BAKALÁŘSKÁ PRÁCE TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

(1)

Fakulta strojní

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

2012 Pavel Bartoníček

(2)

F

AKULTA STROJNÍ

Katedra vozidel a motorů

Obor: B2341 – Strojírenství

Zaměření: 2301R022 – Dopravní stroje a zařízení

NÁVRH MĚŘÍCÍHO PRACOVIŠTĚ PRO 3D SOUŘADNICOVÝ STROJ

PROPOSAL OF A WORKPLACE FOR THE 3D COORDINATE-MEASURING

DEVICE

Bakalářská práce

KVM – BP – 231

Pavel Bartoníček

Vedoucí bakalářské práce: doc. Dr. Ing. Elias Tomeh Konzultant bakalářské práce: Ing. Martin Bukvic

Počet stran : 63 Počet obrázku: 64 Počet grafů: 3 Počet tabulek: 5 Počet příloh: 6

Květen 2012

(3)

(4)

Pavel Bartoníček - 4 - FS TUL Katedra vozidel a motorů

NÁVRH MĚŘÍCÍHO PRACOVIŠTĚ

PRO 3D PŘESNÝ MĚŘÍCÍ SOUŘADNICOVÝ STROJ

Anotace

Bakalářská práce se zabývá návrhem pracoviště pro 3D přesný měřící souřadnicový stroj - šestiosé přenosné měřící rameno CimCore Arm od firmy Hexagon Metrology.

Požadavkem je vytvořit variabilní měřící přípravek pro potřeby automobilového průmyslu. Přípravek by měl umožnit měření malých dílů i měření rozměrnějších sestav dílů, například celého vozu. Práce řeší problematiku rozměrové analýzy prováděné měřícím zařízením s omezeným rozsahem pohybu, což vyžaduje několikanásobné přenesení souřadného systému. Cílem je zachování výrobcem deklarované přesnosti měření po celou dobu samotného snímání dat a stability při manipulaci s 3D ramenem a při přenášení souřadného systému mezi měřícími stanovišti v průběhu měření.

Klíčová slova: 3D přesný měřící souřadnicový stroj, CMM, rozměrová analýza, měřící přípravek, ustavení souřadného systému.

Annotation

The diploma work deals with a project proposed by this work place determined for a 3D coordinate measuring machine and 6axis measuring arm. The aim was to design a variable measuring device so as to meet the demands of the automobile industry.

The device should be applied in measuring small parts and measuring larger assembly parts as well, e.g. the whole car. The thesis handles the problems of the measuring analysis beeing carried out by means of measuring equipment with a limited movement

range with requires a multiple transformation of coordinate systém. The aim is to maintain the measurement precision declared by the producer and make it valid

during all the time of providing the very scanning, the manipulation with 3D arm or the transformation of the coordinate system among the measuring stations in the course of measuring.

Key worlds: three dimensional measuring device CMM, the precision of measuring, data nad dimensional analysis, space setting, measuring gadget.

Zpracovatel: TU v Liberci, Fakulta strojní, Katedra vozidel a motorů

Dokončeno : 2012

Archivní označení zprávy:

(5)

Prohlášení k využívání výsledků bakalářské práce

Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb. o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mě požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené

literatury a na základě konzultací s vedoucím bakalářské práce a konzultantem.

V Mladé Boleslavi dne 25.4.2012 ………..

podpis

(6)

Poděkování

Rád bych poděkoval vedoucímu bakalářské práce doc. Dr. Ing. Eliasu Tomehovi, konzultantovi Ing. Martinu Bukvicovi a všem dalším zaměstnancům Katedry vozidel a motorů FS TUL a společnosti Škoda Auto a.s za odborné vedení, pomoc a cenné rady při vypracování bakalářské práce.

(7)

Obsah

Seznam pojmů a zkratek 8

Seznam veličin a jednotek 8

Úvod 9

1 Seznámení s druhy měřících přístrojů, přehled způsobů měření a měřící software

1.1 Referenční systém RPS 11

1.2 Přehled 3D měřících zařízení 13

1.3 Měřící dotyky a ostatní sondy 18

1.4 Příprava měření a měřící software 22

1.5 Přenosné měřící rameno CimCore 32

2 Popis současného stavu, požadavky na měřící přípravek

2.1 Popis problematiky 37

2.2 Stanovení požadavků na měřící přípravek 41

3 Návrh variabilního měřícího přípravku

3.1 Přípravek pro měření velkých sestav (karoserie vozu) 42 3.2 Přípravek pro měření malých dílů (dveře vozu) 47 3.3 Výpočtové řešení modulárního měřícího přípravku 49

4 Závěr 60

Seznam použité literatury a zdrojů 61

Seznam příloh 63

(8)

Seznam pojmů a zkratek

CMM A coordinate measuring machine – měřící souřadnicový stroj CNC Computer numeric control –číslicové řízení s výpočetní technikou RPS Referentzpunktsystem – systém referenčních bodů

Etalon Normál, zde poměrové měřidlo pro definici geometrických veličin, viz. Metrologie

Metrologie obor zabývající se měřením, měřícími jednotkami, měřícími metodami, měřidly, technikou měření a požadavky na kvalifikací osob provádějících měření

Laser scanning laserové skenování, zde metoda bezkontaktního sbírání rozměrových údajů z povrchu předmětu pomocí optického snímače

Laser tracker optická metoda snímání dat z povrchu měřeného předmětu

MPEE délková odchylka měření, zde sledovaný parametr vypovídající o přesnosti měřícího přístroje v závislosti na velikosti měřeného předmětu

Datový model virtuální model dílu vytvořený v konstrukčním software, slouží k jeho výrobě nebo k jeho kontrole

Best fit nejlepší ustavení - termín pro 3D měření, kdy je díl měřením ustavován a ztotožněn se svým datovým modem

Měřící SW software určený k měření

CAD Computer Aided Design - navrhování za pomocí počítače

Assembly design modul sloužící k vytvoření virtuální sestavy dílů v CAD software Catia verze 5.

Seznam veličin a jednotek

metr rozměrová veličina, metrický systém [m]

MPEE délková odchylka [μm]

(9)

Úvod

Již v době, kdy lidé začali vyrábět první nástroje, se spolu s výrobou položil základ matematice a geometrii. Je to logické, neboť první výrobek vytvořil někdo jako výsledek inovativní myšlenky, další výrobky stejných vlastností, rozměrů a funkce už nelze nevytvořit bez znalostí geometrických rozměrů původního předmětu. Otázka je, jak předmět definovat, tedy nastává potřeba stanovit měrový systém. Pokud je výrobek komplikovanější, složený z více částí, musí se dále definovat souřadnicový systém.

Nakonec, pokud chceme podat zprávu o tom, jak vyrobit a tuto informaci uchovat do budoucna, musí být stanoven další systém, universální forma grafického jazyka, pro příštího výrobce či inovátora – výkres. Tak se po věky navzájem vyvíjejí a doplňují společně technika, matematika a geometrie.

Z prvního pokusu o změření musel vzejít prapředek dnešního délkového měřidla – metr. Dnes měříme v různých jednotkách - v palcích, stopách, ap., důležité je, že mezi rozdílnými jednotkami existuje převoditelnost. K tomu dospěli i naši předkové, neboť napříč věky po sobě vznikající a mizející civilizace zanechaly úchvatné nástroje a stavby – přímý důkaz technického umu, nepřímý důkaz zvládnutí metrologie a stanovení měrových etalonů.

S rozmachem industrializace a velkosériové výroby vzrostly požadavky na přesné měření, jako nástroj udržení kvality. Pod tímto pojmem si dnes můžeme představit snížení poruchovosti a následných víceprací za přijatelnou konkurenceschopnou cenu.

První zmínka o souřadnicovém měřícím stroji MMC je z počátku 60. let minulého století. Šlo o jednoduché analogové zařízení, které ukazovalo okamžitou polohu pevné sondy v XYZ souřadném systému. K digitalizaci stroje došlo až o dvacet let později, věk počítačů ještě nenastal. Se vznikem prvního MMC je spojována italská firma DEA, později se v metrologii objevily další známé značky, např. Mitutoyo, Hexagon Metrology, Wenzel a Weiss. Zpočátku nákladné a prostorné 3D měřící stroje se zmenšovaly. Vedle portálových měřících strojů se nabídka rozrůstala o řadu malých, přenosných MMC měřících ramen s výměnnými sondami, což zvýšilo variabilitu měření v malých či těžko dostupných prostorách či umožnilo měření složitých geometrických tvarů.

Posledních deset let se často využívají optické měřící stroje. Principiálně tyto přístroje umožnily nahrazení kontaktního měření měřením bezkontaktním. Měření probíhá pomocí laserového paprsku viditelného nebo paprsku mimo viditelné spektrum.

Výhodou je, že předmět, který nemůže být kontaktně měřen, protože je například moc velký, křehký, nebo jinak nedostupný se scanuje, tj. z jeho povrchu jsou snímána rozměrová data, každému bodu je přiřazena jedinečná poloha v centrálním souřadném systému MMC stroje.

(10)

Budoucnost přesného měření lze jen těžko předvídat. O směru dalšího vývoje rozhodnou nové technologie pomocí kterých bude měření realizováno. Co lze však již nyní odhadnout z dosavadního vývoje, je skutečnost, že cena MMC bude i nadále klesat a pro zákazníky tak budou nové stroje čím dál tím víc přístupnější. Druhou skutečností je vytrvalý odklon od kontaktního měření směrem k bezkontaktnímu. Zda v budoucnosti převáží systémy optické nebo třeba systémy založené na ultrazvuku, radiových vlnách či jiném druhu záření, to ukáže až budoucí vývoj.

Záměrem této bakalářské práce je vytvořit měřící pracoviště pro přenosný MMC stroj - měřící rameno CimCore. Tento přípravek by se měl být snadno modifikovatelný, což je prezentováno na dvou případech z praxe, tj. na měření dveří vozu a měření postranice vozu. Řešeným problémem je přenášení souřadného systému. Měřící rameno má menší měřící rozsah než je celková délka automobilu, je tedy nutné stroj několikrát přestavit, což obnáší přerušení měření, fyzické přemístění stroje v rámci přípravku a pokračování v měření až po předchozím opětovném ustavení na globální souřadný systém vozu. Výrobce nabízí několik variant včetně přípravků, jak lze celý proces provést. Z technických a ekonomických důvodů se v bakalářské práci nabízí vlastní plně funkční řešení realizovatelné v praxi.

(11)

1 Seznámení s druhy měřících přístrojů, přehled způsobů měření a měřící software

1.1 Referenční systém RPS

S rozvojem průmyslové výroby stále stoupají nároky na kvalitu a zpracování výrobku. Finální výrobek je dnes tvořen z komponent na jejichž výrobě se podílejí různí dodavatelé. To si vynutilo potřebu zavedení systému, který by sjednotil a definoval jak má být díl ustaven, kontrolován, změřen a analyzován.

V automobilovém průmyslu užívají koncerny vlastní výše uvedené systémy, např.

firma Opel používá ASKF, firma Ford používá MCP. U výrobce skupiny VW (Audi, Seat, Škoda) je používán „systém kontrolních referenčních bodů – RPS“ [1]. Jeho cílem je obecně dosáhnout vyšší přesnosti ve výrobě. Pokud je díl - komponenta vyrobena přesněji v odpovídajících rozměrech, pak nám stoupá spolehlivost a klesá množství vykazovaných závad a víceprací. Ještě konkrétněji, vztaženo k našemu příkladu z automobilového průmyslu, vůz bude bezpečnější, spolehlivější, nebudou vykazovány závady hlukové, závady vodotěsnosti, negativní akustické projevy při jízdě, díly budou na sebe lícovat, mechanismy budou pracovat s menšími ovládacími silami, apod.

Jak je zavedení RPS [1] realizováno? Už ve fázi návrhu - konstruování dílů jsou ve výkresové dokumentaci určeny plochy, hrany či otvory, pomocí kterých se díl jednoznačně definuje v globálním souřadnicovém systému vozu. Tento souřadný systém vozu je kartézský pravoúhlý pravotočivý souřadný systém dle obr. 1.

Obr. 1 Pravoúhlý pravotočivý souřadný systém [1]

Počátek centrálního souřadnicového systému vozu je vztažený ke středu přední nápravy (obr. 2) a každému bodu automobilu lze přiřadit vlastní x, y, z souřadnice. RPS body by měly být rozmístěny pokud možno co nejdále od sebe (z důvodu požadavku na co nejvyšší přesnost) a v místech, kde jim nehrozí poškození (stabilita procesu).

(12)

Obr. 2 Centrální souřadnicový systém vozu [1]

Ustavení dílu [1] probíhá pomocí tzv. „pravidla 3-2-1“, jak ukazuje obr. 3, kde tři body určují rovinu, dva body křivku, hranu a jedením bodem provedu zbývající uchycení dílu v poslední rovině. Nyní je díl jednoznačně určen v globálním souřadném systému.

Obr. 3 Pravidlo „3-2-1“ [1]

Co může být RPS bodem? Konstruktér volí RPS body dle možností a také dle doporučení norem VW [2, 3]. Používají se doporučené geometrické tvary na modelu, kterými jsou např. kulaté otvory, plochy obdélníkové či kruhové, hrany, průsečíky.

Požadována je tvarová stálost prvků, takže volba RPS prvků se provádí s ohledem na minimální možnost poškození dílu např. deformací. Ideální je volba ustavovacích otvorů ve středících otvorech dílu, dírách a drážkách. Informace o RPS je uložena ve výkresové dokumentaci ve formě informační tabulky výkresu tab. 1.

(13)

Tab. 1 Informační tabulka výkresu

Systém RPS je významný zejména pro výrobu. Umožňuje vytvořit bezpečné procesní úkony, které lze opakovat, omezuje možnost zanesení lidské chyby, tj. procesy jsou stabilní, robustní a nezávislé na vlivu pracovníka, což má význam zejména pro sériový typ produkce. Stejně jako jednotlivý díl má stanovená svá RPS a funkční tolerance, tak sestava komponent má svojí nadřazenou RPS s navazujícími funkčními tolerancemi vyplývajícími z tolerancí podsestav, sub-komponent. Po celou dobu procesu výroby musí být RPS systém dodržován. Jak bylo již uvedeno, RPS se využívá ke kompletaci jednotlivých dílů, kde u nově vzniklého kompletu dílů zaniká původní RPS systém a vytvoří se RPS nový, což se děje dle okolností, posouzení výhodnosti a situace opět s přihlédnutím k pravidlům (RPS volím tak, aby nedošlo při výrobě a procesu k poškození či deformaci, RPS volím do ustavovacích otvorů, apod.).

Proč jsou RPS body důležité pro 3D měření ? Při provádění rozměrové kontroly dílu nebo sestavy ustavuje operátor MMC stroj [4] na RPS body dílu. Tyto body vyčte operátor z výkresové dokumentace. Ustavení samotné probíhá individuálně v závislosti na daném software měřícího zařízení, obecně se však operátor musí držet doporučení daného ujednáním a respektovat pořadí a smysl RPS. Po provedení ustavení je díl ztotožněn s globálním souřadným systémem vozu a lze přejít k samotné rozměrové analýze dílu. V případě rozporu nebo dokazování správnosti měření se odvolává na výkresovou dokumentaci a ustavení dílu dle RPS bodů. Každé další porovnávací měření je uskutečněno za stejných podmínek a stejnou metodou. Tím je zajištěna maximální přesnost měření, korespondentnost a vzájemná srovnatelnost měření.

1.2 Přehled 3D měřících zařízení

3D měřící zařízení CMM [4] jsou si principiálně podobná. Skládají se z mechanické části a vyhodnocovacího zařízení. Za příklad poslouží statický měřící stroj firmy Wenzel [5], viz. obr. 5. Mechanická část stroje obsahuje konstrukci na jejímž

(14)

konci je připevněná měřící sonda. Podle typu stroje, rozlišujeme přenosný a stacionární, je konstrukce doplněna o měřící stůl.

Obr. 4 Statický měřící stroj fy.Wenzel typ „LH standard“ [5]

Druhou částí stroje je vyhodnocovací zařízení tvořené počítačem se specializovaným měřícím software. MMC se dále rozlišuje dle druhu pohonu – konstrukce je obsluhovaná operátorem, který pohybuje rameny a měřící sondou (přenosná ramena) nebo je pohon provozován krokovými motory a pak může být měření naprosto autonomní (předprogramované měření) nebo obsluha stroje ovládá CMM joistickem a měří dotykovou sondou. S rozmachem bezkontaktního měření lze dnes dále rozlišovat CMM stroje na dotykové a bezdotykové (způsob měření).

Bezdotykové CMM dále dělíme na optické, ultrazvukové, aj.

Dělení CMM, sumarizace:

Rozdělní dle způsobu měření :

 dotykové

 bezdotykové

(15)

Rozdělení dle určení stroje :

 přenosné

 stacionární Rozdělení dle pohonu :

 motorové

 ručně obsluhované (např. malá přenosná měřící ramena) Rozdělení dle typu konstrukce :

 konzolové

 mostové

 portálové

 sloupové

 specializované (pro určitý druh měření, např. měření ozubených kol) CMM stroje lze rozdělovat i podle dalších detailnějších kritérií, ale to není předmětem této bakalářské práce, proto od dalšího podrobnějšího dělení upustíme.

Ramena CMM stroje se pohybují posuvem v osách x, y, z. Měřící sonda dále může mít svůj vlastní kloubový mechanismus, případně i poháněný, umožňující lepší navedení měřícího hrotu. Při posuvu je důležité přesné odměřování absolutní polohy v řádech μm, u portálových strojů je to zajištěno měřícím pravítkem např. jako u CNC měřícího stroje [5] RS plus od firmy Wenzel (obr. 5), u kloubových ramen rotačním inkrementálním snímačem úhlu.

Obr. 5 CNC měřící stroj typ „RS plus“ od fy.Wenzel [5]

(16)

Dalším požadavkem při měření je teplotní stálost. Teplota ovlivňuje tepelnou roztažnost výrobku, tím může citelně zasáhnout do měřícího procesu a ohrozit přesnost měření. Poznamenejme, že CMM stroje jsou schopné měřit v jednotkách setin milimetrů. Ve stroji samotném jsou dva zdroje tepla – motory pohonů a napájecí zdroje.

Zdroj lze přenést vně stroje, ale motory je potřeba oddělit od konstrukce např. tepelně nevodivou clonou a aktivním chlazením, tj. ventilátorem.

Dále se provádí dvě opatření. Stroj bývá umístěn v klimatizované místnosti s konstantní teplotou a také se výrobce pokouší používat materiály, které tepelné roztažnosti nepodléhají nebo jen minimálně, tj. materiály jako např. sklo, kámen, keramika, skelná vlákna, karbonová vlákna.

Příkladem stroje u kterého bylo k vytvoření kostry použito karbonových vláken je přenosné měřící rameno [6] firmy Romer typ „Absolute Arm 7525“, jak je ukázáno na obr. 6. Měřící sonda je umístěna na konci ramena. Jde o příklad přímé, dotykové měřící sondy, kterou je možno měnit dle potřeby a vhodnosti situace.

Obr. 6 Měřící rameno firmy Romer typ „Absolute Arm 7525“ [6]

Příkladem kombinace dotykového s optickým měřením [6] je měřící rameno firmy Rommer typ „Infinite 2.0“ osazené laserovým skenerem „ScanShark“ obr. 7.

U skeletu je opět použito karbonových trubek z důvodu redukce hmotnosti a zamezení ovlivnění měření teplotními výkyvy.

(17)

Obr. 7 Měřící rameno Romer typ „Infinite 2.0“ s laserovým skenem „ScanShark“ [7]

Příkladem jiného typu je optický měřící systém [8] Optotrak od firmy NDI, viz.

obr. 8. Tento laserový tracker umožňuje jak laserové skenování dílů či souřadnicové měření, tak dynamické sledování a analýzu pohybu např. strojních součástí. V případě použití jako měřícího souřadnicového stroje má obsluha k dispozici ruční sondu, která měří bez omezení pohybu kabely tak, že je sledována optickým systémem Optotraku.

Obr. 8 Optický měřící systém Optotrak od firmy NDI [8]

Příkladem rovněž optického měřícího systému [9] od firmy Leica Geosystem je laserový tracker typ „AT901-Basic“ (obr. 9). Měření obstarává obsluha, která se spolu se sondou pohybuje v prostoru. Sonda je opticky sledovaná z platformy a údaje o její poloze, tj. naměřené hodnoty jsou zaznamenávány. Sonda může být rovněž rozšířena o laserové skenování.

(18)

Obr. 9 Optický měřící systém firmy Leica Geosystem typ „AT901-Basic“ [9]

Přesnost měření CMM stroje je uváděna pomocí takzvané délkové odchylky měření v jednotkách MPEE a v μm. Například údaj o přesnosti z praxe pro portálový CMM s rozsahem 500mm :

1,2+0,2xL/100 = MPE

^E

[μm]

U měřících strojů s větším rozsahem je odchylka měření větší, konstanty nabývají vyšších hodnot, čímž se logicky zvětšuje i absolutní chyba měření.

1.3 Měřící dotyky a ostatní sondy

Samostatnou kapitolou jsou měřící sondy. U dotykových sond (obr. 10) je nejčastěji k vidění tvar dříku opatřeného rubínovou kuličkou na svém konci. Sonda bývá často výměnná, pak je navíc opatřená mikročipem s identifikačními údaji jako název, délka, průměr kuličky, kalibrační data, ap. Konektor k nasazení do přístroje je opatřený bajonetovým uzávěrem nebo závitem, který pevně fixuje sondu k ramenu CMM stroje.

konstanta

délka měřeného předmětu v (mm) konstanta

délková odchylka měření

Tvar lineární rovnice nejistoty měření :

(19)

Obr. 9 Dotyková měřící sonda [10]

Dělení měřících sond dle způsobu snímání :

 Sonda ovládaná operátorem - operátor přiloží sondu k povrchu měřeného předmětu a sejme tlačítkem výsledek měření, které se přenáší do paměti stroje.

Jde o nejjednodušší způsob a zároveň nejrobustnější.

 Automatická sonda – sonda je opatřena mikrospínačem či tenzometrem a v okamžiku dotyku s měřeným povrchem automaticky vysílá údaje o své

aktuální poloze do zařízení. Výhodou této konfigurace je možnost snímat velké množství dat, tzv. cloud of points. V takovém případě záleží i na snímací frekvenci sondy (zpravidla v řádech tisíců měření za sekundu, viz. frekvence měření).

Pokud je CMM vybavený funkcí automatické výměny sondy, volí si dle programu sondu, kterou si bere či vrací do zásobníku, práce je pak značně urychlena. Jako příklad slouží zásobníkový systém [10] měřící sondy firmy Renishaw, viz. obr. 10. Zde vidíme měřící CMM stroj operující se sondou v zásobníku.

Obr. 10 Zásobníkový systém na měřící sondy fy. Renishaw [10]

(20)

Ne všechny sondy jsou vhodné pro všechny povrchy. Například v automobilovém průmyslu se měří povrchy tvrdé, jako nelakovaná karoserie či plechové výlisky, kdy se používají sondy s ocelovým hrotem nebo s rubínovou kuličkou – nehrozí poškození povrchu měřeného dílu.

V případě, kdy se měří lakovaná karoserie, kde je třeba maximální opatrnosti z důvodu poškození povrchové ochrany vozu, není možné

použít sondu s hrotem, ale volí se sonda zakončená rubínovou kuličkou o větším poloměru, jako je např. tenzometrická sonda firmy Ranishaw (obr.11). Minimalizuje se tak riziko poškození laku během měření.

Pokud se jedná o měření plastových či pěnových prvků je problematická jak volba vhodné měřící sondy, tak i měřící technologie. Kontaktní měření má svoje limity. Např.

pěnu sedadla nelze kvůli její měkkosti a poréznosti dost dobře měřit s kontaktní sondou jakéhokoli typu. Je vhodné zvážit samotnou technologii měření. Jako vhodné se jeví optické měření, tj. skenování povrchu laserovým paprskem.

Vhodným doplňkem pro usnadnění práce a zvýšení rychlosti a plynulosti měření, je funkce výměny sondy. Tu výrobce nabízí u stacionárních CMM. Pokud je tak CMM vybaven, volí si dle programu sondu ze zásobníku, kterou si zde odebere a po skončení měření odevzdá nebo v případě potřeby jí mění i v průběhu měření.

Zmíněna byla problematika volby sondy v souvislosti s povrchem, resp. ochranou povrchu měřeného předmětu. Sondy bývají zakončeny dotykovou plochou a používají se zde různé materiály, které zohledňují např. tvrdost měřeného předmětu či drsnost jeho povrchu. V automobilovém průmyslu je nejčastěji používáno zakončení rubínem.

Jde o materiál odolný proti opotřebení, který je zároveň velmi tvrdý, dobře opracovatelný a přitom šetrný k povrchu měřeného předmětu. Dalším materiálem je ocel (nemagnetická), která je rovněž velmi odolná vůči mechanickému poškození.

Na měřící hroty se také používají karbidy wolframu, neboť se vyznačují vysokou pevností, mechanickou odolností a houževnatostí, což je důležité, neboť na kontaktní místo sondy – hrot jsou kladeny velké nároky (nežádoucí opotřebení hrotu vs. přesnost měření, kalibrace). Další materiály vhodné pro sondy jsou i keramika či nitridy křemíku a to pro svoje charakteristické vlastnosti.

Tvary měřících sond mohou být různé. Zohledňují tvar měřeného předmětu, tj. otvory, plochy, křivky. Sondy jsou optimalizovány, aby se šetřil strojní čas a urychlilo měření, protože sériová výroba je dynamická a vyžaduje rychlou odezvu. Po

Obr. 11 Tenzometrická měřící sonda firma Renishaw [10]

(21)

měření následuje analýza problému a následně okamžitě přichází optimalizační smyčka ve výrobě, kde se provádějí korekce na výrobku na základě výsledku měření. Příkladem měřící sondy může být hvězdicový dotek od firmy Renishaw, obr. 12.

Dělení dotykových sond dle vhodnosti pro měření:

 měření otvorů – výše zmiňované přímé doteky nejsou vhodné pro měření otvorů. Zde se používají hvězdicové dotyky, dotyky půlkulaté, vypouklé nebo inovace jako např. pětiosé měření

metodou Renscan [11], kdy výrobce doplnil měřící hlavici o další pohyblivé části pro pohyb ve třech osách, takže kromě hlavního pohybu stroje je samostatná měřící hlavice schopna vykonávat další pohyby, jako měření otvorů obkružováním vnitřního průměru. Dochází tak k významnému zkrácení doby měření.

 měření ploch – zde je výhodné použít sondy s přímým dotykem i inovační pětiosé měření, kde kulička vykonává kmitavý pohyb za účelem nasbírat co největší množství dat. Příkladem může být technologie Recsan [11] od firmy Renishaw, viz. obr. 13. Nabízí se i možnost použít

laserový scan. Ten je schopný optickou metodou sbírat velké množství dat (ve srovnání s mechanickou sondou).

Ovšem i tato metoda má svá slabá místa.

Největší problém je skenování lesklých ploch, jako např. sklo, reflektor automobilu, díly lakované metalickou barvou, ap. Nedostatek lze odstranit tím, že se plocha popráší látkou na bázi pudru, čímž se sníží odlesky a umožní měření.

Problém je s odstraněním látky po skončení měření. To znamená, že technologii nelze použít například

v automobilovém průmyslu na měření zákaznických vozů nebo zákaznické analýzy v terénu – hrozí znehodnocení interiéru vozu. Z tohoto příkladu je zřejmé, že každá technologie má své limity a je jen na úvaze realizátora měření srovnat klady a zápory v porovnání s výsledkem měření.

Obr. 13 Technologie Rescan od fy.Renishaw [11]

Obr.12 Měřící sonda, hvězdicový dotek fy.Renishaw [10]

(22)

 měření drážek – zde nelze jednoznačně doporučit žádnou specifickou variantu sondy, kvůli tvarové a rozměrové variabilitě drážek. Kromě klasického bodového

dotyku lze použít jakýkoliv modifikovaný tvar sondy. Lze předpokládat, že zadavatel sériového měření si nechá sondu zhotovit na zakázku přímo u výrobce. Vyšší cena takto zhotovené sondy je kompenzována zkrácením

měřícího času a tím i finanční úsporou na straně provozovatele měření.

1.4 Příprava měření a měřící software

Zatím byla výše popsána pouze problematika hardware 3D měřících strojů.

Neméně důležité je však i softwarové vybavení, bez kterého se žádný měřící stroj neobejde. Výrobci měřících strojů si toho jsou vědomi a úzce spolupracují s výrobci softwarového vybavení, aby společně dosáhli žádaného výsledku. Tím je plně funkční měřící zařízení plnící svoji funkci po stránce přesnosti měření, dodržování metrologických standardů a norem a co nejproduktivnějšího využití strojového času při měření.

Základním požadavkem před započetím vlastního měření je pevná platforma pro měřený díl. Pro potřeby automobilového průmyslu se používá celá řada měřících a ustavovacích přípravků, ať už universálních, tak zhotovených na míru konkrétnímu

měřenému dílu. Přípravky mají za úkol díl fixovat v neměnné poloze. To je velmi důležité, neboť jakýmkoliv posunem či rotací by došlo k celkovému znehodnocení měření. Příkladem může být měřící přípravek [12] na měření automobilových sloupků vozu, viz. obr. 14. Díl je v přípravku upevněn v místech RPS bodů (dle potřeby měření

Obr. 14 Měřící přípravek na měření autobilových sloupků [12]

(23)

to je či není pravidlem, nutno posuzovat individuálně, RPS jsou i otvory) a fixován upínkami.

Jiným příkladem je modulární systém [13] „Alufix“ od firmy Horst WITTE (obr. 15), který slouží ke stavbě upínacích rámů, mimo jiné pro potřeby měření a rozměrové kontroly dílů.

Obr. 15 Modulární systém „Alufix“ od firmy Horst WITTE [13]

Po fyzickém upevnění dílu se provádí počáteční měření, které má za cíl ustavení měřeného dílu v měřícím software a ztotožnění měřeného dílu k datovému modelu a souřadnému systému vozu (vztaženo na automobilový průmysl). Zde nacházejí uplatnění RPS body, které se nacházejí, jak již bylo uvedeno, na každém měřeném díle a informaci o nich lze nalézt ve výkresové dokumentaci.

Co znamená termín „datový model“? V současnosti probíhá celý proces od fáze vymýšlení a konstruování dílu, přes virtuální simulaci zkoušek ve specializovaných výpočtových software, až po jeho přípravu pro výrobu ve sofistikovaném konstrukčním software. Na konci je hotový model produktu ve své finální podobě uložený v datech, která mohou sloužit pro jeho výrobu (3D kopírovací stroje, CNC obráběcí stroje) nebo slouží mimo jiné pro rozměrovou kontrolu dílu. Procesem „ustavování“, které předchází vlastnímu měření, se udává měřícímu software, kde nalezne RPS body nebo jiné kontrolní body, tj. ztotožní skutečný model s modelem datovým. V této fázi se měřením snímají data z modelu podle potřeby a to v pořadí daném specializovaným měřícím

(24)

software. Proces je principiálně stejný pro všechny druhy měření, liší se v nuancích podle měřícího programu, pořadí snímání dat, způsobu snímání či vyhodnocování.

Co znamená termín „bestfit“? Pokud není žádoucí nebo není možné z nějakého důvodu použít RPS body, lze díl ustavit v měřícím software pomocí měřením sejmutých charakteristických rozměrů z povrchu dílu. Charakteristickým rozměrem jsou myšleny například hlavní hrany, otvory, body plochy, tj. prvky u nichž lze předpokládat, že nebudou z hlediska rozměrovosti a přesnosti výroby mimo výrobní toleranci.

Software si vypočítá nejlepší variantu ustavení – provede bestfit a nabídne uživateli výsledek s výpočtem přesnosti. Pokud se obsluha rozhodne může provést operaci bestfit znovu, tj. sejmout nová data měřením. Pokud je novým korekčním výpočtem docíleno požadované přesnosti měření, je na příkaz operátora provedena finalizace bestfitu.

Reálný díl se ztotožní s datovým modelem, souřadné systémy jsou nastaveny a samotné měření, tj. kontrola dílu může začít.

Měřící rameno CimCore Arm spolupracuje s měřícím software PowerInspect [14]

od firmy Delcam (obr.16). Tento program je co do výbavy k měření a analýze dat základem toho, co je na trhu v současnosti k dostání. Nabízí měření podle výkresové dokumentace, porovnávání a měření dle datového modelu a v případě potřeby je možné jej použít i ke zpětné analýze, kdy se nasnímají data a vytvoří se z nich CAD data

(reverse-engineering). Výstupem měření je protokol s naměřenými hodnotami a grafickým znázorněním.

Obr. 16 Měřící software PowerInspect verze 4230 [14]

Měření začíná přípravou dat, to znamená konverzí dat z CAD do formátu se kterým je PowerInspect schopen pracovat. V našem případě jsou většinou díly vytvořeny v konstrukčním software Catia V5 (*.model) a konvertují se do formátu měřícího stroje (*.odx). Po konverzi software měřícího stroje zobrazuje načtený model

(25)

(viz. obr. 10 - postranice automobilu), poté je třeba provést ztotožnění měřeného dílu s datovým modelem, který slouží jako porovnávaný díl – tzv.ustavení.

K dispozici jsou dvě metody:

 ustavení dle RSP

 ustavení bestfitem

Ustavení dle RPS je voleno v případě, že díl k měření je celý a všechny potřebné RPS jsou dostupné. Pokud je díl po demontáži nebo poškozený a je přístupná jen část nebo žádný z předepsaných RPS bodů, volí se ustavení bestfitem z dostupných geometrických tvarů.

Ustavení RPS probíhá tak, že si v programové funkci „kontrola geometrie“

obsluha vybere RPS definované v informační tabulce výkresové dokumentace. Pokud je jako RPS definovaný otvor, drážka, obdélník, je třeba pro stroj definovat rovinu ve které měřený prvek leží a poté provést výběr typu elementu. Na příkladu obr.17 je ukázaná definice kruhového otvoru za pomocí plochy a kontury křivky.

Obr. 17 Definice kruhového otvoru v programu PowerInspect verze 4230 [14]

Pořadí výběru je logické, protože následně se přistupuje k fyzickému měření ustavujících RPS bodů. Pokud leží více geometrických elementů v jedné rovině, jako na příkladu obr. 17, poté jsou snímány body z této plochy. Je zachováváno pravidlo, že plocha je definována minimálně třemi body a musí být největší (zde okolo měřeného otvoru). Po sejmutí naměřených bodů z povrchu výlisku se přistupuje k měření kruhového otvoru. Pravidlem je, snažit se navádět měřící sondu pokud možno normálově k měřenému povrchu, což je v našem případě hrana otvoru o tloušťce plechu menší než milimetr. Další pravidlo je, že na definici kruhového otvoru je třeba minimálně tři body sejmuté z kružnice. Například pro sejmutí čtverce, či obdélníku

(26)

je nutno z každé hrany sejmout minimálně dva naměřené body. Je-li sejmut dostatečný počet RPS bodů stanoví se v programu jejich počet, pořadí a podmínky ustavení, jak ukazuje dialogové okno RPS ustavení (obr.18).

Obr. 18 Dialogové okno RPS ustavení [14]

Po definování všech potřebných proměnných je možné započít s měřením.

V našem případě měření postranice vozu jde o změření ploch, což znamená sejmutí dat z povrchu dílu za účelem zjištění plošných rozměrových odchylek od nominální hodnoty stanovené datovým modelem.

Výstupem měření je měrový protokol s výsledky plošných odchylek, viz. tab. 2.

Hodnoty v posledním sloupci označené zeleně jsou odchylky od nominálu, ale ještě v tolerančním poli. Odchylky psané červeně jsou odchylky plochy mimo nominál.

Kladné znaménko znamená, že odchylka jde ven z materiálu, záporné znaménko značí, že v místě měření je propadlina.

Tab. 2 Protokol s výsledky plošných odchylek [14]

Příkladem z praxe může být měření rozměrové odchylky dosedací plochy bočních dveří vozu pro plastový díl obložení, tzv. výplň dveří, jak bývá v automobilovém

(27)

žargonu nazývána, obr.20. Tato odchylka je sledovaná z důvodu analýzy hlukových projevů.

Obr. 20 Výsledek měření rozměrové odchylky dosedací plochy bočních dveří vozu [14]

Výhodou programu PowerInspect je možnost sumarizace výsledků se znázorněním hodnot v a mimo toleranci, s gausovým hodnocením četnosti závad a dále minimální, maximální a průměrnou odchylkou, jak ukazují grafy č.1, 2 a tabulka č. 3.

Graf č. 1 Protokol s výsledky plošných odchylek [14]

Graf č. 2 Sumarizace výsledků měření (plošné odchylky) [14]

(28)

Tab. 3 Výpis z měrového protokolu s výsledky plošných odchylek [14]

Výsledek měření geometrických elementů je k dispozici v tabulce 4. Ve sloupci

„Nominal“ jsou hodnoty zjištěné z datového modelu, konvertované programu z CAD dat výrobce. Ve sloupci „Measured“ jsou hodnoty sejmuté měřením z fyzického

modelu. V předposledním sloupci „Deviation“ jsou uvedeny finální odchylky od nominálu. Rozhodující je opět znaménko. Kladná hodnota znamená, že otvor je větší, než by měl být. Záporné znaménko znamená, že v otvoru je víc materiálu a je tím pádem stažený - menší než předepisuje nominální model.

Tab. 4 Výsledek měření geometrických elementů (otvory) [14]

(29)

Druhá možnost jak ustavit měřený díl je výše zmiňovaná metoda „bestfit“

(obr. 23). Pro ukázku bylo nasimulováno ustavení postranice automobilu metodu bestfit s dodržením pravidla „3-2-1“ pro ustavování měřeného dílu za geometrické prvky.

Obr. 23 Metoda ustavení dílu bestfit [14]

V případě tohoto způsobu ustavení je používána funkce programu „vytvoření volně uchyceného seřízení“, viz. obr. 24. V prvním sloupci jsou názvy bodů pomocí kterých se požaduje ustavení provést. Druhý až čtvrtý sloupec nese hodnoty s přesnou definicí ustavovacího bodu v prostou, tj. v globálním XYZ systému. Sloupec “clear“

určuje vhodnou volbu ustavujících bodů v jednotlivých rovinách. Sloupec „Orig Surf“

nese informaci o názvu plochy v datovém modelu ve které měřený bod leží a má tedy hodnotu pouze informační.

Obr. 24 Vytvoření volně uchyceného seřízení [14]

(30)

Po definici všech náležitostí následuje potvrzení v dialogovém okně a probíhá měření ustavovacích bodů DS1 až DS6. Po změření program PowerInspect požaduje definování parametrů přepočtu, tj. toleranci pro funkci bestfit. Na základě volby operátora proběhne výpočet ustavení naměřeného modelu ku nominálnímu modelu předlohy. Operátor musí souhlasit s přepočtem a vypočítaným ustavením. Zpravidla je potřeba celý proces několikrát opakovat, než program z množiny naměřených bodů a operátorem stanovené tolerance najde vhodné optimální řešení. Výsledkem jsou opět naměřené hodnoty (viz. obr. 25, 26, graf č. 3, tab. 5) spolu s grafickými výstupy.

Několik příkladu z praxe pro ilustraci:

Obr. 25 Měření držáku pro nádobku kapaliny [14]

(31)

Tab. 5 Měření držáku pro nádobku kapaliny (grafický výstup) [14]

Graf č. 3 Měření držáku pro nádobku kapaliny (grafický výstup) [14]

Obr. 26 Měření lampičky brzdového světla na 5. dveřích vozu [14]

(32)

1.5 Přenosné měřící rameno CimCore

Měřící rameno [15] CimCore Arm na obr. 27 od firmy Hexagon Metrology je myšleno jako přenosný CMM stroj, který by měl v základu obsáhnout práci vykonávanou na velkých statických měřících strojích a přitom splňovat požadavky kladené na přesnost, snadnou manipulaci s ramenem, jednoduchou robustní konstrukci, skladnost a možnost přenášení za účelem analýz v terénu.

Obr. 27 Měřící rameno CimCore Arm od firmy Hexagon Metrology [15]

Princip CMM stroje CimCore Arm spočívá v zřetězení několika karbonových profilů spojených úhlovým inkrementálním snímačem polohy [16], jak je ukázáno na obr. 28. Snímač dává během měření přesnou informaci o poloze stroje v prostoru a v souřadném systému stroje. Tyto informace jsou vyhodnocovány pomocí grafické

stanice s měřícím software PowerInspect. Již bylo uvedeno, že přesnost stroje se pohybuje v řádech mikrometrů a stroj má celkem šest ramen, což dává představu o

tom, s jakou přesností musí úhlový snímač polohy pracovat, aby výsledná přesnost nepřesáhla deklarované hodnoty.

Obr. 28 Úhlový inkrementální snímač polohy fy.HEIDENHAIN [16]

(33)

Obr. 29 Přehled inovací na CMM CimCore Arm [15]

Měřící rameno je zakončeno přímou sondou s rubínovou kuličkou, viz. obr. 29, kde výrobce představuje svoje CMM s prezentací důležitých inovací. Sondy lze samozřejmě měnit s tím, že musí být zachována podmínka kompatibility sondy s TESA rozhraním. Měřící sonda má integrovanou elektronickou paměť, kde uschovává informace o sobě, tj. o svých charakteristických vlastnostech. Když je sonda měněna za jinou, stroj si informace ze sondy přečte, ztotožní je s kalibračními daty a měření může pokračovat. V koncovém dílu měřícího ramena je rovněž integrovaná barevná CCD kamera, viz. obr. 29. Ta slouží k zhotovení obrazové dokumentace při provádění analýz.

Za povšimnutí stojí magnetická základna měřícího stroje. Lze jí využít, pokud měříme například ve vnitřním prostoru vozu a je třeba zafixovat stroj před měřením.

Zkušenost však ukazuje, že upevnění ve voze není vždy ideální. Je problémem uchycení magnetického stojanu jak z hlediska tuhosti podstavy ke které chceme fixovat, tak vzhledem k ploše magnetické podstavy. Je rovněž problém najít vhodnou, dostatečně rovnou plochu bez perforací nebo plochu nezakrytou odhlučňovacím materiálem. Volí se tedy jiný způsob, vně vozu se umisťuje dostatečně hmotný přípravek (brání samovolnému posunutí v průběhu měření nebo eliminuje důsledky nechtěného zavadění o přístroj), který je navíc opatřený tuhou ocelovou deskou, dostatečně velkou k zafixování měřícího stroje.

(34)

Zajímavé je též spojení stroje s magnetickou základnou. Spoj je realizován převlečnou maticí o průměru cca 100 mm. Tato skutečnost je důležitá, neboť se na ní v návrhu konstrukce našeho měřícího přípravku bude dále odkazovat. Matice bude použita ke spojení a zafixování měřícího stroje k navrhovanému přípravku.

Výrobce nabízí několik délek měřících ramen. Po dohodě s distributorem bylo zvoleno rameno o měřícím rozsahu 2,5 metru. Je to délka přímky od jednoho krajního bodu k druhému krajnímu. Prakticky je tato vzdálenost menší, neboť se při přenášení souřadného systému ustřeďuje na tři body, které

navzájem musí být v určité vzdálenosti, aby byla zachována přesnost ustavení a tedy naměřeného finálního výsledku. Pokud zmíníme přesnost měření, vybrané rameno délky 2,5 m má deklarovanou prostorovou přesnost ±0,051 mm. Pro zajímavost,

rameno s nejdelším měřícím rozsahem 4,5m má deklarovanou prostorovou přesnost ±0,170 mm.

Zvláštní význam klade výrobce rovněž na možnost rozšíření stroje. Výrobce nabízí např.

modul pro laserové skenování (obr. 30) a to jak ve verzi s externím modulem V5 Perceptron , tak modul plně integrovaný (rameno má poté celkem sedm os).

Po tomto rozšíření zůstává dál k dispozici kontaktní sonda, takže měření laserem se stává nadstavbou.

V našem případě – pro automobilový průmysl je používán laserový skener převážně na snímání dat z povrchu ploch. Laserový paprsek je ve sběru dat významně rychlejší než dotyková sonda, kde každý sebraný bod je nutno potvrzovat tlačítkem. Tím dochází v případě skenování laserem k výrazné časové úspoře.

Výrobce uvádí možnost použití externích skenerů i od jiných výrobců a tvrdí, že laserovým skenerem CMS108 od Hexagon Metrology lze měřit všechny typy povrchů bez nutnosti úpravy měřeného povrchu sprayováním (již výše zmiňovaná problematika). Toto umožňuje adaptabilní technologie, která mění intenzitu laserového paprsku s ohledem na snímaný povrch měřeného předmětu. Pro porovnání výsledků měření a vytvoření si lepšího názoru na výhody a nevýhody obou metod, tj. laserového bezkontaktního a kontaktního měření, uveďme příklad měření vnitřního (obr. 31) a vnějšího (obr. 32) povrchu plechu dveří vozu pomocí laserového skeneru.

Obr. 30 Modul pro laserové skenování [15]

(35)

Obr. 31 Laserové měření vnitřního plechu dveří vozu [17]

Obr.32 Laserové měření vnějšího plechu dveří vozu [17]

(36)

Z obrázků je patrné, jakým způsobem probíhá měření laserovým paprskem.

Paprsek projíždí celou plochu měřeného dílu a sbírá měřená data. Výsledkem je tzv.

„cloud“, což je mrak naměřených bodů. Orientace v takovém množství hodnot je nesnadná a jako nejvhodnější řešení se nabízí grafické znázornění pomocí tzv. barevné mapy. Každé naměřené geometrické odchylce v měřeném spektru je přiřazena vlastní barva. Výsledkem je barevné spektrum z něhož lze přímo odečítat geometrické úchylky na měřeném díle. Pro potřebu námi prováděné analýzy je třeba neopomenout znaménko úchylky. Pokud je úchylka od nominálu kladná, znamená to, že v měřeném místě je víc materiálu (zde boule). Pokud je naopak odchylka od nominálu záporná, znamená to, že v měřeném místě je méně materiálu (zde deformace, propadlina).

Zajímavým příkladem z praxe může být měření plastových dílů. Obr. 33 zobrazuje proměření odkládací schránky na brýle bezkontaktní metodou laserovým skenováním. Plast má větší tepelnou roztažnost než kov. Uvnitř interiéru vozu je rozpětí teplot od zhruba -40°C (severské země) až po cca +80°C (v létě za plného slunečního svitu). V tomto spektru teplot musí být mechanismus dvířek plastové schránky pořád plně funkční, což znamená bez významnějších rozměrových odchylek, které by funkci ovládání schránky ohrozily. Dalším faktorem je zrání schránky po vytažení z formy a při jejím chladnutí, kdy může docházet k rozměrovým změnám vlivem rozdílu teplot v různých partiích schránky. Tento komentář je prezentován jako vysvětlení k následujícím obrázkům, pokud by se čtenář zamyslel nad rozptylem naměřených rozměrových odchylek u změřených dílů obr. 33.

Obr. 33 Měření odkládací schránky na brýle laserovým skenováním [17]

(37)

Obr. 34 Měření odkládací schránky na brýle laserovým skenováním [17]

Problematika měření s CMM ramenem je samozřejmě složitější. Je třeba například dále sledovat i z jaké strany je naváděná měřící sonda, či jsou-li úchylky vztažené k měřené ploše nebo např. k globálnímu souřadnému systému vozu. Dalších příkladů by bylo mnoho, neboť každý způsob měření vyžaduje svůj vlastní postup.

To ovšem není cílem této bakalářské práce, která si stanovila za cíl navrhnout měřící přípravek pro 3D přenosný měřící stroj. Tento stručný přehled je ovšem důležitý pro základní uvedení do problematiky CMM strojů jako celku a je velmi důležitý pro porozumění následující pasáži pojednávající o problémech s námi používaným 3D ramenem. Dále zde bude navrženo řešení problému s přenášením souřadného systému u CMM měřícího ramene tak, aby bylo schopné i s omezeným rozsahem měření (tj. cca 2m, což je dáno délkou ramene) změřit rozměrnější díl – v našem případě celý automobil.

2 Popis současné situace a obecné stanovení požadavků na měřící přípravek pro 3D zařízení

2.1 Popis problematiky

S úkolem kontroly dílů, kdy je díl vizuálně zkontrolován, pokud jde o mechanismus, pak i proměřen na ovládací síly, vyvstala potřeba díl změřit co do rozměrových odchylek. Za tímto účelem bylo zakoupeno přenosné CMM měřící

(38)

rameno CimCore Arm s měřícím rozsahem 2,5 m od firmy Hexagon Metrology. Přístroj splňuje všechny požadavky co do přesnosti měření či přenosnosti. S časem ale vyvstala potřeba měřit kromě malých dílů i díly rozměrnější – celý vůz Škoda. Uvažujme prozatím rozměrově největší vůz výrobce Škoda a.s. s délkou přes 4,8 m, viz. obr. 35.

Obr. 35 Rozměry vozu Škoda Superb Combi [18]

Měřící rameno bylo zakoupeno s ohledem na možnost přenášení souřadného systému. Výrobce nabízí možnost přenášet souřadný systém pomocí definice tří bodů.

Postup je následující:

 Ustavení měřícího stroje na souřadný systém vozu.

 Provedení měření v měřícím stanovišti č.1.

 Aktivace software pro přenášení souřadného systému.

 Změření tří bodů ( A, B, C ) dle zadání software navigátora.

 Přemístění měřícího stroje na měřící stanoviště č.2 - skok č.1.

 Opětovné přeměření tří ustavujících bodů ( A, B, C ) dle zadání software navigátora.

 Měření z nového měřícího stanoviště č.2.

 Aktivace software pro přenášení souřadného systému.

 Změření tří nových ustavujících bodů ( D, E, F ) dle zadání soft.navigátora.

 Přemístění měřícího stroje na měřící stanoviště č.3 - skok č. 2.

 Opětovné přeměření tří ustavujících bodů ( D, E, F ) dle zadání software navigátora.

 Měření z nového měřícího stanoviště č. 3.

Postup měření, ustavení a přenášení souřadného systému lze opakovat teoreticky do nekonečna. Prakticky jsme limitování přesností měřícího stroje a přesností měření obsluhy stroje, která na konci a začátku každého měření provádí zaměření CMM stroje na nové ustavující body – v našem případě body A, B, C potřebné pro první skok a body D, E, F potřebné pro druhý skok souřadného systému.

Jaké jsou požadavky na definici ustavujících bodů? Jak víme z kapitoly o RPS bodech a ustavování souřadného systému, musí být dodrženy určité požadavky,

(39)

nezbytné pro přesnost měření. Proces přenášení souřadného systému je kritická fáze, kdy do měření můžeme vnést chybu, která se bude následně kumulovat v dalších skocích a měřeních. Vyvstává tedy jednak požadavek na opakovatelnost měření, jednak požadavek volby vhodné polohy pro ustavující bod – každý ze třech ustavujících bodů by měl ležet v jedné ze souřadných rovin. K dispozici jsou roviny XY, XZ a YZ.

Je možné najít ustavující body na karoserii automobilu? Nosná karoserie je složená z množství plechových dílů. Každý jednotlivý díl má svoje RPS body, což

mohou být jak plochy, tak otvory. Při měření pomocí CMM stroje uvnitř vozu je snahou najít na karoserii body, které lze měřit. Z hlediska opakovatelnosti měření se v praxi nejlépe měří kruhové otvory (měřením se definuje plocha, ve které kružnice leží a poté se měřením definuje třemi body samotná kružnice). Po sumarizaci požadavků se hledají pro potřeby skoku - přenesení souřadného systému tři kružnice, každá ležící v jiné souřadnicové rovině. Všechny tři kružnice musí ležet tak, aby byly změřitelné z obou poloh, tj. jak z počáteční měřící polohy č.1, tak z nové měřící polohy č. 2. To znamená, že nic (např. jiný objekt) nesmí ležet mezi měřící polohou č. 1 - třemi ustavujícími body - kružnicemi a měřící polohou č. 2. Z pohledu praxe je měření na karoserii poměrně nesnadný a ne vždy řešitelný úkol. Pohledová část vnějšího povrchu karoserie navíc otvory nemá, naopak plocha je kompaktní, oblá a plná přechodu křivek. Je zřejmé, že ustavující body je nutné hledat jinde. Pokud je třeba kalibrační přípravek, je třeba i jiný přípravek na přenášení CMM měřícího stroje.

Co nabízí výrobce pro potřebu přenášení souřadného systému a měřícího stroje?

V nabídce firmy Hexagon nalezneme magnetickou základnu CimCore rBase (obr. 36), stativ pro přenášení měřícího stroje (obr. 37) a magnetické přípravky na přenášení souřadného systému Leap Frog (obr. 38).

Obr. 36 Magnetická základna CimCore rBase [15]

(40)

Obr. 37 Stativ pro přenášení CMM měřícího stroje [15]

Obr. 38 Ustavovací přípravky Leap Frog fy.Hexagon Metrology [15]

Položme si otázku, co z nabízených přípravků je použitelné pro měření vozu?

Magnetická základna CimCore rBase (obr. 36) byla již zakoupena. Je však vhodná pro měření v místech s magnetickým podkladem, jako je například měřící stůl NewPort RS Reliance RL-2000 Series [19], případně uvnitř vozu (fixování k podlaze magnetem).

Musel by být navržen měřící přípravek s ocelovou deskou, na který se stroj nechá magnety připevnit. Použití základny tedy vhodné je, avšak s výhradami a nutností dodatečných úprav.

Stativ [15] - měřící základna pro CMM stroj (obr. 37) byl rovněž zakoupen. Jde o přípravek s robustní konstrukcí, tuhý, stabilní, s minimální výškou výškově stavitelné základny – 110 cm od země k závitu pro upevnění CMM stroje. Právě minimální výška se ukázala být problémem při měření ve spodních partiích vozu jako jsou prahy karoserie a podlaha vozu, kde celou dobu měříme v krajních rozsazích úhlových snímačů CMM měřícího stroje. Při měření s tímto přípravkem je zde mezera o šířce cca

(41)

50 cm od země k prvnímu bodu, který je stroj schopen sejmout. Přípravek tedy v zásadě použitelný je, ovšem s výhradami k měřícímu rozsahu pro měření na voze (střechu měřit lze, podlahu ne, je nízko).

Ustavovací přípravky (obr. 38) jsou magnetické přípravky [15] s kalibrovaným otvorem. Pracuje se s nimi tak, že jsou přichyceny na magnetický povrch měřeného předmětu s respektováním doporučení, že každý kalibrační bod je v jedné souřadné rovině. Tento přípravek nebyl zakoupen, neboť se dospělo k názoru, že pro měření vozu je nevhodný. Na rozměrném předmětu, v našem případě automobilu, nejsou bohužel žádné rovné plochy – pohledová strana je naopak plná křivek a přechodů. Rovná plocha není pro zákazníka líbivá a tak není zájmem designera je vytvářet. Není zde tedy dostatečně velký povrch, kam lze Leap Frog přichytit celou svojí styčnou plochou.

Dalším faktem je, že na olakovaný povrch nesmí přijít nic, co by vytvořilo rýhy a škrábance. Styčnou plochu magnetu Leap Frog přípravku lze podlepit, což ovšem

neřeší problém drobných nečistot, která se mohou dostat mezi lakovanou karoserii a dotykovou plochu magnetu a způsobují poškození laku. Navíc při hmotnosti Leap Frog hrozí kromě lakového defektu i deformace na povrchu plechu - promáčknutí.

Konečný verdikt ohledně přínosu přípravku Lepa Frog pro naše účely je tedy sporný, přináší více omezení než výhod.

Je zřejmé, že je třeba jít jinou cestou. Proveďme sumarizaci požadavků a poté výběr vhodného řešení. Omezeni nejsme ani prostorem, neboť k zástavbě je k dispozici současný prostor vyhrazený pro 3D měření, což je plocha o rozloze víc jak 40 m².

2.2 Stanovení požadavků na měřící přípravek Kladené požadavky na měřící přípravek:

 měření velkých dílů (větší než měřící rozsah),

 měření malých dílů (přestavením původního přípravku),

 konstrukčně jednoduchý (lehce a v krátkém čase přestavitelný dle potřeby),

 levný, výrobně nenákladný (ne dražší než nabízí stávající výrobce),

 skladný, schopný přemisťování (chceme s ním měřit v terénu),

 podporuje měření metodou „skoků“ (vícenásobné přenášení systému),

 možné rozšíření s výhledem do budoucna (široká paleta měřených vozů),

 nesmí poškodit automobil při manipulaci či měření,

 nenáročný na obsluhu,

 nenáročný na údržbu.

(42)

3 Návrh variabilního měřícího přípravku

3.1 Přípravek pro měření velkých sestav (karoserie vozu)

Nyní známe základní požadavky kladené na měřící přípravek a je možné hledat

řešení jehož výsledkem bude nejlepší kompromisní řešení mezi požadovanými a omezujícími vlastnosti.

Znamená to, že hledáme sestavu, která bude umístěná vně vozu. Při aktivní délce měřícího CMM ramene a celkové šířce vozu (cca 1,8 m pro vůz Škoda Superb) bude možné - při umístění přípravku vedle vozu a metodou skoků - měřit v plné šířce souřadné osy vozu, tj. celý vůz.

Konstrukce bude položená přímo na podlaze. Je třeba přípravek dostatečně tuhý a zároveň hmotný, abych zabránil posunutí měřícího přípravku působením nějaké vnější náhodné síly. Je třeba zvážit třecí síly mezi přípravkem a různými povrchy podkladu na kterých bude 3D měření provozováno. Hmotnost přípravku zaručí dostatečné tření a tím pádem bude prevencí proti posunutí při manipulaci s měřícím přístrojem.

Navrhované řešení uspořádání měřícího přípravku (obr. 39) splňuje jak podmínku modularity, tak podmínku jednoduchosti konstrukce.

Obr. 39 Návrh uspořádání měřícího přípravku

Podmínka rozšiřitelnosti je splněna modulární uspořádáním. Není problém v případě potřeby rozšířit stroj o nově dokoupené měřící sondy a provést další změny, neboť ty se provedou jen na jednom modulu, případně se modul vymění za jiný.

Modul měřícího stanoviště č.1

Modul s ustavovacím přípravkem

Modul měřícího stanoviště č.2 Modulární konstrukce (podélník)

Modulární konstrukce (příčník) Karoserie vozu

(43)

Na jedné konstrukci tedy bude potřeba mít usazenu platformu pro měřící rameno (měřící pozici č.1), platformu s ustavovacím přípravkem a druhou platformu pro přenesené měřící rameno (měřící pozici č.2).

Podporu metody skoků lze vyřešit, pokud se podíváme na velké statické CMM

stroje. Stroj se pohybuje po kolejnicích, odměřování se děje pravítkem a inkrementálními či optickými čidly. Přípravek je konstrukcí po které se budou

moduly pohybovat. Na tomto vedení se vyznačí úseky pro snadnější orientaci, aby bylo možné rozeznat, kde leží hranice měřícího rozsahu ramene, kam umístit modul s kalibračním přípravkem a kam umístit moduly s měřícími stanovišti č.1 a č. 2.

Vedení modulů postačí stranové, nemusejí ležet na konstrukci celou svou vahou.

Moduly se do konstrukce zafixují např. aretačním mechanismem a to jen po dobu měření a skoku, kdy potřebujeme mít v kritický okamžik skoku navzájem konstrukcí svázané měřící stanoviště č.1, kalibrační modul a měřící stanoviště č. 2. Pak se po ustavení měřením kalibračního přípravku přemístí CMM měřící rameno z modulu č.1 (měřící stanoviště č.1) na modul č.2 (měřící stanoviště č.2) a lze pokračovat v měření.

Kalibrační přípravek v této fázi již není třeba, stejně tak modul č.1, který je prázdný.

Oba moduly se tedy přemístí dle značek na konstrukci a připraví tak k dalšímu skoku viz. obr. 40.

Obr. 40 Znázornění skoku ze stanoviště č.1 na stanoviště č.2

Kalibrační ustavovací přípravek (obr. 41) by měl plnit stejnou funkci jako ustavovací přípravky Frog Leaps od firmy Hexagon Metrology, které ale nemohou být připevněny na povrchu automobilu z důvodu poškození laku karoserie a možných povrchových deformací. Je tedy spolu s moduly č.1 a č. 2 umístěn na jednu konstrukci přípravku. Zafixované moduly na konstrukci zajistí potřebnou přesnost během

přenášení souřadného systému vozu tzv. skokem. Z definice přenesení víme,

Modul měřícího

stanoviště č.1 Modul měřícího

stanoviště č.2

Modul s ustavovacím přípravkem