Proiect

Sisteme "online" de masurare si control ale pieselor prelucrate pe masini-unelte CNC

Facultatea IMST, Specializarea IPFP2014

Student: ARSU Mihai-Marius1. IntroducereControlul si masurarea pieselor obtinute prin prelucrari mecanice reprezinta una dintre cele mai importante etape din ciclul de productie. In functie de rezultatele obtinute, se poate aprecia capacitatea produsului de a satisface nevoia pentru care a fost realizat, cat si capabilitatea masinii-unelte de a prelucra piesa conform conditiilor impuse prin documentatia tehnica. Odata cu aparitia softurilor CAD/CAM, complexitatea pieselor realizate pe masinile-unelte CNC a crescut foarte mult, moment din care a fost nevoie de o inovatie si la nivel de masura si control. Un raspuns la aceasta problema a fost crearea masinilor de masurat in coordonate (MMC), unealta care ofera un avantaj clar in verificarea acuratetii cu care a fost prelucrat un anumit reper. Principalul dezavantaj al utilizarii unui astfel de utilaj este acela ca, pentru a fi verificata piesa, este nevoie ca aceasta sa fie desprinsa de pe masina pe care se executa prelucrarea. In cazul in care ar fi nevoie de prelucrari suplimentare pentru a aduce piesa in dimensiunile prescrise, repozitionarea piesei ar fi foarte dificila, daca nu, chiar imposibila.

2. Necesitatea sistemelor OMM (on-machine measuring)Sistemele OMM sunt utilizate in special pentru a elimina o parte din sursele de erori care afecteaza precizia piesei. Acestea constau in incapacitatea repozitionarii exacte a piesei, neomogenitatea materialului prelucrat, uzura neuniforma a sculei cat si diferentele dintre durabilitatea calculata si cea reala a sculei aschietoare.Fie un proces tehnologic oarecare. Prima operatie este aceea de orientare si fixare a semifabricatului, dupa care urmeaza alegerea unei scule si demararea procesului de prelucrare. In cele din urma se va face o verificare a cotelor inscrise pe desenul de executie si a profilului obtinut. Presupunand ca am avut un semifabricat cu erori cumulate atat din degrosare cat si din finisare, va fi nevoie de inca o prelucrare care sa elimine abaterile semnalate. Avantajele unui sistem OMM pot fi observate in diagrama din figura 1 [Y1].

Fig. 1 Flux tehnologic tip cu/fara OMM [Y1]

3. Metode OMM Sistemele OMM sunt de 2 tipuri [T1]: sonde de contact fotografice

3.1 Sonde de contact (cu palpator)Este cel mai utilizat tip de sonda datorita preciziei de masurare cat si a capacitatii acestora de a masura piese de forme si dimensiuni diferite spre deosebire de sondele fara contact.

Fig. 2 Sonda de contact [R3]

3.1.1 Transmisia semnalelor Sonda-ControlerIndiferent de tipul de sonda considerat, intre aceasta si controler trebuie sa existe un mijloc de comunicare, de transmisie-receptie. Semnalele transmise de catre sonda, trebuie sa ajunga la controler pentru a se inregistra contactul dintre palpator si piesa si invers, semnalele de la controler trebuie sa ajunga la sonda pentru a permite controlul pozitiei palpatorului.Modul de transmisie depinde de tipul aplicatiei si de masina-unealta care se doreste a fi echipata cu un asemenea sistem. Renishaw, cel mai notoriu producator de sisteme de inspectie utilizeaza 4 tipuri de transmisii: Optic Radio Inductiv Direct

Transmisia opticaEste una dintre cele mai utilizate metode de transmisie in sistemele OMM datorita simplitatii, cat si a posibilitatii echiparii cu un asemenea sistem a masinilor de prelucrat CNC, indiferent de gabarit.Foloseste o tehnologie bazata pe raze infrarosii si este compusa din urmatoarele componente de comanda si control [R1]: Sonda de palpare; Interfata optica a masinii - respinge semnalele luminoase perturbatoare; Modulul optic de masina (2) - componenta de transmisie-receptie ; Unitatea de interfata masina-sonda (1) - converteste semnalele primite de la sonda in semnale recogniscibile de cotroller-ul masinii-unelte;

Fig. 3 Sistem optic de transmisie [R1]Transmisia radioUtilizata in special la aplicatiile de determinare a pozitiei de "0" piesa. Este un sistem foarte simplu compus din [R1]: Sonda de palpare; Unitatea de interfata masina-sonda (1);

Fig. 4 Sistem radio de transmisie [R1]

Transmisia inductivaAcest gen de transmisie functioneaza prin transmisia semnalelor de la sonda prin interstitiul dintre 2 bobine de inductie. Este compusa [R1]: Sonda de palpare; Bobina de inductie a sondei (3)- montata pe un ax solidarizat cu sonda; Bobina de inductie a masinii (2) - montata pe arborele principal; Unitatea de interfata masina-sonda (1);

Fig. 5 Sistem inductiv de transmisie [R1]Transmisia directaConsta in utilizarea unui palpator stationar, folosit in special la prereglarea sculelor si este compusa din [R1]: Cablu de conectare; Unitatea de interfata masina-sonda (1);

Fig. 6 Sistem de transmisie prin contact [R1]

3.1.2 Constructii ale sondelor de contactSondele de contact din punct de vedere constructiv pot fi: sonde cu elemente cinematic rezistive; sonde cu marci tensometrice;

Sonde cu elemente cinematic rezistiveO sonda de contact trebuie sa aiba 3 caracteristici [R2]: complianta; repetabilitate mecanica - la intreruperea contactului, varful palpatorului va reveni in aceeasi pozitie relativa la arborele MU; repetabilitate electrica - declansarea generata de contactul cu piesa sa fie posibila pe mai multe directii si la aceleasi valori ale fortei de contact;

Fig. 7 Costructia sondei [R3]Asa cum se poate observa in figura 7, o sonda de acest tip are la baza o serie de contacte cinematice 1, formate din 3 tije, fiecare tija fiind asezata pe 2 bile. Intregul sistem este pretensionat de un arc de compresiune 2 si astfel se permite palpatorului 3 sa revina in pozitia initiala dupa actiunea fortei de contact cu piesa inspectata. Un astfel de aranjament permite existenta a 6 puncte de contact, asigurandu-se astfel o pozitie precisa a varfului palpatorului si o repetabilitate mecanica foarte buna [R2].Principiul de functionare al aestui tip de sonda de contact are la baza relatia rezistivitatii electrice: (1)unde:-rezistivitate electrical-lungime conductor A-aria suprafeteiElementele cinematice de contact joaca si rol de circuit electric. Intre bile si calea de rulare este interpus un element izolator elastic. Atunci cand palpatorul nu este solicitat, datorita arcului de compresiune, apar contacte punctiforme intre bile si calea de rulare fiind posibila astfel circularea curentului electric. La contactul palpatorului cu piesa inspectata, arcul de compresiune se deformeaza si in replica, solicitarea pe un element de contact va creste, in timp ce pe un altul va scadea. Elementul ce nu este supus solicitarii va intrerupe in cele din urma contactul cu calea de rulare, moment in care rezistenta va atinge o valoare critica, o valoare de declansare ce comanda oprirea deplasarii palpatorului spre piesa[R2].

Factori de performanta ale sondelor cu elemente cinematic rezistive Repetabilitate - capacitatea unei sonde de a declansa in acelasi punct la fiecare repetare a contactului cu piesa inspectata.Sondele OMM cu elemente cinematic rezistive au o repetabilitate la varful palpatorului de 1m, in timp ce sondele care echipeaza masinile MMC pot repeta masuratori intr-un camp de 0,35m. [R2] PredeplasareaInaintea atingerii pragului de declansare, tija palpatorului incepe sa se deformeze la contactul cu o suprafata. Aceasta deformare afecteaza acuratetea masuratorilor si depinde de: Fc-forta de contact L-lungimea tijei palpatoruluiNotam predeplasarea cu :

E-modulul lui Young (pt. materialul tijei)I-moment de inertieInaintea declansarii si separarii elementelor aflate in contact, relatia de echilibru de forte este:

Fs-forta de compresiune a arculuiR-distanta de la tija la punctul de pivotare al tijei

Fig. 8 Actiunea fortelor [R2]

Datorita dispunerii triunghiulare a punctelor de contact (fig. 9), se observa ca distanta de pivotare depinde de directia din care se face contacul palpator-suprafata.Astfel, daca directia contactului corespunde cu directia FL, distanta R (R2), va fi una mica, deorece punctul de pivotare se afla aproape de tija. Daca directia contactului corespunde cu directia FH, distanta R (R1), va fi una mare, deoarece punctul de pivotare se afla departe de tija.

Fig. 9 Pivotarea functie de directia fortelor [R2]

Fig. 10 Pivotarea in functie de directia fortelor [R2]Se stie ca forta de contact Fc, este direct proportionala cu R, astfel ca (fig. 10) R1>R2, deci Fc1>Fc2. Se poate concluziona astfel ca, daca se actioneaza pe directia FL, forta necesara declansarii contactului va fi una mai mica comparativ cu forta necesara declansarii contactului pe directia FH [R2].

In fig. 11 este redat un grafic tip panza de paianjen ce reflecta valoarea predeplasarii pe XY la o sonda cu tija de L=50mm, forta de declansare de 15g si cu repetabilitate de 0,5m. Se poate observa din grafic ca variatia predeplasarii este de aproximativ 3,3m [R2].

Fig. 11 Predeplasarea pe XY[R2] -sonda cu elemente cinematicePredeplasarea nu se limiteaza doar la planul XY. Acest fenomen apare si pe axa Z, doar ca in acest caz Fc este egala cu Fs, astfel ca forta de declansare este mult mai mare decat in cazul predeplasarii in plan. Totusi, datorita faptului ca tija palpatorului este solicitata lacompresiune, rigiditatea este mult mai mare si astfel predeplasarea pe Z este una mai mica. HisterezisDirectiile anterioare de contact dintre palpator si suprafata inspectata afecteaza acuratetea masuratorilor urmatoare. Desi efectule de histerezis este unul infim, precizia scade atunci cand directia anterioara a fost diametral opusa, lungimea tijei palpatorului este mare sau cand Fc este mare [R2].

Sonde cu marci tensometriceSonda cu marci tensometrice este foarte similara cu cea cu elemente cinematice rezistive, diferenta fiind ca in acest caz, elementele cinematice folosesc doar la mentinerea pozitiei palpatorului. Pentru detectarea contactului se foloseste un set de 4 marci tensometrice din silicon. Sensibilitatea acestui tip de senzor este foarte mare, fiind capabile sa detecteze vibratiile masinii chiar daca palpatorul este in stare libera. Din acest motiv este nevoie de un circuit care sa fie capabil sa filtreze semnalele primite de la palpator. Pentru ca semnalul primit sa fie confirmat ca semnal de contact real, imediat dupa inregistrarea contactului initial, trebuie ca Fc sa creasca constant de-a lungul unei perioade predeterminate.

Fig.12 Principiu de functionare sonda cu marci [R2]

Avantaje

PredeplasareaIn cazul sondelor cu marci, variatia predeplasarii este una net mai mica decat in cazul sondelor de contact cu elemente rezistive. Graficul din figura 13 indica o variatie de sub 1m in planul XY a palpatorului.

Fig. 13 Predeplasarea pe XY- sonda cu marci [R2]

FiabilitateDurata de viata a sondelor cu marci este de circa 10 ori mai mare decat a sondelor cu elemente rezistive din urmatoarele motive:- lipsa elementelor cinematic rezsitive care odata uzate, provoaca variatii ale valorilor rezistentei ce declanseaza inregistrarea contactului;- utilizarea elementelor cinematice doar pentru repozitionarea varfului palpatorului;

Un alt avantaj este acela ca pe astfel de sonde se pot utiliza tije de lungimi foarte mari (pana la 300mm) cu diminuari insignifiante ale preciziei de masurare. Tabelul 1 reda diferentele in materie de repetabilitate mecanica, si variatii ale predeplasarii pentru cazul utilizarii unei tije de 50mm si a uneia de 100mm.Tabel 1Lungimea tijei

50mm100mm

Repetabilitate mecanica 0,25m0,25m

Predeplasare in XY 0,25m 0,35m

Predeplasare in XYZ 1m 1,75m

3.2 Sisteme OMM fara contactCunoscute si ca metode "vizuale", sistemele OMM fara contact au aparut relativ recent si constau in utilizarea unui captor de date vizuale, camera fotografica de inalta fidelitate sau scanner LASER, si a unui computer care sa traduca informatiile primite in modele tridimensionale.3.2.1 Masurare vizuala cu sistem cu camera fotoAceasta metoda consta in realizarea unui numar mare de fotografii din pozitii si intervale de timp bine stabilite, dupa care, cu ajutorul unui computer se trece la gruparea si fuzionarea partiala a fotografiilor si obtinerea unui model 3D. Calibrarea camerei Pentru a obtine o masuratoare precisa a unei piese, metoda vizuala necesita o calibrare a camerei, prin care se urmareste:- stabilirea pozitiei unor puncte de referinta in WCS;- stabilirea proiectiilor acelor puncte pe piesa inspectata;Pentru a simplifica procedura de calibrare, se foloseste o placa de calibrare asemanatoare celei din figura 14, pe care exista o serie de marcaje. Patratul negru ce incadreaza placa, are rolul de a asista camera in determinarea "zonei de interes". Marker-ul negru din colt ofera camerei o origine a piesei, iar cercurile de pe placa sunt necesare determinarii pozitiei placii fata de originea WCS. [Z1]

Fig. 14 Placa de calibrare [Z1]

Obtinerea modelului 3D Pentru a obtine un model al piesei masurate, trebuie ca fotografiile sa se realizeze in pozitii bine determinate, dupa care se va alcatui un "mozaic" de fotografii pe baza caruia se va construi 3D-ul piesei. [Z1]Pentru a alcatui o imagine tridimensionala a piesei inspectate, pe imaginile obtinute trebuiesc identificate o serie de puncte caracteristice. In vederea identificarii acestor puncte, se utilizeaza o serie de algoritmi care le plaseaza pe acestea in pozitii bine determinate de pe fotografie. Algoritmul Harris este unul din cei mai folositi in obtinerea punctelor caracteristice, acest lucru facandu-l prin identificarea elementelor din fotografie care se intersecteaza, creandu-se astfel colturi in dreptul carora intensitatea luminii se modifica [W1]. Un exemplu de model Harris al punctelor caracteristice (marcate cu verde) este prezentat in figura 15, pentru o piesa tip carcasa.

Fig. 15 Model Harris al punctelor caracteristice [Z1]

3.2.2 Masurare vizuala cu sistem LASER In acest caz se utilizeaza un fascicul LASER care detecteaza profilul suprafetei scanate. Schema logica a procesului de masurare prin scanare LASER este redata in figura 16.

Fig. 16 Schema logica "Masurare cu fascicul LASER" [H1]

Principalul dezavantaj al acestei metode este lipsa preciziei, care apare datorita efectului pe care caracteristicile metalului le are asupra LASER-ului. Fasciculul LASER se reflecta pe suprafete lucioase cum ar fi cele metalice, iar zonele vopsite in negru chiar il absorb. [H1]

4. Alegerea unei sonde Renishaw si strategia PTP pentru reperul "Corp"Pentru alegerea unei sonde in vederea realizarii unei inspectii OMM se va pleca in primul rand de la tipul masinii-unelte care va fi echipata cu acest sistem si suprafetele piesei ce se doresc a fi inspectate. Date initiale:- MU: Strung orizontal CNC HAAS ST-40 (anexa 1)- Piesa: Reper "Corp" (fig. 17)- Programa de productie: 10 buc"Probe selector"Odata aceste date initiale cunoscute se poate trece la selectarea unei sonde pentru un strung orizontal de gabarit mare. Site-ul firmei Renishaw permite o selectie facila a sondelor in functie de aceste date prin intermediul Selectorului de Sonda "Probe Selector". Pentru aplicatia de fata exista 2 tipuri de sonde disponibile:-RLP40 (anexa 2)-RMP40M - cu brat de extensie pentru suprafete greu accesibile (anexa 3)Identificare suprafetelor de inspectatTabelul 2FormaDimensiuni [mm]Rugozitate Ra [m]Precizia formei [mm]Precizia de poziie, orientare i btaie [mm]

Conic57x410'1.6

Plan92/65H8(3.2

Cilindric65H8()x221.6

Plan65H8() /340.023.2

Plan340.02/22H7 ()3.2

Cilindric22H7()x161.6

In tabelul 2 se poate observa ca in cazul reperului "Corp" s-au identificat 6 suprafete ce trebuiesc inspectate. In functie de forma suprafetelor considerate se va elabora si strategia PTP (point-to-point) ce se recomanda pentru suprafata in cauza (figura 17).

Fig. 17 Modele PTP in functie de suprafata primitiva [M1]

Analizand desenul de executie, suprafetele ce trebuiesc verificate, dimensiunile sondei, cat si pretul acestora, se observa ca suprafetele sunt usor accesibile si se pot inspecta cu o sonda standard de tip RLP40 cu lungimea bratului de palpare de 50mm.Modelul PTP pentru suprafata conica 57x410' si suprafata cilindrica 22H7()x16 s-a intocmit cu ajutorul softului CATI V5, conform figurilor 18, respectiv 19.

Fig. 18 Model PTP pentru con

Modelul pentru con a fost constituit din puncte plasate pe generatoarea conului la 90 si la intervale de 2 mm pe directie longitudinala.

Fig. 19 Model PTP pentru suprafata cilindrica interioaraModelul pentru cilindru a fost constituit din puncte plasate pe generatoarea conului la 36, si la intervale de 5mm.

Bibliografie[Y1]. Yukitoshi Ihara, Takehiro Nagasawa, 2013. "Fundamental Study of the On-Machine Measurement in the Machining Center with a Touch Trigger Probe"[T1]. Tae Jo Ko, Jung Whan Park, Hee Sool Kim, Sun Ho Kim, 2005. "On-machine measurement using a noncontact sensor based on a CAD model"[R1]. Renishaw product technical specification, 2013. "Probing systems for CNC machine tools"[R2]. Renishaw, 2013. "Innovations in touch-trigger probe sensor technology"[R3]. www.renishaw.com[Z1]. Zhongren Wang, Xiaoyu Wang, 2012. "On machine measurement of large-scale workpiece based on machine vision"[H1]Hiroshi Oishi, Kenji Kura, Hideaki Yamamoto, Hidetake Kiryu, 2012. "Simulation for Collision Prediction Based on Visionplus Non-contact Measurement System"[W1]. www.wikipedia.org[M1]. Michal OMMIK, Ivan BARNEK, 2011. "Metrological control of selected surface types of a mechanical part by using On Machine Measurement System"1