Pomiary bezstykowe – cz. I

WŁASNOŚCI I POMIARY
Pomiary bezstykowe – cz. I
DR INŻ. RADOSŁAW MOREK*
Człowiek poprzez wzrok odbiera ze swojego otoczenia około 80%
wszystkich informacji, do interpretacji których zaangażowane jest
aż 10% kory mózgowej. Doskonaląc się każdego dnia, możemy wyłącznie optycznie szacować odległości, błędy położenia. Zatem, czy
bezstykowe pomiary należy traktować jako coś niezwykłego?
Przez wiele wieków w kontekście technologicznym królowały i nadal dominują
stykowe metody pomiarowe, które cechują się wysoką dokładnością. Ich wadą jest
jednak sama podstawa funkcjonalna, czyli konieczność styku elementu przyrządu
pomiarowego (np. końcówki pomiarowej
sondy na współrzędnościowych maszynach pomiarowych) z powierzchniami
wykorzystywanymi w danym pomiarze.
Nie zawsze jest to realne. Mogą też wystąpić znaczące utrudnienia – niektóre
materiały, konstrukcje przedmiotów (elementy cienkościenne, tworzywa sztuczne,
otwory o małych średnicach, krawędzie
i naroża o małych promieniach zaokrągleń) – wpływające na błąd pomiarowy.
Wysoka dokładność pomiarowa wymaga
czasu. W przypadku karoserii samochodu
i wykorzystania współrzędnościowej maszyny pomiarowej (3) czas pomiaru odgrywa znaczącą rolę. Przyjmując, że na je-
den punkt potrzeba co najmniej sekundy,
to czas pomiaru całej karoserii jest niejednokrotnie nie do przyjęcia przez producenta. Pomiary bezstykowe umożliwiają
zdecydowanie szybszą pracę.
Niekorzystną cechą pomiarów bezstykowych jest ich mniejsza dokładność
w porównaniu z pomiarami stykowymi.
Rozwój mikro- i nanotechnologii wymaga opracowania coraz bardziej skutecznych metod pomiarowych (5). Pomiary stykowe – ze względu na bardzo
małe gabaryty – również niejednokrotnie nie są możliwe do przeprowadzenia,
choć nadal stanowią główną metodę pomiarową w zakresie mikro- i nanotechnologii. Stąd wynika potrzeba rozwoju bezstykowych metod pomiarowych
w tej dziedzinie.
Rozwój pomiarów bezstykowych, który nastąpił w ostatnich 20 latach, związany jest z rozwojem w zakresie optoelek-
Rys. 1. Podział optycznych metod akwizycji danych pomiarowych (3)
troniki, w której nośnikiem informacji jest
światło (3). Nie bez znaczenia jest postęp
w układach mikroprocesorowych, przekładający się na wzrost mocy obliczeniowej. Pomiar bezstykowy bazuje na zjawisku rozproszenia światła lub jego odbicia
od powierzchni przedmiotu. Sama klasyfikacja metod (rys. 1) (3) wskazuje
na wagę problematyki. Na rys. 1 dodatkowo oznakowano metodę najbardziej
rozpowszechnioną w zakresie bezstykowych pomiarów wielkości geometrycznych.
SKANOWANIE LASEROWE
Triangulacja laserowa, czyli skanowanie laserowe, swoje matematyczne fundamenty ma w XVII wieku. Laser stanowi źródło światła, które przechodząc
przez układ optyczny, pada na powierzchnię mierzonego przedmiotu. Powstający na powierzchni obraz świetlnej wiązki (punkt, linia) jest rejestrowany przez
kamerę CCD, która jest zlokalizowana
w znanej odległości od lasera. Zmiana
odległości między źródłem światła (laserem) a powierzchnią przedmiotu wpływa
na kąt, pod jakim obserwowana jest plamka świetlna na tej powierzchni (rys. 2). Wg
rys. 2 dioda laserowa (1) emituje wiązkę
świetlną, której odwzorowanie w postaci plamki na przedmiocie badanym (4)
jest odczytywane przez jeden z układów
optycznych (3) jako rzut na optoelektroniczny układ (2). Znając wzajemne położenie między źródłem wiązki laserowej
a detektorem CMOS – odległość nominalną od przedmiotu badanego – można dokonać obliczeń zmian odległości.
Rys. 2. Zasada działania triangulacji laserowej (3, 4)
– 48 –
marzec-kwiecień 2012 r.
WŁASNOŚCI I POMIARY
Przykładowo rozwiązanie Microtrak II
firmy MTI Instruments: w zależności
od modelu (4) odległość między głowicą
laserową a powierzchnią przedmiotu badanego waha się od 25 do 300 mm, przy czym
są to wartości nominalne, cechujące się tolerancją odpowiednio od ±1 do ±100 mm.
Rozdzielczość mieści się odpowiednio
w przedziale od ±0,12 do ±20 μm. Wielkość plamki na powierzchni przedmiotu
podawana jest dla nominalnej odległości
głowicy od przedmiotu i mieści się w zakresie od 20 do 130 μm. Jest to metoda
bardzo precyzyjna. Największą dokładność uzyskuje się wówczas, kiedy świetlna wiązka rzutowana jest wzdłuż normalnej do powierzchni mierzonej. Kąt
między wiązką świetlną a normalną do powierzchni wpływa na dokładność pomiaru (wzrost odchyłki).
Metoda ta ma także pewne ograniczenia. Należy unikać tzw. efektu cienia,
kiedy to oś kamery CCD do odczytu
środka plamki świetlnej na powierzchni
mierzonej zostaje zasłonięta przez przeszkodę (kształt mierzonego przedmiotu). Zjawisko to występuje najczęściej
w przypadku znacznego oddalenia kamery CCD od lasera. Barwa, chropowatość powierzchni, na której rzutowana jest świetlna wiązka, mają wpływ
na jej ukształtowanie i odbicie, co z kolei
wpływa na rozpoznanie środka plamki (np. granice różnych barw na powierzchni, krawędź przedmiotu).
Przykłady aplikacji przemysłowych:
– pomiar profili powierzchni (profilometry),
– weryfikacja poprawności zamknięcia
konserw w przemyśle spożywczym,
– kontrola grubości arkuszy blach,
– kontrola produkcji układów elektronicznych.
Metoda punktowego skanowania laserowego jest powszechnie stosowana
w głowicach laserowych współrzędnościowych maszyn oraz robotów pomiarowych.
POMIARY PRZEDMIOTÓW O ZNACZNEJ
WIELKOŚCI
Przykładem systemu do pomiaru przedmiotów wielkogabarytowych jest system METRONOR, dystrybuowany
w Polsce przez firmę OBERON 3D (8).
System z założenia przeznaczony jest
do pomiarów w różnych lokalizacjach i został opracowany jako mobilny. W jego skład wchodzą: przenośny
komputer, oprzyrządowanie, w tym różnej wielkości tzw. pióra świetlne, jedna
kamera lub układ dwóch kamer. Pióro
świetlne pełni funkcję bezprzewodowej
głowicy pomiarowej, dzięki czemu możliwy jest pomiar przedmiotów wielkogabarytowych. Stąd też wypływa zastosowanie systemu: przemysł samochodowy,
lotniczy, transportu kolejowego, odlewniczy, szkutniczy, energetyczny (siłownie wiatrowe). Nie jest to jednak system
całkowicie bezstykowy. Ta cecha ma zastosowanie wyłącznie w określaniu położenia pióra świetlnego, które ma wbudowane diody świetlne. Właśnie detekcja
położenia przestrzennego wspomnianych diod pozwala na ostateczne okre-
ślenie współrzędnych położenia końcówki głowicy pomiarowej. System
może być wyposażony w jedną kamerę (SOLO) lub dwie kamery (DUO),
co przekłada się także na dokładność
pomiarów. Deklarowana dokładność
dochodzi do 0,02 mm w zakresie pomiarowym do 30 m w przypadku wersji DUO. W przypadku opcji SOLO
dokładność wynosi 0,053 mm.
Interesującym rozwiązaniem konstrukcyjnym są tzw. ramiona pomiarowe, m.in.
CimCore firmy Hexagon Metrology, których dystrybutorem na rynku polskim jest
firma OBERON 3D (10, 11). Ramiona
CimCore (fot. 1 i 2, s. 50) są wyposażone
w bezstykową głowicę skanującą. Ramiona CimCore są 6- lub 7-osiowe (10, 11).
Dostępne opcje konfiguracyjne pozwalają
użytkownikowi na zbudowanie stanowiska do skanowania z jednoczesnym zachowaniem zalet ramion pomiarowych.
Plusami tego systemu są:
– mobilność,
– pomiar stykowy i bezstykowy,
– większe możliwości w zakresie warunków środowiskowych pomiarów niż
w przypadku typowych współrzędnościowych maszyn pomiarowych.
Ramiona CimCore mają zakresy pomiarowe od 1,5 m do 4,5 m. Ich deklarowana niepewność pomiarowa, według
przestrzennego testu dokładności, kształtuje się odpowiednio na poziomie ±0,050
i ±0,068 mm oraz ±0,023 i ±0,082 mm.
Przy gabarytach przekraczających zakres pomiarowy ramienia można stosować system przenoszenia ramienia
reklama
Metale & Nowe Technologie
– 49 –
WŁASNOŚCI I POMIARY
Fot. 1. Ogólne ujęcie ramienia CimCore
pomiarowego Leap Frog bez utraty powiązania z wyznaczonym układem baz
pomiarowych.
W prostej linii skojarzeń pojawiają się
także roboty pomiarowe, które, podobnie jak typowe współrzędnościowe maszyny pomiarowe, mogą być wyposażone
w bezstykowe głowice pomiarowe. Jednak przeznaczenie robotów pomiarowych
jest odmienne (9). Stosowane są w halach produkcyjnych w procesach technologicznych w trakcie produkcji. Robotom
pomiarowym stawiane są następujące wymagania (9): prędkość pomiaru zwiększona do 0,5 m/s i przyspieszenia nawet
do 4 m/s2; podwyższona odporność
na wpływy warunków środowiska, w jakich odbywają się pomiary (np. zakres
temperatur, wahania termiczne, drgania,
zanieczyszczenia, czynniki agresywne
wymagające dodatkowych osłon, nadciśnienia w kabinie); elastyczność, która
znajduje swoje zastosowanie we wdrożeniu, począwszy od linii montażowej,
po stanowisko pomiarowe przy stanowisku obróbkowym; możliwość zastosowania w monitorowaniu procesów
produkcyjnych (np. obrabiarka CNC
ze sprzężeniem zwrotnym pozwalającym na wprowadzanie na bieżąco korekt
w programie obróbkowym na podstawie
pomiarów wykonanych przez robota pomiarowego).
POMIARY PRZEDMIOTÓW PŁASKICH
Fot. 2. Głowica stykowa umożliwiająca jednocześnie bezstykowe skanowanie powierzchni
przedmiotu
Fot. 3. System Planar (OBERON 3D)
Pomiar takich przedmiotów płaskich,
jak np. wykrawanych strumieniowo, laserowo, wytłaczanych z materiałów typu
guma, metale, tworzywa sztuczne, drewno, korek czy karton, może być realizowany poprzez zastosowanie systemu Planar
z użyciem optycznych maszyn pomiarowych InspecVison (OBERON 3D)
(14) – fot. 3.
Pomiar polega głównie na analizie
obrazu zarejestrowanego z dużą rozdzielczością. Dodatkowo pobierane
są dane z głowic laserowych, które skanują powierzchnię górną przedmiotu
i określają jego grubość. System (fot. 3)
składa się ze stołu świetlnego, kamery wysokiej rozdzielczości i laserowego
urządzenia pomiarowego. Kamera wysokiej rozdzielczości oraz dwie głowice
laserowe są zamontowane w kolumnie,
która posiada wibroizolację. Kamera zamknięta jest dodatkowo w pyłoszczelnej obudowie. System może być zlokali-
– 50 –
zowany w hali produkcyjnej. W ramach
systemu Planar można stosować sztywną ręczną głowicę pomiarową. Na jej
uchwycie są umieszczone specjalne znaki, których położenie jest rejestrowane
przez system poprzez kamerę wysokiej
rozdzielczości. Jest to metoda zbliżona
do stosowanej w systemie METRONOR. Dokładność systemu Planar waha
się, w zależności od zakresu pomiarowego, od 0,012 mm dla małych zakresów (1700 mm) do 0,05 mm dla dużych modeli (2200 mm) – specyfikacja
dla 80% powierzchni stołu. Na obrzeżach stołu wartości wynoszą odpowiednio: od 0,025 mm dla zakresu 1700 mm
do 0,1 mm dla zakresu 2200 mm. Największy model, o zakresie 3600 mm,
to dokładności 0,1 mm na stole
i 0,2 mm na jego obrzeżach.
SKANOWANIE LINIOWE
Odwzorowanie odwrotne, bazujące
na tzw. inżynierii odwrotnej, jest dziedziną, w której pomiary bezstykowe z wykorzystaniem światła jako nośnika informacji znajdują powszechne i szerokie
zastosowanie. W zakresie bezstykowych
skanerów 3D wyróżniamy (3, 12):
– skanery laserowe,
– metody wizyjne (metoda z oświetleniem strukturalnym, metoda mory
projekcyjnej),
– tomografię NMR,
– skanery mikrofalowe, radarowe.
Skanowanie liniowe (3) z użyciem lasera jako źródła światła polega na zastosowaniu obrotowego pryzmatu, który
nadaje wiązce światła kształt linii i umożliwia jej przesuw po ograniczonym obszarze, co znacząco skraca czas potrzebny
na przeprowadzenie pomiarów. Technikę
tę stosuje się nie tylko w inżynierii produkcji, ale także w grafice i animacji komputerowej, medycynie, archeologii oraz
w pracy konserwatorskiej przy zabytkach. Jednym z przykładów zastosowań
w produkcji jest skanowanie powierzchni w celu opracowania projektu elektrody na potrzeby obróbki typu EDM (ang.
Electrical Discharge Machining) (13). 
* Politechnika Warszawska,
Wydział Inżynierii Produkcji,
konsultant cadblog.pl
Piśmiennictwo zostanie opublikowane
w drugiej części artykułu.
marzec-kwiecień 2012 r.