Обобщенная структура иис

Рассмотренные выше измерительные информационные системы пока­зывают, что почти для каждого типа ИИС используется цепочка из аппарат­ных модулей (измерительных, управляющих, интерфейсных, обрабатываю­щих). Таким образом, обобщенная структурная схема ИИС содержит:

• множество различных первичных измерительных преобразователей, размещенных в определенных точках пространства стационарно или перемещающихся в пространстве по определенному закону;

• множество измерительных преобразователей, которое может состо­ять из преобразователей аналоговых сигналов, коммутаторов аналоговых сигналов, аналоговых вычислительных устройств, аналоговых устройств памяти, устройств сравнения аналоговых сигналов, аналоговых каналов связи, аналоговых показывающих и регистрирующих измерительных приборов;

• группу аналого-цифровых преобразователей, а также аналоговых устройств допускового контроля;

• множество цифровых устройств, содержащее формирователи им­пульсов, преобразователи кодов, коммутаторы, специализированные цифровые вычислительные устройства, устройство памяти, устройство сравнения кодов, каналы цифровой связи, универсальные программируе­мые вычислительные устройства - микропроцессоры, микроЭВМ и др.;

• группу цифровых устройств вывода, отображения и регистрации, которая содержит формирователи кодоимпульсных сигналов, печатающие устройства, накопите­ли информации, дисплеи, сигнализаторы, цифровые индикаторы;

• множество цифроаналоговых преобразователей;

• указанные функциональные блоки соединяются между собой через стандартные интерфейсы или устанавливаются жесткие связи;

• интерфейсные устройства (ИФУ), содержащие системы шин, интер­фейсные узлы и интерфейсные устройства аналоговых блоков, служа­щие главным образом для приема командных сигналов и передачи ин­формации о состоянии блоков. Например, через интерфейсные устрой­ства могут передаваться команды на изменение режима работы, на под­ключение заданной цепи с помощью коммутатора;

• устройство управления, формирующее командную информацию, принимающее информацию от функциональных блоков и подающее ко­манды на исполнительные устройства для формирования воздействия на объект исследования (ОИ).

Однако не для всякой ИИС требуется присутствие всех блоков. Для каждой конкретной системы количество блоков, состав функций и связи между блоками устанавливаются услови­ями проектирования.

Рисунок 2 - Информационно-измерительная система

Тема 2.2. Измерения с помощью контрольно-измерительной машины

Системы поддержания работоспособности гибких производственных систем.

С развитием станочных систем (ГПС, РТК, автоматических линий) выросли требования к их надежной работе, в первую очередь к увеличению степени автоматизации (работе без учас­тия человека), повышению качества продукции, резкому сниже­нию численности обслуживающего персонала.

Опыт эксплуатации ГПС за последнее десятилетие показывает, что одних конструктивных мер по совершенствованию оборудования для выполнения названных требований недоста­точно. Наряду с этими мероприятиями необходимо создавать многообразные системы контроля и диагностики. Уже сейчас видна их высокая эффективность. Например, контроль положения палет на многоцелевом станке или ГПМ часто позволяет повысить точность обработки в большей степени, чем резкое ужесточение точности изготовления самих палет. При этом капитальные затраты на создание системы измерений намного ниже, чем на совершенствование производства палет и их эксплуатацию.

Эффективность ГПС, РТК, автоматических линий зависит от их использования в трехсменном режиме работы, причем вторая и третья смены должны работать с минимальным участием обслуживающего персонала. При этом контроль за работой оборудования и принятие решения по ликвидации отказа в автоматическом режиме во многих случаях могут выполнять средства технической диагностики.

Особенность машиностроения — в необходимости автомати­зировать не только контроль и диагностику отказов и наруше­ний разного рода, но провести работы по восстановлению в авто­матическом режиме без привлечения персонала.

Основу ГПС составляют гибкие производственные модули (ГПМ), включающие одну единицу технологического оборудо­вания (например, металлорежущий станок) и вспомогательное оборудование, необходимое для автоматической работы модуля без участия станочника в течение некоторого времени, по край­ней мере в течение нескольких часов. К вспомогательному обо­рудованию относятся накопители для хранения запаса загото­вок и готовых деталей, устройства автоматической загрузки — выгрузки, устройство для автоматической смены инструмента и т.д. Кроме того, в состав ГПМ входит система управления, кото­рая должна включать средства контроля и диагностики. Эти средства давно известны и широко применяются в машинострое­нии, на транспорте, в авиации и других отраслях промышленнос­ти. С помощью средств технического контроля проверяются количественные и качественные характеристики выпускаемой продукции и соответствие ее техническим условиям (требова­ниям) , а с помощью средств технической диагностики оценива­ется состояние машин, самолетов, двигателей и других объектов с целью определения их работоспособности, а при отказах — мес­та и причины отказов.

В мелкосерийном и серийном производстве для проверки соответствия чертежу размеров и формы изготовленных деталей служат различные средства размерного контроля. В большинстве случаев они не автоматизированы и проверка осуществляется вручную специальными контролерами, для чего детали транспор­тируются к контрольным постам, где ожидают проверки и последующей транспортировки для продолжения обработки (или сборки). Операции контроля ведутся асинхронно, т.е. они не связаны с ритмом изготовления деталей и оторваны от этого процесса во времени. При таком контроле нельзя своевре­менно устранять источники погрешностей, вовремя менять затупившийся инструмент, изменять режимы резания и т.д. В результате от момента обнаружения брака до принятия необ­ходимых мер может быть изготовлено некоторое количество бракованных деталей. К тому же из-за высокой трудоемкости контрольных операций, отсутствия специальных приспособлений и других технических трудностей ряд размеров и отклонений от заданной формы сложных или крупногабаритных деталей вооб­ще не проверяется, что создает трудности при сборке, увеличи­вает объем подгоночных работ или ведет к полному браку изделия.

Кроме размерного контроля в машиностроении используются и другие виды контроля, например контроль твердости, контроль качества поверхности и т.д., базирующиеся на приме­нении ручных средств.

Задачи контроля и диагностики получили первоочередное значение по мере внедрения гибких производственных систем (ГПС) и гибких производственных модулей (ГПМ).

Гибкий производственный модуль должен обеспечивать заданную точность, работать с повышенной производительностью, длительное время без отказов, без перерыва (по 20—22 ч/сут), без обслуживающего персонала (в так называемом "безлюд­ном" режиме), например, в третью, ночную смену.

Модуль должен обладать высокой гибкостью, т.е. эффектив­но работать при обработке малых партий деталей, в условиях частых переходов с обработки одной детали на другую. Высокая гибкость возможна лишь в условиях автоматической перена­ладки, для чего модуль оснащается рядом специальных средств.

Продолжительность переналадки оборудования может быть сокращена при использовании средств контроля и диагностики, осуществляющих автоматическую размерную привязку инстру­мента на станке. Дело в том, что для каждой новой детали ис­пользуется новый комплект инструмента, предварительно наст­роенного на размер вручную вне станка в специальных приспо­соблениях. Однако практика показывает, что даже после самой тщательной настройки оператор производит проверку ее на станке (с помощью пробных проходов или других методов), поэтому автоматизация этой проверки исключает участие опе­ратора в переналадке станка (то же имеет место при замене из­ношенного или поломанного инструмента в ходе автоматической подпитки инструментального магазина) .

Еще больше требований к оснащению модуля средствами контроля и диагностики предъявляется в связи с необходимос­тью работы оборудования в "безлюдном" режиме.

Рассмотрим роль оператора, обслуживающего обычный станок с ЧПУ, т.е. станок, работающий автоматически по задан­ной программе.

Прежде всего оператор визуально и на слух непрерывно сле­дит за работой всех механизмов и процессом резания. При ма­лейших неполадках оператор оценивает ситуацию, распознает причину нарушения, принимает решения, направленные на недопущение аварий и поломок и продолжение нормальной работы.

Структура системы управления

Рассмотрим структуру системы управления обычным стан­ком с ЧПУ (рис. 1, а). Такая система использует два источника информации — управляющую программу, составленную заранее, и информацию, которая поступает от датчиков обратной связи, измеряющих параметры движения (скорость, координаты) рабочих органов станка и его вспомогательных механизмов (или устройств автоматизации). Всю прочую информацию, необходимую для контроля рабочего процесса и качества обработанных деталей, собирает оператор с помощью

Рис. 4 - Структура системы управления:

а — для автономного станка с ЧПУ, б–для станка в составе ГПМ

визуального наблюдения и некоторых универсальных измерительных прибо­ров (например, микрометра для проверки размеров, вольт­метра для проверки нагрузки привода главного движения и т.п.).

Решения, которые принимает оператор на основе своих на­блюдений, вводятся им в систему управления в качестве допол­нительных воздействий, корректирующих управляющую про­грамму (например, коррекция частоты вращения шпинделя или подачи, коррекция размера инструмента и т.п.). В дру­гих случаях оператор прерывает обработку и производит ряд ручных операций (проверка и замена инструмента, измерение детали и т.д.), после чего снова включает автоматический режим работы оборудования.

Сбои и отказы в работе станка и других механизмов также фиксируются оператором.

Такая система управления с обратной связью, которая за­мыкается через оператора-наблюдателя, в теории автомати­ческого управления называется системой управления с наблюда­телем.

На рис. 4, б показана структура системы управления модулем с включением средств контроля и диагностики. Эти средства, предназначенные для замены оператора-наблюдателя, объеди­нены в новую систему, которая включает измерительные уст­ройства (с датчиками для определения величины контролируе­мых параметров, характеризующих рабочий процесс, качество выходного продукта и т.д.) , устройство сбора и первоначаль­ной обработки информации, поступающей от измерительных уст­ройств, устройства принятия и реализации решений.

ГОСТ 16504—81 определяет задачи технического контроля как проверку соответствия контролируемого объекта установленным техническим требованиям; при этом информация о фактическом состоянии объекта называется первичной; обна­ружение несоответствия (расхождения) между фактическими и требуемыми данными называется получением вторичной ин­формации. В ГОСТе указано, что принятие решений по выра­ботке необходимых управляющих воздействий на основе вто­ричной информации уже не является частью контроля.

В свою очередь, согласно ГОСТ 20911—75 техническое диагностирование является процессом определения техническо­го состояния объекта диагностирования с заданной точностью, причем результатом технического диагностирования является заключение о техническом состоянии (работоспособности) объекта с указанием при необходимости места, вида и причины дефекта.

Под работоспособностью понимается такое состояние объек­та, при котором значения всех параметров, характеризующих его способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям установленной нормативно-технической докумен­тации.

Совокупность всех средств и устройств, встроенных в ГПМ для выполнения контроля и диагностики, назовем системой под­держания работоспособности (системой ПРС). Эта система яв­ляется такой же составной частью ГПМ, как УЧПУ, приводы подач, программируемый контроллер и др. Такая система долж­на выполнять функции технического контроля и функции тех­нического диагностирования и, кроме того, принимать и испол­нять решения, обеспечивающие — по мере возможности — под­держание работоспособности модуля в ходе его эксплуатации без участия обслуживающего персонала.

Система поддержания работоспособности состоит из отдель­ных подсистем, которые могут работать как совместно, так и автономно, в зависимости от конструктивных решений. К та­ким подсистемам относятся, например, подсистемы контроля состояния инструмента, размерного контроля (РК), адаптив­ного управления (рис.5).

Рис. 5 - Состав системы поддержания работоспособности ГПМ

Комплекс функций, решаемых системой ПРС и ее подсистемами, будем далее называть функциями контроля

Виды и задачи оперативного контроля

Комплекс функций системы поддержания работоспособнос­ти, выполняемых в процессе автоматической работы ГПМ, далее будем называть функциями оперативного (функциональ­ного) контроля.

Автоматический цикл работы ГПМ включает три этапа, вы­полняемых обычно по одной управляющей программе:

подготовительный, начинающийся с момента автоматиче­ской доставки новой заготовки к станку (с помощью робота, робокары и т.п.) и заканчивающийся переходом к собственно обработке детали;

обработка детали;

заключительный этап, заканчивающийся снятием детали со станка (со стола, из патрона и т.п.) .

Оперативный контроль (рис. 3) действует на всех трех этапах и подразделяется на следующие виды:

входной контроль заготовок, инструмента и различных

Рис. 6 - Задачи оперативного контроля

программ, поступающих на станок для обработки каждой кон­кретной детали;

функциональный контроль, т.е. контроль процесса резания,

состояния станка и инструментов, участвующих в автомати­ческом цикле изготовления детали, контроль промежуточных результатов обработки; выходной контроль готовой детали.

Входной контроль производится на подготовительном эта­пе. Назначение входного контроля — проверить готовность станка, системы управления и инструмента к обработке заго­товки, которая доставлена к станку транспортным устройством с автоматического склада. При этом возможны разнообразные ошибки: заготовка не соответствует детали, которая должна согласно плановому заданию обрабатываться в данный момент; размеры заготовки не соответствуют установленным допускам; в памяти системы управления нет управляющей программы для обработки этой заготовки; заготовка неправильно установлена в приспособлении или само приспособление плохо выставлено и его положение отличается от принятого при разработке управля­ющей программы и т.д. Любая из этих ошибок может привести к аварии станка, к порче заготовки или к получению бракованной детали.

Автоматический входной контроль на станке сокращает количество отказов и сбоев в работе станка, предотвращает аварии, способствует получению деталей с заданной степенью точности.

Ниже приведен перечень задач, которые могут решаться в ходе автоматизированного входного контроля на станке сред­ствами, входящими в состав различных подсистем системы, поддержания работоспособности:

1) идентификация заготовок, т.е. автоматическое определе­ние кода (номера, типоразмера и т.п.) заготовки с использова­нием результатов для вызова необходимых программ настрой­ки станка и обработки детали и для проверки соответствия поступившей заготовки плановому заданию;

2) измерение заготовки, т.е. определение ее габаритов, припуска и т.п., для коррекции в случае необходимости управ­ляющей программы (например, определение числа черновых проходов в зависимости от величины припуска);

3) проверка твердости заготовок, особенно таких, которые получены литьем или ковкой (штамповкой) для коррекции режимов резания, в частности для первого чернового прохода;

4) проверка наличия нужного инструмента и достаточности ресурса его стойкости во избежание остановок оборудования из-за его износа в ходе автоматического цикла обработки;

5) размерная привязка нового инструмента к системе от­счета станка;

6) проверка соответствия размещения инструмента в мага­зине (револьверной головке) управляющей программе и виду

технологических операций;

7) проверка наличия необходимых программ (по установ­ленному коду детали) и проверка правильности хранения или передачи (ввода) необходимых программ;

8) проверка базировки заготовки и в случае необходимости ее коррекция;

9) проверка надежности зажима заготовки.

Задачи 1, 2, 5, 8 решаются с помощью подсистемы размер­ного контроля, задача 4 — подсистем размерного контроля и контроля состояния инструмента, задача 6 решается в устрой­стве ЧПУ и в устройстве сбора и обработки информации, входя­щем в состав системы ПРС. Задачи 3 и 9 могут решаться под­системами размерного контроля и контроля состояния механиз­мов станка.

Активные средства контроля

Общие сведения

К размерному контролю относят совокупность операций контроля, базирующихся на измерении геометрических разме­ров. Размерный контроль проводится не только после оконча­ния обработки деталей, с целью выявления брака, но и в процес­се обработки и перед ней, что дает возможность внести коррек­цию в процесс обработки и, следовательно, достигнуть требуе­мого качества деталей.

Требования к размерному контролю зависят от особеннос­тей ГПС. Так, уровень автоматизации производства и организа­ция обслуживания определяют и уровень автоматизации размер­ного контроля. Рассмотрим это на примере контроля припусков, который включает измерение заготовки, расчет фактического припуска, определение числа и траектории дополнительных про­ходов.

Измерение и расчет припуска должны проводиться для каж­дой заготовки. Так как при коротком цикле обработки заготов­ки для проведения ручных операций нужно постоянное присут­ствие оператора у станка, необходимость автоматизации контро­ля в этом случае очевидна. Когда продолжительность обработ­ки велика, а процедура измерений несложная, то автоматизация измерений может быть не обязательно. Если же ставится задача работы оборудования в "безлюдном" режиме, все этапы измере­ний и расчетов должны осуществляться в автоматическом цикле без участия оператора.

В настоящее время на станках с ЧПУ для измерения разме­ров деталей применяют универсальный мерильный инструмент: нутромеры, микрометры, индикаторы, калибры. Для контроля, проводимого вне станка на специальных контрольных постах (станциях), дополнительно используют специальные оправки, рейсмусы, иногда инструментальные микроскопы. Работа с таким мерительным инструментом требует большого внимания со стороны контролеров. Так как комплексную проверку дета­лей можно проводить только при наличии большой номенкла­туры мерительных инструментов и это требует как специальных навыков, так и кропотливых расчетов, то на практике многие размеры часто не контролируются и проверяются лишь выбо­рочные детали.

Задачи размерного контроля в ГПС можно классифициро­вать по ряду признаков: цели измерения, виду объектов измере­ния, средствам измерения. Назначение размерного контроля зависит от конструктивных особенностей деталей и станков, технологических процессов и других факторов. Так, задачей контроля обработанной детали может быть предупреждение подачи на сборку бракованных деталей или своевременная подналадка режущего инструмента. Обе задачи можно реализо­вать совместно, так как они основываются на измерении одних и тех же размеров.

Для достижения одной и той же цели могут проводиться из­мерения различных объектов: деталей, заготовок, инструментов, приспособлений, палет, эталонных поверхностей. Подналадка токарных резцов в одних случаях ведется по данным измерения положения режущей кромки резца, в других — по результатам измерения диаметров одного или нескольких обработанных валов.

Эффективная эксплуатация ГПС, особенно в "безлюдном" и даже "малолюдном" режиме, невозможна без оснащения ГПС средствами автоматического (или хотя бы автоматизированно­го) размерного контроля. К таким средствам относятся инди­каторы контакта на станке и координатно-измерительные маши­ны (КИМ) вне станка (специальные контрольные приспособле­ния, используемые в массовом и крупносерийном производстве, здесь не рассматриваются).

Размерный контроль вне станка

Для размерного контроля вне станка обычно имеется конт­рольный пост в составе ГПС; в отдельных случаях он может находиться вне ГПС с целью создания условий, необходимых для проведения прецизионных измерений (постоянство темпе­ратуры, определенная влажность и т.п.). Такие посты оснаща­ются координатно-измерительными машинами.

Измерительные головки. Измерительные головки бывают двух типов.

Первый тип измерительной головки имеет прецизионный контактный механизм, включенный в электрическую цепь. Отклонение щупа при касании измеряемой поверхности вызыва­ет отклонение подвижной части механизма и разрыв контакта, при этом на выходе головки формируется сигнал касания. В момент поступления сигнала в систему управления координаты касания считываются с датчиков положения по осям и вводятся в память системы, одновременно прекращается движение рабо­чих органов.

Рисунок 10. Измерительная головка

Измерительная головка второго типа значительно сложнее, ее можно сравнить с КИМ малых размеров. Перемещения под­вижной части механизма измерительной головки вместе со щупом регистрируются по трем взаимно перпендикулярным направлениям посредством трех линейных измерительных сис­тем, расположенных в ее корпусе. Способ фиксации координат касания определяется режимом работы КИМ.

На рис. 9 показано, как осуществляется измерение с ис­пользованием измерительной головки второго типа в статиче­ском и динамическом режимах.

При измерении в статическом режиме (рис. 9, а) подвиж­ная часть измерительной головки предварительно выводится из положения равновесия (для этого предусмотрена специальная система).

После касания щупа с деталью измерительная головка начинает смещаться к положению равновесия, при этом из­меняется сигнал с измерительной головки, поступающий в систему управления. Данный сигнал используется для управ­ления перемещающимся узлом КИМ так, чтобы его останов произошел одновременно с выходом измерительной головки в нулевую точку — положение равновесия. Координата поверх­ности фиксируется по измерительной системе КИМ (X = 100 на рис.9, а). За счет высокой стабильности выхода измерительной голов­ки [±(0,1—0,2) мкм] точность измерения значительно выше, чем при использовании головок первого типа. Время измерения также возрастает из-за необходимости гашения переходного процесса в измерительной головке и одновременно точного оста­нова узла КИМ.

Щупы. Для контроля детали используется, как правило, несколько щупов. На рис. 11 изображена корпусная деталь.

Рис. 11. Измерение корпусной дета­ли на КИМ:

А, В, С — контролируемые плос­кости

Рис. 12. Измерение отверстий крестообразным щупом:

1, 2, 3, 4 — точки касания, 1'—2'— 3'—4' — траектория холостых пере­мещений

Рис. 13. Щуп для измерения малых отверстий

и измерительная головка с набором щупов, позволяющим измерить положение пяти плоскостей (I—V) и двух сквоз­ных отверстий без переориентации углового положения головки относительно измеряемого объекта. Для определения положения плоскости А (по точкам 1, 2, 3) и диаметра отверстий 4 в стенке А используют щуп I, ось которого перпендикулярна . плоскости А и параллельна оси отверстия 5. Аналогичный конт­роль плоскости В и плоскостей, противоположных А и В, ведет­ся щупами II, III и IV. Эти же щупы позволяют измерить диа­метры отверстий в соответствующих стенках. Щуп V необходим для измерения положения точек (5, 6, 7, 8, 9) на плоскости С.

Подсистема размерного контроля

Возможны два варианта подсистемы размерного контроля; вне станка и на станке.

Подсистема размерного контроля вне станка входит в сис­тему поддержки работоспособности, если средства размерного контроля включены в общую систему управления таким обра­зом, что результаты измерений не только обрабатываются в реальном масштабе времени, но и служат основой для автома­тического принятия решений, которые передаются в системы управления станками (модулями) для немедленного исполне­ния. В противном случае разрыв во времени между проведением измерений и реализацией решений может быть настолько велик, что автоматическая ликвидация последствий сбоев и отказов окажется невозможной и потребуется вмешательство операто­ров, например, для подстройки станков после получения бра­кованных деталей.

На рис. 20 показан вариант структуры подсистемы размер­ного контроля вне станка, согласно которой результаты измере­ний передаются в центральную ЭВМ, откуда, в свою очередь, при­нятые решения (или готовые программы) передаются в системы управления станками, где и исполняются. Основным узлом подобной подсистемы является координатно-измерительная машина (КИМ).

Основу подсистемы размерного контроля на станке (рис. 34) составляет индикатор контакта. Ее отличие от под­системы с КИМ состоит в том, что в ней для проведения измере­ний и обработки их результатов используется УЧПУ, которым оснащен станок, в то время как координатно-измерительная машина имеет свою собственную систему управления.

Рис. 20. Структура под­системы размерного конт­роля вне станка

Рис. 21. Структура подсистемы размерного контро­ля на станке с индикато­ром контакта

Комплект из индикатора контакта, станка с его механиз­мами и УЧПУ в момент измерений является как бы аналогом координатно-измерительной машины с невысокой точностью измерений.

Конструкция. Типы компоновок КИМ.

Координатно-измерительные машины. В основу работы координатно-измеритепьных машин (КИМ) положен расчет контролируемых геометрических параметров поверхностей по результатам измерения положения отдельных точек на этих поверхностях. Для отсчета положений отдельных точек исполь­зуется координатная система, относительно которой положение измеряемого объекта фиксировано.

Рисунок 7 - Портальная КИМ

Координатно-измерительная машина типичной компоновки показана на рис. 8. Объект измерения располагают в рабочем пространстве машины, т.е. в области, доступной движению измерительной головки.

Рис. 8. Координатно-измерительная машина:

1 — стол, 2 — пиноль, 3 — измерительная бабка, 4 — портал, 5 — из­мерительная головка.

Рис. 9. Использование измеритель­ной головки второго типа:

а–в статическом режиме, б–в динамическом режиме, в — вид выход­ного сигнала измерительной головки второго типа

Система трех пар направляющих с взаим­но перпендикулярными осями обеспечивает возможность пере­мещения головки относительно измеряемого объекта и подход к нему в произвольном направлении. Измерительная головка оснащена щупами; при касании щупа с поверхностью измеряе­мого объекта фиксируются три координаты точки касания. Уп­равление перемещениями измерительной головки и обработка результатов измерения осуществляются системой управления, построенной на базе ЭВМ. Для отсчета координат используются датчики положения всех подвижных узлов, входящие в систему управления.

Координатные измерения — измерения геометрических параметров объектов (деталей) путем измерения координат отдельных точек поверхностей объекта в принятой системе координат (прямоугольной декартовой, цилиндрической или сферической) к последующей математической обработки измеренных координат для определения линейных и угловых размеров, отклонений формы и расположения. Координатная измерительная машина (КИМ) — средство измерения, предназначенное для проведения координатных измерений в общем случае не менее, чем по трем линейным или угловым координатам (координатным перемещениям), причем, по меньшей мере, одна из координат должна быть линейной. Примечание. Для решения ограниченного круга задач измерения в плоскости могут применяться двухкоординатные измерительные машины с декартовой или полярной системой координат. Геометрия детали — совокупность поверхностей (элементов), ограничивающих деталь и характеризующихся размерами, формой и расположением. Заменяющая геометрия детали — геометрия детали, образованная заменяющими поверхностями (элементами). Заменяющий элемент — поверхность или линия номинальной формы, аппроксимирующая реальную поверхность или реальную линию и рассчитанная по координатам точек измерения в соответствии с принятым условием аппроксимации (выравнивания). Математическое базирование — процедура, заключающаяся в расчете расположения системы координат детали (СКД) по предварительно измеренным в системе координат машины (СКМ) точкам базовых элементов детали к последующей трансформации координат точек других элементов детали из СИМ в СКД. Номинальная геометрия детали — геометрия детали, заданная чертежом или другими техническими документами, т.е. образованная поверхностями (элементами), имеющими номинальные размеры, номинальную форму и номинальное расположение. Реальная геометрия детали — геометрия детали, образованная реальными поверхностями (элементами). Система координат детали (СКД) — система координат, образуемая базами детали. В тех случаях, когда размеры и расположение отдельных элементов деталей заданы относительно разных баз, для одной детали может быть несколько систем координат детали. Система координат машины (СКМ) — система координат, образуемая направляющими координатных перемещений и измерительными системами КИМ. Стратегия измерения — число, расположение и последовательность обхода точек измерения при координатных измерениях детали. Измерительные головки касания (ИГК) (иногда называются измерительные головки нулевые (ИГН), другие названия: триггерные, сигнальные, переключающие, индикаторы контакта). В этих головках измерительное усилие, возникающее при контакте наконечника с измеряемой поверхностью, или небольшое перемещение наконечника вызывает изменение состояния чувствительного элемента и дискретное изменение электрического сигнала, формирующего командный сигнал на считывание координат и управление движением подвижных узлов КИМ. Измерительные головки отклонения (ИГО), другое название сканирующие головки. Позволяют измерить перемещение наконечника относительно корпуса головки благодаря встроенным измерительным чувствительным элементам (датчикам малых перемещений). В зависимости от возможных направлений смещения наконечника ИГО можно разделить на осевые и векторные. В осевых головках перемещение наконечника возможно только по одному направлению (по фиксированной оси или дуге окружности). Векторные головки допускают любое перемещение наконечника в плоскости или пространстве, являясь соответственно двух - или трехкоординатными.

Измерительные головки

На КИМ используют контактные и бесконтактные измерительные головки. Контактные головки бывают 2-х типов: нулевая головка, другие названия: триггерная головка, резисторная, индикатор контакта и т.д.; сканирующая головка (головка отклонений). Пример контактной измерительной головки Рисунок 31. Контактная измерительная головка Виды щупов Рисунок 32. Виды щупов Рисунок 33. Магазин для автоматической смены головок и щупов Рисунок 35. Бесконтактные измерительные головки Виды головок: лазерная (триггерная) для одноточечных измерений; лазерная (объемная) для измерения поля точек; система технического зрения. Рисунок 36. Принцип работы КИМ с триггерной головкой 1 — деталь; 2 — стол; 3 — измерительная головка; 4 — электромеханический привод: 4а — пара винт-гайка, 4б — электродвигатель; 5 — триггерная измерительная головка. Рисунок 37. Схема триггерной головки 1 — измерительный наконечник; 2 — электроизолирующий диск; 3 — пружина для создания измерительного усилия; 4 — металлические стержни; 5 — металлические шарики. В спокойном состоянии электрическая цепь замкнута, при любом отклонении, в любом направлении происходит разрыв цепи. Точность срабатывания датчиков ±1 мкм. При касании измеряемой поверхности, измерительный наконечник 1 отклоняется, происходит разрыв электрической цепи внутри датчика, специальные микросхемы формируют кратковременный импульсный сигнал, который передается в управляющий вычислительный комплекс. По этому сигналу запоминаются текущие координаты в системе координат КИМ. Триггерные лазерные головки используются для измерения отдельных точек. Рисунок 40. Триггерные лазерные головки Выверяется исходная точка измерения, посылается лазерный сигнал, анализируется интенсивность отраженного сигнала, при оптимальном фокусном расстоянии интенсивность отраженного сигнала максимальна. Если интенсивность меньше максимального значения, датчик перемещается на заданное дискретное расстояние от поверхности или к ней до тех пор, пока интенсивность отраженного сигнала не станет максимальной. Кроме того, существуют головки для объемного сканирования, системы технического зрения (на КИМ устанавливается цифровая видеокамера, изображение поступает в компьютер и анализируется), системы телевизионного зрения.

	Допуски формы и расположения поверхностей регламентируются следующими стандартами: ГОСТ 24642-81. Допуски формы и расположения поверхностей. Основные термины и определения. ГОСТ 24643-81. Числовые значения отклонений формы и взаимного положения. ГОСТ 25069-81. Неуказанные допуски формы и расположения поверхностей. ГОСТ 2.308-79*. Указание на чертежах допусков формы и расположения поверхностей.
	Влияние отклонений формы и расположения поверхностей на качество изделий
	Точность геометрических параметров деталей характеризуется не только точностью размеров ее элементов, но и точностью формы и взаимного расположения поверхностей. Отклонения формы и расположения поверхностей возникают в процессе обработки деталей из-за неточности и деформации станка, инструмента и приспособления; деформации обрабатываемого изделия; неравномерности припуска на обработку; неоднородности материала заготовки и т.п. В подвижных соединениях эти отклонения приводят к уменьшению износостойкости деталей вследствие повышенного удельного давления на выступах неровностей, к нарушению плавности хода, шуму и т.д. В неподвижных соединениях отклонения формы и расположения поверхностей вызывают неравномерность натяга, вследствие чего снижаются прочность соединения, герметичность и точность центрирования. В сборках эти погрешности приводят к погрешностям базирования деталей друг относительно друга, деформациям, неравномерным зазорам, что вызывает нарушения нормальной работы отдельных узлов и механизма в целом; например, подшипники качения весьма чувствительны к отклонениям формы и взаимного расположения посадочных поверхностей. Отклонения формы и расположения поверхностей снижают технологические показатели изделий. Так, они существенно влияют на точность и трудоемкость сборки и повышают объем пригоночных операций, снижают точность измерения размеров, влияют на точность базирования детали при изготовлении и контроле.
	Геометрические параметры деталей. Основные понятия
	Рисунок 28 Геометрические параметры детали
	При анализе точности геометрических параметров деталей оперируют следующими понятиями. Номинальная поверхность — идеальная поверхность, размеры и форма которой соответствуют заданным номинальным размерам и номинальной форме. Реальная поверхность — поверхность, ограничивающая деталь и отделяющая ее от окружающей среды. Профиль — линия пересечения поверхности с плоскостью или с заданной поверхностью (существуют понятия реального и номинального профилей, аналогичные понятиям номинальной и реальной поверхностей). Нормируемый участок L — участок поверхности или линии, к которому относится допуск формы, допуск расположения или соответствующее отклонение. Если нормируемый участок не задан, то допуск или отклонение относится ко всей рассматриваемой поверхности или длине рассматриваемого элемента. Если расположение нормируемого участка не задано, то он может занимать любое расположение в пределах всего элемента. Прилегающая поверхность — поверхность, имеющая форму номинальной поверхности, соприкасающаяся с реальной поверхностью и расположенная вне материала детали так, чтобы отклонение от нее наиболее удаленной точки реальной поверхности в пределах нормируемого участка имело минимальной значение. Прилегающая поверхность применяется в качестве базовой при определении отклонений формы и расположения. Вместо прилегающего элемента для оценки отклонений формы или расположения допускается использовать в качестве базового элемента средний элемент, имеющий номинальную форму и проведенный методом наименьших квадратов по отношению к реальному. База — элемент детали или сочетание элементов, по отношению к которым задается допуск расположения рассматриваемого элемента, а также определяются соответствующие отклонения.
	Отклонения и допуски формы
	Отклонением формы EF называется отклонение формы реального элемента от номинальной формы, оцениваемое наибольшим расстоянием от точек реального элемента по нормали к прилегающему элементу. Неровности, относящиеся к шероховатости поверхности, в отклонения формы не включаются. При измерении формы влияние шероховатости, как правило, устраняется за счет применения достаточно большого радиуса измерительного наконечника. Допуском формы TF называется наибольшее допускаемое значение отклонения формы. Таблица 4  Виды допусков формы, их обозначение и изображение на чертежах Вид допуска и его обозначение по ГОСТ 24642-81 Изображение на чертеже Допуск цилиндричности TFZ     Допуск круглости TFK     Допуск профиля продольного сечения цилиндрической поверхности TFP     Допуск плоскостности TFE     Допуск прямолинейности TFL     Выбор допусков зависит от конструктивных и технологических требований и, кроме того, связан с допуском размера. Поле допуска размера для сопрягаемых поверхностей ограничивает также и любые отклонения формы на длине соединения. Ни одно из отклонений формы не может превысить допуска размера. Допуски формы назначают только в тех случаях, когда они должны быть меньше допуска размера.
	Отклонения и допуски расположения поверхностей
	Отклонением расположения EP называется отклонение реального расположения рассматриваемого элемента от его номинального расположения. Под номинальным понимается расположение, определяемое номинальными линейными и угловыми размерами. Для оценки точности расположения поверхностей, как правило, назначают базы. База — элемент детали (или выполняющее ту же функцию сочетание элементов), по отношению к которому задается допуск расположения рассматриваемого элемента, а также определяется соответствующее отклонение. Допуском расположения называется предел, ограничивающий допускаемое значение отклонения расположения поверхностей. Поле допуска расположения TP — область в пространстве или заданной плоскости, внутри которой должен находиться прилегающий элемент или ось, центр, плоскость симметрии в пределах нормируемого участка, ширина или диаметр которой определяется значением допуска, а расположение относительно баз — номинальным расположением рассматриваемого элемента.   Таблица 6 Виды допусков, ограничивающих отклонения расположения между цилиндрическими и плоскими поверхностями, их обозначение и изображение на чертежах Плоскость Цилиндр Вид допусков расположения, ГОСТ 24642-81 Изобра- жение Приме- чание Вид допусков расположения, ГОСТ 24642-81 Изобра- жение Приме- чание  П  л о с к о с т ь Параллельности TPA     Перпендикулярности TPR     Наклона TPN     Симметричности TPS     T, T/2 Ц и л и н д р Параллельности TPA     Параллельности осей TPAx     Перпендикулярности TPR     Перекоса осей TPAy     Наклона TPN     Перпендикулярности TPR     Симметричности TPS     T, T/2 Наклона TPN     Позиционный TPP     Ø, R Соосности TPC     Ø, R Позиционный TPP     Ø, R Пересечения TPX     T, T/2 Оценка величины отклонения расположения производится по расположению прилегающей поверхности, проведенной к реальной поверхности; таким образом исключаются из рассмотрения отклонения формы.
	Суммарные допуски и отклонения формы и расположения поверхностей
	Суммарным отклонением формы и расположения EC называется отклонение, являющееся результатом совместного проявления отклонения формы и отклонения расположения рассматриваемой поверхности или рассматриваемого профиля относительно баз. Поле суммарного допуска формы и расположения TC — это область в пространстве или на заданной поверхности, внутри которой должны находиться все точки реальной поверхности или реального профиля в пределах нормируемого участка. Это поле имеет заданное номинальное положение относительно баз.   Виды суммарных допусков, их обозначение и изображение на чертежах Вид допуска и его обозначение по ГОСТ 24642-81 Изображение на чертеже Допуск торцового биения TCA     Допуск полного торцового биения TCTA     Допуск радиального биения TCR     Допуск полного радиального биения TCTR     Допуск биения в заданном направлении TCD     Допуск формы заданного профиля TCL     Допуск формы заданной поверхности TCE
	Указание на чертежах допусков формы и расположения поверхностей. ГОСТ 2.308-79
	Примеры указаний на чертежах приведены в таблице 7. Таблица 1 Указание на чертеже Пояснения     1 - знак допуска; 2 - числовая величина допуска, мм; 3 - буквенное обозначение базы; 4 - знак базы для контроля     Допуск цилиндричности поверхности 0,02 мм; Допуск прямолинейности образующих поверхности Ø80 h7 - 0,01 мм (обозначение допусков формы в стороне от размерной линии)     Допуск прямолинейности оси поверхности Ø80h7 - 0,01 мм (обозначение допусков формы является продолжением размерной линии)     Допуски радиального биения поверхности Ø80h7 и торцового биения относительно общей оси поверхностей А и Б 0,03 мм (контроль в призмах от баз А и Б, призмы ножевые)     Допуски радиального биения поверхности Ø80h7 и торцового биения относительно оси центров А 0,03 мм (контроль в центрах - база А)     Допуски радиального биения поверхности Ø85h7 относительно оси поверхности Ø72H7 - 0,03 мм (контроль на оправке Ø72H7)     Позиционный допуск осей отверстий Ø8,5 в диаметральном выражении 0,5 мм (допуск зависимый). База - поверхность А, зависимый допуск связан с действительными размерами поверхности А     Допуск параллельности верхней плоскости относительно поверхности А - 0,01 мм на длине 100 мм     Допуск круглости и допуск профиля продольного сечения поверхности А 0,004 мм     Допуск симметричности оси шпоночного паза относительно оси поверхности Ø40k6 в диаметральном выражении - 0,04 мм
	Методика координатных измерений.
	Для измерения в системе координат необходимо обеспечить взаимосвязь системы координат и меры измерения. Рисунок 41. Система координат Измерения можно производить в разных системах координат: Декартова (x,y,z); Сферическая (2 угла и радиус-вектор до точки); Цилиндрическая (пример использования на токарном станке). Рисунок 42. Сферическая система координат Рисунок 43. Двухкоординатные измерения Перемещая оптическую ось по контуру детали можно считывать координаты, и в качестве размера принимать разницу между координатами точек на поверхности. Измерение диаметра окружности таким методом. Рисунок 44. Измерение диаметра окружности Из точки 4 движение в точку 5 и в точку 6. Недостаток этого метода в том, что окружность может быть не идеальной формы. Это упрощенный координатный метод.
	Методика координатных измерений
	Системы координат КИМ В среднем машиностроении в основном применяют КИМ портальной компоновки. Система координат (СК) КИМ образуется узлами координатных перемещений и измерительными преобразователями КИМ. Рисунок 47. Портальная КИМ Рисунок 48. Начало координат Измерительные преобразователи у КИМ портальной компоновки — это три взаимно перпендикулярных линейных датчика перемещений (фотоэлектрические датчики). На каждом датчике присутствует так называемая нулевая метка. При каждом новом включении КИМ или сбое в программном обеспечении оператор производит вывод исполнительных органов в “ноль” машины вручную или автоматически, исполнительные органы перемещаются в направлении нулевой метки по каждой координате. При достижении соответствующей нулевой метки происходит обнуление соответствующей координаты КИМ. Этим достигается единство системы координат машины (СКМ) для различных условий измерения. Пользоваться СКМ в процессе измерения очень неудобно, поэтому для программирования перемещений и обработки результатов используют дополнительные СК. Системы координат машины относительные (СКО). Обычно привязываются к центру калибрующей сферы (центр — это начало СК, оси которой параллельны осям СКМ). Рисунок 49. Привязка измерительного щупа Диаметр калибрующей сферы изготавливается по 5 квалитету точности (сферы бывают металлическими или керамическими), поэтому считается, что сфера имеет идеальные размеры и форму. Относительно калибрующей сферы производится привязка всех используемых в процессе измерения измерительных головок и наконечников (смена может быть вручную или автоматически), при каждой новой установке в ручном режиме рекомендуется осуществлять привязку наконечника на калибрующей сфере. При автоматической смене наконечников и измерительных головок точность установки более высокая, поэтому осуществляется первичная привязка и периодическая по нормативным документам. Рисунок 50. Установка наконечника относительно точки А Процесс калибровки — это последовательное измерение координат точек сферы по нормали с разных направлений, чем больше направлений, тем выше точность калибровки. Должно быть минимум 5 направлений для обычного сферического датчика. Но обычно измеряют больше точек. Рисунок 51. Процесс калибровки щупа Радиус реальной сферы калибратора считается постоянным. В результате мы можем определить погрешность сферы измерительного наконечника. При контакте определяются текущие радиусы ρi по разным направлениям. Рисунок 52. Заменяющая сфера измерительного наконечника Таким образом, получается, что радиус наконечника — это функция от угла нормали ρi = ƒ(α, β). И в дальнейших расчетах используют таблицу корректоров. Таблица корректоров погрешностей измерения определяется для каждого щупа, для каждой измерительной головки и для каждого положения измерительной головки. Для измерения детали необходимо определить главную систему координат детали СКД и способ математического базирования, выбрать позиции измерительной головки (в том случае, если она поворотная), необходимые для математического базирования детали в системе координат КИМ и измерения заданных поверхностей детали. Выбрать тип измерительного наконечника, зарисовать схемы расположения дополнительных СКД, для измерения заданных геометрических параметров.
	Программирование измерений и расчетов размеров, отклонений формы и расположения поверхностей
	Программирование измерений типовых поверхностей деталей (геометрических элементов) Выделяются геометрические элементы детали, которые необходимо проконтролировать контактным или бесконтактным методом. Они определяются по чертежу или по карте контроля. Это могут быть только реальные элементы (плоскости, цилиндры, окружности, отдельные точки, конусы, сферы, торы и т.д.), из которых состоит деталь. Далее составляется схема расположения и обозначения геометрических элементов на детали, которые необходимо проконтролировать. Определяется число точек измерения для каждого элемента детали. Число точек зависит от вида элемента, отклонений его формы и задач измерения. Грубые поверхности (12, 14 квалитет) определяются по минимальному числу точек (см. таблицу). Если погрешность формы превышает 10% от допуска на размер, и точность размера высока, то количество точек увеличивается. Определив число точек для каждого элемента, можно приступать к разработке стратегии измерения каждого геометрического элемента. При небольшом количестве точек рекомендуется поточечное измерение. Точки на измеряемой поверхности должны быть расположены равномерно. Для плоскости на возможно большем расстоянии друг от друга. Для цилиндра в двух плоскостях, перпендикулярных оси. Для сферы — в плоскости экватора и на полюсах. Для конуса — в трех плоскостях, перпендикулярных оси. Рисунок 60. Выбор стратегии измерения Рисунок 61. Цилиндр Если число точек большое, то лучше использовать сканирующую головку. Рисунок 62. Сканирующая головка При сканировании щуп ИГ вводится в контакт с измеряемой поверхностью в начальной точке цикла измерения, движется по заданной траектории, продолжая оставаться в контакте до конечной точки. Траектория зависит от вида поверхности, требуемого числа точек и от наличия запретных зон. Для цилиндра и конуса траектория — спираль. Для плоскости — кривая. После измерения реальных геометрических элементов необходимо произвести первичную обработку результатов контроля. По измеренным координатам необходимо произвести расчет заменяющего геометрического элемента. Если измерение происходило по минимальному числу точек, то вариант заменяющего геометрического элемента только один. В случае если число точек измерения больше минимально необходимого для заданного геометрического элемента, то заменяющий элемент рассчитывают исходя из какого-либо условия аппроксимации. Заменяющий элемент имеет номинальную форму (если измеряется цилиндр, то это цилиндр), но размер и расположение этого элемента рассчитываются по реальным точкам, в зависимости от заданных условий аппроксимации.