Wydział Budowy Maszyn i Informatyki 05 12 2014

Kierunek: Automatyka i Robotyka

Rok akademicki: 2014/2015

Studia: stacjonarne

Semestr: 3

Grupa: 1b

LABORATORIUM

METROLOGII

WSPÓŁRZĘDNOŚCIOWA TECHNIKA POMIAROWA

Szymon Gajewski

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest:

1. poznanie budowy i zasady działania WMP,

2. zapoznanie się z istotą współrzędnościowej techniki pomiarowej,

3. zapoznanie się pomiarem podstawowych elementów geometrycznych, parametryzacją elementów

geometrycznych, relacjami (odległości, odchyłki geometryczne), definiowaniem układu współrzędnych

mierzonego przedmiotu, kwalifikacją układu trzpieni pomiarowych), budowanie uchwytów, programowanie

pomiaru przedmiotu w trybie uczącym,

4. zapoznanie z dokumentowaniem strategii pomiaru

Zadania pomiarowe:

1. pomiary w trybie ręcznym prostego przedmiotu typu korpus,

2. definiowanie układu współrzędnych mierzonego przedmiotu,

3. budowa programu pomiarowego CNC dla prostego przedmiotu,

4. sporządzanie raportu pomiarowego.

1. Wstęp teoretyczny :

1. Istota współrzędnościowej techniki pomiarowej

Istota współrzędnościowej techniki pomiarowej polega na tym, że informacja

o postaci i wymiarach poszczególnych elementów mierzonego przedmiotu

odbierana jest jako zbiór współrzędnych punktów, które, w pewnym przestrzennym

układzie współrzędnych (kartezjańskim, walcowym lub sferycznym),

zajmuje środek kulistej końcówki trzpienia pomiarowego stykającego się

z powierzchnią mierzonego przedmiotu

Na podstawie uzyskanej informacji oprogramowanie maszyny pomiarowej

wyznacza parametry skojarzonych elementów geometrycznych (ang. associated

geometrical feature), np. walca, płaszczyzny czy kuli, a następnie,

opierając się na tak opracowanej informacji, wykonuje obliczenia umożliwiające

stwierdzenie zgodności wymiarów i odchyłek geometrycznych mierzonego

przedmiotu z wymaganiami konstrukcyjnymi zawartymi na rysunku. Elementy geometryczne, które można bezpośrednio identyfikować na

podstawie wyników pomiarów współrzędnościowych, to znane z geometrii

przestrzennej powierzchnie (płaszczyzna, sfera, walec, stożek i torus), linie

(prosta, okrąg, elipsa, linia śrubowa, ewolwenta), a także punkt. Do wyznaczenia

skojarzonego elementu geometrycznego stosuje się jedno z możliwych kryteriów

dopasowania. W zależności od użytego kryterium wyróżnia się elementy skojarzone średnie (ang. least mean square), minimalnej strefy (ang. minimum

zone) oraz przylegające, np. okrąg przylegający do wałka (ang. minimum

circumscribed circle) lub okrąg przylegający do otworu (ang. maximum

inscribed circle).

W czasie wyznaczania elementu skojarzonego realizowana jest korekcja

promienia kulistej końcówki trzpienia pomiarowego. Dla prostej i płaszczyzny

korekcja polega na przesunięciu elementu wzdłuż normalnej o wartość promienia

końcówki dla okręgu, sfery lub walca na zmniejszeniu lub

zwiększeniu promienia elementu), dia torusa na zmniejszeniu lub

zwiększeniu promienia „rury" torusa, dla stożka zaś na odpowiednim przesunięciu

jego wierzchołka

1. Parametryzacja elementów geometrycznych

Parametrami wygodnymi z punktu widzenia współrzędnościowej techniki

pomiarowej, a również jednoznacznie definiującymi element geometryczny

w kartezjańskim układzie współrzędnych, są: punkt określający położenie elementu,

a ponadto w zależności od potrzeby wektor określający jego orientację

w przestrzeni, wymiary (promień lub promienie) i kąt.

Spośród podanych w tablicy współrzędnych u, v, w wektora (jednostkowego)

orientacji tylko dwie są niezależne. Zachodzi bowiem

1. Elementy teoretyczne i relacje między elementami geometrycznymi

Elementy teoretyczne przedmiotu, takie jak elementy symetrii, rzuty i przekroje,

można wyznaczyć na podstawie obliczeń, opierając się na wcześniej zdefiniowanych

elementach przedmiotu. Przykładami elementów teoretycznych

przedmiotu są:

— okrąg zawierający środki trzech innych okręgów lub aproksymujący położenie większej liczby środków okręgów,

— linia prosta przechodząca przez środki dwóch sfer lub aproksymująca

położenie większej liczby środków sfer,

— punkt symetrii dwóch punktów usytuowanych dowolnie w przestrzeni (np,

środków sfer) lub leżących na jednej z płaszczyzn układu współrzędnych

(np. środków okręgów),

— prosta symetrii dwóch prostych leżących w jednej płaszczyźnie,

— płaszczyzna symetrii dwóch płaszczyzn,

— rzut punktu w przestrzeni na płaszczyznę lub prostą w przestrzeni,

— rzut punktu leżącego na jednej z płaszczyzn układu współrzędnych na

prostą lezącą na tej płaszczyźnie,

— rzut prostej w przestrzeni (np. osi walca lub stożka) na dowolną płaszczyznę,

— punkt przecięcia dwóch prostych leżących w tej samej płaszczyźnie,

— punkt przecięcia prostej w przestrzeni z płaszczyzną lub sferą,

— krawędź przecięcia dwóch płaszczyzn,

— punkty przecięcia prostej i okręgu lub dwóch okręgów leżących w tej samej

płaszczyźnie układu.

— okrąg jako wynik przecięcia sfery i płaszczyzny lub dwóch sfer.

Wzajemne relacje między dwoma elementami geometrycznymi to odległości

(między dwoma punktami, punktem i prostą, punktem i płaszczyzną, dwiema

prostymi, prostą i płaszczyzną i dwiema płaszczyznami) i kąty (między

prostymi, prostą i płaszczyzną oraz dwiema płaszczyznami). Pojęcie punkt

obejmuje tutaj również środki takich elementów, jak okrąg, elipsa i sfera, zaś

pojęcie prosta dotyczy również osi walca, stożka i torusa. Definicje większości

relacji wynikają z geometrii i nie wymagają komentarza.

Znana z geometrii definicja odległości miedzy dwiema prostymi jako

najkrótsza odległość między punktami tych prostych, nie może być zastosowana

do prostych nominalnie równoległych. Oprogramowanie maszyn pomiarowych

w odpowiedzi na pytanie o odległość prostych nominalnie równoległych podaje

najczęściej odległość punktu definicyjnego jednej z prostych od drugiej prostej.

Dla uniknięcia nieporozumień zalecane jest, by w sytuacjach mogących budzić

wątpliwości rysunek zawierał dodatkowe informacje umożliwiające jednoznaczną

interpretację.

1. Budowa współrzędnościowych maszyn pomiarowych

Główne zespoły współrzędnościowych maszyn pomiarowych stanowią:

— konstrukcja nośna z elementami ruchomymi i stołem pomiarowym oraz

układy napędowe,

— układy pomiarowe,

— zespół głowicy pomiarowej (głowica pomiarowa, trzpienie pomiarowe

i przedłużacze),

— układ sterujący,

— komputer, urządzenia peryferyjne i oprogramowanie pomiarowe.

1. Układy pomiarowe

Każdej z trzech osi pomiarowych przyporządkowany jest układ pomiarowy,

składający się ze wzorca i przetwornika. W budowie maszyn pomiarowych

stosuje się układy pomiarowe długości (liniowe) lub kąta (patrz rozdział 4).

W przypadku układów pomiarowych kąta konieczny jest układ pośredniczący,

zamieniający przemieszczenie kątowe na liniowe, np. zębnik-zębatka czy śruba

mikrometryczna-nakrętka. Najczęściej są stosowane optoelektroniczne układy

pomiarowe oparte na wzorcach inkrementalnych lub kodowych.

1. Układy sterowania

Układ sterowania służy do przekazywania informacji i poleceń między różnymi

zespołami maszyny Jak napędy, układy pomiarowe, głowica pomiarowa itp. Na

podstawie stosowanego układu sterowania rozróżnia się współrzędnościowe

maszyny pomiarowe:

— ręczne,

— z napędem silnikowym,

— sterowane CNC-

— włączone w systemy wytwarzania,

W maszynach ręcznych i z napędem silnikowym układ sterowania obsługuje

jedynie proces lokalizacji punktów pomiarowych. W pozostałych przypadkach

układ sterowania jest odpowiedzialny również za sterowanie przemieszczeniami

zespołów maszyny. Stosowane są tu trzy rodzaje sterowania:

— od punktu do punktu — w którym przemieszczenia odbywają się z pręd

kościami i przyspieszeniami typowymi dla poszczególnych osi maszyny, aż

do osiągnięcia zadanego położenia.

— wektorowe — w którym tor końcówki trzpienia pomiarowego jest linią

prostą,

— po zadanym torze — w pomiarach skaningowych znanego profilu.

— adaptacyjne wzdłuż mierzonego profilu — tak by w pomiarze skaningowym

zapewnić ciągły styk końcówki trzpienia pomiarowego z mierzonym przed

miotem o nieznanym profilu.

Do zadań układu sterowania należy również obsługa zabezpieczeń antykolizyjnych

czy korekcji temperaturowej. W nowych generacjach maszyn

pomiarowych niektóre zadania układów sterowania powierza się specjalnym

mikroprocesorom, odpowiednim do danego zadania.

1. Struktura mechaniczna

Ze względu na stosowane rozwiązania konstrukcji nośnej można wyróżnić 5

rodzajów rozwiązań konstrukcyjnych maszyn:

— wspornikowe (ang, cantliver),

— wysięgnikowe (ang. horizontal-arm),

— portalowe (ang. bridge),

— mostowe (ang. gantry),

— kolumnowe (ang. column).

Poszczególne rozwiązania wynikają m.in. z wymaganych zakresów

pomiarowych i dopuszczalnego obciążenia stołu (wymiary i masa mierzonego

przedmiotu). Stanowią one również kompromis między wymaganą dużą

sztywnością, a łatwym dostępem do mierzonego przedmiotu podczas ustawiania

i wykonania pomiarów.

Maszyny wspornikowe cechują się małym» zakresami pomiarowymi (do

500 mm). Kształt i wymiary kolumny określają zakres pomiarowy, szczególnie

w krótkiej osi, ponieważ wystająca część przyrządu ze względu na wymaganą

sztywność nie może być zbyt długa. W maszynach wspornikowych z ruchomym

stołem (ang. moving table cantliver CMM)) stół pomiarowy

wykonuje ruch w kierunku osi χ (najdłuższa oś), kolumna w kierunku osi yt

pinola wzdłuż osi z. Buduje się również maszyny wspornikowe z nieruchomym

stołem (ang. fixed table cantliver CMM)

Maszyny wysięgnikowe zapewniają łatwe dojście do mierzonego przedmiotu

z 3 stron. Ponieważ wysięgnik jest podparty tylko jednostronnie, to przy

różnych położeniach, zarówno pionowych, jak i poziomych wysięgnika, ze

względu na różne obciążenia i sztywność, zmieniają się odkształcenia układu.

Jeżeli nie zastosuje się korekcji tych odkształceń w układzie pomiarowym, to

niepewności pomiaru mogą być znaczne. Maszyny tego typu mają na ogół małe

zakresy pomiarowe (3OOV7OO mm), a jeżeli są stosowane do mniej dokładnych

pomiarów (np. części z blachy, odlewy lub elementy spawane), to mają znaczne

zakresy pomiarowe (nawet do 24 m). W normie PN-EN ISO 10360-1:2002

wyróżnia się maszyny wysięgnikowe z ruchomą kolumną

1. Głowice pomiarowe

Najbardziej rozpowszechnione są głowice stykowe impulsowe. W chwili

zetknięcia końcówki trzpienia pomiarowego z mierzonym przedmiotem

(a ściślej po nieznacznym wychyleniu trzpienia) wygenerowany w głowicy impuls

jest wykorzystywany do wydania polecenia odczytania aktualnych współrzędnych

z układów pomiarowych i zatrzymania ruchu maszyny. Pomiar

odbywa się więc w warunkach dynamicznych. Najprostsze rozwiązanie głowicy

impulsowej to głowica ełektrostykowa mechaniczna. Przy zetknięciu końcówki pomiarowej z mierzonym przedmiotem, wskutek otwarcia jednego ze

styków, następuje przerwanie obwodu prądowego.

W elektronicznych głowicach impulsowych oprócz styków mechanicznych

stosuje się sensory piezoelektryczne. Impuls pomiarowy jest generowany przez

sensory piezoelektryczne już przy naciskach rzędu 0,01 N, co niemal całkowicie

eliminuje błędy odkształceń sprężystych. Dodatkowy sygnał generowany przez

styki mechaniczne wykorzystuje się jedynie (w specjalnym układzie logicznym)

dla upewnienia się, że otrzymany impuls nie był przypadkowy (błędny). Niepewność

głowic impulsowych zawiera się w granicach 0?2-^2 μηι. W zależności

od budowy czujnika styku, głowice impulsowe umożliwiają doprowadzenie do

styku końcówki pomiarowej z mierzonym przedmiotem z pięciu (±x, ±y, -z) lub

sześciu (±x, ±y, ±z) kierunków.

Pod nazwą ATAC (ang. Adaptive Touch Advanced Control) firma Zeiss

opatentowała technikę szybkiej rejestracji rzeczywistego przebiegu charakterystyki

siła-czas sygnału piezoelektrycznego i ciągłej analizy tego sygnału

umożliwiającej wyznaczenie optymalnej czułości głowicy. Głowice ST-ATAC

umożliwiają pomiary również części z materiałów miękkich oraz pomiary przy

użyciu długich smukłych trzpieni pomiarowych.

Głowice stykowe mierzące stosuje się w najdokładniejszych maszynach

pomiarowych (Leitz, Mahr, SIP, Zeiss). Zasadnicze elementy głowicy mierzącej

stanowią indukcyjne przetworniki pomiarowe mierzące przemieszczenia jej

ruchomych elementów Głowice mierzące umożliwiają, podobnie jak głowice impulsowe, pomiar dynamiczny. Sygnał do odczytania współrzędnych z układów pomiarowych jest

wysyłany po osiągnięciu odpowiedniego przemieszczenia trzpienia z położenia

początkowego. Współrzędne środka kulistej końcówki trzpienia pomiarowego

w chwili jej styku z mierzonym przedmiotem otrzymuje się przez zsumowanie

współrzędnych odczytanych z układów pomiarowych maszyny z przemieszczeniami

trzpienia pomiarowego zmierzonymi przez głowicę pomiarową.

1. Wnioski

W przeprowadzonym ćwiczeniu dowiedzieliśmy się jakie plusy i jakie minusy niesie ze sobą współrzędnościowa technika pomiarowa. Wiemy teraz jak zbudowana jest maszyna współrzędnościowa, jakie są jej typy i w jaki sposób działa. Potrafimy rozróżnić głowice pomiarowe i dobrać odpowiednie rodzaje do potrzebnych zadań.