Îndrumar de laborator pentru disciplina
SISTEME COMPUTERIZATE DE MĂSURARE
ș.l. dr. Ing. Virgil Gabriel Teodor
1
Mașina de măsurat în coordonate MH3D Specificații tehnice: Repetabilitate................................................0,003 mm; (Repetabilit (Repetabilitatea atea reprezinta precizia măsurării în condiții condiții de repetabilitate repetabilitate adică în ccondițiile ccondițiile de respectare a acelorași proceduri de măsurare, același operator, același sistem de măsurare același loc și obiecte similare în interval scurt de timp) Exactitate volumetrica..................................0,003+4*L/1000 mm; Exactitate liniara...........................................0,003+3*L/1000 mm; Rezoluție.......................................................0,00001 Rezoluție.......................................................0,00001 mm; Viteza de măsurare........................................760 măsurare........................................760 mm/sec; Gabaritul pieselor măsurate..........................460x510x420 mm; Temperatura de calibrare..............................20ºC ±1°C; Temperatura de lucru....................................13-35°C; Presiunea aerului...........................................4,8-8,3 aerului...........................................4,8-8,3 bar; Consumul de aer...........................................21 l/min @ 4 bar; Tensiunea de alimentare................................220 alimentare................................220 V, V, 50 Hz. Masa de lucru este din granit, având inserate locașuri filetate M10 pentru fixarea pieselor măsurate. Este strict interzis sa se depășească un moment de strângere a șuruburilor de 20,5 Nm deoarece este posibila smulgerea locașurilor din masa mașinii. Masa mașinii de măsurat se curăță prin ștergere cu o cârpă moale umezita cu alcool tehnic. În cazul în care suprafata mesei va fi folosita ca etalon pentru calibrarea sistemului de referință trebuie sa se acorde o atenție deosebita curățării acestei suprafețe. Ghidajele mașinii de măsurat în coordonate sunt executate din aluminiu acoperit electrochimic. Este foarte important ca ghidajele sa fie menținute curate și sa fie protejate de lovituri, mai ales în etapa de așezare și îndepărtare a pieselor care urmează urmează a fi măsurate. Pe ghidajele mașinii de măsurat se găsesc amplasate riglele de măsurare a deplasărilor. Este foarte important sa se evite atingerea acestor rigle cu mana sau cu orice orice obiect, în caz contrar fiind posibila posibila defectarea lor. Cadrul mașinii de măsurat se deplasează pe ghidaje, fiind susținut pe lagăre pneumatice. Exista 3 comutatoare care permit blocarea deplasării cadrului pe fiecare dintre cele trei axe. Blocarea se face prin reducerea alimentarii cu aer a lagărelor corespunzătoare axelor respective.
Direcțiile și sensurile axelor sistemului de coordonate sunt prezentate în figură.
Pregătirea mașinii pentru măsurare
Poziția de zero a mașinii este în coltul stânga-fata-sus. Înainte de executarea oricărei măsurători mașina trebuie adusa în poziție de zero și respectiva poziție trebuie înregistrata prin soft. În acest mod mașina are o poziție de referința fata de care își poate calcula toate deplasările. Pentru a se aduce mașina în poziția de zero se deblochează deplasările pe cele trei axe, se deplasează ușor coloana în sus pana la capătul de sus al axei, se deplasează cadrul în poziția stânga față
2
și se blochează mișcarea pe cele trei axe. După aceasta etapa de apasă tasta “Done” de pe afișajul grafic sau de pe panoul de control. Se șterge cu o cârpă moale umezita cu alcool tehnic sfera de calibrare și se fixează pe masa mașinii. Fixarea se face prin strângerea ferma a șurubului de fixare avându-se grija sa nu se depășească momentul de strângere admis. Poziția de fixare a sferei de calibrare trebuie aleasa astfel încât sa nu incomodeze operațiile de măsurare. Se demontează capul de măsurare având grija sa nu fie lovit sau îndoit palpatorul. Coloana de măsurare se aduce în contact cu sfera de calibrare astfel încât alezajul din coloana sa fie centrat pe sfera. Se apasă tasta “Done” de pe afișajul grafic sau de pe panoul de control. Se alege tipul de palpator. Tipul de palpator utilizat este TTP (Touch Triger Probe). Se fixează capul de măsurare cu palpatorul ales și se realizează calibrarea palpatorului prin atingerea a minim 8 puncte de pe suprafața sferei de calibrare. După atingerea punctelor se apasă tasta “Done”. Pe display-ul mașinii vor fi afișate erorile de forma și de diametru ale palpatorului. Eroarea de forma trebuie sa fie sub 10 mm, iar eroare de diametru sub 5 mm.
Elemente măsurate și construite Marea majoritate a pieselor sunt construite cu elemente geometrice simple obținute prin așchiere sau turnate. Aceste elemente (punct, dreaptă, cerc, plan, cilindru, con, sferă) sunt numite elemente
primare. Atunci când un MMC măsoară aceste elemente direct, palpând suprafețele elementelor, aceste elemente se numesc elemente măsurate. Alte elemente cum ar fi distanțele, simetriile, intersecțiile, unghiurile și proiecțiile, nu pot fi măsurate direct, dar trebuie să fie construite matematic pe baza elementelor măsurate pentru a putea determina valorile lor. Ele sunt numite elemente construite. Pe figura „cercul construit” este construit plecând de la centrele celor 4 găuri măsurate.
Elemente construite
Relațiile între un element sau grup de elemente și un alt element sau grup de elemente sunt cruciale pentru fabricație. De exemplu, punctul de intersecție între cilindrii dintr-o parte a blocului motor și cei din alta parte determină dacă acesta poate fi montat. Acest punct de intersecție este construit plecând de la două elemente măsurate (cilindrii motorului).
3
Construirea unui element 1. Se măsoară elementele necesare pentru construcția elementului, 2. Se selectează tasta de construcție dorita plecând de la MENIUL DE CONSTRUCTIE.
3. Se utilizează săgeata sus/jos pentru a selecta elementele utilizate pentru construcție și se apasă tasta SELECTARE.
4. După selectarea tuturor elementelor necesare se apasă tasta VALIDARE.
Construirea unei linii Permite construirea unei linii care trece prin centrele unor elemente determinate anterior. Pentru un element dat, sistemul construiește o linie astfel:
Tip element Punct Cerc Cilindru Con Sfera
Descriere Folosește coordonatele XYZ ale punctului considerat Folosește coordonatele XYZ ale centrului cercului considerat Folosește coordonatele XYZ ale centrului cercului de intersecție dintre cilindru și planul de referință Folosește coordonatele XYZ ale vârfului conului Folosește coordonatele XYZ ale centrului sferei
4
Dacă toate elementele selectate au fost proiectate pe același plan de referință, este creată în acest plan, o linie 2D. Dacă elementele selectate nu au fost proiectate pe același plan de referință, trebuie selectat un plan de referință sau se transformă linia într-o linie 3D.
Construirea unui cerc Permite construcția unui cerc care trece prin centrele elementelor măsurate anterior. Pentru un element dat sistemul construiește un cerc astfel:
Tip element Punct Cerc Cilindru
Descriere Folosește coordonatele XYZ ale punctului considerat Folosește coordonatele XYZ ale centrului cercului considerat Folosește coordonatele XYZ ale centrului cercului de intersecție dintre cilindru și planul de referință Con Folosește coordonatele XYZ ale vârfului conului Sfera Folosește coordonatele XYZ ale centrului sferei Pentru a construi un cerc, se folosește procedura de la pagina precedentă. Dacă elementele selectate nu sunt proiectate în același plan de referință, trebuie selectat un plan de referință.
Construcția unui plan Permite construcția unui plan care trece prin centrele elementelor măsurate anterior.
Construcția unui punct de simetrie Permite construirea punctului mediu dintre două elemente măsurate.
Tip element Punct Cerc Sfera
Descriere Folosește coordonatele XYZ ale punctului considerat Folosește coordonatele XYZ ale centrului cercului considerat Folosește coordonatele XYZ ale centrului sferei
5
Construcția unei axe de simetrie Permite construcția unei axe de simetrie care trece prin centrele elementelor selectate, măsurate anterior.
Tip element Linie Cilindru Con
Descriere Folosește coordonatele XYZ ale mijlocului linei considerate Folosește coordonatele XYZ ale centrului cercului de intersecție dintre cilindru și planul de referință Folosește coordonatele XYZ ale vârfului conului
Construcția unui plan de simetrie Permite construcția unui plan de simetrie care trece prin centrele elementelor selectate, măsurate anterior.
Tip element Linie Cilindru Con
Descriere Folosește coordonatele XYZ ale mijlocului linei considerate Folosește coordonatele XYZ ale centrului cercului de intersecție dintre cilindru și planul de referință Folosește coordonatele XYZ ale vârfului conului
Construcția unui punct de proiecție Permite construirea unui punct proiectând un punct, un cerc, o sferă pe o dreaptă, un plan, un cilindru sau un con. Trebuie selectat un element de tip punctual (punct, cerc sau sferă) și un element de tip vectorial (dreaptă, plan, cilindru sau con).
6
Construcția după alinierea de referință Permite construirea unui element prin copierea unei componente din sistemul de aliniere actual. Se poate crea un punct plecând de la origine, o dreaptă plecând de la una din axele de aliniere şi un plan plecând de la un plan de aliniere.
7
Incertitudinea de măsurare Contribuțiile fiecărui factor care induce incertitudine de măsurare trebuie exprimate în termeni similari înainte de a fi combinate. Acest lucru înseamnă că toate incertitudinile trebuie date în aceleași unități și la același nivel de încredere.
Incertitudinile standard
Exprimarea incertitudinilor la același nivel de încredere se face prin convertirea la incertitudinea standard. O incertitudine standard este o limită ce cuprinde domeniul . Incertitudinea standard indică nu numai împrăștierea valorilor ci și incertitudinea mediei acestora. De obicei incertitudinea standard se notează cu u sau u(y) (incertitudinea standard în y).
Calculul incertitudinii standard pentru evaluările de tip A
Atunci când se face o serie de citiri, pot fi calculate, media valorilor, x̄ , și deviația standard . Din aceste valori se poate determina incertitudinea standard, utilizând formula: u=
s
√
.
n
În formula (1) n reprezintă numărul de citiri. Incertitudinea standard a mediei se mai numește și deviația standard a mediei sau eroarea standard a mediei.
Calculul incertitudinii standard pentru evaluările de tip B
Când informațiile sunt insuficiente (în unele evaluări de tip B), poate fi imposibil să se estimeze limitele inferioară și superioară a incertitudinii. În acest caz se presupune admite o distribuție uniformă a valorii medii, în domeniul considerat. Incertitudinea standard pentru o distribuție uniformă este: u=
a
√ 3
.
În formulă a este jumătatea lățimii între limita inferioară și cea superioară. Distribuția uniformă (rectangulară) este destul de frecventă, dar dacă aveți motive să considerați că într-un caz concret se aplică altă distribuție, calculul va trebui făcut pe baza acelei distribuții.
Convertirea incertitudinilor dintr-o unitate de măsură în alta
Contribuțiile incertitudinilor trebuie exprimate în aceeași unitate de măsură înainte de a fi combinate. De exemplu, la măsurarea unei lungimi, toate incertitudinile trebuie exprimate ca lungimi. O sursă de incertitudine poate fi variația temperaturii în camera în care se face măsurarea. Deși sursa incertitudinii este temperatura, efectul ei este exprimat în unități de lungime. Să presupunem că materialul se dilată cu 0.1% din lungime la creșterea cu 1 grad a temperaturii. În acest caz, o incertitudine de temperatură de 2 C va da o incertitudine de 0.2 cm la măsurarea unei piese cu lungimea de 100 cm. După ce incertitudinile standard au fost exprimate în unități coerente pot fi combinate folosind una dintre următoarele tehnici.
Combinarea incertitudinilor standard
Incertitudinile standard individuale calculate prin evaluări de tip A sau B pot fi combinate prin „însumarea pătratelor”. Rezultatul este denumit incertitudinea standard combinată , și se notează cu uC sau uC (y).
8
Însumarea pătratelor este simplu de utilizat acolo unde rezultatul măsurătorii este influențat prin adunarea sau scăderea efectelor diferiților factori. Există cazuri mai complicate în care efectele sunt obținute prin înmulțire sau împărțire sau eventual prin alte funcții.
Cazul influenței prin adunare sau scădere
Să analizăm cazul lungimii totale a unui gard obținut din mai multe panouri. Dacă incertitudinea standard a lungimii fiecărui panou este a, b, c etc., atunci incertitudinea standard combinată pentru întregul gard va fi dată de: u = √ a + b + c + ... 2
2
2
C
Însumarea pătratelor pentru înmulțire sau împărțire
Dacă, de exemplu, se dorește determinarea ariei unui covor dreptunghiular, având incertitudinile dimensionale u(L) pentru lungimea L și respectiv u(l) pentru lățimea l, incertitudinea relativă a lungimii este u(L)/L și respectiv u(l)/l pentru lățime. Incertitudinea relativă a ariei este: u ( A ) u ( L) u (l) = ( ) +( ) A
√
2
L
2
l
Însumarea pătratelor pentru funcții complexe Dacă valoarea este ridicată la pătrat: Dacă valoarea este radical:
u ( Z ) 2Z
2u ( Z )
Incertitudinea relativă:
P
;
.
Exemplu pentru puterea electrică: P = u ( P)
Z
V 2 R 2
2u ( V ) = ÷ V
. 2
u ( R) − ÷ . R
Corelația
Ecuațiile precedente sunt corecte numai dacă incertitudinile standard considerate sunt independente sau corelate.
Factorul de acoperire k
Având componente scalate ale incertitudinii, la găsirea incertitudinii standard combinate trebuie să re-scalăm rezultatul. Incertitudinea standard combinată poate fi privită ca echivalentul „deviației standard unu”, dar de obicei dorim exprimarea incertitudinii standard la alt nivel de încredere, de exemplu 95%. Această re-scalare poate fi realizată utilizând factorul de acoperire. Înmulțind incertitudinea standard combinată, uC , cu factorul de acoperire, se obține incertitudinea extinsă , notată de obicei cu U . U = uC ×k . O anumită valoare a factorului de acoperire dă o anumită valoare a nivelului de incertitudine extins. Câteva dintre valorile factorului de acoperire: k=1 pentru un nivel de încredere de 68%; k=2 pentru un nivel de încredere de 95%; k=2.58 pentru un nivel de încredere de 99%; k=3 pentru un nivel de încredere de 99.7%;
9
Când sunt trase concluziile asupra rezultatelor măsurătorilor nu trebuie uitat să se specifice incertitudinea măsurătorii. Acest lucru este deosebit de important atunci când măsurările sunt realizate cu scopul de a verifica îndeplinirea prescripțiilor tehnice. Uneori rezultatul poate fi evident în interiorul sau exteriorul valorilor prescrise, dar incertitudinea poate depăși aceste limite. În figură se prezintă patru situații care pot apărea.
În cazul a) atât rezultatele cât și incertitudinea cad în interiorul limitelor specificate. Acest caz poate fi considerat ca respectând în mod sigur prescripțiile. În cazurile b) valoarea este în interiorul limitelor dar incertitudinea depășește aceste limite. Nu se poate trage o concluzie clară. Cazul c) este similar cazului b) cu deosebirea că de această dată și valoarea este în afara limitelor prescrise. Nici aici nu se poate trage o concluzie clară. În cazul d) nici valoarea și nici incertitudinile nu se încadrează în limite. Acest caz nu respectă prescripțiile.
Cum se pot reduce incertitudinile de măsurare Trebuie avut permanent în vedere că este importantă minimizarea incertitudinilor și cuantificarea lor. Există câteva recomandări care pot ajuta la reducerea incertitudinilor măsurărilor în general. Acestea sunt: - Calibrarea instrumentelor de măsură și utilizarea corecțiilor de calibrare date de certificate. - Efectuarea corecțiilor pentru compensarea oricărei erori cunoscute. - Trasabilitatea măsurătorilor prin utilizarea calibrărilor care pot fi urmărite printr-un lanț continuu de măsurători. - Alegerea celor mai bune instrumente de măsură și utilizarea calibrărilor cu cele mai mici incertitudini. - Verificarea măsurătorilor prin repetarea lor (eventual de către altă persoană) sau prin alte moduri de verificare. - Verificarea calculelor și a corectitudinii copierii numerelor. - Utilizarea unui desfășurător al incertitudinilor pentru identificarea acestora. - Păstrarea în vedere a faptului că într-un lanț succesiv de calibrări, incertitudinea crește la fiecare pas al acestui lanț.
10
Acțiuni generale pentru îmbunătățirea măsurătorilor Respectarea instrucțiunilor fabricantului cu privire la întreținerea instrumentelor de măsură. Utilizarea unei echipe experimentate și instruirea acesteia pe mașinile pe care se vor face măsurătorile. Verificarea și validarea programelor de măsurare pentru a asigura corectitudinea acestora. Utilizarea rotunjirilor corecte în calcule. Păstrarea înregistrărilor măsurătorilor și calculelor.
Exemplu Să analizăm măsurarea unui șnur.
Pasul 1. Stabilim ce dorim să obținem din măsurătoare. Stabilim ce măsurători trebuie realizate și ce calcule făcute pentru a obține rezultatul final. Trebuie măsurată lungimea utilizând o ruletă. În afară de lungimea efectivă trebuie să avem în vedere: Posibilele erori ale ruletei: - sunt necesare corecții sau calibrarea a arătat că citirile sunt corecte? Care este incertitudinea calibrării? - este banda ruletei predispusă la întindere? - cât s-a modificat lungimea de când a fost făcută calibrarea? - care este rezoluția benzii? Posibilele erori datorate elementului măsurat: - este șnurul drept? Este întins prea mult sau prea puțin? - temperatura, umiditatea sau alți factori au influență asupra lungimii șnurului? - capătul șnurului este bine definit sau nu? Posibilele erori datorate procesului de măsurare: - cât de bine se poate alinia capătul șnurului cu capătul ruletei? - poate ruleta fi așezată paralel cu șnurul? - cât de repetabilă este măsurătoarea? Pasul 2. Efectuarea măsurătorilor. Se fac măsurătorile și se înregistrează rezultatele. Presupunem că am făcut 10 măsurări, aliniind de fiecare dată ruleta cu șnurul. Să admitem că am obținut o valoare medie de 5.017 m și o deviație standard de 0.0021 m. Pasul 3. Estimarea contribuției incertitudinii fiecărei mărimi de intrare. Să admitem că banda ruletei a fost calibrată și nu necesită corecții, dar incertitudinea calibrării este de 0.1% din lungimea citită, la un factor de acoperire k=2. În acest caz, 0.1% din 5.017 m este 5 mm. Împărțind la 2 se obține u=2.5 mm. Diviziunile benzii sunt în milimetri. Citirea diviziunii celei mai apropiate dă o eroare de maxim 0.5 mm. Vom considera această incertitudine uniform distribuită. Calculăm incertitudinea standard cu a 0.5 a 0.5 formula u = = = 0.3 mm. u= = =0.3 3 3 √ 3 √ 3 Banda ruletei este dreaptă dar, inevitabil, șnurul are câteva cute. Să admitem că acest lucru se va traduce printr-o subestimare a lungimii de 0.2% din valoare. Deci va trebui să corectăm rezultatul adăugând 0.2% adică 10 mm. Această incertitudine este uniform distribuită deci valoarea standard va fi u=5.8 mm. În acest moment se poate afirma că toate incertitudinile de tip B sunt estimate.
11
Estimarea incertitudinilor de tip A. Deviația standard ne arată cât de repetabilă este amplasarea benzii de măsurare și cât de mult contribuie această incertitudine la valoarea medie. Deviația medie standard estimată pentru cele 10 s
√ n
=
2.1
=0.7 mm. √ ( 10 ) Să presupunem că nu sunt alte incertitudini care să fie luate în considerare.
citiri este găsită utilizând formula:
Pasul 4. Se stabilește dacă mărimile de intrare sunt independente unele față de altele. Presupunem că toate mărimile respectă această condiție. Pasul 5. Se calculează rezultatul măsurătorii. Rezultatul se obține din media citirilor, la care se adaugă corecția datorată îndoiturilor șnurului, 5.017 m + 0.010 m = 5.027 m. Pasul 6. Se calculează incertitudinea standard combinată, luând în considerare toate aspectele individuale. 2 2 2 2 uC = √ 2.5 + 0.3 + 5.8 + 0.7 =6.4 mm. Pasul 7. Stabilirea incertitudinii în termenii factorului de acoperire, împreună cu mărimea intervalului de incertitudine și exprimarea nivelului de încredere. Pentru un factor de acoperire k=2, se înmulțește incertitudinea standard cu 2, obținându-se o incertitudine extinsă de 12.8 mm. Aceasta dă un nivel de încredere de 95%. Pasul 8. Notarea rezultatului măsurătorii și a incertitudinii și analiza modului în care au fost obținute. Lungimea șnurului este 5.027 m ±0.013 m. Incertitudinea extinsă este bazată pe înmulțirea incertitudinii standard cu factorul de acoperire k=2, furnizând un nivel de încredere de aproximativ 95%. Lungimea obținută este media a 10 citiri a lungimii șnurului așezat orizontal, iar rezultatul este corectat prin estimarea efectului îndoiturilor șnurului. Model de analiză a incertitudinilor
Sursa incertitudinii Incertitudine de calibrare Rezoluția Abaterea de rectiliniaritate Incertitudinea standard a mediei pentru 10 citiri Incertitudinea standard combinată Incertitudinea extinsă
Valoare ±
Distribuția probabilității
Divizor
Incertitudinea standard
5 mm
Normală
2
2.5 mm
0.5 mm
Uniformă
√ 3
0.3 mm
10 mm
Uniformă
√ 3
5.8 mm
0.7 mm
Normală
1
0.7 mm
Presupusă normală
6.4 mm
Presupusă normală
12.8 mm
12
Construcția proiectoarelor de profiluri Scopul principal al unui proiector de profiluri este de a produce o imagine mărită și nedistorsionată a profilului obiectului inspectat. Pentru a se realiza acest lucru proiectorul de profiluri este compus din următoarele elemente: 1). Sursa de lumină. Este de obicei o lampă de peste 1000 W. Principalele probleme pe care le ridică sursa de lumină sunt încălzirea obiectului măsurat și asigurarea unei iluminări stabile, fără pâlpâire.
a).
b). Luminare: a). coaxială; b). oblică
În funcție de modul de luminare al obiectului se disting trei variante: - luminarea conturului. Metoda este obținută pentru a obține o imagine de tip „umbră” a conturului mărit al obiectului. Se pot identifica foarte precis punctele de pe contur, dar punctele de pe suprafața obiectului sunt invizibile. - luminare coaxială a suprafeței. Suprafața piesei este luminată de un fascicul coaxial cu axa optică principală a lentilelor, permițând inspectarea suprafeței piesei. Pentru acest tip de luminare este necesară o semi-oglindă sau un bloc de lentile cu semi-oglindă încorporată. - luminarea oblică a piesei. Suprafața piesei este luminată cu surse de lumină auxiliare, obținând o imagine cu contrast îmbunătățit, care permite observarea precisă a reliefului suprafeței piesei. 2). Lentilele de condensare. Au rolul de a refracta lumina într-un fascicul de raze paralele de intensitate cât mai uniformă pe întreaga arie a obiectului măsurat. Lentilele sunt fixate într-o carcasă specială și sunt poziționate în apropierea sursei de lumină. Din acest motiv sunt făcute din sticlă rezistentă la căldură. 3). Lentilele de proiecție. Au rolul de a mări și transmite imaginea preluată de la lentilele de condensare. Pot fi sub formă de blocuri de lentile cu diferite valori ale măririi. 4). Ecranul. Este realizat din sticlă mată pentru a furniza o imagine cât mai luminoasă și lipsită de scânteieri. Strălucirea trebuie să fie uniformă pe toată suprafața ecranului. În funcție de sistem, ecranul poate fi vertical, orizontal sau înclinat la un anumit unghi.
13
Principiul de funcționare al unui proiector de profiluri [11] În funcție de construcție și formă, proiectoarele de profiluri pot fi: - orizontale, la care axa optică principală a lentilelor este orizontală; - verticale, la care axa optică principală a lentilelor este verticală.
Imagini obținute prin proiectoarele de profiluri În funcție de construcția blocului de lentile de proiecție, imaginea obținută poate fi normală sau inversată (vezi figura 2.12).
Imaginea obținută la proiectorul de profiluri [11] În general se consideră că imaginea inversată este mai clară decât cea normală.
Mărimile caracteristice pentru un proiector de profiluri - amplificarea. Amplificarea proiectorului se calculează în funcție de dimensiunea câmpului Decran = m luminos și dimensiunea ecranului, cu formula: . Dcamp
14
- acuratețea amplificării. Se stabilește proiectând imaginea unui obiect de referință (etalon) și ( L − l ×M ) comparând mărimea imaginii de pe ecran cu mărimea estimată: ∆ M = ×100 [ % ] . l ×M ∆ M este precizia amplificării, exprimată ca procent al amplificării nominale a lentilelor; L — mărimea imaginii proiectate pe ecran; l — mărimea obiectului etalon; M — amplificarea lentilelor de proiecție. Trebuie precizat faptul că precizia amplificării nu este același lucru cu precizia de măsurare. - distanța de lucru. Reprezintă distanța de la suprafața lentilelor de proiecție la suprafața obiectului (vezi figura 2.14).
Distanța de lucru a proiectorului de profiluri [11] Primele construcții de proiectoare de profil necesitau din partea operatorului poziționarea manuală a unui colimator reticular pe punctul care se dorea măsurat și apoi marcarea acestui punct prin acționarea unei taste de pe pupitrul de comandă al dispozitivului de măsurat. Proiectoarele mai moderne permit selectarea punctului măsurat în două variante. Prima este cea clasică, prezentată anterior. O a doua variantă utilizează un detector optic, având rolul de a sesiza trecerea de la o zonă luminată la o zonă umbrită. Acest mod de culegere a punctelor o precizie și o acuratețe ridicată și diminuează factorul subiectiv, indus de operator, al măsurătorilor. Punctul identificat poate fi selectat automat sau poate necesita validare din partea operatorului, în funcție de setările dispozitivului.
Proiectorul orizontal de profiluri Starrett Optical și sistemul de control Quadra-Chek 200 Sistemul QC-200 echipează proiectorul orizontal de profiluri Starrett Optical și are rolul de a permite selectarea și afișarea elementelor măsurate cu ajutorul acestuia. În esență sistemul de control QC-200 permite recunoașterea a 3 tipuri de elemente geometrice: punct; linie și cerc (arc de cerc). Între aceste elemente sistemul poate determina relații de tip unghi sai distanță. Punctul, linia și cercul sunt denumite entități (features), iar unghiul și distanța sunt denumite relații (relationships).
15
Tastele programabile comandă funcții specifice pentru operațiile de măsurare. În funcție de activitatea curentă, opțiunile activate de tastele programabile sunt afișate în partea de jos a ecranului LCD. Tastele rapide sunt dispuse în partea superioară a sistemului de comandă. În mod implicit tasta stângă produce efect similar apăsării tastei Enter iar tasta dreaptă efect similar tastei Finish. Pentru a se economisi timp este posibilă reprogramarea tastelor rapide astfel încât să comande efectuarea unor operații specifice.
Alegerea modurilor de afișare și măsurare Pentru selectarea unităților de măsură, a sistemelor de referință și a coordonatelor folosite se utilizează tastele de selecție a modurilor, situate deasupra tastaturii numerice.
Tasta inch/mm are rolul de a alterna unitățile de măsură utilizate, făcând posibilă folosirea sistemului european sau anglo-saxon. La fiecare apăsare a tastei unitățile alese se modifică și sunt afișate pe prima linie a ecranului de afișare.
Tasta sistem de referință (datum) permite alegerea unuia dintre cele două sisteme de referință care pot fi utilizate. Sistemul de referință 1 este sistemul de referință permanent iar sistemul 2 este sistemul de referință temporar și este util pentru realizarea măsurărilor incrementale. Numărul sistemului de referință utilizat este afișat pe primul rând al ecranului, imediat în dreapta unităților de măsură.
16
Tasta polar/cartezian servește pentru alegerea utilizării coordonatelor polare sau a coordonatelor carteziene.
Selectare cu ajutorul firelor reticulare. Simbolul apare în colțul dreapta sus al ecranului de afișare. Pentru selectarea unui punct se fixează intersecția firelor reticulare pe punctul dorit și se apasă tasta Enter. În cazul în care se dorește utilizarea detectorului optic pentru selectarea punctului se apasă tasta programabilă corespunzătoare opțiunii Probe. Simbolul anterior prezentat se modifică într-unul din simbolurile sau . În prima variantă selectarea punctului se face automat la trecerea de la lumină la umbră iar în a doua variantă sesizarea trecerii este semnalată sonor, dar pentru selectarea punctului trebuie apăsată tasta Enter. Selectarea numărului de puncte necesar pentru recunoașterea unei entități se face apăsând la începutul măsurării tasta de aducere la zero a unghiurilor. Numărul de puncte necesar este afișat în partea stângă a ecranului.
Alinierea axelor sistemului de referință Pentru realizarea unei măsurători precise este necesar ca reperul măsurat să fie aliniat cu axele sistemului de referință. O aliniere imperfectă va introduce întotdeauna inexactități de măsurare. Pentru a se realiza alinierea se folosește tasta de selectare Înclinare (skew).
17
Se apasă tasta Enter. Se selectează un încă două puncte pe linia care se dorește a forma axa OX (în cazul în care se
Se apasă tasta Finish. Sistemul de comandă a memorat corecția de înclinare și toate liniile paralele cu axa OX vor fi considerate orizontale. Apăsând tasta programabilă View (vedere) se poate obține o reprezentare grafică a axei definite.
Construirea unui sistem de referință Pentru construirea sistemului de referință vom folosi ca axa linia măsurată la etapa anterioară. Sistemul fiind 2D necesită acum doar definirea originii sale. Originea va fi construită intersectând axa OX măsurată cu o linie perpendiculară pe ea. Se selectează entitatea Linie.
18
Se apasă tasta Enter după selectarea fiecărui punct.
Rezultatul obținut este prezentat în figura de mai sus.
Pentru că urmează să construim punctul respectiv și nu să-l selectăm, se apasă tasta programabilă
Utilizând tastele săgeți se selectează linia 2, așa cum este prezentată în imaginea de mai jos.
jos.
După apăsarea tastei Enter, în dreptul entității 2 apare un semn de verificare, ca în figura de mai
19
Procedând similar se marchează entitatea 1 și se apasă tasta Finish. Se construiește entitatea punct 3 și ecranul se modifică în mod corespunzător.
Apăsând tastele de aducere la zero a axelor X și Y noul punct este declarat ca origine a
20
Imaginea ecranului este prezentată în figurile de mai sus.
Programarea sistemului QC 200 Capacitatea de programare a sistemului QC 200 permite automatizarea ciclurilor de inspecție repetitive. Programele sunt secvențe de inspecție înregistrate de utilizator și stocate în memoria sistemului. Utilizarea programelor economisește timpul prin reducerea numărului de taste apăsate. De exemplu, măsurarea unui cerc necesită apăsarea a minim cinci taste (cerc -> enter la fiecare punct -> finish). Un program pentru aceeași măsurătoare necesită doar trei taste. Pentru un lot de 100 elemente inspectate, programul economisește apăsarea a 200 de taste. Mai mult, utilizarea unui program asigură urmarea cu strictețe a pașilor algoritmului de măsurare ceea ce îmbunătățește precizia măsurătorii și nivelul de încredere al acesteia. În program poate fi inclusă orice măsurătoare sau funcție de pe panoul sistemului. Funcția de programare se comportă ca o bandă de înregistrare. Pentru începerea înregistrării se apasă tasta RECORD. După această comandă, apăsarea oricărei taste este înregistrată de program. Ulterior, programul poate fi rulat oricând, de către orice operator, spre a simplifica automatizarea și procesul de inspecție. Dacă la rularea unui program ecranul este setat pe modul grafic, el va indica punctul ce trebuie ales pentru măsurare. Modul indicare arată grafic entitatea necesară și afișează o săgeată indicând punctul următor cerut de către program. IMPORTANT: Săgeata oferă doar o informație orientativă. Punctul trebuie selectat in mod clasic, la intersecția firelor reticulare sau prin utilizarea detectorului optic. Un program înregistrat poate fi editat pentru a i se adăuga sau elimina pași. Înainte de a înregistra programul este recomandabil să fie planificat algoritmul de măsurare. Reperul trebuie analizat pentru a fi identificate măsurătorile necesare și a fi determinate punctele cerute de fiecare entitate. Ordinea de măsurare trebuie aleasă astfel încât să poată fi utilizate funcțiile AutoRepeat și MeasureMagic. Diferența între un program de dimensiuni mici și unui de mari dimensiuni constă doar în numărul de pași. Programul de mari dimensiuni nu este în mod necesar mai complicat decât cel de mici dimensiuni. Exemplu de program: - Se șterg toate elementele existente din lista entităților. - Se stabilește alinierea reperului. - Se aduc axele la zero. - Se măsoară o linie. - Se măsoară un arc. - Se tolerează cercul. Pentru rularea programului, după ce acesta a fost înregistrat se apasă tasta RUN. Semnul + indică poziția curentă a firului reticular. Programul poate fi editat pentru a schimba, insera, sau șterge pași din el.
Proprietățile programului - Se utilizează sistemul de referință al mașinii: DA dacă SR se schimbă în timpul rulării programului; NU dacă SR a fost înregistrat înainte. - Ștergerea entităților. - Pauză în funcție de rezultatul toleranței:
21
NEVER dacă programul continuă chiar dacă entitatea are abaterile în afara câmpului de toleranță. IF FAILS IF PASS ALWAYS - Tipărirea rezultatelor toleranțelor: NEVER IF FAIL IF PASS ALWAYS
Editarea programului Pasul setări
- Targeting view ON/OFF. - Sistemul de referință (DATUM) 1 sau 2. - Modul de selectare (PROBE). - Tipul de coordonate (MODE). Orice opțiune poate fi schimbată cu tasta EDIT.
Inserarea unui pas nou
Pasul inserat va utiliza același sistem de referință ca și pasul anterior din program. Pasul va fi inserat după pasul selectat din program. În programul editat se apasă tasta RECORD. Se execută operația respectivă. Se apasă secvența MENU -> PROG -> End Rec.
Ștergerea unui pas
Se editează programul, se selectează pasul și se apasă tasta CANCEL.
Aparate de măsurare video Sunt aparate de măsură bazate pe camere CCD de mare rezoluție. În componenta lor, pe lângă camera video intră blocuri de lentile de mărire, scale lineare de precizie pentru măsurarea deplasărilor, sistemul de deplasare al mesei dispozitivului și sistemul de calcul. Acest tip de aparate poate realiza atât măsurări plane cât și tridimensionale, fiind utilizate pentru măsurări industriale de precizie precum: componente electronice; calibre de precizie; componente auto de mici dimensiuni, repere executate din materiale moi etc. Sunt instrumente de laborator fiind întâlnite în departamentele pentru asigurarea calității, în laboratoarele facultăților și ale institutelor de cercetare. Spre deosebire de instrumentele prezentate anterior (mașini de măsurat în coordonate și proiectoare de profil), aceste instrumente necesită un calculator de tip PC, prin care se realizează afișarea imaginii obținute de camera video digitală.
22
1 — Scală liniară axa Z ; 2 — Sistem de ghidare pe axa Z ; 3 — Coloană; 4 — Cap de măsurare cu palpator; 5 — Lampă iluminare suprafață; 6 — Sistem de ghidare pe axa X ; 7 — Scală liniară axa Y ; 8 — Mânere de transport;
9 — Suport de sprijin; 10 — Baza instrumentului; 11 — Panou de operare; 12 — Sistem de ghidare pe axa Y ; 13 — Masă de lucru mobilă; 14 — Scală liniară axa X ; 15 — Lentile de mărire; 16 — Cameră color CCD.
Sistemul video de măsurare este compus din trei părți principale: Corp principal. Include: baza instrumentului (10); coloana (3); sistemul de deplasare pe axa Z (2); suportul de deplasare pe axele X și Y (13); sistemul de ghidaje (6) și (12). Sistemul video, care include: lentilele de mărire (15), cu o mărire între 30X și 230X; camera digitală de înaltă rezoluție, protejată de carcasa (16); monitorul color pe care se afişază imaginea obținută. Sistemul digital de măsurare compus din: axa X (14), Y (7) și Z (1), scalele liniare care produc semnalul electric de deplasare prin mi șcarea geometrică a suportului; placa de achizi ție semnal care asigură interfața cu calculatorul. Principiul de măsurare este următorul: Piesa de măsurare este luminată de una dintre lămpile cu LED-uri (5) sau (6), în funcție de modul de luminare dorit (lumina de suprafață sau de contur). Camera video digitală cu senzori CCD preia imaginea prin intermediul lentilelor de mărire și o transmite la calculator. Criteriul de referință al măsurătorii este reticulul afișat de softul de măsurare pe ecranul monitorului. La deplasarea suportului (13), se generează un semnal electric analogic, fiind afi șată valoarea deplasării pe axele X și Y . Această valoare a deplasării este măsurată cu ajutorul scalelor liniare (7) și (14). În continuare, softul de măsurare procesează datele ob ținute pentru a genera rezultatele de ieșire.
Sistemul Sinowon 3D are trei moduri de măsurare: - pe suprafață; - pe profil; - pe înălțime. 23
În plus, varianta constructivă a ma șinii de măsurat, aflată în dotarea laboratorului de măsurători din cadrul departamentului de Construcții de Mașini, Robotică și Sudare, dispune de un cap de măsurare Renishaw cu declanșare la contact, ceea ce îi permite mașinii să func ționeze ca o ma șină de măsurat în coordonate.
24
Măsurarea pe aparate de măsură video Aşa cum am menționat, mașinile de măsurat care utilizează camere digitale trebuie să fie conectate la un sistem de calcul de tip PC. Practic mașina asigură doar preluarea imaginii piesei și deplasarea precisă a acesteia, în timp ce software-ul instalat pe calculator realizează afi șarea imaginii, preluarea datelor și interpretarea acestora. Pregătirea măsurătorii presupune pe lângă pregătirea mașinii propriu-zise și lansarea în execuție a softului de măsurare. După acest etape se focalizează imaginea prin deplasarea pe verticală a camerei digitale și stabilirea tipului și nivelului de iluminare. La variantele moderne de sisteme de măsurarea video deplasarea mesei mașinii și deplasarea pe direc ție verticală a camerei se poate face automat. În acest caz și focalizarea imaginii este de asemenea automată, eliminând interven ția operatorului și asigurând o calitate optimă a imaginii obținute. După stabilirea unităților de măsură în care se va face măsurarea și stabilirea modului de afișare a coordonatelor (coordonate carteziene sau polare) urmează stabilirea sistemului de referință al piesei. Această operație este similară cu cea executată la măsurarea pe ma șini de măsurat în coordonate, presupunând alinierea celor trei axe ale sistemelor de referin ță piesă și ma șină precum și corelarea originilor sistemelor menționate. În cazul mașinilor cu deplasare automată este posibil ca procesul de măsurare să urmeze un program prestabilit de către operator. În cazul măsurătorilor plane este important ca nivelul de mărire al imaginii să asigure vizualizarea întregii zone de interes a piesei deoarece odată cu ie șirea din zona de afi șare a imaginii informația referitoare la punctele respective se pierde. În general sistemele de măsurare video, la măsurarea bidimensională pot recunoaște următoarele tipuri de elemente geometrice: punct, linie, arc, cerc, distantă și unghi. În cazul în care sistemul respectiv are și posibilitatea de a măsura deplasarea pe axa OZ se pot realiza măsurători tridimensionale similare cu cele efectuate pe o mașină de măsurat în coordonate, caz în care elementele recunoscute sunt: punct, linie, arc, cerc, unghi, distantă (cu variantele distantă între 25
suprafețe exterioare, între suprafețe interioare și între suprafețe cu aceeași orientare), cilindru (cu varianta alezaj sau arbore), plan, unghi diedru, sferă, con. Toate rezultatele măsurărilor pot fi exportate într-un format de largă circulaț ie precum: Excel, txt, doc etc.
Exemple de măsurare Pregătirea a). Se pornește softul QuickMeasuring. b). Se pornește aparatul de măsură. c). Se setează mărirea CCD la cea mai mică valoare. Scopul este de a ușura operarea și de a obține un câmp vizual cât mai larg. d). Se setează iluminarea de contur la o luminozitate de 10-25%. Se ajustează înălțimea pe axa Z până se obține o focalizare optimă. Crearea sistemului de coordonate 1). Se stabilește o linie în partea de jos a zonei urmând pașii de mai jos: a). Se apasă butonul Linie din zona tastelor de funcții și apoi butonul Instrument linie:
b). Alegeți două puncte pe muchia de jos a piesei de măsurat. Softul QuickMeasuring va afișa o zonă de explorare în fereastra de captare a imaginii. Zona de explorare se poate ajusta utilizând marcajele de redimensionare și linia de margine. După terminarea selectării, punctului de explorare va apărea un chenar verde, iar linia 1 va apărea în lista unităților de măsurare.
2). În mod similar se construiește linia 2 de-a lungul marginii stângi a piesei de măsurat.
3). Se creează intersecția celor două linii. a). Se apasă tasta funcțională Point și tasta de structuri funcționale Intersection.
26
b). Se selectează pe rând linia 1 și linia 2 în fereastra de măsurare grafică. Se creează punctul 3 la intersecția celor două linii. 4). Se apasă tasta funcțională Sistem de coordonate , iar lista unităților de măsurare va apărea Sistem de coordonate 4. Se apasă tasta funcțională Originea sistemului de coordonate și apoi în fereastra de măsurare grafică se selectează punctul 3. 5). Se apasă tasta funcțională de calibrare a axelor și se selectează linia 1.
Adăugarea programului unităților de măsurare 1). Se mută suportul de lucru pentru a fi vizibil un cerc de pe blocul șablon. Se apasă tasta funcțională Cerc și tasta Instrument cerc . 2). Se aleg trei puncte pe marginea cercului. În fereastra video se trasează un contur circular de culoare verde reprezentând aria de testare. Poziția și dimensiunea acestuia se pot schimba prin modificarea punctelor de control. În lista unităților de măsurare va apare noua entitate.
3). Se mută suportul de lucru astfel încât în fereastra video să apară un arc de cerc. Se apasă tasta funcțională Arc și tasta Instrument arc. 4). Se selectează trei puncte pe marginea arcului și în lista unităților de măsurare va apărea noul arc.
27
Bibliografie 1. ***, Conceptul şi tehnica de reverse engineering , Univesitatea Tehnică Cluj-Napoca, Facultatea de Construcţii de Maşini, Curs de maşini şi sisteme de producţie; 2. Vinesh, R, Fernandes, K, Reverse Engineering, an industrial perspective , Ed. Springer-Verlag, Londra, ISBN 978-1-84628-855-5; 3. Bell, S., A Beginer’s Guide to Uncertainity of Measurement , National Physical Laboratory, United Kingdom, ISSN 1368-6550, 2001; 4. Otto, K., Wood, K., A Reverse Engineering and Redesign Methodology for Product Evolution , Proceedings of the 1996 ASME Design Engineering Technical Conferences and Desing Theory and Methodology Conference, Irvine, California, 1996; 5. Stefan, R. R., Basic Principles of Coordinate Measuring Machines (CMM); 6. ***, http://www.aukom-ev.de/english/index.htm ; 7. ***, Manual de utilizare Reflex Scan; 8. ***, Manualul utilizatorului MH3D ; 9. ***, Manual de operare maşină de măsurare video Sinowon 3D ; 10. ***, Manual de utilizare Quickmeasuring 3.0; 11. ***, Manualul utilizatorului – Program Quadra-Chek QC 200;
28
Cuprins Mașina de măsurat în coordonate MH3D.................................................................................................2 Pregătirea mașinii pentru măsurare......................................................................................................2 Elemente măsurate și construite................................................................................................................3 Elemente construite...................................................................................................................................3 Construirea unui element..........................................................................................................................4 Construirea unei linii.................................................................................................................................4 Construirea unui cerc................................................................................................................................5 Construcția unui plan................................................................................................................................5 Construcția unui punct de simetrie............................................................................................................5 Construcția unei axe de simetrie...............................................................................................................6 Construcția unui plan de simetrie..............................................................................................................6 Construcția unui punct de proiecție...........................................................................................................6 Construcția după alinierea de referință......................................................................................................7 Incertitudinea de măsurare........................................................................................................................8 Incertitudinile standard.........................................................................................................................8 Calculul incertitudinii standard pentru evaluările de tip A...................................................................8 Calculul incertitudinii standard pentru evaluările de tip B...................................................................8 Convertirea incertitudinilor dintr-o unitate de măsură în alta..............................................................8 Combinarea incertitudinilor standard...................................................................................................8 Cazul influenței prin adunare sau scădere............................................................................................9 Însumarea pătratelor pentru înmulțire sau împărțire............................................................................9 Însumarea pătratelor pentru funcții complexe......................................................................................9 Corelația...............................................................................................................................................9 Factorul de acoperire k.........................................................................................................................9 Cum se pot reduce incertitudinile de măsurare.......................................................................................10 Acțiuni generale pentru îmbunătățirea măsurătorilor ..............................................................................11 Exemplu...................................................................................................................................................11 Estimarea incertitudinilor de tip A..........................................................................................................12 Construcția proiectoarelor de profiluri....................................................................................................13 Imagini obținute prin proiectoarele de profiluri......................................................................................14 Mărimile caracteristice pentru un proiector de profiluri.........................................................................14 Proiectorul orizontal de profiluri Starrett Optical ș i sistemul de control Quadra-Chek 200...................15 Alegerea modurilor de afișare și măsurare..............................................................................................16 Alinierea axelor sistemului de referință..................................................................................................17 Construirea unui sistem de referință........................................................................................................18 Programarea sistemului QC 200.............................................................................................................21 Proprietățile programului........................................................................................................................22 Editarea programului...............................................................................................................................22 Pasul setări...............................................................................................................................................22 Inserarea unui pas nou.............................................................................................................................22 Ștergerea unui pas...................................................................................................................................22 Aparate de măsurare video......................................................................................................................22 Măsurarea pe aparate de măsură video...................................................................................................25 Exemple de măsurare..............................................................................................................................26 Bibliografie..............................................................................................................................................28
29
