических элементов или пневматики. Большие машины размещают на специальные фундаменты, конструкции которых определяются изготовителем машин.

Стол. Предназначен для установки измеряемой детали, и каких-либо специфических требований по сравнению, например, со столами станков, на которые устанавливается деталь при обработке, практически нет. Во многих случаях деталь при измерении должна закрепляться, поэтому столы снабжаются либо пазами, в которых можно разместить специальные державки, либо имеются резьбовые гнезда. Обычно жесткие требования к плоскостности стола не предъявляются, поскольку у большинства машин поверхность стола не является базой и в процессе измерения за базу может быть принята любая поверхность детали, т. е. осуществлено так называемое программно-математическое базирование. В КИМ для измерения относительно небольших деталей (до 500 мм) столы иногда делаются подвижными, а для измерения больших деталей — неподвижными. Материалом для изготовления стола может быть сталь, чугун, но в большинстве случаев используют твердые каменные породы, например черный гранит. Во многих КИМ каменные породы применяют не только для изготовления столов, но и опор и других деталей (например, направляющих пиноли).

Материал твердокаменной породы по сравнению со стальными обладает рядом

преимуществ:

* отсутствуют внутренние напряжения, так как материал прошел многолетнее

естественное старение, но только в том случае, если камень добывался без взрыва;

  • легко обрабатывается;
  • коррозиестойкий;
  • при механических повреждениях не появляются заусеницы;
  • пренебрежимо малый коэффициент температурной деформации;
  • антимагнитность и неэлектропроводность;
  • относительно невысокая стоимость.

Обычно отмечается один недостаток каменных пород — гигроскопичность, т. е. при большой влажности (обычно более 60%) впитывается влага и меняется размер.

Направляющие. Точность перемещения по всем трем координатам обеспечивается в значительной мере точностью используемых направляющих. Основное требование, предъявляемое к направляющим, заключается в обеспечении прямолинейности перемещения подвижных частей в требуемых пределах. В качестве материалов для изготовления направляющих используют сталь или твердокаменные породы.

14 стр., 6820 слов

Технологические устройства для измерения углов

... измерительной техники постоянно находятся в поиске новых технологий, направленных на улучшение характеристик приборов, повышение показателей надежности. В данной работе мы рассмотрим устройства для измерения углов. ... в точке n1. Точку n1 соединяем с точкой А1 и получаем угол В1А1С1, величина которого равна заданному углу ВАС. 2. Уровень Умровень (ватерпамс) -- инструмент для проверки угла ...

В направляющих применяют три вида подшипников: скольжения, качения и аэростатические.

Подшипники скольжения используют в наиболее точных КИМ с малым пределом измерения и при измерении с небольшой скоростью. Направляющие на подшипниках скольжения допускают большие усилия от привода и значительные нагрузки. Их недостатки в относительно быстром износе из-за трения, необходимости в постоянной смазке, в чувствительности к загрязнению, а, следовательно, они дорого обходятся в эксплуатации. В современных машинах направляющие скольжения применяются редко.

Подшипники качения используют в КИМ со стальными направляющими. Подшипники качения могут обеспечить хорошую точность при больших нагрузках и незначительном трении. Типичным недостатком подшипников качения является подверженность их коррозии и загрязнению.

Аэростатические подшипники применяют во всех КИМ благодаря многим достоинствам.

Чаще всего их используют в сочетании с направляющими из твердокаменных пород и значительно реже со стальными направляющими. Основными достоинствами направляющих с аэростатическими подшипниками являются:

  • простота и точность изготовления;
  • практически исключается трение и износ;
  • обеспечивается равномерное движение без скачков;
  • сглаживаются отклонения от плоскостности направляющих с небольшим периодом;
  • обеспечивается перемещение больших масс при статических и квазистатических нагрузках;
  • обеспечивается самоцентрирование при предварительном натяге;
  • обладают свойством самоочищения.

Одним из недостатков таких подшипников является необходимость иметь компрессор для получения сжатого воздуха и устройство для подготовки воздуха. Необходимо также принимать меры, препятствующие «опрокидыванию» подвижных элементов при нагружении их моментом сил, например, при установке детали, смещенной далеко от центра тяжести.

Привод. В КИМ используют ручной привод или от электродвигателей. Чаще всего используют реверсивные электродвигатели постоянного тока, в основном с дисковым ротором, так как они отличаются хорошими динамическими свойствами. Скорость перемещения в некоторых машинах составляет до 1 м/с в момент измерения, в то время как при необходимости точного позиционирования эта скорость должна быть менее 1 мкм/с. При больших скоростях перемещения необходимо, чтобы остановка происходила без колебаний с большой амплитудой. От привода требуется, чтобы движения от двигателя к подвижным узлам передавались с небольшим усилием и не было повреждений при непредвиденных столкновениях подвижных узлов с каким-либо препятствием. Для этого между электродвигателем и подвижным узлом вводится промежуточный элемент с демпфирующими свойствами в виде приводных ремней, зубчатых ремней. Усилие передается через ленты, фрикционные пары, зубчатые рейки, ходовые винты, цепи и шпиндели на шариках. Передача усилий от электродвигателя должна осуществляться таким образом, чтобы исключалась возможность появления сил, действующих перпендикулярно направлению движения подвижных узлов. Целесообразно, чтобы точка приложения усилия совпадала с центром тяжести подвижного узла.

Измерительная система. Как было сказано ранее, принципиальная схема КИМ состоит из систем для отсчета линейных перемещений, расположенных по трем координатным осям, т. е. устройств, с помощью которых можно определить величину перемещения по каждой оси, что в общем виде дает возможность определить положение точки в пространстве.

В принципе, любая измерительная система должна состоять из двух частей многозначной меры (в частном случае линейной шкалы), воспроизводящей длину в определенном диапазоне, и устройства для считывания значения перемещений по этой мере. Одна из этих частей устанавливается на подвижных узлах, а другая — на неподвижных. При расположении считывающих устройств на неподвижных узлах облегчается передача информации от измерительной системы, поэтому шкалы устанавливают на подвижных узлах. Все измерительные системы дискретного типа, т. е. выдают сигналы в виде отдельных (дискретных) импульсов, причем значение одного импульса (дискретность) соответствует определенной величине линейного перемещения подвижного узла. Во всех измерительных системах отсчет значений можно выполнять с любого места положения подвижных частей. Поэтому часто говорят, что нулевой отсчет может быть в любом месте или система имеет «плавающий» ноль.

К измерительным системам КИМ предъявляют следующие требования:

  • защищенности от загрязнения, например от пыли и масла;
  • высокой износостойкости;
  • защищенности от внешней среды (температуры, давления воздуха, влажности);
  • точности измерения, особенно в отношении равномерности дискретных значений, поскольку накопленные погрешности могут быть скорректированы программным обеспечением;
  • точности интерполяции между дискретными значениями меры (шкалы);
  • при больших диапазонах измерения, когда мера составляется из отдельных кусков, особое внимание обращается на места стыкования отдельных мер.

Вполне естественно, что погрешность измерительных систем должна быть меньше погрешности измерения по отдельным координатам, поскольку к погрешности измерительной системы добавляется влияние других составляющих погрешности. При расположении отсчетных систем в КИМ нарушается принцип Аббе так как масштаб (шкала) измерительной системы и измеряемый размер расположены параллельно, а не последовательно, а в этом случае возникает погрешность отсчета от перекоса детали относительно масштаба. И эта погрешность будет тем больше, чем больше расстояние от меры до измеряемого размера. Из-за особенностей конструкции КИМ измерительные системы приходится размещать по краям пространства, в котором должны осуществляться измерения. Иногда удается измерительные системы по некоторым координатам разместить по оси измеряемого пространства, т. е. посередине между направляющими.

В КИМ для большого диапазона измерения, когда направляющие расположены далеко друг от друга, иногда устанавливают две измерительные системы для одной координатной оси и отсчет выполняется одновременно по двум системам. По двум отсчетам по каждой измерительной системе определяют действительное значение перемещения по этой координатной оси в отношении точки, которая измеряется в данный момент, т. е. положение измеряемой точки относительно этих двух отсчетных систем.

Такое положение измеряемой точки определяется по отсчетной системе другой координатной оси, расположенной перпендикулярно оси с двумя отсчетными системами. Две отсчетные системы обычно устанавливаются по координатным осям с большим диапазоном измерения.

Наиболее часто в измерительных системах применяют зубчатые рейки, ходовые винты, штриховые меры и лазерные интерферометры.

Датчик контакта (касания).

Прежде чем рассматривать этот функциональный узел, который имеется во всех КИМ, еще раз рассмотрим принцип измерения на машинах. С помощью КИМ измеряют положение точек, принадлежащих данной поверхности в пространстве, т. е. определяют значения трех координат — X, Y, Z. Правда, используют иногда и координату ц. Значения координат определяются с помощью рассмотренных перед этим измерительных систем. Следовательно, при измерении на КИМ, особенно в автоматическом режиме, необходимо с помощью какого-то устройства зафиксировать (нащупать) точку, положение которой измеряется. Вот для такой фиксации и используются в КИМ датчики контакта, которые называют датчиками касания, контактными головками, измерительными головками, контактными датчиками, индикаторами контакта, а иногда и системами зондирования и даже щупами. Но более правильно называть их датчиками контакта или датчиками касания, поскольку их основное назначение в выдаче сигнала на считывание значений одновременно всех координат в тот момент, когда датчик своим наконечником коснется какой-либо точки на измеряемой поверхности. При работе датчик контакта чаще всего устанавливается на пиноли, перемещающейся в вертикальном направлении. Конструкций датчиков касания разработано очень много, но по принципу работы их разделяют на жесткие (механические), электронные и оптические.

Измерительные наконечники. Все контактные датчики снабжаются большим набором измерительных наконечников. Во всех видах датчиков предусмотрена возможность установки нескольких наконечников (до 5 штук).

Делается это для того, чтобы имелась возможность проникнуть к закрытым поверхностям детали сложной формы и упростить такой доступ, а также сократить расстояния при переходе от одной поверхности к другой, что повышает производительность измерения. В большинстве случаев используют сферические измерительные наконечники, изготавливаемые из твердого сплава или синтетического рубина. Из-за относительно небольших измерительных усилий износ наконечников практически не происходит. В комплект наконечников иногда включаются и диски нескольких диаметров. Они нужны для того, чтобы измерять диаметры цилиндров на определенной глубине

Сферические наконечники устанавливают по нескольку штук на один стержень. Эти наконечники образуют «звездочку» для использования вместо дисков. Установку наконечников осуществляют на стержнях-удлинителях чаще всего из алюминия, а иногда из титана или кремния. Возможная деформация стержня в процессе измерения, а также значения диаметра измерительного наконечника могут быть учтены в результатах расчета измеряемого параметра. Для этого в состав всех КИМ входит аттестованная (измеренная) сфера или кубик. В ЭВМ определяется значение диаметра шарика наконечника и величина прогиба стержня. При расчетах ЭВМ в дальнейшем учтет действующий диаметр шарика. Считается, что в этом случае получаются результаты, как при измерении с шариком, радиус которого равен нулю.

Круглые столы. Процесс измерения многих видов деталей, имеющих круглую форму или представляющих собой симметричную форму, значительно упрощается при использовании круглого стола. Введением круглого стола в машину вводится четвертая координата. Круглый стол подключен к ЭВМ, и результаты измерения поступают на обработку, как от линейных измерительных систем, так и от угловой системы. Имеется несколько типоразмеров круглых столов, устанавливаемых в разные типоразмеры машин. В большинстве КИМ круглый стол является съемным, т. е. устанавливается по мере надобности

Изготавливаются специальные КИМ для измерения зубчатых колес, и в этих машинах круговой стол встраивается в стол машины, а на его оси устанавливаются центровые базирующие элементы или кулачковые патроны. При использовании круглых столов также осуществляется корректировка погрешности установки детали на стол или круглого стола на столе машины.

Измерение деталей симметричной формы значительно упрощается, когда вместо перемещения измерительного наконечника на симметричную поверхность деталь разворачивается к измерительному наконечнику поверхностью, которая должна быть измерена. При этом сокращается время на измерение и уменьшается число измерительных наконечников. В круговых столах используют стеклянные угловые лимбы. Считывание импульсов осуществляется с двух краев лимба, расположенных под углом 180°. Интерполяцией импульсов, характеризующих угловой поворот стола, получается цена деления выдаваемого сигнала в пределах 1°. Скорость установочного перемещения — в пределах 15° в секунду.

Наиболее часто угловые столы применяют при измерении зубчатых колес по профилю и винтовой линии, при измерении кулачков, распределительных валиков и подобных деталей. Измерение сложных профилей осуществляется практически непрерывно (в режиме сканирования).

Круглые столы имеют погрешность позиционирования в пределах ±1,5″. Диапазон наклонно-поворотных столов 320 мм, а столов с вертикальной осью 800-1250 мм.

1.4 Математическое обеспечение координатно-измерительных машин

Определение различных размеров и нормируемых геометрических параметров (отклонение расположения, отклонение формы и т. д.) получается не измерением, а расчетом при использовании данных о координатах определенного числа координат измеренных точек.

Расчеты различных геометрических показателей и размеров осуществляются с помощью ЭВМ, без которой не может работать КИМ. Все ЭВМ, входящие в состав КИМ, имеют набор измерительных программ (алгоритмов).

Другими словами, алгоритм применительно к задачам измерения содержит формулы или набор формул, по которым осуществляется расчет определенных параметров по результатам измерения координат отдельных точек.

Библиотека программ по измерениям, находящаяся в ЭВМ КИМ, включает в себя: стандартные программы для определения параметров элементов правильной геометрической формы, программы для статистической обработки результатов измерения и специальные программы, используемые при измерении сложных кривых 2-го и 3-го порядка, например, при измерении зубчатых колес, кулачков и др., в том числе пространственных кривых.

Принцип построения программ для расчета геометрических элементов деталей по результатам измерения положения точек заключается в следующем. Как бы ни была сложна форма любой детали, ее можно разделить на несколько элементарных форм и составить алгоритм (программу) для расчета размеров этих простейших элементов. Так, практически во всех КИМ в качестве элементов деталей, для которых составляются исходные программы, используется точка, прямая, окружность, эллипс, плоскость, цилиндр, конус, сфера.

1.5 Измерения на координатно-измерительных машинах

На КИМ измеряются только координаты в пространстве отдельных точек измеряемой поверхности, а значения размеров отдельных элементов и других нормируемых параметров геометрической точности рассчитываются по этим измеренным координатам.

Измерения на КИМ могут проводиться в трех режимах: ручном, полуавтоматическом и автоматическом.

В ручном режиме перемещение датчика контакта к измеряемой точке осуществляется оператором перемещением непосредственно за крепление датчика на пиноли. У некоторых машин с ручным управлением имеется пульт, рычагами которого оператор управляет перемещением датчика.

При полуавтоматическом режиме управление перемещениями датчика контакта осуществляется оператором при помощи рычагов, расположенных на пульте. Измерение осуществляется в диалоговом режиме с ЭВМ. Вызов программ, сравнение рассчитанных значений с допускаемыми выполняется автоматически по заданным программам оператором с пульта машины. Управление перемещением датчика контакта осуществляется оператором также с пульта.

Автоматический режим — режим измерения, когда все действия, необходимые для измерения детали, осуществляются по заданной программе и управление перемещением датчика контакта также выполняется с помощью ЭВМ без участия оператора.

При любом режиме измерения должна быть предварительно разработана методика проведения измерений или, как часто говорят, составлена программа измерения конкретной детали. При ручном режиме измерения эта программа составляется и практически одновременно реализуется оператором.

Программа для измерения включает в себя решение о последовательности измерения отдельных точек, отдельных элементов детали (стратегия измерений), о числе точек, которые должны быть измерены, а также параметры геометрической точности, которые необходимо рассчитать, данные, выводимые на протокол в результате измерения, и т.д. Программы не связаны с конкретными размерами измеряемой поверхности, а только зависят от параметров, которые необходимо выяснить, например, диаметр окружности или отклонения расположения.

Если необходимо измерить одну оригинальную деталь и такие детали в дальнейшем поступать не будут, то измерение выполняется в полуавтоматическом режиме при диалоге с ЭВМ. Например, оператор указывает, что ему необходимо определить соосность двух цилиндров. ЭВМ запрашивает оператора о числе точек, которые он собирается измерить, что принимается за базу, как задан допуск, зависимым или независимым и т.д., т.е. сведения, необходимые для однозначного решения. После каждого вопроса оператор должен дать ответ. После того как запрашиваемые данные введены в ЭВМ, оператор измеряет положение отдельных точек и вызывает протокол со сведениями, которые он ранее запросил при составлении управляющей программы.

В случае, когда необходимо измерить партию одинаковых деталей или деталей, которые периодически будут повторяться при изготовлении, измерения производятся в автоматическом режиме. Для реализации этого режима должна быть составлена управляющая программа на конкретный типоразмер детали с конкретными требованиями к параметрам ее геометрической точности.

В этой управляющей программе указываются последовательность проведения измерений положения отдельных точек, их число, а также последовательность вызова подпрограмм из ЭВМ для обработки значений тех или иных параметров, значения номинальных размеров, допускаемые отклонения и, наконец, сведения, которые необходимо внести в протокол измерения. При использовании автоматического режима измерения и подготовки управляющей программы деталь устанавливается в определенное место пространства КИМ и после подвода наконечника датчика к исходной точке в дальнейшем весь процесс осуществляется автоматически.

Подготовка управляющих программ для измерения деталей в автоматическом цикле может быть осуществлена способом «самообучения» и дистанционным программированием.

Самообучающееся программирование заключается в том, что программы составляются одновременно с измерением первой детали из партии, которая должна быть измерена. Эти первые измерения проводятся в полуавтоматическом режиме, Т.е. оператор, используя рычаги пульта управления на КИМ, выполняет измерение этой детали.

Дистанционное программирование заключается в том, что управляющая программа составляется по чертежу детали, когда она еще не изготовлена. Часто этот прием называют способом редактирования. Программирование осуществляется оператором на рабочем месте программиста с тем же компьютерным оснащением, что и КИМ, для которой эта программа составляется. В процессе этого программирования наиболее трудные места могут быть не включены в программу, и программа потребует дополнений при измерении первой изготовленной детали. При измерении первой детали исправляются возможные ошибки при дистанционном программировании.

Программирование самообучением обладает тем достоинством, что не требуется оператор-программист, а недостаток в том, что занята машина на программирование. При дистанционном программировании недостаток в том, что сложно иногда представить себе пространственную фигуру объекта измерения, требуется квалифицированный программист и, как правило, необходима дополнительная отладка программы по обработанной детали.

1.6 Составляющие погрешности измерения на координатно-измерительных машинах

На погрешность измерения при использовании КИМ влияют следующие погрешности:

  • от механической части;
  • от измерительных (отсчетных) систем;
  • от контактирования;
  • от воздействия окружающей среды;
  • методические погрешности.

Погрешность от механической части. Погрешность от механической части машины связана с тем, что перемещение по координатным осям осуществляется в действительности не по прямым линиям и не перпендикулярно друг к другу. Эта погрешность зависит от точности изготовления направляющих, от точности монтажа, трения в направляющих, наличия люфтов, прогиба под действием собственного веса подвижных частей, инерционности движущихся масс и некоторых других причин. Погрешность эта носит систематический и случайный характер.

Погрешность от измерительных систем. Эта погрешность зависит от погрешности используемых масштабов (шкал), от преобразований для получения дискретных более мелких значений, чем на шкале, с помощью дополнительных устройств, от отклонения от параллельности расположения отсчетных систем относительно координатных осей (например, от нарушения принципа Аббе).

Погрешности, зависящие от измерительных систем, являются в основном систематическими и в значительной мере компенсируются введением соответствующих поправок с помощью ЭВМ.

Погрешность от контактирования. Возникает эта погрешность от погрешности датчика контакта, от динамических условий измерения, т. е. измерений в процессе движения. Как было показано ранее, существуют электронные измерительные датчики контакта и переключающиеся датчики. Последние выдают команду на считывание значений координат измеряемой точки во время перемещения узлов машины (динамические условия), а первые — при остановке (статические условия).

Поэтому и погрешности, зависящие от датчиков контакта, отличаются.

В общем виде можно сказать, что датчики переключения работают быстрее, а измерительные датчики — точнее. Погрешность от датчиков включает в себя деформации наконечника, изгиб стержня, на котором установлен наконечник.

Погрешность от влияния окружающей среды. Эта погрешность возникает от деформаций элементов машины и измеряемой детали под действием температуры, от влажности воздуха и вибраций в месте установки машины. Погрешность от температурных деформаций, как и при использовании других средств измерения, возникает при отклонениях температуры от 20°С и колебаний температуры в процессе измерения, от разности температур измеряемой детали и деталей КИМ. Влажность воздуха влияет на деформации узлов машины, изготовленных из гранита.

Вибрации машины приводят к смещению измерительных систем и, прежде всего, шкал, которые чаще всего расположены неподвижно относительно наконечника датчика контакта.

Учесть влияние окружающей среды на погрешность измерения практически невозможно, поэтому КИМ должны всегда устанавливаться на виброизолирующем фундаменте или опорах в специальных помещениях, где поддерживается постоянная температура, а детали перед измерениями необходимо выдержать на машине, с тем чтобы их температуры выровнялись.

К внешним источникам составляющих погрешности измерения можно отнести и неправильное закрепление детали, например, с деформацией ее.

Методическая погрешность измерения. Этот вид погрешности связан с тем, что на КИМ измеряются координаты положения отдельных точек в пространстве. Вполне естественно, что измерить все точки на поверхности измеряемого элемента невозможно, а следовательно, всегда возможно положение, при котором предельные выступающие точки этой поверхности не будут измерены. Как говорилось ранее, для определения диаметра идеальной окружности достаточно определить положение трех точек. На реальной окружности всегда будет отклонение формы, т. е. отклонение от круглости. Можно также говорить о влиянии отклонений формы на погрешность измерения.

Следовательно, под методической погрешностью, а более точно, под методической составляющей погрешности измерения понимают погрешность, связанную с используемой методикой измерения, в результате которой не выявляется размер, «действующий» при сборке измеренного элемента. В связи с этим при измерении предусмотрена возможность измерять большое число точек на одной поверхности

Другая часть методической погрешности связана с алгоритмом обработки результатов измерения координат точек, расположенных на реальной поверхности, т.е. имеющей отклонения формы. После измерения большого числа точек во всех КИМ рассчитывается средний размер измеряемого элемента (средний диаметр окружности, средний диаметр цилиндра, средняя прямая и т. д.).

Однако при нормировании точности геометрических параметров, относящихся к размерам, отклонениям формы и расположения, за основу принимается так называемая прилегающая поверхность. Так, за наибольший размер вала должен приниматься размер идеального цилиндра, который проходит через выступающие точки реального цилиндра (прилегающий или описанный цилиндр).

При расчетах результатов измерения на КИМ определяются размеры и положения не прилегающих, а средних поверхностей. В общем случае оси прилегающих цилиндров и средних цилиндров не совпадают, а, следовательно, в результаты математической обработки войдет методическая ошибка, в данном случае из-за неточности алгоритма, по которому ведется расчет.

Расчет средних поверхностей вместо прилегающих объясняется тем, что этот расчет более простой и занимает меньше машинного времени (его часто называют методом наименьших квадратов).

Необходимо отметить, что методическая погрешность измерения имеет место и при других видах измерений. Например, при измерении диаметра вала с помощью микрометра тоже не находят диаметр прилегающего цилиндра для определения наибольшего диаметра. Но при этих измерениях оператор не связан измерением ограниченного числа точек, а производит некоторое число измерений, направленных на то, чтобы выявить предельные размеры. При этом последовательность измерений и число измеренных сечений может быть разным для одинаковых деталей. Но для КИМ, где методика измерений в большинстве случаев запрограммирована, а процесс измерения относится только к отдельным точкам, методическая составляющая погрешности измерения является специфичной и часто доминирующей погрешностью.

1.7 Координатно-измерительная машина prismo «carl zeiss»

Рис. 1.4 Координатно-измерительная машина PRISMO «CARL ZEISS».

Координатно-измерительную машину можно выбрать из довольно широкого модельного ряда в зависимости от потребности того какие детали нужно измерять, какие измерительные задачи решить, каковы производственные условия и возможностей предприятия.

Измерительный диапазон (XxYxZ)

Погрешность линейных измерений (мкм)

PRISMO 5

700х900х500

2.2 +L/300

PRISM07

900х1200х650

2.2 +L/300

PRISMO 7

900х1500х650

2.2 +L/300

PRISM07

900х1800х650

2.2 +L/300

PRISMO 7

1200х1800х1000

2.9 +L/300

PRISMO 10

1200х2400х1000

2.9 +L/300

Гранитный стол машины PRISMO закапсулирован, что позволяет использовать машину в условиях производства, например, в цеху. Массивный гранитный стол машины PRISMO полностью изолирован от термического воздействия. Температура окружающей среды, таким образом, не влияет на точность измерительной машины.

Рис. 1.5 Особенности конструкции.

а) Каждая машина PRISMO снабжена виброгашением. Специальный фундамент требуется в исключительных случаях. Без дооснащения можно свободно производить перепланировку в цехе. Это означает, гарантию долговременной точности в условиях производства.

б) Производственные условия жесткие. Облицовка всех горизонтальных направляющих защищает линейки от грязи и повреждений, что увеличивает долговечность машины.

в) Для большинства измерительных задач требуется большое количество щуповых комбинаций. Машина PRISMO оснащена приспособлением для смены щупов, магазином и зажимной тарелкой. Зажимные тарелки благодаря большому диаметру дают повышенную надежность даже при максимальной боковой нагрузке.

г) Портал перемещается на восьми воздушных подшипниках, имеющими режим аварийного хода. Они следят за тем, чтобы при минимальном расходовании воздуха достигалась долговременная стабильность. Эти воздушные подшипники полностью охватывают направляющую. Таким образом, при очень высоких скоростях измерения PRISMO гарантирует одинаково высокий уровень точности.

Рис. 1.5 (Продолжение).

д) Качество конструкции PRISMO гарантирует высокую прочность при скручивании, так как высоко расположенная У -образная направляющая дает возможность разместить справа короткую стойку. Таким образом, конструкция портала даже при измерительной высоте по Z до 1000 мм чрезвычайно жесткая. Даже при большом ускорении опрокидывающие усилия исключаются. Динамическая жесткость обеспечивает крайне короткое время успокоения и снижает время измерения. PRISMO сконструирована таким образом, что деформация, которая у традиционных систем должна корректироваться математически, вообще не происходит.

Более подробно рассмотрим щуповую головку:

Рис. 1.6 Щуповая головка.

Пиноль измерительной машины (ось Z измерительной машины).

Байонетная оправа для альтернативного подключения щуповой системы RDS/RST.

Кольцо с накаткой для тарировки щупов.

Щуповая головка ST3 с пьезодатчиком и контактом безопасности.

Устройство смены щупов с высокоточной трёхточечной опорой и магнитной фиксацией.

Съёмное щуповое устройство, состоящее из сменной тарелки и щуповой конфигурации, индивидуальной или соответствующей конкретной измерительной задаче.

Щуповая головка АТАС жёстко соединена через байонетную оправу с пинолью измерительной машины; при необходимости она может быть заменена щуповой систему RDS/RST. Щуповая головка АТАС позволяет устанавливать в ней любые щупы с помощью устройства смены щупов. Ощупывающее устройство состоит из сменной тарелки и щуповой конфигурации, которая может быть стандартизована (звездообразный щуп) или составлена индивидуально.

Высокоточная трёхточечная опора с магнитной фиксацией обеспечивает простую и быструю замену щупа. Совместно с магазином щупов возможна автоматическая смена щупов. После этого в общем случае могут сразу же, без дополнительной калибровки, про водиться дальнейшие измерения

Щуповая система АТАС имеет двойную расчленённую (аддитивную) защиту от столкновений, которая даёт пользователю и измерительной машине высшую степень безопасности.

Защита от столкновений щуповой головки по осям Х и Z измерительной машины постоянно проверяется, находятся ли тяговые усилия в пределах соответствующих заданных допустимых диапазонов. Благодаря этому контролю (контроль над приводами) тяговые усилия в обоих направлениях ограничены.

Если при перемещении предварительно заданное предельное значение для тягового усилия превышается, например, в случае столкновения в верхней части щуповой головки, то все осевые при вода для обеспечения безопасности сразу же отключаются.

Защита от столкновений ощупывающего устройства Подвижная часть щуповой головки АТАС имеет полноценную защиту от столкновений за счет самого ощупывающего элемента. При столкновении с щупом ощупывающее устройство может значительно отклоняться без повреждения при этом щуповой головки. Также и в этом случае все перемещения измерительной машины сразу же останавливаются, а привода осей временно отключаются.

Рис. 1.7 Механическая конструкция щуповой головки.

Место механического изгиба щуповой головки образуется прочной трёхточечной опорой, которая позволяет с помощью пружин возвращать щуп после ощупывания очень точно в его исходное положение.

Подключённый спереди пьезоэлектрический датчик обеспечивает одинаковую со всех сторон чувствительность при ощупывании.

Характер ощупывания является вследствие этого независимым от предварительного натяга места механического изгиба.

Щуп образует вместе со сменной тарелкой самостоятельный узел и поэтому может быть простым образом заменён другим. Высокоточное устройство сменной тарелки обеспечивает точное позиционирование, так что после смены щупа в общем случае не требуется последующей калибровки.

Рис. 1.8 Тарировка щуповой головки.