ММК Спецтехнология ЛА 2013
.pdfКонтроль размеров деталей сложной геометрической формы с применением компьютера
Необходимость измерения деталей, имеющих сложную геометрическую форму, возникает в том случае, когда требуется изготовить несколько образцов по макету, созданному вручную дизайнером, либо получить цифровую модель для дальнейшего использования при конструкторском проектировании, а также при проведении ремонтно-восстановительных работ, когда необходимо заменить изношенную деталь сложной конфигурации. При этом форма вновь изготовленной детали должна учитывать особенности формы ответной ей детали.
Определенные трудности возникают при контроле точности изготовления деталей, имеющих сложную геометрическую форму, таких как:
•кузов автомобиля, крыло самолета;
•детали станков: кулачки, распределительные валы;
•инструменты: фасонные резцы, модульные фрезы;
•штампы и преесформы;
•формы для литья и т. п.
Различают прямую и обратную задачи технологии формообразования. Прямая задача — получение реальной формы, которая должна соответствовать математической модели (аналитический эталон). Обратная задача - получение математической модели (чертежа, аналитического эталона), описывающей реальную форму. Но цифровые значения координат, полученные в результате измерений, не решают полностью задачу воссоздания поверхности сложной геометрической формы. В идеальном случае желательно было бы сравнить не два набора точек — измеренным и полученный по математической модели поверхности, а уравнения, описывающие эти поверхности. Восстановление геометрии детали по заданному облаку точек относится к задачам обратного инжиниринга.
Задача «оцифровки» поверхности заключается в получении координат некоторого множества точек реально существующей поверхности, по которым можно воспроизвести поверхность. На машиностроительных заводах «оцифровку» поверхностей обычно производят с помощью контрольноизмерительных машин. Они обеспечивают высокоэффективное и точное измерение деталей за счет использования в их конструкции электронных контактных головок, микропроцессорного управления приводами, аэродинамических подшипников и направляющих из гранита или керамики.
Измерение точных деталей рекомендуется производить в специальных помещениях, с постоянной температурой на стационарных координатноизмерительных машинах. Однако в ряде случаев их использование невозможно или нецелесообразно, например, при измерении крупногабаритных деталей, когда нет возможности доставить эти детали в специальное помещение.
Различают следующие основные погрешности при измерении детали:
•ошибка базирования измеряемой детали. Это приводит к несовпадению осей детали и исходной математической модели поверхности;
•влияние размеров мерительного щупа, которые могут ограничивать доступ к отдельным участкам измеряемой поверхности. При этом, необходимо учитывать возможность изменения положения точки касания измеряемой поверхности.
Приборы для измерения размеров объекта (детали) можно подразделить на два типа: контактные и бесконтактные. Первые подразумевают наличие механического устройства - «щупа», при помощи которого оператору или в компьютер передаются координаты измеряемых точек.
Система позиционирования и определения координат таких приборов построена на основе показаний механических датчиков, аналогичных тем, что используются оптико-механических манипуляторах «мышь». От точности них датчиков и зависит точность работы прибора пространственного сканирования в целом. В качестве бесконтактных приборов используют ультразвуковые, электромагнитные и лазерные сканеры. В них используется система ввода координат тела и алгоритмы создания пространственных каркасов.
Механические трехмерные сканеры
Основу механических трехмерных сканеров составляет прецизионный щуп на трехшарнирном рычаге, в суставах которого находятся механические микродатчики. Их принцип работы достаточно прост: щупы измеряют сканируемые поверхности как массивы трехмерных точек. Механические трехмерные сканеры, например, Immersion MicroScribe-3D линейки G2, позволяют передавать в компьютер данные о тысяче точек в секунду. Программное обеспечение воспроизводит точки на экране монитора, строит приближенные кривые (полигональные или сплайны), сеточным способом натягивает на них поверхность и затем закрашивает ее, позволяет собирать несколько объектов воедино, отображать модель относительно плоскости, оси или центра симметрии и т. д. Точность измерения этого класса устройств составляет 0,4—0,2 мм. Она выше, чем у магнитных и ультразвуковых сканеров, но в несколько раз менее точно, чем при работе с лазерными.
Механические сканеры стоят во много раз меньше, чем лазерные. Сегодня их используют в основном для сканирования некрупных объектов.
Контрольно-измерительные машины
Контрольно-измерительные машины в машиностроении применяют в следующих случаях:
•при определении размеров поверхностей, имеющих сложный геометрический профиль;
•при изготовлении сложной оснастки;
•при измерении деталей, сложной оснастки и собранных изделий в процессе изготовления;
•при проверке точности изготовления деталей, имеющих сложную геометрическую форму, например, крыла или фюзеляжа самолета;
•при подгонке деталей или узла с изогнутыми поверхностями, например, при создании люка, закрывающего полость сложной формы;
•для формирования программы для станков с ЧПУ по результатам замеров сложных профилей;
•при нанесении разметки на шаблонах и оснастке.
К измерительным устройствам, которые используются на машиностроительных заводах предъявляют следующие требования:
•высокая мобильность и гибкость;
•возможность автономной работы в цеховых условиях;
•простота в эксплуатации;
• возможность интеграции в современные системы CAD/CAM.
На машиностроительных заводах широко используются сравнительно простые механические устройства с индикаторами часового типа для визуального контроля отклонений размеров деталей, например зубчатых колес, с точностью до 0,01 мм.
Объясняется это сравнительно низкой стоимостью таких устройств. Для измерения деталей и готовых изделий с высокой точностью применяют координатно-измерительную машину. В некоторых публикациях ее называют электронным штангелем. Координатно-измерительная машина имеет опорную плиту, которая крепится на измеряемой конструкции или устанавливается рядом с ней.
Контуры оцифровываемого объекта обводятся механической «рукой» с с прецизионным щупом (рис. 5.82).
Рис. 5.82. Координатно-измерительная машина прецизионным щупом
На плите вращается одно, два или три звена рычагов, соединенных между собой шарнирами с датчиками контроля угловых перемещений. Шарниры с низким уровнем трения обеспечивают практически абсолютную свободу перемещения измеряющего устройства. В зависимости от количества звеньев так называемой «ломающейся руки» конструкция может иметь от пяти до семи степеней свободы. Перемещение звеньев и их фиксация выполняют вручную. Принцип работы устройства достаточно прост: щупы сканируют поверхности как массивы трехмерных точек.
Рекомендуется привязка к базовым поверхностям, чтобы совместить систему координат измеряемой и контрольно-измерительной моделей. Для измерения крупногабаритных деталей возможна переустановка измерительной машины с измерением баз для переустановки и учета их реальных отклонений. Однако переустановки снижают точность измерения.
Для увеличения зоны измерения могут дополнительно поставляться горизонтальные и вертикальные линейки. Контроль геометрических размеров измеряемой детали, измерение ее сечений и ребер производится с точностью до 0,025—0,7 мм. Точность измерения поверхностей, имеющих большую кривизну, зависит от формы щупа: шарик или острая иголочка и размеров наконечника.
Специальные программы позволяют построить оцифрованное изображение, используя систему трехмерных координат. Для управления координатноизмерительной машиной может использоваться компьютер. Для повышения мобильности рекомендуется использовать переносной компьютер.
В процессе контроля на экран компьютера может выводиться электронная модель измеряемой детали или изделия, положение щупа в каждый момент времени, расположение измеренных точек и величина их отклонения. Оператор может совместить деталь и электронную копию изделия по множеству произвольных точек. Если деталь не имеет реальных геометрических баз — поверхностей или отверстий, —то последующая оптимизация производится методом последовательных приближений. Файл отсчета автоматически формируется в графическом или табличном виде. Данные могут передаваться в CAD-систему, а также в форматы IGES и VDA для передачи в различные системы. Точность измерения по осям составляет 2-3 мкм.
Основное преимущество координатно-измерительной машины (механического сканера) состоит в том, что получаемые с ее помощью результаты не зависят от погодных условий, уровня шума, наличия электромагнитных полей. Тип измеряемой поверхности также не имеет значения.