POLITEHNIČKI FAKULTET U ZENICI

Katedra za industrijski inžinjering i CIM tehnologije

Predmet : MJERENJA I KVALITET

Tipovi i karakteristike CMM

Kandidat :

Behadil Mujezinovć

Rezime :

Sa porastom složenosti oblika proizvoda, geometrija proizvoda postaje sve komplikovanija za mjerenje i kontrolu. Zbog toga je potrebno primjenjivati u kontroli i mjerenju takva mjerna sredstva koja su precizna, brzo izvršavaju veliki broj operacija mjerenja, a pri tom je njihova primjena ekonomski opravdana. Koordinatne mjerne mašine su takva mjerna sredstva koja su izuzetno fleksibilna i efikasna u kontroli geometrijskih karakteristika radnog komada. Karakteristike na kojima se bazira postupak za koordinatnu metrologiju su idealizirana geometrija radnog komada sa svim osobinama koje taj komad posjeduje.

Uvod :

CMM (Coordinate Measuring Machines). U principu, svaka koordinatna mjerna mašina je mjerno sredstvo koje mjeri sve tri dimenzije radnog komada. U kombinaciji sa odgovarajućim softverom, pomoću koordinatnih mjernih mašina mogu se dobiti različite informacije o proizvodu kao što su geometijske karakteristike prizmatičnih, rotaciono-simetričnih i rotaciono nesimetričnih radnih komada. Koordinatne mjerne mašine su osnovni predstavnik koordinatnih mjernih sredstava koja se koriste za mjerenje (opisivanje) 3D radnog komada. Koordinatna mjerna mašina često nije dovoljna za mjerenje nekih objekata ili radnih komada zbog velikog broja tačaka koje u kratkom vremenskom periodu treba da obradi. Zato se koriste i drugi principi koordinatne metrologije. Najpoznatija su dva: - Trokutni mjerni sistem - Fotogrametrijski mjerni sistem.

Koordinatne mjerne mašine su moćni mjerni sistemi. Danas se mnogo koriste u proizvodnim pogonima velikih, ali i malih proizvodnih preduzeća. Mjerno sredstvo pomoću koga se vrši mjerenje koordinata u prostoru na površinama radnog komada zove se koordinatna mjerna mašina (CMM). Pomoću nje je moguće simultano mjerenje koordinata traka istovremeno u sva tri pravca. Koordinatna mjerna mašina koristi Kartezijev koordinatni sistem.Uobičajena konstrukcija mašine sastoji se od tri međusobno okomite vođice-ose označene sa x, y, z. Ose z i y zovu se ram.

Dijelovi koordinatne mjerne mašine

Tipovi i karatkeristike koordinatnih mašina

Sve koordinatene mjerne mašine mogu se podijeliti na :- mašine kojima se ručno radi kako sa osama tako i na komadima,- mašine sa motorizovanim pogonom osa-vođica, a ručnommanipulacijom sa komadima,- mašine sa motorizovanim pogonom osa i računarski kontrolisanimoperacijama (CNC mod).

Postoje i druge kombinacije ali se sve može svesti na ove tri osnovne.Svaka konstrukcija koordinatne mjerne mašine sastoji se od mehaničkih sklopova, pogona, sistema za mjerenje dužina i sistema proba, kontrolne i izvršne konzole i računara sa perifernim sredstvima za izlaz rezultata mjerenja. Zavisno od tipa mašine postoje druga dodatna sredstva kao štosu mobilni ili rotirajući stolovi, mehanizmi proba, temperaturni senzori mehanizmi pričvršćenje.

Univerzalni tipovi koordinatnih mjernih mašina su: - stubni tip, - konzolni tip, -portalni tip, - mostni tip.

Pokretni tip Konzolni tip

Mostni tip Robotska CMM

Specijalna namjenska CMM Horizontalni tip

Stubni tip

Namijenjen je za mjerenje radnih komada dimenzija koje ne prelaze 0,25 m3. Tačnost stubnih koordinatnih mašina je visoka, jer se kroz krutost i podešavanje osa može postići mala mjerna nesigurnost od 1μm. Područje primjene je u provjeri kontrolnih alata i prizmatičnih komada i komada oblika vratila. Horizontalni tip

Ovaj tip CMM je najčešće korištena mašina. Danas se proizvodi u različitim varijantama i konstruktivnim rješenjima. Dimenzije mašina se kreću kod nekih tipova od onih sobne veličine do ručnog mjernog sredstva.Primjenjuje se za kontrolu poluzavršenih radnih komada i proizvoda od lima kao i provjeru ulaznih sklopova za vozila, vazduhoplovstvo i konstrukcije zafabrička postrojenja.

Portalni tip

Jedan od češće korištenih tipova koji pokriva najveći broj dimenzionalnorazličitih komada koji se mjere u proizvodnoj metrologiji. Tipični predstavnikove grupe mašina ima mogućnost da mjeri zapreminu od 1 do 2 m3.Karakteristika ovog tipa je i velika krutost konstrukcije.Postoje dvije varijante:- nosač probe je mobilan sklop, a radni komad je fiksiran na mjernojploči,- mjerna ploča je mobilna a radni komad se za nju fiksira, dok je nosačnepokretan i vezan sa osnovnom strukturom koordinatne mjernemašine.Područje primjene mjernih mašina portalnog tipa je za mjerenje radnihkomada i malih i srednjih sklopova mašina i sredstava u konstrukciji vozila.

Konstrukcija sa pokretnim mostom

Namijenjena je za mjerenje velikih objekata. Koordinatna mjerna mašina može mjeriti u prostoru objekte dimenzija 16x6x4 m3. Namijenjena je prije svega za mjerenje dugih vozila i objekata kao što su veliki alati za oblikovanje, avionske konstrukcije i komponente turbo mašina.I pored razlika u konstrukciji sve koordinatne mjerne mašine su općeupotrebe. Svaka konstrukcija nosi fiksni i mobilni mehanički dio. Sredstvokoje se koristi kao osnova-baza za mjerenje mora imati značajnu krutost,osjetljivost na vibracije i mogućnost da ih minimizira što se postiževibraciono izolacionim ležajevima.Za dijelove koordinatne mjerne mašine koristi se tvrdi kamen-granit, čelik iličelični liv. Sto mašine je napravljen od granita. Granit je tvrđi, jeftiniji i lakši,a ima i niži temperaturni koeficijent širenja u odnosu na čelik, pa su manjepromjene dužina.

Zbog slabe provodljivosti adaptivnost sklopa CMM na promjenetemperature je dobra tako da nema ni deformacija koje su posljedicatempereture. Da bi se izbjegli uticaji kratkotrajnog djelovanja temperature na mjerno sredstvo granit se može zamijeniti i aluminijem. Sa promjenom temperature aluminij mijenja svoje dimenzije mnogo više nego kamen, ali zbog velike provodljivosti deformacije su mu vrlo male. Drugi materijali koji se koriste u koordinatnoj metrologiji su keramike jer imaju niži temperaturni koeficijent širenja kao i

kompozitni materijali čija je težina mala, a visoka stabilnost. Sve što koordinatna mjerna mašina ima više komponenti, ona ima i veću mjernu nesigurnost. Svaka komponenta sa sobom nosi i dodatnu mjernu nesigurnost kao što su vođice, ležajevi, pogon mjernogsistema i sistema proba, itd. CMM imaju karakteristike koje zahtijeva trište. Prvo, CMM kupuju mala i srednja preduzeća, ali i velike kompanije. U srednjim preduzećima koja imaju fleksibilnu proizvodnju u razvoju i ispitivanju proizvoda koriste se koordinatne mjerne mašine. One se upotrebljavaju ne samo za kontrolu rezanih nego i drugim tehnologijama izrađenih komada. Treba pomenuti da je sve više plastičnih dijelova i proizvoda od plastike. Mala i srednja preduzeća proizvode komponente kao što su odljevci, alati za injekcionobrizganje, električne komponente, tanki metalni dijelovi, kućista, elektrode i druge proizvode. Koordinatne mjerne mašine mogu se koristiti i u prijemnom odjelu.

Vođice, pogon, ležajevi

Ležajevi koordinatne mjerne mašine

Komponente mehaničke tačnosti mjernih sredstava su ravnost i okomitost vođica kojima se označavaju pravci kretanja mjernog sredstva ili referentnog koordinatnog sistema. Za izradu vođica se koriste granit ili čelik. Zračni ležajevi se koriste kada su vođice izrađene od kamena ili keramike. Vođice od keramike imaju veliku krutost, zadovoljavajuće termičk karakteristike, otpornost na koroziju, visoku otpornost na habanje.Antifrikcijski ležajevi se koriste u slučajevima kada su vođice izrađene od čelika. Zračni ležajevi imaju prednost jer ne dolazi do izražaja stick-slip efekat. Preuzimaju i velika statička i dinamička opterećenja. Antifrikcijski ležajevi mogu nositi velika opterećenja, a da se istovremeno postigne i visoka tačnost mjerenja. Svi tipovi mašina se pokreću pogonima sa električnim servo motorima.Kontrola motora vrši se preko operativnog sistema putem kontrole rada CMM ili kroz kontrolne programe koji se izvršavaju u računaru mjerne mašine. Postoje različiti prenosi od pogona do mobilnog sklopa kao što su zavojnice, zupčanici, frikcioni prenos i sl. Izbor sistema prenosa CMM zavisi od cijene i tehničko-tehnoloških zahtijeva kao što su: krutost,

dinamičko ponašanje, habanje, tolerancije itd.

Sistem za mjerenje dužine

Ose zajedno sa cjelokupnom opremom namijenjenom za mjerenje dužine predstavljaju sisteme za mjerenje dužine. Sistemi za mjerenje dužine obuhvataju nosače sondi i mehanizme koji se postavljaju između mjerenih komada i sistema za dodirivanje tj. sondi. Za mjerenje se koriste različiti mjerni sistemi, a najčešće induktivni, optoelektronički ili laserski . Mjerni sistemi su direktno odgovorni za tačnost CMM. Postavljaju se tako da pokazuju veličinu u većoj rezoluciji nego što je mjerna nesigurnost CMM. Cilj mjernih sistema je minimiziranje odstupanja koja nastaju pri mjerenju. Prema principu Abbe-ovog komparatora tijelo kojim se mjeri mora biti poravnato sa objektom mjerenja ili mora imati što manji razmak. Zbogkonstruktivnih razloga vođice i mjerni sistemi ne mogu se poklopiti ali se mogu postaviti u paralelan položaj i time približiti tehnološkoj tačnosti. Zbog različitih vrsta nesavršenosti vođica, i drugih uticaja mjerena odstupanja se javljaju u obliku 21 komponente: 9 translacija, 9 rotacija, i tri devijacije uglova.

Sistem sondi

ISO standardima koji se odnose na koordinatnu metrologiju definiran je termin koji se koristi za senzor putem kojeg se ostvaruje veza između površine mjerenog komada-objekta i mjernog sistema za dužinu. Koristimo termin proba što znači dio koji dodiruje, opipava radni komad .Probe koje se koriste u koordinatnim mjernim mašinama mogu se podijelitina:- optičke i- mehaničke (taktilne).

Mnogi mjerni sistemi koji se danas koriste rade sa mehaničkim sondama. Savremeni sistemi u koordinatnoj metrologiji rade na optičkim nekontaktnim principima. Kod mehaničkih proba ostvaruje se fizički dodir završetka senzora sa radnim komadom. Senzor može imati različite oblike završetaka proba kao npr: loptasti cilindriči, konični, diskasti, špicasti itd.Mehanički sistem senzora često ima loptasti završetak. Loptasti završetak izrađuje se od rubina, stakla, čelika, ima visoku otpornost na habanje, a njihovi prečnici i prostorni položaj mogu se precizno kalibrirati. Optički senzori i CCD kamere sa koje formiraju sliku objekta se sve više koriste zato što se tako smanjuje vrijeme mjerenja.Mehanički-kontaktni senzori spadaju u prekidno dodirne mjerne sisteme.

Prekidno dodirni mjerni senzori

Princip rada prekidačasa kontaktom

Uobičajeni prekidač ima prednapregnut sistem koji se sastoji od tri dodirne tačke pomoću kojih je pero probe elastično pričvršćeno u pravcu šest prostorno mogućih stepeni slobode. Jedostavna verzija prekidača ima mehanizam koji je konstruiran kao električni kontakt. Odmah nakon što pero dodirne radni komad, električni kontakt se otvori i mjerenje razmakaduž osa x, y, z i b je prepoznato i zabilježeno. Ovakve probe imaju koordinatne mašine sa niskom tačnošću. To je zbog toga što vraćanje pera probe u prvobitni položaj nije ravnomjerno jer su tri tačke raspoređene pod uglom od 120°, pa dolazi do različitih stepeni savijanja pera. Zbog toga se koriste piezoelektrični senzori kao dodatak mehaničko električnim kontaktima. Ovo ne mijenja osjetljivost niti u jednom pravcu rada ali je izloženo manjoj sili pritiska pri kontaktu, a to opet smanjuje grešku. Glavni dio senzora je pero koje može biti dugo i do 200 mm i teško do 200 grama. Pero se može mijenjati. Elektronička analiza piezo signala omogućava povećanu tačnost mjerenja. Podaci se skupljaju ne samo utoku dodira radnog komada i površine nego i neposredno nakon toga. Mjerene vrijenosti se tada ekstrapoliraju i tako uklone uticaji mogućeg savijanja probe ili elastičnosti radnog komada. Mehanički kontakt ima ulogu da potvrdi da je došlo do kontakta probe i radnog komada.

Mehanički kontakt sonde i mjerenog komada i piezo signal

Da bi se mjerenje ubrzalo može se više proba montitati na jedan nosač pa da tako mjere u više pravaca istovremeno. Na sljedećojslici dat je presjek jedne mjerne probe sa ilustracijom kontakta.

Presjek probe i način ostvarivanja kontakta

Različiti završeci proba i probe

Danas sva automobilska industrija koristi prednosti CMM-a:

-Direktno mjerenje i poređenje početnih CAD podataka za linijske i površinske modele ali ne duže od onih datih prototip modelima.- On-line računanje rezultata za statističku analizu i reverse engineering.- Fleksibilnost po pitanju promjena ogleda se u izmjenama programa,-Globalna razmjena podataka i mjernih programa,- Izvršenje svih funkcija sa osobljem u radionici,- Smanjenje troškova sa vremenom korištenja,- Mogućnost dobivanja podataka statističkog karaktera ivisokoinformativnog sadržaja.

Postoje tri vrste elemenata u koordinatnoj metrologiji:- jednodimenzionalni (tačka)- dvodimenzionalni (prava linija ili krug)- trodimenzionalni (ravan, sfera, cilindar, konus).

Literatura :

http://www.am.unze.ba/mik/MJERENJA%20i%20kvalitet.pdf