Advanced 2D Scanning: the solution for the calibration of

Advanced 2D Scanning: the solution for the calibration of

Zaawansowane skanowanie 2D: rozwiązanie dla wzorcowania pierścieniowych i
trzpieniowych sprawdzianów gwintowych
Ir. R. Galestien
IAC Geometrical Engineers B.V.
www.iac-instruments.com
Doorndistel 28 – 7891 WT KLAZIENAVEEN HOLANDIA
Tel.: +31 591 644103 – Fax: +31 591 648064 – [email protected]
Streszczenie
Wzorcowanie sprawdzianów gwintowych za
pomocą metody skanowania dwuwymiarowego
praktycznie spełnia najnowsze wymagania
wytycznych VDI 2618 część 4.8 i 4.9.
Techniki wzorcowania, takie jak przeprowadzane w
jednej osi, na maszynach pomiarowych, w
połączeniu z kulkami lub drutami dają
niewiarygodne wyniki.
Pomiar odległości tylko między drutami lub kulkami
jest niewystarczający do określania średnicy
podziałowej gwintu sprawdzianu gwintowego, jeżeli
przyjmuje się, że inne parametry mają wartości
nominalne.
Dobrze znane metody obliczeń Berndta dla drutów
lub kulek, zalecane przez EA, jako najdokładniejsze
wzory do obliczeń średnicy podziałowej gwintu,
wykazują problemy z dokładnością, jeśli wartości
aktualne kąta wzniosu linii śrubowej, kąta
pochylenia linii śrubowej gwintu i kąta powierzchni
bocznej różnią się od wartości stosowanych w
obliczeniach.
Zatem jasne jest, że muszą być również mierzone kąt
pochylenia linii śrubowej gwintu i kąt powierzchni
bocznej gwintu. To jest dokładnie to, co mieści się w
zakresie najnowszych wytycznych.
Z zastosowaniem konwencjonalnych urządzeń
wzorcowanie sprawdzianów gwintowych staje się
bardzo skomplikowane i czasochłonne. Jednak, po
spełnieniu wszystkich wymagań, odchyłki
prostoliniowości powierzchni bocznych gwintu
powstałe wskutek zużycia lub błędów wytwarzania,
nie są uwzględnione w obliczeniach średnicy
podziałowej gwintu.
Wniosek jest taki, że określanie średnicy
podziałowej gwintu z zastosowaniem drutu lub
kulek nie zapewni optymalnych wyników i nie jest
już na dłuższą metę, ekonomicznie uzasadnione.
Z tego powodu preferowaną metodą do pomiaru
średnicy podziałowej gwintu lub zwykłej średnicy
podziałowej gwintu jest metoda, która uwzględnia
wszystkie wspomniane powyżej kryteria.
Metoda ta została początkowo opracowana przez
IAC Geometrical Engineers w roku 1992, dla
celów automatycznej kontroli poprodukcyjnej
generatorów gazu poduszek powietrznych
samochodów.
Jednym z najważniejszych wymagań dla
zatwierdzenia przez TÜV, był pomiar na linii
produkcyjnej wszystkich parametrów dla każdego
gwintu, włącznie z prostoliniowością powierzchni
bocznych gwintów trapezowych niesymetrycznych,
jednej poduszki powietrznej, wykonywany w ciągu
30 sekund.
IAC pomyślnie rozwiązała ten problem z pomocą
opracowanych dwuwymiarowych dotykowych
skanerów gwintowych.
Taka sama technika stosowana jest w skanerze
MasterScanner do wzorcowania sprawdzianów
gwintowych. Pełne dwuwymiarowe przenikanie
powierzchni sprawdzianu gwintowego z
płaszczyzną matematyczną przechodzącą przez oś
odniesienia, składa się z sekwencyjnego
skanowania dwóch przeciwległych zarysów
gwintu, mierzonych za pomocą sondy z dwoma
stylusami. Bezpośrednio po zakończeniu procesu
skanowania MasterScanner oblicza i przedstawia
parametry: roboczą średnicę gwintu, zwykłą
średnicę podziałową gwintu, rzeczywistą średnicę
gwintu, średnicę zewnętrzną gwintu, średnicę
rdzenia śruby (nakrętki), kąt pochylenia linii
śrubowej gwintu i kąt powierzchni bocznej, wady
prostoliniowości każdej powierzchni bocznej
gwintu, stożek itd.
W celu zapewnienia powtarzalności wyników
opracowane zostały specjalne metody
wzorcowania.
2618 (2006),w części 4.8 i 4.9, w celu
przeprowadzenia pierwszej kontroli gwintu
obowiązkowo należy również mierzyć skok gwintu
i kąty. [2,3] Najbardziej zaawansowane wzory do
obliczania średnicy podziałowej d2 lub D2 na
podstawie zmierzonej wartości m zostały
opracowane przez profesora Berndta.
Wprowadzenie
Definicja zwykłej średnicy podziałowej gwintu:
Średnica rowka gwintu wyobrażalnej powierzchni
walca, która przechodzi przez zarys gwintu w takich
punktach, które sprawiają, iż szerokość żłobka
gwintu jest równa połowie jego podstawowej
długości skoku.
[4.5]
Definicja średnicy podziałowej gwintu:
Średnica wyobrażalnej powierzchni walca, która
przecina powierzchnię zarysu gwintu w taki sposób,
iż szerokość żłobka gwintu jest równa połowie jego
podstawowej (nominalnej) długości skoku. [6]
Pomiary tradycyjne roboczej średnicy gwintu i
zwykłej średnicy gwintu przeprowadza się za
pomocą pomiarów odległości m nad drutami lub
kulkami. (patrz rysunek 1)
Rys. 1 Gwint zewnętrzny z drutami i gwint
wewnętrzny z kulkami.
Zalecane jest przez EA wykorzystać z tych wzorów
[1].
β −γ
2
m2⋅sin 2θ
l 2⋅l⋅θ cos β ⋅cos γ
d 2 , D2=m⋅cos θ ∓d D ·
⋅
1−
±
− π
·
β +γ
n
sin ( β +γ )
2
2 β −γ
sin
d D⋅cos
2
2
cos
d ⋅l
arcsin(θ k )= D 2 ·
π ⋅m
√
cos β⋅cos γ ⋅cos
cos
β +γ
2
(
β −γ
2
)
(
√
·
D
Rys. 2 Wzory Berndta
Jednakże, sama wartość m jest niewystarczająca.
Nawet dobrze znane metody obliczeniowe Berndta
dla zastosowań drutów i kulek wykazują problemy z
dokładnością, jeśli wartości aktualne kąta wzniosu
linii śrubowej, kąta pochylenia linii śrubowej gwintu
i kąta powierzchni bocznej gwintu różnią się od
wartości stosowanych w obliczeniach. Tak więc
jasne jest, że muszą być również mierzone kąt
pochylenia linii śrubowej gwintu i kąt powierzchni
bocznej gwintu. Ponadto w metodzie Berndta
przyjęto założenie, iż aktualny zarys gwintu ma
idealnie proste powierzchnie boczne. W większości
przypadków tak nie jest, z powodu zużycia i
niewłaściwej jakości produkcji.
Jednakże, pomiar roboczej średnicy gwintu opiera
się nie tylko na odległości m, jak widać we wzorach
na rysunku 2. W najnowszych wytycznych VDI
m 2⋅sin 2 θ k −1
1−
β −γ
d 2D⋅cos 2
2
( )
m ⋅sin θ
β +γ
β −γ d
±sin (
⋅cos (
· ⋅ 1−
)
)
2
2
m
d ⋅cos
( β −2 γ )
cos θ k −1
Problemy z pomiarem przeprowadzanym z
zastosowaniem 2 kulek i 3 drutów
)
√
2
2
k−1
2
D
2
W przypadku wad prostoliniowości powierzchni
bocznych gwintów, wzory Berndta nie będą
obowiązujące.
Wniosek jest taki, iż pomiary średnicy podziałowej
gwintu za pomocą drutów i kulek nie mogą
zapewnić optymalnych dokładnych wyników i są
obecnie nieopłacalne. Kształt rzeczywisty zarysu
gwintu, włącznie z jego wadami, odgrywa ważną
rolę w obu wspomnianych definicjach średnicy
podziałowej gwintu i zwykłej średnicy podziałowej
gwintu i powinny one być brane pod uwagę.
Rozwiązanie: Skanowanie 2D
(dwuwymiarowe)
Metoda Skanowania 2D została początkowo
opracowana przez IAC Geometrical Engineers w
roku 1992, dla celów automatycznej kontroli
poprodukcyjnej generatorów gazu poduszek
powietrznych samochodów.
Jednym z najważniejszych wymagań dla
zatwierdzenia przez TÜV, był pomiar na linii
produkcyjnej wszystkich parametrów dla każdego
gwintu, włącznie z prostoliniowością powierzchni
bocznych gwintów trapezowych niesymetrycznych,
jednej poduszki powietrznej w ciągu 30 sekund.
IAC pomyślnie rozwiązała ten problem z pomocą
opracowanych dwuwymiarowych dotykowych
skanerów gwintowych. Dalszy rozwój tych technik
spowodował, iż stało się możliwe przeprowadzanie
wzorcowania sprawdzianów gwintowych.
Opracowany instrument otrzymał nazwę:
MasterScanner IAC (patrz rysunek 3)
IAC produkuje MasterScannery od 1995 roku.
Rzeczywisty kształt końcówek sondy skanującej
musi być dostępny dla wzorcowania skanów
zarysu. Poprzez zastosowanie skanowania
atestowanych zarysów Sprawdzianu głównego
(patrz rysunek 4) i zaawansowanych technik
łączenia, matematycznie kompensowany jest
kształt stylusa skanującego, wraz z
uwzględnieniem zużycia końcówek.
Rys. 4 Sprawdzian główny dla wzorcowania sondy
Dla każdego kierunku lewego i prawego zarysu
gwintu oceniany jest rzeczywisty funkcjonalny
promień stylusa, włącznie z wpływem zużycia i
ugięcia itd. (patrz rysunek 5)
Rys. 3 MasterScanner IAC
Wyzwania skanowania 2D
Wyzwanie skanowania 2D jest takie, że po
rozwiązaniu pewnych problemów związanych ze
skanowaniem dotykowym możliwe jest otrzymanie
wyników pomiarów w jednym szybkim cyklu
automatycznym z bardzo małą niepewnością
odnośnie: roboczej średnicy gwintu, zwykłej
średnicy podziałowej gwintu, rzeczywistej średnicy
gwintu, średnicy zewnętrznej gwintu, średnicy
rdzenia śruby (nakrętki), kąta pochylenia linii
śrubowej gwintu i kąta powierzchni bocznej, wad
prostoliniowości każdej powierzchni bocznej
gwintu, stożka itd.
Również dla analizy tych wszystkich informacji
bardzo pomocna jest wizualna prezentacja zarysów
skanowanych gwintów.
Wzorcowanie końcówek
Dla tej metody bardzo ważne jest, by określać
granicę między stalą na powierzchni bocznej gwintu
i powietrzem.
Rys. 5 Odwzorowanie stylusa na Sprawdzianie
głównym
Mocowanie i centrowanie
Sprawdziany są podparte przez samocentrujące,
szybko-wymienne wsporniki typu klik-on. Funkcją
wsporników klik-on jest ustawianie każdego
sprawdzianu w powtarzalnym położeniu
mimośrodowym względem pola skanowania.
Oznaczenie to jest możliwe do wykorzystania tzw.
wzorcowania pośredniego. (patrz rysunki 6 i 7)
Wzorcowanie pośrednie
Wzorcowanie pośrednie każdego wspornika
eliminuje potrzebę ręcznego centrowania bez strat
Źródła niepewności pomiaru
Rys. 6 Wspornik dla sprawdzianów pierścieniowych
W niniejszym przykładzie zestawione zostały
źródła niepewności pomiaru roboczej średnicy
gwintu pierścieniowego sprawdzianu gwintów.
Wzorcowanie pierścieniowego sprawdzianu
gwintów może być podzielone na dwa procesy:
1) wzorcowanie pośrednie pierścienia ustawczego
2) skanowanie sprawdzianu
W przypadku pierścienia ustawczego 30 mm dla
celów wzorcowania pośredniego i wzorcowania
pierścieniowego sprawdzianu gwintów M30-6g, z
połączenia procesu 1 i 2 uzyskuje się co następuje:
Niepewność pomiaru roboczej średnicy gwintu
pierścieniowego sprawdzianu gwintów: 1,9 μm
Rys. 7 Wspornik dla sprawdzianów trzpieniowych
dokładności i jest skanowaniem atestowanego
pierścienia ustawczego lub trzpienia ustawczego.
Z wykorzystaniem tej procedury szacuje się, o ile
mniejsza mierzona średnica wzorcowanych
sprawdzianów jest przesunięta względem osi
konkretnego wspornika. Dokładność przywracana
jest przez dodanie tej wartości kompensacji do
mierzonych średnic. (patrz rysunek 8)
Known centre
Out of centre position
ring gauge
Field of Scanning
Click'on supports
ring gauges
on two corners
Oszacowanie to jest niepewnością opartą na
niepewności standardowej mnożonej przez
współczynnik pokrycia k = 2, i w warunkach
roboczych MasterScannera XP10025 w naszym
laboratorium.
Dla MasterScannera XP 10025 określamy: 2,5 μm
Proces 1: Wzorcowanie pośrednie pierścienia
ustawczego
1.1 Stalowy pierścień wzorcowy przedmiotu
mierzonego
Niepewność certyfikatu zmiany średnicy
pierścienia na skutek przesunięcia materiału mm
1.2 Przedmiot mierzony w środowisku pomiaru
Odchyłka temperatury otoczenia od temperatury
20°C
Różnica średnicy wskutek odchyłki
standardowej współczynnika rozszerzalności
cieplnej ppm/°C
Zmiana średnicy wskutek zmian temperatury w
stosunku do temp. otoczenia w °C
1.3 Przekazywanie informacji o standardowym
odchyleniu skanera Master Scanner
Niepewność wzorcowania stylusa sondy
równoległości
1.4 Przetwarzanie informacji
Zaokrąglenie wewnętrzne
Rys. 8. Wzorcowanie pośrednie wsparcia
wzorcowanym pierścienia ustawczego
Równoległe ustawienie osi odniesienia sprawdzianu
względem osi MasterScannera dokonywane jest
przez transformację współrzędnych. Oś odniesienia
sprawdzianu może być wyprowadzona z górnego i
dolnego zarysu.
Proces 2: Wzorcowanie roboczej średnicy gwintu
2.1 Średnica podziałowa gwintu przedmiotu
mierzonego do wzorcowania pierścieniowego
sprawdzianu do gwintów
Niepewność powierzchni styku mm
2.2 Przedmiot mierzony w środowisku pomiaru
Odchyłka temperatury otoczenia w °C
Różnica średnicy w mm wskutek odchyłki
standardowej współczynnika rozszerzalności
cieplnej ppm/°C
Różnica średnic nominalnych
Różnica średnic na skutek zmian temperatury
pierścienia °C
2.3 Przekazywanie informacji o standardowym
odchyleniu skanera Master Scanner
Błąd mimośrodowości E
Przemieszczenie skali szklanej Heidenhaina mm
Zmiana skali szklanej Heidenhaina wskutek
odchyłki standardowej współczynnika
rozszerzalności cieplnej ppm/°C
Zmiana skali szklanej Heidenhaina wskutek zmian
temperatury °C
Liniowa odchyłka skali szklanej Heidenhaina
Położenia przecięcia aktualnego profilu górnego i
dolnego zarysu powierzchni gwintu z liniami
średnicy podziałowej: Niepewność osiowego
pomiaru X
Niepewność resztkowa na skutek wzorcowania
promienia stylusa Głównego sprawdzianu
2.4 Przetwarzanie informacji
Zaokrąglenie wewnętrzne
Wnioski
Porównanie w niniejszej prezentacji metody
skanowania 2D w stosunku do metod pomiarów z
drutem i 2 kulkami wykazało wyraźnie, że metoda
skanowania 2D ma wiele zalet w stosunku do
metod konwencjonalnych.
Skanowanie 2D lepiej ocenia średnicę podziałową
gwintu i zwykłą średnicę podziałową gwintu
zgodnie z definicjami norm gwintów.
Wymagania nowych wytycznych, takie jak VDI
2618 części 4.8 i 4.9 mogą być spełnione w sposób
realny jedynie poprzez zastosowanie skanowania
2D.
Literatura
[1] EA-10/10: Wytyczne EA do określania średnicy
podziałowej gwintu, równoległych sprawdzianów
gwintowych, za pomocą sondowania
mechanicznego
[2] VDI/VDE/DGQ 2618 cześć 4.8 (marzec 2006)
Instrukcje testowania dla trzpieni ustawczych i
sprawdzianów trzpieniowych dla gwintów
walcowych.
[3] VDI/VDE/DGQ 2618 cześć 4.9 (kwiecień
2006)
Instrukcje testowania dla pierścieni ustawczych i
sprawdzianów pierścieniowych dla gwintów
walcowych
[4] DIN 2244
[5] ANSI/ASME B1.7M
[6] Gwinty metryczne - ISO 1502, 1996-12
Dostępne zakresy średnic
W chwili obecnej skanerami dwuwymiarowymi IAC
objęte są następujące średnice:
2D-Scanner
Średnica
wewnętrzna (mm)
Średnica
zewnętrzna (mm)
najmniejsza największa najmniejsza największa
MasterScanner
XP
2,5
160
1
150
MasterScanner
XPL
2,5
520
1
520