CZ303909B6

CZ303909B6 - Zpusob zjistování rozmerových a tvarových odchylek mechanických soucástí a zarízení pro provádení tohoto zpusobu

Info

Publication number: CZ303909B6
Application number: CZ20110616A
Authority: CZ
Inventors: Cíp@Ondrej; Lazar@Josef; Cízek@Martin; Mikel@Bretislav
Original assignee: Ústav prístrojové techniky Akademie ved CR, v.v.i.
Priority date: 2011-10-03
Filing date: 2011-10-03
Publication date: 2013-06-19
Also published as: WO2013050007A1; CZ2011616A3

Abstract

Zpusob zjistování rozmerových a tvarových odchylek mechanických soucástí (1) pri tvárení a obrábení, zejména mechanických soucástí (1) zahrátých na teplotu nad 450 .degree.C, spocívá v tom, ze se zmerí vzdálenosti mezi zvoleným referencním bodem a mericími body zvolenými na té cásti plochy testované mechanické soucásti (1), která je privrácená k referencnímu bodu, nacez se provede aproximace plochy prolozené namerenými body a pak se porovnáním této plochy s plochou modelu mechanické soucásti (1) stanoví rozmerové a tvarové odchylky mechanické soucásti (1). Zarízení pro provádení tohoto zpusobu obsahuje laserový meric (2) vzdáleností, jehoz cidlu (3) je predrazen filtr (4) pro odfiltrování parazitní emise zárení mechanické soucásti (1) v oblasti blízké vlnové délce pouzitého laseru. Laserový meric (2) vzdáleností je bud ulozen na pojezdu (6) se snímacem (7) polohy pojezdu laserového merice (2) vzdáleností a je opatren snímacem (8) natocení laserového merice (2) vzdáleností v rovine kolmé ke smeru pojezdu (6) laserového merice (2) vzdáleností. Laserový meric (2) vzdáleností je bud laserový radar nebo laserový triangulacní snímac nebo laserový interferometr. V prubehu merení je mechanická soucást (1) fixována manipulátorem (5) a laserový meric (2) vzdálenosti je v jiné variante ulozen na horizontální tocne (9) a opatren snímacem (10) natocení horizontální tocny (9) v rovine urcené laserovým paprskem (11) merice (2).

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu zjišťování rozměrových a tvarových odchylek mechanických součástí při tváření a obrábění, zejména mechanických součástí zahřátých na teplotu nad 450 °C, a zařízení pro provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Při výrobě zejména složitějších mechanických součástí tvářením a/nebo obráběním bývá důležité ještě před jejich použitím v zařízeních, pro něž jsou určeny, zkontrolovat, zda jsou vyrobeny s takovou přesností, aby byly v daném zařízení skutečně funkční. Toto se provádí zpravidla přeměřením některých, zejména kritických rozměrů vyrobené součástky. Taková měření jsou však nepraktická a obtížná zejména tehdy, jsou-li měřené plochy složitější, například nejsou-li rovné nebo válcové nebo kulové. V takových případech bývá často nutné zkoušet vyrobenou mechanickou součást až přímo v zařízení, pro něž je určena, a teprve ze skutečnosti, že dané zařízení nepracuje tak, jak by mělo, lze vyvodit, že některá z mechanických součástí je chybná.

Při detekci rozměrových a tvarových odchylek výrobků při vysokoteplotním tváření a obrábění, např. u výrobku s povrchovou teplotou blížící se hodnotě 1000 °C, není možné měřit mechanickou součást přímo, ale je třeba požít bezkontaktní způsoby měření. Je možné měřit technikou využívající laserového záření, které je vysíláno z laserového zdroje do určité pozice sledovaného výrobku a následně se toto světlo od povrchu výrobku odráží a zpracovává.

Pro bezkontaktní detekci rozměrů výrobků lze použít tzv. triangulační způsob detekce vzdálenosti, kdy laserové světlo se díky rozptylu při odrazu od měřeného povrchu vychýlí a úhel dopadu je následně detekován lineárním CCD členem. Dle úhlu dopadu je pak vypočtena vzdálenost snímače od detekovaného povrchu.

Nevýhodou triangulačního snímače však je, že jeho pracovní rozsah při praktické zkoušce byl od 100 mm do 300 mm mezi snímačem a povrchem. Tento relativně malý rozsah je nevýhodný v případě, kdy je nutné snímač chránit před žárem výrobku jeho oddálením na vzdálenost více než 500 mm. Další nevýhodou bylo to, že na nerovných částech povrchu výrobku docházelo k nežádoucím odrazům laserového záření mimo zorné pole CCD snímače. Snímač pak nebyl schopen vyhodnotit správnou vzdálenost a vykazoval tak chyby měření.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky dosavadního stavu techniky do značné míry eliminuje způsob zjišťování rozměrových a tvarových odchylek mechanických součástí při tváření a obrábění, zejména mechanických součástí zahřátých na teplotu nad 450 °C, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že se změří vzdálenost mezi zvoleným referenčním bodem a zvolenými měřicími body na testované součásti, načež se provede aproximace plochy povrchu součásti proložené naměřenými body a pak se porovnáním této plochy s plochou modelu součásti stanoví rozměrové a tvarové odchylky tvářením a obráběním získaných mechanických součástí.

Ve výhodném provedení takového způsobu se přitom měření vzdálenosti mezi zvoleným referenčním bodem a zvolenými měřicími body na testované součásti provádí laserovým paprskem.

- 1 ι

V dalším výhodném provedení takového způsobu prochází odražený laserový paprsek přicházející ze zvolených měřicích bodů na testované součásti filtrem pro odfiltrování parazitní emise záření mechanické součásti v oblasti blízké vlnové délce použitého laseru.

Uvedené nedostatky dosavadního stavu techniky do značné míry rovněž eliminuje zařízení pro provádění výše popsaného způsobu, kde podstatou takového zařízení je, že obsahuje laserový měřič vzdáleností, jehož čidlu je předřazen filtr pro odfiltrování parazitní emise záření mechanické součásti v oblasti blízké vlnové délce použitého laseru, a laserový měřič vzdáleností je uložen na pojezdu se snímačem polohy pojezdu laserového měřiče vzdáleností a je opatřen snímačem natočení laserového měřiče vzdáleností v rovině kolmé ke směru pojezdu laserového měřiče vzdáleností.

Ve výhodných provedeních takového zařízení pak laserový měřič vzdáleností je buď laserový radar nebo laserový triangulační snímač nebo laserový interferometr.

Přehled obrázků na výkrese

Vynález bude dále podrobněji popsán podle přiložených výkresů, kde na obr. 1 je znázorněno první příkladné provedení zařízení pro zjišťování rozměrových a tvarových odchylek mechanických součástí při tváření a obrábění podle vynálezu a na obr. 2 je znázorněno druhé příkladné provedení zařízení pro zjišťování rozměrových a tvarových odchylek mechanických součástí při tváření a obrábění podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

V příkladném provedení způsobu zjišťování rozměrových a tvarových odchylek mechanických součástí při tváření a obrábění, zejména mechanických součástí i zahřátých na teplotu nad 450 °C, se změří vzdálenosti mezi zvoleným referenčním bodem a měřicími body zvolenými na té části plochy testované mechanické součásti I, která je přivrácená k referenčnímu bodu, načež se provede aproximace plochy proložené naměřenými body a pak se porovnáním této plochy s plochou modelu mechanické součásti i stanoví rozměrové a tvarové odchylky mechanické součásti 1. Tvářením se zde přitom rozumí jakýmkoliv výrobní proces, při němž se mění tvar zpracovávaného materiálu působením vnější síly, jako je kování, odlévání, tažení, lisování, ražení, válcování a podobně.

V jednom příkladném postupu se v průběhu měření referenční bod pohybuje po přímce rovnoběžné s podélnou osou testované mechanické součásti i, přičemž měření probíhá v cylindrických souřadnicích a naměřené hodnoty vzdáleností mezi referenčním bodem a zvolenými body na testované mechanické součásti jsou následně přepočteny do kartézských souřadnic, přičemž referenční bod je umístěn na ose symetrie cylindrického souřadného systému nebo v její blízkosti.

V jiném příkladném postupu měření probíhá ve sférických souřadnicích a naměřené hodnoty vzdáleností mezi referenčním bodem a zvolenými body na testované mechanické součásti I jsou následně přepočteny do kartézských souřadnic, a přičemž referenční bod je umístěn v počátku sférického souřadného systému nebo v jeho blízkosti.

Měření vzdálenosti mezi zvoleným referenčním bodem a zvolenými měřicími body na testované mechanické součásti 1 se provádí laserovým paprskem 11, který po odražení od testované mechanické součásti 1 prochází filtrem 4 pro odfiltrování parazitní emise záření mechanické součásti 1 v oblasti blízké vlnové délce použitého laseru.

-2CZ 303909 B6

Zjištění tvarové odchylky se často provádí u mechanické součásti I, která má tvar osově symetrického předmětu, např. u válcové tyče, přičemž se po zjištění vzdálenosti zvolených bodů na povrchu předmětu přivrácenému k referenčnímu bodu a na základě znalosti těchto vzdáleností jsou vypočteny parametry rotační plochy, která nejvíce odpovídá očekávanému průběhu tvaru mechanické součásti i a následně jsou tyto parametry porovnány s parametry rotační plochy modelu, který určuje ideální tvar vyráběného předmětu.

Jindy se zjištění tvarové odchylky provádí u mechanické součásti I, která má tvar tenkého plechu, který v rozžhaveném stavu vyjede z válcovací pece. V tomto případě pouhým proskenováním kolmo na plochu plechu se velmi snad zjistí tvar plechu a není třeba počítat rotační plochy.

Na obr. 1 je schematicky znázorněno první příkladné provedení zařízení pro zjišťování rozměrových a tvarových odchylek mechanických součástí I tyčového tvaru při tváření a obrábění podle vynálezu. V tomto konkrétním příkladu je cílem měření přímosti osy součásti. Toto zařízení obsahuje laserový měřič 2 vzdáleností, jehož čidlu 3 je předřazen filtr 4 pro odfiltrování parazitní emise záření mechanické součásti 1 v oblasti blízké vlnové délce použitého laseru. Mechanická součást I je uchycena v manipulátoru 5. Laserový měřič 2 vzdáleností je uložen na pojezdu 6 se snímačem 7 polohy pojezdu laserového měřiče 2 vzdáleností. Dále je laserový měřič 2 vzdáleností opatřen snímačem 8 natočení laserového měřiče 2 vzdáleností v rovině kolmé ke směru pojezdu laserového měřiče 2 vzdáleností.

V činnosti tohoto zařízení je mechanická součást i fixována manipulátorem 5 svojí osou přibližně rovnoběžně s osou pojezdu 6 a laserový měřič 2 vzdáleností vysílá laserový paprsek 11 směrem k mechanické součásti 1. Bod dopadu laserového paprsku 11 na mechanickou součást i se zjistí snímačem 7 polohy pojezdu laserového měřiče 2 vzdáleností a snímačem 8 natočení laserového měřiče 2 vzdáleností v rovině kolmé ke směru pojezdu laserového měřiče 2 vzdáleností. Údaj snímače 7 polohy pojezdu laserového měřiče 2 vzdáleností přitom určuje polohu místa dopadu laserového paprsku ii na mechanickou součást i ve směru podélné osy mechanické součásti i, zatímco údaj snímače 8 natočení laserového měřiče 2 vzdáleností v rovině kolmé ke směru pojezdu laserového měřiče 2 vzdáleností určuje vzdálenost místa dopadu laserového paprsku 11 na mechanickou součást i od snímače 8 natočení laserového měřiče 2 vzdáleností. Měření probíhá v cylindrických souřadnicích a naměřené hodnoty vzdálenosti mezi referenčním bodem a zvolenými body na testované mechanické součásti i jsou následně přepočteny na kartézské souřadnice. Referenční bod je umístěn na ose symetrie cylindrického souřadného systému nebo v její blízkosti. Měřením je získán soubor souřadnic měřicích bodů na mechanické součásti. Za předpokladu konstantního tvaru průřezu mechanické součásti lze výpočtem proložit těmito body řadu geometrických tvarů reprezentujících průřezy mechanickou součástí kolmo na její osu. Z nich je možné poté určit soubor souřadnic bodů, které se nacházejí na skutečné ose mechanické součásti a z nich následně odchylky od požadovaného tvaru, typicky přímky.

Jako velký problém se u takového měření ukázala parazitní emise záření ve spektrálním rozsahu vlnových délek, kdeje použita vlnová délka laseru laserového radaru, tj. 650 nm. Z těchto důvodů byla provedena analýza spektra záření z horkého povrchu testovaného výrobku a byl vybrán následně optický filtr 4 pro odfiltrování parazitní emise záření mechanické součásti i v oblasti blízké vlnové délce použitého laseru, který eliminuje tuto oblast záření. Zároveň však filtr 4 musel zajišťovat, aby vlnová délka 650 nm byla tímto filtrem nepotlačena. Dalším požadavkem na tento filtr byla schopnost odfiltrovat tepelnou část záření, které vystupuje z horkého povrchu testovaného výrobku.

Takto navržená soustava optimalizuje přesnost měření rozměrů a kombinuje ji s jednoduchostí proměřování dané roviny zájmu. Jde o soustavu v cylindrických souřadnicích a jejich přepočítání do 3D roviny x, y, z je tedy matematickou operací.

-3 CZ 303909 B6

V příkladném provedení zařízení podle vynálezu bylo dosaženo rozlišení polohování v ose x lepší než 1 pm. Maximální rozsah polohování v ose x záleží na délce instalované kolejnice, v příkladném provedení byl tento rozsah 3 na délce instalované kolejnice, v příkladném provedení byl tento rozsah 380 mm. Rozlišení naklápění bylo 1.10'³°, maximální rozsah náklonu byl +/- 25° od roviny xy. Měřicí systém poskytl data v cylindrických souřadnicích: posun v ose x, úhel náklonu φ a vzdálenost r měřená laserovým měřičem 2 vzdáleností. Teoretické rozlišení vzdálenosti měřené laserovým měřičem 2 vzdáleností je 0,1 mm.

Na obr. 2 je schematicky znázorněno druhé příkladné provedení zařízení pro zjišťování rozměrových a tvarových odchylek mechanických součástí i tyčového tvaru při tváření a obrábění podle vynálezu. Toto zařízení obsahuje laserový měřič 2 vzdáleností, jehož čidlu 3 je předřazen filtr 4 pro odfiltrování parazitní emise záření mechanické součásti I v oblasti blízké vlnové délce použitého laseru. Mechanická součást I je uchycena v manipulátoru 5. Laserový měřič 2 vzdáleností je uložen na horizontální točně 9. Dále je laserový měřič 2 vzdáleností opatřen snímačem JO natočení laserového měřiče 2 vzdáleností v rovině určené laserovým paprskem 11 a podélnou osou mechanické součásti 1 a snímačem 8 natočení laserového měřiče 2 vzdáleností v rovině kolmé ke směru podélné osy mechanické součásti J.

V činnosti tohoto zařízení je mechanická součást I fixována manipulátorem 5 svojí osou přibližně tak, aby laserový paprsek 11 dopadal kolmo na podélnou osu mechanické součásti 1 přibližně v její polovině, bod dopadu laserového paprsku JJ. na mechanickou součást J se zjistí z údajů snímače 8 natočení laserového měřiče 2 vzdáleností v rovině kolmé k podélné ose mechanické součásti 1 a z údajů o natočení horizontální točny 9. Údaj snímače 8 natočení laserového měřiče 2 vzdáleností v rovině kolmé ke směru pojezdu laserového měřiče 2 vzdáleností určuje vzdálenost místa dopadu laserového paprsku JJ. na mechanickou součást i od snímače 8 natočení laserového měřiče 2 vzdáleností. Naměřené údaje se přetransformují do sférických souřadnic a naměřené hodnoty vzdálenosti mezi referenčním bodem a zvolenými body na testované součásti jsou následně přepočteny na kartézské souřadnice. Referenční bod je umístěn v počátku sférického souřadného systému nebo v jeho blízkosti. Měřením je získán soubor souřadnic měřicích bodů na mechanické součásti. Za předpokladu konstantního tvaru průřezu mechanické součásti lze výpočtem proložit těmito body řadu geometrických tvarů reprezentujících průřezy mechanickou součástí kolmo na její osu. Z nich je možné poté určit soubor souřadnic bodů, které se nacházejí na skutečné ose mechanické součásti a z nich následně odchylky od požadovaného tvaru, typicky přímky.

Celé měření bylo automatizováno za použití ovládacího software, byla realizována podpůrná elektronika pro převod nasnímaných dat do PC, elektronika pro ovládání polohy laserového měřiče 2 vzdáleností v ose x a jeho naklonění o požadovaný úhel.

Systém byl následně umístěn na základovou desku, doplněn kabeláží a ochrannými prvky proti vysokému teplotnímu žáru.

Systém na principu laserového měřiče 2 vzdáleností se ukázal jako velmi vhodný, neboť i na nerovných částech testovacího povrchu byl tento snímač schopen produkovat správné hodnoty vzdálenosti. Rovněž i pracovní rozsah 0,3 m až 30,0 m tento snímač předurčil kjeho nasazení v požadované experimentální soustavě.

-4CZ 303909 B6

Průmyslová využitelnost

Způsob i zařízení podle vynálezu lze využít v průmyslu pro zjišťování rozměrových a tvarových odchylek mechanických součástí při tváření a obrábění, zejména mechanických součástí zahřátých na teplotu nad 450 °C.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob zjišťování rozměrových a tvarových odchylek mechanických součástí (1) při tváření a obrábění, zejména mechanických součástí (1) zahřátých na teplotu nad 450 °C, vyznačující se tím, že se změří vzdálenosti mezi zvoleným referenčním bodem a měřicími body zvolenými na té části plochy testované mechanické součásti (1), která je přivrácená k referenčnímu bodu, načež se provede aproximace plochy proložené naměřenými body a pak se porovnáním této plochy s plochou modelu mechanické součásti (1) stanoví rozměrové a tvarové odchylky mechanické součásti (1).
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že v průběhu měření se referenční bod pohybuje po přímce rovnoběžné s podélnou osou testované mechanické součásti (1), přičemž měření probíhá v cylindrických souřadnicích a naměřené hodnoty vzdáleností mezi referenčním bodem a zvolenými body na testované součásti jsou následně přepočteny do kartézských souřadnic, přičemž referenční bod je umístěn na ose symetrie cylindrického souřadného systému nebo v její blízkosti.
3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že měření probíhá ve sférických souřadnicích a naměřené hodnoty vzdáleností mezi referenčním bodem a zvolenými body na testované součásti jsou následně přepočteny do kartézských souřadnic, a přičemž referenční bod je umístěn v počátku sférického souřadného systému nebo v jeho blízkosti.
4. Způsob podle kteréhokoliv z nároků laž3, vyznačující se tím, že měření vzdálenosti mezi zvoleným referenčním bodem a zvolenými měřicími body na testované mechanické součásti (1) se provádí laserovým paprskem (11).
5. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že odražený laserový paprsek (11) přicházející ze zvolených měřicích bodů na testované mechanické součásti (1) prochází filtrem pro odfiltrování parazitní emise záření mechanické součásti (1) v oblasti blízké vlnové délce použitého laseru.
6. Zařízení pro provádění způsobu podle nároků laž5, vyznačující se tím, že obsahuje laserový měřič (2) vzdáleností, jehož čidlu (3) je předřazen filtr (4) pro odfiltrování parazitní emise záření mechanické součásti (1) v oblasti blízké vlnové délce použitého laseru, a laserový měřič (2) vzdáleností je uložen na pojezdu (6) se snímačem (7) polohy pojezdu laserového měřiče (2) vzdáleností a je opatřen snímačem (8) natočení laserového měřiče (2) vzdáleností v rovině kolmé ke směru podélné osy mechanické součásti (1).
7. Zařízení pro provádění způsobu podle nároků laž5, vyznačující se tím, že obsahuje laserový měřič (2) vzdáleností, jehož čidlu (3) je předřazen filtr (4) pro odfiltrování parazitní emise záření mechanické součásti (1) v oblasti blízké vlnové délce použitého laseru, a laserový měřič (2) vzdáleností je uložen na horizontální točně (9) a je opatřen snímačem (10) natočení horizontální točny (9) v rovině určené laserovým paprskem (11) laserového měřiče (2) a

-5CZ 303909 B6 podélnou osou mechanické součásti (1) a snímačem (8) natočení laserového měřiče (2) vzdále ností v rovině kolmé ke směru podélné osy mechanické součásti (1).
8. Zařízení podle nároku 6 nebo 7, vyznačující se tím, že laserový měřič (2) vzdá 5 leností je laserový radar.
9. Zařízení podle nároku 6 nebo 7, vyznačující se tím leností je laserový triangulační snímač.

že laserový měřič (2) vzdá
10. Zařízení podle nároku 6 nebo 7, vyznačující leností je laserový interferometr.

se tím, že laserový měřič (2) vzdá výkres

-6CZ 303909 B6

Obr.2

Konec dokumentu