CC BY
47
Обеспечение точности измерения погрешностей формы и расположения поверхностей на основе инновационного оборудования
С. Б. Егоров,
к. т. н., доцент, кафедра автоматизированных систем обработки информации и управления, ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН» [email protected]
Т. П. Егорова,
н. с.,
кафедра автоматизированных систем обработки информации и управления, ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН»
А. В. Капитанов,
д. т. н., доцент, кафедра автоматизированных систем обработки информации и управления, ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН» [email protected]
Д. А. Локтев,
к. т. н., доцент, генеральный директор ООО «Технологические покрытия»
В. Г. Митрофанов,
д. т. н., профессор, кафедра автоматизированных систем обработки информации и управления, ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН»
В статье рассматриваются современный подход к обеспечению точности измерения погрешностей формы и расположения поверхностей на примере линейки приборов MarForm немецкой фирмы Mahr. Приводится подробное описание функциональных возможностей измерительного оборудования, используемого программного обеспечения, особенностей и принципов измерений в производственных и лабораторных условиях.
Ключевые слова: точность измерения, погрешность, формтестер, метрологические средства.
В современном производстве постоянно ужесточаются требования к точности обрабатываемых деталей. Это относится не только к линейным и диаметральным размерам, но и к погрешностям поверхности (контур и шероховатость) и, в значительной степени, к погрешностям формы и расположения поверхностей.
Ужесточение требований автоматически приводит к необходимости применения более точных средств измерения. В то же время, несмотря на повышение точности, необходимо стремиться к сохранению на прежнем уровне и даже к существенному сокраще-
нию производственных затрат. Добиться этого можно только оптимизацией производственных процессов, в том числе процесса измерения. Как следствие к средствам измерения предъявляются новые более жесткие требования в части автоматизации, времени процесса измерения, возможности измерения как можно большего количества параметров на одном приборе без переустановки. Только при выполнении этих требований можно говорить о сокращении производственных затрат.
Еще одной современной тенденцией является превращение метрологических средств из средств предот-
ю о
(N
N О N
СО
и
<
CQ О X X
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ
ю о
CN
cï о с^
оо
J <
со
вращения брака изделий в средства для корректировки технологических процессов. Эта тенденция предъявляет к системам измерения требования возможности расположения средств измерения непосредственно около обрабатывающего оборудования и возможность получения наглядного и как можно более полного протокола измерения для как можно более быстрой коррекции технологических процессов.
Все приборы для измерения формы серии MarForm имеют общую базу программного обеспечения MarWin на базе ПК Microsoft Windows 7, с помощью которого осуществляются не только измерения параметров формы, но и выполнение задач центрирования, позиционирования и документирования результатов измерения. Дружественный графический интерфейс предоставляет Вам полную информацию обо всех процессах.
Каждый из приборов серии MarForm позволяет вести статистический контроль качества деталей. В процессе измерения все результаты отображаются на мониторе с учетом соответствия размера полю допуска. По окончанию измерения и оценки программным обеспечением автоматически создается протокол с графическим и табличным представлением результатов измерения (рис. 1), который так же может являться и приемочным документом. Помимо этого все результаты сохраняются в файл, формат которого позволяет
^——s. MarWin Mahr у 2 00-е Control 2005 Sinsheim 4/14/2186 18 10.43 m »ri*r Administrator uiknckftt
Werkzeugaufnahme
MMQ44
Oemomefsprogramm
in
11
Т jpci_Kcgtlfoim_1
Rundhtil Zylindtr S104
R'jndheil_Zylifidei_104
Rufn3heit_Zylifidei_104
Rufidh«il_Zylind<!i_104
Ко ax_l on« fi_zu_Auss« n
Otudheit ><eo*i_line3f_2
Oeiadheit bejgiJineaM
Zyl<nd«rfoi»n_60 _2
J* LJ
vr
/
л
Г:
5731 2Э42С1
считывать данные практически любой из статистических программ. Тем самым получается возможность не просто получить полное представление о соответствии или несоответствии размеров полю допуска, но и провести статистический анализ этих данных и выявить причины возможной нестабильности производственного процесса (состояние инструмента, состояние оборудования и оснастки и т. д.).
В зависимости от конструкции и функциональности прибора и решаемых им задач, фирмой Mahr было разработано несколько программных модулей, полностью отвечающих требуемым задачам измерения формы (рис. 2).
EasyForm представляет собой программный модуль, ориентированный на быстрые и эффективные измерения осесимметричных деталей. Это самая простая в эксплуатации программа, ориентированная на применение с сенсорным монитором. Тем не менее, несмотря на простоту, это программное обеспечение позволяет эффективно измерять и оценивать погрешности формы и расположения.
С помощью программы AdvancedForm имеется возможность контролировать все параметры процесса измерения. Режим работы может быть настроен для соответствия индивидуальным требованиям, в зависимости от того, необходимо ли выполнить быстрое однократное измерение, провести запуск программы измерения серийной детали или преобразовать сложную измерительную задачу в программу измерений. Дополнением к ней служат функции:
• программирование путем обучения для создания, доработки и запуска измерительных программ с большим количеством опций;
• Quick&Easy (быстро и легко) для быстрого процесса измерений, обеспечивающего незамедлительный результат измерений с минимальным объемом работы;
• MarEdit (по дополнительному заказу) — рабочий уровень для инженеров по применению и подготовленных специалистов, для решения наиболее сложных и комплексных задач. AdvancedForm позволяет получить стандартизованные результаты измерений и оценки в понятном и представительном виде. Имеется возможность представления объекта в интерактивном режиме в трехмерном представлении в реальном времени.
Рис. 1. Пример протокола
Рис. 2. Программные модули на базе MarWin
Прибор измерения отклонений формы МагРогш ММЦ 100 (рис. 3) сконструирован специально для использования в производственных условиях. Несмотря на видимую простоту, это очень точный классический кругломер, обеспечивающий исключительную точность и надежность измерения. В сочетании с программной ЕазуРогш он представляет собой совершенное решение для выполнения измерительных задач — простое, эффективное и, главное, дешевое.
Как классический кругломер, ММЦ100 позволяет измерять:
• круглость (в том числе в секторах);
• концентричность;
• соосность;
• радиальное биение;
• плоскостность (по замерам нескольких круговых профилей);
• торцевое биение;
• параллельность противолежащих плоскостей (по замерам нескольких круговых профилей);
• гармонический анализ Фурье/анализ волнистости.
Конструктивно прибор представляет собой чугунное основание, на котором закреплена стойка с щупо-вой консолью, перемещающейся вручную как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. На столе прибора расположен вращающийся стол изделия с механизмом выравнивания детали (центрирования и наклона). Эти операции выполняются оператором с помощью программы, «подсказывающей» какую именно из ручек разного цвета, в каком направлении и на какую величину вращать.
Щуповая головка T20W с наконечником щупа с шариком диаметром 3 мм может быть вручную повернута на 190 градусов, что позволяет измерять поверх-
ности, расположенные под любым углом к оси детали, в том числе и труднодоступные. Кроме стандартного наконечника щупа можно дополнительно приобрести различные специализированные щупы, адаптированные для различных задач измерения в различных областях промышленности. Диапазон измерений щупа ±1000 мкм. Оператор может контролировать измерительное усилие щупа на деталь в диапазоне от 0,01 Н до 0,12 Н.
Формтестер MMQ 100 обладает следующими характеристиками:
• погрешность измерения круглости 0,025 мкм;
• погрешность измерения торцевого биения 0,02 мкм;
• максимальные габаритные размеры детали: высота 300 мм, диаметр 375 мм.
Прибор MMQ 100 может также управляться от ноутбука, таким образом обеспечивается мобильность использования (вес прибора всего 28 кг). Все, что требуется — розетка питания!
Автоматическая система измерения формы MarForm MMQ 200 (рис. 4) оснащена высокоточной стойкой с электроприводом по вертикальной оси (оси Z). Это позволяет существенно расширить, по сравнению с кругломером MMQ 100, возможности измерения погрешностей формы и расположения. Становится возможным проведение измерений с вертикальным трассированием и, следовательно, измерение цилиндричности, коничности, параллельности. Как следствие — дальнейшее сокращение брака, экономия времени и производственных затрат.
Все измерения и оценки отклонений от формы и расположения поверхности производятся в автоматизированном режиме и соответствуют DIN/ISO 1101.
С помощью этой системы можно контролировать детали по таким параметрам, как:
• круглость;
• прямолинейность;
• плоскостность (из кругового трассирования);
Рис. 3. Кругломер MarForm MMQ 100
Рис. 4. Кругломер MarForm MMQ 200
LO
о сч
ci о сч
со
S S
J <
CD
о
X X S
ю
о сч
сч о сч
со
J
<
СО
параллельность; коничность;
концентричность, соосность; биение, полное биение; цилиндричность; конусность;
перпендикулярность (из кругового трассирования);
угловое отклонение;
угловой сектор (круглость, плоскостность, биение);
• оценка прямолинейности в сечениях. Конструктивно кругломер ММ^ 200 состоит из
чугунного основания, высокоточной измерительную ось вращения (С) вместе со столом изделия и механизмом ручного выравнивания детали (центрирование и наклон), моторизированной вертикальной измерительной оси моторизированной горизонтальной оси позиционирования (Х), эргономичной панели управления (рис. 5), позволяющей, кроме управления осями прибора, запускать выбранные программы измерения с помощью кнопок Р1, Р2, Р3, а также щуповой головки. Помимо этого, в стандартную комплектацию входит трехкулачковый патрон диаметром 100 мм. Если базовая комплектация прибора не решает каких-то задач, в программе поставок присутствуют различные зажимные приспособления, щуповые консоли различной длины и с различной геометрией щуповых наконечников, в том числе и двойные щуповые консоли, а также разнообразные эталоны для калибровки.
Прибор MMQ 200 поставляется в двух исполнениях: в качестве измерительной установки с универсальным ручным щупом T20W и в качестве измерительной установки с моторизованным щупом T7W, позволяющим достичь следующей степени автоматизации благодаря единственной в своем роде конструкции (см. далее в разделе, посвященном системе MMQ400).
Кругломер можно использовать как в производственных условиях, так и в измерительных лабораториях. Система очень проста в эксплуатации, достаточно двух дней обучения для начала профессиональной работы с прибором.
Технические характеристики MMQ 200:
• погрешность измерения круглости 0,015 мкм;
• погрешность измерения торцевого биения 0,02 мкм;
• отклонение от прямолинеиности на протяжении
всего измерительного хода 0,3 мкм;
• максимальные габаритные размеры детали: высота
250 мм, диаметр 375 мм.
MMQ 200 стандартно используется совместно с программным обеспечением EasyForm. Но опционально можно расширить возможности прибора, добавив к нему программное обеспечение AdvancedForm и моторизованный щуп T7W. Тем самым получается комплексный подход к решению задач измерения отклонений формы и расположения поверхности.
Кроме того, кругломер MMQ200 является первой измерительной системой, позволяющей совместить измерение погрешностей формы и расположения с измерением шероховатости поверхности. Такое совмещение кажется абсолютно естественным и разумным, но впервые оно было реализовано на кругломере MarForm MMQ200 фирмы Mahr. Измерение шероховатости возможно только на кругломере MMQ200, оснащенном автоматической щуповой головкой T7W, так как только в этом случае возможно автоматическое позиционирование в рабочую позицию нужного щупа — с шариком для измерения формы или с алмазным наконечником для измерения шероховатости. На кругломере MMQ200 возможно применение только опорных щупов измерения шероховатости.
Универсальная измерительная система для оценки погрешностей формы и расположения широкого спектра деталей в соответствии с DIN/ISO 1101 MMQ400. В отличие от рассмотренной выше модели MMQ200, система MMQ400 оснащена дополнительно также измерительной горизонтальной осью Х, что позволяет проводить прямые измерения плоскостности и перпендикулярности. В то же время этот прибор может применяться как в условиях производства, так и в пунктах ОТК. Прибор предназначен в первую очередь для измерения высокоточных деталей, деталей большой длины и больших диаметров и тяжелых изделий.
Система MarForm 400-2 (рис. 6) поставляется в пяти исполнениях и может быть оптимально подобрана для решения любой задачи измерения. Варианты
Рис. 5. Панель управления
Рис. 6. Кругломер MarForm MMQ 400-2 и моторизованная звездочная щуповая консоль T7W
системы отличаются в первую очередь размерами зоны измерения:
• исполнение А — диапазон измерения по вертикальной измерительной оси Z до 350 мм, по горизонтальной измерительной оси Х до 180 мм;
• исполнение B — диапазон измерения по вертикальной измерительной оси Z до 500 мм, по горизонтальной измерительной оси Х до 280 мм;
• исполнение С — диапазон измерения по вертикальной измерительной оси Z до 900 мм, по горизонтальной измерительной оси Х до 280 мм. Кроме размеров рабочей зоны варианты системы
различаются исполнением системы выравнивания детали. В отличие от рассмотренным ранее кругломеров, система MMQ400 может быть оснащена столом изделия с автоматическим выравниванием детали. В этом случае центрирование и наклон стола осуществляется от электропривода. На кругломеры исполнений А и В можно установить либо ручную либо автоматическую систему, на кругломер исполнения С устанавливается только автоматическая система выравнивания. Таким образом и получаются пять вариантов систем. К ним в ближайшем будущем добавиться шестой вариант — кругломер исполнения С с задней бабкой.
Таким образом, система MarForm 400-2 может представлять собой полуавтоматическую установку с ручным центрированием и наклоном детали на столе изделия или полностью автоматическую установку, которая в сочетании с электроприводом центрирования и наклона стола и щупом T7W, является совершенным техническим решением для высокоточного контроля деталей без какого-либо вмешательства оператора.
Данный тип кругломера позволяет производить прямые измерения таких погрешностей, как: круглость; прямолинейность; плоскостность; параллельность; коничность;
концентричность, соосность; биение, полное биение; цилиндричность; конусность; перпендикулярность; угловое отклонение;
угловой сектор (круглость, плоскостность, биение);
• оценка прямолинейности в сечениях. Измерительный щуп T7W оснащен моторизованной осью вращения. Она позволяет устанавливать щуповую консоль в необходимое на данный момент угловое положения для измерения. Без вмешательства оператора происходит автоматический переход от внутренних измерений к наружным измерениям или переключение между измерениями торцовых поверхностей сверху и снизу. Щуповые консоли щупа T7W являются сменными, крепление осуществляется на магните и трех базирующих опорах. Благодаря моторизованной оси вращения могут использоваться щуповые консоли типа «звездочка» (рис. 5), что позволяет в течение одного измерительного процесса
переключаться на наконечники с различными геометрическими характеристиками.
Технические характеристики системы измерения отклонений формы и взаимного расположения поверхностей MMQ 400-2:
• погрешность измерения круглости 0,01 мкм;
• погрешность измерения торцевого биения 0,02 мкм;
• отклонение от прямолинейности на протяжении всего измерительного хода 0,3/0,4 мкм ^=350мм/ Z=500 мм).
Опция измерения контура и шероховатости детали. Выше уже была коротко рассмотрена опциональная возможность измерения шероховатости на кругломере MMQ200. Благодаря измерительной системе на механизированном приводе вертикальной оси появилась возможность трассирования контура в вертикальном направлении и, следовательно, возможность измерения шероховатости в продольном направлении по образующей детали. При этом отклонение контура (шероховатость) фиксируется самой щуповой головкой опорного типа.
Система MMQ400 оснащена измерительной системой также по горизонтальной оси. Как следствие, появляется возможность прямого измерения параметров в радиальном (относительно оси детали) направлении. В сочетании с продольным (осевым) трассированием это дает возможность «классического» измерения контура. Фактически это означает практическую возможность реализации нескольких метрологических задач на одной системе с минимальной стоимостью и затратами времени — возможность измерения формы и расположения, а так же шероховатости на одной системе измерения (рис. 7).
Что может быть лучше, чем возможность измерить и запротоколировать параметры шероховатости поверхности, например Ra и Rz, при измерении детали на кругломере MarForm? А затем, после измерения отклонений формы и расположения также решить задачи измерения контура без переноса детали на другую измерительную систему.
Кругломер MarForm MMQ400-2 с высокоточными круговыми и линейными осями позволяет измерить
ю о
CN
cï о N
оо
J <
СО
Рис. 7. Измерение контура и шероховатости детали на кругломере MarForm MMQ 400-2
ю о
CN
cî о N
оо
J <
CQ
параметры формы и расположения, затем с применением щупа с алмазным наконечником измерить шероховатость. А после этого, с применением общепринятого для этих целей щупа, путем перемещения по линейным осям с максимальным разрешением измерить контур детали. Все эти параметры измеряются и оцениваются согласно DIN/ISO 1101.
Благодаря этим функциям получается комплексное измерение детали, начиная с формы, заканчивая микронеровностью, на одной установке, сэкономив при этом время, средства, освободив рабочее пространство, а так же сократив число работающего персонала.
Заключение
Обеспечение точности измерения погрешностей формы и расположения поверхностей в производственных и лабораторных условиях было рассмотрено на примере линейки приборов MarForm немецкой фирмы Mahr, мирового лидера в этом направления. Эти приборы обеспечивают минимальную погрешность измерения отклонений формы и расположения и позволяют заказчику снизить стоимость изготовления без увеличения стоимости контроля продукции благодаря стабильным, прогрессивным приборам с высочайшим уровнем автоматизации, гибкости и комплексным измерением нескольких параметров.
Все рассмотренные приборы внесены в ГосРеестр средств измерения России. Поверка осуществляется одновременно с вводом прибора в эксплуатацию. После выполнения аккредитованным фирмой Mahr специалистом таких действий, как выравнивание стойки, калибровка прямолинейности, калибровка плоскостности, калибровка цилиндричности и т. д. программой генерируется документ, в котором содержатся все данные о проведенной калибровке и который одновременно служит сертификатом о поверке прибора.
Основные выводы данной статьи были использованы при подготовке отчетных материалов по выполнению прикладного научного исследования «Разработка элементов системы управления качеством машиностроительного производства на базе инновационного метрологического оборудования и многоуровневого программного обеспечения для статистического управления технологическим процессом», выполняемого в рамках Соглашение № 14.574.21.0127 от 28.11.2014 о предоставлении субсидии Министерством образования и науки РФ и ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН». Уникальный идентификатор проекта RFMEFI57414X0127.
Список использованных источников
1. Grigoriev S. N., Teleshevskii V. I., Glubokov A. V., Ped S. E., Glubokova S. V. The problems of metrological support for the preparation of production in machine construction. Measurement Techniques. 2012. Т. 55. № 5. С. 526-529.
2. Grigoriev S. N., Masterenko D. A., Teleshevskii V. I., Emelyanov P. N. Contemporary state and outlook for development of metrological assurance in the machine-building industry. Measurement Techniques. 2013. Т. 55. № 11. С. 1311-1315.
3. Егоров С. Б. Инновационное инженерное образование. Lambert Academic Publishing, ISBN: 978-3-659-61908-3, Copyright/© 2014 OmniScriptum GmbH & Co. KG.
4. Интегрированный учебно-методический комплекс по изучению технологического программирования, систем ЧПУ и разработке
управляющих программ. Егоров С. Б.//Фундаментальные исследования. - № 8, часть 1, 2014, С. 26-31.
5. Егоров С. Б. Техническое образование молодежи — центры технологической поддержки дополнительного образования детей//Фундаментальные исследования. - № 6, часть 5, 2014, С. 920-927.
6. Егоров С. Б. Учебно-методический комплекс-центр высокотехнологичного оборудования с ЧПУ и технологической подготовки производства//Современные проблемы науки и образования.
- 2014. - № 3, URL: www.science-education.ru/117-13240.
7. Егоров С. Б. Инновационный учебно-производственный комплекс на основе современного технологического оборудования с ЧПУ и интегрированной системы подготовки производства в области механообработки//Вестник МГТУ «СТАНКИН».
- № 3 (30), 2014, С. 31-35.
8. Инновационное инженерное образование. Учебно-методические комплексы. Методические указания. Российская академия естествознания, Москва, 2014, гриф УМО по классическому университетскому и техническому образованию Российской академии естествознания, 11.11.2014, протокол № 484).
9. Конов С. Г. Разработка координатно-измерительной машины контактного типа на базе фотограмметрической системы. Вестник МГТУ Станкин. 2010. № 2. С. 119-121.
10. Телешевский В. И., Соколов В. А. Лазерная измерительная информационная система для повышения точности многокоординатных станков с ЧПУ. Вестник МГТУ Станкин. 2011. № 4.С. 8-10.
11. Телешевский В. И., Шулепов А. В., Роздина Е. М. Повышение точности измерений линейно-угловых размеров изделий в интеллектуальной компьютерной микроскопии. Вестник МГТУ Станкин. 2011. № 4. С. 35-38.
12. Педь С. Е. Исследование методической погрешности координатных измерений диаметра и координат центра профилей цилиндрических поверхностей. Вестник МГТУ Станкин. 2012. Т. 1. № 1. С. 63-66.
13. Телешевский В. И., Шулепов А. В., Роздина Е. М. Повышение точности измерений линейно-угловых размеров изделий в интеллектуальной компьютерной микроскопии. Вестник МГТУ Станкин. 2011. № 4. С. 35-38.
14. Телешевский В. И., Шулепов А. В., Есин А. П. Методы повышения точности линейных измерений на измерительных микроскопах с помощью цифровой обработки оптических изображений. Вестник МГТУ Станкин. 2009. № 1. С. 102-107.
15. Митрофанов В. Г., Капитанов А. В., Искра Д. Е., Драчев О. И. Оптимизация технологических процессов механической обработки. Проблемы проектирования и автоматизации машиностроительных производств Сер. «Управление качеством технологических процессов в машиностроении» Тольятти, 2013. С. 40-51.
Ensuring the accuracy of the measurement errors of form and position of surfaces based on innovative equipment
S. B. Egorov, PhD of Technics, associate professor of Department «Automated Information Processing and Management», MSTU «STANKIN». T. P. Egorova, researcher of Department «Automated Information Processing and Management», MSTU «STANKIN». A. V. Kapitanov, Doctor of Technical Sciences, docent of the Department «Automated Information Processing and Management», MSTU «STANKIN». D. A. Loktev, PhD of Technics, associate professor, Head of «Technologicheskie pokrytiya» LLC. V. G. Mitrofanov, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department «Automated Information Processing and Management», MSTU «STANKIN».
The article deals with the modern approach to ensure the accuracy of the measurement errors of form and arrangement of surfaces on the example of the line appliances MarForm German company Mahr. A detailed description of the functionality of the measuring equipment, the software used, features and principles of measurement in production and laboratory.
Keywords: precision measurement error formtester, metrology tools.
