CNC metrology

Точность измерений в точке контакта

Развитие промышленности идет семимильными шагами, поэтому неудивительно, что из-за увеличения разнообразия и сложности производимых изделий измерительным системам приходится работать на пределе своих возможностей. Использование координатно-измерительных машин (КИМ) с измерительными системами датчиков и активный контроль на станках представляют собой два решения, предлагаемые компанией Renishaw с целью повышения производительности и поддержания самых высоких стандартов качества.

Успешное выполнение измерений существенным образом зависит от способности щупа датчика достигать определённого элемента, сохраняя затем точность в точке контакта.
Специалисты Renishaw использовали весь свой опыт в области проектирования датчиков и щупов с тем, чтобы разработать набор всевозможных щупов для КИМ и станков, обеспечивающих высочайшую точность измерений.

В данном разделе описаны самые важные характеристики каждой группы щупов, что поможет пользователю выбрать оптимальный для решения конкретной задачи щуп.

Что такое щуп?

Щуп представляет собой ту часть измерительной системы, которая соприкасается с деталью, приводя к срабатыванию датчика. Генерируемый сигнал позволяет получить данные измерений. Тип и размер используемого щупа определяется элементом детали, который необходимо измерить. Однако в любом случае самыми важными характеристиками щупа являются его жёсткость и степень сферичности его наконечника.

Для обеспечения этих характеристик стержни щупов компании Renishaw изготавливаются на станках с ЧПУ в соответствии с жёсткими стандартами. Большое внимание уделено обеспечению максимальной жёсткости установочных поверхностей, в то же время масса щупа оптимизирована под семейство датчиков компании Renishaw.

Фирменные сферические наконечники щупов компании Renishaw производятся по самым высоким стандартам и крепятся к стержню таким образом, чтобы обеспечить максимальную целостность соединения.

Точность контактных измерений сразу ухудшается из-за использования щупа с недостаточно круглым наконечником или наконечником, установленным не по центру, из-за некачественной посадки резьбы щупа или из-за неверно выбранного щупа, который излишне прогибается при контакте с контролируемой поверхностью. Для обеспечения целостности собираемых данных необходимо быть уверенным, что вы указываете и используете.

Терминология

Общая длина
Компания Renishaw использует стандартное определение общей длины, которая измеряется от задней установочной поверхности щупа до центра сферического наконечника (шарика).

Эффективная рабочая длина (ЭРД)
Эта величина измеряется от центра шарика до точки, в которой стержень соприкасается с поверхностью при выполнении измерения по нормали к детали.

Выбор щупа

Для сохранения точности измерений в точке контакта рекомендуется следовать приведенным ниже правилам.

  • Использовать короткие щупы.
Чем больше изгиб или отклонение щупа, тем ниже точность. Выполнение измерений с минимально возможной длиной щупа для конкретного случая применения является оптимальным решением.

  • Обеспечить минимальное количество соединений.
Каждое соединение щупа и удлинителей означает появление новых точек возможного изгиба или отклонения. Поэтому следует стремиться использовать минимально возможное число сочленений для данной конфигурации.

  • Использовать шарик наибольшего размера.
Это правило определяется двумя обстоятельствами:

  • первое – при большем размере шарика увеличивается зазор между шариком и стержнем и тем самым снижается вероятность ложных срабатываний, вызванных случайным касанием измеряемой поверхности стержнем;
  • второе – шарик большего размера снижает влияние качества обработки поверхности исследуемого компонента.

Номенклатура фирменных щупов компании Renishaw

Материал шарика

Синтетический рубин
Рубин относится к материалам, имеющим самую высокую твёрдость, и является стандартом в отрасли и оптимальным материалом для изготовления шарика щупов для обширного ряда измерительных задач. Синтетический рубин представляет собой 99 %-ную окись алюминия, монокристаллы которого выращиваются при 2000°C с использованием метода Вернейля.

Затем були режутся и постепенно обрабатываются до достижения ими точной сферической формы. Рубиновые шарики имеют исключительно гладкую поверхность, большую прочность на сжатие и высокую стойкость к механической коррозии.

Рубин является самым лучшим материалом для шарика при решении большинства задач, однако существует два случая, в которых рекомендуется использовать шарики из других материалов.

Первый случай относится к сканированию по алюминию при тяжёлом режиме работы. Из-за притяжения материалов может возникать явление, известное как адгезионный износ, при котором на шарике происходит нарастание алюминия, переходящего с контролируемой поверхности. В этих случаях лучшим материалом для изготовления шарика является нитрид кремния.

Второй случай относится к сканированию по чугуну при тяжёлом режиме работы. Взаимодействие между двумя материалами может привести к абразивному износу поверхности рубинового шарика. Для таких задач рекомендуется использовать щупы со сферическими наконечниками из двуокиси циркония.

Нитрид кремния

Многие свойства нитрида кремния сходны со свойствами рубина. Это очень твёрдый и износостойкий керамический материал, из которого при обработке можно получать сферы высокой точности. Поверхность шарика может быть дополнительно отполирована. Нитрид кремния не притягивает частицы алюминия, поэтому, в отличие от рубина, этот материал не подвержен адгезионному износу. Однако нитрид кремния имеет значительный абразивный износ при сканировании по стальным поверхностям, поэтому область его применения ограничивается главным образом алюминием.

Двуокись циркония

Двуокись циркония представляет собой исключительно прочный керамический материал, по твёрдости и износу мало уступающий рубину. Благодаря своим поверхностным свойствам этот материал идеально подходит для выполнения сканирования в жёстких условиях на деталях из чугуна.
Материал стержня

Сталь

Стержни, изготовленные из нержавеющей стали, широко применяются для щупов с диаметром шарика/наконечника 2 мм и более и длиной до 30 мм. В пределах этого диапазона цельные стальные стержни дают оптимальное соотношение жёсткость/масса и обеспечивают при этом адекватный зазор между шариком и стержнем без снижения жёсткости в месте соединения стержня и корпуса с резьбой.

Если потребуется какой-либо щуп с особыми свойствами материала шарика, свяжитесь с нами. Мы можем порекомендовать наиболее подходящий материал для сканирования различных материалов.

Карбид вольфрама

Стержни из карбида вольфрама оптимальны для достижения максимальной жёсткости при малых диаметрах стержня, необходимых для шариков диаметром не более 1 мм, или же в случае больших длин стержня, вплоть до 50 мм. За пределами этого диапазона масса становится критической, или же происходит потеря жёсткости из-за отклонения в месте присоединения стержня к корпусу.

Керамика

При длинах более 30 мм и диаметрах шариков более 3 мм керамические стержни обеспечивают жесткость, сравнимую со сталью, но при этом весят значительно меньше, чем такие же стержни из карбида вольфрама. Щупы с керамическим стержнем обеспечивают, кроме того, дополнительную защиту датчика от повреждения при столкновении с препятствием, поскольку при этом происходит разрушение стержня. Углеродное волокно (Renishaw GF)

Существует много разновидностей материалов из углеводородного волокна. Однако волокно Renishaw GF обладает оптимальными характеристиками жёсткости как в продольном направлении, так и при кручении (что важно для конструкций по схеме «звезда») при исключительно малой массе. Углеродное волокно является инертным, и при добавлении специальной смоляной матрицы полученный материал обеспечивает прекрасную защиту в самых жёстких условиях работы станков.

Углеродное волокно Renishaw GF идеально для получения максимальной жёсткости в сочетании с очень малой массой щупов длиной более 50 мм. Это оптимальный материал для стержня в случае прецизионных датчиков, использующих технологию тензометров. Он отличается превосходными характеристиками, определяющими демпфирование колебаний, и пренебрежимо малым коэффициентом термического расширения.

Номенклатура фирменных щупов компании Renishaw включает в себя следующие категории щупов:
Прямые щупы
Это самая простая форма щупа, которая включает в себя промышленные шарики из синтетического рубина с высокой степенью сферичности и стержень, изготовленный из различных материалов.

Рубин является очень твёрдым материалом, и поэтому износ щупа минимален. Он также имеет низкую плотность, что обеспечивает малую массу наконечника. Это позволяет избежать нежелательного срабатывания датчика, вызванного движением или вибрацией станка.

Установленные на стержнях, которые изготовлены из различных материалов – нержавеющей стали, карбида вольфрама, керамики и специализированного материала из углеродного волокна, Renishaw GF, – эти простые щупы со сферическим наконечником из рубина подходят для большинства видов измерений.

Каждый щуп характеризуется эффективной рабочей длиной (ЭРД), которая представляет собой расстояние, на которое может проникнуть шарик, прежде чем стержень щупа соприкоснётся с поверхностью детали.

Размер шарика, а также ЭРД выбранного щупа определяются размером измеряемого элемента. Однако использование щупа с шариком максимально возможного размера и с наиболее коротким стержнем обеспечивает максимальный зазор между шариком и стержнем и даёт более высокое значение ЭРД при сохранении жёсткости. Кроме того, более крупный шарик снижает влияние качества обработки поверхности измеряемого компонента.

В случае стандартных кинематических контактных датчиков не рекомендуется выполнять контактные измерения с использованием комбинаций слишком длинных щупов и удлинителей, поскольку это приводит к снижению жёсткости и потере точности из-за изгиба щупа. Данная ситуация не применима к другим типам датчиков, например, использующим тензометрические технологии, так как их очень низкие усилия срабатывания позволяют использовать комбинации длинного щупа и удлинителя без существенной потери точности.
Звездообразные щупы
Эта группа щупов предоставляет возможность проведения измерений сложных элементов и отверстий с использованием нескольких наконечников. Системы, включающие в себя четыре или пять рубиновых наконечников, жёстко смонтированы на центральном элементе из нержавеющей стали. Предлагается три стандартных размера, а также в качестве альтернативы возможно создание индивидуальных звездообразных щупов с использованием 5-позиционного центра щупа и любых щупов из номенклатуры фирменных щупов Renishaw.

Звездообразные щупы могут применяться для контроля большого числа различных элементов. Их использование может сократить время измерительного цикла за счёт использования нескольких наконечников, сводя к минимуму необходимость перемещения щупа к крайним точкам внутренних элементов, таких как стороны или канавки в отверстии. Использование звездообразных щупов также позволяет выполнять эффективные измерения по оси Z (вверх) с использованием 5-позиционного датчика, при условии что кончики щупов выступают за пределы диаметра корпуса датчика. Каждый наконечник звездообразного щупа требует выверки по базе отсчета (иногда называемой «контроль исходного положения» или «калибровка») таким же образом, как это происходит в случае щупа с единственным наконечником. «Размах» звездообразных щупов измеряется между центрами шариков.
Щупы с дисковыми наконечниками
Такие щупы используются для измерения выточек и канавок внутри отверстий, которые могут быть недоступны для звездообразных щупов. Эти щупы представляют собой «сечения» шариков с высокой степенью сферичности и выполняются с различными значениями диаметра и толщины. Полная регулировка вращения и возможность добавления центрального щупа являются отличительными особенностями семейства дисковых щупов Renishaw, благодаря которым достигается их универсальность и простота в использовании.

Контактное измерение «сферическим краем» простого диска практически аналогично контактным измерениям на экваторе большого шарика щупа или вблизи него. Однако для контакта доступна лишь малая часть поверхности этого шарика, и, следовательно, более тонкие диски требуют тщательного углового выравнивания для обеспечения правильного контакта с измеряемым элементом.

Простой диск требует выполнения процедуры калибровки только для одного диаметра (обычно в эталонном кольце), но позволяет проводить результативные измерения лишь в направлениях Х и Y.

Добавление «валика на конце радиуса» позволяет калибровать щуп по оси Z и, следовательно, выполнять измерения по этой оси, при условии что центр «валика на конце радиуса» находится за пределами диаметра датчика. «Валик на конце радиуса» может калиброваться на сфере или на калибровочном бруске. Вращение и фиксация диска относительно его центральной оси позволяет позиционировать «валик на конце радиуса» с учётом решаемой задачи.

Диски могут также иметь по центру резьбу для крепления центрального щупа, что даёт дополнительную возможность выполнять измерения дна глубоких отверстий (куда доступ диска может быть ограниченным).

Специализированные щупы

Предусмотрен ряд специализированных щупов для выполнения измерений таких элементов, как резьбовые поверхности, тонкие срезы материала, а также при наладке инструмента и других случаях применения.
Щупы с цилиндрическим наконечником
Цилиндрические щупы используются для контактных измерений отверстий в тонколистовых материалах. Кроме того, ими можно измерять различные резьбовые элементы и определять положение центров резьбовых отверстий, обработанных метчиком. Цилиндрические щупы со сферическим наконечником позволяют выполнять выверку по базе отсчёта и измерения по осям Х, Y и Z, что даёт возможность выполнять контроль качества поверхности.
Стрелочные щупы и щупы с полым керамическим шариком
Стрелочные (игольчатые) щупы предназначены для измерения параметров резьбовых поверхностей, особых точек и разметочных линий (с более низкой точностью). Использование щупа с иглой (стрелкой) на конце радиуса позволяет более точно выполнять калибровку и измерение параметров элементов. Кроме того, такой щуп может использоваться для контроля положения очень маленьких отверстий.

Щупы с полой керамической полусферой идеально подходят для измерения глубоких элементов и отверстий в направлениях Х, Y и Z, причем выверка по базе отсчёта выполняется только для одного шарика. Существует две модификации таких щупов: диаметром 18 мм и 30 мм, которые предназначены для датчиков TP2 / TP20 / TP200 и TP6 соответственно. Контактные измерения с помощью шарика, имеющего такой большой диаметр, могут усреднить влияние очень грубых поверхностей.
Щупы для наладки инструмента
Щупы для наладки инструмента обычно снабжаются квадратным наконечником и могут иметь насадки для гладкого вала или вала с резьбой.
Грани наконечника отшлифованы, что обеспечивает высокую точность взаимной перпендикулярности соседних граней и высокую точность параллельности противоположных граней. Датчик TS27R для наладки инструмента на обрабатывающих центрах также может быть укомплектован щупом с дисковым наконечником из карбида вольфрама.
Слабое звено (ломкий предохранитель)
Назначение ломких предохранителей компании Renishaw для защиты щупа от столкновения с препятствием состоит в том, чтобы в случае соударения разрушиться и тем самым обеспечить защиту датчика от поломки.

Принадлежности и инструменты

Широкий ассортимент принадлежностей, включая удлинения, 4- и 5-позиционные центры и шарнирные сочленения, дополняют номенклатуру фирменных щупов компании Renishaw для обеспечения полного гибкого контроля.
Центры звездообразных сборок щупов
Центральная ось (центр) для щупов обеспечивает максимальную эксплуатационную гибкость при выполнении контактных измерений с использованием единственного датчика.
Используя до 5 щупов на монтажном приспособлении с резьбой, можно создавать собственные конфигурации в соответствии с конкретными задачами.
Шарнирные сочленения
Шарнир щупа позволяет выполнять регулировку относительно двух осей и тем самым ориентировать щуп для выполнения измерений наклонных элементов.
Такая регулировка особенно полезна, когда невозможно правильно сориентировать измерительную головку или когда доступ к головке ограничен.
Удлинители щупов
Удлинители щупов дают возможность расширить доступную для измерений зону за счёт удаления щупа от датчика.
Однако использование удлинителей щупа может привести к снижению точности в связи с потерей жёсткости.
Это ограничение отсутствует в случае электронных датчиков: очень низкие значения усилия срабатывания делают датчики менее чувствительными к погрешности такого рода.
Резьбовые переходники
Резьбовые переходники для щупов позволяют выполнять замену щупов с резьбой M2, M3, M4 и M5 на большинстве контактных датчиков.
Эти переходники особенно полезны для использования широкого ассортимента специализированных щупов М2 на более крупных датчиках.