Заказать мероприятие
Отправляя данные, я подтверждаю, что ознакомилась/ознакомился с Политикой в отношении обработки персональных данных, принимаю её условия и предоставляю ООО «РИА «Стандарты и качество» Согласие на обработку персональных данных.
Отправляя данные, я подтверждаю, что ознакомилась/ознакомился с Политикой в отношении обработки персональных данных, принимаю её условия и предоставляю ООО «РИА «Стандарты и качество» Согласие на обработку персональных данных.
Отправляя данные, я подтверждаю, что ознакомилась/ознакомился с Политикой в отношении обработки персональных данных, принимаю её условия и предоставляю ООО «РИА «Стандарты и качество» Согласие на обработку персональных данных.
Для приобретения подписки для абонементного доступа к статьям, вам необходимо зарегистрироваться
После регистрации вы получите доступ к личному кабинету
Зарегистрироваться Войти
На Международной станкостроительной выставке в Париже в 1959 г. компания Ferranti представила одну из первых коммерчески успешных координатно-измерительных машин (КИМ). Эта разработка стала поворотным моментом в истории точных измерений. Впоследствии Ferranti
заняла лидирующие позиции на рынке оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ), объединив потенциал автоматизации производства и точности измерений.
Технология числового программного управления (ЧПУ) значительно ускорила процесс обработки металла, устранив необходимость ручного вмешательства при выполнении операций. Однако в полной мере потенциал новых станков не был реализован — отсутствие автоматизированных средств контроля качества замедляло производственный цикл. Проверка соответствия изготовленных деталей чертежам все еще требовала значительных временных затрат со стороны контролеров. Именно эта проблема стала стимулом к разработке новых методов измерений.
Именно с появлением координатно-измерительных машин стало возможным устранить узкое место, связанное с измерительным контролем. Эти устройства позволили автоматизировать проверку соответствия геометрии деталей требованиям чертежа, что дало производству долгожданную свободу: теперь высокая скорость обработки на станках с ЧПУ могла сочетаться с не менее высокой скоростью и точностью контроля. В результате трехмерная декартова система координат (XYZ) стала неотъемлемой частью современных измерительных процессов. И сегодня динамичный производственный цикл невозможно представить без КИМ.
В основе технологии КИМ лежит декартова система координат.
Декартова система координат, более известная как прямоугольная система координат, получила название в честь французского философа и математика XVII в. Рене Декарта (1596–1650).
В своей двухмерной форме она определяет две измерительные оси, известные как X и Y, расположенные под прямым углом друг к другу. Эти оси естественным образом делят плоскую рабочую среду на четыре квадранта, как показано на рисунке, с исходной точкой (X = 0, Y = 0) в центре. Полярная система координат является производной от декартовой системы.
Полярные координаты указывают на положение точки на плоскости в терминах расстояния от полюса (это нулевая точка в декартовых координатах) и угла по отношению к полярной оси (положительное направление по оси Х в декартовых координатах). Углы можно измерять в направлении против часовой стрелки от полярной оси (от 0 до 360°) или в любом направлении (от 0 до 180° против или по часовой стрелке), таким образом, угол 315º эквивалентен —45º при измерении по часовой стрелке от оси X.
Размеры некоторых элементов детали легче и естественнее всего определить и измерить с помощью полярной системы координат, поэтому на чертежах наряду с обычными размерами в декартовой системе часто указываются и полярные координаты. Хорошим примером может служить делительная окружность (ДО) и расположенные на ней элементы, показанные на фотографии выше. Все отверстия равноудалены от оси отверстия (A) и друг от друга (на определенное расстояние) вдоль делительной окружности, а угловое положение как минимум одного из отверстий задано относительно оси X.
На чертеже расстояние между соседними отверстиями на делительной окружности, как правило, можно определить на основе примечания рядом с полем допусков, например 20 × Ø6. Это означает, что профиль должен содержать 20 отверстий диаметром шесть миллиметров, равномерно распределенных с интервалом 18º. Диаметр делительной окружности определяют количественно, а угловое положение обычно получают на основе данных одного или более отверстий, расположенных на осях Х и Y. В других случаях или если отверстия расположены не на одинаковом расстоянии, используется непосредственное определение угла.
Как этот сложный элемент измеряли до появления КИМ? Этот процесс был довольно трудоемким, контролерам приходилось использовать рычажно-зубчатую головку, установленную на штангенрейсмасе, делительную головку, гранитную поверочную плиту, концевые меры длины и тригонометрические таблицы. Измерение резьбовых отверстий может вызывать трудности при использовании КИМ в полярной системе координат. Например, в показанной выше детали базовое отверстие (A) имеет неполную резьбу, и если непрерывной поверхности недостаточно для измерения, то в отверстие следует вставить резьбовую пробку для выполнения измерений.
Если бы в 1970‑х годах компания Renishaw не изобрела датчик касания КИМ, то самая значимая и перспективная из всех измерительных систем не получила бы широкого признания, а дальнейший прогресс технологии КИМ был бы практически невозможен. Как следует из названия, датчик касания срабатывает в момент, когда его щуп касается поверхности детали. При этом формируется электрический сигнал, который поступает в блок управления КИМ. В ответ система фиксирует текущие координаты в пространстве (X, Y, Z) и заносит их в память. После срабатывания датчик автоматически отводится от поверхности и готов к следующему измерению. Благодаря этому механизму стало возможным осуществлять быстрое и точное определение координатных точек без необходимости визуального или ручного считывания. Такой принцип положил начало широкому распространению КИМ в автоматизированных производственных средах.
Самый первый контактный датчик компании Renishaw, получивший название TP1, был изобретен Дэвидом Макмертри в 1973 г., когда он работал в компании Rolls-Royce. Его задачей было измерение изогнутых труб для авиационных двигателей, устанавливаемых на сверхзвуковые самолеты Concorde. Геометрическая сложность этих деталей делала невозможным применение традиционных методов контроля, особенно когда требовалось определить вектор, образуемый трубой между двумя узлами двигателя. Разработанный Макмертри датчик обеспечивал точность за счет мгновенного срабатывания в точке контакта с поверхностью. Несмотря на внешнюю простоту и бинарный принцип действия (вкл/выкл), устройство стало настоящим прорывом. Вскоре жесткие измерительные щупы были вытеснены, а TP1 дал старт целому поколению более совершенных датчиков.
После множества нововведений и улучшений знаменитый ТР1 превратился в ТР2, который оставался популярным на протяжении многих лет. В частности, была внедрена система трех лепестков контакта (кинематическое соединение), что повысило стабильность точки срабатывания, как показано на схеме (а) . Датчик ТР1 был оснащен тремя штифтами и опорой для каждого штифта, поэтому часто имело место непостоянство точки срабатывания в зависимости от направления контакта с измеряемым объектом. В некоторых случаях это приводило к отклонениям до 10 мкм. Только с появлением датчика TP200, пришедшего на смену TP20, основанного на пьезоэлектрическом принципе, эту проблему удалось устранить полностью.
Поскольку работа контактного датчика основана на замыкании и размыкании электрических цепей через три металлических штифта, находящихся в контакте с тремя парами опор, его на-
дежность и срок службы во многом зависят от качества этих контактных поверхностей. В условиях интенсивной эксплуатации, особенно на автоматизированных КИМ с высокой производительностью, датчику приходится обрабатывать сотни тысяч, а иногда и миллионы касаний в год. Чтобы увеличить ресурс системы, разработчики применяли специальные материалы и смазки, минимизирующие износ. Тем не менее такая конструкция оставалась чувствительной к усталости металла и загрязнению. Эти ограничения стали одной из причин перехода к новым поколениям датчиков, в т.ч. TP200, в котором реализован бесконтактный пьезоэлектрический принцип регистрации касания.
Сканирование — один из способов измерения сложных криволинейных поверхностей, метод, при котором координатно-измерительная машина перемещает измерительный наконечник вдоль детали, сохраняя его постоянный контакт с поверхностью. Для сканирования используются аналоговые датчики, способные отслеживать малейшие отклонения щупа в реальном времени. Как показано на рисунке ниже, КИМ перемещает наконечник по детали по прямой линии, непрерывно регистрируя отклонения от номинального положения. Система собирает координатные данные с заранее заданной частотой — например, каждые 2,5 мкм перемещения щупа. Программное обеспечение анализирует зафиксированные точки, корректируя их на радиус наконечника, и формирует точную модель контура детали. В случае сложных поверхностей, изогнутых в нескольких направлениях, КИМ сканирует их отдельными отрезками, которые затем объединяются в единую трехмерную структуру.
Датчик этого типа называется аналоговым, поскольку он генерирует электрический сигнал, пропорциональный отклонению щупа измерительной головки от номинального положения. В отличие от более простого датчика касания, который фиксирует только момент прикосновения к поверхности и затем отводится, аналоговый датчик остается в постоянном контакте с деталью в процессе измерения. Благодаря этому становятся доступными непрерывные профили измерений с высокой плотностью данных. Передавая непрерывный поток информации в блок управления КИМ, аналоговый датчик позволяет с большой точностью воссоздать форму сложных поверхностей. Для измерения двухмерных профилей в некоторых случаях применяются специализированные приборы — контурографы. Они оснащаются жестким щупом на консоли и предназначены исключительно для анализа профиля в одной плоскости, представляя собой более простую, но ограниченную по возможностям альтернативу универсальным КИМ.
Датчик TP20 был разработан как усовершенствованная замена TP2 и быстро стал одним из самых популярных датчиков касания на рынке. Одной из ключевых особенностей TP20 стала модульная конструкция: измерительная головка и щуп соединяются через магнитное кинематическое крепление, что позволяет производить замену модулей — вручную или автоматически — без повторной калибровки. Это особенно удобно при переходе между задачами, требующими различных длин и усилий касания. TP20 выпускается с модулями, рассчитанными на малое, стандартное и повышенное контактное усилие: выбор зависит от типа щупа, чувствительности измеряемого материала и требуемой точности. Например, малое усилие подходит для хрупких или мягких поверхностей, а повышенное — для тяжелых головок или условий с сильной вибрацией. Таким образом, TP20 сочетает гибкость, простоту обслуживания и высокую повторяемость при измерениях, особенно в производственной среде.
Датчик TP20 призван стать преемником ТР2 и его прямой заменой.
Важным преимуществом TP20 стала его способность защищать измерительную систему при случайных столкновениях. Благодаря магнитному кинематическому соединению модуль может отсоединиться от корпуса датчика при избыточной нагрузке, сводя риск повреждений к минимуму. Это особенно актуально в условиях автоматизированных линий, где вмешательство оператора минимально. Несмотря на то что в TP20 сохраняется трехлепестковая форма точек срабатывания, которая может вызывать незначительные вариации в зависимости от направления касания, в более современной модели TP200 эта проблема решена за счет применения пьезоэлектрической технологии. TP200 обеспечивает практически одинаковую точку срабатывания независимо от направления движения щупа и подходит для задач с повышенными требованиями к воспроизводимости.
Сертификат повторяемости измерений компании Renishaw, который поставляется с TP20, содержит всю необходимую информацию. В двух случайно выбранных сертификатах, показанных выше (а, b), указано целых 60 точек сбора данных в ходе проведения испытания. В данном случае речь идет об испытании на повторяемость измерений, в котором датчик приближается к целевой точке из шести различных направлений, угол между которыми составляет 60º. Измерения повторяются десять раз в каждом направлении. Худшее показание — 0,21 мкм (8 мкдюймов) при 120º. Это значение обведено (рис. а) и выражается на уровне 2 сигма, что считается общепринятым стандартом при определении повторяемости. Если сравнить два показанных сертификата, становится очевидно, что датчик со стандартным усилием (b) имеет лучший показатель воспроизводимости измерений — 0,1 мкм (4 мкдюйма). Подробная информация о выборе датчика и технике измерений приведена в Руководстве NPL по выполнению измерений № 43 «Измерения с помощью КИМ» автора Дэвида Флэка.
Координатно-измерительной машине как инструменту, приближенному к универсальному измерительному прибору, часто приходится работать в сверхинтенсивном режиме: в производственных условиях, а не в чистом помещении, по три смены в день — иногда полную неделю. Неблагоприятные условия окружающей среды, конечно, оказывают пагубное влияние на машину, вызывая постепенное ухудшение рабочих характеристик критически важных компонентов, таких как опоры на воздушной подушке, что в конечном итоге снижает точность КИМ.
Регулярное обслуживание очень важно для поддержания ее рабочего состояния и производительности. Более того, это также лучшая подготовка к проверке. Проверка КИМ выполняется периодически в рамках программы по обеспечению поддержания рабочих характеристик в пределах первоначальной спецификации или в случае отклонений при нормальной работе машины. Обычно она выполняется представителем производителя машины. Он следит за работой КИМ на площадке, выполняет проверку, а затем, если результаты окажутся удовлетворительными, подтверждает, что машина соответствует спецификации и годна для дальнейшего использования. Если результаты неудовлетворительны, то необходимо предпринять корректирующие меры, например произвести отладку, ремонт, переоборудование или замену. С этой целью в производственном графике должно быть предусмотрено время на выполнение проверки, которое обычно составляет около двух дней.
Стандартная методика проверки координатно-измерительных машин — использование калиброванных вещественных эталонов в соответствии с ГОСТ ISO 10360–2:2017. Такой подход позволяет оценить фактическую точность КИМ в условиях, максимально приближенных к рабочим. Например, компания «Измерительные Решения» применяет для этой цели концевые меры длины, аттестованные в ФБУ «НИЦ ПМ — Ростест», что подтверждает их прослеживаемость к национальным эталонам. Преимущество вещественных эталонов заключается в том, что они моделируют реальные измерения, обеспечивая более объективную и практически значимую проверку, чем, например, лазерные методы. Однако если габариты КИМ настолько велики, что соответствующий вещественный эталон становится неудобным или тяжелым в обращении, то практичной альтернативой может стать компактный лазерный интерферометр, особенно в полевых условиях или при ограничениях по доступу к измерительным точкам.
КИМ остается единственным универсальным измерительным прибором, способным точно определить взаимное положение между шпоночным пазом и соответствующим отверстием или валом. На практике это особенно важно при контроле деталей, работающих во вращении, — например, роторов и валов, где даже незначительное биение может привести к серьезным последствиям. Как видно на соответствующем рисунке (см. рис. с), шпоночный паз имеет несколько критичных параметров: ширину, глубину, расположение относительно оси, а также симметричность. Эти параметры необходимо проконтролировать в комплексе, что невозможно при помощи простых калибров. Ранее для этих целей применялись предельные проходные и непроходные шаблоны, однако с появлением КИМ необходимость в них практически отпала. Использование КИМ позволяет не только оценить размеры паза, но и убедиться в точном совмещении его геометрии с посадочным отверстием или сопрягаемой частью.
Координаты центра резьбовых отверстий могут иметь решающее значение, если указываются с жестким допуском расположения, но трудно поддаются прямым измерениям. Особенные затруднения вызывают отверстия малого диаметра, т.к. для их измерения требуется миниатюрный щуп. В некоторых КИМ предусмотрена программная функция, которая позволяет выполнять измерения в четырех точках внутри отверстия с учетом шага резьбы, так что в каждом положении проверяется одна и та же часть резьбы. Такой метод — оптимальный вариант измерения в условиях производства, где каждую неделю проверяют тысячи отверстий.
Однако, когда требуется максимальная точность, можно использовать базирующую втулку, как показано на рисунках, но следует понимать, что установка и извлечение втулки — трудоемкий процесс. После ввинчивания в резьбовое отверстие эти втулки совпадают с осью резьбы. После установки открытую втулку легко измерить щупом с максимальной точностью, как если бы она была неотъемлемым элементом детали. Также существуют похожие вспомогательные средства, известные как базирующие сферы.
С появлением систем автоматизированного проектирования (САПР, CAD) и станков с ЧПУ стало возможным производство настолько сложных форм, что экономически целесообразную оценку точности их элементов может выполнить только измерительный прибор с ЧПУ. Для контроля двухмерных форм больше всего подходит метод сравнения номинального профиля — программное обеспечение КИМ сопоставляет измеренный профиль с профилем, полученным из системы САПР (или запрограммированным напрямую). Результат выводится на дисплей в виде графика номинального профиля, на котором изображены любые отклонения измеренного профиля от номинального.
Пример этого метода показан на графике справа. Синяя линия обозначает номинальный профиль, а зеленые линии — пределы допусков, показанные на круговой шкале с подходящим увеличением. Черная линия обозначает измеренный профиль, нанесенный с тем же масштабом. Отклонение от номинального профиля показано радиальными линиями между ними. Любой фрагмент, который находится вне пределов допуска, выделен на графике красным цветом и количественно определен. Преимущество данного метода — в получении наглядной оценки о соответствии (или несоответствии) детали чертежу. Кроме того, программа может рассчитать положение наилучшего соответствия, чтобы определить, можно ли устранить незначительный выход за пределы границ допусков, несколько изменив положение номинального профиля. Конечно, положительный результат такой тактики зависит от наличия достаточного допуска расположения.
Но, помимо 2D-профилей (см. предыдущую страницу), современные CAD-системы и станки с ЧПУ позволяют изготавливать и крайне сложные трехмерные формы — так называемые поверхности произвольной формы. Контроль таких поверхностей возможен только с помощью КИМ, оснащенных сканирующими датчиками и специализированным программным обеспечением.
Как это происходит. Вначале данные измерений физической формы собирает сканирующий датчик, который систематически перемещается по всей поверхности. Этот датчик остается в постоянном контакте с поверхностью и через определенные промежутки времени создает измеряемые точки в формате 3D (b). Таким образом, создаются сотни, даже тысячи точек, которые образуют облако точек ©, его программа использует для формирования графического представления измеренной поверхности (d).
Заключительный этап — вычитание результатов измеряемой поверхности из данных номинальной поверхности и представление результата в виде цветовой диаграммы, на которой в графическом виде представлена величина и местонахождение различий между двумя профилями. Это показано на рис. (а): градация цвета от зеленого к красному означает, что на поверхности есть выпуклости, расположенные перпендикулярно к поверхности, градация от зеленого к голубому указывает на обратное явление.
Диаметр отверстия и координаты его центра можно определить, выполнив измерения всего в трех точках по его окружности. Хотя операторы КИМ признают, что это минимальное количество правильное с математической точки зрения, в то же время может быть в реальности недостаточно по причине погрешности касания машины и наличия отклонения от круглости, поэтому чаще всего используют пять и более точек для повышения точности измерения. Это особенно важно, когда положение отверстия необходимо определить на высоте, отличной от высоты измерений, например в ситуации, показанной выше на рис. (c). Как видно на рисунке, очень важно, чтобы стержни, которые будут вставлены в измеряемые отверстия, совпали с отверстиями в сопрягаемой части.
Кроме того, если измерение во всех точках производится на одной высоте или в программе установлен режим проекции Нормаль, считается, что ось отверстия расположена под прямым углом к базовой плоскости и точки будут автоматически проецироваться на эту плоскость соответствующим образом, как показано на рис. (а). Однако, если точки измеряются на разных высотах и установлен режим проекции Цилиндр, рассчитывается истинный вектор направления оси и точки проецируются на базовую плоскость в соответствии с этим направлением, как показано на рис. (b). Определенно, что в этом случае измерения будут наиболее точными.
В короткой истории прецизионных измерений есть два выдающихся изобретения, которые коренным образом повлияли на ход развития линейно-угловых измерений: создание Йогансоном стальных концевых мер длины (КМД) в 1900 г. и появление координатно-измерительных машин, представленных в 1959 г. и начавших активно внедряться с начала 1960‑х.
Йогансон начал работать над КМД (он их называл составными мерами длины) еще до 1900 г., но его изобретение принято относить именно к этому году, в течение которого он изготовил меры длины с наименьшим известным в то время шагом: один микрон (1 мкм или .000040 дюйма).
Спустя почти 60 лет произошел еще один прорыв в метрологии. Новое изобретение, созданное одной из передовых инженерных компаний своего времени — Ferranti, специализировавшейся на электронике и автоматизации, получило название «координатно-измерительная машина». Его быстро вывели на рынок для работы с новым типом производственных станков, оснащенных ЧПУ. Большим преимуществом и движущей силой развития КИМ была возможность быстро и точно выполнять измерения.
С появлением КИМ трехмерная декартова система координат (XY, YZ, ZX) впервые получила массовое практическое применение в технологическом проектировании и производственном контроле. КИМ позволили корректно измерять размеры изделий относительно базовых плоскостей и осей, что обеспечило беспрецедентную точность и воспроизводимость результатов.
Это подводит нас к еще одному значимому, но отдельному достижению в метрологии, которое по времени совпало с разработкой КИМ, — назначение геометрических размеров и допусков (GD&T). Эта концепция, активно развиваемая и популяризируемая Лоуэллом Фостером, одним из ключевых разработчиков системы геометрических допусков и размеров в США, стала основой текущих стандартов ISO (1101:2004) и ANSI Y14.5:2018.
Первые модели КИМ, поступившие на рынок, были крайне простыми: они не имели ни светодиодных индикаторов, ни ЖК-экранов, ни датчиков касания, ни встроенных компьютеров. Перемещение щупа ограничивалось только вдоль оси Z, а вычисления производились с помощью элементарной счетной электроники. При этом термин «программное обеспечение» в отношении измерительных систем в то время еще не использовался. Инновационное устройство с тремя контактными штифтами Дэвида МакМертри принесло огромную пользу не только компании-производителю, но и всем пользователям КИМ. Благодаря ему стали возможны КИМ с числовым программным управлением. Если изначально для измерения поверхности использовался только датчик касания, сегодня для этой цели применяются сканирующие датчики, которые остаются в постоянном контакте с рабочей поверхностью, чтобы зафиксировать больше измеренных точек. Также сегодня повсеместно распространен бесконтактный датчик на базе ПЗС-камеры. Развитие КИМ продолжается, и каждая новая итерация делает их все более гибкими, точными и интеллектуальными.
448
Подписка
Всероссийская организация качества
