Контроль изделий на станочном оборудовании стал возможен после оснащения их системами измерения, которые делятся на два типа: контактные и бесконтактные. Последние, установленные на станке, как правило, решают задачи по наладке инструмента, а именно, определения вылета фрезы и геометрии ее режущей части. Найденные значения автоматически заносятся в ячейки информации об инструменте УЧПУ и далее об измерениях можно не вспоминать до следующей настройки фрезы.
В этой статье мы рассмотрим применение контактной системы измерения, основные компоненты и преимущества ее применения в условиях современного производства.
Контактные датчики были разработаны в 70-х годах прошлого века и в основном использовались на стационарных контрольно-измерительных машинах (КИМ). Использование на металлорежущих станках сдерживалось ограниченными возможностями систем ЧПУ того времени, а также скептическим отношением пользователей самих станков, которое просматривается и в наши дни. Совершенствование и появление многоосевого оборудования повысило уровень решаемых задач, что в свою очередь привело к продолжительной по времени настройке инструмента и привязке заготовки. Контактные системы измерения позволили решить данные задачи, а универсальные циклы измерения такие как, - определение координат точек вдоль осей X, Y, Z; отклонение линии от вертикали или горизонтали; определение диаметра отверстия или габаритов прямоугольных элементов и другие стали незаменимым помощником оператора при наладке станка на обработку детали. Решение более серьезных задач, как правило, вызывает вопрос со стороны инженерного персонала: "А может ли станок контролировать изделие, которое он производит, т.е. сам себя?"
Чтобы ответить на данный вопрос нужно понять причины, по которым возникает необходимость подобных измерений. Первая и самая основная заключается в том, что после обработки деталь остается на станке, т.е. ее установочные базы сохраняют свое постоянство. Это значит, что погрешности обработки, найденные в результате обмера каких-либо элементов изделия, могут быть доработаны. В случае контроля изделия вне станка, в такой же ситуации деталь, как правило, признается бракованной, даже если брак исправимый, вследствие невозможности вернуть ее на станок для доработки, особенно если это крупногабаритные детали. В условиях серийного производства межоперационный контроль также выгодно производить на станке, это сократит время его простоя пока не будут получены результаты с КИМ, не останавливать изготовление продукции в данном случае означает возможное изготовление бракованных изделий.
Выясним, насколько точно будут выполняться измерения. Общая погрешность измерения будет складываться из точности позиционирования линейных и поворотных осей станка, а также точности измерительной системы. В настоящее время на рынке предлагается множество решений для определения точности оборудования, основанных на аппаратном и программном обеспечении. Компания Delcam также предлагает свое решение в виде программного пакета NC-Checker, который на основе измерительных тестов позволяет определить точность позиционирования линейных и поворотных осей станка. Очевидно, что станок, будучи силовой машиной, подвержен нагрузкам и во время эксплуатации будет ухудшать показатели точности. Поэтому рекомендуется через определенный интервал времени проводить поверку и настройку оборудования.
Рассмотрим теперь точность измерительной системы. Измерительная система, устанавливаемая на станок, состоит из датчика (измерительная головка), приемника сигнала и интерфейса для связи с системой ЧПУ. Основная функция, которую выполняет система – сообщить ЧПУ о срабатывании датчика, после этого ЧПУ производит запись координат текущего положения щупа. Датчик – это основной элемент измерительной системы, и от того, насколько быстро он сработает (пройдет некоторое расстояние) после касания с объектом зависит точность измерения. В настоящее время компания Renishaw – мировой лидер в области производства инновационного метрологического оборудования, выпускает два типа измерительных головок отличающихся по механизму срабатывания: кинематические и тензометрические.
Измерительные головки на основе кинематической схемы срабатывания (имеют в обозначении двузначные числа, например, OMP40 или OMP60) представляют собой первое поколение и позволяют производить измерения с точностью срабатывания 1-2 мкм (после калибровки по кольцу) при направлении измерения вдоль осей X и Y. Существенным их недостатком является значительное снижение точности при пространственных измерениях: до 20 мкм. Большинство станков по умолчанию оснащается данным типом датчиков. Чтобы разрешить проблему 3D-измерений, Renishaw разработала новый тип головок основанных на тензо-датчиках. После калибровки (в данном случае по сфере) точность срабатывания в любом направлении составляет 1 мкм. Обозначаются такие головки трехзначными числами, например, OMP400 или OMP700. Следует сказать, что данные результаты получены при использовании щупа длиной 50мм. При увеличении длины щупа, показатели будут ухудшаться.
Таким образом, при правильном выборе и эксплуатации погрешность в работе измерительной системы не вносит существенного вклада в общую погрешность измерений, следовательно, ей можно пренебречь.
CAI-система PowerNSPECT OMV компании Delcam
Для программирования измерений и анализа результатов не достаточно только внутренних измерительных циклов станка. Поэтому компания Delcam разработала уникальный на рынке CAI-систем продукт PowerINSPECT, позволяющий программировать все основные типы измерительного оборудования: мобильные "руки", стационарные машины, станочное оборудование. Модуль для работы со станками появился в середине 2000-х годов и называется PowerINSPECT OMV (от английского On-Machine Verification, что означает проверка или контроль на станке). Работу в данном продукте можно описать следующей схемой:
Кратко рассмотрим основные этапы работы.
Выбор оборудования сопряжен с выбором датчика измерения и заданием некоторых технологических параметров. PowerINSPECT OMV содержит большое количество уже смоделированных датчиков и других необходимых компонентов (щупов, удлинителей). Пользователю достаточно выбрать нужную ему измерительную головку из библиотеки.
Базирование
Базирование применяется, если деталь не обрабатывалась до измерения и реальное ее положение в пространстве не совпадает с номинальным, заданным в CAI-системе или CAM-системе. Как правило, такая задача возникает, если деталь возвращается для доработки, ремонта или отсутствуют приспособления для точного установа. Путем измерения текущего положения программа определяет так называемую матрицу смещений и поворотов относительно осей X,Y,Z. Зная эти значения, пользователь может пересчитать УП обработки относительно фактического положения детали или компенсировать разницу рабочими органами станка.
Выбор способа базирования зависит от наличия геометрических элементов на изделии. Измеряемые элементы должны лишать деталь шести степеней свободы. Большинство обрабатываемых деталей обычно имеют плоскости и отверстия. Поэтому один из способов базирования в PowerINSPECT основан на этих объектах и называется ППТ (Плоскость–Прямая–Точка). Достаточно определить и промерять три данных элемента на изделии для определения его положения. Однако бывают случаи, когда изделие не содержит такой геометрии, например лопатка компрессора авиадвигателя. В данном случае на помощь приходит другой способ базирования – Оптимальное совмещение. При этом программа пытается совместить измеренные точки и точки на модели так, чтобы расстояние до каждой из них было наименьшим. Существуют и другие способы.
Создание траектории измерения в PowerINSPECT OMV
Это основной этап, на котором пользователь определяет нужные геометрические элементы для измерения на детали. PowerINSPECT OMV позволяет работать с двумя группами объектов: геометрическими элементами (плоскости, прямые, окружности и т.д.) и произвольными точками на поверхности. С помощью первой группы можно проверять отклонения элементов изделия от формы и расположения, вторая группа помогает осуществлять контроль свободных формообразующих поверхностей. Создание вышеуказанных элементов осуществляется вручную или автоматически с помощью Анализатора геометрии. Для элементов, распознанных с помощью данной функции, автоматически создается траектория движения щупа и точки обмера. Изменяя параметры элемента, стратегию и метод обмера пользователь может вносить изменения в траекторию движения щупа.
Имитация траектории щупа в PowerINSPECT OMV
PowerINSPECT OMV позволяет создать виртуальную картину процесса измерения. Щуп движется вдоль траектории, производя касание в заданных точках. На данном этапе можно выявить многие ошибки, например столкновение с незапрограммированной частью детали или касание поверхности щупом, а не наконечником (сферой). При многоосевых измерениях имеется возможность загружать модель станка и имитировать движение поворотных осей, что позволит предотвратить поломку дорогостоящего оборудования.
Запись файла УП
В PowerINSPECT OMV запись файла УП не отличается от процесса записи программ обработки в CAM-системах. Пользователю достаточно задать имя файла УП и указать файл постпроцессора. Полученную УП пользователь передает на станок для проведения измерений. В процессе ее отработки щуп производит касание в заданных точках, координаты X, Y, Z точек касания записываются в файл результатов. По записям в данном файле сложно сделать какие-либо практические выводы для деталей сложной формы, поэтому данные замеров возвращаются обратно в PowerINSPECT OMV, где программа производит обработку и выдает отчет в удобном для пользователя виде. PowerINSPECT OMV предоставляет пользователю большой выбор опций для настройки и вывода полученных результатов в нужном формате. Например, для экспресс-анализа можно вывести на экране совместно с номинальными точками математической модели измеренные точки с численным отображением отклонений от первых. Для детального изучения результаты обмера можно представить в виде таблицы-отчета, включив в нее вывод интересующих объектов. Далее отчет можно сохранить или вывести на печать. В рамках предприятия возможна настройка оформления отчета согласно внутренним стандартам.
Опыт применения PowerINSPECT OMV.
В настоящее время компания "Делкам-Урал" имеет более десятка пользователей PowerINSPECT OMV в Уральском регионе. Вот несколько примеров применения измерительных технологий. Экспериментально-производственный комбинат УрФУ (г. Екатеринбург) занимается изготовлением оснастки, такой как пресс-формы и штампы, и других сложных изделий под заказ, используя многоосевое фрезерное оборудование и другие современные станки. При изготовлении пресс-форм важно получить точные размеры и расположение формообразующих и сопрягаемых поверхностей. Одно из таких изделий – пуансон пресс-формы для изготовления ведра. Пуансон и матрица при закрытии пресс-формы сопрягаются по коническим поверхностям, к точности которых (размеры, форма, расположение) предъявляются повышенные требования.
По классической технологии вследствие затруднительности контроля данной поверхности обработку выполняли оставляя припуски, которые удалялись при помощи притирки к ответной детали, при этом контроль осуществлялся по пятну контакта (по краске), щупами и т.д. Теперь для снижения (или даже устранения) трудоемкой ручной доводки при сборке появилась возможность выполнить контроль сопрягаемых поверхностей без снятия детали со станка, сохраняя тем самым установочные базы. В одном случае после обмера пуансона было принято решение дополнительно снять с конической части 0.03 мм, чтобы обеспечить сопряжение с матрицей без дополнительной обработки. Кроме этого, выполняется принцип взаимозаменяемости деталей, что упрощает ремонт изделий в будущем. Конечно, в дальнейшем матрица и пуансон будут измерены на КИМ.
"PowerINSPECT OMV – незаменимый помощник в обработке сложных формообразующих элементов. Теперь мы может находить проблемы непосредственно на станке и оперативно устранять их. Это повышает производительность и сокращает время на станочную или ручную доработку тех ошибок, которые возникали ранее", – говорит Никита Гайсин, начальник производственного участка станков с ЧПУ. Другое крупное предприятие моторостроительной отрасли УМПО (г. Уфа) использует PowerINSPECT OMV для адаптивной обработки лопаток. Особенность заготовки такова, что она не имеет точных установочных баз, а используемое приспособление лишь фиксирует заготовку. Для решения проблемы станок был оснащен тензометрической измерительной головкой OMP400, а в PowerINSPECT OMV был создан проект обмера лопатки с контролем точек с обеих сторон. Используя оптимальное совмещение полученных результатов измерения и CAD-модели лопатки, программа находит матрицу смещения и поворота. Полученные значения матрицы заносятся в подпрограмму на станке. При обработке лопатки подпрограмма поворота вызывается в самом начале и ориентирует заготовку в номинальное положение. В результате удалось избежать изготовления сложного приспособления, дополнительных операций для создания установочных баз, и тем самым значительно снизить материальные затраты.
В условиях серийного производства предприятие УМПО использует программный модуль NC-PartLocator, который автоматически производит измерения, осуществляет пересылку данных между станком и компьютером и формирует подпрограмму ориентации заготовки. Подобного рода автоматизация значительно снижает время на подготовку к обработке, исключает человеческие ошибки.
Тензометрический датчик OMP400
![]()
Создание проекта обмера корпусной детали в PowerINSPECT OMV
![]()
Измерение корпусной детали на станке с ЧПУ
![]()
Создание проекта измерения пуансона пресс-формы в PowerINSPECT OMV
![]()
Табличная форма отчета результатов измерений в PowerINSPECT OMV
![]()
Матрица смещений и поворотов
В этой статье мы рассмотрим применение контактной системы измерения, основные компоненты и преимущества ее применения в условиях современного производства.
Контактные датчики были разработаны в 70-х годах прошлого века и в основном использовались на стационарных контрольно-измерительных машинах (КИМ). Использование на металлорежущих станках сдерживалось ограниченными возможностями систем ЧПУ того времени, а также скептическим отношением пользователей самих станков, которое просматривается и в наши дни. Совершенствование и появление многоосевого оборудования повысило уровень решаемых задач, что в свою очередь привело к продолжительной по времени настройке инструмента и привязке заготовки. Контактные системы измерения позволили решить данные задачи, а универсальные циклы измерения такие как, - определение координат точек вдоль осей X, Y, Z; отклонение линии от вертикали или горизонтали; определение диаметра отверстия или габаритов прямоугольных элементов и другие стали незаменимым помощником оператора при наладке станка на обработку детали. Решение более серьезных задач, как правило, вызывает вопрос со стороны инженерного персонала: "А может ли станок контролировать изделие, которое он производит, т.е. сам себя?"
Чтобы ответить на данный вопрос нужно понять причины, по которым возникает необходимость подобных измерений. Первая и самая основная заключается в том, что после обработки деталь остается на станке, т.е. ее установочные базы сохраняют свое постоянство. Это значит, что погрешности обработки, найденные в результате обмера каких-либо элементов изделия, могут быть доработаны. В случае контроля изделия вне станка, в такой же ситуации деталь, как правило, признается бракованной, даже если брак исправимый, вследствие невозможности вернуть ее на станок для доработки, особенно если это крупногабаритные детали. В условиях серийного производства межоперационный контроль также выгодно производить на станке, это сократит время его простоя пока не будут получены результаты с КИМ, не останавливать изготовление продукции в данном случае означает возможное изготовление бракованных изделий.
Выясним, насколько точно будут выполняться измерения. Общая погрешность измерения будет складываться из точности позиционирования линейных и поворотных осей станка, а также точности измерительной системы. В настоящее время на рынке предлагается множество решений для определения точности оборудования, основанных на аппаратном и программном обеспечении. Компания Delcam также предлагает свое решение в виде программного пакета NC-Checker, который на основе измерительных тестов позволяет определить точность позиционирования линейных и поворотных осей станка. Очевидно, что станок, будучи силовой машиной, подвержен нагрузкам и во время эксплуатации будет ухудшать показатели точности. Поэтому рекомендуется через определенный интервал времени проводить поверку и настройку оборудования.
Рассмотрим теперь точность измерительной системы. Измерительная система, устанавливаемая на станок, состоит из датчика (измерительная головка), приемника сигнала и интерфейса для связи с системой ЧПУ. Основная функция, которую выполняет система – сообщить ЧПУ о срабатывании датчика, после этого ЧПУ производит запись координат текущего положения щупа. Датчик – это основной элемент измерительной системы, и от того, насколько быстро он сработает (пройдет некоторое расстояние) после касания с объектом зависит точность измерения. В настоящее время компания Renishaw – мировой лидер в области производства инновационного метрологического оборудования, выпускает два типа измерительных головок отличающихся по механизму срабатывания: кинематические и тензометрические.
Измерительные головки на основе кинематической схемы срабатывания (имеют в обозначении двузначные числа, например, OMP40 или OMP60) представляют собой первое поколение и позволяют производить измерения с точностью срабатывания 1-2 мкм (после калибровки по кольцу) при направлении измерения вдоль осей X и Y. Существенным их недостатком является значительное снижение точности при пространственных измерениях: до 20 мкм. Большинство станков по умолчанию оснащается данным типом датчиков. Чтобы разрешить проблему 3D-измерений, Renishaw разработала новый тип головок основанных на тензо-датчиках. После калибровки (в данном случае по сфере) точность срабатывания в любом направлении составляет 1 мкм. Обозначаются такие головки трехзначными числами, например, OMP400 или OMP700. Следует сказать, что данные результаты получены при использовании щупа длиной 50мм. При увеличении длины щупа, показатели будут ухудшаться.
Таким образом, при правильном выборе и эксплуатации погрешность в работе измерительной системы не вносит существенного вклада в общую погрешность измерений, следовательно, ей можно пренебречь.
CAI-система PowerNSPECT OMV компании Delcam
Для программирования измерений и анализа результатов не достаточно только внутренних измерительных циклов станка. Поэтому компания Delcam разработала уникальный на рынке CAI-систем продукт PowerINSPECT, позволяющий программировать все основные типы измерительного оборудования: мобильные "руки", стационарные машины, станочное оборудование. Модуль для работы со станками появился в середине 2000-х годов и называется PowerINSPECT OMV (от английского On-Machine Verification, что означает проверка или контроль на станке). Работу в данном продукте можно описать следующей схемой:
Кратко рассмотрим основные этапы работы.
Выбор оборудования сопряжен с выбором датчика измерения и заданием некоторых технологических параметров. PowerINSPECT OMV содержит большое количество уже смоделированных датчиков и других необходимых компонентов (щупов, удлинителей). Пользователю достаточно выбрать нужную ему измерительную головку из библиотеки.
Базирование
Базирование применяется, если деталь не обрабатывалась до измерения и реальное ее положение в пространстве не совпадает с номинальным, заданным в CAI-системе или CAM-системе. Как правило, такая задача возникает, если деталь возвращается для доработки, ремонта или отсутствуют приспособления для точного установа. Путем измерения текущего положения программа определяет так называемую матрицу смещений и поворотов относительно осей X,Y,Z. Зная эти значения, пользователь может пересчитать УП обработки относительно фактического положения детали или компенсировать разницу рабочими органами станка.
Выбор способа базирования зависит от наличия геометрических элементов на изделии. Измеряемые элементы должны лишать деталь шести степеней свободы. Большинство обрабатываемых деталей обычно имеют плоскости и отверстия. Поэтому один из способов базирования в PowerINSPECT основан на этих объектах и называется ППТ (Плоскость–Прямая–Точка). Достаточно определить и промерять три данных элемента на изделии для определения его положения. Однако бывают случаи, когда изделие не содержит такой геометрии, например лопатка компрессора авиадвигателя. В данном случае на помощь приходит другой способ базирования – Оптимальное совмещение. При этом программа пытается совместить измеренные точки и точки на модели так, чтобы расстояние до каждой из них было наименьшим. Существуют и другие способы.
Создание траектории измерения в PowerINSPECT OMV
Это основной этап, на котором пользователь определяет нужные геометрические элементы для измерения на детали. PowerINSPECT OMV позволяет работать с двумя группами объектов: геометрическими элементами (плоскости, прямые, окружности и т.д.) и произвольными точками на поверхности. С помощью первой группы можно проверять отклонения элементов изделия от формы и расположения, вторая группа помогает осуществлять контроль свободных формообразующих поверхностей. Создание вышеуказанных элементов осуществляется вручную или автоматически с помощью Анализатора геометрии. Для элементов, распознанных с помощью данной функции, автоматически создается траектория движения щупа и точки обмера. Изменяя параметры элемента, стратегию и метод обмера пользователь может вносить изменения в траекторию движения щупа.
Имитация траектории щупа в PowerINSPECT OMV
PowerINSPECT OMV позволяет создать виртуальную картину процесса измерения. Щуп движется вдоль траектории, производя касание в заданных точках. На данном этапе можно выявить многие ошибки, например столкновение с незапрограммированной частью детали или касание поверхности щупом, а не наконечником (сферой). При многоосевых измерениях имеется возможность загружать модель станка и имитировать движение поворотных осей, что позволит предотвратить поломку дорогостоящего оборудования.
Запись файла УП
В PowerINSPECT OMV запись файла УП не отличается от процесса записи программ обработки в CAM-системах. Пользователю достаточно задать имя файла УП и указать файл постпроцессора. Полученную УП пользователь передает на станок для проведения измерений. В процессе ее отработки щуп производит касание в заданных точках, координаты X, Y, Z точек касания записываются в файл результатов. По записям в данном файле сложно сделать какие-либо практические выводы для деталей сложной формы, поэтому данные замеров возвращаются обратно в PowerINSPECT OMV, где программа производит обработку и выдает отчет в удобном для пользователя виде. PowerINSPECT OMV предоставляет пользователю большой выбор опций для настройки и вывода полученных результатов в нужном формате. Например, для экспресс-анализа можно вывести на экране совместно с номинальными точками математической модели измеренные точки с численным отображением отклонений от первых. Для детального изучения результаты обмера можно представить в виде таблицы-отчета, включив в нее вывод интересующих объектов. Далее отчет можно сохранить или вывести на печать. В рамках предприятия возможна настройка оформления отчета согласно внутренним стандартам.
Опыт применения PowerINSPECT OMV.
В настоящее время компания "Делкам-Урал" имеет более десятка пользователей PowerINSPECT OMV в Уральском регионе. Вот несколько примеров применения измерительных технологий. Экспериментально-производственный комбинат УрФУ (г. Екатеринбург) занимается изготовлением оснастки, такой как пресс-формы и штампы, и других сложных изделий под заказ, используя многоосевое фрезерное оборудование и другие современные станки. При изготовлении пресс-форм важно получить точные размеры и расположение формообразующих и сопрягаемых поверхностей. Одно из таких изделий – пуансон пресс-формы для изготовления ведра. Пуансон и матрица при закрытии пресс-формы сопрягаются по коническим поверхностям, к точности которых (размеры, форма, расположение) предъявляются повышенные требования.
По классической технологии вследствие затруднительности контроля данной поверхности обработку выполняли оставляя припуски, которые удалялись при помощи притирки к ответной детали, при этом контроль осуществлялся по пятну контакта (по краске), щупами и т.д. Теперь для снижения (или даже устранения) трудоемкой ручной доводки при сборке появилась возможность выполнить контроль сопрягаемых поверхностей без снятия детали со станка, сохраняя тем самым установочные базы. В одном случае после обмера пуансона было принято решение дополнительно снять с конической части 0.03 мм, чтобы обеспечить сопряжение с матрицей без дополнительной обработки. Кроме этого, выполняется принцип взаимозаменяемости деталей, что упрощает ремонт изделий в будущем. Конечно, в дальнейшем матрица и пуансон будут измерены на КИМ.
"PowerINSPECT OMV – незаменимый помощник в обработке сложных формообразующих элементов. Теперь мы может находить проблемы непосредственно на станке и оперативно устранять их. Это повышает производительность и сокращает время на станочную или ручную доработку тех ошибок, которые возникали ранее", – говорит Никита Гайсин, начальник производственного участка станков с ЧПУ. Другое крупное предприятие моторостроительной отрасли УМПО (г. Уфа) использует PowerINSPECT OMV для адаптивной обработки лопаток. Особенность заготовки такова, что она не имеет точных установочных баз, а используемое приспособление лишь фиксирует заготовку. Для решения проблемы станок был оснащен тензометрической измерительной головкой OMP400, а в PowerINSPECT OMV был создан проект обмера лопатки с контролем точек с обеих сторон. Используя оптимальное совмещение полученных результатов измерения и CAD-модели лопатки, программа находит матрицу смещения и поворота. Полученные значения матрицы заносятся в подпрограмму на станке. При обработке лопатки подпрограмма поворота вызывается в самом начале и ориентирует заготовку в номинальное положение. В результате удалось избежать изготовления сложного приспособления, дополнительных операций для создания установочных баз, и тем самым значительно снизить материальные затраты.
В условиях серийного производства предприятие УМПО использует программный модуль NC-PartLocator, который автоматически производит измерения, осуществляет пересылку данных между станком и компьютером и формирует подпрограмму ориентации заготовки. Подобного рода автоматизация значительно снижает время на подготовку к обработке, исключает человеческие ошибки.
Тензометрический датчик OMP400
Создание проекта обмера корпусной детали в PowerINSPECT OMV
Измерение корпусной детали на станке с ЧПУ
Создание проекта измерения пуансона пресс-формы в PowerINSPECT OMV
Табличная форма отчета результатов измерений в PowerINSPECT OMV
Матрица смещений и поворотов
Источник информации
Александр Веретнов, Делкам-Урал
Отрасли
