Aktuální vydání

celé číslo

04

2022

veletrh Amper 2022
celé číslo

Nové trendy v souřadnicovém měření

Automa 9/2001

Ing. Martin Prokop, Topmes, měřicí stroje

Nové trendy v souřadnicovém měření

Souřadnicové měřicí stroje jsou elektromechanická měřicí zařízení řízená počítačem, určená k přesnému automatizovanému měření strojních součástí. Měřicí stroje v dnešním slova smyslu se vyrábějí již téměř 40 let. Konstrukční řešení strojů současnosti je však plně ve znamení nejnovějších technologií. To znamená odklon od tradičních konstrukčních materiálů, jako je granit, ocel či hliníkové slitiny. Klíčovým prvkem měřicího stroje, který se rozhodující měrou podílí na všech jeho parametrech, se jednoznačně stává měřicí software.

Keramika – materiál budoucnosti

Přesnost měření, tedy nejdůležitějším parametr měřicího stroje, je ovlivňována mnoha vnějšími příčinami, z nichž nejvýznamnější roli hraje teplota okolí. Vliv kolísání teploty na přesnost měření je možné kompenzovat různými metodami. Teplotní kompenzace jsou založeny na předpokladu, že materiál je homogenní. To však v praxi nikdy není zcela splněno. Dochází proto k nepředvídatelným změnám rozměru, které jsou tím větší, čím je větší změna teploty a čím je větší hodnota koeficientu tepelné roztažnosti.

Obr. 1.

V reálném prostředí rozměry stroje nikdy nemohou expandovat lineárně, neboť teplota uvnitř materiálu není totožná s teplotou okolí, navíc konstrukce není zcela homogenní – obsahuje obrobené součásti nebo odlitky, které mají odlišné vnitřní pnutí. Vzhledem k tomu, že metoda teplotní kompenzace založená na principu prostorové mapy chyb (3D error map) vychází z lineární povahy teplotní roztažnosti, nikdy nemůže zcela dokonale kompenzovat teplotní změny. Proto je vhodné volit materiály s co možná nejnižším koeficientem teplotní roztažnosti.

Keramické konstrukční materiály se vyznačují vysokým koeficientem rozměrové teplotní stability, který nabývá hodnoty 6 ppm/K. To znamená, že při změně teploty o 1 °C jeden metr keramického profilu expanduje o 6 µm, zatímco např. 1 m hliníku o 23 µm. To však platí jen v ideálním případě, kdy je profil zcela homogenní a změna teploty nastává plynule a rovnoměrně v celém objemu. Nepředvídatelné, a tedy nekompenzovatelné změny rozměru se podílejí nejméně ±10 % na celkovém prodloužení. Pro keramiku to znamená hodnotu ±0,6 µm/m, pro hliník je to však již ±2,3 µm/m.

Další významnou předností keramických materiálů je příznivý poměr tuhosti k hmotnosti, který je u keramiky 8,18, zatímco u hliníku nabývá hodnoty pouze 2,52. Čím je tuhost konstrukce větší, tím je i lepší opakovatelnost měření.

Keramika je nejvhodnější materiál pro pojezdy vzduchových ložisek i pro její tvrdost. Finální úprava povrchu se dělá tzv. lapováním. Hliník je naproti tomu relativně měkký materiál a před finálním povrchovým opracováním je třeba jeho povrch vytvrzovat, čímž se zvyšuje jeho nehomogenita. Další problém může nastat při poškození povrchu, např. při pádu předmětu na plochu pojezdu. Zatímco u hliníkové slitiny to může znamenat deformaci pojezdu v místě dopadu, z keramiky se pouze vyštípne malý kousek a povrch se nemusí nákladně přebrušovat.

Z výhod hliníkových slitin tedy zůstává jen jejich malá hmotnost a příznivá cena. Granit je rovněž materiál s dobrými mechanickými vlastnostmi. Zůstává stále nejvýhodnějším materiálem na měřicí stoly, neboť je tvrdý a vzhledem ke své velké hustotě dobře pohlcuje vibrace. Pro pohybující se konstrukce však není vhodný pro svou hmotnost. Rovněž pevnost je menší než u keramiky a pro stavbu portálů je nutné použít relativně větší průřezy. Další nevýhodou granitu je pohlcování vlhkosti z ovzduší.

DMIS – mezinárodní standard pro měřicí software

V minulosti každý výrobce 3D strojů vyvinul a zdokonaloval vlastní měřicí software. Tlak automobilového průmyslu jako největšího uživatele měřicích strojů však brzy donutil přední výrobce strojů k vytvoření mezinárodního standardu pro měřicí software: DMIS (Dimensional Measurement Interface Standard). Velké světové automobilky totiž používají v jednotlivých výrobních závodech desítky až stovky měřicích strojů nejrůznějších značek a typů. Množství různých programovacích jazyků vedlo ke značnému chaosu a zvyšovalo náklady na měření. Prvotním popudem pro vytvoření standardu DMIS byl tedy požadavek na přenositelnost softwaru. Zejména se ukázalo jako velmi důležité, aby jednou vytvořený měřicí partprogram pro měření konkrétní součásti bylo možné spustit bez velkých úprav na všech strojích. Software musí komunikovat s daty z různých návrhových systémů CAD, ale jeho instrukce by měly být zároveň dostatečně intuitivní, aby byly srozumitelné pro člověka. Software dále musí umožňovat programování off-line, pro minimalizaci prostojů, které vznikaly při tvorbě programů v režimu učení. Tyto požadavky vedly před asi dvaceti lety k založení komise DNSC (DMIS National Standard Comitee), která začala pracovat na novém standardu pro měřicí software.

Obr. 2.

V roce 1990 tak byla představena první skutečně použitelná verze standardu DMIS ver. 2.1 a v roce 1996 následovala verze 3.0. Žádný standard však není zcela dokonalý, a ani DMIS není výjimkou. Jak asi bylo možné očekávat, měřicí software vytvářený podle standardu DMIS byl zpočátku horší než dlouho pečlivě vylaďované produkty jednotlivých výrobců strojů. Jednotliví výrobci a uživatelé, kteří DMIS začali používat, tak byli nuceni tento standard upravovat, což vedlo ke vzniku několika implementací DMIS verze 3, které navzájem nebyly zcela kompatibilní. Programy DMIS tedy ne vždy byly 100% přenositelné bez úprav.

Zatím poslední verze DMIS 4.0 byla dokončena na podzim roku 2000. Kromě toho, že definitivně sjednocuje různé odchylky starších verzí, přináší na 300 nových funkcí a vylepšení. Z nich nejdůležitější je oblast práce s dotykovou sondou, vylepšení skenování, úprava definice souřadných systémů a počátků komplexních součástí, návaznost na CAD a podnikové informační systémy a zjednodušení komunikace s operátorem. Dále přináší patnáct hlavních a osmnáct vedlejších nových klíčových slov a propracovaný systém high-level programování (DMIS High Level Commands), obsahující nové matematické a logické funkce, funkce pro formátování dat, podmíněné větvení programu, skoky, práce s proměnnými, použití maker a vylepšený systém výstupních protokolů.

Nejvýraznější změnou je však zavedení systému objektového programování, které je specifikováno v části Part 2. Zde je obecně definován objektově orientovaný komunikační protokol pro výměnu dat mezi dvěma různými měřicími softwary. Rozšíření Part 2 podporuje zavedení metod plug-and-play. To umožňuje uživateli napojit kód DMIS na široké spektrum řídicích systémů a nástrojů analýzy dat a využívat externí matematické moduly, čímž významně přispívá k jednoduššímu přizpůsobení kódu pro nejrůznější aplikace.

Zdá se tedy, že DMIS, jako standard pro tvorbu měřicích programů, konečně může plnit funkci univerzálního nástroje ve všech hlavních oblastech měření, v souladu s požadavky, které do něj vložili jeho zadavatelé a tvůrci v osmdesátých letech. DMIS verze 4 je v současné době navržen ke schválení jako standard ISO a jeho přijetí se očekává nejpozději do poloviny roku 2002.

Software – klíčový prvek měřicího stroje

Jako příklad moderního softwaru lze uvést řešení britské firmy LK Limited, předního dodavatele měřicích strojů, známé i českým zákazníkům. Kromě výzkumu nových konstrukčních řešení mechaniky strojů klade LK Limited mimořádný důraz právě na vývoj softwaru. Svědčí o tom i skutečnost, že ze zhruba 140 zaměstnanců LK Limited je více než 20 programátorů. Veškerý software LK je produktem vlastního vývoje. Pro českého zákazníka je důležité, že je jazykově lokalizován do češtiny a pracuje výhradně na běžných počítačích PC v prostředí českých Windows NT. Důraz je kladen na jednoduchost programování spojenou s minimálními nároky na školení obsluhy. Měřicí software LK je mezinárodně certifikován a je plně slučitelný s mezinárodním průmyslovým standardem DMIS (Dimensional Measurement Interface Standard), který je podporován většinou významných světových výrobců měřicích strojů. Odladěný měřicí program lze tedy přenést i na měřicí stroje jiného výrobce.

LK Camio – od modelu v CAD k programu

Nejdůležitějším vývojovým směrem souřadnicových měřicích strojů současnosti je integrace měřicího softwaru s návrhovými systémy CAD/CAM. Zejména v automobilovém průmyslu, kde se souřadnicové měřicí stroje nejvíce využívají, se totiž technologická a konstrukční příprava výroby v současné době dělá již téměř výhradně pomocí systémů CAD/CAM. K některým součástem již ani neexistuje klasická výkresová dokumentace, nebo je pouze schematická a některé detaily vůbec nejsou kótovány. Přesto je nutné vyrobené součásti měřit a výsledky dokladovat protokolem o měření.

Příkladem integrace souřadnicového měřicího stroje s návrhovým pracovištěm může být systém LK Camio, který na základě modelu z libovolného návrhového systému CAD umožňuje rychle a pohodlně vytvořit a odladit program pro měření součástí. Model součásti lze zobrazit v podobě drátového, plošného či objemového modelu stejně jako na pracovní stanici s CAD, což poskytuje komplexní pohled na součást. LK Camio pracuje na běžných počítačích PC. Z toho vyplývá jednoduchost ovládání, spojená s minimálními nároky na školení obsluhy. Camio umožňuje vizuálně simulovat automatický či ruční návrh snímání součásti na modelu dotykovou sondou, čímž několikanásobně urychluje tvorbu partprogramů.

Typický cyklus práce LK Camio

Import dat
Standardně je zabudován přímý import ze systému CATIA, Pro/ENG a Unigraphics, dále ze souborů typu SAT, IGES, VDA a STEP.

Příprava měření
Měřenou součást je možné obecně umístit na pracovní plochu stroje, odpadá nutnost náročného upínání součásti do přípravků. Pro počáteční sesouhlasení matematického modelu s polohou součásti postačí sejmout šest bodů na povrchu součásti.

Tvorba měřicího programu
Měřicí partprogram je vytvářen interaktivně pouze označením jednotlivých měřicích bodů či geometrických útvarů a vztahů mezi nimi pomocí myši. Průběžně je vytvářen měřicí program složený z instrukcí jazyka DMIS, který je vypisován v samostatném okně. Program je možné spustit v režimu animace a simulovat tak trajektorii sondy na obrazovce, včetně indexování hlavice. Systém vyhodnocuje kolizi dotykové sondy se součástí. Lze spustit i automatické snímání bodů v pravidelné mřížce, k dispozici jsou kromě jiného i speciální funkce pro práci s plechovými díly. Výsledkem je měřicí partprogram ve formátu DMIS.

Vlastní měření
Po spuštění programu měřicí stroj zopakuje měření, přesně tak jak bylo předem nasimulováno. Poté je definitivně sesouhlasen matematický model součásti se všemi body (best fit), samozřejmostí je možnost volby různých matematických metod.

Vyhodnocení výsledků
Výsledky měření jsou porovnány s matematickým modelem součásti a mohou být prezentovány v různých formátech. Data mohou být vytištěna v podobě protokolu, odchylky mohou být graficky zobrazeny na modelu CAD ve vektorovém tvaru. Jednotlivé vektory odchylek lze zobrazit v odlišných barvách v závislosti na tolerančních mezích. Návěští příslušná jednotlivým bodům jsou uživatelsky definovatelná. Výsledky měření je možné použít pro statistické řízení výroby (SPC). Výstupem modulu Freeform Digitizing jsou data v CAD, která mohou být dále zpracována jiným programem.

Přežijí pouze nejlepší

Požadavky na jakost výroby a její sledování se stupňují, rovněž tlak konkurence na trhu souřadnicových měřicích strojů stále roste. Ukazuje se, že v současné době mají šanci přežít jen největší světoví výrobci, kteří si mohou dovolit investovat značné prostředky do hledání nových technických řešení, zejména do vývoje softwaru, který se nyní stává klíčovým aspektem využití měřicích strojů. Důležitým hlediskem pro výběr dodavatele měřicího stroje je proto kromě technických parametrů a ceny i celosvětová referenční listina a rozvoj či stagnace prodeje v posledních letech. V úvahu je třeba brát i existenci kompletního technického zázemí v dané zemi, které musí zajišťovat veškerý servis od instalace, školení, údržby až po opravy a kalibrace strojů.