Определение достоверных методик проведения измерений на координатно-измерительных машинах

УДК 531.7:54.08

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОСТОВЕРНЫХ МЕТОДИК ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ НА КООРДИНАТНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МАШИНАХ

DETERMINATION OF RELIABLE TECHNIQUES FOR CARRYING OUT MEASUREMENTS ON COORDINATE-MEASURING MACHINES

А. В. Тигнибидин, Л. В. Зайнуллина, В. А. Ромащенко

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

A. V. Tignibidin, L. V. Zainullina, V. A. Romashchenko

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. Координатно-измерительные машины (КИМ) набирают популярность на производственных предприятиях среди наиболее универсальных средств определения геометрических характеристик деталей. Среди большого числа предложений производителей КИМ можно приобрести подходящую модель исходя из габаритов контролируемого изделия, точности измерения и множества дополнительных функций. Анализ существующих методик проведения измерений на КИМ показывает, что расположение детали в измерительной зоне и место калибровки измерительного наконечника не влияет на результат измерения. В данной статье приведены экспериментальные исследования измерения эталонного кольца на гексоподной (шестиосевой) КИМ в разных положениях, при разных расстояниях от места калибровки по сфере и разном положении калибровки измерительного наконечника. По полученным результатам можно увидеть наиболее приближенные значения полученных значений диаметра кольца и отклонения от круглости в зависимости от положения калибровочной сферы и угла калибровки измерительного наконечника. В работе показана разница результатов многократных измерений эталонного кольца в зависимости от методики измерения.

Ключевые слова: координатно-измерительные машины, погрешность измерений, снижение брака, методика измерений.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-1-185-191

I. Введение

Качество изделий машиностроения, радиоэлектроники и приборостроения во многом определяется геометрической точностью изготовления деталей. Значительную долю всех измерений в современном производстве составляет измерение линейных размером. В качестве широкоуниверсальных средств определения геометрических характеристик получили распространение средства измерений, в которых применяется координатный метод, суть которого состоит в последовательном нахождении координат ряда точек поверхности в пространстве и последующем расчете размеров изделия. Особенностью координатных измерений является непосредственное измерение отдельных точек поверхностей элементов детали и расчет по полученным результатам нормируемых геометрических параметров.

Такие устройства не только позволяют измерять разнообразные геометрические характеристики (в том числе отклонения формы и расположения поверхностей) деталей различных типов, но и хорошо подходят для автоматизации процесса контроля и измерения. Именно это обусловило применение координатных измерительных машин в составе современных гибких производственных систем.

Существующие координатные измерительные устройства включают, как правило, линейные измерительные системы, которые работают в декартовых координатах. В некоторых координатных измерителях предусмотрено измерение угловой координаты. В большинстве случаев все измерительные приборы измеряют координаты только в одномерной либо двумерной плоскости. В предыдущих работах [1] рассматривались приборы для контроля линейных размеров непосредственно во время обработки. КИМ чаще всего используются в лабораторных условиях, что не позволяет оперативно оценить размеры изделий на станке, но авторы статьи работают над созданием портативной мобильной координатно-измерительной машины в виде стилуса.

II. Постановка задачи

Все средства измерения имеют случайные и систематические составляющие погрешности. КИМ также включает в себя эти погрешности. Закономерное изменение результатов при повторных измерениях или постоянная ошибка показывают наличие систематической погрешности. Появление систематической погрешности обусловлено отклонением одного из параметров условия измерения от заданного значения либо механическим износом деталей и старением электронных компонентов измерительного средства. Примером может послужить износ места касания на измерительном наконечнике. Такую погрешность легко выявить и исключить из результатов измерений. Для этого необходимо ввести поправочный коэффициент или провести калибровку средства измерения. В результате проведения расчетов и внесения поправок систематической погрешности может наблюдаться незначительный остаток. Случайные погрешности, в отличие от систематических, не имеют закономерностей и их невозможно исключить. Выявить случайную погрешность возможно после многократных измерений [2] одной и той же физической величины при одинаковых внешних условиях одним средством измерения [3].

В рассмотренных источниках подробно описаны процессы измерения [6], обработки результатов [2] с учетом компенсации некоторых ошибок и погрешностей [4] и оценки точности конкретного оборудования [5]. Но в исследованиях [3, 4, 5, 6, 7] приведены расчеты для одного вида детали. Следовательно, результаты не являются универсальными, и для каждого отдельного случая будут иметь место дополнительные погрешности, обусловленные особенностями геометрии детали и применяемого оборудования. Для наиболее точного измерения важно анализировать рассмотренные результаты с учётом расположения детали на рабочей зоне КИМ. Результаты данной статьи помогают снизить методическую погрешность и стабилизировать данные за счёт оптимального положения наконечника щупа и проведения измерений возле места калибровки.

На точность измерения при использовании КИМ могут влиять следующие погрешности (рис. 1):

I

Компоненты погрешностей координатных перемещений, измерения и отсчета поверхности.

Механической конструкции:

- несоблюдение принципа Аббе;

- отклонения от прямоугольности

координатных перемещений;

- отклонения от прямолинейности

координатных перемещений;

- угловые отклонения при координатных перемещениях.

Измерительных систем: - накопленная погрешность;

- погрешность интерполяции;

- сходимость отсчета;

- дискретность отсчета;

- электрическая и механическая

инерционность.

Измерительных головок:

- сходимость отсчета;

- неодинаковость чувствительности в различных направлениях измерения;

- непостоянство нулевого положения;

- измерительное усилие и его неодинаковость в различных

направлениях;

- погрешности формы измерительных

наконечников;

- механическая и электрическая

инерционность; - погрешность калибровки.

Погрешность сбора информации об измеряемой поверхности.

II

Факторы детали: - дефекты поверзности; запыленность и загрязненность поверхности; - модуль упругости и твердость.

- отклонения формы; - шероховатость;  температурные отклонения.

III

Факторы окружающей среды:

- температурные отклонения;

- колебания и деформации пола;

- электромагнитные помехи; запыленность и загрязненность

СОЖ; - изменение давления; - изменение влажности.

Обработка и представление результатов измерения: порядок измерения; определение базовых поверхностей для оценки результатов измерения;

- формулировка задач измерения;

• алгоритмы и программы расчета ГЭ;

- ограниченная точность расчетов;

- погрешность устройств представления результатов.

IV

Факторы эксплуатации:

- старение;

- изнашивание;

- деюстировка;

- коррозия.

масса

Рис. 1. Обобщенная схема погрешностей измерения

- от измерительной системы - зависит от возникающих погрешностей применения шкал или масштабов, различных преобразований системы отсчета и точности параллельного расположения системы отсчета относительно системы координат. Погрешности измерительной системы в основном систематические и могут исключаться с помощью внесения коэффициентов и поправок в вычислительную программу компьютера;

- от механической конструкции - зависит от прямолинейности и перпендикулярности перемещения измерительного наконечника относительно координатных осей. На появление погрешности влияют точность направляющих, качество монтажа, наличие зазоров и силы трения в направляющих, деформация деталей и узлов средства измерения из-за большой массы подвижных элементов, наличие инерционности. Могут возникать как случайные, так и систематические погрешности;

- от факторов воздействия внешней среды - зависит от влияния на средство измерения и контролируемую деталь деформаций, температуры, влажности в помещении, вибрации от внешних и внутренних источников. Температурная деформация или влияние коэффициента линейного расширения на размеры возникает при отклонении температуры от стандартной 20°С, а также изменений температуры во время измерения и различие температуры детали и средства измерения (КИМ). Влияние вибрации может привести к нарушению настройки измерительных шкал и повлиять на смещение настройки наконечника контактного датчика. Компенсировать влияние окружающей среды на погрешность измерения практически невозможно, поэтому КИМ нужно всегда устанавливать на виброизолирующем фундаменте, в специальных помещениях, с возможностью поддержания постоянной температуры, а детали перед измерениями необходимо некоторое время выдержать на машине, чтобы их температуры выровнялись. Влажность воздуха также влияет на деформации узлов машины, особенно изготовленные из гранита. К внешним источникам, составляющим погрешности измерения, следует отнести и неправильную базировку детали на столе;

- от контактирования - появление данной погрешности зависит от динамических сил при измерении, как правило, измерение во время движения. Существуют электронные и переключающиеся измерительные датчики. Электронные измерительные датчики контакта определяют значение координат точки контакта в статических условиях (при остановке подвижных элементов). Переключающие измерительные датчики контакта определяют координаты в динамических условиях измерения во время перемещения узлов КИМ. Таким образом, погрешность контактирования датчиков будет отличаться. Скорость у датчиков переключения выше, но электронные измерительные датчики точнее. В процессе контакта измерительного датчика с деталью происходит деформация стержня, на котором закреплен наконечник. Это приводит к появлению погрешности;

- методические погрешности - данная погрешность очень важна при измерении на КИМ, т.к. измерение отдельных точек в пространстве разными методами дает разные результаты. Идеально попасть в одну и ту же точку невозможно, так же как и измерить абсолютно все точки поверхности. В связи с этим возможные выступы поверхности могут быть упущены при измерении и не аппроксимированы при построении поверхности. В качестве примера можно рассмотреть окружность. Для построения круга требуется минимум три точки на поверхности. Учитывая отклонение от круглости, диаметральные размеры также будут постоянно меняться в зависимости от расположения точек контакта. Это значит, что методическая составляющая погрешности зависит от применяемой методики, влияющей на определение действительного размера элементов деталей. Более того, на методическую погрешность будет влиять отклонение формы. Для уменьшения влияния отклонения формы необходимо снимать большее количество точек с поверхности. Еще один фактор, влияющий на методическую погрешность, - алгоритм обработки результатов измерения точек реальной поверхности деталей, имеющих отклонение формы.

III. Теория

После измерения множества точек в большинстве КИМ рассчитывается средний размер измеряемого элемента (в зависимости от установленного метрологического программного обеспечения существует возможность выбора между расчетом по принципу среднего значения или «минимум-максимум»). Однако при нормировании точности геометрических характеристик, которые относятся к размерам, отклонениям формы и расположения, за основу принимается прилегающая поверхность. Так, размер идеального цилиндра, который проходит через выступающие точки реального цилиндра (прилегающий или описанный цилиндр), принимают за наибольший размер вала. При расчетах результатов измерения на КИМ определяются размеры и положения не прилегающих, а средних поверхностей. Чаще всего оси прилегающих цилиндров и средних цилиндров не совпадают, следовательно, из-за неточности алгоритма, по которому производят расчет, в результат математической обработки войдет методическая ошибка. Расчет средних поверхностей вместо прилегающих связан с тем, что этот расчет наиболее прост и занимает меньше машинного времени (его часто называют методом наименьших квадратов). Кроме того, методическая погрешность измерения имеет место и при других видах измерений.

То есть, измеряя диаметр вала с использованием микрометра нельзя, найти диаметр прилегающего цилиндра для определения максимального диаметра. Но при этих измерениях оператор не связан измерением ограниченного числа точек, а производит некоторое число измерений, направленных на то, чтобы выявить предельные размеры. При этом для одинаковых деталей последовательность измерений и число измеренных сечений может быть разным. Но для КИМ, где методика измерений в большинстве случаев задана программным обеспечением, а процесс измерения относится только к отдельным точкам, методическая составляющая погрешности измерения является специфичной и, как правило, доминирующей погрешностью.

Согласно международному «Руководству по выражению неопределенности измерения GUM» в большинстве случаев измеряемая величина Y вычисляется из N других величин Xj, X2, ..., XN, связанных следующей функциональной зависимостью: Y=f(Xj, X2, ..., XN). Стандартная неопределенность функции f может быть определена как

Данная функция используется в методе измерения и обработки результатов. В зависимости от того, каким образом вычислена неопределенность, значения XN можно условно разделить на два вида:

- вычисление неопределенности, основанное на статистических наблюдениях многочисленных измерений;

- вычисление неопределенности, которое не основано на статистических наблюдениях многочисленных измерений (например, предыдущие данные измерений, справочные данные спецификации производителя) [11].

Под точностной характеристикой непосредственно КИМ чаще всего понимается величина ошибки МРЕе (MaximumPеrmissiblеЕrror - предел основной допускаемой погрешности), которую определяют в группе стандартов ISO 10360. Такая характеристика имеет вид MPEB = А + —, где L - длина измеряемого объекта, мм; А, К

К

- постоянные, характеризующие КИМ. Так, для координатно-измерительной машины фирмы «Лапик» КИМ-750 МРЕе составляет ±(2.0+ L/280) мкм.

Большинство КИМ фиксируют координаты (x, y, z) центра щупа, поэтому характеристики точности самой КИМ можно привести к неопределенности измерения координат точек (x, y, z).

Для оценки неопределенности измерений, как правило, применяют результаты межлабораторных исследований по СТБ ИСО 5725 и ISO/ТС 12748 «Руководство по применению оценок повторяемости, воспроизводимости и правильности при оценке неопределенности измерения». Межлабораторные исследования чаще всего проводят при оценке точности методов выполнения измерений и их валидации. Оценка точности и смещения -результат межлабораторных исследований, которые могут быть типичными при выполнении определенной методики выполнения измерений и поэтому могут использоваться любой лабораторией, применяющей данный метод измерений в случае, если испытания проводятся в соответствии со стандартной (документированной) процедурой. Условия измерений и контрольные образцы должны быть согласованы с теми, которые использовались при межлабораторном сличении. Правильность и прецизионность измерений при осуществлении лабораторией методики испытания сравнимы с данными межлабораторных сличений. Для стандартных методик испытаний правильность и точность следует определять через межлабораторные сличения (СТБ ИСО 5725-2). Основные характеристики точности, которые получаются при таких исследованиях:

sr - стандартный параметр отклонения повторяемости;

sR - стандартный параметр отклонения межлабораторной воспроизводимости.

Для оценки неопределенности измерения используют стандартный параметр отклонения воспроизводимости sR, как включающее большее в сравнении со стандартным параметром отклонения повторяемости sr количество составляющих неопределенности.

IV. Результаты экспериментов

Измерения проводились в трех положениях калибровки измерительной головки КИМ: 180°, 90° и 45°. Учитывая, что погрешность КИМ возрастает от измеряемой длины или диаметра и составляет в нашем случае ±2.2 мкм, определим по графикам достоверность полученных результатов. На графике рис. 2 видно, что при многократных измерениях диаметра отверстия эталонного кольца в различных точках измерительного стола получаем рассеивание размеров в пределах допустимых погрешностей КИМ. Стоит заметить, что при отдалении от нулевой точки, в которой проводилась калибровка по эталонной сфере, значения результатов измерения диаметра уходят в меньшую сторону.

Рис. 2. Результаты измерения диаметра

эталонного кольца при положении калибровки измерительной головки 180°

Рис. 3. Результаты измерения диаметра

эталонного кольца при положении калибровки измерительной головки 90°

Рис. 4. Результаты измерения диаметра

эталонного кольца при положении калибровки измерительной головки 45°

Рис. 5. Результаты измерения цилиндричности эталонного кольца при положении калибровки измерительной головки 180°

Помимо измерения диаметрального размера выполнялся контроль отклонения от цилиндричности. На рис. 5, 6 и 7 представлены результаты в зависимости от угла калибровки измерительного наконечника и положения на измерительном столе относительно начальной точки калибровки по сфере.

Рис. 6. Результаты измерения цилиндричности эталонного кольца при положении калибровки измерительной головки 90°

Рис. 7. Результаты измерения цилиндричности эталонного кольца при положении калибровки измерительной головки 45°

V. Обсуждение результатов Экспериментальные исследования проводились на стационарной гексоподной КИМ производства фирмы ЛАПИК (рис. 8). Рабочая измерительная зона стола была разделена на сектора с интервалом 100 мм (рис. 9). В каждой точке были проведены измерения диаметра отверстия эталонного кольца. Калибровка измерительного наконечника проводилась в начальной точке осей X и У. После калибровки кольцо смещалось по разметке и измерялось 10 раз. Измерения проводились в автоматическом режиме. Цилиндр был разделен на 3 сечения по 12 измерительных точек в каждом.

Рис. 8. Проведение экспериментальных исследований измерения эталонного кольца на КИМ

Рис. 9. Положение мест измерения на рабочем столе КИМ

Результаты экспериментальных исследований проводились на одной КИМ, и авторы не удостоверяют, что на других КИМ будут аналогичные результаты. Благодаря проведению исследований на КИМ с эталонной деталью, можно получить наиболее приближенные значения к реальным геометрическим характеристикам детали. После проведения исследований можно выбрать достоверную методику для проведения измерений других номенклатур деталей на производстве. При проведении измерений эталонного кольца некоторые результаты выходили за диапазон погрешности КИМ. Результат эксперимента показал, что удаление от места калибровки влияет на результат измерения.

VI. Выводы и заключение Координатно-измерительные машины (КИМ) стали необходимой частью современного производства и в метрологии произвели такую же революцию, как станки с ЧПУ в технологии. Возможность обойтись без эталонов, оправок, втулок, другой узкоспециализированной оснастки дает те же выгоды, что и отказ от системы кондукторов в технологии. Способность КИМ точно и быстро оценить полученные данные и обеспечить опера-

тора исчерпывающей информацией о состоянии производственного процесса и является тем, что отличает КИМ от ручных измерительных приборов всех видов.

Для того, чтобы была возможность проверить результаты измерений КИМ, принимая их за реальные, была рассмотрена методическая составляющая погрешности измерения на КИМ и оценка неопределенности измерения, которая показала наибольшую кучность и стабильность измерений при положении наконечника 90°. Худшие результаты получались при измерении в вертикальном положении измерительного наконечника. Таким образом, для определения достоверной методики проведения измерений на КИМ необходимо было провести ряд представленных в статье экспериментов, которые показывают методическую погрешность, значительно влияющую на результат измерения.

Список литературы

1. Tignibidin A.V. The process of measuring geometric parameters of details on cylindrical grinding machines using active control device // 2014 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics) 7005699. DOI: 10.1109/Dynamics.2014.7005699.

2. Teti R., Jemielniak K., O'Donnell G., Dornfeld D. Andvanced monitoring of machining operations // CIRP Annals - Manufacturing Technology. 2010. № 59. Р. 717-739. D0I:10.1016/j.cirp.2010.05.010.

3. Denkena B., Böß V. Technological NC Simulation for Grinding and Cutting Processes Using CutS // Proceedings of the 12th CIRP Conference on Modelling of Machining Operations. 7-8 May 2009. Donostia-San Sebastián, Spain. Vol. II. Р. 563.

4. Möhring H.-C., Gümmer O., Fischer R. Active error compensation in contour-controlled grinding // CIRP Annals - Manufacturing Technology. 2011. Vol. 60, Iss. 1. P. 429-432.

5. Bas G., Stoevb L., Durakbasa N. M. Assessment of the Production Quality in Machining by Integrating a System of High Precision Measurement // Procedia Engineering. 2015. Vol. 100. P. 1616-1624.

6. Denkena B., Gümmer O. Active Tailstock for Precise Alignment of Precision Forged Crankshafts during Grinding // Procedia CIRP. 2013. Vol. 12. P. 121-126.

7. Colledani M., Tolio T., Fischer A., Iung B., Lanza G., Schmitt R., Váncza J. Design and management of manufacturing systems for production quality // CIRP Annals - Manufacturing Technology. 2014. Vol. 63, Iss. 2. P. 773-796.

8. Guidе to Ше Expression of ише1Мйу in Mеasurеmеnt (GUM). Gеnеva: ISO, 1993. 101 p.

9. Захаров И. П. Неопределенность измерений для чайников и начальников: учеб. пособие. Харьков : 2013. 36 с.

10. Джунковский А. В., Суслин В. П., Холодов Д. А. Определение оптимального количества точек при измерении колец подшипников качения на координатно-измерительных машинах // Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров (ААИ): материалы 77-й Междунар. научно-технич. конф. 27-28 марта 2012. Минск: МГТУ «МАМИ», 2012. С. 62-67.

11. Соломахо В. Л. Метрологическое обеспечение координатных измерений в машиностроении. Минск : ООО «Реклама-Факсбелар», 1999. 132 с.

УДК 621.9.048.4

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЧАСТИЦ ШЛАМА НА ВОЗНИКНОВЕНИЕ МОСТИКА СВАРКИ И ОБРЫВЫ ПРОВОЛОКИ ПРИ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКЕ

INVESTIGATION OF DEBRIS IMPACT ON WELDING BRIDGE OCCURRENCE AND WIRE BREAKAGES DURING WEDM

А. А. Федоров, Д. А. Полонянкин, Ю. О. Бредгауэр, А. В. Линовский, А. И. Блесман, Д. В. Постников

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

A. A. Fedorov, D. A. Polonyankin, Iu. O. Bredgauer, A. V. Linovsky, A. I. Blesman, D. V. Postnikov

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. В статье представлены результаты исследования влияния короткого замыкания на обрывы проволоки при проволочно-вырезной электроэрозионной обработке стали 40ХН2МА на станке SODICK VZ300L. Методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) изучен шлам (размеры, морфология, форма). Проведенное исследование позволило сделать вывод о том, что наиболее вероятным ме-