A mai gyártástechnológiai követelmények egyre magasabbak. Egyre pontosabban kell gyártani, minél rövidebb idő alatt, és minél kevesebb összegből. Ez a rohamosan fejlődő technikai színvonal a gyártástechnológia teljes eszköztárát hasonlóan gyors fejlődésre kényszeríti. Ilyen nagy léptékű változások a gyártást végig kísérő méréstechnika eszköztárát is jelentősen befolyásolják, kiemelten a koordinátamérő gépeket. Bár a koordinátamérő gépek kialakításaikat tekintve nem olyan változatosak, mint a forgácsoló szerszámgépek, mégis számos változat érhető el a piacon. Jelen cikkemben a CMM (koordinátamérő gép) kialakításairól, hozzá kapcsolódó műszaki megoldásokról szeretnék írni.
Koordinátamérő gépekről, általánosan
A koordináta mérőgép (CMM – Coordinate-Measuring Machine) egy több tengelyes, univerzális mérőgép. Általános szerkezeti kialakítása a 3- tengelyes, egymásra merőleges tengely elrendezés (ortogonális tengelyek). A működési elve a következő: minden tengelyhez egy helyzetérzékelő rendszer van kiépítve. A CMM gép egy mérőfejjel van felszerelve, mely folyamatosan kapcsolatban áll a gép vezérlésével. A mérőfej helyzete és a gép abszolút koordináta rendszere közötti eltérések alapján képes a CMM vezérlője egy tetszőleges (vagy akár az abszolút koordináta) rendszerben ezeket a mért pontokat regisztrálni. Ilyen megközelítésből a CMM három fő részegységre bontható: mechanikai kialakítás (váz és mozgó szerkezeti elemek), a mérőfej és a vezérlés.
Mechanikai kialakítás
Első sorban, a legegyszerűbb tengely elrendezéssel foglalkozzunk, a 3 lineáris tengelyes kialakításokkal. Ezek a legelterjedtebb szerkezeti kialakítások. Nemcsak mechanikai szempontból egyszerűek, de a vezérlésük is könnyen el tudja végezni a különböző matematikai műveleteket, mivel a legegyszerűbb, X-Y-Z- koordináta rendszerben kell dolgoznia.
Portálos kialakítás
A piacon fellelhető koordinátamérő gépek nagy része portálos kialakítású. A mérőfejet X-, Y- és Z- tengely irányában mozgatjuk, így a mérőasztal végig mozdulatlan marad. Az X- és a Z- tengely egy két oszlopon támaszkodó keresztszánon fut, az oszlopokon keresztül mozognak Y- irányban. Hallatlan előnyük a magas fokú merevségük a két oszlopos kialakítás miatt. Hátrányuk, hogy igen nehézkes a két oszlopot teljesen vízszintezve felszerelni- természetesen az Y- tengelyek akadása nélkül mozgás közben. Továbbá a két oszlop végeit is pontosan kell megmunkálni, hiszen ezek határozzák meg az X- tengely radiális ütését.
Portálos kialakítású mérőgép
Mozgó asztalos kialakítás
A CMM gépek közül az egyik legritkább kialakítás a mozgó asztalos konstrukció. Szinte mindegyik koordinátamérő gép asztala gránitból (esetleg műgránitból) készül. Ezért eléggé költséges lenne nagy tömeget mozgatni, ellenben a könnyű mérőfejjel. Előnye, hogy ha nagy tömeget mozgatunk, de kis sebességekkel, érezhető, hogy az asztal tehetetlenségéből származó terhelések minimálisak. Továbbá az asztal súlypontja alacsonyan helyezkedik el, mely növeli a rendszer merevségét. Ezért főleg kisméretű CMM gépeket alakítanak ki úgy, hogy X- és Y- tengely mentén mozgatja az asztalt.
Mozgó asztalos kialakítás elvi vázlata (ritka)
Mozgó állványos kialakítás
Mozgó állványos CMM gépek kialakítása a következő: a portálos kialakítással ellenben egy oszlopon helyezkedik el a merőfejet mozgató rendszer. A leggyakoribb kialakítás, hogy Z- és valamelyik vízszintes tengely mentén a fej mozog, míg a másik tengely mentén az asztal mozog. A vezetékek egymásra épülésének szétosztása miatt az egy oszlopos támasztás miatti merevség csökkentés valamilyen szinten csökkenthető. Gyakori, hogy mindhárom tengely mentén a fej mozog. Előnye bármely más kialakítású gépekhez képest, hogy ennek a konstrukciónak a legjobb a helykihasználtsága, a legjobban hozzáférhető (3 oldalról szinte korlátlanul). Ezért ezt a kialakítást részesítik előnyben olyan alkalmazási helyeken, ahol fontos a jó hozzáférhetőség, például: automatizált gyártósorokba beépítve, in-line testerként, több gépet kiszolgálva.
Mozgó keretes mérőgép (gyakran horizont mérőgépnek is hívják)
Mozgó, hídszerkezetes kialakítás
A hídszerkezetes kialakítás hasonló a portálos konstrukcióhoz. Mindhárom tengely mentén a fej mozog. Ellentétben itt nem két oszlopos, hanem négy oszlopos a támasztó szerkezet, egy-egy konzolt tartva, melyen az Y- tengely vezetékezése helyezkedik el. Kivételes kialakítás, kizárólag nagyméretű munkadarabok mérésénél alkalmazzák, a nagy támasztó közi méretei miatt.
Hídszerkezetes koordinátamérőgép
Forgó tengelyekkel kiegészített, 3 tengelyes CMM gépek
Hasonló elven, forgatni lehet a munkadarabot, illetve a mérőfejet. A leginkább gyakoribb megoldás a fej mozgatása. A legtöbb gyártó termékpalettáján megtalálhatóak mind a manuális állítású, illetve motoros állítású merőfejek, általában két forgó tengellyel. Ezek a forgó tengelyek alapvetően nem növelik a mérhető dimenziók számát, ugyanúgy az adott koordináta rendszerben mér három pontot. A forgó, állítható mérőfejek alkalmazásának két oka van. Egyrészt (tán a legfontosabb), a mért alkatrész hozzáférhetőségének növelése. Így alámetszések, illetve kisebb oldalsó furatok, oldalzsebek mérését teszi lehetővé. Munkadarab mozgatásánál hajtóműves forgó tengelyt szoktak alkalmazni, a munkadarab függőleges tengelye körüli forgatásra. Nagyméretű forgástestek mérésénél alkalmazzák mérési idő csökkentése céljából, például fogaskerekek mérésénél.
Járókerék lapátozásának mérése
Mérőgépek szerkezeti anyagai
Az első CMM gépek megjelenésénél az alapvető műszertechnikai és finommechanikai alkalmazásokban használt anyagokat alkalmazták szerkezeti anyagként. A vázszerkezet tekintetében ez a gránit volt. A gránit kiváló merevséggel rendelkezik, így a mérőműszereknél alkalmazott kis terheléseknél a deformációk szinte elhanyagolhatóak voltak. Rezgésszigetelési szempontból a gránit akkor volt alkalmazható, ha nagy tömegben került beépítésre a vázba, így a nagy szerkezeti súllyal történt a csillapítás. A gránit megmunkálásának körülményessége és ára miatt kezdtek el új, alternatív szerkezeti alapanyagokat keresni.
Gránit gépváz ellenőrzése
Eleinte próbálkoztak nagy merevségű acélokkal, öntött acélokkal, de hasonló költség és technológiai korlátokba ütköztek. Alapvetően két új irányvonal jelent meg: a magas ötvöző tartalmú alumíniumok és a műgránit alkalmazása. Alapvetően kicsik a terhelések, így nem igényelnek a váz anyagok olyan magas fokú merevséget. A szükséges merevséget már az anyagtudomány fejlődésével különböző alumínium ötvözetekkel is el tudták érni. Az alumínium megmunkálása is egyszerűbb, olcsóbb, nem is beszélve a jelentős súlycsökkentésről. A műgránit, mint közvetlen helyettesítése a gránitnak hasonló mechanikai tulajdonságokkal bír, mint a termésgránit. Az alumínium vázas CMM gépek hátránya az alapanyagának relatív jó hővezető képessége és magas hőtágulási együtthatója. Így alumínium vázas mérőgépek alkalmazása esetén, ha a mérési környezet hőmérséklete nem minősíthető állandónak, számolni kell a váz hőtágulásából adódó pontatlanságokkal. Tipikus ilyen helyek a szerszámgépek, egyéb hűt kibocsátó berendezések környezete.
Természetesen vannak hőkompenzációs szoftverek, melyek mérik a váz főbb szerkezeti egységeinek a hőmérsékletét- ismerve az anyag hőtágulási együtthatóját- korrekciózzák a koordináta értékeket. Tisztán kell látni, hogy a hőmérsékletmérés-, mint minden mérés- hibával terhelt. Ha ez alapján a hibával terhelt adat alapján korrekciózunk, a korrekciónk értéke is hibával lesz terhelve. Természetesen a korrekciózott érték így is jóval közelebb lesz a tényleges mérethez, de bizonyos alkalmazások esetén ezt is figyelembe kell venni. A műgránit vázas gépek anyaguk miatt nem szenvednek nagy hőtágulást, így mostohább körülmények között is képesek pontosan mérni. Figyelembe kell venni, hogy bizonyos műgránit típusok minimális szinten képesek a levegő páratartalmát megkötni, mely rövidtávon nem jelent nagy eltérést, hosszú távon viszont jelentősen befolyásolhatja a mérésünket. Ezért szükséges a CMM gépek időszakonkénti kalibrálása, hogy az ilyen jellegű, statikusnak tekinthető hibákat kiküszöböljük. A mérőgépek asztalát általában műgránitból készítik, hiszen kopásállósága jelentősen jobb, mint bármely alumínium ötvözeté, így elkerülve a mérőasztal esetleges karcolódásából, kopásából származó egyenetlenségeket.
Szerző:Juhász Miklós
Források:
www.zsinstruments.com
http://www.starrett-precision.co.uk/metrology/metrology-products/precision-granite
http://www.china-bridge-cmm-machine.com/accurate-large-gantry-coordinate-measuring-machines/
http://www.brusselsprout.org/cnc/1p-probe/
http://www.aerotech.com/product-catalog/stages/linear-x-y-stages/planarhdx.aspx
http://www.renishaw.com/en/new-state-of-the-art-air-bearing-gantry-system-features-renishaws-high-performance-incremental-encoder–12331