Curs 5 Rodica ROHAN

6. Sisteme de palpare pentru MMC

Sistemul de palpare este o componentă de bază a sistemului de măsurare care condiţionează, prin configuraţia acestuia, posibilităţile de măsurare ale echipamentului. Sistemul de palpare este în esenţă un traductor de contact care asigură interfaţa dintre piesa măsurată şi structura mecanică, cea care conţine traductorii de deplasare. Sistemele de palpare reduc durata şi costul inspecţiilor, simplifică operaţiile de reglaj.

Una din problemele principale ale măsurării în coordonate o constituie determinarea poziţiei în spaţiu a unui punct. Concepţia şi realizarea practică a sistemului de palpare influenţează precizia rezultatului. Sistemul de palpare se compune din capul palpatoarelor şi palpatoare.

Palpatorul constituie elementul principal al sistemului de palpare cu contact. Palpatorul este acea parte a capului de palpare care intră în contact cu piesa, permiţând generarea unui semnal de ieşire. Tipul si mărimea palpatorului ce urmează a fi utilizat depind de cota ce trebuie măsurată. În toate cazurile sunt esenţiale rigiditatea şi sfericitatea maxime ale palpatorului.Palpatoarele Renishaw au performanţe superioare datorită sfericităţii excelente a bilei, datorită amplasării, asamblărilor filetate şi a designului general.• Palpatoare cu bilă din rubin• Palpatoare cu bilă din nitrură de siliciu• Palpatoare cu bilă din zirconiu• Palpatoare cu vârf• Palpatoare în stea• Palpatoare cilindrice• Palpatoare cu forme speciale, la cererea clientului• Palpatoare disc• Palpatoare cu bilă ceramică şi gaură

Capete manualeUn cap manual asigură suplimentar reorientarea palpatorului pe o maşină manuală, permiţând acestuia să abordeze suprafata sub un unghi optim, în scopul de a obţine cel mai precis rezultat. Se poate alege dintr-o gamă de capete cu indexare sau cu reglaj continuu:

• Capul indexabil manual (MIH) se poate poziţiona repetabil în 720 de poziţii• Capul indexabil MH 20i încorporează un modul cu prindere repetabilă şi indexare repetabilă în

2 axe• Capul RTP20 ofera indexarea automată şi permite poziţionarea probelor TP20 în 168 de poziţii

repetabileCapete motorizate

• maximizează eficienţa utilizării palptoarelor şi asigură maşinilor MMC cu 3 axe posibilitatea lucrului cu 5 axe.

Sunt posibile două metode de achiziţie a punctelor de măsurare, care depind de tehnologia utilizată de sistemul de palpare şi care influenţează nu numai precizia rezultatului măsurării, ci şi costul acesteia.

Sistemele de palpare utilizate în cazul măsurării în coordonate se pot clasifica astfel: • sisteme de palpare cu contact, care, din punct de vedere cronologic, sunt şi primele apărute în

metrologia în coordonate şi cele mai des utilizate în prezent; După principiul de funcţionare: - principiul palpării statice; - principiul palpării dinamice

1

Curs 5 Rodica ROHAN• sisteme de palpare fără contact (cu senzori optici) utilizate atunci când proprietăţile fizice ale

piesei nu permit un contact direct cu suprafaţa acesteia, când suprafaţa obiectului este fragilă sau punctele ce trebuie măsurate sunt greu accesibile datorită dimensiunilor piesei (de exemplu, elemente ale fuzelajului unui avion).

Sistemele fără posibilităţi de măsurare (touch -signal probe) la atingerea obiectului palpatorul emit un semnal electric, o comutare, care constituie comanda pentru sistemul de acţionare (oprirea deplasării) şi pentru sistemul de măsurare (oprirea contorizării impulsurilor). Aceste sisteme sunt utilizate în situaţiile când este suficientă palparea prin puncte. Palparea valorii măsurare în condiţii dinamice impune o palpare fără acceleraţii. În aprecierea unui sistem de palpare cu comutare prezintă interes următoarele aspecte:

• sensibilitatea senzorului în raport cu unghiul de palpare;• forţa de măsurare în momentul palpării (influenţează erorile introduse de încovoierea tijei

palpatorului);• dependenţa forţei de măsurare de unghiul de palpare;• greutatea maximă admisă pentru palpatorul propriu-zis;• lungimea maximă admisă pentru tija palpatorului;• reproductibilitatea în spaţiu a poziţiei de nul;• protejarea împotriva impulsurilor mecanice false;• deplasarea maximă admisă în cazul unei coliziuni. Palparea dinamică constă din atingerea succesivă a piesei cu sfera de palpare, palpatorul aflându-

se în mişcare uniformă pe direcţia normalei la suprafaţă. Sistemul va detecta momentul impactului şi va declanşa un contact electric care este normal-închis.În acest moment, sistemul va citi valorile coordonatelor pe cele trei rigle ortogonale ale echipamentului. Sistemul de palpare funcţionează ca un simplu contact electric care comandă circuitul de control al maşinii, fiind cunoscut şi ca sistem de palpare cu declanşare (comutare)

Cele 6 puncte de contact, grupate în 3 zone dispuse la 120°, sunt legate în serie din punct de vedere electric şi se află tot timpul sub tensiune, Fiecare zonă simulează contactul dintre o sferă şi o prismă în V.

În momentul contactului dintre sfera palpatorului şi suprafaţa măsurată, forţa de măsurare va deplasa tripodul de pe unul din cele 6 puncte de contact electric, funcţie de direcţia forţei. Un circuit electronic detectează modificarea rezistenţei celor 6 contacte montate în serie. Tripodul readus în poziţia de lucru prin intermediul arcului, care are şi rolul de a menţine o forţă de măsurare constantă, dar şi pentru preîntâmpinarea declanşării datorate forţelor de inerţie care pot apărea la accelerarea echipamentului de măsurare.

În momentul opririi capului de măsură, coordonatele palpatorului sunt înregistrate în memoria calculatorului, fiind prelucrate în funcţie de comanda precedentă.

Pentru o înaltă precizie, e necesară o construcţie rigidă a sistemului de palpare, astfel ca forţele care apar la contactul palpator- piesă să nu provoace încovoieri care să conducă la imprecizii.

Ca urmare a dispunerii în triunghi a contactelor, forţa necesară pentru deschidere este dependentă de direcţia de acţionare, deoarece braţele de pârghii care se formează în mecanism au lungimi diferite.

Aceste dificultăţi pot fi eliminate prin folosirea unui senzor piezoelectric (comutarea electronică cu traductoare piezoelectrice montate în capul de palpare). Acesta este la fel de sensibil la toate direcţiile de palpare, generând un impuls proporţional cu forţa de impact. Indiferent de direcţia de palpare, sistemele piezo pot furniza impulsuri de mpăsurare la forţe de palpare sub 0,01 N. Un circuit logic cuplat cu senzorul recunoaşte dacă forţa ce acţionează asupra acestuia este este urmare a măsurării sau este rezultatul unor şocuri, transmiţând impulsul numai în cazul corect.

2

Curs 5 Rodica ROHAN

Dacă semnalul primit se află în limitele prescrise, este comandată acţiunea de citire a poziţiei capului şi deci a coordonatei punctului măsurat. Capetele palpatoare dinamice sunt folosite atunci când este nevoie de o măsurare foarte rapidă în puncte distincte.

Măsurarea prin contact -staticAceasta se realizează cu ajutorul capului palpator care măsoară concomitent după trei axe, cea ce

face posibilă citirea valorilor lungimilor măsurate, păstrând axele aparatului de măsură în stare de repaus. Baza capului palpator şi a axelor de măsurat este formată din trei paralelograme “arc” drepte. Devierea paralelogramelor va fi înregistrată în fiecare axă cu ajutorul unui sistem de măsură inductiv, aceasta citind valorile lungimilor măsurate.

Fiecare paralelogram poate fi fixat în poziţia sa centrală prin intermediul unui mecanism de stopare acţionat de un motor. Generarea în timpul palpării a unei forţe de măsurat definită, este din punct de vedere tehnic extrem de anevoios şi complicat. Pentru aceasta, fiecare paralelogram este conectat mecanic la un solenoid care se mişcă în interiorul unui magnet inelar întretăiat. Forţa de măsurare (care poate fi selectată intre 0,1N si 1N) generează un curent polarizat pozitiv sau negativ în bobină, (în funcţie de direcţia de palpare). În timpul palpării, sistemul de control elimină automat forţa de fixare din axa în care urmează a avea loc palparea.Măsurarea prin contact – static

Sisteme de palpare cu posibilităţi de măsurare permit o automatizare mai uşoară a măsurării şi fac posibilă măsurarea prin palpare continuă de tip scanning. Caracteristic pentru scanare este cuprinderea unei densităţi mari de puncte într-un timp scurt. Prin scanare se pot palpa şi obiectele de măsurat cu formă geometrică necunoscută. De obicei procedeul este folosit la măsurarea pofilelor complexe, cum ar fi cele ale paletelor de turbină, a camelor, etc. Se utilizează două tipuri de măsurări:- măsurarea cu palpare mecanică- măsurarea cu palpare optică.

3

Curs 5 Rodica ROHANScanarea asigură rezultate exacte referitoare la forma elementu lui geometric studiat. Cercul înfăşurat poate fi determinat numai cu ajutorul unui număr ridicat de puncte cea ce conduce la micşorarea ratei rebuturilor. Domeniul de aplicare divers: măsurarea angrenajelor, carcaselor, paletelor de t urbină, a camelor şi a pieselor de formă complexă. Deosebit de utilă este această tehnologie în cazul măsurării pieselor din materiale nemetalice, care impune forţe de măsurare reduse.

Măsurarea prin scanare a alezajelor

Scanarea unei suprafeţe cu preluare continuă, a coordonatelor de către calculator, este dependentă de timp şi distanţă, reprezentând o formă dezvoltată a palpării punctiforme. Capul palpator de măsură, execută mişcări de translaţie de apropiere şi îndepărtare de piesă astfel încât axa palpatorului, să se găsească în permanenţă în interiorul domeniului de măsură. Scanarea reprezintă metoda ideală de măsurare a formelor cu maşinile de măsurat în coordonate, înlocuind astfel multe instrumente având un singur scop, sau în general oferind noi posibilităţi de măsurare. Spre deosebire de tehnica convenţională care permite măsurarea unui număr mic de puncte, fără o determinare concretă a abaterilor de formă, scanarea asigură măsurarea unui număr mare de puncte cea ce creează premisele pentru determinarea calităţii.

Modalităţi de scanare

Sistem de palpare fără contact utilizat atunci când proprietăţile fizice ale piesei nu permit un contact direct cu suprafaţa acesteia, când suprafaţa obiectului este moale sau punctele ce trebuie măsurate sunt greu accesibile datorită dimensiunilor piesei (de exp. elemente ale fuzelajului unui avion), sau în situaţii speciale:

• viteze foarte mari de deplasare a piesei;• sensibilitate mărită a suprafeţei piesei;• procese de producţie care se desfăşoară la temperaturi înalte.

Din punct de vedere constructiv, pot fi de două categorii: • cu palpator laser având la bază principiul triangulaţiei pentru determinarea poziţiei punctului

capturat;

4

Curs 5 Rodica ROHAN• cu palpator bazat pe senzori video. Deşi au avantajul posibilităţii de achiziţie a unui număr

foarte mare de puncte într-un timp redus de măsurare, principalul dezavantaj derivă din faptul că nu pot inspecta suprafeţe pe care raza optică nu le poate atinge.Cele mai simple sisteme de palpare fără contact le constituie microscoapele de vizare adaptate pe

pinola maşinii de măsurat în coordonate.Procedeul nu se pretează la automatizare, iar o soluţie în acest sens este cea cu sisteme

optoelectrice care permit o baleiere a obiectului în condiţii de măsurare dinamică (scanning) şi la care tranziţia clar –negru (prezenţa unei muchii) produce un salt al intensităţii de la imin la imax (0-1).

Palpări optice se obţin prin utilizarea camerelor TV sau a camerelor cu matrici de diode CCD (charge- coupled device), senzorilor de imagine stabili.Aceste sisteme prin analiza numerică a imaginii, permit automatizarea şi scanarea unor profile complexe.Sistemele cu camera video sunt folosite în cazurile în care ceilalţi senzori nu pot fi folosiţi, precum măsurarea găurilor cu diametre mai mici de 1 mm care pot fi uşor deformate elastic sau au caracteristici moi.

O maşină de măsurat cu cameră video poate creşte semnificativ viteza măsurării unor repere care în alte condiţii ar necesita consum de timp, poziţionare precisă, sau în cazurile caracteristicilor multiple şi mici sau ansamblurilor mici care pot fi vizualizate în acelaşi timp.

Digitizarea 3DScanarea produsului, cunoscută ca “digitizare” sau “digitizare 3D”, este un proces care utilizează un palpator pentru a capta forma obiectelor 3D şi pentru a le recrea într-un spaţiu de lucru virtual. Datele sunt colectate sub formă de puncte şi fişierul rezultat este numit “nor de puncte”.Tehnologia pe care este bazat procesul1.Lumina este proiectată pe obiect (în cazul tehnologiilor ce folosesc lumina);2.Obiectul reflectă lumina care este apoi colectată de un senzor digital;3.Utilizând ecuaţii algebrice coordonata spaţială 3D (X, Y, Z) a punctului de pe suprafaţă este calculată;4.Locaţia punctului în sistemul de coordonate este stocată ca parte a unui nor de puncte ce reprezintă piesa fizică;5.Milioane de puncte sunt colectate în acest fel până când întreaga suprafaţă a piesei sau piesa a fost digitizată;6.Datele digitale (numite generic “nor de puncte” sunt folosite pentru reconcepţie, rapid prototyping sau inspecţia produsului).

5

Curs 5 Rodica ROHAN

Calibrarea palpatorului

Inainte ca un palpator sa fie utilizat, acesta trebuie calibrat sau calificat; asta presupune folosirea softului pentru masurarea unei sfere de calibrare cel putin in pozitiile in care acesta va fi folosit pentru masurarea entitatilor pe o piesa.

Calibrarea palpatorului presupune doua lucruri:1. permite softului sa calculeze unde este centrul bilei palpatorului fata de punctul zero al masinii;2. calculeaza diametrul efectiv al bilei palpatorului.

Diametrul efectiv al bilei palpatorului poate fi putin diferit de diametrul nominal datorita fortelor implicate in procesul de masurare pe suprafata sferei de calibrare. Acest diametru se numesete diametru dinamic deoarece in momentul in care sfera palpatorului atinge sfera de calibrare, acesta se opreste, dar masina nu se va opri parcurgand inca o mica cursa pana la deschiderea contactelor TP-ului ceea ce face ca masina „sa creada” ca sfera de palpare este mai mica.

Softul CMM calculeaza diametrul sferei din punctele analizate ignorand diametrul nominal al bilei palpatorului: este scazut diametrul stiut al sferei de calibrare si rezultatul este diametrul efectiv al bilei

palpatorului. Diametrul efectiv este cel utilizat de soft atunci cand acesta calculeaza entitatile. Orice alt unghi care este cerut pentru inspectie este de asemenea calificat pe aceeasi sfera. Este

foarte important ca sfera sa nu fie miscata in timpul procesului de calibrare deoarece softul foloseste pentru offseturi diferenta de coordonate dintre centrul bilei palpatorului si sfera de calibrare. Miscarea sferei de calibrare va introduce erori de masurare care de fapt nu exista.

Moduri de calibrare a palpatorului: Palpatorul poate fi calibrat în trei moduri:1. manual (toate punctele sunt palpate manual)- aplicabil tuturor palpatoarelor;- eventuală imprecizie datorită palpării greşite;- risipă de timp.2. semiautomat (primul punct al fiecărui palpator este palpat manual; următoarele palpări sunt stabilite de calculator)- precizie ridicată prin palpare exactă;- economie de timp în raport cu palparea manuală;- nu este aplicabil tuturor palpatoarelor.3. CNC (calibrarea manuală şi calibrarea semiautomată pot fi incluse intr-un proces CNC)- economie de timp la calibrarea de mare precizie.Palparea se poate face întotdeauna manual dar este avantajos dacă palparea se efectuează cat mai des semiautomat, palparea manuală folosindu-se numai pentru configuraţiile speciale. Dacă un palpator trebuie calibrat de mai multe ori, de exemplu datorită oscilaţiilor de temperatura, este indicată folosirea modului CNC.

6

Fig.1