UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRASOV FACULATATEA DE INGINERIE MECANICA AUTOVEHICULUL ŞI MEDIUL
- REFERAT-
Disciplina: TEHNOLOGII NOI PENTRU FABRICAREA AUTOVEHICULELOR Tema: TEHNOLOGII PENTRU EVALUAREA DIMENSIONALĂ ŞI A CALITĂŢII CALITĂŢILOR PIESELOR AUTOVEHICULELOR
Îndrumător: Prof.dr.ing. Anghel CHIRU
Student: MÎRZEA VASILE Grupa MR562
-1-
-2-
Cuprins: I.
METODE DE CONTROL A CALITĂŢII ŞI DIMENSIUNILOR....................................... 4 1.
CONTROLUL CALITATII PRIN SCANARE 3D......................................................... 4
2.
MAŞINI OPTICE PENTRU MĂSURAT ÎN COORDONATE...................................... 7
3.
INSTRUMENTE PENTRU MĂSURAREA RUGOZITĂŢII ......................................... 9
II.
APLICAŢII .................................................................................................................. 15 1.
III.
Maşini optice pentru măsurat în coordonate ........................................................... 15 BIBLIOGRAFIE....................................................................................................... 22
-3-
I.
METODE DE CONTROL A CALITĂŢII ŞI DIMENSIUNILOR 1. CONTROLUL CALITATII PRIN SCANARE 3D Scanarea este procesul de copiere/reprezentare digitala a geometriei obiectelor
solide folosind laserul. În urma procesului de scanare tridimensională, geometria obiectului real măsurat este redată digital printr-o rețea densă de puncte denumită generic nor de puncte, format din puncte având coordonate X,Y,Z la densitate milimetrică. Informațiile de tip nor de puncte sunt post-procesate în rețele de mici poligoane. Acest tip de informații pot fi salvate în diverse formate, inclusiv CAD. Rezultatul final constă în imagini 3D fotorealiste compuse din milioane de puncte. Acest proces tridimensional oferă utilizatorului o soluție excelentă pentru reprezentarea 3D a structurilor, evaluarea deformațiilor construcțiilor cu aplicabilitate în industrie, arhitectură, patrimoniu arheologic, evaluarea dezastrelor naturale, industria petrolieră, copierea scenei accidentelor aeriene, rutiere, feroviare. Informatiile de tip " nor de puncte" sunt de regula postprocesate intr-o retea de mici poligoane ce poarta numele de mesh ( 3D mesh ). Eficienţa dovedită în ultimii ani a sistemelor optice de scanare 3D au motivat marile companii din sectorul industriei auto, şi nu numai, să îşi îndrepte atenţia către acestea. Datele masurate cu scanerele 3D optice au devenit un instrument indispensabil pentru controlul calitatii in procesele de dezvoltare si productie ale produselor moderne. In domeniul industrial este necesar un prag destul de ridicat al calitatii datelor. Specificatiile tehnice din desenele de executie impun conditii foarte inalte(abateri situate in pragul ±0.001mm ... ±0.01mm). Desi sunt multi producatori de echipamente destinate scanarii 3D in prezent,foarte putini dintre acestia reusesc sa ofere date de buna calitate ce pot fi utilizate in aplicatiile industriale. Scanerele 3D optice impreuna cu pachetele software dedicate permit: masurarea statica noncontact a oricarei forme geometrice 3D; masurarea integrala a suprafetelor; deviata fata de modelul nominal CAD; pachet complet de functii necesare inspectiei 3D;programarea planului de inspectie dupa desenul de executie; sectiuni de inspectie; inspectie completa de dimensiuni; abateri de forma si pozitie; rapoarte de masuratori complete si export de date statistice; compatibilitate cu tehnologia tactila-Touch Probe; trasabilitatea tuturor operatiilor. Eficienţa dovedită în ultimii ani a sistemelor optice de scanare 3D au motivat marile companii din sectorul industriei auto, şi nu numai, să îşi îndrepte atenţia către acestea. Datele măsurate cu scanerele 3D optice produse de GOM Germania, partener -4-
principal SPECTROMAS, au devenit un instrument indispensabil pentru controlul calităţii în procesele de dezvoltare şi producţie ale produselor moderne. Sistemele ATOS măsoară non-contact întreaga suprafaţă a obiectului generând un ,,nor de puncte" foarte dens ce înmagazinează cu acurateţe deosebită toate detaliile reperului măsurat.
Faţă de sistemele de măsurare 3D clasice, sistemele optice prezintă numeroase avantaje, precum: -
măsurarea rapidă şi completă a reperelor indiferent de formă, dimensiune sau material
-
precizie şi rezoluţie ridicată
-
auto-control
-
referenţiere dinamică
-
soluţii multiple de automatizare
-
flexibilitate şi adaptabilitate la condiţiile de lucru.
Precizia, rezoluţia şi volumul de măsură sunt complet adaptabile necesităţii aplicaţiei urmărite. Această caracteristică permite utilizarea celei mai înalte rezoluţii pentru piese de dimensiuni mici sau timp redus alocat măsurării. Sistemele sunt destinate să funcţioneze 24h/24h în condiţiile unui mediu industrial (praf, zgomot, vibraţii, etc), monitorizând constant în timpul funcţionării, parametrii de stare (calibrarea, vibraţiile în timpul măsurătorii), avertizând operatorul în caz de nereguli. Fiind sisteme portabile, acestea permit efectuarea de măsurători atât în laboratorul de măsurători, cât şi în hala de producţie, fără dificultăţi. Dezvoltarea şi implementarea tehnologiilor de scanare unice în lume ,,Blue Light”şi ,,Triple Scan” au adus, de asemenea, un plus de acurateţe măsurării, reducerea -5-
timpului de măsurare a obiectului, reducerea influenţei suprafeţelor lucioase asupra măsurătorii. Utilizand principiul de triangulatie in conexiune cu tehnica de proiectie a franjelor de lumina numita “Heterodyne Phase-Shift “ ,se obtin coordonatele 3D ale punctelor ce materializeaza suprafata obiectului cu o deosebita acuratete.
-6-
2. MAŞINI OPTICE PENTRU MĂSURAT ÎN COORDONATE Maşinile optice pentru măsurat în coordonate au în componenţă mai multe tipuri de senzori, de la sisteme optice fără palpare la sisteme de măsurare cu palpare, aici fiind inclusă o varietate de capete de scanare cu sau fără contact. Odată cu apariţia capacităţii de interschimbare a capetelor de măsurare pentru maşinile tradiţionale, a devenit posibilă înglobarea sistemelor de scanare a liniei laser, a punctului laser şi a camerelor video pe aceeaşi structură. Tipuri de senzori În multe cazuri, senzori similari sau identici sunt diponibili pe diverse platforme. Tipurile de senzori de bază întâlnite pot fi: -
Optici imagine: Un senzor, care are la bază o cameră video de înaltă rezoluţie, ce poate măsura cu ajutorul pixelilor captaţi de cameră.
-
Palpare: Un senzor cu ajutorul căruia este înregistrat un singur punct de măsurare prin palparea piesei.
-
Scanare analogică: un senzor care deplasează palpatorul de-a lungul profilului piesei de măsurat, înregistrând o densitate de puncte de măsurare ce compun forma piesei.
-
Punct laser: Un senzor non-contact care înregistrează şi transmite seturi individuale de date prin intermediul fascicului laser.
-
Linie laser: Un senzor non-contact care trasează o linie laser de-a lungul piesei, returnând puncte de măsurare multiple.
-
Lumină albă: Un senzor non-contact care foloseşte o rază de lumină albă focalizată (toate lungimile de undă) pentru a oferi o măsurare foarte precisă a unei suprafeţe fine.
Principii de funcţionare Procesul constă în abilitatea de inspectare a unui obiect, situat pe un suport din sticlă, cu ajutorul unui sistem optic, ce are în componenţă şi o cameră, în afară de lentilele suplimentare pentru mărire. Deoarece această tehnologie se bazează pe analizarea imaginilor, iluminarea pieselor inspectate este esenţială.
-7-
Figura 2.1-Principii de funcționare
Din acest motiv, sunt utilizate trei moduri de iluminare: Dispozitivul de iluminare diascopică este montat sub suportul de sticlă pe care este plasată piesa ce se doreşte a fi inspectată, permiţând vizualizarea profilului piesei; Lumina circulară pentru o vizualizare detaliată a suprafeţei superioare a piesei controlate; Lumina coaxială pentru a vizualiza interiorul unui alezaj sau pentru a măsura piese cilindrice în poziţie verticală. Este utilizat şi un indicator laser care localizează zona de măsurare de pe piesa situată în câmpul de vizualizare al camerei. Tipuri de iluminare Tehnologia iluminării utilizând LED-uri, oferă surse de lumină rece cu durabilitate mare (peste 50.000 de ore), cu un consum redus de energie. Lumina transmisă (iluminare diascopică) este produsă de un LED de culoare verde cu intensitatea luminoasă programabilă.
-8-
Lumina reflectată (iluminarea episcopică) este creată de o lentilă Fresnel constând dintr-o linie dublă de 24 de LED-uri, intesitatea acesteia putând fi, de asemenea, setată prin intermediul software-ului. Modelul Fresnel permite construcţia unor lentile cu diametre mari şi distanţe focale mici, având masa şi volumul de material reduse comparativ cu o lentilă de tip convenţional. Lentilele Fresnel sunt cu mult mai subţiri, în unele cazuri, luând o formă plată. O lentilă de acest tip poate capta mai multă lumină, propagată oblic, de la o sursă.
Figura 2.2-Tipuri de lentile 1 - Lentilă Fresnel; 2 - Lentilă convențională
3. INSTRUMENTE PENTRU MĂSURAREA RUGOZITĂŢII Instrumentele cu palpare sunt întâlnite oriunde se măsoară starea suprafeţelor: ateliere, zone de inspecţie, laboratoare de cercetare şi de control al calităţii, aşadar construcţia lor va fi analizată în detaliu.
Figura 3.1
Componentele de bază ale acestor instrumente sunt reprezentate schematic în figura 3.1. Palpatorul a fost deplasat de-a lungul suprafeţei, iar un -9-
traductor a preluat mişcările verticale, convertindu-le într-un semnal electric amplificat, ce acţionează un dispozitiv de înregistrare. Din acest semnal a fost derivată o valoare Ra a rugozităţii, afişată pe un aparat de măsură analogic. Instrumentele noi beneficiază de facilităţi suplimentare, cum ar fi analizarea computerizată a datelor şi posibilitatea măsurărilor automate, dar, în principiu, metoda rămâne aceeaşi. a)
Instrumentele de măsurare
Rolul instrumentelor este de a converti mişcările verticale ale palpatorului în variaţii proporţionale ale unui semnal electric. Sensibilitatea necesară a traductorului trebuie să corespundă unei deplasări a palpatorului mai mică de 0,01 µm. Deşi mărimea de ieşire este foarte mică, sistemele de înaltă rezoluţie pot evalua abaterile cu exactitate. Pentru ca deplasările să poată fi vizualizate de către operator, acestea sunt amplificate cu un factor de până la x2,000 000. Traductoarele analogice Pentru studiul stării suprafeţelor, aceste traductoare pot fi împărţite în două grupe, în funcţie de principiul lor de funcţionare: -
de poziţie: Acestea oferă un semnal proporţional cu deplasarea generată
de abatere, chiar şi atunci când palpatorul este staţionar. Mărimea de ieşire depinde de distanţa la care palpatorul este deplasat şi se referă doar la poziţia palpatorului în intervalul cursei verticale. Avantajul acestor tipuri de traductoare este că permit o înregistrare reală a ondulaţiei şi a formei. -
de mişcare: Acestea produc un semnal de ieşire doar atunci când
palpatorul este în mişcare, semnal dependent de viteza cu care palpatorul este deplasat şi scade la valoarea zero atunci când acesta este staţionar. Traductoare digitale În timp ce palpatorul este deplasat, impulsurile corespunzătoare, amplificate cu multiplul rezoluţiei traductorului, sunt transmise unui contor electronic de poziţie verticală, ce
afişează
variaţiile
traductorului.
Intervalul
este
definit
de
cursa
fizică
a
traductorului.Valoarea abaterii indicate este relativă la poziţia palpatorului la care contorului i se atribuie valoarea zero. a.1. Sistemele de măsurare cu traductoare analogice de poziţie Sistemele de măsurare ce au în componenţă un traductor cu inductanţă variabilă, sunt de acest tip:
- 10 -
Figura 3.2: Sistem de măsurare cu inductanţă variabilă
Figura 3.3: Schema sistemului modulat de transmitere
Palpatorul este deplasat la un capăt al traversei, la punctul de sprijin de pe marginile profilului ascuţit. La capătul îndepărtat, armătura se deplasează între două bobine ce îşi schimbă inductanţa relativă. Bobinele sunt legate la un circuit de curent alternativ, astfel încât, atunci când poziţia armăturii este centrală, nu generează semnal de ieşire. Schimbarea poziţiei armăturii generează un semnal de ieşire proporţional cu deplasarea, faza semnalului depinzând de sensul de deplasare. Semnalul este amplificat şi comparat cu cel al unui oscilator, pentru a determina în ce sens a fost deplasată armătura faţă de poziţia centrală zero. Palpatorul este menţinut în contact cu suprafaţa de măsurat şi cu profilul ascuţit, prin intermediul unui arc care acţionează asupra traversei. Legăturile împiedică deplasarea traversei în plan orizontal, obligând palpatorul să oscileze doar vertical (figura 3.2, 3.3). a.2. Sistemele de măsurare cu traductoare de deplasare Acest tip de sistem include un cristal piezoelectric ce are proprietatea de a se polariza electric sub acţiunea unui efort mecanic. Acest tip este rar întâlnit, fiind utilizat la sistemele din gama de preţuri mici. - 11 -
a.3. Sistemele de măsurare cu traductoare digitale Acestea pot fi utilizate la instrumentele bazate pe interferometrie. Interferometria utilizează principiul de numărare a franjelor alternativ luminoase şi întunecate obţinute prin fenomenul interferenţei luminii. Deseori, semnalul este interpolat pentru a oferi o rezoluţie mai bună. Sistemul de măsurare ce utilizează interferometria cu laser La capătului braţului palpatorului este poziţionat un reflector care acţionează ca un sistem miniaturizat de interferometrie cu laser Michelson. Lungimea de undă a laserului (632,8 nm) reprezintă referinţa de măsurare. Modelul interferenţei este detectat de patru fotodiode, permiţând interpolarea semnalului de ieşire, ce oferă o rezoluţie standard de 10 nm. Domeniul de măsurare de 6 mm este stabilit de dimensiunea reflectorului. Sistemul de măsurare PGI Sistemul de măsurare PGI (figura 3.4) a fost dezvoltat pentru a permite un interval de măsurare mai mare decât al sistemului de interferometrie cu laser, având şi dimensiuni reduse datorită utilizării unei diode laser în locul laserului HeNe. Sistemul PGI utilizează un dispozitiv optic de separare a fasciculelor, ce este poziţionat la capătul braţului pivotant, reprezentând elementul mobil al interferometrului. Lungimea de undă oferă referinţa de măsurare, reprezentând diferenţa majoră, măsurarea fiind acum independentă de lungimea de undă a laserului, ce poate varia semnificativ în funcţie de condiţiile de mediu. Modelul franjelor de interferenţă este detectat cu ajutorul a patru fotodiode, permiţând interpolarea semnalului de ieşire la o rezoluţie de 0,8 nm şi un domeniu de 12,5 mm.
Figura 3.4: Schema funcţională a sistemului de măsurare PGI
- 12 -
După înţelegerea mecanismului de funcţionare, trebuie evidenţiat cum este folosit instrumentul pentru măsurarea neregularităţilor suprafeţelor. Semnalul electric de ieşire reprezintă asocierea deplasării palpatorului şi braţului, faţă de nivelul nominal al suprafeţei. Sistemul trebuie să se deplaseze de-a lungul unei linii precis paralele la suprafaţa de măsurat pentru a obţine un semnal electric de ieşire corect pentru profilul analizat. Triangulaţia laser Triangulaţia laser (figura 3.5) este una dintre cele mai simple metode de măsurare fără contact. Este rapidă şi mai puţin costisitoare, dar oferă o rezoluţie verticală şi laterală slabă. Un fascicul laser focalizat este proiectat pe o suprafaţă. Punctul luminat este captat de un detector de poziţie ce este calibrat pe lungimea axei Z faţă de suprafaţa de măsurat. Rezoluţia verticală este limitată la aproximativ 1 µm. Rezoluţia orizontală este, de obicei, cuprinsă între 10 – 20 µm şi poate varia în funcţie de intervalul de măsurare vertical.
Figura 5: Triangulaţia laser (metoda reflexiei)
- 13 -
Microscopul cu forţă atomică
Figura 3.6: Microscop cu forță atomică
Un alt factor-cheie, ce nu trebuie ignorat, este faptul că prima măsurare este bazată pe forţă şi nu pe abaterea profilului. Este, aşadar, posibil să se producă denaturări ale profilului nominal, ca urmare a interacţiunii dintre suprafaţă şi palpator. Palpatorul microscopului este realizat din siliciu utilizând tehnologia de gravare MEMS (Microsisteme Electromecanice). Traversa are o lungime de aproximativ 50 µm, iar vârful palpatorului are diametrul de 1nm. Traversa este deplasată vertical, iar abaterea este măsurată prin observarea deviaţiei fasciculului de lumină reflectat din vecinătatea palpatorului. Actuatoarele orizontale permit detectarea deplasării palpatorului.
- 14 -
II.
APLICAŢII 1. Maşini optice pentru măsurat în coordonate
Maşinile optice din gama TESA-VISIO GL oferă utilizatorilor soluţia completă în materie de măsurări fără contact, fie că sunt utilizate pentru control dimensional de bază, fie pentru aplicaţii metrologice avansate.
Figura 2.1
În afară de o construcţie compactă şi ergonomică, TESA-VISIO 300 GL are un volum de măsurare de 300 x 200 x 150 mm, suficient pentru a acoperi o mare parte a cererilor din industrie aparţinând acestui domeniu specific. Este disponibilă în două variante distincte, adecvate operaţiilor manuale sau automate, oferind măsurări rapide, precise şi uşor de executat. Caracteristici principale: Optica Include un mecanism de mărire optică motorizat, împreună cu o cameră color CCD, ca echipamente standard. Toate sursele de lumină sunt dotate cu tehnologia LED, producând o lumină rece, cu durabilitate mare: -
iluminare diascopică pentru verificarea profilurilor, precum şi măsurări bazate pe transparenţă;
-
iluminare circulară (4 x 90° + 8 x 45°) pentru caracteristici obţinute în urma procesului de frezare, pentru alezaje şi muchii rotunjite;
-
iluminare coaxială pentru alezaje înfundate sau piese cilindrice.
Fiecare sursă de lumină poate fi setată prin intermediul software-ului.
- 15 -
Mecanică Structură de granit pentru a asigura rigiditatea şi stabilitatea necesară oricărui sistem de măsurare de înaltă precizie. Tehnologia ATOS Sistem de camere STEREO In cadrul tehnologiei ATOS dezvoltată de către compania SPECTROMAS avem prezentat si conceptul de senzor 3 in 1,si anume: camera stanga cu camera dreapta si fiecare individual cu proiectorul de franje,obtinand trei vederi diferite ale obiectului in decursul unei singure masuratori.
Figura 2.2
Principalul avantaj al acestui concept este faptul ca inregistreaza date suplimentare in zonele greu accesibile optic. Prin intermediul tehnologiei ATOS putem realiza urmarirea live a componentelor.
Figura 2.3
- 16 -
Tracking(urmarire
elemente)-permite
alinierea
si
pozitionarea
componentelor,precum si transferul pozitiei virtuale in sistemul de coordonate real. Aplicatii in industrie: pozitionarea componentelor pe masina CNC; analiza asamblarii matritelor; aliniere pe calapod; pozitionarea unui reper in coordonatele nominale dintr-un ansamblu.
Figura 2.4
Back Projection(proiectie)-permite proiectarea elementelor virtuale pe suprafata obiectelor reale in scopul de a usura identificarea zonelor neconforme sau pozitionarea corecta din CAD fata de modelul real. Aplicatii in industrie: marcare rapida a zonelor neconforme; marcarea pozitionarii din masina CNC; curbe de design. Alinierea automata a masuratorilor individuale In orice moment al masurarii se poate opta pentru una din strategiile de transformare descrise mai jos. Astfel avem: -
masurare fara marcheri de referinta-transformarea masuratorii va folosi
geometria obiectivului pentru a se alinia in pozitie; este necesar ca obiectul sa aibă suficienta variatie geometrica pentru a se putea folosi; nu asigura siguranta in proces. -
Masurare cu marcheri de referinta, functioneaza independent de geometria
obiectului; asigura deplina siguranta in proces. Monitorizarea integrata se realizeaza prin combinarea tuturor verificarilor pe durata masurarii. Se asigura un proces stabil si sigur de digitizare si implicit o precizie foarte buna a datelor obtinute.
- 17 -
Figura 2.5
-
Aliniere automata a masuratorilor individuale-date masurate si pozitionate
fara interventia operatorului.
Figura 2.6
-
Urmarire live a pozitiei senzorului relativ la obiect-pozitionare independenta
a obiectului fata de senzor.
Figura 2.7
- 18 -
-
Monitorizrea live a miscarii obiectului/senzorului si a conditiilor de
iluminareprevenirea erorilor de masurare.
Figura 2.8 -
Monitorizare live a starii de calibrare a senzorului –certitudinea acuratetei
masuratorilor obtinute.
Figura 2.9
-
De asemenea, prin intermediul scanerului 3D ATOS putem observa
functionalitatea sistemului cat si metoda de masurare. Astfel avem urmatorii pasi. 1. Franjele proiectate furnizeaza precis pozitia coordonatelor 3D pentru fiecare pixel.
Figura 2.10
- 19 -
2. Aproximativ 2 secunde pentru fiecare masuratoare individuala continand 12 milioane de puncte masurate.
Figura 2.11
3. Masurare din diferite directii.
Figura 2.12
4. Combinarea si alinierea automata intre masuratori.
Figura 2.13
- 20 -
5. Poligonizarea individuala a masuratorilor pentru eliminarea zonelor de suprapunere.
Figura 2.14
6. Avem si rezultatul: un nor de puncte(de tip STL)
Figura 2.15
- 21 -
III.
BIBLIOGRAFIE 1.
http://scanare3d.com/?page_id=73932&lang=bg
2.
http://scanare3d.com/?product=atos-capsule&lang=bg#14460225988733ebc7e70-056247f1-d08b6e5b-932b
3.
http://www.ttonline.ro/sectiuni/calitate-control/articole/2479-instrumentepentru-masurarea-rugozitatii
4.
http://www.ttonline.ro/sectiuni/calitate-control/articole/12243-dispozitive-descanare-cu-laser
5.
http://www.ttonline.ro/sectiuni/calitate-control/articole/11449-masini-opticepentru-masurat-coordonate
6.
http://www.ttonline.ro/sectiuni/calitate-control/articole/12612-alegerea-uneimasini-pentru-masurat-coordonate-mmc
- 22 -