Пропустить переходы по меню

Чтобы качество было бескомпромиссным – руководство по выбору щупов для КИМ

Выбор оптимального щупа для решения конкретной задачи требует учета ряда важных факторов.

Факторы, определяющие выбор щупа

Для оценки необходимой точности измерений на КИМ обычно используется отношение погрешности КИМ к допуску на размеры элемента - это отношение должно составлять не менее 1:5 (в идеальном случае 1:10, однако обеспечение такого уровня может оказаться во многих случаях неоправданно дорогостоящим). Данное значение этого показателя гарантирует определенный диапазон надежности измерений: результаты измерений имеют погрешность ниже предполагаемого диапазона отклонений параметров детали. При соблюдении отношения 5:1 для самого жесткого допуска требуемая точность будет всегда обеспечена.

К сожалению, такая безобидная, на первый взгляд, процедура, как смена щупа на датчике, может существенным образом повлиять на реально достижимую точность и привести к заметным отклонениям в результатах измерений. Для проверки точности недостаточно полагаться на результаты ежегодной калибровки КИМ, так как такие результаты действительны только для используемого при калибровке щупа (обычно очень короткого). Получаемое при такой проверке значение точности соответствует наиболее благоприятному случаю. Для получения более полного понимания того, какая точность достижима при различных измерениях, необходимо оценить, как влияет щуп на погрешность измерений.

Здесь рассматриваются четыре ключевых фактора, определяющих выбор щупа с точки зрения получаемой суммарной погрешности измерений на КИМ:

1. Отклонение от сферичности (круглости) шарика щупа

2. Изгиб щупа

3. Стойкость к перепадам температуры

4. Выбор материала наконечника щупа (для сканирования)

Отклонение от сферичности (круглости) шарика щупа

Измерительные наконечники большинства щупов представляют собой шарики, изготавливаемые обычно из синтетического рубина. Любая погрешность сферичности (круглости) таких наконечников влияет на величину ошибки при измерениях на КИМ; снижение точности КИМ может достигать в таких случаях до 10 %.

Рубиновые шарики изготавливаются с различной точностью, определяемой требованием к их так называемому "классу" (grade); эта характеристика связана с максимальным отклонением шарика от идеальной сферы. Наиболее часто используются шарики класса 5 и класса 10 (чем меньше класс, тем лучше шарик). Переход к классу более низкой точности, т.е. замена шарика класса 5 шариком класса 10, дает небольшой выигрыш с точки зрения стоимости щупа, но может поставить под угрозу соблюдение отношения 1:5.

Проблема заключается в том, что класс шарика невозможно оценить визуально и влияние этого параметра на результаты измерений неочевидно; это усложняет расчет влияния этого параметра. Одно из решений в этом случае состоит в том, чтобы рассматривать шарики класса 5 в качестве стандарта: эти шарики стоят несколько дороже, однако эти затраты несущественны по сравнению с возможными затратами вследствие отбраковки качественной детали или, что ещё хуже, пропуском детали, не соответствующей требованиям. Чем выше точность КИМ, тем более сказывается класс шарика. На КИМ с наиболее высокими характеристиками точность измерений может снизиться даже на 10 % вследствие использования шарика класса малой точности.

Рассмотрим следующий пример...

Типичная ошибка измерений, согласно стандарту ISO 10360-2 (MPEP), получаемая при использовании шарика класса 5:

  • MPEP = 1,70 мкм

Эту величину получают при измерениях в 25 отдельных точках, которые сопоставляются 25 отдельным радиусам. Диапазон отклонений радиусов представляет собой значение MPEP. Круглость шарика непосредственно влияет на эту величину; при замене шарика класса 5 шариком класса 10 эта величина увеличивается на 0,12 мкм и снижает в этом случае точность контактных измерений на 7 %:

  • MPEP = 1,82 мкм

Следует иметь в виду, что некруглость шарика щупа также влияет на значение погрешности MPETHP. Данная величина используется для определения погрешности касания при сканировании; для определения этой величины выполняется сканирование по четырём определённым траекториям.

Примечания.

  • Некруглость шарика класса 5 = 0,13 мкм
  • Некруглость шарика класса 10 = 0,25 мкм

Для решения задач с особо жесткими требованиями компания Renishaw предлагает серию щупов с шариками класса 3; некруглость этих шариков составляет всего 0,08 мкм.

Изгиб щупа

При работе с датчиками касания, например, широко используемым в отрасли датчиком ТР20, обычной практикой является переключение между разными модулями щупов с целью использования преимуществ различных щупов, каждый из которых оптимизирован для выполнения измерений определенного типа. Причина того, что для измерения всех элементов недопустимо использовать единственный щуп большой длины, заключается в том, что при увеличении длины щупа точность измерений падает. Оптимальное решение заключается в использование наиболее короткого щупа с наибольшей жесткостью. Почему?

Хотя сам щуп не является непосредственной причиной потери точности, но увеличение длины щупа приводит к увеличению погрешности измерений. Источником погрешности является переменная сила, необходимая для срабатывания датчика в различных направлениях. Большинство датчиков не срабатывает при мгновенном контакте между щупом и деталью; для их срабатывания необходимо создание определенного усилия для преодоления силы упругости пружины внутри механизма датчика. Эта сила создает упругую деформацию щупа. Изгиб щупа делает возможным смещение датчика на короткое расстояние относительно детали после того, как произошел физический контакт, но до того, как будет сгенерирован сигнал запуска (триггерный сигнал). Это смещение называется рабочим ходом датчика.

В конструкции большинства датчиков предусмотрена система базирования по трем точкам (треугольная), что приводит к тому, что для генерации сигнала запуска требуется сила различной величины. В направлениях с более высокой жесткостью генерация сигнала запуска становится возможной при более значительном изгибе щупа. Это также означает, что перемещение по оси КИМ будет больше, а величина рабочего хода будет зависеть от угла подхода (см. диаграмму справа). Картина изменений рабочего хода еще больше усложняется для углов при установке в нескольких плоскостях (X, Y и Z-оси).

В целях снижения этого эффекта все щупы перед использованием калибруются на базовой сфере известного размера. В идеальных условиях такая процедура позволила бы компенсировать ошибки при любой комбинации щупа и угла подхода. Однако на практике часто делается определенная выборка углов с целью экономии времени, имеет место некоторое усреднение, и небольшая доля погрешности сохраняется.

Расчет влияния этого явления на погрешность измерений представляется затруднительным без проведения эмпирических проверок. Необходимо иметь в виду тот важнейший факт, что любые дополнительные отклонения величины рабочего хода усиливаются в зависимости от упругости выбранного щупа. Это обстоятельство придает особую важность правильному выбору материалов для конструкции щупа, поскольку оно определяет более высокую критичность жесткости щупа на изгиб в сравнении с другими его характеристиками, например, весом и стоимостью. В то время как для более коротких щупов пригодна сталь с модулем Юнга E = 210 кН/мм2, широко распространенным материалом с наибольшей жесткостью является карбид вольфрама (E = 620 кН/мм2), но этот материал имеет высокую плотность и поэтому редко применяется для длинных щупов. В таких случаях оптимальное сочетание жёсткости (E ≥ 450 кН/мм2) и небольшой массы обеспечивается при использовании углеродного волокна. В то же время керамические стержни (E = 300-400 кН/мм2) часто используются при измерениях на станках, когда важны такие характеристики, как малый вес и стойкость к перепадам температуры.

Жесткость щупа зависит также от соединений в узлах щупов. Общее правило состоит в том, чтобы избегать во всех возможных случаях наличия соединений, так как они приводят к появлению гистерезиса. Однако соблюдение этого правила не всегда является достижимым в процессе работы с неподвижным датчиком при измерении деталей сложной формы. В таких случаях может быть необходима сложная конфигурация, включающая различные щупы, удлинители, соединители и шарнирные соединения. При этом так же, как и ранее, важно продуманно выбирать материалы для каждого элемента, так как это влияет на жесткость, вес и прочность конфигурации.

Стойкость к перепадам температуры

Флуктуации температуры могут приводить к серьезным погрешностям измерений. Правильный выбор материала удлинителя щупа позволяет обеспечить более высокую стабильность при изменении окружающих условий и дать более согласованные результаты измерений. Предпочтительно использовать материалы с низким коэффициентом теплового расширения, особенно в случае длинных щупов, т.к. тепловое расширение зависит от длины.

Как указывалось выше, наиболее часто для длинных щупов и удлинителей применяется углеродное волокно, поскольку оно отличается высокой жесткостью, малым весом и не меняется по длине при изменении температуры. В тех случаях, когда требуется металл, например, в шарнирах, соединениях и т.п., оптимальное сочетание прочности, устойчивости и плотности обеспечивается при использовании титана. Компания Renishaw предлагает удлинители для датчиков и щупов из обоих указанных материалов.

Выбор материала наконечника щупа

При решении большинства задач в качестве наконечников щупов используются рубиновые шарики. Однако существуют некоторые обстоятельства, при которых предпочтительнее использовать другие материалы.

При измерениях контактным триггерным датчиком только наконечник щупа соприкасается с поверхностью на короткое время, и относительное перемещение отсутствует. При сканировании ситуация отличается, поскольку шарик скользит по поверхности детали, что приводит к износу из-за трения. Такой длительный контакт может, в крайних случаях, приводить к удалению или осаждению материалов на шарике щупа, что нарушает его круглость. Эти явления усиливаются, если один из участков шарика находится в постоянном контакте с деталью. Компания Renishaw провела глубокие исследования этих явлений, что позволило выявить два различных механизма износа, описанных ниже.

Абразивный износ

Abrasive wear Абразивный износ происходит при сканировании поверхностей из такого материала, как чугун: появляющиеся крошечные частицы оставляют мельчайшие царапины на щупе и детали, что приводит к образованию небольшого плоского участка на наконечнике щупа. В таких случаях оптимальным решением является выбор наконечников щупа из такого прочного материала, как двуокись циркония.

Адгезионный износ

Adhesive wear test 2 Адгезионный износ происходит в тех случаях, когда между материалами шарика щупа и детали существует химическое сродство. Это явление наблюдается при сканировании деталей из алюминия шариком, изготовленным из рубина (оксида алюминия). Происходит переход материала с относительно более мягкой детали на щуп, что приводит к созданию покрытия из алюминия на наконечнике щупа, а это отрицательно влияет на его круглость. В этом случае оптимальным является использование нитрида кремния, который обладает высокой стойкостью к износу и не имеет сродства к алюминию.

Прочие факторы

При выборе щупа следует учитывать также следующие факторы:

  • соответствие резьбы щупа выбранному датчику
  • тип щупа – прямые, звездообразные, поворотные или по индивидуальному заказу
  • тип наконечника щупа – шарик, цилиндр, диск, полусфера
  • размер наконечника щупа с целью сведения к минимуму влияния шероховатости поверхности на точность измерений

Все эти вопросы подробно изложены в брошюре компании Renishaw Прецизионные щупы.

Заключение

Щупы представляют собой решающий фактор при выполнении любого измерения, поскольку именно через них осуществляется взаимодействие между датчиком и деталью. Щупы обеспечивают доступ к элементам на детали и должны надежно передавать в датчик информацию о положении поверхности. Для того чтобы добиться точных измерений, щупы должны быть изготовлены из компонентов высокой точности; каждый из этих компонентов должен быть изготовлен из тех материалов, которые соответствуют требованиям конкретной задачи. Правильно выбранный щуп не вносит значительной погрешности и позволяет получать непротиворечивые и надежные результаты. В тех случаях, когда допуски для детали являются очень жесткими и требуется использование более длинных щупов, необходимо тщательно проанализировать влияние выбранных характеристик на точность.