12.maszyny współrzędnościowe: typy maszyn (wysięgnikowe, kolumnowe,mostowe,…..) rodzaje głowic (sztywne, przełączające, mierzące)

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 (rys. 12. la).

Na podstawie uzyskanej informacji oprogramowanie maszyny pomiarowej wyznacza parametry skojarzonych elementów geometrycznych, np. walca, płaszczyzny czy kuli (rys. 12,lb), 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 (rys, 12. lc).

Rys. 12.1. Istota współrzędnościowej techniki pomiarowej; a) informacja pomiarowa ma postać współrzędnych środka kulistej końcówki trzpienia pomiarowego, b) oprogramowanie wyznacza skojarzone elementy geometryczne, c) porównanie z wymaganiami zawartymi na rysunku

Maszyny wspornikowe - cechują się małym» zakresami pomiarowymi (do ). 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 (rys. 12.12a) 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(12.12b).

a).

Rys. 12.12, Schematy kinematyczne maszyn wspornikowych a) z ruchomym stołem, b) z nieruchomym stołem

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 ). Wyróżnia się maszyny wysięgnikowe z ruchomą kolumną (rys. 12.13a), z nieruchomym stołem (rys. 12.13b) oraz z ruchomym stołem (rys. 12.13c),

Rys. 12.13. Schematy kinematyczne maszyn wysięgnikowych, a) z ruchomą kolumną, b} z nieruchomym stołem, c} z nieruchomym stołem i stołem obrotowym d) z ruchomym stołem

Maszyny portalowe - mają dobrą sztywność i w związku z tym mogą mieć znaczne zakresy pomiarowe (400-^1200 mm), zachowując niską niepewność pomiaru. Wadą ich jest jedynie ograniczony dostęp do przestrzeni roboczej, W tej grupie przyrządów spotyka się trzy odmiany:
z nieruchomym portalem (rys. 12.14a), z ruchomym portalem (rys. 12.14b) oraz z ruchomym portalem w kształcie litery L (rys. 12.14c). Ogólnie, maszyny o budowie portalowej nadają się do pomiaru wyrobów o bardzo zróżnicowanych kształtach i wymiarach.

Rys. 12.14. Schematy kinematyczne maszyn portalowych: a) z nieruchomym portalem, b) z ruchomym portalem, c) z ruchomym portalem w kształcie litery L

Maszyny mostowe (rys. 12.15) - podobnie jak portalowe cechuje duża sztywność i co za tym idzie wysoka dokładność, nawet przy znacznych zakresach pomiarowych (1500+, a nawet do ). W związku z tym są one używane do pomiarów dużych przedmiotów w budowie pojazdów, samolotów, statków i dużych maszyn. Wadą tych maszyn jest ograniczony (przez słupy) dostęp do przestrzeni pomiarowej.

Rys. 12.15. Schemat kinematyczny maszyn mostowych

W maszynach kolumnowych elementy ruchome stanowią stół przemieszczający się w płaszczyźnie poziomej, w kierunkach χ i y oraz pinola przesuwająca się w kierunku pionowym z (rys 12.16). Niektóre rozwiązania maszyn kolumnowych mają wbudowany stół obrotowy umożliwiający pomiary w układzie współrzędnych walcowych. Maszyny kolumnowe cechują się wysoką dokładnością pomiaru oraz łatwością dostępu do przedmiotu mierzonego. Znajdują zastosowanie do pomiarów sprawdzianów, korpusów precyzyjnych wyrobów, narzędzi skrawających, części hydrauliki i pneumatyki przemysłowej, krzywek i kół zębatych.

Rys, 12.16. Schemat kinematyczny maszyny kolumnowej

Głowice pomiarowe

Głowice stykowe impulsowe – najbardziej rozpowszechnione. 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 (rys. 12.17). Przy zetknięciu końcówki pomiarowej z mierzonym przedmiotem, wskutek otwarcia jednego zestyków, następuje przerwanie obwodu prądowego.

Rys. 12.17. Głowica impulsowa elektrostykowa mechaniczna:
a) schemat konstrukcyjny,

b) schemat układu elektrycznego, S1,S2, S3 —styki

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 μm. 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.

Głowice stykowe mierzące stosuje się w najdokładniejszych maszynach pomiarowych (Leitz, Mahr, SIP, Zeiss). Zasadnicze elementy głowicy mierzącej stanowią indukcyjne przetworniki pomiarowe mierzące przemieszczenia jejruchomych elementów (rys. 12.18).

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. Głowice mierzące umożliwiają również pomiar w warunkach statycznych, tzn. po zatrzymaniu wszystkich ruchów maszyny. Możliwe jest tutaj — podobnie jak w pomiarach dynamicznych — sumowanie wskazań układów pomiarowych maszyny i głowicy. Najlepsze wyniki uzyskuje się jednak po doprowadzeniu do stanu, w którym przy styku końcówki z przedmiotem przetworniki pomiarowe głowicy znajdują się
w położeniu zerowym.

Rys. 12.18. Głowica mierząca —zasada działania: a) trzy układy sprężyn płaskich oraz związane z

nimi przetworniki pomiarowe tworzą kartezjański układ współrzędnych zgodny z układem

maszyny {Leitz, SIP, Zeiss), b) układ dźwigniowy (nie pokazany na rysunku) umożliwia przesuw

oraz wychylenia trzpienia pomiarowego mierzone przez trzy przetworniki pomiarowe i przeliczane

na zmianę współrzędnych x, y, z (Mahr), c) trzy układy sprężyn płaskich w postaci zwartej konstrukcji oraz trzy układy pomiarowe CCD (Renishaw)

Głowice mierzące dają możliwość pomiaru powierzchni krzywoliniowych

przez tzw. skaning. Głowica pomiarowa mierząca, będąc cały czas w stanie aktywnym, przemieszcza się wzdłuż mierzonego zarysu, by — bez przerywania tego ruchu — co jakiś czas przesłać informację
o położeniu końcówki trzpienia pomiarowego. Typowym zastosowaniem skaningu jest pomiar powierzchni krzywoliniowych o złożonych kształtach. W miarę rozwoju konstrukcji głowic mierzących, szczególnie
w rozumieniu szybkości i dokładności pomiaru, technikę skaningu stosuje się coraz częściej w pomiarach typowych elementów geometrycznych, jak płaszczyzna czy okrąg.

Ciekawe rozwiązanie głowicy pomiarowej stanowi głowica o nazwie QMP(Quartz Micro Probe) firmy Zeiss. Do rezonatora kwarcowego drgającego z częstotliwością 30 kHz przymocowany jest trzpień pomiarowy wykonany z włókna szklanego o długości i średnicy i zakończony kulistą końcówką pomiarową o średnicy . Przy zetknięciu końcówki trzpienia z powierzchnią przedmiotu następuje zaburzenie częstotliwości drgań stanowiące sygnał pomiarowy.

Najbardziej znanym rozwiązaniem głowicy bezstykowej jest głowica laserowa pracująca na zasadzie triangulacyjnej. Głowice bezstykowe stosuje się głównie do pomiarów przedmiotów płaskich lub odkształcalnych, ale również w pomiarach zarysów krzywoliniowych, zarówno w technice pomiarów punktowych, jak i skaningu.