шестиосевая координатно-измерительная машина и способ калибровки измерительного наконечника для нее

Формула изобретения

1. Шестиосевая координатно-измерительная машина, содержащая силовой корпус с виброустойчивым основанием и тягами с приводом для перемещения каретки в рабочей области координатно-измерительной машины с измерительным датчиком для установки измерительных наконечников, измерительную раму с закрепленными на ней 6-ю линейными измерителями, отличающийся тем, что она дополнительно содержит программируемый блок управления перемещением каретки с возможностью обеспечения касания измеряемого объекта наперед заданным рабочим сектором измерительного наконечника, при этом рабочий сектор измерительного щупа определяют в процессе калибровки.

2. Способ калибровки измерительного наконечника, характеризующийся тем, что определяют рабочий сектор наконечника путем измерения координат точек поверхности эталонного шара, жестко закрепленного в рабочей области координатно-измерительной машины, при касании эталонного шара, точками из выбранного начального сектора наконечника, определяют радиус скругления и среднеквадратичное отклонение от сферичности выбранного сектора, добиваются путем изменения размера и положения рабочего сектора наконечника соответствия значения среднеквадратичного отклонения наперед заданной величине, определяемой необходимой точностью измерений, и в дальнейшем используют определенный в процессе калибровки сектор измерительного наконечника для измерений.

Описание изобретения к патенту

Группа изобретений относится к станкостроению, в частности может быть использована в прецизионных обрабатывающих центрах и координатно-измерительных машинах (КИМ).

В промышленности стоит задача контроля параметров мелкоструктурных деталей, таких как резьбы, мелкомодульные зубчатые передачи и др. Различные устройства при измерении таких деталей используют в качестве измерительного наконечника шар.

Однако измерение мелкоструктурных деталей, внутренний радиус которых сопоставим (либо меньше) по величине с минимально возможным для изготовления радиусом шара измерительного наконечника, становится затруднительным либо вообще невозможным.

В то же время для измерения мелкоструктурных объектов можно использовать острый щуп в качестве измерительного наконечника рабочего органа устройства. Острый щуп - это щуп-игла с радиусом округления острой части настолько малым, что современным технологиями не регламентируются постоянство этого радиуса, т.е. отклонение от сферичности вписанной в острое окончание иглы сферы.

Однако в процессе измерений силовое взаимодействие такого щупа с деталью, в случае, когда ось щупа и нормаль к измеряемой поверхности коллинеарны, может привести к поломке, искривлению или притуплению острого окончания измерительного наконечника КИМ, что приведет к резкому ухудшению точности измерений.

В настоящее время известны координатно-измерительные машины портального типа, содержащие основание и подвижный орган, перемещающийся параллельно основанию.

Недостатком является невозможность поворота (наклона) рабочего органа, что не позволяет изменять рабочий сектор щупа в процессе калибровки и измерений.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является прецизионное устройство для позиционирования подвижного органа машины (см. патент на изобретение РФ №2008197, МПК B25J 11/00), содержащее силовой корпус с виброустойчивым основанием и тягами с приводом для перемещения каретки в рабочей области КИМ с измерительным датчиком для установки измерительных наконечников, измерительную раму с закрепленными на ней 6-ю линейными измерителями. В качестве измерительного наконечника используются стрежни с закрепленными на конце шарами.

Однако данное устройство имеет недостаточные функциональные возможности при работе с мелкоструктурными объектами вследствие того, что минимальный радиус шара измерительного наконечника недостаточно мал, а его отклонения от сферичности слишком велики. Кроме того, конструктивные особенности данного устройства не позволяют определять в процессе калибровки рабочий сектор измерительного наконечника.

Задачей группы изобретений является создание устройства для контроля деталей различной сложности, преимущественно мелкоструктурных объектов.

Технический результат заключается в повышении точности измерений и расширении функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности контроля мелкоструктурных объектов, используя специальную калибровку измерительного наконечника.

Поставленная задача решается тем, что шестиосевая координатно-измерительная машина, содержащая силовой корпус с виброустойчивым основанием и тягами с приводом для перемещения каретки в рабочей области координатно-измерительной машины с измерительным датчиком для установки измерительных наконечников, измерительную раму с закрепленными на ней 6-ю линейными измерителями, согласно решению, дополнительно содержит программируемый блок управления перемещением каретки с возможностью обеспечения касания измеряемого объекта наперед заданным рабочим сектором измерительного наконечника, при этом рабочий сектор измерительного щупа определяют в процессе калибровки.

Предложен также способ калибровки измерительного наконечника, характеризующийся тем, что определяют рабочий сектор наконечника путем измерения координат точек поверхности эталонного шара, жестко закрепленного в рабочей области координатно-измерительной машины, при касании эталонного шара, точками из выбранного начального сектора наконечника, определяют радиус округления и среднеквадратичное отклонение от сферичности выбранного сектора, добиваются путем изменения размера и положения рабочего сектора наконечника соответствия значения среднеквадратичного отклонения наперед заданной величине, определяемой необходимой точностью измерений, и в дальнейшем используют определенный в процессе калибровки сектор измерительного наконечника для измерений.

Новым в предложенном решении является то, что такая предварительная калибровка и использование программируемого блока управления позволяет использовать в качестве измерительного наконечника КИМ как острый щуп иглу, так и обычный измерительный наконечник типа шар. Причем определенный в процессе калибровки рабочий сектор позволяет повысить точность измерений.

Изобретение поясняется чертежами, на фиг.1 изображено устройство в одной проекции, на фиг.2 - пример выбора рабочего сектора измерительного наконечника острого щупа (игла).

Устройство состоит из силового корпуса 1, стоящего на виброустойчивом основании 2. На измерительной раме 3 со стойками 4 установлены шесть линейных измерителей - лазерных интерферометров 5, подвешенных на измерительной раме 3 посредством шарниров 6. На силовом корпусе 1 с помощью шарниров 7 закреплены шесть приводов 8, управляемых программируемым блоком управления 9, которые обеспечивают поступательное движение тяг 10, перемещающих рабочий орган 11, включающий в себя каретку 12 с закрепленным на ней датчиком щуповым 13. В датчике закреплен измерительный наконечник 14. На приведенной схеме для простоты показано по одному элементу. На фиг.2 позицией 15 обозначена вписанная в оконечную часть наконечника 14 сфера, 16 - рабочий сектор и 17 - область наконечника, которой запрещены касания.

Описанная выше шестиосевая система позиционирования рабочего органа позволяет перемещать и вращать рабочий орган в пределах рабочей зоны координатно-измерительной машины на фиксированную величину. Разделение силовой и измерительной частей устройства позволяет снизить воздействие вибраций и других усилий, связанных с работой приводов и перемещением рабочего органа при его силовом взаимодействии с объектом измерения.

Для того чтобы избежать поломки измерительного наконечника и повысить точность измерений, необходимо при осуществлений измерений поворачивать (наклонять) ось измерительного наконечника на определенный угол относительно нормали к измеряемой поверхности, для того чтобы взаимодействие наконечника и детали происходило только определенным сектором острого щупа. Данный рабочий сектор и угол поворота наконечника относительно нормали к измеряемой поверхности должен определяться для каждого наконечника отдельно в процессе калибровки в зависимости от конструктивных особенностей устройства, типа и сложности измеряемого объекта, а также необходимой точности измерений.

Калибровку измерительного наконечника проводят до начала измерений. Для этого задают необходимую точность измерений, определяют начальный сектор. Измеряют координаты касаний измерительного наконечника поверхности эталонного шара, жестко закрепленного в рабочей области координатно-измерительной машины, при касании эталонного шара, точками из выбранного начального сектора измерительного наконечника. Определяют радиус скругления (радиус вписанной сферы 15) и среднеквадратичное отклонение от сферичности выбранного начального сектора щупа. Изменяют размер и положения рабочего сектора щупа, исключая точки с наибольшим отклонением от сферичности. Добиваются соответствия значения среднеквадратичного отклонения наперед заданной величине, определяемой необходимой точностью измерений, и в дальнейшем используют определенный в процессе калибровки сектор измерительного наконечника для измерений.

В таблице 1 приведен пример пяти калибровок одного острого наконечника. При этом требуемая точность измерений составляла величину не более 5 мкм. Как видно из таблицы расположение рабочей точки, диаметр и среднеквадратичное отклонение имеют хорошую повторяемость. Диаметр вписанной сферы 15 составляет всего 0.130 мм, что позволяет проводить измерения мелкоструктурных деталей.

Таблица 1. Результаты калибровки острого наконечника.
Измерительный наконечник	№ калибровки	Координаты рабочей точки			Диаметр D, мм	СКО, мм среднеквадратичное отклонение
		u	v	w
Игла	1	0.254	1.177	5.667	0.13018	0.00213
Игла	2	0.254	1.777	5.667	0.13039	0.00216
Игла	3	0.254	1.777	5.667	0.13045	0.00211
Игла	4	0.254	1.777	5.668	0.13035	0.00216
Игла	5*	0.254	1.777	5.667	0.13005	0.00210

Каждый из шести линейных измерителей 5 измеряет расстояние между парой шарниров 6, один из которых находится на жесткой и неподвижной измерительной раме 3. Шесть линейных измерителей 5 обеспечивают измерение шести таких расстояний, что позволяет однозначно определить положение подвижного органа устройства относительно рамы и жестко связанного с ней стола шестиосевой координатно-измерительной машины. При проведении измерений осуществляется движение рабочего органа устройства с помощью приводов 8 и тяг 10. По достижения касания измерительного наконечника щупового датчика с поверхностью детали программное обеспечение пересчитывает данные вышеописанных измерителей 5 в декартовы координаты наконечника. По этим декартовым координатам при проведении измерений рассчитываются необходимые параметры измеряемого объекта.

Измерительный наконечник выбирается в зависимости от сложности и размера измеряемого объекта. При измерении мелкоструктурных деталей в качестве наконечника может использоваться острый щуп (игла).

Предлагаемое техническое решение позволит повысить точность измерений не только с помощью острого щупа-иглы, но и измерительных наконечников типа шар. Определение в процессе калибровки рабочего сектора измерительного наконечника типа шар позволит уменьшить погрешность измерений при касаниях измеряемой детали точками из определенного в процессе калибровки рабочего сектора.