Введение в координатную метрологию. Часть 1
Во всем мире используется система координат, которая позволяет определить взаимное расположение объектов. Система координат, которую придумал французский ученый Рене Декарт применяется до сих пор и для описания передвижений измерительных устройств.
Система координат похожа на карту рельефа местности, в которой используются буквы и цифры. Соединив буквенное и числовое обозначение в нужной точке можно определить ее высоту. Это сочетание буквы, числа и числовой отметки называется координатой, которая показывает положение объекта в соотношении с другими.
Еще одним примером систем координат может служить карта города с указанием улиц и зданий. Чтобы пройти от своего дома до работы, вам нужно, к примеру, пройти два квартала вперед, затем свернуть направо, войти в бизнес-центр и подняться на 3 этаж. Ваши перемещения также будут совершены в системе координат.
Координатно-измерительные машины (КИМ) считывают данные также, как если бы вы пальцем водили по карте. Оси X, Y и Z образуют координатную систему КИМ. Вместо пальца машина использует специальные датчики для измерения точек, которые являются уникальными в собственной системе координат КИМ. Устройство способно объединять точки, формируя отдельные элементы детали, которые соотносятся друг с другом.
Система координат КИМ
Для проведения измерений используется два вида систем координат. Первый вид - система прибора, в которой оси X, Y и Z отражают передвижение измерительного прибора. При взгляде на прибор спереди, ось X будет расположена слева направо, ось Y ляжет спереди назад, а ось Z будет проходить перпендикулярно сверху вниз.
Система координат объекта
Измеряемая деталь тоже имеет свои координаты, которые привязаны к опорам или элементам детали. Для удобства измерений перед работой деталь выравнивается относительно КИМ. Эта процедура не является точной и занимает много времени, особенно, если деталь имеет округлую и сложную форму.
Что такое выравнивание?
Для точного соотношения координат КИМ и детали используется современное программное обеспечение. Контрольно-измерительная машина считывает расположение точек детали, определяет ее систему координат, а затем сравнивает ее с координатной системой прибора.
Процесс сравнения этих двух систем и называется выравниванием. При использовании физической карты мы можем сделать это в автоматическом режиме, поворачивая ее так, чтобы расположение улиц было соотнесено с нашим положением.
Опорный элемент
Если упростить, то опорный элемент - это место. Чтобы объяснить туристу путь к достопримечательности, мы используем опорное место. Им может быть улица, здание, вокзал, остановка городского транспорта или другой объект. Таким образом, обозначив начальную точку, опорные элементы, дистанции и направления движения мы можем вычислить любую информацию, которая поможет добраться из точки А в точку Б.
В метрологии в качестве опорного элемента может выступать один из элементов изделия (паз, отверстие, поверхность или другой). При измерении детали мы измеряем расстояние между элементами.
Трансляция
Чтобы узнать, на каком расстоянии располагаются элементы одной детали относительно друг друга, нужно провести отдельные измерения. например, чтобы узнать расстояние от центрального отверстия до отверстий, расположенных рядом, нужно сначала измерить центральное отверстие, а затем переместить нулевую точку в центр этого отверстия. Из полученного начала координат уже измеряется каждое из ближайших отверстий. Смещение начальной точки для измерения координат и называется трансляцией. КИМ выполняют эту операцию в автоматическом режиме, используя собственный софт.
Если проводить аналогию с картой города, то турист, который добрался из аэропорта до отеля, а затем принял решение перекусить в ресторане, своей новой отправной точкой сделает отель. То есть отель станет новой точкой начала координат.
Вращение
Расположение опорных элементов под углом 90 градусов друг к другу - это идеальный и очень редко встречающийся на практике случай. Для точного измерения расстояния используют вращение. В нулевой точке нужно повернуть координатную ось так, чтобы она расположилась параллельно другой точке. В таком случае расстояние от одной до другой точки рассчитывается автоматически.
Измеренные и сконструированные элементы
Все детали можно составить из геометрически простых элементов. Плоскости, сферы, цилиндры, конусы, параллелепипеды и другие - это элементы. Если контрольно-измерительная машина может измерить эти элементы, прикасаясь к ним датчиком, то такие элементы будут называться измеренными.
Такие параметры, как расстояние, симметричность, угол, пересечение или проекция нельзя измерить непосредственно датчиком. Они могут быть только лишь построены математически из данных, полученных КИМ. Такие элементы считаются сконструированными.
Сконструированные элементы
Расположение одного или нескольких элементов относительно друг друга имеет критическое значение для производства. Это применимо как к цилиндрам двигателя, так и к бытовым предметам, например, ключам, фаски которого позволяют открыть замок.
Объемная компенсация
Современные технологии производства позволяют с высокой степенью точность производить любые детали, но небольшие погрешности все равно могут присутствовать. Даже если они совсем небольшие, факт наличия допусков предполагает, что ошибки в расчетах и измерениях все же существуют.
КИМ также имеют погрешности в измерениях. Их конструкция несовершенна, а методы эксплуатации также вносят свои коррективы в показатели точности. Более жесткие производственные допуски, которые предъявляют к КИМ, требуют все более и более высокой точности от этих машин.
Большое количество погрешностей корректируется автоматически с помощью ПО. Карта ошибок, возникающая при тестировании КИМ, позволяет усовершенствовать прибор и повысить его точность помощью мощных программных алгоритмов. Эта технология называется объемной компенсацией.
Устранение ошибок с использованием математических методов позволяет снизить стоимость производства и предложить своим клиентам оборудование с высокой производительностью.
Процедура объемной компенсации может быть сравнима с использованием карты и компаса. Истинное расположение объекта относительно сторон света важно для того, чтобы правильно добраться до него. Но есть разница между магнитным полюсом компаса и истинным северным полюсом. Такая разница имеет название - склонение. Для получения точных координат к значению компаса нужно прибавить или вычесть склонение.
Значение склонения равно 3 и при точных расчетах этот показатель нужно обязательно учитывать. Так, например, для туриста, решившего найти нужное здание, погрешность в 3 не будет критичной. А для судов этот показатель важен, особенно при маневрировании в узких проливах и каналах.
КИМ учитывает эти компенсации и автоматически корректирует полученные данные.
Калибровка щупа. Компенсация расположения щупа
Неотъемлемая часть любой КИМ - щуп или наконечник, который касается детали в процессе измерений. Щуп крепится к машине и поэтому требует калибровки перед использованием. Процедура определения положения наконечника относительно системы координат прибора осуществляется путем измерения специальной сферы.
После калибровки наконечником датчика касаются детали, и координаты щупа смещаются на его радиус до истинного расположения точки касания. Вектор смещения рассчитывается автоматически с помощью специальных алгоритмов.
Подобные действия мы выполняем, оставляя машину на парковке. Чем лучше водитель сможет оценить габариты автомобиля, тем ближе к тротуару сможет встать машина.
Проекции
Проекция - это отображение отдельного элемента изделия на другом элементе. Проекцию можно сравнить с традиционной плоской картой мира.
В метрологии проекция нужна для определения качества сопряжения деталей между собой. Например, при измерении двигателя и его цилиндров для сопряжения поршней с цилиндром.
Проекция необходима для измерений отверстий. Минимальное количество точек, по которым может быть измерена окружность - 3. Если она располагается не перпендикулярно, а под углом, то в результате измерений получится эллипс. Для точного измерения используется проекция окружности на плоскость, которая расположена перпендикулярно.
Эффективные измерения контактным способом
Следование технологии измерений контактными датчиками помогает не допустить множества ошибок, возникающих в процессе измерений.
Так, например, работать щупом нужно по возможности перпендикулярно к поверхности объекта. Большинство КИМ с щупами позволяют добиваться отличных результатов при использовании его перпендикулярно детали. Допустимое отклонение 20 от перпендикуляра не имеет критического влияния на результат.
Измерения поверхности детали
Приближать наконечник к детали можно в конусе +-20 градусов. Перемещение вдоль изделия также должны быть максимально перпендикулярными, чтобы избежать случайного скольжения.
Прикосновения датчика вдоль оси не являются повторяемыми и могут дать недостоверную картину.
Правила выполнения измерений
Касания, которые не являются параллельными или перпендикулярными к корпусу устройства имеют самую низкую точность. Не следует прикасаться датчиком в параллельной плоскости к щупу или под углом к корпусу, так как такие измерения будут не показательны.
Одной из частых ошибок работы с КИМ является прикосновение к поверхности изделия стержнем щупа, а не наконечником.
Выбор датчика
Уменьшить вероятность проскальзывания можно, выбрав наконечник с меньшим диаметром или увеличив зазор между стержнем и поверхностью измеряемого объекта. Эффективная рабочая длина датчика зависит от особенностей детали. Наконечники большего размера подходят для измерения глубоких отверстий и элементов. Чем больше наконечник, тем меньше он улавливает особенности поверхности детали, так как площадь его соприкосновения будет больше. Размер наконечника ограничивается самым малым отверстием детали, которую предстоит измерить.
Электронные датчики по сравнению с механическими являются более точными. Применимо к любым датчикам, более длинный стержень приводит к ошибкам хода и увеличивает остаточные ошибки калибровки. Кроме того, изгиб и смещение длинного щупа, особенно с одновременным использованием удлинителя, приводит к большим погрешностям в результатах измерений.
Геометрическое определение размеров и погрешностей
Сокращенный термин GD&T означает геометрическое определение размеров и погрешностей. Это универсальный символьный код, похожий напоминающий систему дорожных знаков. Символы GD&T позволяют полностью описать характеристики изделия в том порядке, в котором нужно их выполнить и проверить.
Эти элементы указываются в специальном окне и их можно прочесть как предложение. Для определения детали и ее характеристик существует 7 форм, которые имеют название геометрических элементов. В дополнение к ним есть геометрические характеристики, определяющие состояние деталей и взаимное расположение их элементов.
Эти символы являются универсальными и могут быть понятны всем, как символы дорожного движения.
Обозначения геометрических параметров
Прямолинейность. Показывает, что все точки располагаются на прямой линии. Допуском считается зона, которая образуется двумя параллельными линиями.
Плоскостность. Показывает, что все точки расположены на одной поверхности в единой плоскости. Допуском является зона, которая образуется между двумя параллельными плоскостями.
Правильная круглая форма (округлость). Показывает, что все точки на поверхности расположены по кругу. Допуском является область, которая ограничивается двумя концентрическими кругами.
Цилиндричность. Показывает, что все точки имеют равное удаление от оси. Допуском является зона погрешности, ограниченная двумя концентрическими цилиндрами, внутри которой расположена заданная поверхность.
Профиль. Используется для контроля допусков поверхностей неправильной формы - линий, дуг и сечений. Профили применяются к отдельным элементам или всей поверхности детали. Допуском является граница вдоль истинного профиля, внутри которой расположены все элементы поверхности детали.
Перекос, угловое несогласие. Этот параметр относится к расположению поверхности или оси под любым углом, кроме 90 градусов относительно базовой плоскости/оси. Допуском является зона между двумя параллельными плоскостями, расположенными под одинаковым углом к базовой поверхности/оси.
Перпендикулярность. Положение оси или поверхности изделия под прямым углом относительно базовой плоскости или оси. Допуском является зона, состоящая из двух плоскостей, которые перпендикулярны к базовой плоскости или оси. Также допуском может служить зона с двумя параллельными плоскостями, которые перпендикулярны к оси.
Параллельность. Это поверхность или ось, расположенная на равном удалении от базовой плоскости или оси. Допуском является зона, отделяемая двумя линиями или плоскостями, которые параллельны базовой плоскости или линии. Также допуском может служить зона в виде цилиндра с осью, расположенной параллельно базовой.
Концентричность. Совпадение всех пересекающихся элементов с осью базового элемента. Допуском является зона в форме цилиндра с единой осью с базовой поверхностью.
Положение. Отклонение центральной оси или плоскости от базовой плоскости/оси. Допуском является общее допустимое положение отдельного элемента относительно точного положения. Цилиндрические элементы имеют допуск в виде зоны, внутри которой находится ось элемента. Некруглые элементы имеют допуск по положению как сумма ширины допуска, в которой расположена плоскость элемента.
Кольцевое биение. Этот параметр необходим для оценки круглых элементов, расположенных на поверхности. Допуском считается плоскость, построенная вокруг базовой оси и контролирующая суммарные отклонения круглости и соосности. Допуск применяется к любым точкам, измеренным на окружности.
Суммарное биение. Применяется для контроля всех элементов поверхности. Допуск применяется к округлым и продольным элементам, если деталь должна вращаться на 360.