sisteme de masurare

Upload: andreeaoana45

Post on 10-Jul-2015

813 views

Category:

Documents


7 download

TRANSCRIPT

Metrologie Tridimensional

Masterand: Ciornodolea Oana-Andreea

Tehnologii i echipamente moderne de producie An I

Sisteme de msurare n industrieDezvoltarea actual n construcia de maini i instalaii industriale, care devin tot mai complexe i mai precise, presupune un control al lor ct mai exigent. Acest lucru este posibil de realizat prin metode ale tehnicii msurtorilor industriale, tehnic care are la baz aplicarea metodelor geodezice de msurare. Ca un nou i vast cmp de aciune pentru inginerii geodezi au aprut noiunile de automatizare, siguran a calitii i controlul calitii n construcii de maini i instalaii industriale. n acest domeniu, un rol important l are determinarea precis a poziiei spaiale a punctelor caracteristice de pe diverse obiecte, prin metode de msurare fr contact direct i pe ct posibil - ntr-un timp ct mai scurt. Dezvoltarea actual n construcia de maini i instalaii industriale, care devin tot mai mari, mai complexe i mai precise, presupune un control al lor ct mai exigent. Acest lucru este posibil de realizat prin metode ale Tehnicii Msurtorilor n Industrie, tehnic care are la baz aplicarea metodelor geodezice de msurare. n acest domeniu, un rol important l are determinarea precis a poziiei spaiale a obiectelor, prin metode de msurare fr contact direct i - pe ct posibil - ntr-un timp ct mai scurt. Mijlocul de msurare tradiional al constructorilor de maini (maina static de msurare a coordonatelor tridimensionale - 3D), ntlnit adeseori n literatura de specialitate sub prescurtarea de MMC (Main de Msurarea a Coordonatelor), funcioneaz numai cu respectarea unor condiii stricte. n realitate, se obine o precizie n domeniul submilimetric, ns mrimea obiectelor msurate rmne limitat la dimensiuni de civa metrii. n afar de aceasta, determinarea coordonatelor are loc prin contact direct (mecanic) al mecanismului de msurare, aa c obiectele inaccesibile, de exemplu, din diverse motive nu pot fi msurate. Dup cum este tiut, msurarea geometric a punctelor n industrie, prin utilizarea acestor mijloace de msurare statice, putea fi descris de succesiunea:

nlocuirea acestor limite a devenit posibil prin dezvoltarea noilor senzori optici, care realizeaz tastarea optic (n locul tastrii mecanice - tactile) a obiectului msurat. Concurenii de marc ai mainii statice de msurare a coordonatelor au venit din domeniul Geodeziei i ei sunt Sistemele de Msurare n Industrie care utilizeaz teodolite i Sistemele de Msurare Fotogrammetrice. Determinarea coordonatelor se desfoar, n cazul ambelor sisteme, dup metode specifice tehnicii msurtorilor inginereti, preluate din Geodezie. Sistemele lucreaz fr contact direct, utiliznd principiul interseciei nainte spaiale n domeniul apropiat, iar flexibilitatea proiectului de ridicare permite, n principiu, msurarea obiectelor de orice dimensiune. Numai cerinele de precizie sunt cele care limiteaz ntr-un fel dimensiunea obiectului msurat. Dac se renun la cerina msurrii fr contact direct, apare atunci o alt metod geodezic de determinare a coordonatelor spaiale, metoda polar. Apariia acestor metode din domeniul Geodeziei n tehnica msurtorilor industriale a fcut ca ordinea de desfurare a msurrii unor obiecte de dimensiuni mari sau care nu pot sau nu trebuie micate, s fie descris de succesiunea:

Toate aceste metode, avnd n general mod de lucru diferit, livreaz coordonate tridimensionale ale punctelor discrete de pe obiectele supuse msurrii. Ele sunt de aceea pure colectoare de puncte msurate. Modelul clasic pentru metoda coordonatelor rectangulare, de determinare a coordonatelor punctelor de detaliu Metoda se utilizeaz la ridicarea detaliilor topografice care se desfoar predominant de o parte i de alta a unui aliniament de referin (AB), care poate fi o latur a unei drumuiri, iar terenul este aproximativ orizontal ( 5 g ). Metoda se poate utiliza la ridicarea punctelor caracteristice ale faadelor cldirilor i a punctelor caracteristice ale reelelor tehnico-edilitare n localiti, precum i la ridicarea limitelor de parcele, a conturului lacurilor sau a malurilor rurilor, precum i n cazul ridicrilor n domeniul apropiat (hale industriale, controlul calitii produselor finite sau n general determinarea coordonatelor unor puncte caracteristice ale unor detalii de diverse forme i mrimi. Reprezentantul tradiional al acestui principiu de msurare este maina static de msurare a coordonatelor (MMC), care, dup domeniul de msurare, precizie i mod de utilizare poate fi de mai multe tipuri .

Figura 1. Exemplu de masina statica de masurat coordonate Acest instrument de msurare este utilizat, pe baza naltei precizii, la controale de calitate ale pieselor i subansamblelor. Ele sunt ns mai puin integrabile n procesul de msurare al produselor finite datorit faptului c nu sunt mobile. Principiul constructiv al unei maini de msurare a coordonatelor: 1. mecanism de antrenare pentru axa Ox; 2. sistem de citire pentru axa Ox; 3. domeniul de msurare pentru axa Ox; 4. palpator (senzor de tastare); 5. sistem de tastare (palpare) 3D; 6. sistemul de msurare pentru axa Oy; 7.,8. sistemul electrononic de conducere i control al mainii de msurare a coordonatelor; 9. panoul de comand;

Fig.2. Principiul constructiv al masinii de masurare a coordonatelor 10. masa (suprafaa) pe care se efectueaz msurtorile; 11. sistemele de sprijin i calare. n funcie de mrimea obiectelor sau a produselor finite care sunt supuse msurtorilor, respectiv controalelor de calitate, n practic se ntlnesc 3 tipuri de maini statice de msurare a coordonatelor (Figura 2.). Tipuri de maini de msurare a coordonatelor:

1. Maini de msurare n consol: - domeniul de msurare (micare) relativ mic; - obiecte msurate cu volum relativ mic; - precizii de msurare de domeniul micronilor;

Fig. 3. Masina de masurat tip consola

Fig. 4. Masina de masurat tip consola cu doua standuri de masurare 2. Maini de msurare tip portal: - mas de msurare cu pod; - obiecte msurate cu volum de mai mult de 1 3 m 3 ; - precizii de msurare de domeniul micronilor;

Fig. 5. Masina de masurat tip portal 3. Maini de msurare tip pod: - domeniul de msurare (micare) mare; - obiecte msurate cu volum relativ mare; - precizii de msurare de domeniul zecilor de microni;

SISTEME DE MSURARE N INDUSTRIE CARE UTILIZEAZ TEODOLITE. Pornind de la o precizie stabilit de determinare a punctelor n domeniul submilimetric i o raz de aciune maxim de cca. 100 m, avantajele acestor sisteme sunt variate. Pe baza flexibilitii i portabilitii, ca i pe baza faptului c metoda de msurare este fr contact direct, sistemele de msurare n industrie sunt superioare mainilor statice de msurare a coordonatelor (3D) la msurarea obiectelor cu volum mare. Exist o deosebire considerabil ntre reeaua geodezic n domeniul apropiat, rezultat din msurtori cu sisteme de msurare n industrie i reelele geodezice clasice, n care greelile mari, n cea mai mare parte, sunt descoperite dup terminarea lucrrilor de teren, n faza de postprocesare. n cazul reelelor n domeniul apropiat, unde se realizeaz o microreea n timp real, putem descoperi imediat greelile mari i le putem elimina printr-o nou vizare a punctului obiect unde s-au constatat acestea. naintea efecturii observaiilor n vederea determinrii coordonatelor tridimensionale ale unui punct, utiliznd procedeul interseciei spaiale nainte n domeniul apropiat, este necesar determinarea elementelor de orientare ale sistemului. n urma msurtorilor de calibrare, se obin sau se deduc urmtoarele elemente: - orientarea reciproc a cercurilor teodolitelor; - distana ntre cele dou teodolite, care constituie punerea n scar a sistemului de coordonate local; - diferena de nivel ntre axele secundare ale teodolitelor. Configuraia sistemului. Apariia i dezvoltarea teodolitelor electronice a fcut posibil realizarea unui sistem de msurare n automat. Avantajele teodolitelor electronice constau n viteza mare de msurare i n sigurana transmiterii datelor. Configuraia unui sistem de msurare industrial const:

Fig. 6. Configuratia Hardware a unui sistem de masurare in industrie Aprecieri generale asupra Sistemelor de Msurare n Industrie. O poziie special n Tehnica Msurtorilor n Industrie o ocup teodolitele electronice, cu baz de calcul. Acestea fac posibil deschiderea mai multor domenii de utilizare n industrie, care pn acum erau cmp de utilizare pentru teodolitele optice i rezolvarea unor probleme de msurtori a unor obiecte de diverse dimensiuni, prin mobilitatea lor. Stadiul actual de dezvoltare al automatizrii sistemelor de msurare, ct i tempo-ul ridicat al evoluiei acestui domeniu au condus la dezvoltarea unor sisteme complet automatizate, de cel mai nalt nivel, fcnd posibil denumirea de sisteme de msurare n timp real. Prin timp real nelegnduse aici, posibilitatea de preluare a valorilor msurate i

transmiterea lor spre computer, ca i calculele pentru determinarea coordonatelor spaiale, n doar cteva secunde. Deosebiri eseniale ntre aceste sisteme de msurare constau n modul de realizare a orientrii, n configuraia Hard i - nu n ultimul rnd considerabile diferene n componentele Software. Video-teodolite motorizate. Dotarea teodolitelor electronice ale unui Sistem de Msurare n Industrie cu dispozitive de antrenare automat a cercului orizontal i vertical, realizarea automat a focusrii i integrarea n lunet a unui senzor de preluare digital a imaginii (senzor CCD) permite un nalt grad de automatizare n domeniul supravegherii si verificrii periodice a roboilor industriali, la determinarea formei obiectelor cu suprafee mari sau la msurtori de urmrire a obiectelor greu accesibile. La comanda i supravegherea unor asemenea teodolite automatizate este necesar o unitate central cu un microprocesor propriu, un sistem de operare i un Soft de comand. Unul din primele video-teodolite motorizate care a aprut pe piaa Sistemelor de Msurare n Industrie a fost conceput de compania KERN Elveia. Acesta este teodolitul E2 cu urmtoarele componente i faciliti: - motorizarea telecomandat a micrilor axelor; - motorizarea telecomandat a focusrii; - integrarea unei camere CCD n lunet, care permite, cu ajutorul unui Soft de prelucrare adecvat, o preluare i valorificare automat a imaginii; - posibilitatea de dirijarea aproximativ a teodolitului spre inta de vizare prin telecomand; - posibilitatea poziionrii lunetei, cnd se afl ntr-un domeniu apropiat al coordonatelor intei. Dou asemenea servo-teodolite fac posibil, n legtur cu un PC i un Software de prelucrare a imaginii, o "microtriangulare" complet automat a punctelor obiect. Ca mrci de vizare sunt utilizate mrci reflectorizante sau puncte proiectate cu un laser integrat n teodolit. Este posibil dirijarea aproximativ a teodolitului spre inta de vizare prin telecomand sau posibilitatea ca sistemul s-i poziioneze singur luneta, cnd se afl ntr-un domeniu apropiat al coordonatelor intei. n ambele cazuri, urmeaz o msurtoare automat precis, prin preluarea digital a imaginii.

Sistemul de msurare TDM 5000 - LEICAFa de sistemele clasice de msurare sau alte sisteme, sistemul TDM 5000 - LEICA prezint o cretere a acurateei msurtorii, ofer o flexibilitate n obinerea geometriei obiectelor cercetate, prezint mai multe faciliti de integrare n procesul de producie i control i o serie de alte proceduri de lucru care urmeaz a fi perfecionate n perspectiv. Fig. 7. Vedere generala a statiei totale industriale TDM 5000-Leica

O sumar prezentare a acestui sistem de msurare industrial este necesar, pentru a scoate n eviden facilitile tehnice i posibilitile multiple de utilizare n domenii variate: construcii nave, aeronautic, construcii automobile, robotic, etc. Pentru multe tipuri de msurtori de nalt precizie din domeniul tehnicii msurtorilor industriale criterii precum viteza, automatizarea, msurtori suplimentare de distane s-au impus teodolitele industriale standard ale firmei Leica TM 5000 i TDM 5000, care ofer urmtoarele faciliti: - conceptul de teodolite motorizate; - introducerea i stocarea tuturor datelor de msurare i a informaiilor referitoare la obiectele msurate; - nivele electronice de calare; - compensatoare pe 2 axe pentru corectarea poziiei axelor aparatului; - sistem de fire reticulare special conceput pentru utilizarea n msurtorile industriale; - funcii de verificare i rectificare integrate, care pot funciona n timpul msurtorilor; Fig. 8. Suportul memoriei externe ( cartela PCMCIA)

- utilizarea aparatelor n sistem Off-line i On-line: - Off-line: se utilizeaz ca suport de memorie o cartel PCMCIA; - On-line: pentru acest mod avem la dispoziie o interfa RS 232; Fig. 9. Sistemul de cuplare pentru transmiterea datelor de control al miscarilor automate a instrumentului

programe integrate pentru comunicare cu platforme Software specializate: Axyz (Leica), DCP 10, DCP 20; - pachetul Software permite realizarea funciilor de orientare a instrumentului, desfurarea msurtorilor n sistem automat (motorizat) precum i analiza rezultatelor msurtorilor; - funcii de calcul: - emiterea coordonatelor punctelor de staie i a celor vizate; - staionarea liber; - calculul distanelor ntre dou puncte msurate; - generarea unei direcii de referin foarte precise, pentru alinierea unor utilaje, sau componente ale acestora sub diverse unghiuri date; - generarea unei suprafee de referin, pentru determinarea planeitii unor piese sau subansamble; - un mod deosebit de realizare a autocolimaiei, cu ajutorul unei diode LASER (DL2), metod utilizat la alinierea diverselor componente tehnologice ca i la msurarea nclinrilor (foarte mici) ale obiectelor sau a unor pri ale unor utilaje; - funcionarea aparatelor se poate asigura de la propria tastatur, prin intermediul unui controler (de tip Huscky de exemplu) sau prin conectare direct la calculator;

- dirijarea automat (motorizat) a micrii n plan orizontal i a lunetei n plan vertical se face cu ajutorul unor motoare integrate, care asigur o precizie de poziionare a lunetei pe intele de vizare; Sistemul funcioneaz pe principiul determinrii coordonatelor 3D prin metoda coordonatelor polare iar mediul reflectorizant este constituit din prisme sau folii reflectorizante de tip Leica: Fig. 10. Prisme si folii reflectorizante ( tip Leica)

Avantajele utilizrii sistemului TDM 5000 - LEICA - acuratee dimensional mare; - sistemul de operare independent de sistemul proiect; - preluarea datelor i interpretarea lor este mult mai uoar; - cost i timp mic pentru control i remediere. Domenii de utilizare: - trasare in construcii; - asamblare; - montaj; - verificare (control) dimensional; - este creat pentru a fi folosit n condiiile efective de lucru din industrie, n aa fel nct s sprijine construcia i s mbunteasc procesele de asamblare i montaj; - sistemul poate s interfereze datele din proiect implementate n memoria unui calculator cu datele din realitate. - sistemul de msurare are capacitatea de a manipula datele i de a ntocmi statistici privind calitatea dimensional a unei construcii sau a unei pri a acesteia; - sistemul de msurare poate fi utilizat n toate etapele de construcie, inclusiv n cea de refaceri i control al calitii; - sistemul este robust, poate lucra n condiii atmosferice aspre i este demn de ncredere prin acurateea de efectuare a unei msurtori; - sistemul prezint toate facilitile de utilizare moderne dar necesit cunoaterea procedurilor de lucru ale aparatului i adoptarea celei mai favorabile pentru o msurtoare; - trasarea sau controlul dimensional foarte bine efectuat i n timp ct mai scurt duc la o scdere substanial a costului lucrrii respective;

- rezultatul msurtorilor (controlul dimensional), este un raport de msurtori ce evideniaz valorile abaterilor dimensionale gsite n urma efecturi acesteia, n comparaie cu valorile proiectate.

Sisteme Dinamice de Msurare n Industrie.Msurtori n regim dinamic Sisteme de msurare descrise pn acum au un dezavantaj decisiv pentru lucrri speciale n Tehnica Msurtorilor Industriale. Ele pot fi utilizate numai la determinarea punctelor n regim static. O tehnic de msurare flexibil, care, pe lng msurtori pure de poziie face posibil i o msurare a traiectoriei mainilor sau componentelor mecanice n micare, i gsete diverse ci de rezolvare, care nu constituie ns exclusiv domeniul Geodeziei. Asemenea sisteme ns au la baz principiul de msurare din Geodezie. Fig.11. Principiul de masurare la Laser Tracker

Ca metod alternativ la msurarea precis a distanelor cu Sistemele de Msurare Industriale, este cunoscut de mult timp metoda interferometric, cu domeniul de precizie situat n zona micronilor. Acest principiu se aplic la dispozitivele de msurare polar portabile, pentru aplicaiile n domeniul apropiat (distane pn la max. 40 50 m). Acestea sunt cunoscute sub denumirea de Laser Tracker i au ca principal component un laser interferometru care emite un fascicol ce urmrete reflectorul prin intermediul unui sistem motorizat care antreneaz o oglind rotativ. Fascicolul laser este ghidat ctre reflector prin intermediul oglinzii rotative i parte a semnalului reflectat este transmis ctre o diod de poziie (PSD). Chiar dac reflectorul este n micare, fascicolul de raze reflectat este paralel cu cel emis. Dioda de poziie (PSD) determin abaterile de la aliniament ale fascicolului i controleaz motoarele codificatorului pentru a urmri inta (aa numitul servo loop). Laser Tracker_ul combin abilitatea de restabilire aproape instantaneu a ntreruperilor razei laser i renceperea urmririi imediate a intei n micare. n acelai timp, poate msura cu nalt precizie distana absolut. Este deasemenea remarcabil capacitatea de a menine la

minim timpul de integrare (timpul necesar pentru realizarea oparaiilor matematice necesare determinrii poziiei intei) n momentul n care urmrete inta n micare. n timp, majoritatea constructorilor de instrumente au utilizat fie un dipozitiv de msurare absolut a distanelor (ADM Absolute Distance Measuring) sau un interferometru (IFM). Fiecare din aceste sisteme are caracteristici i principii proprii. Interferometrul poate determina distanele relative (modificrile de distane de la un punct la altul) cu un nivel de precizie nanometric, avnd o rat de actualizare aproape instantanee, limitat doar de viteza de micare a intei urmrite. Interferometrul este i la momentul actual sistemul cel mai precis de msuare a distanelor i reprezint de peste 30 de ani un standard n industrie, respectiv n tehnica msurtorilor. Fig. 12. Principiul de constructie la Laser Tracker

Posibilitatea de trecere de la msurarea distanelor relative la determinarea poziiei 3D a unui punct poate fi asigurat de existena unui punct de start cunoscut pentru msurarea distanei. Dispozitivul de msurare a distanelor absolute (ADM), care face posibil determinarea distanei i implicit - a poziiei 3D a unui punct, cu vitez i precizie ridicat, fapt care l recomand ca dispozitiv auxiliar extrem de util la mijloacele de msurare n regim dinamic. Companiile constructoare de astfel de mijloace de msurare combin de cele mai multe ori cele dou principii de msurare, rezultnd astfel un sistem profesional cu proprieti redundante multiple, asigurnd astfel garania obinerii unei precizii ridicate n msurarea obiectelor din spaiu. O nou alternativ la triangulaia optic a fost oferit n anii 90 de sistemul LaserTracking-Interferometer al firmei Leica (fig.13). Fig. 13. Sistemul de masurare 3D SMART 310

Sistemul SMART 310 (System for Mobile Angle and Rancing to Target) determin coordonatele 3D prin metoda polar i poate realiza msurtori dinamice, cu o frecven de 500 Hz. Diferena esenial ntre Sistemul SMART i un Sistem de msurare care utilizeaz teodolite const n posibilitatea urmririi automate a prismei reflector. Sistemul este compus din: - unitate senzor, - unitate electronic de conducere; - unitate de calcul. Fig 14. Principiul de masurare cu Laser Tracker

Unitatea senzor livreaz valorile a dou unghiuri i o diferen de distan, msurat pn la un reflector situat pe obiectul msurat. Cu aceste elemente se pot determina, prin metoda polar, coordonatele X,Y,Z, care sunt stocate n memoria calculatorului. Ca punct de nceput al distanei msurate, sistemul are prevzut un loca pentru poziionarea prismei reflector ("Home point"). n momentul n care prisma reflectoare este poziionat n "Home point", parametrul instrumental de nceput de distan este concretizat i Interferometrul se activeaz.

Dac prisma reflectoare este mutat pe obiectul msurat, fasciculul laser o urmeaz automat. Prisma se fixeaz manual pe punctele de msurare sau pe obiecte n micare (de ex.: braul unui robot industrial). Componenta Software principal a sistemului cuprinde: - msurtori statice ale punctelor; - msurtori dinamice, cu stocarea fluxului de date; - alegerea unitilor de msur i a sistemului de coordonate; - transformri de coordonate; - reluarea msurtorilor fr probleme, n cazul ntreruperii fasciculului laser; - sprijinirea msurtorilor de calibrare; - transmiteri de date la elemente periferice; - editor, care permite afiarea i prelucrarea datelor i parametrilor, ca i prezentarea grafic a rezultatelor. Sistemele de Msurare Industriale posed, n contextul dezvoltrii i modernizrii tehnologiilor contemporane, un avantaj hotrtor n comparaie cu sistemele tradiionale de msurare. Controlul permanent al calitii produselor finite i automatizarea progresiv vor fora n continuare industria i domeniul construciilor s utilizeze sisteme moderne de msurare, care vin din domeniul msurtorilor inginereti, al Tehnicii Msurtorilor Industriale. Acest lucru este impus astzi, n cele mai diverse ramuri, de standarde internaionale, care oblig firmele de profil s posede un Manual al Calitii propriu, capabil s fie pus n practic n conformitate cu cerinele acestor standarde. Sistemele de Msurare Industriale ofer astzi o multitudine de posibiliti de utilizare, n diverse ramuri ale industriei. Tehnica msurrii coordonatelor tridimensionale (3D), pornind de la cazuri simple de msurtori de deformaii, este utilizat n mod eficient n multe i diverse alte domenii. n completarea posibilitilor de utilizare a tehnicii msurtorilor inginereti, sunt de amintit principalele ramuri n care Sistemele de Msurare Industriale au un aport important, uneori decisiv, prin rapiditate i precizie: masurarea obiectelor cu volum mare in constructia de turbine, centrale nucleare si reactoare;

msurarea obiectelor cu volum mare n construcia de avioane i vapoare;

msurtori la determinarea deformaiilor, la ncercri de prob;

reglarea i rectificarea sistemelor de montaj complexe n industria constructoare de automobile; msurtori de recepie i supravegherea testrilor la instalaiidin construcia de automobile

poziionri 3D instalaii i linii tehnologice; supravegherea poziionrii instalaiilor de transport i a instalaiilor de produse finite;

urmrirea comportrii terenurilor i a construciilor; probleme specifice msurtorilor inginereti: msurtori la turnuri de rcire, urmrirea barajelor, alunecri de teren, ecluze, cuptoare rotative, etc.;

industria roboilor; - calibrarea automatizat a roboilor industriali; - poziionarea roboilor industriali; Bra de robot industrial n poziia de lucru

Bra de robot industrial n poziia de repaos