Координатные измерительные машины

Трехкоординатные приборы позволяют решить ряд новых задач измерительной техники. Принцип действия трехкоординатных приборов (в дальнейшем координатных измерительных машин КИМ) основан на возможности измерять перемещение щупа относительно контролируемой детали (или реже детали относительно щупа) по трем пространственным координатам X,Y и Z. Отсчет по этим координатам выполняется в цифровой форме. Так как при измерении линейных и угловых величин ряд размеров и размерных параметров может быть получен только путем вычислений, а также для получения результатов измерений в удобной форме (в виде протоколов и графиков) в сочетании с КИМ использована ЭВМ (чаще микро- и мини-ЭВМ). На ЭВМ и периферийные устройства (дисплей, принтеры и другие) перекладываются наиболее трудоемкие операции контроля деталей сложной пространственной формы: вычисление, установка детали и щупов относительно баз, составление протоколов. На КИМ можно измерять в любой из трех систем прямоугольных координат: в машинной, соответствующей осям, по которым перемещается щуп; в нормальной системе, соответствующей осям детали (деталь при установке чаще бывает смещена по трем координатам относительно осей машинной системы); вспомогательной, которая у некоторых типов деталей может быть смещена по трем координатам относительно нормальной системы (эта система используется при измерении элементов, расположенных на наклонных поверхностях детали). Благодаря использованию в КИМ ЭВМ пересчет из одной системы в другую осуществляется автоматически без участия человека. КИМ с ЭВМ позволяет заменить трудоемкое ручное базирование на так называемое математическое.

Основными конструктивными элементами КИМ являются: механическая часть, обеспечивающая установку контролируемой детали и ее перемещение относительно системы ощупывания и наоборот, системы ощупывания относительно любой точки неподвижной детали; система ощупывания, фиксирующая касание щупом заданной точки детали; измерительная часть, измеряющая перемещение стола или системы ощупывания по каждой из координат; система привода и управления перемещениями подвижных органов КИМ и щуповой системы; система обработки результатов измерений.

Механическая часть КИМ определяется габаритными размерами и формой контролируемых деталей и возможностями ощупывающей системы. По конструкции механическая часть может быть консольной, портальной и мостовой. Консольная конструкция (рисунок 4.2, а) облегчает установку и контроль детали, однако ее жесткость и координатные перемещения наименьшие – до 500 мм. При перемещении по оси Y появляются наклон и поворот консоли, которые компенсируются различными способами. На рисунке 4.2, а деталь установлена на неподвижный стол. На рисунке 4.2, б деталь установлена на подвижный по координате X стол.

Рисунок 4.2 – Конструкция механической части КИМ

Портальная конструкция механической части является сочетанием портала и консоли (рисунок 4.2, в) и обеспечивает более высокую жесткость и координатные перемещения до 1500 мм. При этом сохраняется удобство загрузки детали (во время загрузки портал отводится). Мостовая конструкция представляет собой консоль между двух порталов (рисунок 4.2, г) и обладает наибольшей жесткостью и размером координатных перемещений до 10 м. Наличие в мостовой конструкции боковых колонн ограничивает доступ к детали и снижает диапазон измерений. От габаритных размеров и массы детали зависит также и выбор перемещающихся элементов КИМ. Тяжелые, громоздкие детали устанавливаются на массивный неподвижный стол. При измерении легких, небольших деталей отдают предпочтение столам, перемещающимся по одной (X) или двум (X и Y) координатам. Стол и направляющие изготовляют из серого чугуна, стального литья, а в последнее время из твердых каменных пород (диабаза или гранита).

Система ощупывания определяется и параметрами детали, и процессом измерения. Выбор метода ощупывания (формы контактирующего элемента и принципа действия головки) зависит от множества факторов, связанных с деталью и задачей измерения, и в свою очередь влияет на точность измерения, условия обслуживания КИМ, возможную степень автоматизации и производительность. Применяемые щуповые головки по принципу действия делятся на механические, электроконтактные, индуктивные и др. Механические щупы жестко крепятся в подвижной пиноли и имеют различную форму: конусный наконечник применяют для определения расстояния между отверстиями; сферический – для измерения плоских цилиндрических или выпуклых поверхностей; плоские – для измерения выпуклых поверхностей; дисковые – для измерения глубоких отверстий или внутренних канавок и т.д. В сочетании с жесткими наконечниками используются различные удлинители и крепежный кубик (сфера) на конце пиноли, обеспечивающий установку щупа в любом направлении. Жесткие щупы применяют при ручном ощупывании и управлении; измерительное усилие и положение контакта зависят от усилия рук. Отсчет производится при стабилизации показания на отсчетном приборе. Электроконтактные щупы основаны на использовании замыкания токовой цепи в момент контакта щупа с деталью. При этом выдается звуковой (писк) и световой сигнал на снятие отсчета. Такой щуп малонадежен и не применим при токонепроводящих деталях. Другим вариантом электроконтактного щупа является электроконтактный преобразователь, замыкающий или размыкающий электрические контакты в момент касания.

Измерительная часть служит для измерения перемещений щупов или стола в трех координатах рабочего пространства КИМ. Конструктивно она моет быть фотоэлектрической (растровой или на дифракционных решетках); линейной или круговой индуктосиной; лазерной. Привод и управление КИМ определяют производительность, точность и удобство обслуживания. Ручной подвод пиноли к месту измерения применяется в КИМ с малыми диапазонами измерений и неавтоматизированных. При этом возрастают погрешности из-за влияния температуры руки оператора и нестабильности измерительного усилия. При моторном приводе применяются два варианта управления – цифровое перфорационное через управляющие блоки и числовое управление через микроЭВМ, служащих для обработки измеренных значений.

Если в КИМ не используется ЭВМ, то запись результатов измерений и необходимые расчеты в соответствии с чертежом должен выполнять оператор. Первая ступень автоматизации достигается за счет подключения печатающего устройства, однако, размеры детали на чертеже должны быть даны в значениях координат. Вторая ступень автоматизации – применение ЭВМ для вычислений и распечатки протоколов, третья ступень автоматизации – полностью автоматизированные КИМ. В них имеются автоматический ввод программы с магнитной кассеты, автоматическое управление подвижными узлами КИМ, автоматическая обработка данных измерений и оценка результатов. Все эти задачи решаются путем составления программ для ЭВМ в составе КИМ.

По назначению программы можно разделить на четыре группы. Первая группа – программы поверки. Перед измерением в микроЭВМ задаются параметры щупа (диаметр наконечника, длина и т.д.) или все щуповые шары калибруются по определяющей нормали (сфера или куб в рабочем пространстве КИМ). ЭВМ рассчитывает дифференциальные координаты, радиусы наконечников и упругую деформацию щупов. Таким образом, при поверке компенсируются погрешности, возникающие при ощупывании. Вторая группа – программы автоматической ориентации – обеспечивают компенсацию несовпадения осей детали с осями машины в трех координатах. Эта программа позволяет контролировать детали в любом положении в пространстве измерения КИМ. Третья группа – программы измерений. Они включают: регистрацию координат точки контакта с деталью; программу трехточечного, четырехточечного и многоточечного контакта с внутренним или наружным цилиндром; сравнение номинальных и действительных размеров, выдачу значений расстояний между двумя значениями координат; определения: положения кромок; поверхности по трем или нескольким точкам; соосности отверстий; угла между двумя плоскостями; направление оси и диаметра внутреннего и наружного цилиндров; наружных и внутренних конусов; точек симметрии; нахождение точек пересечения трех плоскостей; определение угла между ребрами трех пересекающихся плоскостей и хода плоской и пространственной кривой и др.