Souřadnicové měřicí stroje

1. Souřadnicové měřicí stroje přednáška z předmětu Průmyslová metrologie Ing. Pavel Macháček Pavel.Machacek@fs.cvut.cz

2. Metrologie • souhrn všech činnostía znalostí souvisejících s měřením • metrologie strojírenská - zabývá se měřením ve všech fázích výroby • více jak polovina měřených veličin jsou veličiny geometrické

3. Metrologie geometrických veličin • rozměry vnitřní a vnější • měření úhlů • úchylky tvaru a polohy • struktura povrchu • nově: popis ,,nepravidelných“ ploch

4. Základní typy měřicích přístrojů • konvenční měřicí technika • mechanické zkušební prostředky • přesnost závisí na zkušenostech personálu • digitální měřicí technika • rychlejší a objektivnější měření než konvenční měřicí technika • první krok k automatizaci a počítačovému zpracování výsledků • počítačem podporovaná souřadnicová měřicí technika

5. Počítačem podporovaná souřadnicová měřicí technika • univerzální využití, pružnost • může být automatizována pro nasazení v linkách • jak naprogramování pro linku, tak laboratorní využití vyžaduje kvalifikovanou obsluhu

6. Souřadnicová měřicí technika • 1 souřadnice • délkoměry • 2 souřadnice • mikroskopy • profilprojektory • 3 souřadnice • třísouřadnicové měřicí stroje (SMS)

7. Souřadnicová měřicí technika • mikroskop s CCD kamerou • laboratorní i dílenské měření • vybavení obráběcích strojů

8. Třísouřadnicové měřicí stroje • vývoj od 50. let 20. století • účel - komplexní měření součásti • rozměry • tvar • vzájemná poloha geometrických prvků na součásti • dnes hlavně možnost metrologického zachycení obecných tvarových ploch, definovaných CAD modelem

9. Třísouřadnicové měřicí stroje • Měřicí metody využívané na SMS • dotykové měření • kontaktní skenování • bezkontaktní měření (vyhodnocování obrazu) • bezkontaktní skenování (laser)

10. Třísouřadnicové měřicí stroje • důležité části SMS • pohyblivé části stroje • slouží k polohování snímacího zařízení vůči součásti • aerostatická ložiska – zajišťují hladký pohyb bez tření • odměřovací systém • umožňuje přesné polohování mechanických částí stroje • poskytuje zpětnou vazbu měřicímu softwaru • měřicí hlava • nese a polohuje měřicí sondu nebo laserovou hlavu • měřicí software • umožňuje vyhodnocení naměřených dat

11. dotyková sonda snímá jednotlivé body na povrchu součásti vyrovnání součásti součást je rozložena na soubor základních geometrických prvků každý útvar má určitý počet bodů, kterými je definován v prostoru(např. kružnice - 3 body, válec 5 bodů) Nasnímanými body je proložen ideální tvar prvku Dotykové měření

12. Dotykové měření • proložený tvar je ideální, poloha a rozměr prvku jsou skutečné • z rozdílu poloh ideálního bodu a odpovídajícího skutečného bodu lze určit úchylku tvaru prvku

13. Dotykové měření • s takto získanými daty software umožňuje provádět • konstrukční operace • hodnocení vzájemné polohy útvarů • přiřazení tolerancí tvarua polohy • výpis do měřicího protokolu nebo statistického softwaru

14. Konstrukční operace na měřených dílech se vyskytují prvky které fyzicky změřit nejdou – např. roztečná kružnice konstrukce umožňuje takovéto prvky sestrojit na základě naměřených dat a následně je vyhodnotit příklad 1: ke konstrukci roztečné kružnice použiji 3 středy fyzicky změřených děr, které na ní leží příklad 2: sestrojení hrany jako průsečnice dvou rovin (hranu nelze měřit přímo, protože není jasné kterým směrem korigovat poloměr dotyku) Dotykové měření

15. Možnosti hodnocení polohy a rozměrů porovnání aktuálního a nominálního útvaru úchylka jmenovité polohy prvku úchylka od jmenovitého rozměru úchylka geometrického tvaru (kruhovitost, rovinnost...) porovnání dvou útvarů mezi sebou soustřednost, rovnoběžnost, kolmost... vzdálenost (X, Y, Z, kolmá, absolutní) úhel (rovinný, prostorový) Dotykové měření

16. Dotykové měření a CAD • využití CAD modelu rozšiřuje možnosti dotykového měření • ideální pro měření tvarově složitých výrobků (odlitky, výlisky) • nejčastěji se vyhodnocuje prostorová vzdálenost mezi měřeným bodem a bodem na modelu

17. Dotykové měření a CAD

18. Příklad měřicí hlavy • Indexovatelná CNC hlava • pro dotykové měření • polohování sondy - rotace ve dvou osách • polohy odstupňovány po 7,5° • zakončena dotykovou sondou • chyba polohování0,5 mm

19. Dotyková spínací sonda • elektromechanická sonda • 3 kontakty po 120° • výstupní signál – logická 0 nebo 1 – dojde k odečtení souřadnic • magneticky uchycený modul • možnost aut. výměny • ochrana při kolizi • nepřesnost způsobená ,,značnou“ výchylkou dotyku

20. Dotyková spínací sonda • piezoelektrická sonda • systém dvojité indikace bodu • 1. malá výchylka dotyku zachycena piezokrystaly – odečteny souřadnice bodu • 2. následuje větší výchylka, kterou zachytí elektromechan. systém – dojde k potvrzení souřadnic a zastavení stroje

21. Skenování kontaktní sondou • hlavní důvody: • potřeba znát průběh celého tvaru, neposuzovat ho jen z několika bodů dotyku • popis jednotlivých křivek a ploch • export do CAD sw.

22. Skenování kontaktní sondou • sonda během měření nepřeruší kontakt s povrchem • výchylka dotyku je pohybem stroje udržovánav mezích rozsahu sondy • naskenovaná data musí být filtrována od vlivu drsnosti povrchu • skenují se jednotlivé křivky a plochy, rychlost je omezena dynamickými účinky pohybujícího se stroje • 3 osy – max 80 mm/s, 5 os – max 500 mm/s • typické využití: turbínové lopatky, listy leteckých vrtulí, profily křídel, válce motorů

23. Skenování kontaktní sondou • skenování 5 CNC os: • spojitě odměřované natáčení hlavy – kratší čas nastavení oproti klasické hlavě • neprovádí se kalibrace jednotlivých poloh • minimalizace dynamických chyb upřednostněním pohybu lehké hlavy před pohybem těžkého stroje

24. Příklad skenovací hlavy • CNC skenovací hlava • pro 5-osé skenování povrchu • polohování sondy - rotace ve dvou osách • spojitá změna polohy • bezkartáčové motory • výchylka dotyku sondy měřena laserem • rychlost skenování až 500 mm/s

25. Příklad skenovací sondy • pasivní skenovací sonda – vlastní souřadný systém • 3 pružné elementy umožňují výchylkuv kartézském souř. systému • 3 senzory sledují pohyb konce dříku dotyku

26. Skenování laserem • hlavní využití • komplexní porovnání dílu s jeho CAD modelem • získání úplného CAD modelu ze součásti neznámého tvaru • měření součástí, které nesnesou dotyk sondy

27. Skenování laserem • kmitající laserový paprsek tvoří skenovací rovinu – světelný řez • rychlost skenování – 75000 bodů/s • citlivost na lesklé povrchy • mrak bodů • filtrace • parametry filtrů • trojúhelníková síť • export za účelem výpočtů

28. Skenování laserem • porovnání mraku bodů s CAD modelem • vyrovnání mraku a modelu (6 bodů, best fit) • porovnání pomocí barevné mapy • detekce geom. útvarů

29. Skenování laserem • skenování součásti

30. Skenování laserem 2. naskenovaný mrak bodů

31. Skenování laserem 3. porovnání skenovaného a původního modelu

32. Skenování laserem 4. výstupy výsledků do protokolu

33. Skenování laserem • reverzní inženýrství – skenování neznámého tvaru a následná tvorba úplného CAD modelu • pořízení mraku bodů • filtrace, trojúhelníková síť • rozdělení sítě na jednotlivé části podle skutečných hran • automatické proložení vzniklých částí NURBS plochami • manuální úpravy detailů • hotový CAD model

34. Skenování laserem tvorba modelu meziobratlové destičky mrak bodů trojúhelníková síť (nefiltrovaná)

35. Skenování laserem trojúhelníková síť filtrovaná za účelem následných pevnostních výpočtů

36. Příklady laserových hlav hlava pro ruční skenování hlavy pro CNC stroj: 1 sken. rovina 3 sken. roviny

37. Skenování v 1 nebo 3 rovinách 1 skenovací rovina 3 skenovací roviny

38. Konstrukce SMS mostový portálový s vodorov.ramenem výložníkový

39. Konstrukce SMS manuální měřicí rameno aerostatické ložisko

40. Konstrukce SMS • materiály funkčních částí SMS • granit • + teplotně stálý, + neopotřebovává se, - těžký • slitiny Al • + lehké, - velká tepelná roztažnost, - opotřebení • keramika • + pevná, + lehká, + teplotně stálá, - drahá

41. Odměřovací systém senzor citlivý na světlo LED dioda • optoelektronické odměřování • stupnice • dílky po 20 mm • reflexní vrstva • čtecí hlavička • zdroj světla • senzor odraženého světla • interpolované rozlišení až 0,1 mm interferenčnímřížka pravítko Odměřovací pravítko s hlavičkou

42. Odměřovací systém • možnosti interpolace moire efekt posunuté mřížky

43. Moderní metody měření • počítačová tomografie pro průmyslové využití • 3D hodnocení kvality povrchu • nanometrologie

44. Použité zdroje [1] RATAJCZYK, Eugeniusz. Wspolrzednosciowa technika pomiarowa. [s.l.] : [s.n.], 2005. 356 s. [2] DURAKBASA, Numan. Výrobní měřicí technika z pohledu mezinárodní normalizace [3] www.renishaw.co.uk [4] www.metris.com