MECHANIK NR 12/2008 1051
Ramiona pomiarowe
 budowa, parametry techniczne, zastosowania
EUGENIUSZ RATAJCZYK*
Budowa i działanie współrzędnościowych ramion pomia- Ramiona pomiarowe wytwarzane są obecnie przez
wiele firm, przy czym do najbardziej znanych zalicza siÄ™:
rowych (portable CMM s) różnych firm, ich parametry
CimCore (USA) [1, 3 ÷ 6], która oferuje trzy rodzaje
techniczne i metrologiczne oraz przykłady zastosowań
ramion o nazwach Stinger II, 3000i i Infinite;
w przemyśle.
FARO (USA) [2, 3, 4, 8], oferujÄ…cÄ… takie rodzaje
Pomiary współrzędnościowe stanowią obecnie najbar-
ramion, jak: Gage, Gage Plus, Advantage, Platinum,
dziej zaawansowany dział techniki pomiarowej stosowa-
Titanium, ScanArm i ostatnio Quantum i Fusion;
nej w systemach kontroli jakości przemysłu maszyno-
niemieckÄ… Zett Mess [9] (ramiona o symbolu AMPG);
wego, motoryzacyjnego i lotniczego, a także sprzętu
ROMER (Francja) [7], oferujÄ…cÄ… ramiona Sigma,
gospodarstwa domowego. DominujÄ…cymi urzÄ…dzeniami
Flex i Omega;
pomiarowymi są współrzędnościowe maszyny pomia-
MATRIS (Belgia) [10], oferujÄ…cÄ… ramiona o symbolu
rowe (CMM  Coordinate Measuring Machines). Dzięki
MCA.
ich komputeryzacji, zarówno w zakresie procedur po-
W artykule zaprezentowane zostaną opisy działania,
miarowych, jak i sterujących, możliwe jest wykonywanie
własności metrologicznych i zastosowania niektórych
pomiarów wielkości geometrycznych złożonych prze-
z tych ramion pomiarowych.
strzennie przedmiotów z wysoką dokładnością i w czasie
dostosowanym do rytmu produkcji, co pozwala na bez- Ramiona firmy CimCore
pośrednie oddziaływanie na jakość wytwarzania. Współ-
Budowa i działanie ramion pomiarowych firmy Cim-
rzędnościowe maszyny pomiarowe są z założenia urzą-
Core opisane zostaną na przykładzie ramienia Infinite,
dzeniami laboratoryjnymi, chociaż występują ich opcje
jako przykład konstrukcji wspólnej dla wszystkich ramion
dostosowane do wykonywania pomiarów w otoczeniu
[1, 3 ÷ 6]. Cechami charakterystycznymi budowy ramion
produkcji [1].
sÄ… (rys. 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-
Å‚y siÄ™ prostszej konstrukcji urzÄ…dzenia pomiarowe pracu-
jące w technice współrzędnościowej, które mogą być
stosowane w małych i średnich zakładach produkcyjnych,
a nawet w warsztatach prowadzÄ…cych 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, sÄ… urzÄ…dzeniami przenoÅ›-
nymi pracujÄ…cymi w otoczeniu produkcji, a ponadto  co
jest również cechą charakterystyczną  mogą wykonywać
pomiary wewnątrz obiektów wielkogabarytowych.
Rys. 1. RamiÄ™ pomiarowe Infinite produkcji firmy CimCore
W ostatnich latach obserwuje siÄ™ zainteresowanie ra-
wykonanie z włókna grafitowo-węglowego zarówno
mionami pomiarowymi, zwłaszcza ze strony małych i śre-
końcówek pomiarowych montowanych w głowicy 1, jak
dnich zakładów produkcyjnych. Dlatego też postanowio-
i ramion 2 w celu uzyskania większej wytrzymałości
no zaprezentować tę tematykę, przedstawiając budowę
mechanicznej i odporności na zmiany temperatury w za-
ramion, własności funkcyjne i metrologiczne, zastosowa-
kresie 0 ÷ 46° C,
nia oraz inne ich własności. Ze względu na stosunkowo
zastosowanie enkoderów kątowych 3 firmy Heinden-
dużą objętość materiału postanowiono przedstawić ra-
hain wykonanych specjalnie dla firmy CimCore,
miona pomiarowe w trzech kolejnych artykułach: część I
zastosowanie przeciwwagi 4 opartej na dwóch siłow-
 budowa, parametry techniczne, zastosowania, część II
nikach kompensujących masę całego ramienia,
 pomiary skaningowe i pomiary w rozszerzonym za-
system mocowania do podłoża przez zaciski mag-
kresie oraz oprogramowania, cześć III  testy dokład-
netyczne 5,
ności.
zastosowanie bezprzewodowej komunikacji pomiÄ™-
dzy ramieniem pomiarowym a komputerem w standardzie
* Prof. zw.dr inż. Eugeniusz Ratajczyk  Wyższa Szkoła Ekologii
i Zarządzania w Warszawie, Wydział Zarządzania WIFI oraz wyposażenie w zintegrowany akumulator Li-Io,
1052 MECHANIK NR 12/2008
zamontowanie w głowicy pomiarowej 1 cyfrowej ka- Ramieniem pomiarowym Infinite można mierzyć punk-
mery (opcja), pozwalającej na dokonywanie inspekcji towo lub skaningowo zarówno małe elementy maszyn,
oraz na nanoszenie, w raporcie pomiarowym generowa- jak i elementy o dużych wymiarach, jak np. karoserie
nym przez oprogramowanie, wartości odchyłek poszcze- samochodów. Za pomocą specjalnych końcówek typu
gólnych punktów kontrolnych na rzeczywisty widok mie- widełkowego można mierzyć bezstykowo różnego rodza-
rzonego elementu, ju rury, np. przewody hydrauliczne.
zastosowanie systemu automatycznego rozpozna- Ramiona Infinite wykonywane są w pięciu zakresach
wania rodzajów użytych końcówek pomiarowych mon- pomiarowych. Zakresy te wynoszą 1200, 1800, 2400,
towanych w głowicy 1, bez potrzeby ich każdorazowej 2800, 3000 i 3600 mm.
kalibracji, Dokładność ramion Infinite zależy od zakresu pomiaro-
zastosowanie nieograniczonego obrotu ramion, co wego: i tak  dla najmniejszego zakresu, wynoszÄ…ce-
zwiększa dostępność do mierzonej części z dowolnego go 1200 mm dokładność wg testu A (test na kuli) wy-
kierunku. nosi Ä… 0,004 mm, a wg testu C (test przestrzenny)
Dokładności ramienia pomiarowego Infinite dla kon- ą 0,015 mm. Natomiast dla największego zakresu, wyno-
figuracji sześcioosiowej wynoszą, w zależności od ro- szącego 3600 mm, wartości testów A i C  odpowiednio
dzaju testu, od Ä… 4,3 µmdo Ä… 13,6 µm dla najmniejszego Ä… 0,043 mm i Ä… 0,064 mm.
zakresu  1200 mm (obejmującego przestrzeń 0,9 m3) Inne ramiona firmy CimCore, jak np. Stinger II, od-
i od Ä… 42,5 µm do Ä… 63,8 µm dla zakresu 3600 mm znaczajÄ… siÄ™ mniejszymi dokÅ‚adnoÅ›ciami (dwu- lub nawet
(obejmującego przestrzeń 24 m3). czterokrotnie), przy czym w modelu Stinger II występuje
Po włączeniu ramienia (jest ono trzymane przez opera- ramię o zakresie 4800 mm. Ponadto zawiera ono opcję
tora tak, jak przedstawiono to na rys. 2) obsługujący pomiaru kątów wygięcia różnego rodzaju przewodów ru-
maszynę musi przejść przez punkty referencyjne wszyst- rowych, np. przewodów hydraulicznych.
kich osi, poprzez obrócenie o odpowiedni kąt każdego Z kolei ramiona serii 3000i są pod względem dokładno-
z członów (analogicznie do najazdu na punkt referencyjny ści opcją pośrednią między ramionami Infinite i Stinger II.
przed pomiarem klasyczną maszyną współrzędnościo- Natomiast odmiana ramion Stinger II o symbolu 3000iSC
wą). Pomiar polega na doprowadzeniu przez operatora została stworzona do pomiarów skaningowych.
do styku końcówki pomiarowej z powierzchnią mierzone-
Ramiona firmy Faro
go przedmiotu (np. karoserii), przy czym decyzjÄ™ o tym
czy styk nastąpił, czy nie, podejmuje obsługujący, przez
Ramiona pomiarowe amerykańskiej firmy Faro [2, 3,
zatwierdzenie współrzędnych mierzonego punktu przycis-
4, 8] oferowane są w różnych wersjach, o odmiennych
kiem na  nadgarstku ramienia. Pomiar jest więc standar-
rozwiązaniach konstrukcyjnych i parametrach dokładno-
dowo przeprowadzany z głowicą sztywną, ale powszech-
ści. Oprócz ramion Gage i Gage Plus, Advantage, Plati-
na jest opcja ramion z zamocowaną głowicą skaningową,
num, Titanium, Quantum, Fusion oraz ScanArm propono-
a w przypadku ramion CimCore także z elektrostykową
wany jest tzw. Laser Tracker.
głowicą przełączającą (PowerProbe firmy CimCore lub
Ramiona pomiarowe Platinum, Tytanium majÄ… zakresy
TP200, TP20, TP2 [1] firmy Renishaw).
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-
szÄ…: Fusion 1,8; 2,4; 3; i 3,7 m, a Quantum 2,4 i 3,7 m.
Rys. 2. Przykład pomiaru ramieniem Infinite firmy CimCore
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
znajdujÄ… siÄ™ w przegubach maszyny. Poprzez procedury
obliczeniowe współrzędne punktu są transformowane do
układu kartezjańskiego (x, y, z). Rys. 3. Ramię pomiarowe Gage Plus firmy Faro
MECHANIK NR 12/2008 1053
Na rys. 3 przedstawiono ramiÄ™ 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. GÅ‚owica 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-
Rys. 5. Ramię pomiarowe Platinum firmy Faro i przykład pomiaru panelu kompozytowego dla
niu ramion 3 i 4 wynosi maksymalnie
przemysłu lotniczego
1200 mm. Ramiona 4 wyposażone są
w przeciwwagę, co umożliwia wykonywanie pomiarów magnetycznej FARO Gage montuje się bezpośrednio
nawet jedną ręką. Mają one charakter urządzenia przeno- (np. na stole obrabiarki), a akumulator zapewnia działanie
śnego, wyposażonego we własne zasilanie akumulatoro- urządzenia do 8 h bez zasilania zewnętrznego.
we 5 wbudowane w podstawę. Mają także wbudowane Ramiona Faro Platinum lub Titanium występują w pię-
czujniki temperatury; dlatego pomiary mogą być wykony- ciu rodzajach, różniących się zakresem pomiarowym:
wane w zakresie 10 ÷ 40° C z gradientem 5° C/5 min. 1200, 1800, 2400, 3000 i 3700. DokÅ‚adnoÅ›ci ramion Plati-
Dopuszczalne przyspieszenie kątowe wynosi 105 rad/s2. num zmieniają się, w zależności od testu dokładności, od
Ich graniczny bÅ‚Ä…d dopuszczalny (wg oznaczeÅ„ ISO Ä… 5 do Ä… 18 µm dla najmniejszego zakresu, wynoszÄ…cego
10360-2 z 1995 r.) wynosi E = 10+16L/1000 (µm) dla opcji 1200 mm i od Ä… 53 do Ä… 86 µm dla zakresu najwiÄ™kszego,
standard (tj. ramienia Gage) i E = 5+8L/1000 (µm) dla wynoszÄ…cego 3700 mm. Ramiona pomiarowe Titanium
opcji Faro Gage Plus. Stosunkowo nieduży zakres po- mają takie same zakresy pomiarowe, lecz dwukrotnie
miarowy i stosunkowo wysoka dokładność, a także mała większe błędy wskazań w stosunku do ramion Platinum.
masa (8 kg), predestynują je do zastosowań w pomiarach Ramiona pomiarowe Platinum (rys. 5), tak jak i Tita-
różnego rodzaju elementów maszynowych, motoryzacyj- nium, mają wbudowane sensory obciążenia, dające infor-
nych itp., wykonywanych w warunkach produkcyjnych. macje o obciążeniu, umożliwiające programową kompen-
Ramiona Faro Gage mogą być zastosowane również sację ugięć poszczególnych tub ramienia pomiarowego.
bezpośrednio na stole obrabiarki, jak pokazano na rys. 4. Do budowy ramion zostały użyte specjalne materiały
Pomiary mogą wykonywać operatorzy obrabiarek, któ- (producent nie podaje ich nazwy), które zredukowały
rzy doskonale znają obrabianą część i sposób jej zamo- 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
Ä… 20 do Ä… 72 µm dla zakresu 1200 mm i od Ä… 213 do
Ä… 345 µm 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-
szÄ…cych 1200, 1500, 1800, 2400, 3000 i 3600 mm.
Rys. 4. Przykłady pomiarów ramieniem Gage firmy Faro w warun-
kach produkcyjnych
Rys. 6. RamiÄ™ pomia-
cowania. Na bieżąco uzyskują oni dane pomiarowe przy-
rowe AMPG-P firmy
datne w ocenie obrabianego elementu. Dzięki stopie Zett Mess
1054 MECHANIK NR 12/2008
Rys. 8. RamiÄ™ pomiarowe Sigma firmy
Na rys. 6 przedstawiono ramiÄ™
Romer
pomiarowe AMPG-P, które mocuje
siÄ™ w statywie za pomocÄ… 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. RamiÄ™ wypo-
sażone jest w hamulce pneumatycz-
ne 3 sterowane kontrolerem radio-
wym oraz w przeciwwagÄ™ 5. Przy
głowicy 4, w tzw. nadgarstku ramie-
nia, jest mysz, którą obsługuje się
programowo. Hamulce pneumatycz-
ne umożliwiają  zamrożenie poło-
Rys. 9. Przykład zastosowania ramienia
Sigma firmy Romer
żenia ramienia w dowolnej pozycji.
Ramiona sÄ… Å‚atwe do przenoszenia
ze względu na wykonanie ich z lekkiego materiału  alu- Ramię wyposażone jest we własne zasilanie i bez-
minium. przewodową komunikację (WIFI) 2. W poszczególnych
Ramiona firmy Zett Mess, tak jak i ramiona pomia- przegubach wmontowane sÄ… enkodery kÄ…towe 4. Jeden
rowe innych producentów, mają liczne zastosowania z przegubów 5 ma zwiększoną sztywność. Z przegubem
w przemyśle maszynowym, motoryzacyjnym, lotniczym obrotowo-wychylnym 7 połączona jest głowica pomiaro-
i innym, zarówno do pomiaru przedmiotów maszyno- wa 8 wyposażona w trzpień pomiarowy najczęściej
wych, jak i z tworzyw sztucznych. Na rys. 7 podano z końcówką kulistą 9. Podstawowy zestaw końcówek
przykład pomiaru drzwi samochodu w procesie ich na- pomiarowych wykonanych z rubinu ma średnice wy-
prawy. noszące 6 i 15 mm. W wyposażeniu jest też końcówka
pomiarowa o promieniu zerowym. RamiÄ™ 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 majÄ… masy wynoszÄ…ce 4,6 ÷ 6 kg w przypad-
ku ramienia Sigma i 5,9 ÷ 6,8 kg w przypadku pozostaÅ‚ych
ramion. Różnią się one dokładnością. Najdokładniejsze
jest ramię Sigma, którego błąd wskazania wg testu C
(test ten bÄ™dzie opisany w części III) wynosi Ä… 25 µm.
Mniej dokładne jest ramię Omega (najtańsze), którego
bÅ‚Ä…d wynosi Ä… 50 µm.
LITERATURA
1. E. RATAJCZYK: Współrzędnościowa technika pomiarowa. Ofi-
cyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej Warszawa 2005.
2. R. CIEÅšLAK, M. A
AWICKI: Faro  szybki pomiar geometrii drogÄ…
Rys. 7. Przykład zastosowania ramienia HAMPG-P firmy Zett Mess
do sukcesu. Mechanik nr 10/2005, s. 832 833.
do pomiaru drzwi samochodu
3. E. RATAJCZYK: Współrzędnościowe ramiona pomiarowe i ich
testy dokładności. Przegląd Elektrotechniczny nr 5/2008, R. 84,
s. 181 ÷ 186.
Ramiona firmy Romer
4. E. RATAJCZYK: Systems for geometrical measurements of
motor vehicles during post accident damage repairs. VIIIth Inter-
Francuska firma Romer (reprezentowana przez szwe-
national Conference  Coordinate Measuring Technique . Bielsko-
dzką grupę Hexagon Metrology) wytwarza trzy rodzaje Biała, April 2008. Publ. University of Bielsko-Biała  Coordinate
Measuring Technique. Problems and Implementations , pp.
ramion: SIGMA, FLEX i OMEGA [7]. Na rys. 8 przed-
15 ÷ 22.
stawiono ramię Sigma. Tuby 6 wykonane są z włókna
5. http://www.cimcore.com
węglowego, co zapewnia stosunkowo dużą sztywność
6. http://www.oberon.com.pl
i małą podatność na wpływy temperatury. Konstrukcja
7. http://romer.com
zapewnia nieograniczony obrót osi poprzez przeguby 3.
8. http://www.faro.com/poland.aspx
Mocowanie ramienia odbywa siÄ™ poprzez adapter kom-
9. http://www.zettmess.de
patybilny z mocowaniem mobilnym i magnetycznym 1. 10. http://www.matris.com; http://www.smart-solutions.pl