Координатно измерительная машина это

Координатно-измерительные машины

Контроль размеров готовой продукции всегда был узким местом в машиностроении. С момента появления массового производства и до настоящего времени на многих предприятиях до сих пор пользуются ручным мерительным инструментом. И основная проблема состоит в скорости проведения измерений, а также в записи и систематизации результатов. Распространение оборудования с ЧПУ только усугубило эту проблему. Увеличились производительность станков, сложность и ассортимент выпускаемых изделий.

В медицинской, авиастроительной, аэрокосмической и машиностроительной отраслях наблюдается непрерывный рост требований к точности. И погрешность у современных средств измерений должна быть на порядок выше, чем у станка. Одним из наиболее современных решений метрологических задач в машиностроении считается применение координатно-измерительных машин (КИМ). Устройства этого класса позволяют контролировать формы высокой сложности, делать это быстро и с высокой повторяемостью результата.

Сферы применения КИМ

КИМ машина используют координатный метод измерения, суть которого заключается в последовательном нахождении координат точек, заданных оператором измерительной машины или управляющей программой. После определения их пространственного положения (координат X, Y и Z) координатно-измерительная машина рассчитывает геометрию объекта. Формат вывода результатов измерений зависит от поставленных задач и интеграции с другим оборудованием.

Координатно-измерительные машины используются в лабораториях (помещениях с постоянным контролируемым микроклиматом) и в рабочих цехах.

КИМ используются для решения задач двух типов:

Также КИМ используются для контроля качества сборки при производстве металлоконструкций, магистральных инженерных сетей, при проведении механосборочных работ.

Конструктивные исполнения координатно-измерительных машин

Компоновка базовой части контрольно-измерительной машины определяется габаритами и массой измеряемых деталей, а также требованиями к точности и производительности. Кроме того, она должна соответствовать принципу Аббе (исключать погрешности механических и электронных люфтов), компенсировать деформации, вызванные массой измеряемых деталей, иметь достаточно рабочего пространства и быстро перемещать измерительную головку.

Существующие в настоящее время КИМ можно разделить на несколько типов по конструктивному исполнению.

Консольные

Базовая часть консольной координатно-измерительной машины внешне и по принципу работы напоминает напольный сверлильный станок. Она состоит из:

Консольные КИМ подходят для измерения крупногабаритных деталей, работают достаточно быстро, но не способны давать высокой точности.

Портальные

Наиболее распространенной считается портальная компоновка координатно-измерительных машин. В состав машины входят:

Различают модели с подвижным порталом и с подвижным столом.

К преимуществам такой компоновки относятся простота установки детали, хороший обзор рабочего пространства, высокая жесткость конструкции, что дает высокую точность измерений в сочетании с хорошей производительностью.

Мостовые

У мостовой в сравнении с портальной КИМ компоновкой значительно снижена масса подвижных частей, за счет чего повышается точность измерений. Установка детали возможна только через верх или со стороны, противоположной «дому» моста.

Шарнирно-сочлененные манипуляторы типа «рука»

Манипуляторы – преимущественно переносные конструкции. Они состоят из основания (треноги) из рукояти и нескольких шарнирно-сочлененных колен, на последнем из которых размещена измерительная головка. Основные преимущества таких установок — мобильность и высокая скорость измерений. Главный недостаток — сравнительно низкая точность, обусловленная способом определения координат. В шарнирах манипулятора «координатно измерительная рука» установлены датчики угловых перемещений. Они посылают сигналы, по которым система управления КИМ высчитывает положение контрольной точки, последовательно суммируя координаты каждого шарнира.

Датчики для координатно-измерительных машин

Скорость работы КИМ с определенными объектами сканирования и показатели предельных отклонений зависят не только от конструкции машины, но и от используемых датчиков. Наилучшие результаты в решении метрологических задач дают контактные и оптические преобразователи.

Контактные измерительные системы

Координатный датчик контактной измерительной системы представляет собой щуп, который подает сигнал при касании к измеряемому объекту.

В наиболее современных измерительных головках есть функция поворота на фиксированные углы, что дает возможность работать на объектах со сложной формой поверхности. Помимо расчета координат отдельных точек контактные датчики позволяют определять линейные размеры и форму поверхности. Также существуют преобразователи для определения шероховатости поверхности.

Одна из характеристик контактного датчика – время измерения. Для разных моделей оно составляет от десятых долей до нескольких секунд и оказывает значительное влияние на производительность КИМ.

Лазерные трекеры

Оптические преобразователи с лазерными излучателями (лазерные трекеры) предназначены для быстрого сканирования 3D объектов, линейные размеры которых могут превышать 100 м. Принцип работы датчика основан на измерении расстояния от излучателя до отражателя.

Специальная призма устанавливается вблизи измеряемого объекта. Излучатель посылает на нее сигнал и регистрирует его отражение. После калибровки отражающая призма устанавливается на поверхность объекта. Оператор координатно измерительной машины перемещает ее по контрольным точкам, а излучатель автоматически следует за ней. Фиксация координат выполняется автоматически или вручную (с пульта ДУ).

Что влияет на точность измерений?

У любого прибора есть погрешность измерений, и она может увеличиться в зависимости от окружающих условий. Выше было упомянуто влияние массы измеряемой детали, которая при установке на рабочий стол деформирует конструкции КИМ. Кроме этого, на точность влияют:

При выборе координатно-измерительной машины следует обратить внимание на допустимые условия эксплуатации. Некоторые модели можно эксплуатировать только в стабильных температурных условиях, другие рассчитаны на работу в действующих цехах, и в их управляющих системах есть алгоритмы компенсации погрешностей.

Решение метрологических задач при помощи станков MULTICUT

Станки MULTICUT портальной конструкции способны решать обе задачи КИМ: создание 3D-моделей по существующему образцу и контроль размеров готовых деталей. На шпиндель можно установить контактный датчик и выполнить сканирование с заданным шагом. Применяемые нами стойки ЧПУ позволяют сохранять данные измерений, передавать их в совместимые CAD-CAM системы для обработки.

В базовую комплектацию каждого станка MULTICUT включен датчик поверхности, предназначенный для калибровки режущего инструмента. Он устанавливается на рабочий стол. Вынос инструмента определяется методом касания. Для получения дополнительных консультаций по комплектации станков свяжитесь с представителем компании через обратную связь или по телефону.

Источник

Координатно-измерительные машины и 3D-сканеры в промышленности

Здравствуйте! С вами Top 3D Shop и в очередном обзоре мы рассказываем о координатно-измерительных машинах, технологиях, по которым они работают, и их применении. Узнайте больше из этой статьи.

Содержание

Введение

Координатно-измерительные машины (КИМ) – устройства, воссоздающие в цифровом виде геометрию физических объектов, путем измерения с помощью зонда дискретных точек на их поверхности. В КИМ используются различные типы зондов: механические, оптические, лазерные и структурированного света. Положение зонда может контролироваться оператором вручную или с помощью компьютера. КИМ определяют положение зонда по его смещению от референтной позиции в трехмерной декартовой системе координат (т.е. по осям XYZ). В дополнение к перемещению зонда вдоль осей X, Y и Z, многие машины позволяют регулировать угол зонда для измерения участков, которые в противном случае были бы недоступны.

Первая двухосевая КИМ была разработана Ferranti Company of Scotland в пятидесятых годах прошлого века для точных измерений компонентов военной продукции. Первые трехосевые модели начали появляться в шестидесятых годах (DEA, Италия), компьютерное управление дебютировало в начале семидесятых, а первая коммерческая КИМ с цифровым управлением была разработана и представлена ​на рынок компанией Browne&Sharpe в начале восьмидесятых. Сегодня компании DEA и Browne&Sharpe являются частью шведской многонациональной корпорации Hexagon AB.

Механическое 3D-сканирование

Ручные КИМ

Мобильные и легкие ручные КИМ обеспечивают высококачественные измерения в любом месте производственного цеха и предназначены для измерения таких сложных элементов, как отверстия, прорези и грани, а также для анализа GD&T (геометрии, размеров и допусков) и сравнения с CAD-моделями в реальном времени. Ручные КИМ, как правило, беспроводные, что дает возможность измерения в самых труднодоступных местах.

Такие устройства не требуют высокой квалификации оператора, не имеют движущихся частей, точны и уже откалиброваны. В ряде случаев ручные КИМ могут использоваться в комплексе с другими измерительными или сканирующими устройствами, что существенно расширяет сферу применения тех и других.

Горизонтальные рычажные КИМ

Координатно-измерительные машины с горизонтальным рычагом применяются там, где нужен неограниченный доступ к детали со всех сторон. Вся конструкция КИМ находится на массивном основании, исключающем любые колебания во время измерений. В случае применения для автоматизированного метрологического контроля, КИМ с горизонтальным рычагом обладают самым высоким быстродействием, по сравнению с другими конструктивными исполнениями контактных средств измерения. Современные КИМ с горизонтальным рычагом, как правило, оборудуются защитой от столкновений, чтобы защитить людей от травм и материалы от повреждений.

Мостовые КИМ

Одни из самых точных, мостовые КИМ способны измерять даже самые маленькие отверстия и пазы. Жесткая конструкция позволяет избегать тепловых и иных динамических деформаций, а широкий набор сменных датчиков, зондов и щупов позволит создать точную цифровую копию исследуемой детали или сопоставить готовое изделие с моделью CAD. Мостовые КИМ, как правило, оснащаются массивным гранитным рабочим столом. Производится в вариантах с неподвижным мостом и движущимся рабочим столом, и наоборот, с движущимся мостом и неподвижным столом. Машины имеет собственную эффективную систему виброизоляции.

Портальные КИМ

Портальные КИМ – наиболее крупные из всех измерительных машин и предназначены для измерения деталей очень больших размеров. Портальная конструкция открытого типа облегчает загрузку, измерение и перемещение крупногабаритных и тяжелых деталей. Направляющие рельсы портальных КИМ изготавливаются из высококачественных материалов (как правило керамических), обладающих температурной стабильностью, хорошей жесткостью и минимальной геометрической деформацией.

Оптическое 3D-сканирование

Лазерное 3D-сканирование

Лазерные 3D-сканеры — еще один способ получения точных данных о размерах деталей. Сканирование поверхностей с помощью сенсорного зондирования в нескольких точках не дает представления о ее форме. Лазерное сканирование – технология, использующая лазерные лучи для измерения и захвата формы детали. Лазерный сканер использует разницу в отражениях лазерных лучей от различных точек поверхности, которые затем обрабатываются в программном обеспечении для получения облака точек.

Лазерное сканирование генерирует миллионы точек, чтобы дать детальное трехмерное изображение всей поверхности с очень высоким уровнем точности и детализации. Лазерные 3D-сканеры не нуждаются в физическом контакте с объектами исследований, что делает их удобными для проведения неразрушающего или дистанционного контроля. Как правило, устройства используют сетку из перекрещенных лазерных лучей, параллельные или одиночные лазерные линии. Так как лазеры – источники когерентного света, лазерные сканеры слабо чувствительны ко внешним условиям: уровню освещения или загрязненности среды.

3D-сканирование структурированным светом

Оптические 3D-сканеры — самый доступный способ получения точных данных об объекте в трех измерениях. Сканирование с помощью структурированного света — более простой и дешевый, по сравнению с лазерным, вариант оптического 3D-сканирования. На исследуемую деталь проецируется эталонный геометрический рисунок, изображение которого искажается поверхностью объекта. Две видеокамеры считывают это изображение под разными углами, а программное обеспечение сканера экстраполирует полученные данные в цифровую модель поверхности.

Хотя метрологические системы, основанные на принципе структурированного света, обладают меньшей точностью, чем лазерные 3D-сканеры, они дешевле, проще в эксплуатации и с их помощью можно безопасно сканировать живые объекты, например человека.

Контрольно-измерительные приборы, использующие структурированный свет, можно дополнить ручными измерительными инструментами, дав тем самым системе возможность исследования отверстий или углублений, недоступных для сканирования.

Мультисенсорные приборы

Комбинируя контактные и оптические измерения в одной системе, мультисенсорные измерительные машины сочетают в себе достоинства обоих подходов: скорость работы оптических систем с возможностью измерения самых труднодоступных участков сканируемой детали, — это приборы, которые совмещают в себе свойства 3D-сканера и функции КИМ, обычно представляющие из себя 3D-сканер с дополнительным щупом.

Такие устройства просты в настройке, компактны и универсальны, способны эксплуатироваться в самых тяжелых условиях, но при этом имеют возможность работы с очень крупными деталями.

Мультисенсорные измерительные машины не имеют какого-то единой универсальной конструкции, поэтому их исполнение может существенно отличаться в зависимости от целей использования или производителя.

Роботизированные КИМ

Роботы лучше всего подходят для автоматизации метрологических измерений. Роботы никогда не устают, не теряют концентрацию, обладают высокой повторяемостью и гибкостью, менее требовательны к занимаемой площади и внешним условиям. Роботы в состоянии непрерывно работать там, где человек не в состоянии находиться физически, например, в условиях опасного производства. Датчиком может быть контрольный зонд, система машинного зрения, координатно-измерительная машина, оптический 3D-сканер или любой другой из множества доступных контрольных устройств. Роботы способны работать как с самыми крупными деталями, так и с изделиями, требующими особо бережного обращения. Можно с уверенностью сказать, что не существует таких метрологических задач, с которыми не справились бы роботизированные измерительные и контрольные системы.

Примеры использования

Сканирование большой шестерни для реконструкции, DeWys Engineering

Клиент обратился в компанию DeWys Engineering для реконструкции изношенной большой литой шестерни из коробки передач. Для трехмерного сканирования применялся роботизированный восьмиосевой мультисенсорный комплекс Faro Platinum Arm LLP V3 с возможностью как лазерного, так и механического 3D-сканирования. После сбора всех данных и проверки отверстий/пазов, трехмерное облако точек было обработано в Geomagic Design X. Полученный 3D-проект был экспортирован в Soildworks, в котором, после дополнительной детализации, специалисты создали файл с инструкциями изготовления точно такой же шестерни на зубофрезерном станке.

Метрологические поверки больших партий товара, Computer Aided Technology

Менеджер по продукции Боб Ренелла рассказывает:

«Когда постоянно требуется измерять большие партии деталей с высокой точностью и скоростью, необходимо улучшить повторяемость и минимизировать время цикла. Традиционные контрольно-измерительные машины (CMM) и программное обеспечение для них слишком медленны и не удовлетворяют современным требованиям для проверки партии. Каждая деталь должна проходить через оператора контроля качества, и это создает узкое место в производственном процессе.

У компании есть три варианта: купить еще одну традиционную КИМ и нанять еще несколько операторов для ее обслуживания, передать на аутсорсинг некоторые из их групповых проверок и увеличить накладные расходы при снижении качества измерений, заменить существующую КИМ на более современное оборудование.»

«Обновление контрольного оборудования до новейшего беспроводного Creaform HandyProbe в комплекте с C-Track, оснащенных двумя камерами, позволило оператору свободно перемещаться по предприятию, не привязываясь к гранитному столу старой машины в лаборатории контроля качества. Кроме того, теперь размер детали перестал быть важным – измерение больше не ограничено рычагом КИМ. Это сэкономило огромное количество времени, которое раньше тратилось на перевозку деталей в лабораторию и обратно.»

«Использование ПО PolyWorks Inspector от INNOVMETRIC, вместе с Creaform HandyProbe, значительно упростило самые трудоемкие операции – теперь оператор в реальном времени имеет четкие пошаговые инструкции по проведению поверки.»

Контроль отверстия для вала рычага экскаватора, ScanTech TrackScan со световой ручкой TrackProbe

Рычаг ковша является важной деталью экскаватора, испытывающей большие нагрузки, со временем приводящие к износу втулки вала. Если отверстие вала не соответствует его размеру, это приводит ко все увеличивающимся колебаниям ковша во время работы и к окончательному выходу из строя всего механизма. Следовательно, обязателен периодический метрологический контроль размера отверстий рычага. Традиционные контрольно-измерительные машины, способные поверять детали такого размера с требуемой точностью, стоят очень дорого и устанавливаются стационарно, что приводит к затратам времени и средств на перевоз детали от места эксплуатации до метрологической лаборатории.

3D-сканер ScanTech TrackScan, разработанный совместно с норвежской компанией Metronor, способен создать точную трехмерную цифровую копию рычага экскаватора длиной до 10 метров прямо на месте эксплуатации. Сканер не требует использования маркеров, а в сочетании со световым пером TrackProbe позволяет измерять отверстия практически любого диаметра и глубины с очень высокой точностью. На сканирование данного рычага экскаватора, обработку результатов и метрологическую поверку ушло всего 15 минут.

Заключение

Исследования в области метрологии не стоят на месте. Каждое новое технологическое усовершенствование основано на реальных потребностях экспертов по контролю качества, которые сталкиваются со все более строгими требованиями и должны полагаться на полностью готовые к работе контрольно-измерительные аппараты, КИМ и 3D-сканеры.

Для поддержания качества продукции, а значит конкурентоспособности предприятия, следует своевременно обновлять парк оборудования.

Закажите метрологическое и контрольно-измерительное оборудование в Top 3D Shop — у эксперта по интеграции аддитивных и цифровых технологий, — получите оригинальную технику с официальной гарантией и лучшим возможным сервисом.

Источник

Координатно-измерительная машина: описание, технические характеристики, применение

Машиностроительные предприятия все чаще интегрируют в производственные процессы высокоточное измерительное оборудование. Например, посредством контроля заготовительно-штамповочной линии можно получить детали с оптимальными геометрическими параметрами с точностью до 0,1-0,2 мкм. Особенно изготовление таких элементов важно в авиационном и космическом строительстве, где требуется применение сложных прецизионных компонентов. Также не исключается и возможность использования подобных методик в отраслях тяжелой промышленности, обслуживающей нужды широкой аудитории массового потребителя. На таких заводах и фабриках применяется координатная измерительная машина (КИМ), позволяющая контролировать процессы изготовления и обработки болванок, пуансонов, поршневых элементов, расходных частей и т. д.

Принцип работы оборудования

Весь процесс можно условно разделить на два этапа. На первом формируется координатная модель или схема, в которой распределяются контрольные точки. Количество фиксируемых плоскостей может быть разным в зависимости от типа оборудования. Простейшие модели сканируют объект в системе, построенной на осях X, Y, Z относительно базовой точки. Более технологичная 6-осевая координатно-измерительная машина строится на принципе параллельной кинематики. Это значит, что оператор получает динамичную модель в виде усеченной пирамиды, в которой присутствует 6 измерителей на подвижной каретке.

Второй этап предполагает непосредственное считывание информации о геометрических параметрах исследуемого объекта. Для этого задействуются щупы или датчики, сканирующие целевую деталь. Существуют контактные и бесконтактные виды щупов – соответственно, первые взаимодействуют с рабочей поверхностью, а вторые действуют по принципу волнового излучения. Типовые координатно-измерительные машины в машиностроении обычно работают на пьезоэлектрических датчиках, которые могут дополняться механико-электрическими контакторами. Это традиционная сканирующая оснастка, к недостаткам которой относят высокую погрешность, обуславливаемую разностью в силе касания щупов. И здесь стоит обратиться к существующим способам контроля, которые регулярно совершенствуются.

Методы контроля

В системах первого поколения применялся плазово-шаблонный способ счета геометрических данных, но сегодня предприятия переходят на бесплазовый. Принципиальная разница между этими методами заключается в отказе от физических шаблонов и форм, благодаря которым осуществлялся контроль. В новых модулях КИМ используется электронная модель, которая предоставляет на выходе трехмерную «картину» на базе математических расчетов. Чем выгодна такая координатно-измерительная машина? Прежде всего, унификацией комплекса данных, которые можно использовать и для других расчетов. Собранная информация заносится в базу данных и автоматически переправляется на другие участки контроля, занимающиеся исследованием смежных частей. В итоге оптимизируется и производственный процесс, и техника высокоточной подгонки деталей между собой. При этом и в сегменте бесплазовых методов есть свои технологические ответвления. Следует различать голографические, оптические и фотограмметрические способы контроля. Самым же перспективным считается лазерный способ сканирования объекта.

Особенности лазерного контроля

По сути, цифровой метод, отличающийся гибкостью в формировании моделей с поддержкой разных видов измерения – например, углового и линейного. В процессе сканирования образуется лазерный луч с применением дифракционного эффекта. Такой контроль чаще используется в изготовлении хвостовиков, трансмиссионных элементов, шасси и т. д. С помощью фотоприемного устройства также реализуется непараллельное обследование параметров изделия. В этом случае лазерная координатно-измерительная машина позволяет определять размеры отверстий, дефектов смещения, вибрационные и другие характеристики. В дальнейшем по результатам диагностики инженер выносит решение о балансировке или частичной механической доводке агрегата. Для измерения нагрузок используют лазерную авторефлекцию. Эта технология фиксирует показатели смещения при статической нагрузке на целевую поверхность редукторов и валов технических средств.

Характеристики КИМ

По своим размерам и конструкции такие машины напоминают промышленные обрабатывающие агрегаты, но основные рабочие характеристики отражаются в более точных контрольно-измерительных единицах и технических данных. К таким можно отнести следующие параметры типовой модели:

Классификация машин по способу управления

Модели, применяющие современные методы измерения, преимущественно управляются через дистанционные панели. Реализуется принцип программного контроля, на котором строится работа измерительных приборов на базе CNC (числовое программирование). Основная же часть контрольно-измерительных систем сегодня работает по комбинированным схемам. Это предполагает сочетание механического и электронного управления с элементами автоматизации. Передовая аппаратура и вовсе предусматривает связку тех же щупов с параллельно функционирующим производственным оборудованием, на котором выпускаются смежные детали.

Используется и традиционная конфигурация ручного управления. В этом случае оператор координатно-измерительной машины находится непосредственно на линии контроля и взаимодействует с техникой посредством специального джойстика. Эта модель применяется в плазово-шаблонных агрегатах и постепенно уходит в прошлое.

Классификация по конструкционному исполнению

В зависимости от условий эксплуатации и задач обработки могут использоваться горизонтальные, вертикальные и мостовые типы КИМ. В первом варианте обеспечивается высокая точность, обусловленная жесткостью конструкции. Оператор в этом случае получает возможность прямого доступа к внутренней структуре целевого объекта. На практике горизонтальные установки чаще применяются в обслуживании мелких деталей. Вертикальные координатно-измерительные машины считаются наиболее точными, поэтому их используют в ответственных метрологических исследованиях. Но, для использования такого оборудования потребуется термостатирование цеха, а также высокие затраты на обслуживание системы. Что касается мостовых машин, то они благодаря износостойкой оснастке позволяют работать с крупноформатными изделиями.

Мобильные и стационарные КИМ

В основном применяют стационарные машины на конвейерных линиях, ориентированных на конкретные задачи обслуживания заготовок с определенными параметрами. Но при обработке уникальных крупногабаритных заготовок может потребоваться обследование «на выезде». В этом случае потребуется портативная координатно-измерительная машина, обеспеченная многоосевыми органами контроля. Несколько функциональных рукавов с чувствительными датчиками анализируют объект на расстоянии, посылая данные в компьютер или другое обрабатывающее информацию устройство.

Применение КИМ

Контрольно-измерительные системы в разных исполнениях требуются на машиностроительных, авиационных, металлургических и других предприятиях. На небольших заводах и в мастерских, например, часто используют компактные агрегаты с ручным управлением. Точный контроль в данном случае позволяет выпускать эксклюзивные мелкие детали с правильной геометрией. В сложных технологических процессах применение координатно-измерительных машин оправдывает себя и как способ объединения нескольких этапов производства. Например, контрольный узел может выступать центром сбора информации о всех частях и деталях конструкции или готового технического средства, что минимизирует и риск допуска ошибок.

Заключение

Внедрение КИМ в производственный процесс давно стало показателем современного подхода к деятельности предприятия. Отказ от устаревших подходов к контролю элементов и оснастки с задействованием шаблонов повышает и качество сборки, и технологическую эффективность рабочего участка. В то же время и новое поколение измерительных приборов для контроля геометрических параметров регулярно улучшается в разных аспектах. Так, передовым направлением развития можно назвать бесконтактные лазерные сканеры, отличающиеся удобством применения и высокой точностью анализа. Единственным недостатком прогрессивных систем этого типа является высокая стоимость и дороговизна обслуживания. На данном этапе лазерные модели координатно-измерительных установок доступны только крупным производственным комплексам, а также исследовательским центрам.

Источник