TÉMA 3 Měření součástí 3D

Transkript

1 Projekt Vzdělávání pedagogů středních odborných škol Olomouckého kraje v nových trendech vyučovaných oborů Reg.číslo projektu: CZ.1.07/3.2.05/ Inovace vzdělávacího modulu v nových trendech ve strojírenství KONTROLA A MĚŘENÍ UČEBNÍ MATERIÁLY PRO ÚČASTNÍKY PILOTNÍHO OVĚŘOVÁNÍ TÉMA 3 Měření součástí 3D Autorka: Ing. Věra Kozáková Střední průmyslová škola strojnická Tř. 17. listopadu 49 Olomouc Stránka 1 z 27

2 OBSAH 1. Souřadnicové měřicí stroje D měření a měřicí přístroje D měření 8 4. Měření na souřadnicových měřicích strojích 23 LITERATURA Stránka 2 z 27

3 1. Souřadnicové měřicí stroje Souřadnicové měřící stroje sehrávaly a sehrávají důležitou úlohu v oblasti průmyslových oborů, zejména v automobilovém průmyslu, leteckém průmyslu, výrobě nástrojů, přípravků, obráběcích strojů a zařízení, výrobě plastů, energetických strojů, ale také v oblasti elektroniky a výroby polovodičů. Souhrnně se označují: CMM Coordinate Measuring Machine = souřadnicové měřící stroje. Během posledních 30 let byl velký pokrok v technologiích výroby integrovaných obvodů. Nové trendy v přesném strojírenství (počítačová technika a spotřební elektronika hard disky, videa, CD a DVD apod.) mají větší nároky na přesnost výroby. Spolu s nárůstem v sortimentu výrobků narostly požadavky na kontrolu vysoko přesných rozměrů. Na zabezpečení těchto požadavků se využívají souřadnicové měřící stroje a jsou upřednostňované před jinými měřicími přístroji kvůli své univerzálnosti, flexibilitě, lehké obsluze, malé nejistotě měření a vysoké přesnosti. 2. 2D měření a měřicí přístroje Bezdotyková měřící technika na principu měřících mikroskopů a profilometrů a profilprojektorů se datuje do období 50-tých let minulého století. Na obrázku č. 5 je měřicí přístroj firmy Werth s plně integrovaným promítáním optického paprsku. Tyto technologie umožňovaly bezkontaktní měření dvourozměrných součástí, např. výlisků, výstřižků. Stránka 3 z 27

4 Obrázek 1 profilprojektor Werth Record 8 [1 ] 2D měření - měřící metoda optická Bezdotyková měřící technika na principu měřících mikroskopů a profilometrů a profilprojektorů. Tyto technologie umožňovaly měření dvourozměrných dílců metodou využívající procházející světlo. Měřicí mikroskop Měřicí mikroskop je předchůdce všech souřadnicových strojů. Jako snímač (senzor) se používá lidské oko. Obsluha zaměří cíl nitkovým křížem, který je v dráze světelných paprsků, měřené body na součásti a odečte souřadnice na odměřovacím stole. V současné době přebírají funkci vyhodnocování počítače. Stránka 4 z 27

5 Obrázek 2 Nitkový kříž se stupnicí Profilprojektory Klasickým přístrojem pro kontrolu tvarových ploch je profilový projektor. Podstata je v tom, že světlo osvětluje kontrolovanou součást a její stín vrhá v měřítku na matnici. Stín je zvětšený, a může se kontrolovat pomocí kontrolního výkresu, který je také v měřítku a může se tak přímo porovnávat výsledek s výkresem. U přístrojů typu Somet je v horní části přístroje žárovka, která osvětluje součást položenou nebo upnutou na mikrometrickém stolku. Pod stolkem je objektiv (optická soustava), který stín zvětší a pomocí zrcadla obraz promítá na matnici. Mikrometrický stolek lze posouvat pomocí mikrometrických šroubů ve směrech, které jsou na sebe kolmé. Výsledkem této kontroly je odpověď, zda se jedná o shodu či neshodu výrobku s výkresem. Jedná se tedy o předchůdce způsobu měření měření v obraze. Stránka 5 z 27

6 Obrázek 3 Profilprojektor Somet-stolek Obrázek 4 profilprojektor Somet-matnice Stránka 6 z 27

7 Měřicí projektor Obrázek 5 - Princip měřicího projektoru[1] Obrázek 6- Provedení měřicího projektoru [5] Měřicí projektor spojuje výhody měřicího mikroskopu a profilprojektoru. Na matnici se může porovnávat součást s výkresem. Ve svých souřadnicových osách má odměřování. Snímání jednotlivých bodů lze provádět pomocí nitkového kříže, nebo pomocí hranového senzoru, což byl první optoelektronický senzor pro měřicí projektory, který dovoluje automatické snímání bodů objektu. V současné době se používá senzor zpracování obrazu. Měřený objekt Stránka 7 z 27

8 se přes objektiv zobrazí na matricové kameře, elektronika kamery převede optické signály na digitální obraz, který se použije k výpočtu měřených bodů ve vyhodnocovacím počítači s odpovídajícím softwarem pro zpracování obrazu. Obrázek 7- Princip konstrukce senzoru se zpracováním obrazu[1] Vyhodnocení výsledků K digitalizaci obrazů se obvykle používají CCD kamery společně s počítačovými součástkami pro zachycení obrazu. Výhoda CCD kamer je lineární závislost mezi vstupním signálem (intenzitou světla) a digitálním výstupním signálem, který je potřebný pro přesné měření. Pro zpracování polohy měřených bodů z digitálních dat se používají 2 způsoby Edge Findervyhledávač hran a zpracování obrysového obrazu. Při zpracování obrysového obrazu se postupuje následovně: Senzor obrazu vidí objekt jako obraz hodnot šedi (Původní Obraz), pixely obrazu hodnot šedi se převedou na digitální amplitudy (Digitalizovaný Obraz). Z tohoto digitalizovaného obrazu se vypočítá pixelový obrys (Kontura Pixelů, Kontura Subpixelů), matematickými metodami se určí vyrovnávací prvek, který se zobrazí v obrázku hodnot šedi (Best Fit Element v Obraze)[1]. Stránka 8 z 27

9 Obrázek 8 - Způsob zpracování obrysového obrazu[1] 3. 3D měření Díky své univerzálnosti a flexibilitě patří k nejrychleji se vyvíjejícím měřicím prostředkům a díky své sofistikovanosti souřadnicové měřicí stroje (CMM - Coordinate Measuring Machine) našly svoje místo nejen jako laboratorní zařízení, ale také uplatnění hlavně v oblasti strojírenské výroby. CMM díky svému širokému spektru využití je praktické a cenově výhodné zařízení, které od jiných měřicích procesů a od jiných typů CMM mají schopnost rychle a přesně zachytit data a vyhodnotit je. Sofistikované kontaktní a bezkontaktní sondy, zkombinované se schopností počítačového zpracování dělají ze CMM praktické cenově efektivní řešení. Stránka 9 z 27

10 Historie CMM C. E. Johansson ( ) a F. H. Rolt byli průkopníci píšící o strojích, které dokáží měřit v kartézské soustavě. Už ve čtyřicátých letech komise pro atomovou energii rozlišila potenciál CMM strojů, kde jejich stroje udržely krok v oblasti exploze výpočtové techniky. V šedesátých letech se CMM započaly využívat jako silný nástroj - mikroprocesory začaly získávat sílu v počítačových technologiích, výrobci začali rozpoznávat reálný potenciál CMM systémů. Kombinace CMM a počítačové schopnosti zpracování dat dovolily využívat tyto měřící systémy nejvhodnějším a nejefektivnějším způsobem. Postupem času se začalo tlačit na přesnost měření a v roku 1983 Taniguchi ve své práci odhadl trend výrobní přesnosti [6]. Třísouřadnicové měřicí zařízení se využívá při kontrole tvarově složitých součástek. Souřadnicový měřicí stroj je počítačem kontrolované zařízení, které má složitý měřicí systém a je schopný měřit v rovině nebo v prostoru dané souřadné soustavy. Pracuje s dvěma souřadnicovými systémy: souřadnicový systém stroje, souřadnicový systém měřeného předmětu. Stránka 10 z 27

11 Obrázek 9 - Obrázek 3D souřadnicového měřicího stroje s měřícími doteky [6] Obrázek 10 optický 3D měřící stroj Při měření součásti se vytváří souřadnicový systém součástky změřením a záznamem jejích referenčních bodů po obvodě (x w, y w, z w ). Souřadnicový systém stroje je označen ( x G, y G, z G ). Na měřené součásti může být i několik souřadných systémů (obr. 12). Stránka 11 z 27

12 Obrázek 11 souřadnicové systémy stroje a měřeného předmětu[6] Každý měřicí stroj se skládá z několika dílčích a navzájem propojených podsystémů: pohonný systém, odměřovací systém, systém snímačů, systém výměny snímačů, řídicí systém, počítač, software. Po měřicích strojích se požaduje: absolutní a přírůstkové (inkrementální) měření rozměru ve směru os x, y, z, měření vzdálenosti mezi definovanými body, určení obrysové křivky z naměřených bodů, určení geometrických odchylek tvaru a polohy, generování křivek chyb, automatické porovnávání požadované a skutečné hodnoty, výpočet středů a průměrů děr různými metodami, zjištění sklonu osy díry, zjištění středu oblouku, automatické nastavování měřených objektů, automatická korekce na dotyk, transformace souřadnic (kartézské polární). Souřadnicové měřící stroje s křížovým stolem Skupina těchto strojů se skládá z mechanicky uloženého křížového stolu, osa z je mechanicky uložená. Pro vedení se používají speciální vodící systémy, jejichž základem je Stránka 12 z 27

13 vedení z hliníku, změny napětí vlivem roztažnosti materiálu jsou kompenzovány magnetickou silou a tíhou. Obrázek 12 - Vodicí systém měřicích stolů Werth[1] Obrázek 13 měření na stroji s křížovým stolem Stránka 13 z 27

14 Obrázek 14 3D měřicí přístroj s křížovým stolem Obrázek 15 náčrty provedení souřadnicových strojů s křížovým stolem[1] Souřadnicové měřící stroje s portálem Pro vyšší požadavky na přesnost a větší rozsahy měřených hodnot se používají stroje s vedením na vzduchových ložiscích. Vysoce přesné vodicí systémy se vyrábí z horniny (žula, granit). Vzduchový polštář, po němž kloužou pohyblivé části, má tloušťku několik mikrometrů. Protože za těchto podmínek nedochází při pohybu ke kontaktu, je prakticky eliminováno tření a nepřesnosti vzniklé tepelnou roztažností materiálu. Stránka 14 z 27

15 Obrázek 16 Souřadnicový měřicí stroje s portálem[1] Obrázek 17 Portálový 3D souřadnicový měřicí stroj [5] Stránka 15 z 27

16 Souřadnicové stroje s měřícím portálem představují nejčastěji realizovaný typ. Portál se skládá z mostu, který se pohybuje ve směru první osy, na mostu se pohybuje měřící suportsměr druhé osy, na suportu je instalovaná pinola - třetí osa. Stroje s pohyblivým portálem jsou vybaveny převážně jen dotykovými senzory. Stroje s pevným portálem jsou většinou vybaveny dvěma pinolami a otočnou nebo naklápěcí jednotkou. U těchto strojů se používají bezdotykové optoelektronické senzory a senzory měřící vzdálenost. Druhy senzorů měřících vzdálenost Optoelektronické senzory měřící vzdálenost umožňují měření ve třetí souřadnici. Měří vzdálenost mezi senzorem a povrchem dílce. Autofokus Používá stejné hardwarové součásti jako při zpracování obrazu. Princip je založen na tom, že se senzor pohybuje, v určité vzdálenosti dosáhne ostrost obrazu maxima a z této polohy se určuje vzdálenost bodu na povrchu dílce [1]. Obrázek 18 - Autofokus s pohyblivou a pevnou optikou [1] Stránka 16 z 27

17 Laserové bodové senzory Princip je založen na tom, že na měřený dílec se promítá paprsek vytvořený laserem (laserovou diodou). Odražená světlá skvrna se zobrazí na optoelektronickém senzoru a vhodným postupem (používají se interferometrické a triangulační metody) se odvodí vzdálenost bodu na povrchu dílce. Obrázek 19 - Princip laserového snímače [1] Triangulační laserový senzor Laserový paprsek a osa zobrazovací optiky svírají úhel, mezi laserovým vysílačem, bodem povrchu a senzorem vznikne trojúhelník a pomocí goniometrických funkcí se vypočítá požadovaná vzdálenost (požadovaná délka strany). Vícerozměrné senzory Pracují na triangulačním principu. Základem je princip laserového paprsku. Je založen na tom, že paprsek se uvede do pohybu pomocí rotujícího zrcadla, které je v hlavě senzoru. Vyhodnocení proběhne pomocí maticové kamery a výsledkem je linie světelného řezu. Pruhová projekce - fotogrammetrie využívá zachycení povrchu dílce ze dvou různých směrů [1]. Stránka 17 z 27

18 Obrázek 20 -vícerozměrné laserové senzory princip [1] Dotykové senzory Jsou založeny na mechanickém dotyku senzoru s povrchem dílce. Ve výsledku měření je obsažena geometrie snímacího prvku (koule) a poloha v prostoru a geometrický tvar měřeného povrchu. K poloze snímaného bodu se musí užít korekce snímací koule. Spínací dotykové senzorické hlavy (obr. 21) Jedná se o jednoduché spínací systémy pracující na principu soustavy tří bodů. Pokud se dotkne snímací koule měřeného objektu, vyšle se signál k přečtení systémů odměřování, měřený bod se určí ze souřadnic měřícího stroje. Snímací koule je upevněna na dříku, který je fixován ve třech bodech. Pokud se vychýlí z libovolného směru, jeden ze spínačů se rozpojí a toto rozpojení je bráno jako spínací signál. Přesnější spínací dotykové senzory používají pro převod mechanického signálu na elektrický piezoelektrické prvky nebo měřící roztažné pásky, pomocí kterých se dá dosáhnout snímání, které je nezávislé na směru. Nevýhoda spínacích systémů je v tom, že souřadnicový měřící stroj musí být pro zjištění měřeného bodu v kontaktu s dílcem a potom zase musí odjet od objektu, tím se každý měřený bod snímá ve vteřinách [1]. Stránka 18 z 27

19 Obrázek 21 - Princip spínací 3D měřicí hlavy[1] Měřící dotykové senzory Senzor je vybaven systémy k měření dráhy ve třech směrech (odměřování, indukční senzory, optické měřící systémy). Pokud se snímací koule vychýlí do libovolného směru, lze tuto hodnotu zjistit přečtením systémů drah. Měřený bod se získá zpracováním souřadnic senzoru se souřadnicemi měřícího stroje. Stránka 19 z 27

20 Obrázek 22- Princip 3D měřicí hlavy[1] Princip 3D měřící hlavy Výstup ze snímače lze měnit přes magnetické rozhraní. Hlava má uvnitř umístěny pružinové paralelogramy, které dovolují pohyb ve 3 osách. Celkový pohyb se vede přes průchozí kolík ke kompaktnímu měřícímu 3D systému (obr. 22). Výhoda oproti předchozímu systému je, že není potřeba snímačem sunout. Software umožní pohyb senzorem ve virtuální souřadnicové soustavě s počátkem v místě dotyku snímacího prvku s objektem. Provedení dotykových sond Přímé doteky Přímé doteky jsou vhodné pro většinu měřicích aplikací. Jsou vybaveny vysoce kulovými průmyslovými rubínovými kuličkami. Rubín je extrémně tvrdým keramickým materiálem minimalizujícím opotřebení kuliček doteku. Také měrná hmotnost tohoto materiálu je nízká, což umožňuje snížení hmotnosti hrotu na minimum. Vítaným důsledkem nižší hmotnosti je eliminace nechtěných sepnutí sondy způsobených pohybem stroje či vibracemi. Rubínové kuličky se dodávají nasazené na různých materiálech, jako např. nemagnetická nerezová ocel, keramika a karbid, aby byla zachována tuhost. Stránka 20 z 27

21 Obrázek 23- Náčrt klasického doteku s rubínovou kuličkou[4] Obrázek 24 - Přímý dotek [3] Obrázek 25 - Druhy doteků [4] Stránka 21 z 27

22 Měřící dotykově optický senzor Výše uvedené senzory v předchozí části převádí vychýlení snímače přes tuhý dřík (tyčinku) k vlastnímu senzoru. Toto provedení požaduje tuhé dříky a větší průměry snímací koule. Pro měření malých rozměrů se používají mikrosondy. Dřík snímače se užívá k umístění koule do požadované polohy. Vlastní měření probíhá senzorem zpracování obrazu, který je integrovaný do systému. Průměr koule je od 20 μm. Obrázek 26 - Princip měření mikrosondou opticko-dotykové měření [1] Stránka 22 z 27

23 Příklady použití multisenzorové techniky Obrázek 27 - Multisenzorový měřicí stroj [5] Obrázek 28- příklady použtí snímací techniky [1] Stránka 23 z 27

24 Obrázek 29 - Vysvětlení pojmů [1] Obrázek 30 - Vysvětlení pojmů [1] 4. Měření na souřadnicových měřících strojích Plán průběhu měření Při měření se získávají potřebné parametry nepřímo z naměřených pravoúhlých souřadnic (polárních popř. válcových) v rovině nebo v prostoru s použitím matematických metod analytické geometrie a trigonometrie. Prvním krokem je sestavení plánu průběhu měření. V plánu musí být zahrnuta dokumentace, upínací nebo ustavovací přípravky, zohledněny požadavky na přesnost. Doporučené zásady: měřící základny by měly korespondovat se základnami konstrukčními, ustavení dílce by mělo být tak, aby se dal proměřit na jedno ustavení, provádět slučování měřících operací, volit minimální počet dotyků, volit měřící body tak, aby postup byl co nejkratší, snímací body mít rovnoměrně rozloženy na měřícím geometrickém prvku, počet snímaných bodů volit o 2-3 více než vyžaduje geometrická definice se směrem některé osy, souhlasný směr pohybu snímače a dotyku, kruhové a kulové plochy snímat párovými dvojicemi - tedy diagonálně, pro statistickou analýzu je nutné mít min. 30 bodů, Stránka 24 z 27

25 vyhodnotit dosaženou nejistotu měření a porovnat ji s naměřenou a požadovanou hodnotou, je vhodné body měřeného grafického prvku znázorňovat graficky, aby bylo možné vyloučit hrubé chyby [6]. Měření s CAD daty Numerické vyhodnocování je omezeno na pravidelně geometrické tvary. Moderní výroba, např. automobilový průmysl, pracuje s tzv. volnými tvary. Vznikají tak volné dílce, jejichž tvar je popsaný CAD modelem. K měření se naskenují pouze oblasti zájmu. Následně se porovnají moduly měřícího softwaru v režimu offline - tedy naměřené hodnoty s daty CAD modelu. Další způsob je spřažení modulu CAD softwaru s měřícím strojem, v tomto případě se vyberou zájmové oblasti na CAD modelu a následně se automaticky změří na dílci zvolenými senzory. Výsledky se dokumentují grafickým porovnáním nebo grafickým znázorněním odchylek od CAD modelu barvami. Barvy ukazují odchylku mezi skutečným provedením a modelem (pozitivní a negativní odchylky v rámci tolerance nebo mimo toleranci). Obrázek 52 - CAD model reálné součásti [2] Stránka 25 z 27

26 Obrázek 53-31Prostorová mapa odchylek dílce a CAD modelu [2] Stránka 26 z 27

27 LITERATURA [1] RALF CHRISTOPH,HANS JOACHIM NEUMANN Multisenzorová souřadnicová měřící technika Sv corporate media, D Munchen, 2008 [2] USING CAD MODELS AND POLYGONAL SCAN FOR EVALUATION OF ABRASIVE FRICTION PARTS Liška J., Filípek J. [online]. [cit ] Dostupné z [3] ] [online]. [cit ] Dostupné z [4] ] [online]. [cit ] Renishaw Katalog technické doteky, parametry a příslušenství, dostupné z URL [5] Werth Messtechnik GmbH - Werth Messtechnik Die Werth Messtechnik GmbH ist der führende Hersteller von Multisensor-Koordinatenmessgeräten. [online]. [cit ] Dostupné z [6] PETŘKOVSKÁ, Lenka a Lenka ČEPOVÁ. Strojírenská metrologie: studijní opora "Strojírenská metrologie". Vyd. 1. Ostrava: Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, 2011, 1 CD-ROM. ISBN Kz Stránka 27 z 27