11 - 2003

Передовые технологии в области геометрических измерений

Владимир Челноков

В условиях современного рынка, жесткой конкуренции и постоянного совершенствования технологий на предприятиях различных областей промышленности, таких как автомобильная, авиационная, нефте- и газодобывающая и т.п., остро встает проблема быстрого и всестороннего контроля деталей, оснастки, заготовок, а также получения прототипов будущих изделий. Большинство предприятий России, действуя по старинке, используют в качестве средств контроля различные шаблоны, щупы и контрольные приспособления, которые зачастую не позволяют провести измерения в локальных зонах, указанных по требованию конструкторов, технологов и контролеров ОТК. Для изготовления подобной оснастки требуются значительные финансовые и временные затраты, а кроме того, необходимы большие площади для ее хранения. Бывает, что предприятие использует в своем производстве передовые CAD/CAM/CAE-технологии, но контроль изделий при этом проводится штангенциркулями, в результате чего цепочка автоматизации подготовки производства оказывается незамкнутой.

На предприятиях, где применяются стационарные контрольно-измерительные машины (КИМ), невозможно произвести измерения трудно передвигаемых и крупногабаритных объектов, сделать замеры в ходе технологического процесса. В связи с этим получить желаемый экономический эффект от столь дорогих измерительных приспособлений в ряде случаев весьма затруднительно. Следует отметить, что по технологии производства не всегда необходима такая большая точность, какую обеспечивают портальные машины. Поэтому многие предприятия стали проявлять большой интерес к новым современным мобильным измерительным машинам, отвечающим таким требованиям, как:

• низкая стоимость (в несколько раз ниже, чем у стационарных КИМ);

• большая точность измерений;

• универсальность;

• высокая мобильность;

• возможность автономной работы в условиях реального производства, непосредственно в цехе;

• простота обучения персонала и эксплуатации КИМ и ее программного обеспечения;

• взаимосвязь с современными CAD/CAM-системами.

Мобильные КИМ фирмы FARO Technologies, Inc. (США) хорошо известны и используются на различных предприятиях как за рубежом, так и в России. Отличительными особенностями данных машин являются:

• высокая надежность;

• более высокая точность измерения (повторяемость до ±0,006 мм);

• соответствие сертификату ISO 9001;

• соответствие сертификату ISO/IEC/EN 17025;

• наличие температурной компенсации;

• совместимость со щупами типа Renishaw, применяемыми для измерения хрупких и нежестких изделий;

• долговечная конструкция из алюминия и углепластика;

• удобный дизайн.

КИМ FARO состоит из опорной плиты, которая крепится к любому подходящему месту, и нескольких соединенных между собой шарнирами колен. Конструкция очень похожа на строение человеческой руки: КИМ FARO имеет своего рода кистевой, локтевой и плечевой суставы. В каждом шарнире есть датчик контроля угловых перемещений, который в режиме реального времени следит за углом поворота колена, в результате чего программное обеспечение просчитывает координаты откалиброванного щупа — своеобразного пальца. В зависимости от числа колен имеются машины с шестью или семью степенями свободы. Обычно при работе вполне достаточно шести степеней свободы, но для ряда задач, например для сканирования, рекомендуется применять КИМ с семью степенями, так как это оказывается более удобным. Рабочей зоной КИМ является сфера с диаметрами 1,2; 1,8; 2,4; 3,0 или 3,7 м, причем щуп может легко попасть практически в любую точку внутри этой сферы. Самая точная КИМ FARO Platinum 4 имеет повторяемость ±0,006 мм и точность ±0,018 мм на рабочей зоне 1,2 м.

FARO не имеет привода и является КИМ типа манипулятора, поэтому все перемещения колен и фиксация точки замера производятся оператором вручную. Измерение осуществляется в комплексе с персональным компьютером, а для повышения мобильности лучше использовать ноутбук.

Процесс измерения с помощью КИМ FARO происходит следующим образом. Прибор устанавливают вблизи измеряемого объекта, подключают компьютер и с помощью программного обеспечения калибруют щуп, которым будут производиться измерения. После этого прибор готов к работе. На эту процедуру уходит от 5 до 10 мин. Далее необходимо задать систему координат («привязаться к детали»), относительно которой будут производиться измерения. Чаще всего пользуются принципом сохранения баз: определяют систему координат относительно базовых элементов детали для того, чтобы минимизировать погрешности. Иными словами, можно привязаться по плоскостям, отверстиям, цилиндрическим поверхностям и т.д. Для случаев, когда на изделии нет явных геометрических баз, предусмотрен метод так называемой итеративной привязки, когда на CAD-модели выбирается несколько точек в разных плоскостях. После этого оператор с помощью КИМ FARO замеряет эти точки на контролируемой детали. Далее программное обеспечение методом последовательных приближений производит совмещение выбранных и измеренных точек. После привязки начинается непосредственно процесс измерения изделия. Контроль производится контактным способом, то есть для снятия какой-либо точки необходимо зафиксировать щуп на изделии и нажать кнопку на руке FARO. В процессе работы на экран монитора выводится местоположение щупа в реальный момент времени, расположение измеряемых точек и величина их отклонения. Все построения производятся по правилам геометрии: скажем, для того, чтобы проконтролировать окружность, нужно замерить минимум три точки, линию — две точки, плоскость — три и т.д. Измеряя объект, мы можем получить все данные о нем, а именно: отклонение от номинальной величины, координаты относительно базы, положение относительно других объектов изделия, отклонение от плоскостности, цилиндричности, соосности и т.д. Иначе говоря, все те размеры, которые есть на чертеже и для контроля которых чаще всего используют большое разнообразие мерительных инструментов, можно с легкостью контролировать одним прибором и, что немаловажно, получать в результате отчет в графическом виде.

Стоит также отметить возможность контроля сложных поверхностей, например формообразующих поверхностей штампа, правильность изготовления которых практически невозможно проверить ни одним прибором, кроме КИМ. Для контроля подобных изделий необходимо использовать CAD-модель, причем она может быть транслирована из любой CAD-системы.

Очень часто КИМ FARO используют для сканирования опытных образцов изделия. Данные о них можно получить в виде точек, линии, сплайнов, полилинии, окружностей, плоскостей и т.д., по которым в дальнейшем строится CAD-модель.

Крепление КИМ FARO вблизи измеряемого объекта можно производить несколькими способами под любым углом от 0 до 180°. Во-первых, с помощью струбцин, например на столе; во-вторых, посредством магнитных и быстросъемных соединительных креплений; в-третьих, используя складные треноги; в-четвертых, с помощью стоек на роликах с убирающимися колесами, которые могут применяться для любой руки FARO и имеют регулировку по высоте в зависимости от модели.

Существует несколько видов программного обеспечения для КИМ FARO в зависимости от потребностей того или иного производства. Программное обеспечение выполнено так, чтобы отвечать всем требованиям на каждом этапе процесса, начиная с проектирования и заканчивая измерением и контролем.

Стандартное программное обеспечение CAM2 Measure поможет измерить, отсканировать, проанализировать и получить отчет в графическом виде о трехмерных данных детали или сборки. Существует специализированное программное обеспечение для различных производств. Например, CAM2 Automotive разработано с учетом специфических потребностей автомобильной промышленности. КИМ FARO также способно работать с программным обеспечением других фирм, таким как Prelude Inspection, PC-DMIS, PowerINSPEСT, HOLOS и др.

Конструкция FARO и программное обеспечение CAM2 предусматривает использование КИМ одним оператором.

Удобный дизайн, возможность температурной компенсации результатов измерений, виброустойчивость, невосприимчивость к ударам, а также наличие перезаряжаемого бесперебойного источника питания от FARO Powerhouse (работает до 8 ч без подзарядки) способствуют успешному использованию FARO в жестких цеховых условиях производства.

Масса манипуляторов FARO в зависимости от исполнения колеблется от 5 до 10 кг; упаковка представляет собой удобный кейс, что позволяет перевозить КИМ вручную без использования какого-либо дополнительного оборудования.

Проблему ограниченности радиуса действия КИМ FARO при анализе крупногабаритных деталей, например кузова автомобиля в сборе, штампа или сварочного кондуктора, можно решить несколькими способами:

• использовать измерительную руку с максимальным радиусом действия;

• применить направляющие прецизионные рельсы, которые имеют длину от 2 до 3 м;

• использовать так называемые leapfrog, с помощью которых можно измерять объекты неограниченного размера. Первоначально машина привязывается к одной части измеряемого изделия (по базам или итеративно). Для того чтобы передвинуть КИМ и продолжить измерение в ранее недоступной зоне, замеряются и сохраняются несколько точек (три и более). Далее, после «прыжка», машина привязывается к этим точкам, тем самым совмещая систему координат с предыдущей, и измерения продолжаются. Таких «прыжков» может быть неограниченное количество, причем по всем координатам. Это позволяет проникать в самые труднодоступные места и производить измерения такой сложности, которые реализовать другими методами крайне трудоемко либо вообще невозможно;

• использовать для измерения в труднодоступных местах большой набор щупов — как точечных, так и шариковых, различной длины и формы оправки.

Следует отметить, что компания FARO Technologies, Inc. специально для измерения линейных размеров крупногабаритных изделий (от 0 до 30 м), например в авиационной промышленности и судостроении, выпустила новый прибор LaserTracker. Данный прибор имеет высокую точность измерения (угловая точность треккера 0,018 мм + 0,003 мм на каждый метр до объекта, точность интерферометра 0,001 мм + 0,0008 мм на каждый метр до объекта) при скорости снятия данных до 1000 точек в секунду.

Принцип работы Laser Tracker заключается в отражении лазерного луча от небольшого призменного отражателя. Первоначально отражатель устанавливается на приборе для захвата луча лазера, затем оператор перемещает отражатель на измеряемый объект, при этом Laser Tracker автоматически следит за целью. При необходимости оператор производит фиксацию текущих координат измеряемого объекта с помощью дистанционного пульта управления или голосом. Специальные датчики постоянно следят за состоянием окружающей среды и вносят коррективы в результат измерения. Немаловажно, что Laser Tracker работает с тем же программным обеспечением и выполняет все те же операции, что и руки FARO. Следовательно, идеальной схемой является применение обоих приборов, когда крупногабаритные размеры контролируются с помощью Laser Tracker, а локальные — с помощью рук.

Для увеличения точности измерения, а также для упрощения процесса сканирования и обратного инжиниринга рекомендуется совместно с руками FARO использовать бесконтактные лазерные сенсоры фирмы Kreon Technologies (Франция), дающие точность до 0,025 мм. В настоящее время разработано три типоразмера сенсоров для решения различных производственных задач. Комплексное использование данного оборудования существенно упрощает процесс измерения. Например, на сканирование турбинной лопатки с помощью КИМ FARO уйдет около 3-4 ч, а применение FARO совместно с сенсором Kreon позволяет сократить время снятия данных до 20-30 мин, при этом увеличивается точность и устраняется возможность повреждения детали во время измерения.

Принцип работы лазерной головки следующий: она крепится вместо контактного щупа и подключается к КИМ мобильного или стационарного типа либо к станку с числовым программным управлением (ЧПУ). Лазерный луч, отражаясь от измеряемой поверхности, фиксируется оптической камерой. Далее с помощью программного обеспечения по полученному «облаку» точек строится 3D-поверхность.

С помощью лазерных головок фирмы Kreon можно с большой эффективностью производить целый ряд работ, таких как инспекция, обратный инжиниринг, быстрое создание прототипов и пр.

Лазерный сенсор Kreon можно использовать совместно с мобильными или стационарными КИМ различных фирм-производителей, таких как FARO, Brown&Sharpe, Garda, Zett Mess, ROMER CIM CORE, Zeiss, Mora, DEA, а также со станками с ЧПУ фирм Fidia, Fanuc, ANILAN, NUM, Heidenhain, Dynapath, Fagor и многих других.

Таким образом, использование КИМ FARO и лазерных сенсоров для бесконтактного съема информации Kreon позволяет значительно сократить сроки, необходимые для проектирования новых и модернизации серийно выпускаемых изделий, достичь высокой точности проведения контрольно-измерительных работ, а также значительно сократить время и снизить затраты на проектирование и изготовление контрольных приспособлений.

Опыт эксплуатации данного оборудования показывает высокую эффективность его применения в следующих областях:

• проведение контрольно-измерительных работ;

• проведение пусконаладочных работ;

• обратный инжиниринг;

• дизайн;

• мультипликация.

Инжиниринговая компания «ТЕСИС» является давним партнером фирмы FARO Technologies и занимается широким спектром работ и услуг в области контроля и измерения геометрических параметров машиностроительной продукции:

• подбором контрольно-измерительного оборудования в зависимости от производственных задач заказчика;

• поставкой оборудования под ключ (координатно-измерительные машины, контактные щупы, бесконтактные лазерные сканеры, запасные части и аксессуары, программное обеспечение, вычислительная техника);

• запуском оборудования в эксплуатацию на территории заказчика;

• обучением персонала;

• гарантийным и послегарантийным обслуживанием;

• решением нестандартных задач.

«САПР и графика» 11'2003