Pomiary bezstykowe – cz. II

WŁASNOŚCI I POMIARY
Pomiary bezstykowe – cz. II
DR INŻ. RADOSŁAW MOREK*
Skanowanie laserowe i pomiary przedmiotów o znacznej wielkości
oraz przedmiotów płaskich stały się tematem pierwszej części artykułu o pomiarach bezstykowych, która ukazała się w poprzednim numerze czasopisma „STAL Metale & Nowe Technologie” (nr 3-4/2012).
W drugiej części przyjrzymy się laserowemu systemowi nadążnemu,
skanowaniu laserowemu oraz skanowaniu z wykorzystaniem oświetlenia strukturalnego.
LASEROWY SYSTEM NADĄŻNY
Metodą, która ze względu na mobilność
znalazła zastosowanie w przemyśle samochodowym, lotniczym i okrętowym,
jest tzw. laserowy system nadążny (3).
Połączono w niej interferometr laserowy z pomiarami współrzędnościowymi. Wartości współrzędnych wyznaczane są poprzez śledzenie reflektora,
przeważnie w kształcie kuli. System pomiarowy wykorzystuje sferyczny układ
współrzędnych (rys. 1) i zbudowany jest
z interferometru oraz dwóch enkoderów kątowych. Interferometr dokonuje
pomiaru odległości od reflektora końcówki pomiarowej, a enkodery mierzą
odchylenia kątowe. Odległość można
mierzyć przyrostowo (inkrementalnie)
oraz absolutnie.
Praca interferometru laserowego (1, 6),
przedstawiona schematycznie (rys. 2), polega na rozdzieleniu światła w pryzmacie
(rozdzielaczu) na dwie wiązki (pomiarową i odniesienia). Źródłem światła jest
laser, co zapewnia nam światło monochromatyczne o jednej tylko częstotliwości. Wiązka pomiarowa skierowana
jest do reflektora, który może być ustalony i zamocowany na powierzchni przedmiotu poddawanego pomiarom, a wiązka
odniesienia (odbita o 90°) pada na reflektor, który jest trwale związany z rozdzielaczem wiązki świetlnej, co zapewnia jego niezmienną i znaną odległość.
W trakcie pomiarów liniowych przesuwaniu może podlegać wyłącznie jeden
element, sam reflektor lub rozdzielacz
z reflektorem. Element referencyjny jest
nieprzesuwny. System laserowy rozpoznaje względne przemieszczenie między wiązką odbitą od reflektora a wiązką
odbitą w reflektorze związanym z roz-
dzielaczem. Wiązka laserowa (2) zostaje
wyemitowana przez źródło światła w interferometrze (1). Następnie jest rozdzielana (3). Wiązka (4) odbija się w reflektorze na stałe połączonym z rozdzielaczem
(3), a wiązka (5) zostaje odbita w reflektorze, który z reguły jest ruchomy.
W przypadku wykorzystania pomiarów interferometrem laserowym należy
wiedzieć, że ważnym parametrem wpływającym na dokładność pomiaru jest
długość fali promieniowania monochromatycznego. Gęstość optyczna ośrodka,
przez który przechodzi wiązka świetl-
Rys. 1. Sferyczny układ współrzędnych
Rys. 2. Schematyczna zasada działania interferometru laserowego (1, 6)
Rys. 3. Podział optycznych metod akwizycji danych pomiarowych (3)
– 136 –
maj-czerwiec 2012 r.
na, zmienia się wraz z jego temperaturą, ciśnieniem, wilgotnością oraz składem (głównie CO2) (1). Zatem za konieczne należy uznać monitorowanie warunków środowiskowych
podczas pomiarów przeprowadzanych z wykorzystaniem interferometru laserowego. Pozwala to na zastosowanie oprogramowania korygującego wyniki pomiarów.
Producent, firma RENISHAW, dostarcza interferometryczny system pomiarowy XL-80 (7), który cechuje się zakresem
pomiarowym do 80 m, rozdzielczością 1 nm oraz dokładnością
pomiarów liniowych ±0,5 ppm. W tym przypadku dokładność pomiaru została wyrażona jako wielkość bezwymiarowa ppm (ang. part per million). Zakres pomiarowy laserowego systemu nadążnego (nawet 35 m) oraz mobilność całego
systemu powodują, że można go stosować tam, gdzie transport przedmiotu na współrzędnościową maszynę pomiarową
nie jest możliwy lub bardzo utrudniony i kosztowny. System
wymaga stałej obecności operatora. Reflektor nie może się
przemieszczać z prędkością większą niż 0,5 m/s.
Oczywiście i klasyczne współrzędnościowe maszyny pomiarowe o konstrukcji portalowej umożliwiają pomiary przedmiotów o większych gabarytach, lecz i w takich rozwiązaniach
istnieją wielkościowe ograniczenia. Największe współrzędnościowe maszyny pomiarowe o konstrukcji portalowej (5) mogą
mierzyć przedmioty o długości do 36 m (np. LAMBDA
SP firmy DEA).
Innym zastosowaniem nadążnego systemu laserowego jest
kontrola dokładności bramowych i mostowych współrzędnościowych maszyn pomiarowych (5). W idei pomiarów współrzędnościowych, jak sama nazwa wskazuje, pomiar długości nie jest jej sednem. Weryfikacja pomiaru współrzędnych
punktów mierzonej powierzchni przedmiotu wymaga odpowiednich metod i procedur.
Interferometr laserowy może być stosowany (7) także w takich obszarach, jak:
– wzorcowanie obrabiarek,
– badania zjawisk dynamicznych,
– laboratoria kalibracyjne i badawcze.
Firma RENISHAW (7), dążąc do zapewnienia jak najbardziej stabilnej wiązki świetlnej, stosuje dynamiczną kontrolę długości termicznej rury lasera z dokładnością do kilku
nanometrów. Konstrukcja i oprzyrządowanie firmy RENISHAW (7) umożliwiają przeprowadzenie pomiarów: liniowych, kąta, kąta obrotu, odchyłki płaskości, odchyłki prostoliniowości i prostopadłości.
Wspomniane powyżej metody pomiarów bezstykowych
są jedynie wybranymi metodami spośród wymienionych
(rys. 3). Jednak w zakresie ogólnie rozumianego przemysłu
metalowego są najbardziej powszechne.
reklama
WŁASNOŚCI I POMIARY
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),
Metale & Nowe Technologie
– 137 –
WŁASNOŚCI I POMIARY
– 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).
SKANOWANIE Z WYKORZYSTANIEM
OŚWIETLENIA STRUKTURALNEGO
Skanowanie polegające na oświetleniu
przedmiotu, którego kształt chcemy zdigitalizować, z jednoczesnym rzutowaniem na jego powierzchnię obrazów
rastrowych (rys. 4), to skanowanie z wykorzystaniem oświetlenia strukturalnego
(3, 12). Zniekształcony obraz rastrowy
rzutowany na mierzoną powierzchnię
jest rejestrowany (minimum przez jedną kamerę) i następnie poddany analizie.
Najczęściej wykorzystywanym wzorem
są obrazy prążkowe przesunięte w fazie
oraz kody Graya.
System wymaga kalibracji w danej przestrzeni pomiarowej. W wyniku analizy rejestracji obrazu otrzymuje
się dyskretną postać powierzchni skanowanego przedmiotu – tzw. chmurę
punktów, których współrzędne są określane w trakcie analizy. Taka postać
wymaga dalszej analizy i wykorzystania metod do budowy modelu w postaci siatki trójkątów bądź modelu powierzchniowego. Zaletą tego rodzaju
skanowania jest brak konieczności stosowania dodatkowego oprzyrządowania, a także elementów ruchomych (np.
lustro, ramiona), co minimalizuje błędy przemieszczania elementów systemu pomiarowego.
Akwizycja danych to jeden z aspektów pomiarów bezstykowych. Innym,
równie ważnym, wręcz niezbędnym,
są programy komputerowe do zarejestrowanych danych. Bez ich funkcjonowania, skuteczności, zasadno-
Rys. 4. Schemat skanowania powierzchni z użyciem projekcji obrazu rastrowego (3)
ści stosowanych algorytmów i metod
matematycznych nie byłoby możliwe
przeprowadzenie właściwych przeliczeń i analiz, choćby z uwzględnieniem
czynników środowiskowych.
PODSUMOWANIE
Należy podkreślić, że omawiana problematyka pomiarów bezstykowych nie
została tematycznie wyczerpana i pomimo pozorów nie jest zagadnieniem
łatwym. Tematyka nie jest wąska, a jakościowy postęp w dziedzinie pomiarów wielkości geometrycznych dyktuje
kierunki rozwoju również bezstykowych
systemów pomiarów wielkogabarytowych. Nowoczesne metody pomiarowe, pozwalające na efektywne weryfikowanie produkcji, a także wsparcie
systemów CAD przy projektowaniu
(inżynieria odwrotna), wydają się niezbędnymi środkami kontroli technicznej i działań projektowych. Jak w każdym obszarze inżynierii produkcji, tak
i w zakresie metrologicznym należy
stosować urządzenia pomiarowe dopasowane do profilu produkcyjnego czy
ogólnie pojmowanej działalności firmy.
Warto przy tym uwzględniać możliwości rozwojowe.

* Politechnika Warszawska,
Wydział Inżynierii Produkcji,
konsultant cadblog.pl
Piśmiennictwo
1. Jakubiec W., Malinowski J.: Metrologia
wielkości geometrycznych. WNT, 1993.
– 138 –
2. Ratajczyk E.: Współrzędnościowa technika
pomiarowa. Maszyny i roboty pomiarowe.
OWPW, 1994.
3. Kupiec M.: Optyczno-stykowa metoda pomiarów współrzędnościowych. Rozprawa doktorska, Politechnika Krakowska, 2007.
4. Materiały handlowe firmy Brüel & Kjær,
MICROTRAK™ II – firmy MTI Instruments, 2011.
5. Gawlik J., Sładek J., Ryniewicz A.,
Krawczyk M., Kupiec R.: Metrologia
współrzędnościowa w inżynierii produkcji – dokładność pomiaru a dokładność wytwarzania. „Inżynieria Maszyn”, r. 15,
z. 3, str. 7-19, 2010.
6. Honczarenko J., Kwaśniewicz J.: Nowe
systemy pomiarowe do sprawdzania dokładności obrabiarek CNC. „Mechanik”,
nr 12/2008, str. 1012-1016.
7. Laserowy system XL-80. Przenośne urządzenie laserowe do pomiarów i kalibracji. Materiały handlowe firmy RENISHAW.
8. Kulig P. (Oberon 3D): Systemy do pomiarów wielkogabarytowych Metronor. „Mechanik”, nr 7/2011, str. 592-593.
9. Ratajczyk E.: Roboty i centra pomiarowe. „Pomiary Automatyka Robotyka”,
3/2009, str. 6-13.
10.Oberon 3D: Systemy do skanowania. Cz. 3.
„Mechanik”, nr 1/2012.
11.Oberon 3D: Systemy kontroli konstrukcji wielkogabarytowych. „Mechanik”,
nr 10/2010, str. 708.
12.Rychlik M.: Skanery 3D – wrota do wirtualnego świata. „Design News”, 4(23),
2007, str. 36-40.
13.Koszczak K.: Zastosowania laserowego skanera 3D w procesach projektowych.
„Mechanik”, nr 1/2011, str. 42-44.
14.Oberon 3D: Optyczne maszyny pomiarowe InspecVison – system Planar. „Mechanik”, nr 4/2011, str. 324-325.
maj-czerwiec 2012 r.