Решения для комплексной модернизации КИМ от компании Delcam и Renishaw

Как развивались КИМ: от первых моделей до современных систем

Появление стационарных координатно-измерительных машин

Бурное развитие вычислительной техники в 80-х годах прошлого столетия дало толчок созданию стационарных координатно-измерительных машин (КИМ) с числовым программным управлением. Эти устройства оснащались контактными датчиками и представляли собой шаг вперед по сравнению с традиционными специальными средствами измерений.

Стационарные КИМ при высокой точности измерений отличались универсальностью — их можно было быстро перенастраивать для контроля деталей различной конфигурации. Это важное преимущество.

Проблемы ранних систем с ЧПУ

На заре компьютерной эры специализированные промышленные компьютеры, установленные в КИМ, имели крайне ограниченные возможности. Пользователи сталкивались с серьезными трудностями:

• ✖️ Сложность программирования последовательности контактных измерений
• ✖️ Высокий риск коллизий и поломки дорогостоящего оборудования
• ✖️ Необходимость математической обработки результатов специалистом-метрологом

Несмотря на моральное устаревание «электронной» начинки, механическая часть этих устройств даже сегодня поражает точностью изготовления и техническим совершенством.

Почему механика служит десятилетиями

В процессе эксплуатации конструкция КИМ не подвергается знакопеременным силовым нагрузкам (в отличие от станков с ЧПУ), поэтому подвижные сочленения мало изнашиваются. Некоторые типы стационарных КИМ вообще используют воздушные подшипники.

Добавьте сюда специальные термостатированные лаборатории с контролируемой влажностью — и получите прекрасную сохранность механической части. Именно поэтому многие пользователи задумываются о модернизации КИМ вместо покупки новых машин.

Цифровая революция в измерениях: CAD-модели и точность

Переход от чертежей к трехмерному моделированию

За последние 20 лет возможности персональных компьютеров и программного обеспечения шагнули далеко вперед. В производстве произошла революция: если 20–30 лет назад основным носителем конструкторской информации был двумерный чертеж, то сейчас это трехмерная математическая CAD-модель.

CAD-модель полностью и однозначно задает форму и размеры всех поверхностей детали или сборки. Проектирование изделий перешло на качественно новый уровень.

Проблема совместимости форматов

На рынке существует множество систем геометрического моделирования (CAD-систем), но форматы данных часто несовместимы. Для обмена 3D-данными требуется конвертация файлов из одного формата в другой.

Особенно остро эта проблема стоит перед производителями сложной инструментальной оснастки — от точности трансляции данных напрямую зависит качество изделия.

PS-Exchange и PowerSHAPE: универсальные решения

PS-Exchange от английской компании Delcam — один из наиболее «всеядных» трансляторов. Он преобразует большинство популярных CAD-форматов, включая российскую систему КОМПАС-3D.

Если конвертация прошла с ошибками или исходная модель содержала дефекты (щели между поверхностями, дубликаты, нахлесты), CAD-система PowerSHAPE того же разработчика поможет идентифицировать и исправить все проблемы с геометрией.

Конечная цель работы CAD-систем — создать правильную 3D-геометрию, пригодную для разработки управляющих программ для станков с ЧПУ.

CAI-системы: автоматизация измерительных процессов

Сравнение CAD-модели с реальными измерениями

После изготовления сложной детали на станке с ЧПУ (или во время межоперационного контроля) возникает задача сравнения фактических поверхностей с эталонной CAD-моделью. Для высокой точности измерений (порядка нескольких микрон) по-прежнему необходимы стационарные КИМ с ЧПУ.

Для сравнения эталонной модели с фактическими данными служат специализированные CAI-системы (Computer Aided Inspection). На основе полных математических 3D-моделей измеряемой детали, крепежной оснастки, узлов КИМ и измерительного датчика они решают комплекс математических задач.

Преимущества современных CAI-систем

Современная CAI-система предоставляет пользователю несомненные преимущества:

• ✓ Простота использования даже для неспециалистов
• ✓ Высокая безопасность процесса измерения
• ✓ Наглядность и доступность результатов
• ✓ Автоматизация рутинных операций

Возможности контактных измерений ограничены лишь габаритами рабочей зоны КИМ и наличием труднодоступных зон на деталях.

Практика показывает: стационарные трехосевые КИМ с моторизованной двухосевой измерительной головкой и триггерным датчиком (например, PH20 фирмы Renishaw) успешно справляются с измерениями сложных деталей — внутренних каналов блока цилиндров V-образных двигателей внутреннего сгорания.

PowerINSPECT: пошаговая работа с координатными машинами

Типичная последовательность работы пользователя

Рассмотрим на примере CAI-системы PowerINSPECT компании Delcam стандартный рабочий процесс:

1. Загрузка кинематической модели. В рабочее пространство CAI-системы загружается полная 3D-модель КИМ и крепежной технологической оснастки. При отсутствии нужной модели в стандартной поставке её можно создать в PowerSHAPE или импортировать из другой CAD-системы.
2. Позиционирование детали. Задается расположение 3D-модели детали относительно системы координат КИМ. Перед измерениями пользователь должен точно базировать измеряемую деталь в той же позиции.
3. Программирование измерений. Пользователь указывает мышкой на поверхности CAD-модели последовательность контролируемых геометрических элементов (формообразующие поверхности, плоскости, конусы, сферы). Специальные визарды PowerINSPECT помогут назначить требуемое количество точек для каждого элемента. При необходимости точки можно расставить вручную.
4. Настройка безопасных перемещений. Задаются безопасные высоты перемещений щупа, редактируются направления подводов, отводов и переходов в визуальном режиме. На этом этапе важно убедиться в отсутствии коллизий — все опасные зоны программа найдет автоматически и покажет при симуляции.
5. Генерация управляющей программы. Создается УП в соответствии с кинематической схемой КИМ, последовательность команд передается на машину.
6. Анализ и отчетность. Автоматический анализ результатов замеров и их отображение на 3D-модели в наглядной форме с использованием цветовых схем. Результаты могут быть автоматически оформлены в виде отчета по стандарту предприятия.

Рис. 1 Интерфейс системы PowerINSPECT для программирования измерений

Автоматический расчет сложных параметров

Современные CAI-системы определяют не просто координаты заданных точек, но и автоматически вычисляют важные для конструктора параметры:

• → Расстояние между центрами отверстий
• → Отклонения в соосности отверстий
• → Отклонение оси отверстия от нормали к поверхности
• → Погрешность параллельности поверхностей

От пользователя не требуется глубоких познаний в метрологии — программа рассчитывает все значения полностью автоматически. Это серьезно.

Универсальность PowerINSPECT

Уникальная особенность CAI-системы PowerINSPECT — она не привязана к оборудованию конкретной марки или производителя. Её можно использовать практически с любым современным измерительным оборудованием.

Но что делать владельцам морально устаревших КИМ, блок управления которых не поддерживает базовые возможности CAI-системы?

Четыре стратегии модернизации устаревших КИМ

Совместное решение Delcam и Renishaw

Английская фирма Renishaw — один из мировых лидеров в производстве контактных датчиков, приводных головок, оптических линейных и угловых преобразователей, энкодеров, контроллеров и других электронно-механических компонентов КИМ.

Объединив усилия, компании Delcam и Renishaw предлагают заказчикам высокоэффективные решения по комплексной модернизации морально устаревших КИМ любых производителей.

По сравнению с покупкой новой стационарной КИМ такое решение обеспечивает значительную экономию средств. Современная аппаратная начинка и триггерные датчики Renishaw дают точность и повторяемость, зачастую не уступающие новым машинам, а ПО от Delcam поднимает производительность на качественно новый уровень.

Тип 1: Замена программного обеспечения

В любом метрологическом ПО есть список поддерживаемых контроллеров — тех, к которым разработаны протоколы соединения. В современном программном обеспечении такой список может содержать более двух десятков подключений.

Важно определить, возможно ли соединение с вашим контроллером. Первый тип модернизации наименее затратный, так как требует замены только ПО. Иногда замена производится для обеспечения компенсации геометрической погрешности КИМ средствами ПО, а не контроллера (например, модуль piGeometryCompensation в составе PowerINSPECT).

Тип 2: Замена контроллера

Второй тип модернизации применяется, если необходимого протокола соединения с контроллером нет или его разработка невозможна. В этом случае контроллер КИМ меняется на тот, протокол которого есть в списке поддерживаемых CAI-системой.

Тип 3: Глубокая модернизация

Этот тип предусматривает замену нескольких систем КИМ. Чаще всего меняются:

• ★ Система отсчета линейных перемещений
• ★ Измерительная головка
• ★ Контроллер или блок индикации
• ★ Шкаф управления

В большинстве случаев также меняется вся электропроводка и сигнальные кабели. Реже — двигатели системы приводов.

Этот тип модернизации наиболее затратный, но гарантирует наилучшие характеристики после модернизации, так как используются все новые современные системы (например, компоненты фирмы Renishaw).

Тип 4: Переделка типа машины

Данный тип предусматривает перевод машин из одного типа в другой:

• ☑ Из ручной в КИМ с ЧПУ
• ☑ Из координатной разметочной машины в измерительную
• ☑ Из КИМ с цифровым табло в полноценную КИМ с современным ПО

Каждый вариант требует тщательной проработки, так как производитель КИМ зачастую не предусмотрел в конструкции возможность монтажа той или иной системы.

Компоненты Renishaw и программное обеспечение Delcam

Улучшение метрологических характеристик

В большинстве случаев можно улучшить метрологические характеристики КИМ за счет:

• ✔️ Современных систем отсчета линейных перемещений
• ✔️ Новой контактной измерительной головки
• ✔️ Современного контроллера
• ✔️ Программной коррекции геометрической погрешности КИМ (составление карты ошибок ErrorMap)

Именно современное программное обеспечение и электронные компоненты являются гарантом успешной модернизации. Они дают возможность вдохнуть вторую жизнь в, казалось бы, безнадежно устаревшее оборудование, часто пылящееся в лабораториях годами.

Экономическая эффективность модернизации

Функциональные блоки КИМ: от датчиков до контроллеров

Архитектура координатно-измерительной машины

По функциональным блокам все КИМ схожи. Все машины оснащены системами отсчета линейных перемещений, которые дают текущую позицию по каждой координатной оси.

Фиксация момента съема точки происходит с помощью датчика, закрепленного на измерительной головке. Датчики бывают различного исполнения:

• ➤ Триггерные (кинематические и тензометрические)
• ➤ Оптические
• ➤ Сканирующие (контактные и лазерные)

Все данные поступают в «сердце» КИМ — контроллер. Именно он обрабатывает координаты, следит за состоянием систем и фиксирует момент съема точки, передавая координату в программное обеспечение.

Последующей обработкой измеренных точек занимается ПО. Здесь и кроется ключевое отличие старых и новых систем.

Роль программного обеспечения

Современное ПО не просто собирает координаты точек — оно:

Автоматически рассчитывает сложные геометрические параметры, строит цветовые карты отклонений, генерирует отчеты по стандартам предприятия, предотвращает коллизии через симуляцию, адаптируется под различные типы КИМ.

Вот почему модернизация ПО часто дает больший эффект, чем замена механики.

В заключение отметим: правильное сочетание современных компонентов Renishaw и программного обеспечения Delcam позволяет продлить жизнь координатно-измерительным машинам на годы, обеспечивая при этом точность и производительность на уровне новейших моделей. Это разумный подход к инвестициям в метрологическое обеспечение производства.

Алексей Зорин

Михаил Злотский

Константин Евченко