MECHANIK NR 12/2008

1051

* Prof. zw.dr inż. Eugeniusz Ratajczyk – Wyższa Szkoła Ekologii

i Zarządzania w Warszawie, Wydział Zarządzania

Rys. 1. Ramię pomiarowe Infinite produkcji firmy CimCore

Ramiona pomiarowe

– budowa, parametry techniczne, zastosowania

EUGENIUSZ RATAJCZYK*

Budowa i działanie współrzędnościowych ramion pomia-
rowych (portable CMM’s) różnych firm, ich parametry
techniczne i metrologiczne oraz przykłady zastosowań
w przemyśle.

Pomiary współrzędnościowe stanowią obecnie najbar-

dziej zaawansowany dział techniki pomiarowej stosowa-
nej w systemach kontroli jakości przemysłu maszyno-
wego, motoryzacyjnego i lotniczego, a także sprzętu
gospodarstwa domowego. Dominującymi urządzeniami
pomiarowymi są współrzędnościowe maszyny pomia-
rowe (CMM – Coordinate Measuring Machines). Dzięki
ich komputeryzacji, zarówno w zakresie procedur po-
miarowych, jak i sterujących, możliwe jest wykonywanie
pomiarów wielkości geometrycznych złożonych prze-
strzennie przedmiotów z wysoką dokładnością i w czasie
dostosowanym do rytmu produkcji, co pozwala na bez-
pośrednie oddziaływanie na jakość wytwarzania. Współ-
rzędnościowe maszyny pomiarowe są z założenia urzą-
dzeniami laboratoryjnymi, chociaż występują ich opcje
dostosowane do wykonywania pomiarów w otoczeniu
produkcji [1].

Współrzędnościowe maszyny pomiarowe – przez to, że

są urządzeniami złożonymi – są drogie i dlatego stosowa-
ne w większych zakładach produkcyjnych, w przemyśle
motoryzacyjnym, lotniczym itp. W ostatnich latach pojawi-
ły się prostszej konstrukcji urządzenia pomiarowe pracu-
jące w technice współrzędnościowej, które mogą być
stosowane w małych i średnich zakładach produkcyjnych,
a nawet w warsztatach prowadzących naprawy, np. na-
prawy samochodów. Urządzenia te, zwane współrzęd-
nościowymi

ramionami

pomiarowymi

(Coordinate

Measuring Arms; portable CMM’s) lub wprost ramiona-
mi pomiarowymi, są urządzeniami przenośnymi o stosun-
kowo nieskomplikowanej konstrukcji, chociaż o bogatym
oprogramowaniu.

Ramiona pomiarowe, w odróżnieniu od współrzędnoś-

ciowych maszyn pomiarowych, są urządzeniami przenoś-
nymi pracującymi w otoczeniu produkcji, a ponadto – co
jest również cechą charakterystyczną – mogą wykonywać
pomiary wewnątrz obiektów wielkogabarytowych.

W ostatnich latach obserwuje się zainteresowanie ra-

mionami pomiarowymi, zwłaszcza ze strony małych i śre-
dnich zakładów produkcyjnych. Dlatego też postanowio-
no zaprezentować tę tematykę, przedstawiając budowę
ramion, własności funkcyjne i metrologiczne, zastosowa-
nia oraz inne ich własności. Ze względu na stosunkowo
dużą objętość materiału postanowiono przedstawić ra-
miona pomiarowe w trzech kolejnych artykułach: część I
– budowa, parametry techniczne, zastosowania, część II
– pomiary skaningowe i pomiary w rozszerzonym za-
kresie oraz oprogramowania, cześć III – testy dokład-
ności.

Ramiona pomiarowe wytwarzane są obecnie przez

wiele firm, przy czym do najbardziej znanych zalicza się:

CimCore (USA) [1, 3

÷

6], która oferuje trzy rodzaje

ramion o nazwach Stinger II, 3000i i Infinite;

FARO (USA) [2, 3, 4, 8], oferującą takie rodzaje

ramion, jak: Gage, Gage Plus, Advantage, Platinum,
Titanium, ScanArm i ostatnio Quantum i Fusion;

niemiecką Zett Mess [9] (ramiona o symbolu AMPG);

ROMER (Francja) [7], oferującą ramiona Sigma,

Flex i Omega;

MATRIS (Belgia) [10], oferującą ramiona o symbolu

MCA.

W artykule zaprezentowane zostaną opisy działania,

własności metrologicznych i zastosowania niektórych
z tych ramion pomiarowych.

Ramiona firmy CimCore

Budowa i działanie ramion pomiarowych firmy Cim-

Core opisane zostaną na przykładzie ramienia Infinite,
jako przykład konstrukcji wspólnej dla wszystkich ramion
[1, 3

÷

6]. Cechami charakterystycznymi budowy ramion

są (rys. 1):

wykonanie z włókna grafitowo-węglowego zarówno

końcówek pomiarowych montowanych w głowicy 1, jak
i ramion 2 w celu uzyskania większej wytrzymałości
mechanicznej i odporności na zmiany temperatury w za-
kresie 0

÷

46

°

C,

zastosowanie enkoderów kątowych 3 firmy Heinden-

hain wykonanych specjalnie dla firmy CimCore,

zastosowanie przeciwwagi 4 opartej na dwóch siłow-

nikach kompensujących masę całego ramienia,

system mocowania do podłoża przez zaciski mag-

netyczne 5,

zastosowanie bezprzewodowej komunikacji pomię-

dzy ramieniem pomiarowym a komputerem w standardzie
WIFI oraz wyposażenie w zintegrowany akumulator Li-Io,

1052

MECHANIK NR 12/2008

Rys. 2. Przykład pomiaru ramieniem Infinite firmy CimCore

Rys. 3. Ramię pomiarowe Gage Plus firmy Faro

zamontowanie w głowicy pomiarowej 1 cyfrowej ka-

mery (opcja), pozwalającej na dokonywanie inspekcji
oraz na nanoszenie, w raporcie pomiarowym generowa-
nym przez oprogramowanie, wartości odchyłek poszcze-
gólnych punktów kontrolnych na rzeczywisty widok mie-
rzonego elementu,

zastosowanie systemu automatycznego rozpozna-

wania rodzajów użytych końcówek pomiarowych mon-
towanych w głowicy 1, bez potrzeby ich każdorazowej
kalibracji,

zastosowanie nieograniczonego obrotu ramion, co

zwiększa dostępność do mierzonej części z dowolnego
kierunku.

Dokładności ramienia pomiarowego Infinite dla kon-

figuracji sześcioosiowej wynoszą, w zależności od ro-
dzaju testu, od

±

4,3

µ

m do

±

13,6

µ

m dla najmniejszego

zakresu – 1200 mm (obejmującego przestrzeń 0,9 m

3

)

i od

±

42,5

µ

m do

±

63,8

µ

m dla zakresu 3600 mm

(obejmującego przestrzeń 24 m

3

).

Po włączeniu ramienia (jest ono trzymane przez opera-

tora tak, jak przedstawiono to na rys. 2) obsługujący
maszynę musi przejść przez punkty referencyjne wszyst-
kich osi, poprzez obrócenie o odpowiedni kąt każdego
z członów (analogicznie do najazdu na punkt referencyjny
przed pomiarem klasyczną maszyną współrzędnościo-
wą). Pomiar polega na doprowadzeniu przez operatora
do styku końcówki pomiarowej z powierzchnią mierzone-
go przedmiotu (np. karoserii), przy czym decyzję o tym
czy styk nastąpił, czy nie, podejmuje obsługujący, przez
zatwierdzenie współrzędnych mierzonego punktu przycis-
kiem na „nadgarstku” ramienia. Pomiar jest więc standar-
dowo przeprowadzany z głowicą sztywną, ale powszech-
na jest opcja ramion z zamocowaną głowicą skaningową,
a w przypadku ramion CimCore także z elektrostykową
głowicą przełączającą (PowerProbe firmy CimCore lub
TP200, TP20, TP2 [1] firmy Renishaw).

W momencie zatwierdzenia przez operatora punktu

styku końcówki i mierzonego przedmiotu następuje od-
czytanie współrzędnych kątowych z tarczowych układów
pomiarowych, odmierzających wartości kątów, o jakie
obrócone były poszczególne człony ramienia. Układy te
znajdują się w przegubach maszyny. Poprzez procedury
obliczeniowe współrzędne punktu są transformowane do
układu kartezjańskiego (x, y, z).

Ramieniem pomiarowym Infinite można mierzyć punk-

towo lub skaningowo zarówno małe elementy maszyn,
jak i elementy o dużych wymiarach, jak np. karoserie
samochodów. Za pomocą specjalnych końcówek typu
widełkowego można mierzyć bezstykowo różnego rodza-
ju rury, np. przewody hydrauliczne.

Ramiona Infinite wykonywane są w pięciu zakresach

pomiarowych. Zakresy te wynoszą 1200, 1800, 2400,
2800, 3000 i 3600 mm.

Dokładność ramion Infinite zależy od zakresu pomiaro-

wego: i tak – dla najmniejszego zakresu, wynoszące-
go 1200 mm dokładność wg testu A (test na kuli) wy-
nosi

±

0,004 mm, a wg testu C (test przestrzenny)

±

0,015 mm. Natomiast dla największego zakresu, wyno-

szącego 3600 mm, wartości testów A i C – odpowiednio

±

0,043 mm i

±

0,064 mm.

Inne ramiona firmy CimCore, jak np. Stinger II, od-

znaczają się mniejszymi dokładnościami (dwu- lub nawet
czterokrotnie), przy czym w modelu Stinger II występuje
ramię o zakresie 4800 mm. Ponadto zawiera ono opcję
pomiaru kątów wygięcia różnego rodzaju przewodów ru-
rowych, np. przewodów hydraulicznych.

Z kolei ramiona serii 3000i są pod względem dokładno-

ści opcją pośrednią między ramionami Infinite i Stinger II.
Natomiast odmiana ramion Stinger II o symbolu 3000iSC
została stworzona do pomiarów skaningowych.

Ramiona firmy Faro

Ramiona pomiarowe amerykańskiej firmy Faro [2, 3,

4, 8] oferowane są w różnych wersjach, o odmiennych
rozwiązaniach konstrukcyjnych i parametrach dokładno-
ści. Oprócz ramion Gage i Gage Plus, Advantage, Plati-
num, Titanium, Quantum, Fusion oraz ScanArm propono-
wany jest tzw. Laser Tracker.

Ramiona pomiarowe Platinum, Tytanium mają zakresy

pomiarowe zbliżone do tych, które mają ramiona Cim-
Core. Natomiast ramiona Faro Gage mają mały zakres
pomiarowy, nieprzekraczający 1200 mm i dlatego też
stosowane są do pomiaru elementów maszyn o stosun-
kowo niedużych wymiarach. Zakresy pomiarowe now-
szych opcji ramion firmy Faro – Fusion i Quantum wyno-
szą: Fusion 1,8; 2,4; 3; i 3,7 m, a Quantum 2,4 i 3,7 m.

MECHANIK NR 12/2008

1053

Rys. 4. Przykłady pomiarów ramieniem Gage firmy Faro w warun-
kach produkcyjnych

Rys. 5. Ramię pomiarowe Platinum firmy Faro i przykład pomiaru panelu kompozytowego dla
przemysłu lotniczego

Rys. 6. Ramię pomia-
rowe AMPG-P firmy
Zett Mess

Na rys. 3 przedstawiono ramię po-

miarowe Faro Gage Plus [2, 3, 4, 8].
Podstawka 1 (tzw. stopa) może być
mocowana do podłoża poprzez przy-
kręcenie, łączenie magnetyczne lub
pneumatyczne. Głowica 2 – sztywna
lub impulsowa – może być wyposaża-
na w przedłużacze oraz w różnego
rodzaju końcówki (nie tylko kuliste).
Na szczególną uwagę zasługuje gło-
wica impulsowa z wbudowanym prze-
twornikiem o nazwie FARO SEN-
SOR. Zakres pomiarowy po rozłoże-
niu ramion 3 i 4 wynosi maksymalnie
1200 mm. Ramiona 4 wyposażone są
w przeciwwagę, co umożliwia wykonywanie pomiarów
nawet jedną ręką. Mają one charakter urządzenia przeno-
śnego, wyposażonego we własne zasilanie akumulatoro-
we 5 wbudowane w podstawę. Mają także wbudowane
czujniki temperatury; dlatego pomiary mogą być wykony-
wane w zakresie 10

÷

40

°

C z gradientem 5

°

C/5 min.

Dopuszczalne przyspieszenie kątowe wynosi 105 rad/s

2

.

Ich graniczny błąd dopuszczalny (wg oznaczeń ISO
10360-2 z 1995 r.) wynosi E = 10+16L/1000 (

µ

m) dla opcji

standard (tj. ramienia Gage) i E = 5+8L/1000 (

µ

m) dla

opcji Faro Gage Plus. Stosunkowo nieduży zakres po-
miarowy i stosunkowo wysoka dokładność, a także mała
masa (8 kg), predestynują je do zastosowań w pomiarach
różnego rodzaju elementów maszynowych, motoryzacyj-
nych itp., wykonywanych w warunkach produkcyjnych.

Ramiona Faro Gage mogą być zastosowane również

bezpośrednio na stole obrabiarki, jak pokazano na rys. 4.

Pomiary mogą wykonywać operatorzy obrabiarek, któ-

rzy doskonale znają obrabianą część i sposób jej zamo-

cowania. Na bieżąco uzyskują oni dane pomiarowe przy-
datne w ocenie obrabianego elementu. Dzięki stopie

magnetycznej FARO Gage montuje się bezpośrednio
(np. na stole obrabiarki), a akumulator zapewnia działanie
urządzenia do 8 h bez zasilania zewnętrznego.

Ramiona Faro Platinum lub Titanium występują w pię-

ciu rodzajach, różniących się zakresem pomiarowym:
1200, 1800, 2400, 3000 i 3700. Dokładności ramion Plati-
num zmieniają się, w zależności od testu dokładności, od

±

5 do

±

18

µ

m dla najmniejszego zakresu, wynoszącego

1200 mm i od

±

53 do

±

86

µ

m dla zakresu największego,

wynoszącego 3700 mm. Ramiona pomiarowe Titanium
mają takie same zakresy pomiarowe, lecz dwukrotnie
większe błędy wskazań w stosunku do ramion Platinum.

Ramiona pomiarowe Platinum (rys. 5), tak jak i Tita-

nium, mają wbudowane sensory obciążenia, dające infor-
macje o obciążeniu, umożliwiające programową kompen-
sację ugięć poszczególnych tub ramienia pomiarowego.
Do budowy ramion zostały użyte specjalne materiały
(producent nie podaje ich nazwy), które zredukowały
masę ramienia o ok. 31% w stosunku do innych ramion
o tym samym zakresie pomiarowym. Ramiona pomiaro-
we Faro Advantage, o podobnej budowie i zakresach
pomiarowych jak poprzednie, różnią się dokładnością.
W zależności od rodzaju testu ich dokładność wynosi od

±

20 do

±

72

µ

m dla zakresu 1200 mm i od

±

213 do

±

345

µ

m dla zakresu 3700 mm.

Ramiona firmy Zett Mess

Niemiecka firma Zett Mess [9] wytwarza ramiona po-

miarowe również w dwóch wersjach o symbolach AMPG-S
i AMPG-P o podobnych zakresach pomiarowych, wyno-
szących 1200, 1500, 1800, 2400, 3000 i 3600 mm.

1054

MECHANIK NR 12/2008

Rys. 7. Przykład zastosowania ramienia HAMPG-P firmy Zett Mess
do pomiaru drzwi samochodu

Rys. 8. Ramię pomiarowe Sigma firmy
Romer

Rys. 9. Przykład zastosowania ramienia
Sigma firmy Romer

Na rys. 6 przedstawiono ramię

pomiarowe AMPG-P, które mocuje
się w statywie za pomocą zacisku 1,
przy czym statyw wyposażony jest
w elektryczne podnośniki i rolki 6.
Komputer 2 typu notebook, do ob-
sługi oprogramowania pomiarowe-
go, służy również do obsługi pneu-
matyki, ma bowiem zamontowany
do tego celu kontroler. Ramię wypo-
sażone jest w hamulce pneumatycz-
ne 3 sterowane kontrolerem radio-
wym oraz w przeciwwagę 5. Przy
głowicy 4, w tzw. nadgarstku ramie-
nia, jest mysz, którą obsługuje się
programowo. Hamulce pneumatycz-
ne umożliwiają „zamrożenie” poło-
żenia ramienia w dowolnej pozycji.
Ramiona są łatwe do przenoszenia
ze względu na wykonanie ich z lekkiego materiału – alu-
minium.

Ramiona firmy Zett Mess, tak jak i ramiona pomia-

rowe innych producentów, mają liczne zastosowania
w przemyśle maszynowym, motoryzacyjnym, lotniczym
i innym, zarówno do pomiaru przedmiotów maszyno-
wych, jak i z tworzyw sztucznych. Na rys. 7 podano
przykład pomiaru drzwi samochodu w procesie ich na-
prawy.

Ramiona firmy Romer

Francuska firma Romer (reprezentowana przez szwe-

dzką grupę Hexagon Metrology) wytwarza trzy rodzaje
ramion: SIGMA, FLEX i OMEGA [7]. Na rys. 8 przed-
stawiono ramię Sigma. Tuby 6 wykonane są z włókna
węglowego, co zapewnia stosunkowo dużą sztywność
i małą podatność na wpływy temperatury. Konstrukcja
zapewnia nieograniczony obrót osi poprzez przeguby 3.
Mocowanie ramienia odbywa się poprzez adapter kom-
patybilny z mocowaniem mobilnym i magnetycznym 1.

Ramię wyposażone jest we własne zasilanie i bez-
przewodową komunikację (WIFI) 2. W poszczególnych
przegubach wmontowane są enkodery kątowe 4. Jeden
z przegubów 5 ma zwiększoną sztywność. Z przegubem
obrotowo-wychylnym 7 połączona jest głowica pomiaro-
wa 8 wyposażona w trzpień pomiarowy najczęściej
z końcówką kulistą 9. Podstawowy zestaw końcówek
pomiarowych wykonanych z rubinu ma średnice wy-
noszące 6 i 15 mm. W wyposażeniu jest też końcówka
pomiarowa o promieniu zerowym. Ramię pomiarowe,
jako urządzenie przenośne Sigma, dostarczane jest
w specjalnej walizce ułatwiającej transport. Wykonywa-
ne jest ono w różnych zakresach pomiarowych od naj-
mniejszego, wynoszącego 1800 mm, do największego
– 5200 mm. Na rys. 9 podano przykład zastosowania
ramienia Sigma.

Pozostałe ramiona tej firmy Fleks i Omega wykony-

wane są również o podobnych, jak Sigma zakresach
pomiarowych, tj. 1800, 2200, 2500, 2800, 3000, 3600
i 5200 mm i mają masy wynoszące 4,6

÷

6 kg w przypad-

ku ramienia Sigma i 5,9

÷

6,8 kg w przypadku pozostałych

ramion. Różnią się one dokładnością. Najdokładniejsze
jest ramię Sigma, którego błąd wskazania wg testu C
(test ten będzie opisany w części III) wynosi

±

25

µ

m.

Mniej dokładne jest ramię Omega (najtańsze), którego
błąd wynosi

±

50

µ

m.

LITERATURA

1. E. RATAJCZYK: Współrzędnościowa technika pomiarowa. Ofi-

cyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej Warszawa 2005.

2. R. CIEŚLAK, M. ŁAWICKI: Faro – szybki pomiar geometrii drogą

do sukcesu. Mechanik nr 10/2005, s. 832–833.

3. E. RATAJCZYK: Współrzędnościowe ramiona pomiarowe i ich

testy dokładności. Przegląd Elektrotechniczny nr 5/2008, R. 84,
s. 181

÷

186.

4. E. RATAJCZYK: Systems for geometrical measurements of

motor vehicles during post accident damage repairs. VIII

th

Inter-

national Conference ”Coordinate Measuring Technique”. Bielsko-
Biała, April 2008. Publ. University of Bielsko-Biała ”Coordinate
Measuring Technique. Problems and Implementations”, pp.
15

÷

22.

5. http://www.cimcore.com
6. http://www.oberon.com.pl
7. http://romer.com
8. http://www.faro.com/poland.aspx
9. http://www.zettmess.de

10. http://www.matris.com; http://www.smart-solutions.pl