Głowice bezstykowe

W przypadku przedmiotów wykonanych z miękkich materiałów oraz niektórych elementów metalowych wymagających mniejszej precyzji pomiaru, stosowane są WMP wyposażone w głowice pracujące bezstykowo. W takim wypadku lokalizacja punktu pomiarowego odbywa się za pomocą laserowych głowic triangulacyjnych lub poprzez analizę obrazu powierzchni z głowicy z kamerą CCD.

Laserowe głowice triangulacyjne

Rys.5. Schemat głowicy triangulacyjnej stosowanej w WMP: (1) dioda laserowa, (2) pomiarowa wiązka światła, (3) układ optyczny formujący wiązkę, (4) układ optyczny formujący obraz, (5) fotolinijka, (6) mierzony przedmiot

W konstrukcji tego typu głowic wykorzystano znaną w geodezji zasadę triangulacyjnego wyznaczania odległości. Podstawą wyliczenia położenia powierzchni pomiarowej jest układ trójkątów prostokątnych. Dioda laserowa emituje pomiarową wiązkę światła, która po uformowaniu przez układ optyczny biegnie w kierunku powierzchni mierzonego przedmiotu (rys.5). Na jego powierzchni tworzy się plamka o średnicy od kilkudziesięciu do kilkuset µm. Obraz plamki jest odtwarzany poprzez układ optyczny na fotolinijce.

Podczas zmiany odległości głowicy od powierzchni mierzonej, obraz plamki przesuwa się wzdłuż fotolinijki pełniącej rolę wzorca długości. Układ elektroniczny automatycznie dopasowuje próg czułości głowicy do rodzaju kontrolowanych powierzchni, które w różny sposób rozpraszają światło. Uzyskany sygnał elektryczny zostaje przetworzony na postać cyfrową, zaś układ mikroprocesorowy głowicy sprawdza jego poprawność. W efekcie tej kontroli usuwane są wpływy takich zakłóceń, jak zmiana natężenia tła, zmiana temperatury otoczenia czy odbicia wyższych rzędów.

Obecnie w technice pomiarów współrzędnościowych znane są głowice OTP6M firmy Renishaw oraz LineScan i EagleEye Navigator firmy Zeiss, których zasada działania wykorzystuje triangulację. Rozwiązaniem proponowanym przez firmę Renishaw jest głowica OTP6M, która wykorzystuje laser półprzewodnikowy o mocy 0,5mW pracujący na długości fali 680nm, a średnica plamki wynosi ok. 50µm. Producenci podają, że powtarzalność pracy głowicy wynosi 2µm, a całkowita niepewność lokalizacji punktu ±25µm w całym zakresie pomiarowym ±4mm.

Prędkość pomiaru wynosi od 0,5 do 50 mm/s. Innym rozwiązaniem jest głowica firmy Zeiss o nazwie Eagle Eye Navigator, która także działa na zasadzie triangulacji. W odróżnieniu od typowej głowicy triangulacyjnej generującej plamkę świetlną, głowica ta generuje linię świetlną, umożliwiającą uzyskanie ponad 20 tys. wartości punktów na sekundę. Możliwe jest więc wykonywanie skaningowych pomiarów takich elementów jak otwory okrągłe, otwory podłużne, otwory kwadratowe oraz elementy walcowe, krawędzie itp.

Głowica ta znajduje zastosowanie do pomiaru części karoserii, np. drzwi samochodowych oraz całych karoserii. Dotychczas pomiary elementów karoseryjnych przebiegały w ten sposób, że ich wymiary wyznaczano poprzez pomiary elementów kulistych, które wkładane były w otwory bazowe, wyznaczając w wyniku przetworzenia danych pomiarowych współrzędne ich osi. Pomiary odbywały się za pomocą stykowych głowic impulsowych. W przypadku średniej wielkości auta stosowano od 100 do 150 takich sferycznych elementów.

Fot.8. Widok głowicy bezstykowej ViScan firmy Zeiss

W przypadku głowicy Eagle Eye Navigator pomiar odbywa się na tzw. zasadzie przemiatania po powierzchni karoserii bez potrzeby mocowania elementów bazowych. Głowica ma możliwości obracania się w jednej płaszczyźnie, co w połączeniu z głowicą obrotowo-uchylną pozwala na wykonywanie pomiarów w sześciu osiach. Może być stosowana w połączeniu z głowicą impulsową, np. RST. Pomiary karoserii odbywają się przy zastosowaniu współrzędnościowej maszyny pomiarowej o konstrukcji wysięgnikowej z poziomym usytuowaniem pinoli.

Producent ocenia, że czas pomiaru kompletnej karoserii przy zastosowaniu tej głowicy jest dwukrotnie krótszy niż w przypadku głowic stykowych. Głowice triangulacyjne mogą pracować w trybie punktowym (statycznym) i skaningowym. Punktowy tryb pracy polega na przemieszczaniu się pinoli z głowicą aż do koincydencji plamek, czyli do tzw. wskazania zerowego. Po ustaniu wszystkich przemieszczeń zespołów ruchomych maszyny następuje wówczas odczyt wskazań z układów pomiarowych. Ten tryb pracy podobny jest do działania głowicy przełączającej, dającej sygnał zero-jedynkowy.

Skaningowy tryb pracy głowicy odbywa się w ruchu. Wykorzystywany jest cały zakres pomiarowy fotolinijki, a w przypadku jego przekroczenia następuje przesunięcie pinoli wraz z głowicą w obszar tego zakresu. Wartość współrzędnych lokalizowanego punktu jest sumą wartości pochodzącej z przetwornika (fotolinijki) głowicy i z układu pomiarowego maszyny. Ten tryb pracy jest podobny do typowego skaningu głowicą stykową.

Głowicami laserowymi są mierzone elementy, które nie mogą być mierzone za pomocą głowic stykowych, np. przedmioty miękkie o powierzchni podatnej na naciski (profile cienkościenne, części z tworzyw sztucznych), otwory o małych średnicach czy też zarysy o małych promieniach zaokrągleń. Głowice te są szczególnie przydatne w skaningowych pomiarach odtwarzających kształt powierzchni tworzonych na modelu miękkim, np. modeli karoserii samochodowych, deski rozdzielczej wykonanej z tworzyw sztucznych, obić tapicerskich drzwi, a nawet foteli.

Uzyskane profile przestrzenne przedstawiane są na wydruku graficznym, na którym możliwe jest zaznaczenie odchyleń linii i zarysów od linii i zarysów nominalnych. Wartości tych odchyleń podawane są także w poszczególnych osiach pomiarowych.

Robert Sowiński Kierownik Działu Szkoleń i Aplikacji Carl Zeiss   Jakie są najważniejsze trendy w dziedzinie współrzędnościowych maszyn pomiarowych? Zaobserwować można trzy główne trendy. Pierwszym jest powszechne stosowanie skanowania jako podstawowej techniki pomiarowej. Korzystają z niego coraz mniejsze firmy i na coraz mniejszych maszynach pomiarowych. Drugi trend związany jest z upowszechnianiem się pomiarów optycznych, które choć zapewniają bardzo szybkie pomiary, nie mogą być stosowane w każdych warunkach. Dodatkowo pomiary optyczne obarczone są większą niedokładnością. Trzecią nowością jest metrotomografia, czyli stosowanie tomografii w metrologii. Pozwala to bardzo szybko mierzyć obiekty, których wcześniej nie mogliśmy zmierzyć lub które były mierzone z wykorzystaniem niszczących technik pomiarowych przy zastosowaniu wielu przyrządów i w bardzo długim czasie. Dodatkowo metrotomografia pozwala sprawdzić strukturę materiału i błędy montażu – kwestie, które kiedyś nie były ujawniane w trakcie pomiarów. Jak ocenia Pan rozwój polskiego rynku pomiarów współrzędnościowych? Które urządzenia są najczęściej stosowane? W Polsce nieustannie obserwujemy rozbudowę i rozwój przemysłu. Nowe zakłady używają najnowocześniejszych technologii, włączywszy w to CAD/CAM, a to wymusza użycie nowoczesnych narzędzi pomiarowych, zwłaszcza współrzędnościowych maszyn pomiarowych. Dotyczy to w szczególności pomiarów bardzo skomplikowanych elementów z powierzchniami swobodnymi, które jest coraz łatwiej zaprojektować i wykonać. Duże wymogi narzuca także przemysł motoryzacyjny. W efekcie zapotrzebowanie na maszyny pomiarowe jest coraz większe, podobnie jak świadomość użytkowników co do ich możliwości. Według naszych ocen najczęściej kupowane są maszyny, które mają uniwersalne zastosowania i średni zakres pomiarowy. Z drugiej strony odbiorcy coraz chętniej nabywają też urządzenia najwyższej klasy o wysokiej produktywności, które dedykowane są do linii produkcyjnych i mogą pracować w ruchu ciągłym praktycznie bez wyłączania.

Głowice z kamerą ccd

Są to głowice bezstykowe, w których przetwornikiem jest kamera CCD. Rozwój przetworników wykorzystujących zespoły światłoczułe o coraz większej liczbie pikseli doprowadził do powstania nowych głowic. Przykładem jest głowica Vi-Scan przedstawiona na fot.8. Służy ona do mierzenia elementów płaskich o małych wymiarach – m.in. płytek drukowanych i elementów z miękkich materiałów – np. z gumy i materiałów syntetycznych. Pomiary mogą być przeprowadzane wymiennie głowicą ViScan i głowicą impulsową, które mocowane są do głowicy obrotowo-uchylnej i wymieniane automatyczne z magazynka.