Координатно-измерительные машины

Координатно-измерительные машины представляют собой программируемые измерительные устройства, способные определять пространственные координаты точек на поверхности объектов с высокой точностью. Эти машины используют трехкоординатный метод измерения и находят широкое применение в машиностроении, автомобилестроении, аэрокосмической промышленности и других отраслях, где требуется прецизионный контроль геометрических параметров деталей.

Что представляют собой координатно-измерительные машины

Координатно-измерительная машина представляет собой программируемое измерительное устройство, способное определять пространственные координаты точек на поверхности измеряемого объекта. Машина оснащена подвижной измерительной головкой с датчиком, которая перемещается по трем взаимно перпендикулярным осям координат. В процессе работы КИМ считывает координаты множества точек, после чего специализированное программное обеспечение обрабатывает полученные данные и определяет геометрию детали.

«Координатно-измерительная машина (КИМ) является наиболее представительным координатным измерительным прибором в современной промышленности». Появление КИМ знаменует собой переход в измерительной технологии от традиционных ручных измерений к автоматизированным, цифровым измерениям, обеспечивая мощную техническую поддержку для контроля качества, оптимизации процесса и проверки продукции в промышленном производстве. Машины могут управляться вручную оператором или автоматизировано компьютером, что обеспечивает гибкость применения в различных производственных условиях.

Координатно-измерительные приборы используют чрезвычайно чувствительные электронные зонды для измерения ряда дискретных точек в геометрии твердой детали. Целью этих измерений является проверка того, что деталь соответствует требованиям. Традиционная КИМ имеет три ортогональные оси X, Y и Z, которые образуют прямоугольную систему координат, где каждая ось оснащена прецизионной измерительной шкалой, фиксирующей текущее положение подвижных элементов машины с высокой точностью.

Принцип работы координатного метода измерения

Принцип работы координатно-измерительной машины основан на последовательном определении координат точек на поверхности измеряемого объекта. КИМ определяет положение двигающегося датчика и фиксирует его в трех измерениях по осям X, Y, Z, в отдельных случаях возможен учет наклона датчика. Вся измеряемая поверхность представляется как бесчисленное множество точек, координаты которых последовательно фиксируются измерительной системой.

Процесс измерения начинается с установки детали на рабочий стол машины, который обычно изготавливается из гранита. Гранит обеспечивает высокую стабильность размеров при изменении температуры и эффективно гасит вибрации. После закрепления детали оператор или управляющая программа задает точки, координаты которых необходимо измерить. Измерительная головка последовательно касается этих точек датчиком, и система фиксирует трехмерные координаты каждой из них.

Собранный массив координатных данных передается в программное обеспечение КИМ, которое анализирует информацию и рассчитывает геометрические параметры детали. Программа способна определять:

• размеры отверстий различных типов;
• расстояния между конструктивными элементами;
• углы наклона поверхностей относительно базовых плоскостей;
• отклонения формы от номинальных значений;
• параметры резьбовых соединений;
• профили сложных поверхностей;
• геометрические допуски расположения элементов.

Результаты измерений выводятся в виде протоколов с указанием допустимых отклонений и фактических значений параметров. Формат вывода результатов измерений зависит от поставленных задач и интеграции с другим оборудованием. КИМ находят приложение при измерении углов и сдвигов, нахождении параметров профиля, часто для повышения точности получаемых данных проводят серию измерений.

Конструктивные особенности координатно-измерительных машин

Механическая структура координатно-измерительной машины состоит из трех взаимно перпендикулярных осей X, Y, Z, каждая из которых оснащена воздушными или механическими подшипниками для осуществления осевого перемещения. Воздушные подшипники обеспечивают плавное движение без трения и износа, что критически важно для поддержания высокой точности измерений на протяжении всего срока эксплуатации оборудования. Базовая конструкция включает гранитный стол для размещения измеряемых деталей, портал или мост с подвижной измерительной головкой и систему направляющих высокой точности.

Зондовая система обычно состоит из зонда и контактного датчика для получения координат точки измерения. Приводное устройство реализует функцию моторизованного и программно-управляемого сервопривода, состоящего из гайки, роликового колеса, стальной проволоки, зубчатого ремня, реечной передачи. Система управления отвечает за управление прибором и обработку данных, включая компьютеры и программное обеспечение.

Конструктивные элементы КИМ включают:

• гранитное основание для стабильности и виброизоляции;
• прецизионные направляющие с воздушными подшипниками;
• измерительные шкалы высокого разрешения на каждой оси;
• портал или мост для перемещения измерительной головки;
• шпиндель с измерительным датчиком;
• систему температурной компенсации;
• контроллер движения с высокой частотой опроса;
• защитные кожухи от загрязнений и температурных воздействий.

Для достижения максимальной точности координатно-измерительные машины обладают системой виброизоляции и учетом угла наклона и смещения. Рабочий стол из гранита выбран неслучайно — этот материал обладает минимальным температурным расширением и высокой жесткостью, что обеспечивает стабильную базу для измерений. Современные КИМ способны обеспечивать «построение карт рельефа» поверхности с высоким разрешением для анализа микрогеометрии.

Классификация координатно-измерительных машин

Существуют различные типы КИМ, такие как мостового типа, портального типа, типа горизонтального рычага и портативные, которые различаются по конструкции и областям применения. Мостовые КИМ являются самым распространенным типом, известным своей высокой точностью и стабильностью. Эти машины имеют мост, который опирается на направляющие и может использоваться для измерения деталей малого и среднего размера.

Портальные КИМ представляют собой более крупные версии мостового типа и предназначены для измерения крупногабаритных изделий. Консольные машины имеют одну вертикальную стойку с выступающей горизонтальной балкой, что обеспечивает легкий доступ к измеряемой детали. Горизонтальные КИМ с горизонтальным рычагом применяются для измерения длинных деталей вроде валов и осей.

Портативные КИМ включают лазерные трекеры и манипуляторные системы, которые можно перемещать к месту измерения. Оптические КИМ используют бесконтактные методы измерения на основе лазерного сканирования или структурированного света. Шесть основных типов КИМ — мостовые, консольные, портальные, горизонтальные, портативные и оптические — обеспечивают различные преимущества для точных измерений в зависимости от специфики задач.

Тип КИМ	Конструкция	Размер деталей	Основное применение
Мостовые	стационарный портал на направляющих	малые и средние	универсальные измерения в лабораториях;
Портальные	крупный портал с большим рабочим пространством	крупногабаритные	автомобильные кузова, авиационные детали;
Консольные	вертикальная стойка с горизонтальной балкой	средние	измерения с хорошим доступом к детали;
Горизонтальные	горизонтальное расположение осей	длинные детали	валы, оси, длинномерные изделия;
Портативные	манипуляторные системы	любые	измерения на месте установки;
Оптические	бесконтактное сканирование	малые и средние	сложные поверхности, обратный инжиниринг.

Мостовые координатно-измерительные машины

Среди различных отраслей промышленности координатно-измерительные машины мостового типа являются одной из наиболее часто используемых и универсальных форм КИМ. В такой конструкции обычно имеется стационарный портал или мост, проходящий через измерительный стол, с переносным датчиком, перемещающимся по осям X, Y и Z. Конструкция спроектирована таким образом, чтобы обеспечить высокую точность и стабильность измерений благодаря симметричному распределению нагрузок и жесткой конструкции моста.

Мостовые КИМ отличаются высокой точностью позиционирования, которая обеспечивается прецизионными направляющими и измерительными системами на каждой оси. Стабильность конструкции моста минимизирует деформации под нагрузкой и температурные искажения. Эти машины широко применяются в метрологических лабораториях, на производственных участках машиностроительных предприятий и в исследовательских центрах, где требуется высокая повторяемость результатов измерений.

Преимущества мостовых КИМ:

• высокая точность измерений благодаря жесткой конструкции;
• стабильность при длительной эксплуатации;
• универсальность применения для различных типов деталей;
• возможность автоматизации процесса измерения;
• хорошая доступность рабочей зоны;
• относительно компактные габариты при достаточном рабочем объеме;
• возможность установки различных типов датчиков.

Мостовые машины подходят для измерения деталей малого и среднего размера с высокими требованиями к точности. Популярные модели включают Zeiss Prismo Fortis, Zeiss MMZ G и Zeiss Contura, которые зарекомендовали себя как надежные решения для промышленного контроля качества. Конструкция моста позволяет достичь точности измерений на уровне нескольких микрометров, что удовлетворяет требованиям большинства промышленных применений.

Портальные и консольные координатно-измерительные машины

Портальные координатно-измерительные машины представляют собой масштабированную версию мостовых КИМ, предназначенную для измерения крупногабаритных изделий. Одна сторона моста движется по рельсу на базе, а другая опирается на воздушную подушку или другим способом на базу без направляющей. Такая конструкция позволяет создавать рабочие зоны размером до нескольких метров, что необходимо для контроля автомобильных кузовов, крупных узлов авиационной техники и корпусных деталей судового оборудования.

Консольные КИМ имеют принципиально иную архитектуру с вертикальной стойкой, на которой закреплена выступающая горизонтальная балка. Такая конструкция обеспечивает отличный доступ к измеряемой детали с трех сторон, что упрощает загрузку и выгрузку изделий, особенно при работе со сложными формами. Консольные машины находят применение в производственных цехах, где требуется быстрая смена измеряемых деталей и оперативный контроль в потоке.

Портальные КИМ особенности:

• большая рабочая зона для крупногабаритных деталей;
• возможность встраивания в производственную линию;
• высокая производительность при серийных измерениях;
• устойчивость к вибрациям производственного оборудования;
• модульная конструкция для расширения возможностей;
• интеграция с робототехническими системами загрузки.

Консольные КИМ обладают хорошей доступностью рабочей зоны, компактными габаритами при достаточном измерительном объеме, быстрой загрузкой и разгрузкой измеряемых деталей, возможностью установки поворотных столов для 5-осевых измерений, экономичностью по сравнению с мостовыми машинами аналогичного класса точности. Выбор между портальной и консольной конструкцией определяется размерами контролируемых деталей, требованиями к производительности и условиями размещения оборудования.

Типы измерительных датчиков координатно-измерительных машин

Зондовая система координатно-измерительной машины является критическим элементом, определяющим возможности и точность измерений. По принципу действия контактные датчики делятся на электроконтактные, индукционные, пьезометрические и тензометрические, каждый тип имеет свои характеристики и области применения. Контактные датчики используют физическое касание измерительного щупа к поверхности детали для определения координат точки.

Электроконтактные датчики регистрируют момент контакта через замыкание электрической цепи и отличаются простотой конструкции. Индукционные датчики используют изменение индуктивности при перемещении измерительного стержня и обеспечивают высокую чувствительность. Пьезометрические датчики преобразуют механическое давление в электрический сигнал и применяются для динамических измерений. Тензометрические датчики измеряют деформацию упругого элемента и позволяют контролировать усилие касания.

Бесконтактные датчики включают:

• лазерные триангуляционные сканеры для быстрого сканирования поверхностей;
• системы структурированного света для получения трехмерных изображений;
• конфокальные хроматические датчики для измерения расстояний;
• емкостные датчики для контроля проводящих материалов;
• оптические датчики на основе камер для распознавания геометрии;
• ультразвуковые датчики для измерения толщины материалов.

«Необходимо выбрать правильный зонд, потому что каждая КИМ-машина имеет одинаковый механизм, чтобы зонд работал, он должен коснуться поверхности проверяемой детали, что оказывает большое влияние на хрупкие поверхности или мелкие детали». Мультисенсорные системы комбинируют несколько типов датчиков на одной машине, что расширяет возможности измерений и позволяет контролировать детали со сложной геометрией и различными свойствами поверхности.

Системы управления и программное обеспечение КИМ

Современные координатно-измерительные машины оснащаются развитыми системами управления, состоящими из контроллера, компьютера и специализированного программного обеспечения. Контроллер отвечает за координацию движений подвижных элементов машины и обработку сигналов от измерительных датчиков. Программное обеспечение выполняет построение траекторий перемещения измерительной головки, обработку координатных данных и формирование отчетов о результатах измерений.

Программное обеспечение PolyWorks Inspector используется с контактными и бесконтактными измерительными системами и позволяет проводить комплексный анализ геометрии деталей. Система управления обеспечивает автоматическое выполнение измерений по заданной программе, что снижает необходимость ручного вмешательства и повышает производительность. Логично перекладывать часть вычислений с КИМ на периферийные устройства для оптимизации производительности системы.

Функции программного обеспечения КИМ:

• построение измерительной программы в автоматическом или ручном режиме;
• импорт CAD-моделей для сравнения с измеренной геометрией;
• расчет геометрических элементов из облака точек;
• определение отклонений от номинальных размеров и форм;
• статистический анализ результатов измерений;
• генерация отчетов в различных форматах;
• температурная компенсация результатов измерений;
• калибровка датчиков и коррекция погрешностей машины;
• интеграция с системами управления качеством предприятия.

Одна из важных функций системы управления — температурная компенсация. Поскольку все материалы подвержены температурному расширению, изменение температуры может существенно повлиять на точность измерений. Программное обеспечение КИМ учитывает температурные коэффициенты расширения материалов детали и элементов конструкции машины, внося поправки в результаты измерений.

Развенчивание мифа о высокой стоимости владения

Распространено мнение, что координатно-измерительные машины требуют чрезмерно высоких инвестиций и их эксплуатация экономически невыгодна для предприятий среднего масштаба. На практике наиболее ценным фактором использования КИМ на предприятиях является экономическая эффективность их эксплуатации в сравнении с трудом рабочих. Автоматизация измерений позволяет сократить численность контролеров и повысить производительность контроля качества в несколько раз.

КИМ экономят время и денежные затраты благодаря своей скорости и точности. Изготовление сложных деталей на заказ становится все более распространенным, и КИМ-машины идеально подходят для измерения их размеров, сокращая производственные затраты и время. Машины стали неотъемлемой частью процесса производства деталей благодаря возможности быстрого выявления несоответствий и предотвращения брака на ранних стадиях.

Экономические преимущества КИМ:

• сокращение расходов на персонал благодаря автоматизации;
• снижение брака через оперативное выявление отклонений;
• уменьшение времени на проведение контрольных операций;
• исключение затрат на специализированные контрольные приспособления;
• возможность измерения одной машиной различных типов деталей;
• документирование результатов для прослеживаемости качества;
• снижение рисков рекламаций от потребителей.

Координатно-измерительные машины превосходят традиционные методы, повышая эффективность измерений деталей, снижая погрешности измерений и повышая производительность, а также скорость и точность измерений. Окупаемость инвестиций в КИМ обычно составляет от одного до трех лет в зависимости от интенсивности использования и сложности контролируемых изделий. Современные портативные КИМ и оптические системы предлагают доступные решения для предприятий с ограниченными бюджетами.

Преимущества координатно-измерительных машин

КИМ могут точно измерять размеры и формы продуктов, тем самым обеспечивая контроль качества в процессе производства. Благодаря использованию КИМ можно обнаружить небольшие изменения в размерах продукта, а также можно быстро выявить и решить потенциальные проблемы с качеством, чтобы обеспечить стабильность и последовательность продукта. Высокая точность КИМ обеспечивает точные и аккуратные измерения, гарантируя качество изготавливаемых компонентов.

«Координатно-измерительные машины (КИМ) находятся на вершине метрологических достижений, предлагая высокие стандарты размерного контроля и проверки компонентов относительно определенного критерия проектирования». КИМ может измерять продукты всех форм и размеров, включая сложные трехмерные объекты, обеспечивая высокоточные результаты измерений, тем самым гарантируя, что продукты соответствуют спецификациям и удовлетворяют потребности клиентов.

Ключевые преимущества КИМ:

• универсальность множества зондов и технологий для разных задач;
• высокая точность измерений на уровне микрометров;
• эффективность времени при измерении нескольких точек одновременно;
• автоматизация с возможностью программирования для выполнения измерений;
• глубокий анализ данных измерений для улучшения процесса;
• повторяемость результатов при серийных измерениях;
• документирование с формированием отчетов и протоколов;
• оперативное обнаружение несоответствий геометрических параметров.

КИМ часто комбинируются с системами автоматизации, которые могут автоматизировать производственный процесс, что не только повышает производительность, но и снижает человеческие ошибки и промахи. КИМ, оснащенные лазерным сканированием и тактильными зондирующими системами, легко отображают яркие пространственные данные. Самокалибрующееся программное обеспечение для картирования ошибок повышает точность и сохранение в производственных условиях, когда происходят колебания температуры, влажности и вибрации.

Недостатки и ограничения координатно-измерительных машин

Хотя КИМ являются мощными инструментами измерения, у них есть некоторые ограничения, которые необходимо учитывать при выборе оборудования. Эксплуатация и программирование КИМ требуют специальных знаний и обучения, что создает барьер для внедрения на предприятиях без квалифицированных специалистов. Размер измеряемого объекта ограничен физическими размерами КИМ, что требует тщательного выбора машины под конкретные типоразмеры деталей.

КИМ могут столкнуться с трудностями при измерении сложных поверхностей или труднодоступных участков, особенно внутренних полостей малого диаметра. Для контактных датчиков характерна проблема возможного влияния на хрупкие поверхности или мелкие детали при касании измерительным щупом. Бесконтактные оптические датчики чувствительны к отражающим свойствам поверхности и могут давать погрешности на блестящих или прозрачных материалах.

Ограничения координатно-измерительных машин:

• высокая первоначальная стоимость оборудования;
• необходимость специального помещения с контролируемой температурой;
• требования к квалификации операторов и программистов;
• время на подготовку измерительной программы для новых деталей;
• чувствительность к вибрациям и температурным колебаниям;
• ограничения по доступности сложных геометрических элементов;
• зависимость точности от правильной калибровки системы;
• необходимость регулярного обслуживания и поверки.

КИМ требуют стабильных условий эксплуатации для обеспечения заявленной точности измерений. Температура в помещении должна поддерживаться в диапазоне 20±2°C с минимальными градиентами, что требует установки систем климат-контроля. Вибрации от работающего оборудования могут влиять на точность, поэтому рекомендуется размещение КИМ на виброизолированных фундаментах или в отдельных метрологических помещениях, удаленных от производственных цехов.

Области промышленного применения координатно-измерительных машин

КИМ могут применяться в автомобильной, авиационной, машиностроительной, электронной, медицинской и других отраслях, где стандарты качества и точности играют важную роль. В автомобилестроении КИМ используются для контроля геометрии кузовов, двигателей и трансмиссий. В аэрокосмической отрасли проводится измерение турбинных лопаток, корпусов и деталей двигателей, где отклонения в доли миллиметра критичны для безопасности.

Примером использования КИМ может быть получение параметров цилиндрического блока двигателя автомобиля. Определение сопряжения поршней с цилиндром и камерой сгорания происходит благодаря проектированию цилиндра на поверхность головки. Устройства могут сканировать участки, куда сложно проникнуть человеку, обеспечивая контроль внутренних каналов и полостей.

Отраслевое применение КИМ:

• машиностроение для контроля деталей станков, редукторов, корпусов;
• автомобилестроение при производстве двигателей, трансмиссий, элементов подвески;
• авиакосмическая промышленность для турбинных лопаток, элементов планера;
• медицинская техника при изготовлении имплантатов, протезов, хирургических инструментов;
• электроника для контроля печатных плат, корпусов, разъемов;
• энергетическое машиностроение для турбинного оборудования;
• производство штампов и пресс-форм для контроля рабочих поверхностей;
• судостроение для контроля крупногабаритных секций и узлов.

КИМ могут найти применение при необходимости оперативного обнаружения несоответствий геометрических параметров изделия требованиям нормативной документации. Ожидается, что мировой рынок автомобильных КИМ будет расширяться с годовым темпом прироста 6,5% до 2030 года из-за растущих тенденций в автоматизации, а также спроса на точные компоненты. Для отраслей с более широкими метрологическими требованиями используют передовые решения, такие как портативные КИМ, лазерные трекеры и оптические сканеры.

Критерии выбора координатно-измерительной машины

При выборе координатно-измерительной машины необходимо определить размеры и массу измеряемых деталей, что определит требуемый рабочий объем и тип конструкции КИМ. Требуемая точность измерений зависит от допусков контролируемых деталей и должна быть как минимум в три-пять раз выше для обеспечения достоверности результатов. Тип производства — единичное, серийное или массовое — определяет необходимость автоматизации и производительности системы.

Характеристики контролируемых изделий влияют на выбор типа датчиков — контактных для жестких деталей с четкими геометрическими элементами или бесконтактных для мягких, хрупких или сложнопрофильных поверхностей. Условия размещения оборудования включают наличие помещения с контролируемой температурой, защиту от вибраций и достаточное пространство для установки и обслуживания. Квалификация персонала и возможность обучения операторов определяют сложность системы управления и уровень автоматизации.

Факторы выбора КИМ:

• рабочий объем измерений соответствующий габаритам деталей;
• точность и повторяемость измерений для конкретных допусков;
• типы датчиков контактные, бесконтактные или мультисенсорные;
• степень автоматизации ручное, CNC или полностью автоматическое управление;
• программное обеспечение с необходимыми функциями анализа;
• совместимость с CAD-системами для импорта моделей;
• требования к помещению температура, вибрации, площадь;
• стоимость владения включая обслуживание, калибровку, расходные материалы;
• техническая поддержка и обучение от производителя;
• возможность модернизации и расширения функциональности.

Бюджет проекта должен учитывать не только стоимость самой машины, но и затраты на подготовку помещения, обучение персонала, программное обеспечение и расходные материалы. Перспективы развития производства влияют на выбор масштабируемого решения, которое можно расширять по мере роста объемов и усложнения номенклатуры. Репутация производителя и наличие сервисной поддержки в регионе обеспечивают минимальное время простоев и долгосрочную эксплуатацию оборудования.

Параметр выбора	Малые детали	Средние детали	Крупногабаритные
Тип КИМ	мостовая, консольная	мостовая	портальная;
Рабочий объем	до 500×500×400 мм	1000×1000×800 мм	более 2000 мм;
Точность	2-5 мкм	3-8 мкм	10-20 мкм;
Датчики	контактные, оптические	мультисенсорные	лазерные трекеры;
Автоматизация	ручное, CNC	CNC, автоматическое	автоматическое;
Стоимость	средняя	высокая	очень высокая.

Список источников

Гапшис В.-А.А., Каспарайтис А.Ю., Модестов М.Б. Координатные измерительные машины и их применение. Машиностроение, 1988;

Колчин К.В. Математические задачи координатно-измерительных машин. ИНФРА-М, 2020;

Шаламов В.Г. Мультисенсорная координатно-измерительная технология. Издательство УРАН, 2019.