Исследование влияния количества точек измерения на погрешность плоскостности на портальной КИМ

Координатно-измерительная машина (КИМ) – это одно из наиболее эффективных средств измерений, предназначенное для определения разнообразных геометрических характеристик изделия, в том числе отклонения формы и расположения поверхностей деталей различных типов и сложности [1].

В настоящее время КИМ являются неотъемлемой частью современного машиностроительного производства, обеспечивающих требуемый уровень точности измерения деталей и узлов, имеющих сложные криволинейные формы.

Принцип работы такой машины заключается в запоминании координат, как минимум, двух точек (линий, поверхностей) размера, необходимого для нахождения. После чего строится размерная линия (определяется расстояние) между этими точками по одной или нескольким осям системы координат, определяется допустимая погрешность размера (допуск на размер, согласно чертежу) и формируется отчет об измерении КИМ [2]. Само определение координат осуществляется при помощи центра щупа измерительной головки, который с высокой точностью отслеживается цифровыми измерительными системами по трем основным осям X, Y, Z. Хотя наконечник щупа имеет достаточно малую погрешность, после того как щуп установлен на КИМ, необходимо, до того, как начать измерения, определить положение наконечника относительно системы координат машины. Поскольку щуп касается детали наконечником, имеющим округлую форму, центр и радиус щупа определяется путем измерения прецизионной сферы (калибровочной сферы) [3].

Контроль плоскостности с использованием КИМ представляет важную роль в системе качества машиностроительного производства. В основном это связано из-за используемого функционала измеряемых плоскостей, которые участвуют в базировании деталей в сборочных единицах и технологической оснастке. Даже не значительные отклонения плоскостности могут привести к накопительному эффекту погрешностей при дальнейшей обработке изделия и привести её к браку.

Повышение требований к качеству сборки изделий с плоскими сопрягаемыми поверхностями обуславливает необходимость совершенствования контроля размеров и формы этих поверхностей [4].

В настоящее время на предприятиях существует преимущественная проблема при проведении измерения плоскостности, обусловленная неоптимальным планированием времени контроля при обеспечении требуемого уровня точности. Завышенное значение используемых точек приводит к значительному увеличению продолжительности измерений без существенного повышения точности, что в свою очередь может вызвать производственные потери.

Таким образом, существует очевидная потребность в научно обоснованных методиках определения минимально необходимого количества измерительных точек, обеспечивающих требуемую достоверность результатов при контроле плоскости, что позволит найти оптимальный компромисс между точностью и производительностью измерительных процессов.

Для достижения поставленной цели необходимо провести подготовку эксперимента, включающая выбор высокоточного эталонного объекта с известными характеристиками и настройку измерительной системы. Далее разрабатывается и программно реализуется комплекс стратегий измерения, систематически варьирующих плотность точек. Следующим этапом является проведение на портальной КИМ серии повторных измерений для каждой стратегии в строго контролируемых условиях, что позволяет исключить влияние случайных факторов. После сбора данных выполняется статистическая обработка результатов, в рамках которой для каждой стратегии рассчитывается среднее значение погрешности плоскости и оценка его стабильности.

В качестве оборудования для проведения эксперимента был использован КИМ портального типа МСВ 15-25-12, оснащенный поворотной контактной измерительной головкой PH10MQ с датчиком SP25, позволяющий проводить 3D сканирование. В качестве программного обеспечения для проведения замеров был применен МС- ДМИС.

Основные технические характеристики КИМ представлены в таблице 1 [5].

Таблица 1. Технические характеристики КИМ МСВ 15-25-12.

Наименование характеристики Обозначение Диапазон измерений по Х, мм 1500 Диапазон измерений по Y, мм 2500 Диапазон измерений по Z, мм 1200 Пределы допускаемой абсолютной объёмной погрешности, мкм ±2,9+L/300 Пределы допускаемой абсолютной погрешности, мкм ±2,9 Пределы допускаемой абсолютной погрешности сканирования, мкм ±3,5 Время сканирования, с 72 Перед началом измерений, помещение в котором расположен КИМ проходит обязательную проверку на соответствие требуемому температурному режиму, влажности и т.д.

В помещении строго должна поддерживаться температура в 20оС ± 2оС с допустимой скоростью изменения температуры в 1оС /ч., а влажность воздуха должна находиться в диапазоне 40%–70% RH. Достигаются данные условия путем применения кондиционеров, вытяжки и увлажнителя воздуха [6].

Эксперимент проводился в изолированном участке КИМ с поддержанием постоянных параметров окружающей среды, где на момент проведения опыта температура помещения составляла 20,8оС, а относительная влажность воздуха не падала ниже 41,7%, что является допустимыми условиями для проведения измерений на участках КИМ. Все параметры окружающей среды были зарегистрированы выверенным термогигрометром.

Помимо этого, в ходе эксперимента был ис- пользован один из самых распространённых на машиностроительных предприятиях, сферический тач-триггерный щуп диаметром 3 мм, прошедший предварительную калибровку.

Для эксперимента в качестве опытного образца, была использована специальная демографическая деталь от компании Metrolog, которая применяется для выявления корректности измерений различных геометрических элементов. Перед началом замеров деталь была крепка закреплена и предварительно очищена техническим спиртом (рис. 1).

Рисунок 1. Расположение и фиксация детали на КИМ.

Далее была определена контрольная плоскость, относительно которой были проведены измерения и выданы отклонения формы, то есть плоскостность. Для этого был выделен участок площадью 20х20 мм, где номинал поверхности берется с математической модели и с помощью трех точек задается ее фактическое расположение (рис. 2).

Рисунок 2. Определение области измерения плоскости.измерения плоскости.

Построение плоскости по трем точкам дает ее точное аналитическое описание, но при этом отсутствует информация об отклонении точек в рассматриваемой области. Данная модель может служить лишь для определения геометрически точной области измерения, но не позволяет оценить отклонения реальной поверхности от номинальной.

Программное обеспечение КИМ определяет допуск плоскостности для плоскости вычислением расстояния между двумя самыми дальними точками, перпендикулярными плоскости, используя метод наименьших квадратов. Требование плоскостности значимо, если было измерено достаточное множество точек на плоскости и, если эти точки хорошо распределены [7].

Исходя из этого, для выявления зависимости точности оценки плоскости от количества точек был применен метод последовательного наращивания измерительной сети в ходе чего равномер- но увеличивалось число строк и количество точек в каждой строке, соблюдая прямую зависимость для более равномерного покрытия площади измерения. Эталонным значением погрешности формы (истинным значением) было принято измерение с 400 отснятыми точками, которое показало отклонение в 2 мкм. (рис. 3).

Из полученных в ходе измерений данных была составлена следующая диаграмма, где горизонтальная ось это число точек, использовавшихся при измерении, а вертикальная ось это получившееся значения погрешности формы в мм. (рис.

4).

Рисунок 4. Зависимость точности измерения плоскости от числа точек.

Анализ представленной диаграммы позволяет утверждать, что граничным значением числа точек при достижении которого результаты погрешности формы стабилизируются и выводятся без существенных изменений, является 36 штук. На основании этого, для обеспечения достоверного результата при контроле геометрии плоскости площадью 400 мм 2 является необходимым и достаточным выполнение измерений с 36 точками. Также исходя из полученных данных можно вывести правило, что одна измерительная точка условно характеризует отклонение участка площадью 11,1 мм 2. Для удобства практического планирования измерений можно рекомендовать плотность, близкую к одной точке на 10 мм 2.