Współrzędnościowa technika pomiarowa

Fot.1. Przykładowe części maszyn i urządzeń, które mogą być zmierzone za pomocą WMP

Większość współrzędnościowych maszyn pomiarowych (WMP) nowej generacji jest wyposażonych w głowice pomiarowe, nazywane również sondami skaningowymi. Dzięki nim możliwa jest kontrola nie tylko wymiarów, ale również odchyłek kształtu i położenia skomplikowanych geometrycznie obiektów. Głowice skaningowe, podobnie jak specjalizowane urządzenia do pomiaru kształtu profilu, pozwalają na pomiar dużej liczby punktów w czasie dostosowanym do szybkości produkcji.

Olbrzymie skrócenie czasu łącznej kontroli mierzonego przedmiotu jest możliwe dzięki temu, że nie zachodzi potrzeba zmiany przyrządu pomiarowego – w jednym procesie można wyznaczyć wszystkie możliwe wymiary i odchyłki. Przykładowe części maszyn i urządzeń, które mogą być zmierzone za pomocą WMP, przedstawiono na fot.1. Oprócz pokazanych części o stosunkowo niewielkich wymiarach możliwy jest pomiar dużych elementów – np. karoserii samochodowych (fot.2) o wymiarach do kilku lub kilkunastu metrów.

Istota pomiarów współrzędnościowych

Fot.2. Pomiar karoserii samochodu osobowego przy pomocy WMP wysięgnikowej firmy DEA

Pomiary współrzędnościowe charakteryzują się nieco inną zasadą wyznaczania wymiarów geometrycznych od klasycznych metod pomiarowych wykorzystujących przyrządy jednozadaniowe, takie jak mikrometr czy średnicówka. Proces pomiarowy w przypadku WMP polega na pomiarze wartości współrzędnych X, Y, Z pojedynczych punktów na powierzchni mierzonego przedmiotu. W większości klasycznych WMP (z wyjątkiem maszyn hybrydowych i ramion przenośnych) pomiar odbywa się w układzie współrzędnych kartezjańskich, tzn. ruchome zespoły pomiarowe maszyny przemieszczają się w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach.

Do lokalizacji punktów mierzonego przedmiotu w przestrzeni pomiarowej WMP służy głowica pomiarowa, natomiast pomiar ich położenia realizują liniały pomiarowe znajdujące się w każdej z osi maszyny. Na tym etapie wymiary mierzonego przedmiotu oraz odchyłki kształtu i położenia jego elementów nie są jeszcze znane. Niezbędny jest do tego proces obliczeniowy.

Na podstawie zarejestrowanych współrzędnych poszczególnych punktów pomiarowych komputer maszyny wyznacza figury geometryczne, z których składa się element mierzony. Cechy tych figur są wymiarami, a odległości poszczególnych punktów pomiarowych od zdefiniowanych elementów odniesienia to odchyłki kształtu. Wzajemne odległości figur geometrycznych wchodzących w skład mierzonego elementu oraz odchyłki położenia obliczane są również przez oprogramowanie maszyny współrzędnościowej.

Współrzędnościowe maszyny pomiarowe

Rys.1. Schematy kinematyczne WMP portalowej (po lewej) oraz wysięgnikowej (po prawej): (1) zespoły nośne, (2) liniały pomiarowe, (3) głowica, (4) łożyskowanie, (5) stół pomiarowy, (6) głowica obrotowo-uchylna, (7) mierzony element

Pomimo ciągłego postępu w dziedzinie WMP, zasadnicza zmiana w budowie maszyny i jej głównych zespołów (np. stołu pomiarowego, prowadnic, łożyskowania oraz liniałów pomiarowych) nie uległa radykalnym zmianom. Znaczny postęp obserwuje się natomiast w rozwoju głowic pomiarowych oraz kontrolerów i ich oprogramowania. Od lat znane są cztery podstawowe rodzaje rozwiązań konstrukcyjnych maszyn: portalowe (nazywane inaczej bramowymi), mostowe oraz wspornikowe i wysięgnikowe.

Rozwiązania te różnią się przestrzennym usytuowaniem zespołów nośnych maszyny, co przekłada się na ich parametry użytkowe, takie jak zakres pomiarowy i dokładność. Przykładowe schematy kinematyczne dwóch najbardziej popularnych typów maszyn: portalowej i wysięgnikowej, przedstawiono na rys.1. W przypadku najbardziej uniwersalnych maszyn portalowych zakresy pomiarowe sięgają od 400 do 5000mm na oś. Maszyny mostowe charakteryzują się znacznie większymi zakresami sięgającymi nawet 16m.

Rzadko spotykane maszyny wspornikowe ze względu na małą sztywność konstrukcji mają dość małe zakresy od 300 do maksymalnie 700mm. Za to stosowane najczęściej w przemyśle motoryzacyjnym maszyny wysięgnikowe oferują znacznie większe zakresy pomiarowe sięgające w najdłuższej osi do 18m oraz do 3,5m w pozostałych osiach. Dokładność WMP zależy od typu konstrukcji i zastosowanej głowicy pomiarowej. Wynosi ona od kilkudziesięciu µm dla maszyn o dużych zakresach pomiarowych, do dziesiątych części µm dla maszyn portalowych o największej dokładności.

Zdecydowanie największy postęp techniczny w rozwoju WMP obserwowany jest w dziedzinie elektroniki i oprogramowania. Zastosowanie nowoczesnych sterowników i algorytmów pozwala na znaczne poprawienie dokładności pomiaru poprzez numeryczną kompensację różnego typu błędów systematycznych przetworników pomiarowych, a w szczególności błędów dynamicznych. Przykłady takich technologii to Renscan DC w sterownikach UCC firmy Renishaw oraz VAST Navigator w maszynach firmy Zeiss wyposażonych w aktywną głowicę skanującą typu Vast Gold.

Sterownik WMP to centralny element jej wyposażenia zarządzający pozycjonowaniem i skanowaniem. Integruje funkcje kontroli maszyny, głowic pomiarowych oraz przegubów obrotowo-uchylnych i stołów obrotowych. Przykładem takiego sterownika nowej generacji jest UCC firmy Renishaw. Wykorzystuje on technologię Renscan DC, która umożliwia dokładny i szybki pomiar – zarówno impulsowy, jak i poprzez skanowanie (do 500 punktów/s). Renscan DC umożliwia digitalizację powierzchni o nieznanym kształcie.

Fot.3. Widok WMP typu Accura 7 firmy Zeiss

Zastosowany filtr paraboliczny wygładza błędne odchyłki powierzchni powstające wskutek wibracji maszyny. Kontroler udostępnia też funkcje analizy i uczenia się przebiegu nieznanej powierzchni. Z kolei funkcja Dynamic Integrator zapewnia szybkie i dokładne pozycjonowanie oraz zapobiega efektowi przekraczania zadeklarowanej drogi. Sterowniki firmy Hexagon Metrology (B3CLC) mają funkcje Fly, której działanie polega na przewidywaniu przez sterownik w trakcie wykonywania rzeczywistego ruchu maszyny jej kolejnego ruchu.

Pozwala to na płynne sterowanie maszyną bez jej zatrzymywania przy zmianie kierunku jazdy. Przykładem maszyny portalowej średniej klasy jest Accura 7 firmy Zeiss o zakresie pomiarowym od 900 mm w osi X, 1200 mm w osi Y oraz 700 mm w osi Z. Maszyna wyposażona jest w zależności od opcji w skaningową głowicę aktywną typu Vast Gold albo pasywną Vast XXT współpracującą z głowicą obrotowo-uchylną RDS. Możliwe jest również zastosowanie całej gamy innych głowic pomiarowych stykowych, np. impulsowych TP2 i TP200 oraz bezstykowych np. Viscan.

Błąd graniczny wskazania zgodnie z PN-EN ISO10360 wynosi MPEE = 1,7+L/333µm dla głowic skaningowych oraz MPEE = 2,2+L/333µm dla głowic impulsowych współpracujących z przegubem obrotowo-uchylnym RDS. L oznacza mierzoną długość podaną w metrach. Widok maszyny współrzędnościowej typu Accura 7 przedstawiono na fot.3.

Rys.2. Widok ekranu przedstawiającego pomiar przekroju elementu o nieznanym kształcie

Oprogramowanie WMP służy do sterowania procesem pomiarowym oraz akwizycji, analizy i archiwizacji wyników. Pierwsze WMP zawierały w większości własne opracowania w tym zakresie. Obecnie, ze względu na fakt, że WMP stały się systemami niezwykle rozbudowanymi, a użytkownicy zwracają szczególną uwagę na funkcjonalność oprogramowania oraz jego komunikatywność, dominuje oprogramowanie uniwersalne. Zaletą takiego stanu rzeczy jest to, że użytkownik przywiązany do określonego oprogramowania nie musi go zmieniać nawet wtedy, gdy wymienia między sobą maszyny różnych producentów.

W Polsce ze względu na popularność WMP firmy Zeiss najbardziej rozpowszechnione jest oprogramowanie Calypso promowane właśnie przez tę firmę. Jest to oprogramowanie uniwersalne, które można stosować również z maszynami innych producentów. Calypso umożliwia wykonanie pomiaru ręcznie za pomocą manipulatora oraz w trybie CNC na podstawie napisanego programu. Obsługuje głowice pomiarowe pracujące stykowo i bezstykowo.

Oprogramowanie automatycznie rozpoznaje mierzone elementy (tj. okrąg, płaszczyzna, prosta, kula, walec, stożek) oraz prezentuje ich trójwymiarowe rysunki w oknach graficznych podobnych do tych z programów wspomagających projektowanie typu CAD/ CAM. Możliwy jest również skaningowy pomiar przekrojów krzywoliniowych o nieznanym kształcie. Widok ekranu przedstawiającego pomiar właśnie takiego przekroju pokazuje rys.2.

Oprócz pakietu Calypso podstawowym oprogramowaniem stosowanym w WMP jest Cosmos Geopak- Win firmy Mitutoyo, PC-DMIS firmy DEA, Quindos firmy Leitz (obecnie obie marki wchodzą w skład Hexagon Metrology), Metrolog firmy Metrologic Group oraz Powerinspect firmy Delcam. Poza wymienionymi programami stosowanymi do kontroli wymiarów, odchyłek kształtu i położenia stosuje się specjalistyczne oprogramowanie dedykowane tylko do jednego typu elementów, np. Blade Pro oraz Gear Pro firmy Zeiss odpowiednio do pomiarów łopatek turbin i kół zębatych.

Tomasz Szymański Technical Manager Mitutoyo Polska   Co zmienia się w technologii współrzędnościowych maszyn pomiarowych (WMP)? Jakie są przykłady nowości wprowadzanych przez Mitutoyo? W konstrukcji WMP zmienia się dosyć dużo, przy czym różni producenci idą w różnych kierunkach. Mitutoyo buduje wyrafinowane lekkie i sztywne konstrukcje w oparciu o metodę elementów skończonych (FEM). Zmieniają się też materiały wykorzystywane w budowie maszyn – np. granit wypierany jest przez nowoczesne stopy metali czy kompozyty. Znaczący wpływ na wzrost dokładności ma doskonalenie systemów regulacji szczeliny łożysk pneumatycznych stosowanych w WMP. Kolejnym ważnym, szybko rozwijającym się elementem omawianych maszyn jest oprogramowanie. Mitutoyo co roku publikuje nową wersję programu Mcosmos, która wprowadza m.in. rozwiązania ułatwiające obsługę oraz zwiększające możliwości analizy i prezentacji wyników pomiarów. W przypadku naszej firmy nad rozwojem technik pomiarowych pracuje osiem ośrodków badawczo-rozwojowych wspieranych przez dwanaście instytutów zajmujących się metrologią. Oferujemy szeroką gamę WMP, przy czym najpopularniejsze są maszyny z ruchomym portalem, które występują w wersjach CNC i manualnych. Z kolei urządzenia najdokładniejsze to maszyny ze stałym portalem i ruchomym stołem, które zapewniają niepewność pomiaru na poziomie 0,3µm. WMP przystosowane natomiast do pracy w warunkach linii produkcyjnej charakteryzują się odpornością na czynniki zewnętrzne, zwłaszcza w zakresie zmian temperatury i zanieczyszczeń, oraz dużymi szybkościami pracy na poziomie 860mm/s. Kto jest odbiorcą omawianych maszyn? Współrzędnościowe maszyny pomiarowe dzięki ogromnej uniwersalności oprogramowania i różnorodności wyposażenia pracują praktycznie w większości branż. Oceniam, że odpowiednio wyposażona WMP znaleźć może zastosowanie wszędzie tam, gdzie zachodzi potrzeba sprawdzenia, czy produkt odpowiada założonemu przez konstruktora kształtowi. Dotyczy to aplikacji począwszy od motoryzacji, przez przemysł lotniczy, elektronikę, ADG, przemysł medyczny po nanotechnologię – wszędzie tam również Mitutoyo może służyć adekwatnymi rozwiązaniami.

Głowice pomiarowe

Rys.3. Schematy głowic stykowych stosowanych w WMP

Jednym z najistotniejszych elementów we współrzędnościowym procesie pomiarowym jest problem lokalizacji punktów pomiarowych na powierzchni mierzonego przedmiotu. Służy do tego specjalny czujnik stykowy lub bezstykowy nazywany głowicą pomiarową lub sondą. Jego zadaniem jest lokalizacja punktów mierzonego elementu. Punkty te są podstawą wyznaczenia wymiarów oraz odchyłek położenia i kształtu często bardzo złożonych geometrycznie części maszyn i urządzeń.

Stykowe głowice WMP dzielą się na impulsowe (przełączające) i skaningowe (mierzące). Wśród głowic impulsowych najstarszą i najprostszą konstrukcją są głowice elektrostykowe. Znacznie nowszym rozwiązaniem są dodatkowe przetworniki tensometryczne lub piezoelektryczne w głowicach elektronicznych. Głowice skaningowe dzielą się w zależności od sposobu zadawania nacisku pomiarowego na pasywne oraz aktywne. W głowicach pasywnych stosuje się proste zespoły sprężyn płasko-równoległych, a w głowicach aktywnych zaawansowane elektroniczne generatory siły nacisku.

Schematy przedstawiające te konstrukcje zamieszczono na rys.3. Wraz z dynamicznym rozwojem WMP opracowywane są nowe rozwiązania dotyczące głowic pomiarowych. Głowice nowej generacji pozwalają na pomiar z większą dokładnością i w krótszym czasie. Umożliwiają to nowe konstrukcje przetworników głowic oraz lekkie materiały stosowane do budowy trzpieni pomiarowych (tj. ceramika, włókna węglowe). Dodatkowo, modułowa konstrukcja głowic pozwala na szybką wymianę trzpieni i dostosowanie konfiguracji do konkretnego zadania pomiarowego.

Stykowe głowice impulsowe

Fot.4. Stykowe głowice impulsowe firmy Renishaw: (A) głowica elektrostykowa modułowa TP20, (B) głowica elektrostykowa TP6, (C) głowica modułowa elektroniczna TP200, (D) interfejs głowicy elektronicznej

Pierwszą grupą głowic pracujących stykowo są głowice impulsowe, zwane również przełączającymi, które generują impuls w momencie styku końcówki głowicy z obiektem. Impuls ten powoduje "odczytanie" współrzędnych punktu z układów pomiarowych maszyny, zamontowanych na poszczególnych jej osiach oraz oddziałuje na napędy i sterowanie maszyną. Głównym producentem głowic stosowanych we współrzędnościowej technice pomiarowej jest angielska firma Renishaw. Produkowane przez nią głowice przełączające elektrostykowe o symbolach TP2, TP6 i TP20 (fot.4) pracują z powodzeniem w maszynach WMP klasy średniej i niższej.

Niektóre z tych głowic charakteryzują się modułową konstrukcją umożliwiającą automatyczną wymianę trzpieni. Głowica modułowa składa się z podzespołu bazowego oraz rozłączalnego modułu trzpienia wyposażonego w przetwornik elektrostykowy i trzpień pomiarowy. Podzespół bazowy jest wyposażony w zewnętrzny gwint umożliwiający połączenie z głowicami obrotowo-uchylnymi. Moduł trzpienia połączony jest z podzespołem bazowym za pomocą złącza magnetycznego, dzięki czemu jego wymiana odbywa się bez konieczności ponownej kalibracji głowicy.

Dostępne są różne typy modułów trzpienia charakteryzujących się różnymi wartościami nacisku generującego sygnał, optymalnymi dla różnych konfiguracji. Wymiana zespołu trzpienia może się odbywać ręcznie lub automatycznie. Wymiana automatyczna jest związana z zastosowaniem magazynka, tzw. zasobnika mogącego przechowywać sześć modułów. Parametry pomiaru głowicami elektrostykowymi są podobne. Dokładność lokalizacji punktów wyrażona niestabilnością drogi przełączania wynosi od kilku do kilkunastu µm w zależności od typu głowicy i jej konfiguracji.

W celu zwiększenia dokładności głowic przełączających w nowych rozwiązaniach konstrukcyjnych stosuje się dwustopniowe przetworniki impulsowe. Klasyczny przetwornik elektrostykowy pełni wówczas funkcję przetwornika potwierdzającego, a właściwym przetwornikiem pomiarowym jest drugi przetwornik, najczęściej tensometryczny lub piezoelektryczny. Takie rozwiązania wprowadziła zarówno firma Renishaw (w głowicy TP200), jak i niemiecka firma Zeiss (w głowicy ST-ATAC).

Głowice skaningowe

Postępująca automatyzacja produkcji części maszyn i urządzeń wymusiła rozszerzenie możliwości WMP o pomiary odchyłek kształtu i położenia. Obecnie coraz powszechniej stosowane są głowice skaningowe nowej generacji pozwalające na kompleksowy pomiar części w jednym zamocowaniu i w jednym procesie. Daje to znaczną oszczędność czasu, ponieważ nie zachodzi potrzeba zmiany przyrządu pomiarowego.

Głowica skaningowa umożliwia nie tylko wykrycie styku końcówki pomiarowej z powierzchnią mierzonego przedmiotu (jak w przypadku głowic impulsowych), ale również wyznaczenie wartości współrzędnych dzięki przetwornikom pomiarowym występującym w każdej z osi. Dzięki temu stanowi ona w istocie współrzędnościową mikromaszynę mierzącą położenie końcówki we współrzędnych X, Y, Z z rozdzielczością 0,1µm (rys.3). Podczas pomiaru przetworzona wartość sygnału z przetworników jest dodawana do wartości współrzędnych położenia głowicy zarejestrowanych przez sterownik.

Tak powstała dla wszystkich trzech osi suma jest wartością współrzędnych położenia końcówki głowicy. W odróżnieniu od pomiaru za pomocą sond przełączających końcówka głowicy nie traci kontaktu z powierzchnią analizowanego przedmiotu. Pozwala to na znaczne skrócenie czasu pomiaru i w konsekwencji przejęcie większej liczby punktów pomiarowych. Wychylenie końcówki powoduje przełączenie napędu maszyny i przesunięcie jej pinoli tak, aby wskazanie głowicy znajdowało się w pobliżu zera.

Obecnie na rynku występuje kilka podstawowych głowic skaningowych – Vast Gold i Vast XXT niemieckiej firmy Zeiss, MPP100 i MPP300 japońskiej firmy Mitutoyo oraz SP25 i SP80 angielskiej firmy Renishaw oraz głowice skaningowe Hexagon Metrology LSP- X3 i LSP-X5 produkowane pod marką Leitz (patrz ramka). Od głowic pracujących stykowo na maszynie WMP wymaga się, aby pozwalały na pomiar powierzchni o zróżnicowanej geometrii, strukturze i "wrażliwości" na naciski pomiarowe.

Ważna jest tu duża dokładność i czas dostosowany do szybkości produkcji. Dlatego też obserwuje się ciągły postęp w konstrukcji przetworników głowic oraz ich wyposażeniu w trzpienie pomiarowe tak, aby spełniały różnorodne zadania przy dużej dokładności i prędkości pomiarów.

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.

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.

Metody badania dokładności

Fot.9. Pomiar odchyłki pozycjonowania interferometrem laserowym na maszynie wysięgnikowej

Do uzyskania dużej powtarzalności pomiarów współrzędnościowych niezbędne jest zadbanie o procedury związane z oceną dokładności zarówno samego pomiaru, jak i dokładności stosowanych maszyn. O ile do sprawdzenia dokładności prostych, jednozadaniowych przyrządów można zastosować nieskomplikowane wzorce i procedury pomiarowe, o tyle sprawdzenie WMP realizującej kompleksowe pomiary nie tylko gabarytów części maszyn i urządzeń, ale i odchyłek kształtu czy położenia nie jest proste.

Procedury wprowadzone przez normę międzynarodową ISO 10360- 2:2001 i będącą jej tłumaczeniem polską normę PN-EN ISO 10360-2:2002 odnoszą się głównie do sprawdzenia błędów pomiaru długości oraz błędu zespołu głowicy pomiarowej. Szersze podejście do zagadnienia sprawdzania WMP proponują zalecenia CMMA czy VDI/VDE. Metody te, nazywane metodami analitycznymi, umożliwiają wykrycie wszystkich geometrycznych błędów składowych CMM, takich jak błędy pozycjonowania, rotacyjne oraz prostoliniowości i prostopadłości prowadnic.

Wykrycie tych błędów wymaga różnorodnych środków pomiarowych, wśród których warto wymienić interferometr laserowy umożliwiający wyznaczenie 21 błędów geometrii maszyny (patrz fot.9). Inną kompleksową metodą oceny dokładności WMP jest metoda opracowana w Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) oparta na tzw. płytowym wzorcu kulowym, który pozwala wykryć wszystkie wymienione rodzaje błędów. Kulowy wzorzec płytowy ma ułożone rzędami i kolumnami kule wzorcowe wykonane z ceramiki lub ze stali o dużej twardości.

Wyznaczenie błędów geometrycznych maszyny pomiarowej za pomocą płytowego wzorca kulowego polega na porównaniu współrzędnych środków kul zmierzonych przez sprawdzaną maszynę w ściśle określonych położeniach wzorca z położeniem rzeczywistych wartości tych współrzędnych określonych w jego ateście. Płytowy wzorzec kulowy, mimo że jest wzorcem dwuwymiarowym, umożliwia poprzez kolejne iteracje objęcie przestrzeni trójwymiarowej CMM. Jest to obecnie jedna z najszybciej rozwijanych technik oceny dokładności WMP.

W wielu ośrodkach naukowych prowadzone są prace nad optymalizacją tej metodyki przez opracowywanie odmian wzorców płytowych oraz procedur atestacji maszyn. Osobne prace dotyczą poznania właściwości metrologicznych głowic pomiarowych.

dr inż. Adam Woźniak
Instytut Metrologii i Systemów Pomiarowych,
Politechnika Warszawska
wozniaka@mchtr.pw.edu.pl