Трехкоординатные приборы позволяют решить ряд новых задач измерительной техники, которые ранее традиционными методами не решались, или были трудоемкими и тем самым тормозили развитие производственного процесса. Появилась необходимость ввести такие способы контроля, которые будут соответствовать темпам обработки. Станки с ЧПУ позволили значительно повысить производительность обработки, но надежда обойтись без контроля обрабатываемых на них деталей, не оправдалась. Необходимо проверять состояние и наладку станков с ЧПУ, контролируя первую изготовленную деталь. Причем зачастую эти детали сложной геометрической формы с большим количеством размеров.
Принцип работы координатно-измерительных машин (КИМ) основывается на том, что имеется возможность измерить перемещение щупа относительно контролируемых объектов по трем пространственным осям Х, У, Z. Математический отсчет по измеренным точкам ведется в цифровой форме. Так как при замере некоторых линейных и угловых величин ряд размеров может быть получен только путем вычислений, а также для того чтобы получить результат измерений в более удобной форме (в виде протоколов и графиков) в сочетании с КИМ используется ЭВМ. На ЭВМ и периферийные устройства (мониторы, принтеры и другие) перекладываются наиболее трудоемкие операции контроля деталей сложной пространственной формы: вычисление, установка детали и щупов относительно баз, составление протоколов. На КИМ можно измерять в любой из трех систем прямоугольных координат: в машинной, соответствующей осям, по которым перемещается щуп; в нормальной системе, соответствующей осям детали (деталь при установке чаще всего бывает смещена по всем трем осям КИМ); вспомогательная, которая может быть смещена по трем осям от нормальной системы (эта система используется для измерения размеров на наклонных поверхностях детали). Благодаря использованию в КИМ ЭВМ пересчет из одной системы в другую осуществляется автоматически, без участия человека.
Основными конструктивными элементами КИМ являются[1]: механическая часть, которая обеспечивает установку контролируемой детали и ее перемещение относительно системы ощупывания или наоборот, системы ощупывания относительно любой точки неподвижной детали; система ощупывания, фиксирующая координаты, в которых щуп касается точки объекта; измерительная часть, которая измеряет координаты, измеренные при перемещении стола или системы щупов по каждой из осей координатно-измерительной машины; система привода и управления перемещениями подвижных органов КИМ и щуповой системы; система обработки результатов измерений.
Основными характеристиками для механической части КИМ являются габаритные размерами, форма и масса контролируемых деталей и имеющиеся возможности ощупывающей системы. По конструкции измерительная система может быть трех видов: консольная, портальная и мостовая.
Консольная конструкция позволяет производить установку и контроль детали наиболее простым способом, но в тоже время ее жесткость и координатные перемещения становятся меньше.
Портальная конструкция сочетает в себе портал и консоль, благодаря этому обеспечивается более высокая жесткость и большие координатные перемещения. При этом сохраняется удобство загрузки детали, так как во время загрузки портал можно отвести на расстояние от измеряемых деталей.
Мостовая конструкция состоит из консоли, располагающейся между двух передвижных колонн и имеющей наибольшую жесткость и наибольший размер перемещений по осям. Однако присутствие в мостовой конструкции боковых колонн ограничивает доступ к детали и снижает диапазон измерений.
Чтобы выбрать перемещающийся элемент КИМ необходимо оценить геометрические параметры и массу детали. Крупногабаритные, громоздкие и тяжелые детали необходимо устанавливать на массивный неподвижный стол. При измерении легких, маленьких деталей зачастую применяют столы с перемещающимся по одной (Х) или двум (Х и У) координатам. Стол и направляющие изготавливают из серого чугуна, стального литья, а в последнее время из твердых каменных пород, например, таких как гранит.
Система ощупывания определяется и параметрами детали, и процессом измерения. Выбор метода ощупывания (формы контактирующего элемента и принцип действия головки) зависит от множества факторов, связанных с деталью и задачей измерения, и в свою очередь влияет на точность измерения, условия обслуживания КИМ, возможную степень автоматизации и производительность. Применяемые щуповые головки по принципу действия делятся на механические, электроконтактные, индуктивные и др. Механические щупы жестко крепятся к подвижной пиноли и имеют различную форму: конусный наконечник применяют для определения расстояний между отверстиями; сферический – для измерения плоских цилиндрических или выпуклых поверхностей; плоские – для измерения выпуклых поверхностей; дисковые – для измерения глубоких поверхностей или внутренних канавок и т. д. В сочетании с жесткими наконечниками используются различные удлинители и крепежный кубик (сфера) на конце пиноли, обеспечивающий установку щупа в любом направлении. Жесткие щупы применяют при ручном ощупывании и управлении; измерительное усилие и положение контакта зависят от усилия рук. Отсчет производится при стабилизации показания на отсчетном приборе. Электроконтактные щупы основаны на использовании замыкания токовой цепи в момент контакта щупа с деталью. При этом выдается звуковой и световой сигнал на снятие отсчета. Такой щуп малонадежен и не применим при токонепроводящих деталях. Другим вариантом электроконтактного щупа является электроконтактный преобразователь, замыкающий или размыкающий электрические контакты во время касания.
Применение ЭВМ совместно с КИМ дало возможность развитию полной автоматизации процесса измерения, которую тормозит необходимость замены щупов, так как детали имеют сложную геометрическую форму и некоторые точки труднодоступны для измерения одним щупом, поэтому требуется применение различных щупов. Наиболее удобным к применению является набор наконечников из пяти штук, они соединены между собой в одном корпусе. Каждый из наконечников чувствителен к перемещению по трем осям (Х, У и Z), благодаря тому что в конструкции имеется три индуктивных преобразователя. Такая система ощупывания может быть использована как датчик касания – в таком случае измерения перемещения щупа выполняются измерительной частью КИМ, и как индикатор, показывающий отклонение – в этом случае измерения малых перемещений наконечника выполняются системой ощупывания с помощью индуктивного преобразователя, значение которого со знаком плюс или минус суммируются с показаниями измерительной части КИМ, причем данные математические операции производятся до обработки результатов измерений.
Измерительная часть служит для измерения перемещений щупа или стола по трем осям рабочего пространства КИМ. Конструктивно она может быть фотоэлектрической, линейной или круговой индуктивной, лазерной.
Привод и управление КИМ определяют производительность, точность и удобство обслуживания. Ручной подвод пиноли к месту измерения применяется в КИМ с малыми диапазонами измерениями и неавтоматизированных. При этом возрастают погрешности из-за влияния температуры руки оператора и нестабильности измерительного усилия. При моторном приводе применяются два варианта управления – цифровое перфорационное через управляющие блоки и числовое управление через микроЭВМ, служащей для обработки измеренных значений.
Полезный эффект от использования КИМ во многом зависит от способа обработки данных. В случае когда в КИМ не используется ЭВМ, все необходимые расчеты по чертежам и запись результатов должен выполнять сам оператор. Первой предпосылкой для автоматизации измерительной системы стало подключение печатающего устройства, но недостатком этого способа стало то, что размеры деталей на чертеже должны были быть даны исключительно в значениях координат. Второй уровень автоматизации – это применение ЭВМ для вычислений и распечатки протоколов, третья ступень автоматизации – полностью автоматизированные КИМ. В них возможен автоматический ввод программы, автоматическое управление подвижными узлами КИМ, автоматическая обработка данных измерений и оценка результатов. Все эти задачи решаются путем составления программ для ЭВМ в составе КИМ.
Применение координатно-измерительных машин на производстве способствует решению многих метрологических задач, таких как: оперативное измерение геометрических размеров простых и сложных деталей, включая детали, измерение которых может вызвать затруднение и потребовать больших материальных и физических затрат; сокращение времени на наладку станков ЧПУ, изготавливающих проверяемые детали; исключение брака, путем постоянного контроля точности процесса обработки деталей.