Pokročilé měření obrobků v obráběcím stroji

Hlavní výhodou vyvinutého řešení inprocesního měření je zachování dostatečné přesnosti výroby při razantním snížení časových nároků na výrobu a kontrolu. Po implementaci vyvinuté metody odpadá nutnost opakovaného přesouvání a ustavování dílce mezi obráběcím strojem a CMM. Dílec je ihned po výrobě a přímo v pracovním prostoru obráběcího stroje proměřen podobně jako na CMM a je vytvořen protokol o dosažených výsledcích. V případě, že je zjištěna nepřesnost přesahující stanovené tolerance, je dílec ihned opraven bez nutnosti jakékoliv manipulace. Přesun na CMM pak může sloužit jen pro potřeby finální výstupní kontroly a není nutný ve stadiu kontroly mezioperační.

Uvedená metoda inprocesního měření je založena na implementaci metrologického softwaru přímo do řídicího systému stroje a na využití přídavných odměřovacích systémů zvyšujících přesnost stroje v režimu měření.

V TOS Varnsdorf byl v rámci vývojového projektu spolu s ČVUT v Praze vyvinut prototyp stroje, který je vybaven českým CNC řídicím systémem MEFI CNC872 iTQ-E s implementovaným komunikačním rozhraním EtherCAT pro připojení pohonů a příslušenství. Řídicí systém je dále vybaven I++ serverem, který je schopen obousměrné komunikace s metrologickým softwarem. Jednotlivé příkazy podle standardu I++ jsou v řídicím systému obráběcího stroje přeloženy do formy dílčích NC programů, které jsou ihned automaticky odbaveny. Jako metrologický software je použit nově představený software TouchDMIS taktéž českého výrobce. Tento metrologický software umožňuje kromě standardních funkcí pro běžné CMM také okamžité zaslání korekčních dat do řídicího systému stroje na základě skutečně změřeného profilu obráběné plochy. Metrologický software TouchDMIS může být buď přímou součástí řídicího systému, nebo může být implementován do přenosného zařízení komunikujícího s řídicím systémem obráběcího stroje pomocí Wi-Fi.

Pro zvýšení možností a přesnosti měření může být obráběcí stroj vybaven dotykovými sondami běžně používanými u CMM včetně měřicí sklopně-otočné hlavy. Prototyp stroje v TOS Varnsdorf je pro tyto účely vybaven automatickou sklopně-otočnou indexovací hlavou Renishaw PH10 a měřicí sondou TP6A. Kalibrace dotyků a jednotlivých poloh hlavy se provádí přímo v metrologickém softwaru TouchDMIS.

Vysoké přesnosti při měření využívající mechanické struktury obráběcího stroje je dosaženo využitím přídavných odměřovacích systémů. Pro tyto účely byly využity metody měření deformace obráběcího stroje implementované přímo do jeho mechanické struktury a metody využívající externích přídavných odměřování nezávislých na mechanické struktuře obráběcího stroje, jako je laser tracker. Řídicí systém MEFI je propojen s laser trackerem Leica AT901 pomocí real-timové sběrnice EtherCAT, která poskytuje informace o poloze koutového odrážeče, který je umístěn v těsné blízkosti dotykové sondy, v taktu 1 kHz.

Měřicí software TouchDMIS svým pojetím představuje revoluční řešení na poli souřadnicové měřicí techniky. Byl vytvořen tak, aby splňoval veškeré nároky kladené současnými trendy v souřadnicovém měření (například měření s CAD modelem, CNC měření, měření s laser trackerem) s přidanou hodnotou větší rychlosti a efektivity práce. Jeho hlavní inovace však spočívá ve využití dotykového displeje jako hlavního způsobu ovládání softwaru.

Software TouchDMIS je postaven na požadovaných standardech, počínaje měřením celé škály typů geometrických útvarů (splňuje certifikaci algoritmů výpočtů prověřené institutem PTB), možnostmi tvorby softwarového vyrovnání součásti (způsoby 3-2-1, best-fit, RPS aj.), konstrukcí útvarů a konče výstupem geometrických tolerancí podle standardu ISO. Všechny operace jsou ukládány pomocí programovacího jazyka DMIS používaného pro souřadnicovou měřicí techniku. Jádro umožňuje výrazné zlepšení efektivity práce s operační pamětí PC, což dovoluje načítání a práci s objemnými CAD modely celých konstrukčních sestav a celků.

Dotykové ovládání si vyžádalo přepracování uživatelského rozhraní tak, aby se uživatel cítil komfortně a aby nepostrádal jakoukoli funkci, která je známá u konvenčních softwarů stejného druhu. Byly zde vytvořeny nové druhy/typy zobrazování a skrývání pracovních oken či nabídek nástrojů, práce s více pracovními plochami a v neposlední řadě vytvoření dotykových gest pro operaci s 3D měřicí scénou, jako jsou posun, rotace, zvětšování, resp. zmenšování a výběr měřených útvarů. Samostatnou kapitolou je práce s 3D CAD modelem, kde byl vyvinut nový způsob výběru nominálních dat z CAD modelu. Tyto nové přístupy k ovládání mohou být inspirací pro další odvětví strojírenského průmyslu.

Pro komunikaci s měřicími stroji software používá nativní rozhraní (pro CNC řízení firem Pantec a Deva) či univerzální rozhraní, jakým je protokol I++. Tento protokol vznikl na základě požadavku velkých zákazníků jako univerzální otevřená platforma, kdy protokolovou vrstvou je TCP/IP (ať už jako localhost nebo ethernet), a aplikační vrstvou je ASCII rozhraní komunikace. I++ rozhraní je schopno definovat jak pohyby stroje pro přejezdy, tak dotykové měření samostatných bodů i skenování analogovými skenovacími sondami.

Navržený systém implementace funkce inprocesního měření přímo do řídicího systému výrobního stroje představuje nejefektivnější způsob synergie výrobního stroje a souřadnicového měřicího stroje. Nicméně zejména v Evropě jsou v oblasti obráběcích strojů značně rozšířeny řídicí systémy Siemens Sinumerik 840D sl a Heidenhain iTNC530, které přímou implementaci takovýchto funkcí neumožňují. Cílem následujícího vývoje je implementace navržené metody inprocesního měření do těchto řídicích systémů pomocí samostatného I++ serveru vycházejícího z řídicího systému MEFI.

Navržené řešení inprocesního měření není určeno výhradně pro obráběcí stroje, ale je možné touto konfigurací (TouchDMIS-MEFI-pohony s komunikací EtherCAT) osadit i standardní souřadnicové měřicí stroje. Z toho vyplývá, že tuto sestavu lze nasadit i na starší souřadnicové stroje a tímto retrofitem zlepšit jeho užitnou hodnotu.

Pro zkvalitnění a zvýšení kvantity informací získaných o měřeném výrobku momentálně vývojový tým firmy Next Metrology Software pracuje na integraci analogového skenování. Jde nejen o implementaci všech možných způsobů definice měřicí skenovací dráhy (jako jsou sken po přímce, sken po kružnici či spirále atd.), ale i o následné práci se získanými daty (filtrování či dalšími druhy následného zpracování dat). Tento skenovací proces bude možné implementovat stejným způsobem také na obráběcí stroje.

Navržené propojení řídicího systému obráběcího stroje a funkce CMM představuje výrazné zvýšení užitných vlastností obráběcích strojů, které může značně snížit náklady spojené s manipulací a ustavováním rozměrných a hmotných dílců. Dojde tím i ke snížení nákladů na pořízení měřicího systému vůči běžně dostupným CMM. Uvedená metoda inprocesního měření byla vyvinuta za finanční podpory MPO (projekt č. FR-TI4/243 nazvaný Inprocesní měření).

Ing. Jiří Švéda, Ph.D. – ČVUT v Praze, Ú12135, VCSVTT
Ing. Štěpán Hřivna – Next Metrology Software
Ing. Tomáš Kozlok – TOS Varnsdorf
Ing. Miroslav Schut – M E F I

ČVUT v Praze, Next Metrology Software, TOS Varnsdorf, M E F I
j.sveda@rcmt.cvut.cz
stepan.hrivna@nextmetrology.com
tkozlok@tosvarnsdorf.cz
schut@mefi.cz

www.rcmt.cvut.cz
//touchdmis.com/