Teorie Partea_01+02

Capitolul 6 Controlul cu masini de masurat in coordonate 2.1 Principiul Metrologiei in Coordonate Metrologia în coordonate efectueaza măsurarea elementelor geometrice utilizând un sistem de coordonate. Funcţia de bază a metrologiei în coordonate este aceea de a măsura suprafata reala a pieselor, compararea lor cu forma dorită şi evaluarea informaţiei metrologice cum ar fi mărimea, forma, poziţia sau orientarea.

Fig.2.1 Principiul masurarii in coordonate O caracteristică comună a Maşinilor de Măsurat în Coordonate (MMC) este măsurarea suprafeţei punct cu punct, într-un sistem de coordonate determinat de proiectant şi de echipament. Parametri ce descriu suprafaţa piesei reale într-o formă idealizată sunt calculate din valorile coordonatelor măsurate prin intermediul unui computer. Aceşti parametri pot fi folosiţi pentru a verifica dacă o formă geometrică a piesei fabricate este în acord cu specificaţiile proiectantului. 2.2 Istoria dezvoltarii masinilor de masurat in coordonate Metrologia fabricaţiei în sensul de astăzi a început în jurul anilor 1900 odată cu industrializarea în creştere. Cerinţa pentru produse de înaltă performanţă prin nevoia de piese de înaltă precizie a fost posibilă prin dezvoltarea proceselor tehnologice. În 1959, prima maşină de măsurat ce poate fi încadrată în domeniul maşinilor de măsurat în coordonate a fost introdusă de Ferranti, Marea Britanie. Aceasta era o maşină Fig.2.2 Una din primele MMC manuală echipată cu capete conice pentru măsurarea pe două direcţii, X şi Y. Maşina a fost

125

construită ca un produs asociat maşinilor cu comandănumerică în timp ce maşinile deveneau din ce în ce mai automatizate. În 1962, tot Ferranti a introdus măsurarea pe axa Z Astfel a fost deschisă în lumea industrială o piaţă largă pornind de la acele două maşinişi a dus la dezvoltarea altor tipuri similare de maşini cu capacităţi mai mari şi a fost îmbunătăţită acurateţea şi rezoluţia. În 1962, prima companie ce produce maşini de măsurat în coordonate a fost înfiinţată: DEA SpA în localitatea Turin din Italia. În 1970, DDEA SpA montează un calculator pe o maşină de măsurat în coordonate. În 1972, au fost inventate capetele cu senzor de atingere şi, mai mult, a fost fondată firma Renishaw plc, Marea Britanie care a dezvoltat aceste capete. În 1973, DEA SpA a livrat prima maşină de măsurat în coordonate cu comandă în întregime numerică şi cu schimbare automată a capului. În 1973, Carl Zeiss Inc. Din Germania a lansat prima maşină universală de măsurat în coordonate cu cap de măsură pe trei axe. Cu acest cap a fost făcută posibilă scanarea. Fig.2.3 Zeiss UMM 500 În 1978, Ernst Leitz Wetzlar Ltd. a introdus o maşină cu cap de măsură 3D. În 1985, Carl Zeiss Inc. şi Sheffield Measurement Inc. au introdus maşina de măsurat în coordonate cu corecţia erorii prin software. În 1985, Leitz a introdus prima maşină cu arhitectură deschisă. De atunci, mai multe dezvoltări au dus la îmbunătăţirea funcţionării MMC. A fost mărită considerabil viteza maşinilor şi au fost dezvoltate software-uri pentru modelarea pieselor şi pentru analiză de date şi capabilităţile spaţiului de lucru. Noile MMC sunt îmbunătăţite în ceea ce priveşte acurateţea şi uşurinţa în exploatare. 2.3 Constructia si componentele unei MMC În principiu, o maşină de măsurat în coordonate este un dispozitiv format din trei axe dispuse ortogonal unele faţă de altele. Fiecare axă este echipată cu un sistem de măsură. Aceste trei axe reprezintă sistemul de coordonate 3D. Forma piesei sau a subansamblelor ei sunt determinate punct cu punct într-un sistem de coordonate de referinţă. Valorile coordonatelor unui punct de pe piesă sunt determinate cu ajutorul unui cap de măsură Maşina de măsurat în coordonate (MMC): sistem de măsură cu posibilitatea de a deplasa un cap de măsură şi capabilitatea de a determina coordonatele spaţiale ale suprafeţei piesei de măsurat.[ISO 10360-1:2000] Aceste puncte de pe piesă pot fi determinate printr-o procedură cu contact sau fără contact şi sunt procesate de o unitate de evaluare. Principalele componente ale unei MMC sunt:  baza maşinii  masa de lucru  driverele  sistemele de măsură şi etaloane  Capetele de măsură  unitatea de control şi computerulşi  dispozitive adiţionale cum ar fi mese rotative, sisteme de schimbare a capului de citire şi capete articulate:

126

Traductoare de masurare Unitatea de comanda

Masa

Cap de masurare

Suportul Actionarea Fig.2.4 Componentele unei masini de masurat in coordonate (sursa QFD Erlangen) O maşină de măsurat în coordonate este construită pe o bază rigidă care serveşte ca fundament al dispozitivului. Pe placa de montaj se află montat suportul piesei. De cele mai multe ori, acest suport este materializat de o placă de granit cu posibilităţi de montaj ale piesei. Fiecare axă are un motor pentru mişcarea automată actionat printr-o consolă de operator. Pe fiecare axă există un sistem de măsură pentru detectarea poziţiei axei în timpul scanării. Unitatea de evaluare este utilizată pentru a procesa datele transmise de la sistemele de măsura respectiv coordonatele punctelor atinse pe suprafaţa piesei. Procesul de măsurare este asistat de dispozitive adiţionale cum ar fi mese rotative, sisteme automate de schimbare a capului de măsură sau dispozitive de fixare a pieselor pe masa de lucru. 2.3.1 Batiul si masa Baza maşinii este baza pe care se sprijină masa unde este aşezată piesa şi suportă toate componentele maşinii, fixe sau mobile, ce determină detectarea spaţială a punctelor. Baza maşinii este construită din fontă sau o structură de oţel. În multe cazuri, baza masinii este prevăzută cu elemente de absorbţie a vibraţiilor. Aceste elemente pot fie pasive sau active. Baza masinii trebuie să fie rigidă pentru a asigura o deformare mică chiar şi pentru diferite încărcări ale pieselor sau pentru mişcările componentelor maşinii în sine. Efectul de amortizare al întregii maşini este crucial pentru incertitudini mici. Prin urmare, sunt utilizate sisteme de control tip servo sau tehnici de amortizări active ale vibraţiilor. Un suport în trei puncte este avantajos datorită mărimii dispozitivelor pe care le admite Masa masinii poate fi fixa sau mobila Maşinile care au dispozitive de mişcare a mesei sunt destinate pieselor cu greutate mică şi medie. Piesele mari şi grele necesită maşini ale căror componente se mişcă şi piesa rămâne fixată.În mod normal, masa este construita din fontă, granit sau oţel. De regulă, suportul mesei este prevăzută cu găuri şi filete pentru a fixa ferm piesa. Granitul este cel mai utilizat material pentru suport pentru ca:  materialul nu îmbătrâneşte  procesul de fabricaţie al acestuia este uşor  susceptibilitatea şi coroziunea sunt mici  nu se deformează materialul în caz de avarii 127

densitate mai mică decât a oţelului deformaţii mici la fluctuaţii de temperatură materialul este nemagnetic nu are conductivitate electrică este mai ieftin decât oţelul Un dezavantaj este proprietatea lui de a-şi modifica forma prin absorbţie de apă Din acest motiv, lichidele trebuie ţinute la distanţă de această placă de granit.     

2.3.2 Axele de translatie Fiecare axă a maşinii trebuie să se mişte. Mişcarea axelor unei MMC este realizată prin intermediul unor dispozitive optoelectronice in bucla închisa. Suplimentar pot fi folosite cutii de viteze şi amortizoare pentru vibraţii. Sarcina acestor sisteme este numai aceea de a mişca axele nu şi să dea informaţii asupra poziţiei axelor Componentele în mişcare rotatie sunt sustinute de rulmenţi în ghidajele axelor. Într-un caz ideal, acestea sunt dispuse ortogonal şi definesc sistemul de coordonate al maşinii. Eroarea acestei dispuneri poate avea influenţe asupra rezultatelor măsurătorii. Rectilinitatea şi planeitatea ghidajelor afectează incertitudinea măsurătorii deoarece traiectoria palpatorului va avea abateri ce pot fi amplificate din cauza poziţiei geometrice. 2.3.3 Ghidaje Elementele aflate in miscare de translatie sunt sustinute de sisteme portante care pot afecta mult incertitudinea măsurării şi din acest motiv sunt foarte importante. Ghidajele sistemelor portante pot fi ghidaje cu aer sau ghidaje cu role. Primele sunt construite din din granit sunt usor de construit cu acurateţe şi nu presupun frecare sau uzare. Un mare avantaj al acestor ghidaje este faptul că nu apare efectul de agăţare, iar abaterile mici de planeitate a

Fig.2.5 Ghidaje pneumatice ghidajelor se compensează. Ghidajele cu aer aparţin categoriei ghidajelor de alunecare. Aerul comprimat ce există între componentele în mişcare se comportă ca un lubrifiant. În acelaşi timp se formează o pernă de aer care suportă toată greutatea fără contact. Aerul comprimat trebuie filtrat, iar suprafeţele pe unde circulă aerul trebuie curăţate din când în când. Ghidajele cu role sunt cele mai frecvente şi sunt folosite în combinaţie cu role de oţel. Aceste ghidaje au frecare şi uzură mică însă sunt vulnerabile la murdărie şi coroziune. Fiecare din cele trei axe aliniate ortogonal trebuie să conţină traductoare de mişcare fixate de-a lungul axei. La o MMC sunt utilizate următoarele traductoare de mişcare:  rigle optice,  codificatoare rotative,  senzori inductivi,  scale magnetice  interferometre laser 128

2.3.4 Sistemul de masura Sistemele de măsură ale unei maşini de măsurat în coordonate sunt de regulă incrementale. Din acest motiv, maşina trebuie adusă în poziţia de zero a maşinii care se comportă ca referinţă la iniţializarea maşinii după secvenţa de pornire. In poziţia de bază este montat un microîntrerupător pentru fiecare axă, unde este detectat punctul zero al maşinii. Pentru maşinile cu volum de măsură mic este folosit sistemul de măsură absolut. Sistemele de măsură absolute au avantajul de a nu fi necesară poziţia de bază la iniţializare a maşinii. Valoarea măsurată este imediat disponibilă după pornire. Valoarea măsurată este determinată prin citirea informaţiei de pe scală, fără contorizare. Comparată cu metoda incrementală, nu poate apărea eroare la contorizare, ex: datorită murdăriei. Din acest motiv, măsurătorile absolute sunt cele mai de încredere. Riglele optice sunt utilizate mai des fiind formate dintr-un etalon de măsură şi un dispozitiv de citire. Una dintre aceste componente este montată pe axa purtată şi cealaltă pe partea fixă. Distanţa dintre două puncte pe o axă este determinată prin contorizarea incrementelor citite pe etalonul de măsură în timpul mişcării. Codificatoarele liniare 9riglele optice) funcţionează fără contact mecanic între capul de scanare şi scală. Aceasta elimină orice histerezis sau joc. Etaloanele de măsură pentru codificatoare liniare sunt formate dintrun strat subţire aplicat sub formă de grilaj pe o tijă de sticlă sau oţel. Etaloanele de sticlă sunt folosite pentru măsurări ale lungimilor de până la 3 metri. Lungimi de până la 30 de metri sau mai mult sunt posibile cu scale de oţel. codificatoarele liniare funcţionează pe principiul scanării fotoelectrice a unui grilaj foarte fin. Scanarea fotoelectrică implică o detectare a schimbării intensităţii de lumină printr-un senzor de lumină. Când scală cu grila se deplasează relativ faţă de o altă grilă cu acelaşi model - grila index - liniile şi golurile se suprapun succesiv. Modulaţia dintre contrast închis-deschis produsă este detectată prin celule fotovoltaice.

Fig.2.6 Principiul de functionare a riglelor optice (sursa Heidenheim) Un sistem de măsură ce funcţionează cu lumină transmisă este format dintr-o platformă de scanare şi o scală. Scala este construită din sticlă activă optic ce are imprimate franje închise şi transparente ce alternează. La mişcarea acestei rigle, intensitatea luminii 129

variază, iar distanţa pe care a fost efectuată deplasarea se determină prin contorizarea tranziţiilor închis/deschis. Lungimea unei lini din scala variază de la câţiva microni până la sute de microni. Semnalul de ieşire al riglei de sticlă este interpolat, astfel încât poate fi atinsă o rezoluţie mai mare decât grila în sine. Rezoluţia care se poate atinge este de 0,1µm. Direcţia de mişcare poate fi înregistrată prin folosirea unui al doilea receptor şi o a două grilă rotită la 90º Materialul din care sunt confectionate riglele este la la maşinile moderne Zerodur (material ceramic sticlos) care are un coeficient de dilatare foarte redus (10-6 la un interval între 0º şi 50º). Comportarea termică a codificatoarelor liniare este un criteriu esenţial pentru acurateţea maşinii. Ca o regulă generală, comportamentul termic al unui codificator liniar trebuie să fie acelaşi cu al obiectului sau piesei măsurate. În timpul schimbărilor de temperatură, aceste codificatoare trebuie să se dilate şi contracte în acelaşi mod de fiecare dată. Potrivit legii lui Abbe, sistemele de măsură trebuie să fie aliniate cu elementul ce trebuie măsurat. Acest lucru poate fi atins doar la maşinile care fac măsurări speciale, ex: pentru detectarea lungimii unui bloc de cale în funcţie de arhitectura maşinii. 2.3.5 Capetele de masurare Capetele de măsură sunt constituite dintr-un palpator şi, în anumite cazuri, extensii ale acestuia şi sisteme de schimbare, stilusuri, stilete şi extensii ale stilusurilor.[ISO 10360-1:2000]. La o maşină de măsurat în coordonate, capul de măsură declanşează determinarea punctului măsurat. În momentul declanşării, toate riglele de măsură de pe axe sunt citite. Capul de măsură dă coordonatele punctului atins al obiectului măsurat in sistemul de coordonate al maşinii. Acest lucru este făcut tactil printr-un palpator conectat rigid sau fara contact prin capul de măsură cu întreg ansamblul mobil. Repetabilitatea şi consistenţa sunt condiţii asigurate de fiecare punct atins. 1. Pinola (componenta unei MMC care poartă capul de citire) 2. Extensia palpatorului 3. Sistem de schimbare a palpatorului 4. Senzor: dispozitiv care generează semnalele de-a lungul scanării 5. Sistem de schimbare a stilusului 6. Extensia plapatorului 7. Tija palpatorului Fig.2.7 Capete de masurare 8. Palpator: dispozitiv mecanic format dintr-un vârf şi tijă 9. Vârful palpatorului: element fizic ce face contactul cu piesa. Acest vârf poate fi o bilă, cilindru, disc etc. 10. Diametrul vârfului 11. Cap de măsurare 12. Sistemul palpatoarelor: Pot fi distinse mai multe tipuri de capete de masurare: 130

- capete cu senzor tactil (de atingere) sunt sisteme ce necesită contact fizic cu suprafaţa măsurată pentru a funcţiona. Cind palpatorul atinge piesa, capul de masurare da un semnal care comanda frinarea si oprirea deplasarilor pe cele trei axe si citirea riglelor optice de pe cele trei axe. Capete de masurat tactile sunt articulate în trei puncte. Punctele de contact materializează un contact electric care in momentul atingerii piesei de catre palpator se deschide. Când se utilizează un astfel de cap cel puţin una dintre axe trebuie să fie în mişcare pentru a detecta punctul. Aceste sisteme funcţionează în principiu dinamic, deoarece o axă trebuie să fie

Cap de masurat tactil Cap de masurat prin scanare Fig.2.8 Capete de masurat tactile La capetele de masurat prin scanare palpatorul este articulat prin trei paralelograme arcuite aranjate ortogonal localizate pe fiecare axă. Pentru fiecare paralelogram există un senzor de măsurare (de cele mai multe ori un senzor inductiv de lungime). Deplasarea palpatorului din cauza contactului cu piesa este convertită într-un semnal proporţional cu deplasarea Alinierea ortogonală permite determinarea deplasării dimensionale a capului de măsură. Această deplasare este adunată cu poziţia maşinii pe axe pentru a găsi punctul scanat. La masurarea tactila a unui punct fiecare punct măsurat este atins în mod individual. Există două posibilităţi de achiziţie a punctelor măsurate în funcţie de sistemul de măsură: 131

- Static - Axele se opresc brusc după palpare şi dacă palpatorul este controlat din poziţia mediană a paralelogramului. atunci, punctul măsurat este achiziţionat prin oprirea definitivă a dispozitivului - Dinamic Achiziţia punctului se face în timpul mişcării. După detectarea atingerii sunt citite sistemele de măsură a capului şi a celor de pe riglele optice în mod continuu pe tot parcursul mişcării spre sau dinspre piesă. Coordonatele care au fost determinate cu o anumită forţă de atingere sau intr-o poziţia neutră a palpatorului sunt salvate ca puncte măsurate. La scanare funcţii speciale de control permit sistemului de palpare să urmărească suprafaţa piesei în mod continuu. Punctele scanate sunt achiziţionate în timpul mişcării de-a lungul liniei de scanare. Procedura de scanare permite sa se achiziţioneze multe puncte într-un timp foarte scurt (sute de puncte într-o secundă). Scanarea poate fi făcută într-un plan sau într-un cerc, pe o spirală (pentru măsurarea unui cilindru) sau pe orice altă linie sau plan curb în orice orientare. - capete cu senzor fără contact: nu au nevoie de un contact fizic cu suprafaţa măsurată pentru a funcţiona. Ex: sistemul optic de măsurare nu necesită nici un contact fizic cu piesa - capete multisenzor: acestea conţin mai multi s enzori de masurare 2.3.6 Palpatoare si articulatii Sistemul de masurari cu contact are cel putin un palpator (stilet). Exista o varietate mare de palpatoare dintre care cele cu cap sferic sunt folosite pentru aproape majoritatea aplicaţiilor, (Fig.2.9). Ele sunt formate dintr-o bilă sferică din ru bin cu abateri de forma foarte mici. Rubinul este un element foarte dur şi deci uzura lui este foarte mică. Are o densitate foarte mică ţinând greutatea vârfului la o valoare mică ceea ce evită declanşări nedorite ale palpatorului datorate mişcării maşinii sau din vibraţii. Tijele stiletelor sunt realizate dintr-o Fig.2.9 Palpatoare cu rubin varietate de materiale, inclusiv otel nemagnetic, ceramica, carbura de tungsten, pentru a mentine rigiditatea pe intreaga lor lungime. In masuratori sunt recomandate stiletele cu tija scurta datorita rigiditatii lor.

Există diferite posibilităţi de a configura sistemul de palpare cu ajutorul palpatoarelor, (Fig.2.10). Această configurare trebuie aleasa pentru fiecare măsurare in functie de configuratia piesei.

132

Stilet cu bila goala pentru Utilizarea unui stilet cu Stilet cilindric in masurarea unei piese cu disc (sursa: Renishaw) masuratoarea unei rugozitate mare (sursa: gauri intr-o placa Renishaw) subtire Fig.2.10 Palpatoare si sisteme de palpatoare

Stiletul ascutit (sursa: Renishaw)

Cand este nevoie de o rigiditate crescuta a sistemului de masurare se foloseste un stilet cu disc. Trebuie indicat faptul ca discul este o sectiune de mare precizie a unei sfere. Aceste discuri sunt disponibile intr-o gama larga de diametre si grosimi. Masuratoarea cu un stilet cu disc este similara cu masuratoarea cu ecuatorul unei sfere mari. Oricum, doar o mica parte a acestei suprafete este disponibila pentru contact, deci discurile mai subtiri au nevoie de o aliniere unghiulara atenta pentru un contact corect cu elementul masurat. Stiletele cu disc pot de-asemenea sa aiba un centru filetat pentru fixarea stiletului central, oferind o flexibilitate in plus, de exemplu pentru masurarea fundului gaurilor adanci. Pentru masurarea santurilor din interiorul gaurilor se folosesc solutii constructive speciale ale stiletelor cu disc. Datorita elementelor aditionale, cum sunt sferele mici, este posibila masurarea nu doar a diametrului dar si a latimii santurilor. Adaugarea unei astfel de sfere la un disc permita masurarea si pe directia Z, daca centrul acestei sfere este in afara diametrului arborelui si uneori in afara diametrului palpatorului. Rotirea si blocarea discului permite pozitionarea corecta a sferei pentru utilizare. Stiletele plane sunt folosite in principal pentru masurarea adancimii niselor, si a muchiilor foarte subtiri. Suprafata laterala este cilindrica dar nu este utilizata in masuratoare. Cand se masoara cu stiletul plan este important sa se masoare cat mai aproape posibil de directia arborelui. Fig.2.11 Stiletul plan Dar pentru ca stiletul plan nu poate fi perfect aliniat, rezultatele masuratorilor pot fi eronate. Pentru masurarea pieselor realizate din materiale subtiri (ex.: tabla) stiletele cilindrice sunt potrivite, (Fig.2.11). O utilizare frecventa a acestora este localizarea centrelor alezajelor din materialele subtiri. Exista variante de palpatoare cilindrice cu varf sferic care permit masurarea in 3 directii, astfel posibila si masurarea suprafetelor. .

Fig.2.12 Filete stea 133

In unele cazuri (ex.: masurarea adancimii santurilor scarii vernierului unui subler), se utilizeaza stiletul cu varf ascutit. Stiletele ascutite disponibile la firma Renishaw au raza varfului de 0.05 sau 0.1 mm si unghiul conului de 30°. Stiletele de acest tip pot fi de asemenea folosite la verificarea centrului alezajelor foarte mici. Se poate realiza un sistem de stilete din mai multe palpatoare. Un astfel de sistem obisnuit este realizat din pana la 4 stilete cu varfuri sferice de acelasi diametru si lungime, montate rigid pe centrul aditional al unui stilet. Un astfel de sistem este numit stilet stea Stiletele ste a ofera posibilitatea masurarii elementelor complexe, inclusiv a degajarilor din gauri, (Fig.2.12) In constructia sistemelor de palpatoare se utilizeaza cuburi, extensii, articulatii, pirghii si dispozitive de protectie la impact. - Uneori sunt necesare stilete lungi pentru a ajunge la suprafata piesei, astfel incat se folsesc extensii pentru acestea. Extensiile stiletelor sunt realizate din otel, ceramica, sau fibra de carbon. Extensiile mai lungi (pana la 400 mm) sunt de obicei realizate din fibra de carbon. La alegerea unui material pentru elementele unui sistem de stilete trebuie luate in considerare urmatoarele aspecte: masa sistemului, rigiditatea si expansiunea termica. - articulatia unui stilet permite ajustarea deplina pe doua axe, astfel stiletul orientandu-se potrivit unghiului elementului masurat. Ajustarea este folositarea mai ales cand palpatorul nu poate fi orientat corect de catre sistem, sau cand accesul este limitat.

Prelungitoare

Articulatii Pirghie Dispozitiv de protectie Fig.2.13 Accesoriile sistemelor de palpatoare

- parghiile pot fi folosite pentru a avea acces la elemente mai dificil de atins. Componentele pentru realizarea sistemelor de stilete sunt disponibile in diferite seturi, dar pot fi si achizitionate si individual; - dispozitivele de protectie sunt proiectate pentru a se rupe in cazul unui impact pentru protejarea stiletului si a senzorului de masurare. Un sistem de masurare articulat este un sistem care poate fi orientat in diverse pozitii in spatiu cu ajutorul unui dispozitiv manual sau automatizat cu un motor. Astfel de sisteme sunt:  sisteme articulate manuale ne-repetabile,  sisteme articulate manuale repetabile,  sisteme articulate motorizate cu indexare,  sisteme articulate motorizate continuu. Sistemul articulat manual ne-repetabil se fixeaza intr-o pozitie la o anumita sarcina de masurare in functie de configuratia piesei. Dupa rigidizarea sistemului urmeazaoperatia de calibrare a

134

palpatorului. In Fig.2.14 se observa ca poate fi obtinuta orice pozitionare in unghiulare posibile ale unui sistem (±115°) (sursa: Renishaw)

Fig.2.14 Sistem articulat manual ne-repetabil

gama de locatii

Fig.2.15 Sistem articulat manual repetabil

Sistemul articulat manual repetabil permite definirea mai multor orientari unghiulare pentru o anumita sarcina de masurare. Rotatia in jurul celor doua axe este comandata manual in timpul masurarii. Calibrarea trebuie efectuata in toate pozitiile fiind verificata pozitia unghiulara a

palpatorului. In Fig.2.15 se observa ca poate fi obtinuta orice pozitie unghiulara repetabila a sistemului in gama unghiulara de locatii ale sistemului in jurul axei verticale de 300°, iar in jurul axei orizontale ±93° (sursa: Renishaw) La sistemele articulate motorizate cu indexare pentru o anumita sarcina de masurare se fixeaza pozitiile unghiulare, iar apoi in toate pozitiile fixate se face calibrarea palpatorului. In timpul masuratorii schimbarea pozitiei unghiulare a sistemului de masurare este facuta in mod CNC prin rotirea comandata de doua motoare electrice, in jurul unei axe verticale cu 3600 si-n jurul unei axe orizontale cu ±900 Sistemele articulate motorizate continuu au un sistem incorporat de codificatoare unghiulare. Miscarea de rotatie a palpatoarelor este comandata de servomotoare a caror precizie depinde de codificatorul utilizat (de regula rezoluţia este de 0,2 arc sec). Calibrarea se face intr-o singura pozitie unghiulara 3D. Indiferent de tipul lor articulatiile influenteaza negativ incertitudinea de masurare.

Fig.2.16 Sistem articulat motorizat cu indexare

Fig.2.17 Sistem articulat motorizat continuu

135

2.3.7 Dispozitive aditionale Dispozitive aditionale pot fi sistemele de schimbare a palpatoarelor si mesele rotative, (Fig.2.18). Sistemele de schimbare a stilusurilor poate fi folosit pentru a preveni utilizarea configuraţiilor de palpatoare complexe pentru măsurări dificile. Sistemele de palpare sunt schimbate dacă sunt necesare diferite modalităţi de măsurare sau sunt aplicate diferite palpatoare. Aceste sisteme pot fi schimbate automat în timpul rulării programului CNC. Nu este necesară o recalibrare după schimbareasistemului de palpatoare. Procesul de măsurare poate fi simplificat prin adaptarea unei noi axe sub forma unei mese rotative. Aceasta se aplică în deosebi pentru piese simetrice. Masa rotativă poate să rotească piesa într-o poziţie de măsură adecvată, în aşa fel încât în multe cazuri se pot folosi configuraţii mai simple ale stilusurilor. Mai mult, mesele rotative pot simplifica măsurarea sau pot extinde volumul de măsură. Pentru a beneficia de toate avantajele masa rotativă trebuie să fie integrată complet.

Fig.2.18 Dispozitive aditionale: Sistem de schimbare a palpatoarelor; Masa rotativa 2.3.8 Unitatea de control Rolul unităţii de control este aceea de a comanda prin intermediul unor amplificatoare motoarele si de-a coordona mişcările. Sarcina este de mare interes deoarece punctele trebuie să fie atinse de fiecare dată normal la suprafata si cu aceeaşi forţă de măsurare. Comenzile se fac de la computer (prin ciclu automat de măsură) sau direct de catre operator. În mod adiţional, sistemele de palpare dau semnale de comandă pentru a opri motoarele sau pentru sistemele de măsurare pentru ajustarea poziţiei de zero. În funcţie de unitatea de control, direcţiile axelor sunt controlate separat sau simultan. Un controller monitorizează în permanenţă viteza axelor. La o viteză mare, palparea este deobicei imposibilă. Startegia de masurare poate sa prevad: - Masurarea punct cu punct - coordonatele punctului ţintă sunt specificate, iar palpatorul atinge acest punct în funcţie de acceleraţie care controleaza forta; - Controlul rutei - spre deosebire de cazul precedent, viteza poate fi stabilită şi în acest mod este posibilă măsurarea pieselor cu contur necunoscut - Controlul continu a traiectoriei – palpatorul este condus de o cale predefinită până la punctul ţintă şi este folosit pentru palpări continue,(scanare). 2.3.9 Programe de masurare Programul rulează pe un calculator (PC sau staţie de lucru). Ideea principală a metrologiei în coordonate este de a evalua elementele din punctele pe piesa detectată. Azi o 136

varietate mare de programe inteligente şi computere de ultimă generaţie sunt disponibile pentru a răspunde

Fig.2.19 Calypso Programul de masurare al firmei Zeiss acestor cerinţe ce acoperă un domeniu larg de funcţii. Unele maşini au soft-uri diferite de operare, evaluare şi analizare a datelor măsurate. Principalele functii ale programelor de masurare sunt: - Evaluarea: suprafaţa piesei este mai mult sau mai puţin perfectă. Pentru a avea o evaluare bună, in calcule este utilizat un numar de puncte mai mare decit minimul de puncte necesar pentru definirea elementului. Programele de calcul fosesc algoritmi ce aproximează poziţia elementelor în funcţie de diferitele puncte extrase. Elementele extrase trebuie să fie corelate mai departe pentru a evalua un obiect examinat, ex: distanţe, unghiuri sau poziţii. Afirmaţii de conformitate pot fi desprinse din comparaţia valorilor specificate şi a valorilor măsurate - Corectia este necesara compensarilor imperfecţiunilor maşinii cum ar fi rectilinitatea axelor, perpendicularitatea axelor etc. Aceste corecţii sunt realizate la fiecare masurare de punct pentru a elimina toate erorile sistematice cunoscute - Transformarile sunt necesare pentru calculul coordonatelor punctele masurate de pe piesa de lucru in sistemul de coordonate al maşinii. Deobicei se utilizează unul sau mai multe sisteme de coordonate ale piesei diferite faţă de cel al maşinii. Aşadar punctele de pe piesă trebuie transformate într-un sistem initial de coordonate al piesei, care a fost definit prin măsurarea elementelor de pe piesa respectivă. Multe măsurători necesită utilizarea mai multor palpatoare care sunt deplasate faţă de centrul lor unele faţă de celelalte. Prin urmare puncte prelevate cu diferite stilete vor trebuie transformate intr-un sistem de coordonate comun. Aceeaşi situaţie este întâlnită la capetele articulate. Transformarile sunt necesare si datorita necesitatii utilizarii dispozitivelor adiţionale precum mese rotative si/sau articulatii care lucreaza in sisteme de coordonate cilindrice sau sferice fiind necesara transformarea informatiilor obtinute prin masurare in sisteme carteziene . - Raportarea este in sarcina calculatorului care genereaza rapoarte necesare analizai si luarii decizilor. Aceste rapoarte pot fi comparaţii nominale sau actuale, rapoarte de date, date statistice sau date pentru a fi procesate mai târziu. - Controlul este efectuat de catre calculator prin softuri specifice in cazul etalonarii si calibrarii periodice a masinilor la intervale de timp bine precizate. Modul de programare este specific fiecarei firme existind diferite aplicaţii pentru maşinile de măsurat în coordonate de pe piaţă. Cele mai multe dintre ele sunt realizate de producătorii maşinii însă sunt şi unele independente. Operatorul trebuie să dea informaţie softului despre ce vrea să măsoare (ce fel de element geometric; cerc, cilindru etc.). În mod automat, 137

programul trebuie să aproximeze poziţia valorile-parametri ale elementului măsurat. După măsurare, programul poate să determine parametri-valoare a elementului în discuţie. Exista mai multe moduri de programare: - Programarea manulala: operatorul generează coduri într-un limbaj de programare adecvat. Fiecare poziţie şi traiectorie trebuie specificată manual. Această programare este în ziua de azi utilizată doar pentru modificarea programelor de măsură; - Programarea teach-in: operatorul deplaseaza palpatorul pe diverse traiectorii si atinge elementele prin intermediul unui joystick. Coordonatele masurate, direcţiile de palpare şi căile de transfer sunt memorate si înregistrate. Programul este scris automat pe masura ce operatorul manevreaza masina de masurat in coordonate de-a lungul procedurii de masurare. Numele elementelor si pozitiile punctelor de masurare sunt inregistrate. Programele pot fi editate si rulate ulterior fie asistate de operator, fie cu ajutorul CDC (control direct al calculatorului), astfel crescand viteza, consistenta si acuratetea (puncte de masurare repetabile, calea de masurare optimizata si un numar crescut de puncte luate). - Programare orientată pe maşină: tot mediul de programare al maşinii poate fi folosit pentru altfel de programare. Avantajul este acela că toate funcţiile maşinii şi dispozitivele adiţionale sunt valabile. Producătorul specifică limbajul de programare pe care îl foloseşte pentru o astfel de programare. - Programare off-line: se desfasoara fara a utiliza masina de masurat in coordonate. Acest lucru poate fi făcut manual, prin scrierea unui cod sursă sau de exemplu prin folosirea funcţionalităţii CAD. Aici programul de măsură poate fi generat pe baza unui model CAD al piesei. workpiece. La scrierea programului CNC, MMC utilizeaza direct model 3D. Transferul geometriei CAD catre sisteme de programare offline ale masinii poate fi facuta fie cu ajutorul unor anumite rutine specifice, sau, mai comun, prin formate standard de schimb de fisiere, cum ar fi IGESsau VDA (in functie de aplicatia offline). In acest caz in loc ca definirea punctelor sa se faca manual, sistemul utilizeaza datele din modelul CAD ca referinta. Comenzile specifice din programe variaza considerabil, dar generarea programului offline este similara cu cea online, cu avantajul simularii offline a procedurii de masurare (Masina de masurat virtuala, fapt ce ofera o buna evitare a coliziunilor. Rezultatele masuratorilor pot fi exportate ca date CAD (in numeroase formate in functie de aplicatia MMC) pentru a se putea profita de capabilitatile avansate ale aplicatiilor (cum ar fi generarea de forme libere). Cele mai utilizate pachete de aplicatii sunt: PCDMIS, Quindos, Calypso,COSMOSsi Metrolog. 2.4 Tipuri de masini de masurat in coordonate Orice dispozitiv de măsură care achiziţionează puncte de pe suprafaţa piesei de lucru, cu contact sau fără, pe baza unui sistem de coordonate legat de maşină, şi ale cărui valori ale coordonatelor colectate sunt procesate de un computer, se numeşte Maşină de Măsurat în Coordonate (MMC). La MMC manuale operatorul deplasează manual palpatorul spre piesa de măsurat, iar palpatorul declanşează achiziţia punctului respectiv. Pot fi realizate căi şi mişcări optimizate în mod manual. Acest tip de maşină de măsurat în coordonate are domenii de măsură de la mic la mediu. Incertitudinea măsurării este cuprinsă în domeniul mediu spre ridicat. Aceste maşini sunt predestinate pentru măsurători unice sau pentru o serie foarte mică. Ele sunt relativ uşor de operat, însă este nevoie de un operator experimentat pentru o procedură sigură de palpare.

138

La MMC cu CNC masurarea se poate realiza în mod automat. O astfel de maşină poate fi controlată în mai multe moduri. Operatorul poate atinge punctele de pe suprafaţa de măsurare printr-un panou de control. Există posibilitatea unor măsurători automate, spre deosebire de MMC manuale. Domeniile de măsură ale acestor maşini sunt foarte variate, iar incertitudinea măsurării este de la medie la mică. Ele pot fi folosite în camere de măsură sau unităţi de producţie. Dezavantajul acestor maşini este operaţia complicată comparată cu cea a maşinilor manuale. Maşinile de măsurat în coordonate carteziene 3D sunt disponibile în diferite tipuri arhitecturale. Decizia unui model convenabil unei anumite operaţii de măsurare depinde de domeniul de măsurare, acurateţea, domeniul de operaţii şi altele. Cele mai importante tipuri arhitecturale de MMC sunt cele cu aranjare carteziană a axelor dar există şi maşini de măsurat în coordonate cilindrice sau sferice. Cele mai des folosite arhitecturi sunt  MMC în consolă  Cu braţ orizontal  MMC în punte  MMC cu pod rulant 2.4.1 MMC in consola Aceste MMC au o consolă mobilă care suportă un cărucior mobil. Piesa de măsurat este plasată pe masa care poate fi mobilă sau fixă. Din acest motiv, aceste tipuri de MMC pot fi grupate în:  MMC în consolă cu masă fixă  MMC în consolă cu masă mobilă Maşinile de măsurat în coordonate cu braţ orizontal sunt folosite pentru măsurarea unor piese foarte mari în industria constructoare de automobile şi în aeronautică pentru măsurarea unor table mari ale căror volume sunt mari.  MMC în consolă cu masă fixă  MMC în consolă cu masă mobilă

Acest tip de MMC presupune utilizarea a trei componente mobile, ce se mişcă de-a lungul unor ghidaje perpendiculare între ele, având palpatorul ataşat de prima componentă, care este purtată şi se mişcă vertical relativ faţă de a doua componentă. Acest ansamblu format din prima şi cea de-a două componentă se mişcă orizontal relativ faţă de a treia. Cea dea treia componentă este încastrată într-un singur punct, în formă de consolă,şi se mişcă orizontal faţă de baza maşinii, care suportă piesa. AVANTAJE - Din motiv că masa nu are ghidaje, pot fi plasate piese mai grele pe masă fără a afecta

Acest tip de maşină de măsurat în coordonate are trei componente în mişcare pe trei ghidaje perpendiculare între ele. Palpatorul este ataşat de prima componentă care se mişcă vertical în relaţie cu cea de-a doua. A două componentă este suportată la un singur capăt în consolă şi se mişcă orizontal în raport cu batiul maşinii. Cea de-a treia componentă se mişcă orizontal în raport cu batiul maşinii şi tot ea suportă piesa.

AVANTAJE - Accesibilitate bună în raport cu domeniul de măsurare 139

acurateţea măsurării. - Masa maşinii este relativ mică,comparativ cu volumul - Are tot timpul viteze de măsurare marişi acceleraţii mari - Accesibilitate este bunăcomparativ cu domeniul de măsurare - Piesele pot fi uşor încărcate şi descărcate - Accesul la piesăeste facil DEZAVANTAJE - Din cauza consolei, este posibilă încovoierea - Pe măsură ce căruciorul se mişcă spre capătul nerezemat, încovoierea creşte

- Piesa este foarte accesibilă - Piesa poate fi încărcată şi descărcată foarte uşor - Construcţia este mai rigidă - Incertitudinile măsurării sunt foarte mici DEZAVANTAJE - Domeniul de măsurare este mic - Poate apărea încovoierea din cauza construcţiei în consolă - Când căruciorul se mişcă spre poziţiile extreme, încovoierea se amplifică

2.4.2 MMC cu brat in consola

Acest tip de maşină are trei componente în mişcare relativă una faţă de cealaltă, iar palpatorul se află ataşat de prima componentă, ce se mişcă orizontal în raport cu a doua. Ansamblul format din prima şi a doua componentă se mişcă vertical în raport cu a treia, iar aceasta din urmă se deplasează în plan orizontal faţă de batiul maşinii pe care este montată piesa. AVANTAJE DEZAVANTAJE - Domenii de măsură vaste (braţul mobil al - Incertitudini mari ale măsurării maşinii poate să atingă puncte aflate la 25m - Rigiditate slabă de la punctul de referinţă) - Erori mari din cauză nerespectării legii lui - Acces liber la volumul de măsură Abbe - Mase mici - Cursă la viteză mare 2.4.3 MMC cu pinola Aceste configuraţii sunt cele mai utilizate maşinile de măsurat în coordonate. În funcţie de mişcările consolei, ele sunt împărţite în două mari grupe:  MMC cu masa fixă  MMC cu masa mobilă MMC cu pinola cu masă fixă MMC cu pinola cu masă mobilă O maşină de măsurat în coordonate cu punte Acest tip de MMC are trei componente în mobilă este formată din trei componente care mişcare, ce culisează pe trei ghidaje glisează de-a lungul a trei ghidaje perpendiculare între ele, având palpatorul perpendiculare între ele. Palpatorul este fixat de fixat de primul element. Acesta este purtat prima componentă care este purtată într-o într-o mişcare verticală în raport cu ce-a 140

mişcare verticală în raport cu cea de-a doua componentă. Cele două componente se mişcă într-un plan orizontal relativ cu a treia. Cea de-a treia componentă este rezemată pe doi stâlpi dispuşi de-o parte şi alta a batiului maşinii pe care este montată piesa

de-a doua componentă. Ansamblul format din prima şi a doua componentă se mişcă orizontal pe structura în punte, rezemată rigid pe batiul maşinii. Piesa se află montată pe cel de-al treilea element

AVANTAJE - Pot fi încărcate piese grele, fără a mişca masa - Incertitudinea este mică din cauza unei rigidităţi mari DEZAVANTAJE - Cele două picioare se pot mişca în poziţii diferite şi din acest motiv poate apărea o rotire a punţii. Pentru a reduce acest efect se folosesc două motoare pentru fiecare picior şi sisteme electronice de corectare a acestei deviaţii.

AVANTAJE - Domenii de măsurare medii şi mari - Rigiditate mare - Incertitudini mici - Accesibilitate la piesa de măsurat - Este ergonomică DEZAVANTAJE - Viteza de măsurare este redusă deoarece este necesară mişcarea mesei cu tot cu piesa grea în timpul operaţiei. - Greutatea componentelor este limitată din cauza mesei în mişcare pe rulmenţi

Acest tip de MMC are trei componente în mişcare, ce culisează pe trei ghidaje perpendiculare între ele, având palpatorul fixat de primul element. Acesta este purtat într-o mişcare verticală în raport cu ce-a de-a doua componentă. Ansamblul format din prima şi a doua componentă se mişcă orizontal pe structura în punte, rezemată rigid pe batiul maşinii. Piesa se află montată pe cel de-al treilea element 2.4.4 MMC cu pod rulant Aceste maşini au tot trei componente care se mişcă pe ghidaje, din care prima este cea care susţine palpatorul. Aceasta execută o mişcare verticală în raport cu cel de-al doilea element. Cele două componente se mişcă orizontal relativ faţa de cea de-a treia componentă. Aceasta din urmă se deplasează orizontal pe două lagăre de rostogolire înălţate de o parte şi de cealaltă a batiului unde este montată şi piesa.

141

AVANTAJE DEZAVANTAJE - Volum de măsurare foarte mare - Din cauza dimensiunilor mari ale maşinii, - Acces al operatorului la întreg volumul sunt posibile abateri de temperatură ce pot maşinii afecta calitatea măsurării. - Incertitudini medii ale maşinii 2.4.5 Comparatii intre diferitele tipuri constructive ale masinilor de masurat in coordonate Pe piaţă sunt disponibile o varietate foarte mare de maşini de măsurat în coordonate. Pentru alegerea unei maşini optime pentru fiecare măsurătoare, trebuie luate în calcul următoarele cerinţe pentru maşină:  Domeniul pieselor care urmează să fie măsurate  Volumul de măsură impus  Experienţa operatorului  Interfaţa cu alte dispozitive  Forma în care datele for fi livrate  Specificaţii asupra erorilor maxime permise  Resursele materiale  Domeniul de aplicare  Spaţiul disponibil din locul de măsurare  Alte cerinţe posibile

Fig.2.20 Criterii de alegere a unei MMC La modul general, pentru o utilizare largă, toate tipurile cu excepţia celui cu pod rulant, pot fi folosite pentru o măsurare precisă. Dacă sunt necesare precizii mari de măsurare şi incertitudini mici, este recomandată maşina de măsurat în coordonate cu cu pinola si masa fixa. Cea cu pinola si masa mobila este şi ea o alegere bună pentru măsurători îndeosebi cu incertitudini mici. Dacă sunt necesară măsurarea unor piese mari, alegerea este de obicei o MMC cu consolă, cu braţe orizontale sau chiar cu braţ rulant pentru piese foarte mari 2.4.6 Alternative la maşinile de măsurat în coordonate Bratul de masura Braţele de măsură sunt braţe articulate în mai multe puncte, iar fiecare articulaţie conţine un codificator de unghi. Incertitudinea măsurătorii este de regulă mai mare decât a unei maşini convenţionale la acelaşi domeniu de măsurare. Avantajul acestor braţe de măsură este că sunt sisteme portabile şi foarte flexibile. Ele sunt manuale, prin urmare influenţa operatorului în cadrul incertitudinii măsurătorii este foarte mare. 142

Fig.2.21 Echipamente de masurat in coordonate Scan Max Scan Max este un sistem aparţinând Zeiss Inc. Si este un sistem portabil operat prin module de mână. Aceste aparate sunt utilizate pentru măsurători în coordonate cilindrice). Cu acest dispozitiv, toate măsurătorile sunt efectuate în modul scanare. Scan Max este creat pentru a face măsurări la faţa locului î condiţii de mediu foarte grele. Ele sunt folosite în special pentru operaţii uşoare. Sisteme optice Maşina de măsurat în coordonate de la Leica este o MMC ce poartă manual un aşa-numit palpator T, împreună cu un dispozitiv laser ce urmăreşte poziţia senzorului. Sistemul de măsurare poate fi folosit pentru măsurători uşoare şi foarte flexibile pentru orice geometrie în spaţii mari de măsurare. Există zece diode incluse în palpatorul T. Ele sunt astfel distribuite spaţial încât camera poate determina poziţia palpatorului. Această poziţie este determinată cu sistemul laser. Sistemul are un volum sferic cu un diametru de 14mm. Producătorul specifică o incertitudine de ±100µm pentru un domeniu de măsurare de până la 7m Masurarea cu masini unelte În locul unei scule se poate folosi un palpator. Sistemul de palpare este similar cu cele folosite în MMC convenţionale însă trebuie să reziste la mediul de lucru dur. Măsurarea în coordonate poate fi făcută prin folosirea unei axe şi un sistem de măsură al unei maşini unelte. Incertitudinile tipice unei MMC convenţionale nu se pot atinge din cauza mediului ambiant dur şi pentru că maşina unealtă nu este optimizată pentru măsurări. Avantajul unui astfel de sistem este scurtarea timpului de la măsurare până la primirea protocolului de măsurare 2.5 Operatia de masurare cu MMC O secventa completa de masurare consta in urmatorii pasi: Analiza si definirea sarcinii de masurare Intocmirea tehnologiei de masurare Determinarea strategiei de masurare Planificarea (programarea) secventei de masurare Executarea masurarii Analiza si interpretarea rezultatelor masurarii Aprecierea incertitudinii masurarii Intocmirea documentatiei Aceste secvente generale de masurare sunt aplicabile tuturor sarcinilor de masurare executate pe masini de masurat in coordonate cu comanda numerica. Daca procedura de masurare este bine pregatita si respectata, rezultatele masurarii vor fi certe.        

2.5.1 Analiza si definirea sarcinii de masurare se realizeaza pe baza desenului de executie si a documentatiei puse la dispozitie de beneficiar. Analiza consta in identificarea elementelor 143

geometrice care trebuie masurate cu MMC. Fiecare element identificat va fi numerotat sau codificat. Suplimentar la analiza informatiilor primare se indentifica: tipul de senzori ce urmeaza sa fie utilizati (cu sau fara contact), existenta modelelor 3D, cerintele beneficiarului in ce priveste documentarea rezultatelor (buletin de masurare si/sau protocoale) si in functie de numarul de piese se estimeaza volumul de munca si necesarul de personal. Operatia de analiza trebuie sa tina cont de modul de proiectare in care a fost stabilit rolul functional al piesei si de modul de executie stabilit prin tehnologia de prelucrare, Fig.2.24.

Fig.2.24 Factorii care influenteaza sarcina de masurare In urma analizei se defineste sarcina de masurare care reprezinta o problema tehnica care poate fi rezolvata cu ajutorul masinilor de masinilor de masurat in coordonate. Sarcina de masurare este redactata si constituie documentul in baza careia se accepta comanda de executie a masuratorii. Avind in vederea ca sarcina de masurare include specificatiile geometrice care sunt determinate aplicind principiul metrologiei in coordonate se acorda prioritate urmatoarelor aspecte:  Marea majoritate a elementelor geometrice masurabile sunt independente  Unele elemente geometrice sunt entitati inseparabile ale unei piese (asa – numitele elemente derivate, ex. la masurarea filetelor, sau a rotilor dintate)  Elementele geometrice 2D nu pot fi direct probate  Punctele de inspectare nu trebuie sa se afle pe muchiile sau colturile pieselor, astfel ca elementul masurat sa reprezinte acelasi tip ca si elementul real  Uneori un element masurat poate fi intersectat de alt element masurat, iar intersectia lor sa formeze un element geometric. Astfel, elementul geometric poate fi constituit din cateva elemente masurate.  Estimarea incertitudinii de masurare. Indeplinirea sarcinii de masurare da raspuns urmatoarelor intrebari:  La ce este utilizat rezultatul masurarii? o Calitatea produsului sau testul de conformanta - pentru testarea calitatii sau conformantei este necesara o comparatie intre valorile masurate si specificatiile din documentatie o Controlul unui proces de fabricatie - pentru a controla un proces de fabricatie, trebuie extrase din valorile masurate diversi parametrii statistici care dau informatii privind comportarea procesului; o Digitizarea: - digitizarea formei unei piese cunoscute poate conduce la determinarea preciziei de executie in timp ce digitizarea formei unei piese necunoscute conduce la construirea unui model 3D prin Reverse Engineering 144

 o

Cui ii este destinat rezultatul masurarii? Intern sau extern - un beneficiar intern poate cere documentatia completa a masurarii – cu informatii despre strategia de masurare si rezultate detaliate, pe cand un beneficiar extern va cere doar rezultatele masurarii o Nivelul de cunostinte - beneficiarul va trebui sa fie capabil sa interpreteze documentatia livrata, spre exemplu departamentul de productie va putea lua decizia de-a monta piesele in timp ce departamentul de management va putea sa foloseasca documentatia pentru a elabora declaratia de conformitate . 2.5.2 Proiectarea tehnologiei de masurare Elementele unei tehnologii de masurare pe MMC sunt:  alegerea masinii de masurat si a senzorului de masurare  alegerea echipamentelor aditionale,  alegerea palpatoarelor,  alegerea metodei de fixare a piesei,  definirea sistemului de coordonate al piesei,  determinarea pozitiei si orientarii piesei pe masa de masurare a masinii de masurat, Alegerea MMC este importanta deoarece trebuie sa se foloseasca o masina de masurat potrivita sarcinii de masurare identificate prin analiza. Citeva criterii stau la baza alegerii MMC: - Precizia masinii vs. tolerantele piesei este primul criteriu care determina alegerea masinii. - Viteza, deci timpul de masurare si productivitatea; - Forma si materialul piesei (poate fi mai eficienta alegerea unei masini cu masa rotativa) - Softul MMC (posibilitatea utilizarii unui model CAD). De exemplu un brat de masurat in coordonate, chiar daca este o masina de masurat manuala, ofera un mare avantaj din punct de vedere al timpului pentru piese care au nevoie de schimbari frecvente ale sistemelor de palpatoare. Acest lucru se intampla deoarece bratul de masura nu are nevoie de verificarea fiecarei orientari a palpatorului. Alegerea echipamentelor aditionale Echipamente aditionale ale masinilor de masurat in coordonate (sistem de scanare, sistem optic, schimbator automat de palpatoare, masa rotativa, susteme de prindere, optiuni software, etc.) influenteaza frecvent aplicatiile si pot simplifica foarte mult o masuratoare.

Fig.2.25 Folosirea mesei rotative pentru masurarea 3D a unei roti dintate(sursa: Watteeuw)

Fig.2.26 Stativul unui sistem de schimbare a palpatoarelor (sursa: Leitz)

Un exemplu al utilizarii unei mese rotative este aratat in Fig. 2.25. Piesa fixata pe masa rotativa si executa o miscare de rotatie, palpatorul se misca doar in directie radiala fata de cama masurata. Masuratoarea este efectuata intr-un singur plan – perpendicular pe axa camei. Pentru piese mai complexe un palpator poate sa nu fie suficient. In acest caz este foarte util un sistem de schimbare a palpatoarelor, Fig.2.26. Alegerea palpatoarelor se face avind in vedere sarcina de masurare. In ce priveste lungimea palpatorului principiul care trebuie respectat este: stiletul trebuie sa fie cat mai scurt si mai 145

rigid cu putinta. Din aceasta cauza trebuie respectate limitele maxime pentru masa si lungime, date de producator. La alegerea razei palpatorului trebuie tinut cont de miscarile pe care le face palpatorul inainte de atingerea piesei precum si de comportarea filtranta a acestuia ceea ce inseamna ca la palparea unei suprafete, profilul real acesteia este „netezit” de catre mica sfera din varf. Acest lucru se numeste filtrare, care creste odata cu marirea diametrului varfului. Urmatoarele figuri arata cu rosu palparea cu un varf mic, iar cu albastru, palparea cu un stilet avand raza mai mare la varf. Cand cele doua profile sunt suprapuse, mai jos, se poate observa cu usurinta ca la un diametru mai mare la varful stiletului da un profil rezultant mai neted. Suprafata „netezita”

Suprafata reala

Efectul de filtru al varfului stiletului in contact cu suprafata

Profilul suprafetei obtinut cu un stilet de raza mica la varf

Compararea profilelor obtinute prin masurarea cu raze diferite a palpatoarelor

Profilul suprafetei obtinut cu un stilet de raza mare la varf

Fig.2.26 Efectul razei virfului palpatorului Fixarea piesei care urmeaza a fi masurata se realizeaza intr-un mod stabil, dar trebuie evitata o metoda de fixare care ar putea deforma piesa. Fig.2.27 prezinta o piesa montata in blocuri V si fixata cu cleme elastice. Aceasta metoda ofera acces usor pentru toate elementele masurate. Daca masuratorile au loc la extremitati, piesa este fixata in zona din mijloc. Daca trebuie masurate mai multe piese identice se recomanda ca metoda de fixare sa permita pozitionarea piselor in exact aceeasi pozitie si orientare – in acest fel nu mai este necesara alinierea manuala a pieselor dupa finalizarea unei masurari. Este bine sa se fotografieze metoda de fixare pentru a se tine minte orientarea piesei acest lucru usurind activitatea in cazul repetarii comenzii. La alegerea unei metode de prindere utilizatorul trebuie sa cunoasca efectul fortei de apasare a palpatorului. Masinile de masurat in coordonate lucreaza cu forte foarte mici, de ordinul a 0.05 – 0.2 N. Dar aceasta forta este cea din timpul masuratorii. Masina poate provoca o forta asupra piesei chiar si de 3N. Daca piesa este suficient de grea este posibil sa se aseze pe masa fara sa se fixeze (doar pentru MMC cu masa fixa). Utilizatorul trebuie sa tina cont ca masuratoarea libera (fara fixarea piesei) este uneori o cerinta pentru unele 146

standarde de dimensionari geometrice si tolerante. Oricum, utilizatorii trebuie sa stie ca piesele grele distorsioneaza geometria masinii. Pentru piese mici, usoare, plastilina sau lutul pentru modelat pot fi folosite ca material de fixare. Pot fi folosite de asemenea dispozitive magnetice sau vacuumatice. In cazul fixarii mecanice utilizatorul trebuie sa tina cont ca fortele de apasare pot provoca deformatii ale formei adevarate a piesei, dar pe de alta parte trebuie sa se aiba grija sa nu fie nici prea mici. Este recomandata folosirea unui material moale intre cleme si piesa. Pentru fixari mai complexe se pot folosi sisteme de fixare modulare (gen Allufix), Fig.2.28.

Fig.2.27 Un exemplu de fixare a piesei

Fig.2.28 Exemplu al unei fixari pentru o carcasa realizat utilizand elemente universale

Definirea sistemului de coordonate al piesei si a sistemelor de coordonate adiacente (sistemul magaziei de palpatoare, al mesei rotativa)

Fig.2.25 Sistemul de coordonate al masinii si a piesei Sistemul de coordonate al piesei va fi folosit in cele ce urmeaza ca sistem de referinta cartezian pentru masurarea oricaror puncte de pe suprafata piesei. Intre sistemul de coordonate al masinii (xM,yM,zM) si sistemul de coordonate al piesei (xW, yW, zW) exista o legatura geometrica obtinuta prin operatii matematice de translatie si rotatie, Fig.2.29. Elementele unei masini de masurat se misca in 3 directii perpendiculare unele pe celelalte. Deplasarea acestor elemente este masurata de 3 scale integrate pe axele masinii. In acest fel sistemul de coordonate cartezian este stabilit si este numit sistemul de coordonate al masinii 147

(xM,yM,zM), Fig. 2.29. Pozitia originii sistemului de coordonate al masinii este definita de punctele de zero ale sistemelor de masurare a lungimii. Imediat dupa pornirea MMC toate valorile coordonatelor se raporteaza la sistemul de coordonate al masinii. Forma pieselor este prezentata pe un desen tehnic intr-un anumit numar de proiectii iar dimensiunile sunt, in cele mai multe cazuri, de-a lungul axei unui anumit sistem de coordonate al piesei. Un astfel de exemplu este aratat in Fig.2.26. Toate dimensiunile (distantele) sunt date pe directiile“orizontale” si “verticale” care evident sugereaza folosirea unui sistem de coordonate in concordanta cu aceste directii. Rezultatele masuratorii pot fi comparate direct cu dimensiunile de pe desenul tehnic daca sunt raportate la sistemul de coordonate al piesei (X,Y,Z).

Fig.2.26 Desenul unei piese si sistemul de Fig.2.27 Desenul unei piese si sistemul de coordonate corespunzator (Exemplul 1) coordonate corespunzator (Exemplul 2)

148

Pentru definirea sistemului de coordonate al piesei sunt folosite 3 planuri. Dupa cum se va arata mai tarziu in acest capitol, cand se folosesc 3 planuri pentru definirea sistemului de coordonate al piesei, trebuie sa se cunoasca ordinea importantei acestor planuri. Daca desenul nu mentioneaza ordinea, de obicei marimea fiecarui plan dicteaza importanta lui. Metoda aratata de a determina sistemul de coordonate al piesei nu este singura. In Fig.2.27 este aratat un exemplu al uneia din multele posibilitati. In acest caz exista cateva posibilitati pentru alegerea elementelor geometrice necesare pentru definirea sistemului de coordonate al piesei:  trei planuri: planul xy este planul superior al placii de baza iar celelalte doua (xz si yx) sunt planurile care contin axele celor doua gauri corespunzatoare,  un plan si doua drepte: planul xy este planul superior al placii de baza, axa x se afla in planul xy si este definita de centrele celor doua gauri si similar pentru axa y,  un plan, o dreapta si un punct: planul xy este planul superior al placii de baza, axa x se afla in planul xy si este definita de centrele celor doua gauri si axa y este perpendiculara pe celelalte doua prin centrul primei gauri,  etc. Numarul de posibilitati ingreuneaza decizia operatorului de a face o alegere, iar fiecare Fig.2.8 Piesa cu doua sisteme de posibilitate determina rezultate diferite. coordonate Piesa de masurat este fixata pe masa MMC astfel incat axele sistemului de coordonate sa fie paralele cu axele masinii. Initial se masoara citeva elemente si se defineste sistemul de cordonate din Exemplul 1. Dupa masurarea altor elemente exista posibilitatea de a defini celalalt sistem de coordonate (Exemplul 2) in concordanta cu sistemul de coordonate din Exemplul 1. Acest nou sistem de coordonate este translatat si rotit in functie de cel de dinainte. Pentru piese mai complexe este bine uneori sa se defineasca mai multe sisteme de coordonate diferite. Pot fi ambele carteziene sau de alte tipuri (polare, cilindrice, sferice). In Fig.2.28 este prezentata o piesa cu doua planuri cu unghiul dintre ele de 60º. Primul sistem de coordonate (x1, y1, z1) poate fi aliniat in functie de desen: planul flansei inferioare este planul x1y1 axa z este orientata vertical (cu sensul in sus), axa x1 este orientata spre partea dreapta iar originea este in mijlocul flansei. Punctul care defineste pozitia celeilalte flanse in sistemul de coordonate mentionat mai sus are coordonatele x1 = -35, y1 = 0, z1 = 54 care reies din dimensiunile 35 mm si 54 mm. Gaurile din flansa superioara sunt distribuite in sistemul de coordonate desemnate ca x2, y2, z2; axa z2 este perpendiculara pe planul flansei iar originea este in mijlocul ei. Deseori pe desenele tehnice se folosesc referinte sau sisteme de referinta. In Fig.2.29 este aratat un sistem de referinta tipic format din 3 planuri

149

Contrar fata de Fig. 2.26-27 importanta planurilor de baza folosite pentru definirea unui sistem de coordonate este specificate pe desen. Planul principal este planul A, cel secundar B iar cel tertiar C. Pentru definirea sistemului de coordonate al piesei programul CNC de masurare a unei MMC are nevoie de urmatoarele elemente geometrice:  un element pentru definirea axei principale (sau plan), al sistemului de coordonate,  un element pentru definirea axei secundare, si  unul, doua sau trei elemente pentru definirea originii (punctele de zero pentru Fig.2.29 Sistem de coordonate al unei fiecara axa). piese bazat pe sisteme de referinte AXA PRINCIPALA Pentru a defini axa principala (axa pentru alinierea spatiala) a unui sistem de coordonate se pot folosi elementele care contin un vector in definitia lor. Astfel, axa principala se poate defini prin: o dreapta (axa), un cilindru, un con, un plan, sau tor, deoarece vectorul din definitia acestor elemente va deveni axa sistemului de coordonate. Sistemul de coordonate anterior (acum activ) va fi rotit astfel incat axa noului sistem de coordonate va fi paralela cu vectorul acestui element. AXA SECUNDARA Pentru definirea axei secundare (axa pentru alinierea planara) a unui sistem de coordonate, elementele care contin un vector in definitia lor pot fi deasemenea folosite. Proiectia perpendiculara a acestui vector fata de planul perpendicular pe axa principala arata directia axei secundare a sistemului de coordonate. Sistemul de coordonate anterior va fi rotit in jurul axei principale astfel incat axa secundara a noului sistem de coordonate va fi paralela cu vectorul definitoriu. AXA TERTIARA Axa tertiara este perpendiculara pe ambele axe definite anterior si impreuna formeaza sistemul de coordonate desemnat. PUNCTUL DE ZERO Elementele pentru definirea originii pe fiecare axa pot fi de orice fel, deoarece fiecare element contine in definitia sa punctul. Acest punct (dupa proiectia sa pe o axa) defineste punctul de zero. Acelasi element poate fi folosit pentru a defini punctul de zero a una, doua sau trei axe. Determinarea pozitiei si orientarii piesei pe masa de masurare a masinii de masurat, Determinarea pozitiei se face tinind cont de asigurarea accesibilitatii palpatoarelor la suprafetele si elementele care trebuie masurate si-n special la elementele de referinta. Este necesara evitarea coliziunii palpatoarelor cu piesa, cu masa si cu elementele de fixare Orientarea piesei trebuie efectuata in concordanta cu dimensiunilee si orientarea volumului de masurare. Este indicat ca tehnologul sa cunoasca functionarea piesei si este recomandabil ca elementele critice sa fie masurate de-a lungul unei axe eliminindu-se erorile care pot sa apara prin folosirea mai multor axe. Cind se alege pozitia piesei pe masa MMC trebuie sa se aiba in vedere orientarea axelor sistemului de masurare, fiind indicata o aliniere a axelor masinii cu axele pe care sunt asezate elementele masurate. Uneori sfera de calibrare trebuie sa ramana in volumul de masurare in timpul masuratorii. Este deasemenea uzual, mai ales pentru masinile 150

de masurat mai mari, sa se determine la calibrare care parte din volumul de masurat ofera o precizie mai mare. Daca acea parte este cunoscuta, piesele mai mici se pot masura in acest volum pentru o acuratete mai mare. 2.5.2 Strategia de masurare In cele mai multe cazuri piesele fabricate pot fi vazute ca o combinatie de elemente standard ca si planuri, cercuri, drepte, cilindri, conuri si sfere. Un elemente geometric poate fi definit de un numar minim de puncte. De exemplu doua puncte definesc o dreapta, iar trei puncte un cerc. Utilizarea a trei puncte pentru determinarea unui cerc nu ne ofera informatii asupra formei acestuia. Din punct de vedere practic este recomandabil sa se masoare mai multe puncte decat numarul minim astfel incat sa se determine abaterile dimensionale si de pozitie a suprafetei masurate. Nu este necesar ca punctele sa fie egal distantate pe suprafata, dar ar trebui ca aceasta sa fie acoperita uniform. Exista motive pentru care nu se folosesc punctele egal distantate. Utilizatorul trebuie sa tina cont ca acuratetea masuratorii este direct proportionala cu numarul de puncte distribuite corespunzator. Oricum, cu cat este mai mare numarul de puncte folosite, cu atat creste si timpul necesar masurarii unui element. Trebuie sa se faca un compromis intre acuratetea necesara si timpul necesar obtinerii rezultatelor. Aceste sfaturi nu ofera un ghid complet asupra strategiei de masurare care ar trebui folosita deoarece punctele alese trebuie sa fie in concordanta cu felul procesului de fabricatie si functionalitatea piesei. Utilizatorul MMC poate sa cunoasca cele mai probabile tipuri de abateri de forma corespunzatoare proceselor de fabricatie. Distributia punctelor masurate ar trebui in mod normal sa tinda spre o acoperire uniforma a elementului de masurat; astfel suntem siguri ca datele de intrare in soft ofera o reprezentare corecta a elementului geometric. Oricum, utilizatorul trebuie sa se asigure ca distributia nu este atat de regulata incat sa nu detecteze abaterile simetrice sau periodice rezultate din procesul de fabricatie. O strategie de masurare conditioneaza parcurgerea urmatoarelor etape.  Identificarea elementelor nominale  Determinarea relatiilor intre elemente  Alegerea palpatoarelor si a sistemelor de palpatoare  Alegerea modului de masurare  Definirea strategiei de palpare  Definirea parametrilor de masurare (de exemplu directie, forta si viteza)  Definirea criteriilor de evaluare  Definirea documentatiei Identificarea elementelor nominale este cel mai important lucru si se face prin studiul desenului si determinarea corecta a elementelor

Desenul piesei

Modelul Fig.2.22 Elementele masurarii

Elementele nominale

Elementele ce trebuie masurate pe o piesa sunt indicate pe desen. Desenul include marimile si elemente care au fost sau pot fi controlate pe o piesa reala. Geometria nominala 151

este data prin desen, iar in cel de-al doilea pas, piesa este divizarea in mai multe elemente geometrice nominale. Elementele specificate, pot fi apoi controlate, ca de exemplu diametrul si forma unui arbore sau alezaj, unde elementul corespondent este un cilindru. In plus, trebuie clarificat ce caracteristici trebuie masurate. In metrologia in coordonate, cei mai uzuali parametrii testati sunt:  Marimea, pozitia;  Distanta, unghiul plan, simetria, intersectia  Abaterea de forma (abateri singulare);  Abateri de pozitie (abateri corelate cu o baza de toleranta) Marimea si pozitia principalelor elemente geometrice nominale sunt: Punctul se defineste doar prin coordonatele lui: xs, ys and zs. Aceste coordonate pot sa aiba semnul plus sau minus sau pot fi egale cu zero (Fig. 2.23). Sfera este definita unic de coordonatele centrului sau P0(x, y, z) si de raza r (sau diametrul D) (Fig. 2.24).

Fig.2.23 Parametri pentru descrierea unui punct in acord cu ISO 10360-2

Fig. 2.24 Parametri pentru descrierea unei sfere in acord cu ISO 10360-2

Dreapta este definita unic de coordonatele unui punct ce se afla pe traiectoria linie precum si de coordonatele u, v si w ale unui vector N (cu unitate de regula egala cu 1) ce defineste orientarea dreptei in spatiu (Fig. 2.25). In cazul parametrizarii in acord cu ISO, punctul de definitie este deobicei centrul de greutate al tuturor punctelor de palpare inspectate pentru definirea dreptei. In Fig. 2.26 sunt aratate doua drepte paralele si vectorii sai directori. acesti vectori sunt identici insa punctele prin care trec dreptele sunt diferite. In exemplul mentionat se poate verifica faptul ca lungimea vectorului este egala cu unitatea

Fig.2.25 Parametri pentru descrierea dreptei Fig.2.26 Doua drepte paralele definite prin (axei) in acord cu ISO 10360-2 vectori directori si punct dat

152

Dreapta in spatiu poate avea diferite orientari si pozitii insa lungimea ei este infinita. Pentru a determina orientarea unei drepte se utilizeaza vectorii. Sensul vectorului ce defineste dreapta nu prezinta importanta in majoritatea cazurilor. Directia acestuia devine importanta daca acea dreapta este utilizata pentru definirea unui sistem de coordonate. Sensul unui vector ce defineste dreapta este de obicei determinat de secventa primului si celui de-al doilea punct de palpare in timpul inspectarii. Lungimea acestui vector nu este deloc importanta. De regula se folosesc vectori unitari – cu lungimi egale cu unitatea. In sens matematic un vector nu este localizat, ci poate fi plasat oriunde in sistemul de coordonate. Din acest motiv el defineste doar orientarea dreptei. Planul este unic definit de coordonatele unui punct continut in plan si coordonatele u, v si w al vectorului sau normal. (Fig. 2.27) In mod curent vectorul normal este indreptat in afara materialului. Parametrizarea in acord cu ISO 10360-2 presupune ca punctul de definitie al planului este centrul de greutate al tuturor punctelor de inspectare sau punctul cel mai apropiat planului.

Fig.2.27 Parametri pentru descrierea unui Fig.2.28 Doua plane paralele si vectorii sai plan in acord cu ISO 10360-2 normali impreuna cu punctele prin care trec acestea. Cercul este o curba 2D ceea ce inseamna ca aceasta este continuta intr-un plan, motiv pentru care pentru a definii un cerc este intai necesara definirea planului ce il contine. Centrul cercului poate fi utilizat pentru a definii punctul din plan. Pentru a definii complet cercul mai este necesara definirea razei acestuia sau a diametrului. Cercul este unic definit de coordonatele centrului sau P(x,y,z), vectorul normal la planul cercului si raza sa r sau diametrul D (Fig. 2.29). Cilindrul presupune intai definirea axei directoare (definita prin punct si vector director ca in cazul dreptei) si de raza sa r (sau diametrul D) (Fig. 14). In cazul parametrizarii in acord cu ISO 10360-2 punctul de definitie al axei este punctul pe axa cel mai apropiat centrului de greutate al tuturor punctelor de inspectare din timpul masurarii cilindrului. In metrologia in coordonate cilindrul are o lungime infinita.

Fig. 2.29. Parametri pentru descrierea unui Fig.2.30. Parametri pentru descrierea cerc in acord cu ISO 10360-3. cilindrului in acord cu ISO 10360-2 153

Conul Pentru definirea unui con este necesara specificarea, spre exemplu, a urmatorilor parametri (Fig.2.31): axa conului (materializata prin punct si vector director ca in cazul dreptei), unghiul planar la varf si un parametru ce defineste pozitia conului pe axa. pozitia unui con de-a lungul axei sale poate fi determinata de coordonatele varfului sau (dezavantajul acestei parametrizari poate fi faptul ca un con ce are un unghi foarte ascutit la varf poate avea varful foarte departe de volumul de masurare a masinii) si raza r sau diametru D a conului intr-o sectiune indicata de un punct ales pe axa. Acest punct este de regula punctul de definitie pe axa. in cazul parametrizarii in acord cu ISO, definirea punctului este de obicei luata ca fiind punctul pe axa cel mai apropiat centrului de greutate al tuturor punctelor de inspectare la masurarea conului. Pentru un con este necesara definirea directiei vectorului director al axei. In mod normal vectorul director se presupune ca se afla pe directia varfului. In metrologia in coordonate un con nu este limitat in lungime. Torul Pentru definirea unui tor este necesara definirea centrului sau precum si a orientarii si a celor doua raze r si R sau diametre d si D. Vectorul desenat in Fig. 16 poate fi interpretat ca un vector ce defineste directia axei torului sau un vector normal la planul de simetrie al torului.

Fig. 2.31. Parametri pentru descrierea unui Fig.2.32. Parametri pentru descrierea unui tor con in acord cu ISO 10360-2. in acord cu ISO 10360-2 Numarul gradelor de libertate reprezinta numarul parametrilor ce pot fi variati independent. Numarul gradelor de libertate pentru un element in parte este calculat ca suma urmatoarelor componente:  daca punctul este inclus in definitia elementului atunci acesta are trei grade de libertate (trei coordonate),  daca exista un vector in definitie, acesta va da doua grade de libertate (trei coordonate vectoriale minus o suprimare pentru lungimea vectorului, de exemplu radical din suma patratelor coordonatelor este 1) si  fiecare scalar (raza sau unghi) da un grad de libertate. Numarul gradelor de libertate pentru un element geometric standard sunt date in urmatorul tabel: Pozitia (x,y,z) Orientarea (u,v,w) Marimea (r,R,angle) Gradele de libertate Punctul x,y,z Sfera

3

x,y,z

r

4

Dreapta x,y,z

u,v,w

5

Planul

x,y,z

u,v,w

5

Cilindrul x,y,z

u,v,w

r

6

Cercul

x,y,z

u,v,w

r

6

Conul

x,y,z

u,v,w

r, unghiul

7

Torul

x,y,z

u,v,w

r,R

7

154

Distantele uzuale ce pot fi intalnite intr-un desen tehnic sunt:  punct – punct  punct – dreapta  punct –plan  dreapta - dreapta  dreapta – plan  plan– plan Termenul de punct contine in primul rand toate centrele cercurilor ale sferelor sau torurilor, insa poate fi uneori punctul de definitie al unei drepte, cilindru, plan sau con. Termenul de dreapta inglobeaza axa unui cilindru, con sau tor. In lista de mai sus termenul de punct este de regula inteles ca:  centrul unui cerc, sfera sau tor  varful unui con  punctul de intersectie al elementelor (de exemplu doua drepte, dreapta si cerc, linie si sfera, trei plane, etc.) In mod similar dreapta poate fi inteleasa ca:  axa unui cilindru, con sau tor  linia de intersectie dintre doua plane Distanta dintre doua puncte poate fi calculata din binecunoscuta formula geometrica: unde: x1, y1, z1, x2, y2, z2 sunt coordonatele primului si respectiv celui de-al doilea punct De cele mai multe ori in metrologi in coordonate se folosesc distantele pe directiile axelor sistemului de coordonate: Lx, Ly, Lz Distanta dintre un punct si plan este:  cea mai scurta distanta de la punct la plan sau  distanta dintre punct si proiectia sa pe plan Distanta dintre punct si dreapta este:  cea mai scurta distanta de la punct la dreapta sau  distanta dintre punct si proiectia sa pe dreapta Distanta dintre doua drepte este definita ca fiind cea mai scurta distanta dintre punctele acestor drepte. Exista doua orientari biunivoce posibile ale celor doua drepte luate in considerare:  drepte paralele  drepte disjuncte

155

Fig.2.33 Distanta dintre doua drepte in plan Fig.2.34Distanta dintre drepte paralele pentru functional (fp) un plan functional aflat la jumatatea cotei Dreptele nominale paralele nu vor fi in realitate niciodata paralele dupa masurare. Din acest motiv definitia data mai sus pentru distanta dintre doua drepte ca fiind distanta minima dintre punctele acestor linii, nu poate fi folosita. In cazul dreptelor nominal paralele programul de masurare poate calcula distanta unui punct ales de pe o dreapta pana la cealalta dreapta (vezi distanta punct dreapta). In aceste cazuri programul calculeaza distanta de la punctul de definitie al primei drepte pana la cea de-a doua linie. Pentru a elimina confuziile se recomanda a fi incluse informatii in plus in desen pentru a face posibila o interpretare unica. In acest scop se poate definii asa numitul „plan functional”. Acesta este planul nominal perpendicular pe dreapta unde trebuie masurata distanta ceruta. (Fig. 2.23). In acest desen dimensiunea 3 reprezinta cota la planul functional si de aici dreapta de referinta. Din acest motiv distanta dintre doua drepte paralele trebuie definita ca distanta dintre un punct si o dreapta. Daca punctul median a dreptei, ce nu este o dreapta de referinta este intr-un plan functional, nu este necesara indicarea pozitiei planului pe desen. Faptul ca dimensiunea este o distanta dintre punct si plan poate fi subliniat prin scrierea simbolului pd (distanta la punct) (Fig. 2.34) dupa valoarea dimensiunii. In acest caz distanta dintre drepte este definita ca distanta intre punctul median al dreptei pana la dreapta de referinta. Daca dreapta de referinta nu este indicata poate fi utilizata orice dreapta. Daca nu exista nici una dintre specificatiile de mai sus pentru pozitie a planului functional inseamna ca cerintele din desen se refera la distanta prin fiecare punct de la o dreapta la cealalta. Distanta dintre dreapta si plan poate fi calculata doar daca dreapta e paralela cu planul. Aceasta este distanta dintre dreapta si proiectia sa pe plan (Fig. 23).

Dreapta nominal paralela cu planul nu va fi niciodata in realitate paralela. In acest caz in definirea distantei dintre o dreapta si un plan apar probleme similare ca la definirea distantei dintre doua drepte Distanta dintre plane se poate determina doar pentru plane paralele, ca fiind distanta cea mai scurta intre doua punte continute intre cele doua plane. Planele nominal paralele nu vor fi in realitate paralele dupa masurare. in acest caz distanta dintre plane paralele in acord cu definitia de mai sus trebuie sa fie interpretata ca distanta dintre un punct si un plan. Trebuie consemnat faptul ca programul masinii nu contine de 156

obicei functiile ce permit rezolvarea problemelor sus mentionate. In situatii similare, operatorul masinii trebuie sa foloseasca aceste functii ale programului pentru a determina relatiile corecte.

Unghiul plan este definit pentru:  doua drepte continute in plan  doua drepte disjuncte - unghiul dintre ele este definit intr-un plan paralel cu ambele drepte.  o dreapta si un plan – ca unghiul dintre dreapta si proiectia sa pe plan  doua plane – ca unghiul dintre doua drepte ce se afla la intersectia planelor cu un plan perpendicular pe amandoua In lista de mai sus termenul de dreapta poate fi inteles ca:  axa unui cilindru con sau tor,  generatoarele conului,  linia de intersectie a doua plane. La calcularea unghiului dintre doua drepte sau doua plane se pot obtine doua unghiuri suplementare intre ele. La calcularea unghiului dintre vectorul unei drepte si vectorul unui plan se va obtine doua unghiuri complementare.

Simetria Calculul unui element de simetrie se refera la:  doua punte  doua drepte coplanare  doua plane In lista de mai sus termenul de punct se refera de regula la:  centrul unui cerc sfera sau tor

157



intersectia a doua elemente (de exemplu doua drepte, dreapta si cerc, linie si sfera, trei plane, etc.). In mod similar dreapta poate fi inteleasa ca:  axa unui cilindru, con sau tor  linia de intersectie a doua plane Intersectii Din punct de vedere teoretic se pot calcula intersectiile dintre oricare doua elemente geometrice. Datorita naturii tehnicilor de masurat in coordonate, nu toate posibilitatile pot fi incluse in programul masinilor. mai mult, definirea operatiei de intersectie este de multe ori foarte diferita decat cea arhicunoscuta din geometrie. Mai jos vor fi descrise cateva intersectii posibile. Intersectia dintre doua drepte este posibila doar daca ele sunt coplanare si neparalele Intersectia dintre o dreapta si un cerc este posibila doar pentru elemente coplanare. rezultatele intersectiei sunt materializate prin doua punct Intersectia dintre o dreapta si un plan este posibila doar pentru elemente neparalele. Rezultatul intersectiei este materializat printr-un punct Intersectia dintre o dreapta si suprafata unui cilindru este posibila doar cand dreapta si axa cilindrului nu sunt paralele. Rezultatul acestei intersectii reprezinta de regula doua puncte. Intersectia dintre o dreapta si suprafata unui con este posibila in orice conditii, fara orice restrictie asupra orientarii elementelor. Rezultatul intersectiei se traduce de regula prin doua puncte. Intersectia dintre o dreapta si sfera este materializat de regula prin doua puncte Intersectia dintre doua cercuri se realizeaza pentru doua cercuri coplanare. Rezultatul intersectiei este reprezentat de doua puncte. Intersecta dintre un cerc si un plan e posibila doar cand cercul si planul nu sunt nici paralele si nici coplanare. Din intersectie vor rezulta doua punte Intersectia dintre doua plane e posibila doar cand planele nu sunt paralele. Rezultatul intersectiei este o dreapta Intersectia dintre un plan si suprafata cilindrului este posibila doar cand planul si axa cilindrului nu sunt paralele. Rezultatul acestei intersectii poate sa fie un cerc sau la modul general o elipsa Intersectia dintre un plan si suprafata unui con este oricand posibila, fara nici o restrictie asupra orientarii elementelor. rezultatul intersectiei, in functie de orientarea elementelor, poate fi un cerc, o elipsa si teoretic, o hiperbola sau parabola Intersectia dintre un plan si o sfera este de regula un cerc Intersectia intre un cilindru si un con cand cilindrul si conul sunt coaxiali este un cerc. Deoarece din masurari reale nu se vor obtine niciodata elemente coaxiale, in programul de masurare, inaintea calcularii intersectiei, unul dintre elemente este transformat (deplasat sau rotit) pentru a fi coaxial cu celalalt element. Intersectia dintre un cilindru si o sfera - In cel mai simplu caz, cand centrul sferei se afla pe traiectoria axei cilindrului si raza sferei este mai mare decat raza cilindrului, rezultatul intersectiei il reprezinta doua cercuri. Deoarece din masurari reale nu se pot obtine elemente coaxiale, programul de masurare deplaseaza sfera perpendicular pe axa cilindrului astfel incat centrul sferei sa fie pe axa acestuia, inaintea calcularii intersectiei. Intersectia dintre doua conuri. - In cel mai simplu cand conurile sunt axiale rezultatul intersectiei este un cerc. Deoarece din masurari reale nu se vor obtine niciodata elemente coaxiale, in programul de masurare unul dintre elemente este transformat (deplasat sau rotit) pentru a fi coaxial cu celalalt element, inaintea calcularii intersectiei. Intersectia unui con cu un alt con poate fi generat in urmatoarea maniera: conul cu unghiul la varf mai deschis este

158

adus coaxial pe celalalt con. Varful noului con rezulta ca proiectie a vechiului varf pe axa conului ce are unghiul de deschidere mai ascutit. Intersectia dintre un con si o sfera - In cel mai simplu caz, cand centrul sferei se afla pe axa conului rezultatul intersectiei il reprezinta doua cercuri. Deoarece din masurari reale nu se pot obtine elemente coaxiale, programul de masurare deplaseaza sfera perpendicular pe axa con astfel incat centrul sferei sa fie pe axa acestuia, inaintea calcularii intersectiei, Intersectia dintre doua sfere - Intersectia a doua sfere este un cerc Vectorul normal la orice suprafata este un vector de lungime unitara indreptat inafara materialului piesei si este perpendicular pe suprafata intr-un punct dat.

Tipurile abaterilor pieselor afecteaza alegerea strategiei de inspectare. Din acest motiv, trebuie luat in considerare ca fiecare proces de fabricatie da nastere unor abateri tipice ale piesei.

Fig. 2.23: Abateri de forma

159

Pe langa geometria stiletului, rezultatele masurarii pot fi influentate de forta de palpare, viteza si orientarea. Sageata tijei stiletului introduce mari erori in rezultatele masurarii daca nu este efectuata o calificare a acestuia pentru a compensa aceste abateri. Calibrarea palpatorului este un pas obligatoriu la executarea unei masurari.  Alegerea modului de masurare Modurile de masurare ce se pot deosebi sunt palpare prin puncte singulare, scanare (automata) si auto-centrare (automata). Mai mult, se pot evidentia palpari interioare si palpari exterioare  Definirea strategiei de palpare (numarul de puncte, distanta dintre acestea, etc) Pentru a inregistra o geometrie reala corecta, numarul si distributia punctelor de palpare trebuie sa fie corect selectate. O masurare corecta se executa prin palparea intregii suprafete, punctele trebuind sa fie uniform distribuite, Achizitie corecta Achizitie incorecta a geometriei reale a geometriei reale

Distributie uniforma Distributie a punctelor neuniforma punctelor

Multe puncte palpare

de Putine puncte palpare

a

de

Fig.2.29 Distributia punctelor de masurare  

Definirea parametrilor de masurare (de exemplu directie, forta si viteza) Definirea criteriilor de evaluare Strategia de evaluare implica selectarea unor metode postprocesare de prelucrare a norului de puncte in vederea determinarii elementelor masurate. In postprocesare, datele inregistrate ce apartin elementelor masurate sunt filtrate pentru a izola informatia necesara. Alegerea unor filtre adecvate depinde de cativa parametrii cum ar fi marimea elementului masurat si numarul punctelor de inspectare. Selectionarea criteriului de evaluare depinde de relatia dintre elementele asociate, care au fost descrise prin elemente inlocuitoare. Criteriile de evaluare folosite sunt:  LSCI – Metoda celor mai mici patrate (criteriul gaussian)  MZCI –Elementul din zona minima  MCCI – Elememntul tangent (Cel mai mic cerc circumscris)  MICI – Elemnentul tangent (Cel mai mare cerc inscris) LSLI- Linia medie asociata celor mai mici LSCI - Cercul celor mai mici patrate patrate Linia medie asociată celor mai mici pătrate Metoda cercurilor celor mai mici pătrate este calculata prin metoda Gaussiană (bestpresupune că cea mai bună curbă care fit) fiind determinata astfel incit suma aproximeaza un nor de puncte este curba la pătratelor distanţelor dintre punctele masurate care suma abaterilor pătratice este minimă si linie sa fie minima. (cea mai mică eroare pătratică). Metoda este sensibilă la punctele izolate şi dă Rezultatul unui calcul prin criteriul Gaussian un rezultat bun prin utilizarea unui numar mic este o valoare medie 160

de puncte.

MZLI-Linia de referinta din zona minima Linia de referinţă din zona minimă dă o aproximare folosind calculul unui element geometric astfel încât să se obţină cea mai mică abatere maximă între linia ideală şi ceea măsurată. Se construiesc două linii paralele la o distanţă minimă incluzând toate punctele. Linia de sus trece prin două puncte, iar cea de jos printrunul. Între cele două este trasată o linie simetrică ce aproximează conturul. În acest fel, valorile extreme ale palpării au un impact asupra rezultatelor calculului. Rezultatul este îmbunătăţit pentru un număr mare de puncte măsurate. In functie de cerintele masurarii este recomandat să se elimine punctele izolate.

MZCI - Cercul din zona minima Prin definiţie, zona minimă presupune aranjarea celor două cercuri concentrice în aşa fel încât distanţa radială dintre ele să fie minimă. Centrul celor două cercuri concentrice este deplasat şi diametrele variate în aşa fel încât distanţa radială f, dintre aceste cercuri este minimă. Toate punctele măsurate sunt incluse şi pe cercurile concentrice stau cel puţin trei puncte măsurate. Punctele extreme se gasesc la distanta egala fata de elementul de inlocuire

OPLI, LOLI - Calculul elementelor tangente Elementul tangent este fie cel mai mare element posibil în afara căruia nu sunt situate puncte măsurate sau cel mai mic element în interiorul căruia nu există situate puncte 161

masurate. Această metodă necesită un număr mare de puncte, indispensabile pentru definirea şi documentarea condiţiei de măsurare şi evaluare Metoda OPLI determină linia ce trece prin punctele măsurate de sus şi toate celelalte puncte sunt sub ea. Metoda LOLI determină linia care trece prin punctele măsurate de jos şi toate celelalte puncte sunt deasupra ei.

MICI - cercul maxim inscris Elementul maxim înscris este mărimea maximă a unui element integral asociat unde toate punctele măsurate sunt în exteriorul sau pe elementul integral asociat. Elementul integral asociat maxim înscris este definit de un minim de trei puncte măsurate Centrul cercului este deplasat şi diametrul este maximizat până este găsit diametrul maxim în care toate punctele măsurate sunt în afara şi nici unul în interiorul elementului integral asociat MCCI - cercul minim inscris Elementul minim înscris este mărimea minimă a unui element integral asociat unde toate punctele măsurate sunt fie în interiorul fie pe elementul integral asociat. Toate punctele măsurate sunt incluse în elementul integral asociat. Centrul cercului este mutat şi diametrul este minimizat până când este găsit diametrul minim unde toate punctele sunt în afara elementului integral asociat.

2.5.3 Planificarea secventei de masurare Planificarea secventei de masurare se face inaintea efectuarii practice a catorva pasi de masurare in regim manual sau inaintea dezvoltarii programelor CNC. Secventele de masurare trebuie sa fie logic conectate intre ele pentru a permite o forma unitara a programului CNC. Aceste proceduri includ:  alegerea celor mai favorabile pozitii pentru masurarea tuturor elementelor din punct de vedere al imobilizarii si a alinierii piesei cu sistemele de palpatoare;  modificarea planelor de coordonate si respectiv rotatia si inclinarea palpatoarelor;  planificarea intregii secvente de masurare se face tinind cont de planele de siguranta si traiectoriile de miscare ale stiletului pentru a preveni coliziunile Din acest motiv, trebuie acordata atentie la:

162



elementele tolerate si bazele de toleranta, acestea trebuie masurate in ordine cronologica directa  traiectoriile de miscare principale (paralele cu axele de coordonate a masinii);  cat mai putine schimbari, rotiri si inclinari ale stiletului cu putinta;  toate elementele trebuie masurate intr-un numar minim de pozitii. 2.5.4 Executarea masurarii Executarea masurarilor presupune:  pregatirea echipamentului: verificarea documentelor, pregatirea dispozitivului de masurat, curatirea si aducerea piesei si a masinii la temperatura ambianta.

Fig.2.30 Pregatirea MMC si curatarea pieselor Piesele care urmeaza sa fie masurate sunt pastrate in incinta laboratorului pina cind temperatura lor se stabilizeaza si devine egala cu temperatura ambientului de masurare. Daca masina dispune de senzori pentru masurarea temperaturii programul de masurare va fi setat pentru utilizarea acestora astfel incit variantiile de temperatura sa fie compensate prin soft.  pozitionarea piesei si pregatirea masinii: orientarea si prinderea piesei, asamblarea sistemului de palpatoare Piesa trebuie sa fie fixata in cateva puncte, fara sa fie libera sau prea stransa, din timp ce masurarea se executa atunci cand asupra piesei nu apare nici o deformare. Astfel, se folosesc dispozitive de prinderesi aparate speciale de fixare. Piesa nu trebuie sa fie limitata ferm pentru a permite dilatarea termica, atunci cand exista o diferenta de temperatura. Dispozitivul de prindere trebuie astfel proiectat incat sa permita accesul la toate element ele masurat e.

163

Fig.2.31 Prinderea pieselor in dispozitive de fixare Daca se evalueaza procesul de productie, piesa se va masura in acelasi cuib in care a fost obtinuta. Demontarile repetate pentru executarea masurarilor vor fi evitate. De asemenea, trebuie acordata atentie la fixarea piesei cu magneti sau adezivi. Magnetismul poate influenta comportarea masinii si adezivii pot falsifica rezultatele atunci cand acestia acopera punctele inspectate  pornirea masinii de masurat: initializarea masinii si calibrarea palpatoarelor Initializarea masinii de masurat in coordonate consta in deplasarea in spatiu a senzorului pina intr-un punct care va ficonsiderat ca origine a sistemului de coordonate, XM=0; YM=0; ZM=0; (Fig.2.25) Calibrarea palpatoarelor Strategia de calibrare trebuie aleasa in in functie de sarcina si strategia de masurare , de exemplu daca masurarea se face prin masurare discontinua, palparea se poate face prin puncte dar in cazul in care masurarea se face prin scanare este corect ca si calibrarea sa se faca la fel. In cazul ideal directia si viteza de apropiere a stiletului ar trebui sa fie identice la calibrare si masurare. Prin cresterea numarului de puncte folosite la calibrarea varfului stiletului se obtine o acuratete mai mare a valoarii diametrului efectiv. Daca mediul de programare nu-i permite, utilizatorul trebui sa tina evidenta scrisa a datelor folosite la calibrarea sistemului de masurare si sa se asigure ca in timpul masurarii sferei de referinta se face o comparatie intre datele rezultate si cele din evidenta. Calibrarea se executa cu ajutorul unui calibru de forma sferica, (Fig.2.32) a carei raza este cunoscuta si tolerata intr-un cimp de ± 0,1 μm. Materialul din care este executata prezinta un coeficient de variatie foarte mic si rezistenta la uzura. Periodic sfera trebuie verificata. In functie de sarcina de masurare sistemele de palpatoare au lungimi, diametre si numere de componente diferite. Astfel incovoierea stiletului la contactul cu piesa variaza de la sistem la sistem. In cea mai simpla interpretare stiletul este incarcat cu o sarcina doar intr-un plan (xy in Fig.2.33 a). Daca tija stiletului este cilindrica si de rezistenta constanta in toate directiile, atunci incovoierea ei este independenta de directia fortei. In partea stanga a figurii este prezentata incovoierea tijei la o incarcare de-a lungul axei x. Sageata va fi aceeasi oricare ar fi directia incarcarii in planul xy. In figura din partea dreapta este aratat un grafic al valorii incovoierii si are forma unui cerc. Fig.2.32 Sfera de calibrare Intr-un astfel de caz calibrarea poate fi facuta prin masurarea unei sfere in 4 puncte

164

a)

b) c) Fig.2.33 Incovoierea tijei palpatorului la contactul cu sfera de calibrare In Fig.2.33 b este aratat un exemplu mai complex. Configuratia sistemului de stilete consta intr-o extensie verticala, un element de conectare si un stilet orizontal. Stiletul este incarcat in planul xy. In exemplu se presupune ca extensia are o rigiditate foarte mare, astfel nu este supusa incovoierii, dar rigiditatea la incovoiere si torsiune ale stiletului sunt mici. In acest exemplu sarcina verticala provoaca indoirea stiletului, iar sarcina orizontala provoaca indoirea stiletului si torsiunea extensiei. Se observa ca sageata pe axa y este mai mare decat cea pe axa z, astfel graficul caracteristicii are forma eliptica. Pentru a tine cont de caracteristica eliptica a incovoierii stiletului, in procedura de calibrare, strategia de masurare trebuie sa includa masurarea sferei de referinta in puncte opuse pe ecuatorul acesteia. Pentru o identificare corecta a centrului sferei este nevoie de inca doua masurari (pe langa cele ale polilor). In plus, daca presupunem ca rigiditatea la incovoiere a extensiei este mica, aceasta transforma caracteristica intr-un elipsoid, (Fig.2.33 c). In acest caz strategia de masurare consta in 5 puncte distribuite uniform in poli si ecuator si 15 puncte distribuite intamplator pe sfera de calificare.

Calibrarea unui stilet cu varf conic polul sferei de referinta este masurat cu varful conului iar pe urma se masoara de doua ori cate patru puncte (in doua sectiuni ale conului). Masurarea este efectuata in apropierea ecuatorului pe paralela pe care suprafata laterala a conului este tangenta cu sfera de referinta, pentru a evita contactul muchiei conului cu aceasta.

Calibrarea unui stilet cu varf cilindric se masoara polul sferei de referinta cu planul de baza al cilindrului iar pe urma de doua ori cate patru puncte (in doua sectiuni ale cilindrului). Masurarea se efectueaza la ecuator, unde suprafata laterala a cilindrului este tangenta cu sfera de referinta, pentru a evita contactul muchiei cilindrului cu aceasta.

165

VARIANTA 1 Calibrarea unui stilet cu varf-disc poate fi facuta prin masurarea polul sferei de referinta in cinci puncte – odata cu centrul planului de baza al discului si in patru puncte aproape de muchia discului – apoi in patru puncte in doua sau trei sectiuni pe langa ecuator, pe paralelele unde suprafata sferica a discului este tangenta cu sfera de referinta, pentru a evita contactul acesteia cu muchia discului

VARIANTA 2 Masurarea polului sferei de referinta in cinci puncte: trei puncte langa ecuator, de-a lungul unui meridian (pentru a localiza ecuatorul discului) si patru puncte pe ecuatorul sferei de referinta. Daca un stilet cu varf-disc se foloseste doar la masuratori 2D poate fi calibrat doar pentru diametrul sau cu un calibru inel

Calibrarea unui stilet cu varf-plan; polul sferei de referinta se masoara de cinci ori cu planul de baza al stiletului, langa centrul planului. Pentru a determina centrul stiletuluiplan se masoara patru puncte pe ecuator in mijlocul partii laterale a acestuia.

Calibrarea unui stilet cu varf ascutit; se masoara polul sferei de referinta si cel putin trei puncte in apropierea acestuia. Varful stiletului ascutit este deasemenea sferic, cu o raza foarte mica, deci trebuie masurate fragmente mici ale acesteia pentru a evita contactul cu partea sa conica.

In cazul calibrarii unor sisteme complexe de palpatoare este imposibil sa se efectueze calibrarea tuturor palpatoarelor intr-o singura pozitionare a calibrului sferic de referinta datorita posibilitatii de realizare a unor coliziuni. Intr-un astfel de caz este necesar sa se schimbe pozitia/orientarea calibrului de referinta si este necesar sa se determine noua pozitie cu un stilet calificat anterior, inaintea modificariii pozitiei.

166

Fig.2.34 Modificarea pozitiei calibrului sferic de referinta

Fig.2.25 Calibrarea unui palpator pe o cala Fig.2.36 Calibrarea cu calibru inel Pentru o acuratete maxima a masurarilor intr-o singura dimensiune calibrarile se pot face cu blocuri de cale. In acest fel acuratetea maxima poate fi obtinuta doar pe directia calei. Lungimea exacta a calei trebuie introdusa in softul MMC. In timpul calibrarii primele 3 puncte se masoara pe una dintre fete pentru stabilirea directiei masuratorii, iar pe urma se ia cate un punct pe fiecare fata (punctele 4 si 5 din Fig.2.35). Pentru masuratori in doua dimensiuni de acuratete ridicata (de exemplu diametre interioare si exterioare) se recomanda calibrarea cu piese de forme si dimensiuni similare. Calibrarea consta in masurarea unui cerc pe un inel de referinta si a planului perpendicular pe axa sa. In Fig.2.36 se arata ordinea punctelor de masurare. Punctele 1, 2 si 3 stabilesc orientarea calibrului, 4, 5 si 6 determina centrul lui iar 7 si 8 masoara exact diametrul si calibreaza palpatorul.

167