МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»
Суслин В.П., Джунковский А.В., Холодов Д.А.
Методические указания
по выполнению лабораторной работы: “измерение стандартных
геометрических поверхностей на координатно-измерительных машинах”.
Направление подготовки 220400 «Технологические измерения в технических
устройствах», 141100 «Информационно-измерительные устройства».
Под редакцией профессора,
к.т.н. В. И. Харитонова.
Москва 2011
2
В.П. Суслин, доцент, А.В. Джунковский, доцент, Д.А. Холодов, аспирант.
Методические указания по выполнению лабораторной работы: “измерение
стандартных геометрических поверхностей на координатно-измерительной
машине”. Направление подготовки 220400 «Технологические измерения в
технических устройствах», 141100 «Информационно-измерительные
устройства».
Стр. 16, рис.4, МГТУ «МАМИ», 2011 г.
В методических указаниях приведены основные сведения необходимые
для организации и выполнения лабораторной работы по дисциплинам
«Технологические
измерения
в
технических
устройствах»,
«Информационно-измерительные устройства».
Представлена информация, позволяющая ознакомиться с устройством
координатно-измерительных машин и получить навыки их использования.
Описано программное обеспечение, разработанное для измерений на
координатно-измерительных машинах.
© Московский государственный технический университет «МАМИ» 2011 г.
3
1. Цель работы
Изучение архитектуры координатно-измерительных машин (КИМ),
ознакомление с программным обеспечением КИМ, получение навыков
измерения стандартных геометрических поверхностей.
2. Описание лабораторной установки
Устройство КИМ.
Работа КИМ основана на поочередном измерении координат
определенного числа точек поверхности объекта измерения, и последующих
расчетах линейных и угловых размеров, отклонений размера, формы и
расположения в соответствующих системах координат. Координатные
измерения реализуются комплексом программно-аппаратных средств. КИМ
условно
можно
разделить
на
измерительные
преобразователи,
измерительную головку и управляющий вычислительный комплекс,
предназначенный для управления процессом измерения. Конструкция КИМ
реализует идею мехатронных систем в станкостроении и обеспечивает
высокую жесткость корпуса и прецизионное функционирование механики.
Структурная схема КИМ представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема КИМ.
Координаты точек измеряются в машинной системе координат,
реализуемой перемещениями измерительной головки (1) относительно
измеряемой детали. Деталь или измерительная головка перемещаются за счет
узлов координатных перемещений (2). Перемещения рассчитываются с
помощью измерительных преобразователей (3) в направлении всех
координатных осей системы координат. Перемещения измерительной
головки или детали осуществляются с помощью приводов или вручную (4).
Иногда для обеспечения доступа к измеряемым поверхностям определенного
класса
деталей
КИМ
оснащаются
поворотными
столами
(5),
представляющими возможность поворачивать деталь относительно одной
4
или нескольких осей, расположенных под различными углами в
пространстве.
В момент соприкосновения измерительного наконечника с измеряемой
поверхностью детали происходит измерение электрического сигнала,
являющееся командным сигналом на останов и реверс приводов. Обработку
электрических сигналов, управление электроприводами, обработку и
представление
данных
измерений
осуществляет
управляющий
вычислительный комплекс, в состав которого входят нормирующие
преобразователи (6, 7), блок управления электроприводами (8), которые
через блок связи (9) или непосредственно соединены с ЭВМ (10). Управление
подвижными узлами КИМ в ручном режиме осуществляется от пульта (11).
Определение координат и поправок отдельных измерительных наконечников
происходит с помощью измерения калибратора (12) – аттестованной с
высокой точностью образцовой детали (сферы или куба).
Для отсчета перемещений подвижных узлов КИМ используются
измерительные системы. Они наряду с узлами координатных перемещений
определяют точность и быстродействие КИМ. Практически погрешность
измерительных систем составляет 0.3 – 0.5 погрешности измерения длины на
КИМ вдоль координатных осей. Большинство КИМ оснащены
фотоэлектрическими измерительными системами, имеющими растровые
измерительные линейки. Так же используются индуктосины и лазерные
измерительные системы.
Принцип работы фотоэлектрических измерительных систем основан на
модуляции светового потока, проходящего через 2 взаимоподвижных растра,
и превращении его в квазисинусоидальные электрические сигналы.
Основным элементом системы является растровая измерительная линейка,
имеющая периодически изменяющуюся структуру с участками равной
ширины, дающими разное пропускание или отражение света (рисунок 2).
Рисунок 2. Схема и принцип действия фотоэлектрической измерительной системы с
растровой стеклянной линейкой:
1-осветитель; 2-объектив; 3-растовая измерительная линейка; 4, 6-кодовые растры;
5-растровая индикаторная линейка; 7, 8-фотоприемники.
5
С помощью коллимационной осветительной системы (1) и объектива
(2) пучок параллельных лучей направляется на растровую линейку (3),
сопряженную с небольшим зазором с индикаторной растровой линейкой (5).
Модулируемый в процессе их взаимного перемещения световой поток
воспринимается светочувствительными элементами (7) и преобразуется в
квазисинусоидальные сигналы. Фотоприемники установлены напротив
пучков растров индикаторной линейки, которые сдвинуты относительно друг
друга на ¼ шага растра. Т.о. на выходе получаются 4 сигнала u1, u4, u3 и u4,
сдвинутые каждый относительно предыдущего на ¼ периуда. После
электрические сигналы формируются в кратковременные импульсы, число
которых пропорционально взаимному смещению измерительной и
индикаторной линеек. Так же на измерительной и индикаторной линейках
могут быть нанесены дополнительные кодовые растры (4, 6), формирующие
с помощью фотоприемника (8) дополнительные реперные сигналы.
Измерения
Стандартными геометрическими элементами являются точка, прямая,
плоскость, окружность, сфера, цилиндр, конус. Основной процедурой при
всех измерениях является измерение точки. В момент касания детали
наконечником измерительной головки происходит считывание координат X,
Y, Z с отсчетных систем КИМ. Это будут координаты центра сферического
наконечника (а не точки касания). Координаты поступают в измерительную
программу, в которой производится их обработка в зависимости от
конкретной ситуации.
Например, при необходимости измерения сферы нужно в измерительной
программе запустить функцию «Измерение сферы». По умолчанию на сфере
требуется измерить 5 точек. К установленной на столе КИМ сфере нужно
подвести измерительный наконечник и произвести измерение пяти разных
точек на ней. По координатам этих точек измерительная программа
определит параметры сферы: диаметр, координаты центра, отклонение от
сферичности. Причем, если не установлен режим компенсации радиуса
наконечника, то диаметр сферы окажется больше на величину диаметра
наконечника.
Измерительные функции
Измерительные функции можно вызвать, указав позицию «Измерения» в
главном меню программы. Данное меню включает функции обмера
стандартных геометрических объектов: точек, прямых, плоскостей,
окружностей, эллипсов, полигонов, кривых, сфер, цилиндров, конусов
(рисунок 3).
6
Рисунок 3. Функции меню «Измерения»
При вызове любой из этих функций (кроме функции Программа…) на
экране появляется диалоговое окно, позволяющее произвести настройку
процесса измерения и контролировать ход процесса. Работа в диалоговом
окне однотипна для всех измеряемых объектов. Поэтому далее приведено
подробное описание диалогового окна на примере измерения прямой
(рисунок 4).
Двумя горизонтальными линиями диалоговое окно разделено на три
части. В верхней части содержится строка с названием вызванной функции, в
данном случае «Измерение прямой». Ниже названия функции расположена
пиктограмма, наглядно показывающая, что следует измерять.
Правее расположены три диалоговые строки. В первой указано имя
измеряемого объекта. Оно состоит из названия объекта и номера. В этой
строке объекту можно дать любое другое имя.
7
Рисунок 4. Диалоговое окно измерений
Во второй диалоговой строке можно выбрать рабочую плоскость, а в
третьей – систему координат, в которой будут произведены измерения.
Предупреждение: Если была изменена рабочая плоскость или выбрана
другая система координат, то изменения сохраняются после
завершения данного измерения.
Правее расположены кнопка «Формат вывода…» и поле «Проекция».
Кнопка «Формат вывода…» открывает диалоговое окно для задания
параметров формата вывода измерений.
В данной лабораторной работе перед измерением каждого объекта
нужно открыть окно «Формат вывода» и установить в нем выводимые
параметры, задав режим «Измеренное». Список выводимых параметров
приведен ниже в п.1 Указаний по выполнению лабораторной работы.
Если установить флажок в поле «Проекция», то будет измерена
проекция прямой на рабочую плоскость. Поле «Проекция» предусмотрено
только для прямой. Другие объекты либо могут быть измерены только в
проекции на рабочую плоскость (например, окружность), либо проекция на
плоскость для них не имеет смысла (например, цилиндр).
Справа находится раскрывающаяся строка для выбора режима
компенсации наконечника измерительной головки. Для незамкнутых
объектов (точка, прямая, плоскость, полигон) может быть задан один из
следующих режимов компенсации: НЕТ, +X, -X, +Y, -Y, +Z, -Z. Для
замкнутых объектов (окружность, эллипс, сфера, цилиндр, конус) возможны
такие режимы компенсации: НЕТ, ОТВЕРСТИЕ, ВАЛ.
8
Ниже строки с режимом компенсации располагается поле, в которое
выведен диаметр наконечника (справочно).
В средней части диалогового окна располагаются поля наконечников,
индикации координат и счетчика точек.
В поле наконечников схематично изображен блок наконечников
измерительной головки. Установленный наконечник изображен красным
цветом. Калиброванные не установленные наконечники изображены синим
цветом. В данном случае калиброваны наконечники №1 и №2. Из них
установлен наконечник №1.
Для установки нужного наконечника достаточно щелкнуть левой
кнопкой мыши на его изображении.
Предупреждение: Если был выбран другой наконечник, то его
установка сохраняется после завершения данного измерения.
Измерение одного объекта можно проводить разными наконечниками.
При этом обязательно задание типа компенсации, так как из-за разных
диаметров наконечников объект не может быть построен по центрам сфер
наконечников.
В поле индикации координат выводятся машинные координаты X, Y, Z
измеренных точек. В зависимости от модели машины обновление координат
может происходить непрерывно с некоторой частотой или по сигналу
датчика измерительной головки в момент касания детали.
Точки можно “измерять” ручным вводом координат. Для этого
координаты точки нужно напечатать в строках индикации X, Y, Z и указать
кнопку ВВЕСТИ или нажать ENTER.
В поле счетчика точек крупно выведено число измеряемых точек. Для
объекта каждого типа предлагается измерить минимальное число точек,
необходимое для его определения (для некоторых объектов плюс одна
точка). Например, для прямой будет предложено измерить 2 точки. После
измерения точки число точек уменьшается на единицу, то есть идет
обратный отсчет: 2, 1.
Число измеряемых точек можно изменить с помощью кнопок “^” и “v”.
Верхняя граница числа измеряемых точек не установлена.
Для каждого объекта ограничено минимальное число измеряемых точек,
необходимых для его определения. Если кнопкой “v” попытаться уменьшить
число точек ниже минимального, то произойдет сброс счетчика на ноль.
Причем ноль будет выведен красным цветом. Это признак того, что в данном
измерении число точек не ограничено.
9
При этом отсчет количества измеренных точек будет идти от 0 в сторону
возрастания. Для окончания измерений в этом случае следует указать кнопку
ЗАВЕРШИТЬ в нижней части диалогового окна.
В нижней части диалогового окна расположены кнопки управления
измерениями:
«Ввести»
- команда на ввод координат точек, заданных вручную;
«Завершить»
- указание завершить измерение точек, когда их
количество не ограничено сверху;
«Вернуть»
- отмена последней введенной точки;
«Отменить»
- отмена всех введенных точек;
«Выйти»
- выход из операции до завершения измерения. Если
при этом число измеренных точек достаточно для определения объекта,
то он будет измерен.
Режим “измерение из файла”
Если в измерительном окне дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, то
появится стандартное окно «Открытие файла», в котором следует найти и
указать файл с точками обмера объекта. При этом произойдет измерение
объекта, как будто точки измерений поступили с измерительной машины.
Файлы с точками обмера объектов имеют расширения elm.
Количество точек
По умолчанию предлагается измерить на одну точку больше, чем это
необходимо для определения объекта (кроме точки и прямой, для которых
предлагается измерить соответственно одну и две точки). Например, при
измерении окружности предлагается измерить четыре точки, хотя достаточно
и трех.
Чем больше точек измерено на объекте, тем достовернее его параметры.
Поэтому установленное число точек может быть рекомендовано, если не
требуется повышенная точность определения параметров. Если обмеряется
высокоточное изделие, например, концевая мера длины, прецизионная сфера
и т.п., то число точек должно быть увеличено. На основании опыта при
измерении высокоточных объектов можно рекомендовать следующее
количество точек измерений:
- для плоскости и окружности не менее 6;
- для сферы, цилиндра и конуса не менее 8;
- при калибровке наконечника по сфере – 9 точек.
Расположение точек
Измеряемые точки следует располагать как можно более распределенно
по объекту.
10
При измерении сферы рекомендуется в число измеряемых включать
полярную точку в направлении оси наконечника.
При построении объекта по измеренным точкам решается нелинейная
задача определения параметров объекта. Для решения нелинейных задач
используются итерационные методы. Суть итерационного метода состоит в
том, что, начиная с некоторых приблизительных значений параметров
(начального приближения) происходит их последовательное уточнение до
тех пор, пока сумма квадратов отклонений точек от объекта не достигнет
минимума.
Приблизительные значения для итерационного метода вычисляется на
основе измеренных точек. Поэтому для некоторых объектов требуется
определенное расположение точек.
Для цилиндра необходимо, чтобы первые три точки лежали примерно в
диаметральном сечении (ни в коем случае на прямолинейной образующей).
По этим точкам определяется приблизительно направление оси и радиус
цилиндра.
Для конуса необходимо, чтобы три первые и три последние точки
лежали примерно в двух диаметральных сечениях. По ним определяется
приблизительно направление оси и положение вершины конуса.
Другие точки можно измерять в произвольных местах цилиндра и
конуса.
Работа выполняется на КИМ КИМ DKM 1-300DP
Производство Carl Zeiss Jena.
Перемещения по осям 320х220х150 мм.
Погрешность измерений ±(3 + L/200) мкм.
3. Рабочее задание
1. Провести измерение объекта прямая в режиме измерения из файла.
Выводимые параметры: центральная точка, вектор направления.
2. Провести измерение объекта плоскость в режиме измерения из файла.
Выводимые параметры: центральная точка, вектор направления.
3. Провести измерение объекта окружность в режиме измерения из файла.
Выводимые параметры: центральная точка, диаметр.
4. Провести измерение объекта эллипс в режиме измерения из файла.
Выводимые параметры: центральная точка, оси, угол наклона оси.
5. Провести измерение объекта сфера в режиме измерения из файла.
Выводимые параметры: центральная точка, диаметр.
11
6. Провести измерение объекта цилиндр в режиме измерения из файла.
Выводимые параметры: центральная точка, диаметр, вектор оси.
7. Провести измерение объекта конус в режиме измерения из файла.
Выводимые параметры: центральная точка, угол, вектор оси.
4. Методические указания
1. Выводимые параметры задаются в окне «Формат вывода» для каждого
объекта отдельно перед его измерением. Окно «Формат вывода» открывается
из измерительного окна. Для параметров нужно установить режим
«Измеренное».
Прямую следует измерять в проекции на рабочую плоскость XY.
2. Координаты точек объектов помещены в файлы с расширением *.elm.
Архив с файлами заданий можно скачать по адресу: Файлы находятся в
папке, имя которой содержит номер лабораторной работы и номер варианта
задания. Например, LR_1 Var_5.
3. В полученных после измерения данных неявно содержится номер варианта
задания. Поэтому в отчете следует представлять результаты выполнения
варианта задания, выданного преподавателем.
4. Настройка системы:
4.1. В окне «Свойства сеанса измерений» (меню «Файл», позиция
«Свойства…») в строке «Наименование» введите «Лабораторная работа №1»,
в строке «Подразделение» - шифр Вашей группы, в строке «Оператор» –
Ваше Ф.И.О.
4.2. В окне «Настройки» (меню «Процедуры», позиция «Настройка»)
установите тип протокола – ПОДРОБНЫЙ, вывод числа точек, количество
знаков для координат – 3, для углов – 4, для векторов – 6, единицы
измерения углов – градусы.
4.3. В окне «Настройка вида» (меню «Процедуры», позиция «Настройка
вида») отключите вывод на графику имен объектов, векторов и размеров.
5. После измерения посмотрите расположение измеренных точек на объекте.
Для этого выделите имя объекта в списке объектов, нажмите правую кнопку
мыши и в открывшемся окне укажите позицию «Свойства». В графическое
окно будут выведены измеренные точки.
6. Перед завершением работы просмотрите протокол и удалите лишнюю
информацию, записанную при ошибочных действиях. Для удаления
выделите фрагмент протокола и нажмите правую кнопку мыши. В результате
откроется функция удаления.
7. По завершении работы сохраните сеанс измерений в папке с Вашим
именем. Имя файла сеанса должно содержать номер лабораторной работы.
Там же будет сохранен протокол измерений.
12
5. Содержание отчета
1. Титульный лист.
2. Краткий конспект (1,5-2 страницы).
3. Протокол измерений.
6. Контрольные вопросы
1. Расшифровать аббревиатуру «КИМ».
2. Перечислить основные компоненты КИМ.
3. Описать принцип работы фотоэлектрических измерительных систем.
4. Перечислить стандартные геометрические поверхности и их свойства.
5. Что происходит в момент касания детали наконечником?
13
7. Литература
1. Гапшис А.А., Каспарайтис А.Ю., Модестов М.Б. Координатные
измерительные машины и их применение М.:Машиностроение, 1988. – 328 с.
2. Бунько Е.Б., Меша К.И., Мурачев Е.Г. Управление техническими
системами М.:Форум, 2010. – 384 с.
14
Приложение А
(обязательное)
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
«МАМИ»
Кафедра: «Автоматика и процессы управления»
Факультет: «АиУ»
Дисциплина: «Технологические измерения в технических устройствах»
Лабораторная работа.
Тема:
«Измерение стандартных геометрических поверхностей на координатноизмерительной машине»
Группа: 1-УИ-1
Студент: Иванов Иван Иванович
Преподаватель: Петров Петр Петрович
Москва
20….
15
Оглавление
1. Цель работы ...........................................................................................................................3
2. Описание лабораторной установки .....................................................................................3
3. Рабочее задание ...................................................................................................................10
4. Методические указания ......................................................................................................11
5. Содержание отчета ..............................................................................................................12
6. Контрольные вопросы .........................................................................................................12
7. Литература ...........................................................................................................................13
Приложение А ..........................................................................................................................14
16
Методические указания
Суслин Владиир Павлович
Джунковский Андрей Владимирович
Холодов Дмитрий Алексеевич
Методические указания по выполнению лабораторной работы: “измерение
стандартных геометрических поверхностей на координатно-измерительной
машине”. Направление подготовки 220400 «Технологические измерения в
технических устройствах», 141100 «Информационно-измерительные
устройства».
Под редакцией авторов
Оригинал-макет подготовлен редакционно-издательским отделом
МГТУ «МАМИ»
По тематическому плану внутривузовских изданий учебной литературы
на 2011 г.
Подписано в печать
. Формат 60x90 1/16. Бумага 80 г/м2
Гарнитура «Таймс». Ризография. Усл. печ. л.
Тираж
экз. Заказ №
.
МГТУ «МАМИ»
107023, г. Москва, Б. Семеновская ул. 38.