Souřadnicové měřicí stroje přednáška z předmětu Průmyslová metrologie Ing. Pavel Macháček Pavel.Machacek@fs.cvut.cz Tuto prezentaci považujte za stručný přehled současné souřadnicové měřicí techniky. Je určena studentům předmětu Průmyslová metrologie, jako podklad pro přípravu ke zkoušce. Všechny potřebné informace naleznete na snímcích nebo pod nimi v komentáři. Text neprošel jazykovou korekturou. Vzhledem k tomu, že se jedná o první verzi této prezentace, ocením Vaše připomínky a náměty na doplnění textu na adrese Pavel.Machacek@fs.cvut.cz.

Metrologie souhrn všech činností a znalostí souvisejících s měřením metrologie strojírenská - zabývá se měřením ve všech fázích výroby více jak polovina měřených veličin jsou veličiny geometrické

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

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 Konvenční měřicí technika: např. posuvná měřítka, mikrometry, výškoměry, číselníkové úchylkoměry výhody: jednoduchá konstrukce, snadno ovladatelná, okamžitě připravená k použití nevýhody: naměřené hodnoty mohou být zatíženy subjektivní chybou – např. chybou lidského oka při čtení stupnice s ryskami nebo nestejnou měřicí silou, kterou obsluha používá, obtížné nebo nemožné měření složitých tvarů Digitální měřicí technika: např. posuvná měřítka, mikrometry, úchylkoměry, které jsou opatřeny elektronickým odměřovacím systémem a displejem, na kterém se jednoznačně zobrazují naměřené hodnoty výhody: viz konvenční technika, navíc: eliminace chyby obsluhy při odečtu naměřené hodnoty, možnost sběru dat a následného exportu do PC za účelem statistického vyhodnocení nevýhody: obtížné nebo nemožné měření složitých tvarů Počítačem podporovaná souřadnicová měřicí technika (SMT): zejména: mikroskopy a třísouřadnicové měřicí stroje výhody: možnost komplexního měření součástí – složité tvary, geometrické rozměry, úchylky tvaru a polohy, univerzálnost – jak práce v laboratoři, tak nasazení ve výrobní lince nevýhody: programování SMT vyžaduje kvalifikovanou obsluhu, složitější konstrukce  vyšší nároky na údržbu a pracovní prostředí

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

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

Souřadnicová měřicí technika mikroskop s CCD kamerou laboratorní i dílenské měření vybavení obráběcích strojů Pro měření ve 2D se využívají mikroskopy a profilprojektory. Počítačem podporovaný mikroskop má obvykle optoelektronický odměřovací systém a okulár s nitkovým křížem nebo CCD kameru. V případě okuláru obsluha nastaví nitkový kříž na měřenou hranu a stiskem pedálu nebo tlačítka pošle souřadnice kříže do PC. V případě CCD kamery je možné umisťovat nitkový kříž na měřené prvky přímo v obraze. Software pracující s CCD kamerou často využívá algoritmy automatické detekce hran. Obsluha jen určí oblast, kde se měřený útvar nachází a software ho automaticky rozpozná a ukáže jeho rozměry a polohu.

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

Třísouřadnicové měřicí stroje Měřicí metody využívané na SMS dotykové měření kontaktní skenování bezkontaktní měření (vyhodnocování obrazu) bezkontaktní skenování (laser) Princip dotykového měření: dotyková spínací sonda (viz dále) se na zvolených místech dotýká povrchu součásti. Souřadnice jednotlivých bodů dotyku jsou zaznamenávány do měřicího softwaru, kde jsou následně vyhodnoceny. Princip kontaktního skenování: sonda se při měření pohybuje bez přerušení po měřeném povrchu, do softwaru se zaznamenává celá trajektorie měřicího dotyku. Princip bezkontaktního měření: obraz je snímán CCD kamerou a následně vyhodnocen měřicím softwarem – viz mikroskopy Princip bezkontaktního skenování: laserová skenovací hlava se pohybuje nad měřeným povrchem. Přitom na něj vysílá kmitající paprsek, který se odráží od měřeného povrchu zpět na snímač v laserové hlavě. Pomocí triangulace je možné zjistit polohu měřeného bodu v prostoru. Díky velké rychlosti kmitání paprsku jsou nasnímaných bodů řádově miliony a uživatel zařízení tak získá téměř dokonalou informaci o tvaru povrchu součásti.

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

Dotykové měření 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 Velmi důležitou operací při měření na SMS je vyrovnání součásti. Pod tímto termínem se skrývá zjištění úhlů natočení a velikosti posunutí souřadné soustavy součásti oproti souřadné soustavě stroje. Strojem naměřené souřadnice mohou být transformovány do souřadného systému součásti, což usnadňuje orientaci v naměřených datech a jejich vyhodnocení. Vyrovnání se provádí tak, aby součásti bylo postupně odebráno všech 6° volnosti tělesa v prostoru. Jeden ze způsobů je nasnímat na součásti rovinu (odebere 3°), přímku (odebere 2°) a bod (odebírá 1°) a podle těchto útvarů orientovat nový souřadný systém. Tento způsob se označuje jako 3-2-1 nebo ,,rovina-přímka-bod“ S vytvářením soustav se setkáváme nejen u dotykového měření, ale i u ostatních způsobů práce se SMS. Vytváření souřadných soustav součásti má tři hlavní důvody: Usnadňuje kompenzaci poloměru kuličky dotyku, která se až na výjimky provádí ve směru některé z os vytvořené soustavy. Soustavu součásti tvoříme obvykle tak, aby byla shodná s výkresem. Usnadňuje to orientaci v naměřených hodnotách – např. vzdálenosti je možné vypsat tak, aby přímo odpovídaly kótám na výkrese. U CNC strojů určuje soustava součásti polohu měřeného kusu v pracovním prostoru stroje a umožňuje tak automatické měření jednotlivých útvarů.

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 Prokládání útvarů – příklad kružnice na obrázku z několika naměřených bodů (zelené body v obrázku) se vypočte ideální tvar kružnice. Vypočtená ideální kružnice má skutečnou polohu a poloměr daný naměřenými body. Kružnice je proložena (pomocí metody nejmenších čtverců) naměřenými body, tak aby vzdálenosti jednotlivých bodů od ideální kružnice byly minimální. Úchylka skutečného tvaru od ideálního se pak snadno vyhodnotí jako součet vzdáleností dvou naměřených bodů, které leží nejdále od ideální hranice útvaru (jsou označeny zeleným rámečkem).

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

Dotykové měření 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 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) aktuální útvar je získán z naměřených bodů – buď přímo měřením nebo konstrukcí nominální útvar je předepsán výrobním výkresem součásti

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 Nejlepší poměr ,,cena/výkon“ – u většiny součástí se kontrolují jen ve vybraná místa, která mají bezprostřední vliv na funkci součásti. Proto většinou postačí cenově dostupná dotyková sonda a software umožňující porovnání s CADem. Jsou však takové součásti, kde nás zajímá spíše tvar, než jednotlivé rozměry – pak je na místě nákup dražšího skenovacího hardwaru, kde už poměr cena/výkon není tak výhodný. V případě měření s CAD modelem je nutné nejprve sesouhlasit souřadné systémy reálné součásti a CAD modelu. K tomu se používají zejména metody 6P (vyrovnání na 6 bodů), RPS (Referenz Punkt System). Možné je použít i metodu 3-2-1 (nasnímání referenční roviny, přímky a bodu) tak, jako u měření geometrických útvarů bez modelu.

Dotykové měření a CAD Ukázka výstupního grafického protokolu součásti porovnané s CAD modelem

Příklad měřicí hlavy Indexovatelná CNC hlava pro dotykové měření polohování sondy - rotace ve dvou osách polohy odstupňovány po 7,5° zakončena dotykovou sondou chyba polohování 0,5 mm

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 Spínací dotykové sondy   Spínací sonda se skládá ze následujících částí – tělo sondy, modulu a dotyk. Tělo sondy je zašroubováno do hlavice. Modul je k tělu přichycen magneticky. Dosedací plochy modulu a těla sondy jsou opatřeny třemi klínovými drážkami a výstupky, které zajišťují přesné dosednutí modulu na tělo sondy. Magnetické uchycení umožňuje automatickou výměnu modulu resp. dotyku sondy. Chrání také sondu před poškozením v případě bočního nárazu, kdy se modul posune po dosedací ploše a poskytne tak dostatečnou dráhu pro zastavení pohybu stroje. Funkce spínací sondy V okamžiku, kdy se dotyk dotkne měřeného kusu musí spínací sonda vydat signál k odečtení aktuálních souřadnic z odměřovacího systému stroje. Existují dva hlavní způsoby, jak toho docílit: elektromechanický a piezoelektrický. Uvnitř modulu elektromechanické sondy je elektrický obvod obsahující tři rozpínací kontakty vzájemně pootočené o 120°. Měřicí dotyk je na druhém konci opatřen prstencem, který v klidovém stavu propojuje všechny kontakty. V okamžiku vychýlení měřicího dotyku dojde k rozpojení jednoho z kontaktů, čímž je vydán impuls k odečtení polohy stroje. Kontakty jsou tvořeny kulovými plochami, aby k rozepnutí kontaktu docházelo vždy při stejné výchylce dotyku. Přesto se při použití elektromechanické sondy dopouštíme drobné chyby, která je způsobena tím, že než se kontakt rozpojí, dojde k drobnému vychýlení dotyku sondy a tedy i k posunu os stroje oproti okamžiku, kdy se dotyk skutečně dotknul povrchu součásti. Této chybě se můžeme vyhnout použitím piezoelektrické sondy.

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 Piezoelektrické (resp. tenzometrické) sondy mají dvojitou indikaci měřeného bodu. Jeden způsob indikace jsou piezokrystaly, které při deformaci vydávají elektrické impulsy, druhý způsob je elektromechanický, jako u předchozího typu sondy. Okamžik vychýlení měřicího dotyku při kontaktu s povrchem součásti lze rozdělit do dvou fází: 1.      drobná zanedbatelná výchylka, kdy se deformují piezokrystaly uvnitř sondy – impuls pro odečtení a dočasné uložení souřadnic 2.      větší výchylka, kdy dojde k rozpojení elektrického kontaktu – impuls pro potvrzení dočasně uložených souřadnic a pro zastavení pohybu stroje Piezoelektrické senzory jsou tak citlivé, že by mohly vydávat signál i při náhodném zachvění stroje, proto je nutné jejich signál ještě potvrzovat.

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.

Skenování kontaktní sondou sonda během měření nepřeruší kontakt s povrchem výchylka dotyku je pohybem stroje udržována v 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

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

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

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

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

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

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

Skenování laserem skenování součásti

Skenování laserem 2. naskenovaný mrak bodů

Skenování laserem 3. porovnání skenovaného a původního modelu

Skenování laserem 4. výstupy výsledků do protokolu

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

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

Skenování laserem trojúhelníková síť filtrovaná za účelem následných pevnostních výpočtů

Příklady laserových hlav Video s ukázkami skenování najdete na: http://www.metris.com/downloads/download.php?f=394.lc60dpromotion.wmv&n=lc60dpromotion.wmv hlava pro ruční skenování hlavy pro CNC stroj: 1 sken. rovina 3 sken. roviny

Skenování v 1 nebo 3 rovinách                                                                3 skenovací roviny, resp. 3 laserové paprsky umožňují dokonalejší popis měřeného objektu – výhody jsou patrné z obrázku. Podrobnosti najdete v dokumentu http://www.metris.com/downloads/download.php?f=97.xc_eng.pdf&n=xc_eng.pdf 1 skenovací rovina 3 skenovací roviny

Konstrukce SMS mostový portálový s vodorov.ramenem výložníkový

Konstrukce SMS manuální měřicí rameno aerostatické ložisko Princip aerostatických ložiskek: Funkční plocha ložiska (na fotografii) je za provozu přitlačena na hladkém povrchu vedení stroje. Pod ložisko je malým otvorem uprostřed vháněn tlakový vzduch, který je rozváděn pod celou plochu ložiska malými drážkami. Vzduch vytvoří pod ložiskem polštář, na kterém se stroj pohybuje. Přesnost aerostatického vedení je zajištěna osazováním ložisek do věnců, tak aby ložiska působila v páru proti sobě – tak je zaručena konstantní tloušťka vzduchového polštáře. manuální měřicí rameno aerostatické ložisko

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

Odměřovací pravítko s hlavičkou 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 interferenční mřížka pravítko Optoelektronické odměřovací systémy Funkce optoelektronického systému je následující: na pevných částech stroje jsou nalepena pravítka (pásky) s reflexní vrstvou. Pravítka mají dělení např. po 0,02 mm. Nad pravítkem se pohybuje snímací hlavička, spojená s pohyblivou částí stroje. Hlavička počítá dílky pravítka, přes které přejela, navíc dokáže interpolovat dělení pravítka až na 0,1 mm. Měřicí software tak dostává z hlaviček informaci o každém pohybu stroje, který je větší jak 0,1 mm. Důležitou vlastností pravítek odměřovacího systému je jejich teplotní délková roztažnost. Ta by měla být co nejmenší. Při změně teploty dochází, vlivem tepelné roztažnosti, ke změně počtu dílků nacházejících se na konstantní vzdálenosti a tím je zkreslena vypočtená vzdálenost. Podmínku minimální roztažnosti splňují pravítka s podkladem ze skla nebo ze speciální keramiky označované zerodur. SMS s takovými pravítky obvykle není nutné teplotně kompenzovat. Hlídat se musí pouze teplota měřeného dílu. Nevýhodou skleněných pravítek je jejich neskladnost a omezená délka daná křehkostí skla. Naproti tomu existují pravítka ohebná jejichž základem je ocelový pásek. Tento pásek je namotán na cívce a je možné jej stříhat podle potřeby. Přilepením na stroj se pružný ocelový pásek začne chovat stejně, jako podklad na kterém je nalepen – to usnadňuje teplotní kompenzaci při níž neuvažujeme součinitel roztažnosti oceli, ale pouze součinitel roztažnosti materiálu osy stroje. Pružnost pásku může být příčinou nepřesností. Při lepení je nutné použít aplikátor, který zajišťuje konstantní napnutí pásku. Přesto se vyskytnou místa, kde je pásek se stupnicí protažen nebo zkrácen. Vznikají tak nelineární chyby. Tyto chyby se korigují softwarově –metoda kompenzace 21 chyb. Odměřovací pravítko s hlavičkou

Odměřovací systém možnosti interpolace moire efekt posunuté mřížky Na obrázku vlevo je ukázán efekt moire, který se projevuje u dvou přes sebe položených mřížek s podobnou roztečí, natočených vůči sobě o úhel řádu minut. Čtyři fotodetektory sledují svislé proužky, které vzniknou překřížením mřížek. Signály z fotodetektorů jsou vzájemně fázově posunuty o 90°, čímž je dána možnost interpolace a rozpoznání směru pohybu hlavičky nad stupnicí. V pravé části obrázku je ukázán způsob odečtu a interpolace pomocí destičky se čtyřmi poli mřížek s roztečí d, z nichž následující mřížka je o d/4 posunuta oproti předchozí mřížce. Signály z mřížek jsou přivedeny do dvou detektorů. Do jednoho detektoru jdou společně signály posunuté o 180° tj. I a III do druhého pak II a IV. Výstupem jsou dva sinusové signály vzájemně posunuté o 90°. Tyto dva signály jsou využívány pro určení smyslu pohybu hlavičky nad pravítkem. moire efekt posunuté mřížky

Moderní metody měření počítačová tomografie pro průmyslové využití 3D hodnocení kvality povrchu nanometrologie Další metody měření, které nebyly v této prezentaci popsány, ale patří k novým metodám, které se s využitím výpočetní techniky stále více prosazují v praxi.

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