Głowice pomiarowe – przykłady

Fot.5. Głowica skaningowa aktywna Vast Gold firmy Zeiss: (A) widok, (B) pomiar odlewu ślimaka, (C) pomiar elementu giętego z blachy

Głowica Vast Gold (fot.5) powstała w roku 2003 jako nowa odmiana głowic z serii Vast, która dzięki optymalizacji ruchomych mas umożliwia wykonywanie pomiarów z większą dynamiką. Usztywnienie przegubów zwiększyło odporność na skręcanie i pozwoliło na montaż dłuższych trzpieni pomiarowych do 800mm. Ponadto wprowadzono nowy układ chroniący przed kolizją, rekonstruując mechanikę i wprowadzając nowe materiały wzmocnione włóknem węglowym. Głowice Vast są głowicami 6-kierunkowymi.

Łączenie zestawów trzpieni pomiarowych odbywa się magnetycznie lub elektromagnetycznie za pomocą adapterów, a ich wymiana z magazynku ramowego może być automatyczna lub ręczna. Nacisk pomiarowy wynosi od 0,05 do 1N. Pomiary obiema typami głowic mogą się odbywać z szybkością do 2 punktów na sekundę, a skaningowo z szybkością do 200 punktów na sekundę. Rozdzielczość indukcyjnych układów pomiarowych głowic wynosi 0,05µm, zakres pomiarowy głowic zawiera się w przedziale od ±0,3mm do ±1mm i zależy od rozdzielczości oraz szybkości skaningu.

Fot.6. Widok głowicy MPP-300 współpracującej z jedną z najdokładniejszych na świecie WMP: Legex firmy Mitutoyo podczas pomiaru geometrii ostrza narzędzia skrawającego

Powstała również nowa konstrukcja głowicy zminiaturyzowanej pod nazwą Vast XXT przewidzianej do łączenia z głowicą obrotowo-uchylną – np. RDS. Jest to głowica pasywna o układzie kinematycznym umożliwiającym wyposażanie jej w trzpienie pomiarowe o długości od 50 do 250mm. Zastosowanie kontrolera MCC800 umożliwia współpracę z maszynami, które dotąd używały tylko głowic impulsowych. Najnowszymi rodzajami głowic skaningowych firmy Mitutoyo są głowice MPP-100 i MPP-300 o dużej dokładności skaningu.

Zastosowano w nich przetworniki optoelektroniczne inkrementalne z liniałami o współczynniku rozszerzalności bliskiemu zeru. Na fot.6 przedstawiono widok głowicy MPP-300 współpracującej z jedną z najdokładniejszych na świecie maszyn współrzędnościowych – Legex firmy Mitutoyo – podczas pomiaru geometrii ostrza narzędzia skrawającego. Firma Leitz należąca do Hexagon Metrology oferuje pięć głowic skaningowych oznaczonych symbolami: LSP-X1, LSP-X3, LSP-X5, LSP-S2 oraz LSP-S4. LSP-X1 jest głowicą kompaktową przeznaczoną do współpracy z głowicami obrotowo-uchylnymi.

Rys.4. Schemat budowy i działania głowicy SP25M

Pozostałe modele głowic firmy Leitz są mocowane bezpośrednio w pinoli maszyny i różnią się między sobą dopuszczalną długością stosowanych końcówek pomiarowych, naciskiem pomiarowym oraz dokładnością. Głowica LSP-S2 umożliwia stosowanie końcówek pomiarowych o długości nawet do 800mm. Producent podaje, że jej dokładność, zgodnie z ISO10360, wynosi 0,6 µm. Głowica LSP-S4 charakteryzuje się ultraniskim naciskiem pomiarowym, dlatego może być przeznaczona do pomiaru elementów wykonanych z materiału o małej sztywności.

Dla maszyn współrzędnościowych o najwyższej dokładności przeznaczona jest głowica LSP-X5, natomiast tańszym i prostszym jej wariantem jest głowica LSP-X3. W obydwu głowicach zastosowano technologię Linear Variable Differential Transducers (LVDT). Wszystkie wymienione głowice firmy Leitz mają możliwość automatycznej wymiany końcówek pomiarowych. Głowice skaningowe produkuje również firma Renishaw.

Fot.7. Widok głowicy SP25M firmy Renishaw podczas pomiaru części urządzenia

Jedną grupę stanowią wersje zminiaturyzowane o symbolu SP25M przewidziane do łączenia z głowicami obrotowo-uchylnymi serii PH10, a drugą głowice SP80 do bezpośredniego mocowania w pinoli maszyny. Głowica SP25 składa się z korpusu, modułu kinematycznego i modułu skanującego (rys.4). Korpus o średnicy 25mm zawiera układ elektroniczny oraz dwie z trzech części składowych tworzących system przetwornika optoelektronicznego. Przetwornik optoelektroniczny składa z dwóch nadajników wiązek podczerwieni IRED, które generują wiązki w kierunku dwóch zwierciadeł skupiających.

Wychylenia kątowe zwierciadeł odbijają wiązki, kierując je do dwóch detektorów PSD wykrywających i mierzących wychylenie trzpienia pomiarowego, dając informację o współrzędnych pomiarowych. Górna część korpusu zawiera złącze pozwalające na połączenie z głowicą przegubową. Wymiana zespołów nie wymaga ponownej kalibracji. Dolna część korpusu umożliwia mocowanie trzech rodzajów modułów (SM25-1, SM25-2 i SM25-3), do których można przyłączać moduły skanujące. Moduły kinematyczne są dobierane dla określonej długości trzpieni pomiarowych.

Trzy moduły zostały skonstruowane w taki sposób, aby największe odchylenie kątowe zapewniało maksymalną efektywność przetwornika dla najkrótszego przewidzianego do zastosowania trzpienia pomiarowego, a także aby przy maksymalnej dopuszczalnej długości trzpienia parametry głowicy utrzymywane były na optymalnym poziomie. Zakres roboczy wychylenia trzpienia każdego modułu wynosi 0,5mm we wszystkich kierunkach i dla wszystkich orientacji przestrzennych głowicy. Automatyczna wymiana modułów może się odbywać przy użyciu elastycznego zasobnika FCR25 firmy Renishaw.

Ważniejsze parametry techniczne głowicy SP25M przedstawiono w tab. 2, a jej widok podczas pomiaru obrazuje fot.7. Drugim rodzajem głowicy skaningowej firmy Renishaw jest SP80. Jest to głowica pasywna wyposażona w optoelektroniczne przetworniki cyfrowe umożliwiające pomiar z rozdzielczością 0,02µm. Konstrukcja głowicy pozwala na stosowanie trzpieni pomiarowych o długości do 500mm. Głowica SP80 ma budowę modułową. Montowana jest w pinoli maszyny WMP za pośrednictwem kinematycznego interfejsu KM80, który umożliwia jej wymianę na inną, np. na głowicę przegubową PH10.

Automatyczną, powtarzalną wymianę trzpieni pomiarowych umożliwia magnetyczny moduł SH80 współpracujący z portami SCP80 magazynka trzpieni MRS. W głównym module SP80 zamontowano przetwornik optoelektroniczny. Nacisk pomiarowy generowany w każdej z trzech osi głowicy przez zespół sprężyn płasko-równoległych wynosi ok. 1,8 N/mm przy zakresie pomiarowym ±2,5mm. Najnowszym rozwiązaniem wprowadzonym przez firmę Renishaw jest głowica Revo korzystająca z technologii Renscan5 skaningu 5-osiowego. Revo jest połączeniem nowego typu głowicy skaningowej z aktywną głowicą obrotowo-uchylną.

Kątowe pozycjonowanie końcówki głowicy realizowane jest przez silniki elektryczne z przetwornikami pomiarowymi o rozdzielczości 0,08 sekundy kątowej. Dzięki temu możliwy jest łatwiejszy dostęp do mierzonych elementów dzięki możliwościom zsynchronizowanego obrotu i pozycjonowania. Głowica, pracując w dwóch osiach obrotowych, umożliwia redukcję błędów dynamicznych towarzyszących 3-osiowemu skaningowi, dzieje się tak dzięki ograniczeniu konieczności szybkiego przemieszczania dużych mas.

Pomiar wychylenia końcówki pomiarowej głowicy realizowany jest za pomocą wiązki światła laserowego kierowanej z korpusu głowicy poprzez drążony trzpień pomiarowy do zwierciadła umieszczonego na końcu trzpienia pomiarowego. Dzięki temu ugięcie końcówki głowicy mierzone jest przez fotodetektor PSD jako wychylenie wiązki odbitej od zwierciadła w stosunku do wiązki wychodzącej z głowicy. Producent podaje, że możliwe jest stosowanie trzpieni pomiarowych zapewniających zasięg do 500mm przy minimalnych siłach nacisku rzędu 5g.

Revo umożliwia pomiar z prędkością do 500mm/s uzyskując współrzędne nawet 6000 punktów pomiarowych w jednej sekundzie pomiaru. Widok głowicy Revo przedstawia ilustracja tytułowa w artykule.