На сегодня, одним из наиболее распространённых типов оборудования для контроля комплексной геометрии высокоточных деталей являются ЧПУ координатные измерительные машины (КИМ). Это традиционный тип систем, который применяется на практике уже несколько десятков лет. Первые машины были представлены в конце 1950-х годов британскими и итальянскими производителями. Со временем данный тип оборудования развился от «железных» станков до современных компьютеризированных систем с числовым управлением, которые можно программировать, причём процесс достаточно прост и не требует знания языков программирования.
Системы обеспечивают очень высокую точность, примерно от одного микрона, и позволяют измерять комплексную геометрию деталей в диапазонах примерно от 500 на 500 на 500 мм до 1500 на 5000 на 2000 мм, в зависимости от производителя. Принцип работы КИМ состоит в фиксации координат XYZ центра шарика щупа, поверхность которого совмещается с поверхностью детали (радиус щупа математически вычитается). Щуп закреплен на головке, она в свою очередь на вертикально перемещающейся пиноли (ось Z). Пиноль движется по горизонтальной траверсе (ось X). Траверса, являясь частью портала, движется с ним вдоль оси Y.
Для определения в пространстве положения, например плоскости, требуется минимально три точки, цилиндра – 6 точек, и т.д. Большее количество точек позволяет оценить отклонение от формы, например плоскостность, цилиндричность и т.д. Описание геометрии и положения в пространстве нескольких элементов дает возможность рассчитать их взаимное расположение – соосности, концентричности, перпендикулярности, сложные множественные допуска и т.п. Чем больше мы возьмем точек, тем более полно и точно будет описана геометрия элемента.
Портальные координатные машины являются самым распространенным типом таких систем. Они состоят из перемещающегося П-образного портала разного размера, установленного на гранитной плите, которая, в свою очередь, стоит на основании. В подавляющем числе случаев используются воздушные подшипники – это минимизирует износ и искажение геометрии машины во времени.
Использование гранита приводит к большому весу таких машин: от 1 тонны до 15 тонн. Это же является залогом стабильности и точности измерений.
Важным элементом современных ЧПУ координатных измерительных машин является их программное обеспечение. Именно в нем происходит подготовка машины к работе, калибровка, написание программы измерения и анализ данных. Для контроля специфических деталей, например, зубчатых шестерен, турбинных лопаток и других, могут потребоваться дополнительные программные модули.
Причина банальная - раньше российские производители предпочитали покупать за рубежом готовые элементы для своей продукции, а теперь необходимо производить их самим, чтобы обеспечить современный уровень технологий. И такое обновление парка средств контроля качества, которое лениво происходило до этого в течение 10-летий, сейчас навёрстывается семимильными шагами.
Есть ещё один тип координатных измерительных машин, менее распространённый, но также становящийся все более востребованным – это мостовые координатные измерительные машины. Как понятно из названия, их конструкция представляет собой мост, который может быть частично похож на известные читателю краны мостового типа, используемые в больших промышленных помещениях, например, в цехах. Принцип работы и измерения схож с портальными машинами, однако здесь используются специальные вертикальные опоры, на которых сверху располагаются направляющие для перемещения горизонтальной траверсы, с установленной пинолью. Гранитная рабочая плита (основание машины) здесь отсутствует, по факту им является пол помещения, в котором установлена такая машина. Подготовка фундамента требует определённых усилий для минимизации вибраций и максимальной стабильности конструкции. Зато такой тип КИМ позволяет обеспечить измерительный объём существенно больший, чем у портальных машин, достигая в ширину 3 м, в длину 5-6 метров и в высоту, в зависимости от производителя, 2-3 метров. Погрешность начинается от 3 микрон.
Монтаж, настройка и эксплуатация таких машин отличаются от портальных. Во-первых, они больше и сложнее. Если на обычную портальную машину наши инженеры обычно тратят около полутора-двух недель на её монтаж, настройку, выведение геометрии, настройку точности, геометрическую компенсацию и финальную поверку без учёта времени на обучение персонала заказчика, то мостовая машина, в зависимости от её размеров, может потребовать срок более 10 недель. Контроллер управления будет более мощным. Если в портальных машинах применяются только три линейки для каждой оси X, Y, Z, то в мостовых машинах практически всегда по самой длинной оси Y применяются две линейки, что требует дополнительных опций в контроллере и программном обеспечении.
Мостовые КИМ имеют ряд преимуществ. Во-первых, вы сможете измерять большие детали, которые просто не помещаются в обычную портальную машину. Во-вторых, вес деталей ограничен только нагрузкой на фундамент, а не самой машиной. В-третьих, вы можете использовать различную технику для установки деталей в зону измерения, например, привезти их на тележке, на рельсах или поставить краном. В-четвертых, вы можете производить измерения определенных узлов в сборе. И в пятых, возможно производить измерения сразу нескольких деталей среднего размера за один раз.
Далее я приведу несколько примеров, для которых нужны мостовые координатные измерительные машины из различных отраслей.
Вы можете задать себе вопрос: неужели только мостовые координатные измерительные машины позволяют решать эти задачи? Действительно, существуют и другие типы приборов, которые могут посоперничать с мостовыми машинами.
Например, это координатные измерительные машины типа горизонтальная рука. Они исполняются с боковым расположением консоли на вертикальной опоре, которая в свою очередь движется вдоль направляющей. Они могут соединяться в комбинации из двух или даже четырех систем. Однако, во-первых, данная система несколько грубее, чем мостовые машины. Если мостовые машины начинают свою погрешность от трех микрон, то система типа горизонтальная рука, чаще всего стартует от 15 мкм. Во-вторых, особенность их конструкции позволяет достаточно легко контролировать детали сбоку, но не сверху. И поэтому они распространены на автомобильных заводах, где в режиме конвейера или отдельных ветках происходит контроль кузовных панелей или кузовов автомобилей в сборе.
Ещё одним распространённым типом оборудования для контроля достаточно больших деталей с высокой точностью являются лазерные трекеры. Это относительно мобильное устройство, весящее несколько десятков килограмм, представляющее из себя вращающуюся моторизованную головку, испускающую лазерный луч в направлении отражателя. Отражатель совмещается оператором с поверхностью деталей и фактически является щупом. При этом расстояние между лазерным трекером и отражателем может составлять до 100 метров, и трекер сконструирован таким образом, что сам автоматически следит за перемещениями отражателя.
И опять же, у вас может возникнуть вопрос: почему, если наши детали не являются действительно очень большими, например, 2х1х1 метра, не использовать для них классическую портальную машину? Ведь у самых больших портальных машин диапазон сопоставим со среднеразмерными мостовыми?
Основным моментом является то, что такую большую и как правило тяжелую деталь гораздо удобнее расположить в системе типа мост, чем устанавливать её на гранитное основание портальной машины, при этом рискуя повредить его погрузочными механизмами. Гранитная плита полируется и выводится в плоскостность с перепадом всего в несколько микрон на метр, а повредить ее при установке тяжелой стальной детали довольно просто. Это может привести к ухудшению точности или вовсе к остановке машины.
Итак, на основании нашего опыта и нашей информации мы видим текущую тенденцию к существенному увеличение спроса на координатно-измерительные машины в целом и на мостовые машины в частности. Именно они используются сейчас для увеличения объемов контроля качества и повышения скорости измерений. В текущих условиях, когда требуется быстро и качественно выполнять измерения (и желательно еще «вчера»), мостовые машины становятся незаменимыми инструментами.
Важное примечание: а кто поставит вам подобное оборудование? Это должна быть компания с опытными инженерами, знающими и портальные машины, и мостовые машины, знающими их конструкцию, процедуры геометрической компенсации, особенности применения программного обеспечения. Особенно сейчас крайне важен момент статуса поставок. Конечно, можно привезти данное оборудование и по параллельному импорту, но в случае любых осложнений, необходимости модернизации оборудования или улучшения каких-то позиций программного обеспечения, согласно отзывам от клиентов, всё это возможно только при каждодневном постоянном общении поставщика с производителем. А в случае параллельного импорта это невозможно. Обращайтесь к той компании, которая пользуется официальными каналами поставок, находится «на прямой линии» с производителем и способна максимально поддерживать поставленное вам оборудование.
При этом желательно, чтобы это был известный и зарекомендовавший себя производитель. Ведь инвестируя в дорогостоящую мостовую машины и в подготовку помещения для нее, нужно быть уверенным, что система будет надежной и точной в течение долгого времени. А для этого требуются многие годы опыта в создании таких машин.
Остались вопросы? Обращайтесь. Мы рассказали далеко не все.
Сергей Карташов
Специалист МС Метролоджи
Системы обеспечивают очень высокую точность, примерно от одного микрона, и позволяют измерять комплексную геометрию деталей в диапазонах примерно от 500 на 500 на 500 мм до 1500 на 5000 на 2000 мм, в зависимости от производителя. Принцип работы КИМ состоит в фиксации координат XYZ центра шарика щупа, поверхность которого совмещается с поверхностью детали (радиус щупа математически вычитается). Щуп закреплен на головке, она в свою очередь на вертикально перемещающейся пиноли (ось Z). Пиноль движется по горизонтальной траверсе (ось X). Траверса, являясь частью портала, движется с ним вдоль оси Y.
Для определения в пространстве положения, например плоскости, требуется минимально три точки, цилиндра – 6 точек, и т.д. Большее количество точек позволяет оценить отклонение от формы, например плоскостность, цилиндричность и т.д. Описание геометрии и положения в пространстве нескольких элементов дает возможность рассчитать их взаимное расположение – соосности, концентричности, перпендикулярности, сложные множественные допуска и т.п. Чем больше мы возьмем точек, тем более полно и точно будет описана геометрия элемента.
Портальные координатные машины являются самым распространенным типом таких систем. Они состоят из перемещающегося П-образного портала разного размера, установленного на гранитной плите, которая, в свою очередь, стоит на основании. В подавляющем числе случаев используются воздушные подшипники – это минимизирует износ и искажение геометрии машины во времени.
Использование гранита приводит к большому весу таких машин: от 1 тонны до 15 тонн. Это же является залогом стабильности и точности измерений.
Важным элементом современных ЧПУ координатных измерительных машин является их программное обеспечение. Именно в нем происходит подготовка машины к работе, калибровка, написание программы измерения и анализ данных. Для контроля специфических деталей, например, зубчатых шестерен, турбинных лопаток и других, могут потребоваться дополнительные программные модули.
В России данный тип систем также распространен. Но при этом в период с 2010 по 2020 год в среднем рынок требовал, по разной оценке, от 50 до 100 подобных машин в год. В период с 2022 по 2023 год, эта цифра выросла в два, а по некоторым оценкам, в три раза.
Например, наша компания МС Метролоджи, которая находится на этом рынке с 2001 года, ранее в среднем в год поставляла, настраивала и вводила в эксплуатацию от 10 до 15 машин портального типа, не считая оборудования другого назначения. Но за 2022 и 2023 год мы получили заказы на более, чем 70 машин подобного типа. То есть, в нашем случае, рост произошёл практически в три раза.
Например, наша компания МС Метролоджи, которая находится на этом рынке с 2001 года, ранее в среднем в год поставляла, настраивала и вводила в эксплуатацию от 10 до 15 машин портального типа, не считая оборудования другого назначения. Но за 2022 и 2023 год мы получили заказы на более, чем 70 машин подобного типа. То есть, в нашем случае, рост произошёл практически в три раза.
Есть ещё один тип координатных измерительных машин, менее распространённый, но также становящийся все более востребованным – это мостовые координатные измерительные машины. Как понятно из названия, их конструкция представляет собой мост, который может быть частично похож на известные читателю краны мостового типа, используемые в больших промышленных помещениях, например, в цехах. Принцип работы и измерения схож с портальными машинами, однако здесь используются специальные вертикальные опоры, на которых сверху располагаются направляющие для перемещения горизонтальной траверсы, с установленной пинолью. Гранитная рабочая плита (основание машины) здесь отсутствует, по факту им является пол помещения, в котором установлена такая машина. Подготовка фундамента требует определённых усилий для минимизации вибраций и максимальной стабильности конструкции. Зато такой тип КИМ позволяет обеспечить измерительный объём существенно больший, чем у портальных машин, достигая в ширину 3 м, в длину 5-6 метров и в высоту, в зависимости от производителя, 2-3 метров. Погрешность начинается от 3 микрон.
Монтаж, настройка и эксплуатация таких машин отличаются от портальных. Во-первых, они больше и сложнее. Если на обычную портальную машину наши инженеры обычно тратят около полутора-двух недель на её монтаж, настройку, выведение геометрии, настройку точности, геометрическую компенсацию и финальную поверку без учёта времени на обучение персонала заказчика, то мостовая машина, в зависимости от её размеров, может потребовать срок более 10 недель. Контроллер управления будет более мощным. Если в портальных машинах применяются только три линейки для каждой оси X, Y, Z, то в мостовых машинах практически всегда по самой длинной оси Y применяются две линейки, что требует дополнительных опций в контроллере и программном обеспечении.
Мостовые КИМ имеют ряд преимуществ. Во-первых, вы сможете измерять большие детали, которые просто не помещаются в обычную портальную машину. Во-вторых, вес деталей ограничен только нагрузкой на фундамент, а не самой машиной. В-третьих, вы можете использовать различную технику для установки деталей в зону измерения, например, привезти их на тележке, на рельсах или поставить краном. В-четвертых, вы можете производить измерения определенных узлов в сборе. И в пятых, возможно производить измерения сразу нескольких деталей среднего размера за один раз.
Далее я приведу несколько примеров, для которых нужны мостовые координатные измерительные машины из различных отраслей.
Примеры применения
- Контроль композитных деталей пилотируемой и беспилотной авиации
- Измерение корпусных деталей вертолетных редукторов и вертолетных редукторов в сборе
- Контроль крупной запорной арматуры в нефтяной отрасли
- Контроль отдельных элементов горнопроходческих щитов
- Контроль гребных винтов
- Контроль лопастей и роторов некоторых ветрогенераторов
- Контроль корпусов искусственных спутников
- Контроль корпусов специализированных подводных аппаратов (батискафов и т.п.)
- Контроль моделей летательных аппаратов для испытания в аэродинамических трубах
- Технологический контроль оптических поверхностей телескопов и специальной оптики в процессе изготовления
Вы можете задать себе вопрос: неужели только мостовые координатные измерительные машины позволяют решать эти задачи? Действительно, существуют и другие типы приборов, которые могут посоперничать с мостовыми машинами.
Например, это координатные измерительные машины типа горизонтальная рука. Они исполняются с боковым расположением консоли на вертикальной опоре, которая в свою очередь движется вдоль направляющей. Они могут соединяться в комбинации из двух или даже четырех систем. Однако, во-первых, данная система несколько грубее, чем мостовые машины. Если мостовые машины начинают свою погрешность от трех микрон, то система типа горизонтальная рука, чаще всего стартует от 15 мкм. Во-вторых, особенность их конструкции позволяет достаточно легко контролировать детали сбоку, но не сверху. И поэтому они распространены на автомобильных заводах, где в режиме конвейера или отдельных ветках происходит контроль кузовных панелей или кузовов автомобилей в сборе.
Ещё одним распространённым типом оборудования для контроля достаточно больших деталей с высокой точностью являются лазерные трекеры. Это относительно мобильное устройство, весящее несколько десятков килограмм, представляющее из себя вращающуюся моторизованную головку, испускающую лазерный луч в направлении отражателя. Отражатель совмещается оператором с поверхностью деталей и фактически является щупом. При этом расстояние между лазерным трекером и отражателем может составлять до 100 метров, и трекер сконструирован таким образом, что сам автоматически следит за перемещениями отражателя.
Однако погрешность трекеров начинается от восьми микрон и растёт с расстоянием. В среднем можно сказать, что на расстоянии 10 метров погрешность измерений составит около 50 микрон. Вторым моментом является достаточно ограниченная возможность работы в автоматическом режиме. Да, можно указать трекеру поворачиваться в заранее определённые точки, но всё равно у нас всегда задействуются операторы. Трекер всегда видит детали только с одной стороны, и если нам нужно произвести измерение с двух сторон, то нужно либо двигать деталь, либо переставлять трекеры, либо использовать два трекера. Хотя трекеры являются мобильными системами, они всё же достаточно тяжелые для перемещения в пространстве и несколько капризны. Вероятность их поломок все же выше, чем у обычных координатных измерительных машин. А основной минус данных систем – отсутствие ЧПУ режима, особенно сейчас, когда требуется существенно больший объём производства деталей. Время, затрачиваемое на контроль одной детали, нужно сокращать, а трекер не позволяет производить измерения быстро. Если речь идёт о десятках деталей в сутки, то оператор с этим не справится. Мостовые же машины будут работать в автоматическом режиме.
Можно упомянуть и мобильные руки (КИМ типа рука), которые представляют из себя сложные шарнирно связанные механизмы из карбоновых сегментов с шестью или семью осями свободы, без применения моторов. Оператор исключительно руками совмещает их с поверхностью детали.
Они позволяют достичь диапазона измерений около двух-трех метров. Но здесь также нет ЧПУ режима. Хотя эти системы достаточно легкие (10-30 кг, в зависимости от способа установки) и могут перемещаться непосредственно к деталям в цеху, точность начинается от 20 микрон и больше, а режим перебазировки для расширения диапазона еще более ухудшает точность.
Они позволяют достичь диапазона измерений около двух-трех метров. Но здесь также нет ЧПУ режима. Хотя эти системы достаточно легкие (10-30 кг, в зависимости от способа установки) и могут перемещаться непосредственно к деталям в цеху, точность начинается от 20 микрон и больше, а режим перебазировки для расширения диапазона еще более ухудшает точность.
Основным моментом является то, что такую большую и как правило тяжелую деталь гораздо удобнее расположить в системе типа мост, чем устанавливать её на гранитное основание портальной машины, при этом рискуя повредить его погрузочными механизмами. Гранитная плита полируется и выводится в плоскостность с перепадом всего в несколько микрон на метр, а повредить ее при установке тяжелой стальной детали довольно просто. Это может привести к ухудшению точности или вовсе к остановке машины.
Итак, на основании нашего опыта и нашей информации мы видим текущую тенденцию к существенному увеличение спроса на координатно-измерительные машины в целом и на мостовые машины в частности. Именно они используются сейчас для увеличения объемов контроля качества и повышения скорости измерений. В текущих условиях, когда требуется быстро и качественно выполнять измерения (и желательно еще «вчера»), мостовые машины становятся незаменимыми инструментами.
Важное примечание: а кто поставит вам подобное оборудование? Это должна быть компания с опытными инженерами, знающими и портальные машины, и мостовые машины, знающими их конструкцию, процедуры геометрической компенсации, особенности применения программного обеспечения. Особенно сейчас крайне важен момент статуса поставок. Конечно, можно привезти данное оборудование и по параллельному импорту, но в случае любых осложнений, необходимости модернизации оборудования или улучшения каких-то позиций программного обеспечения, согласно отзывам от клиентов, всё это возможно только при каждодневном постоянном общении поставщика с производителем. А в случае параллельного импорта это невозможно. Обращайтесь к той компании, которая пользуется официальными каналами поставок, находится «на прямой линии» с производителем и способна максимально поддерживать поставленное вам оборудование.
При этом желательно, чтобы это был известный и зарекомендовавший себя производитель. Ведь инвестируя в дорогостоящую мостовую машины и в подготовку помещения для нее, нужно быть уверенным, что система будет надежной и точной в течение долгого времени. А для этого требуются многие годы опыта в создании таких машин.
Остались вопросы? Обращайтесь. Мы рассказали далеко не все.
Сергей Карташов
Специалист МС Метролоджи
