Aplicatii ale Tehnologiilor Laser Si Palpatoarelor Pentru Proceduri de Aliniere a Ansamblelor Sistemelor Flexibile din Industria Auto

Capitolul I. Introducere.

Într-o societate în care consumul a crescut tot mai mult și pretențiile omeniiri au crescut tot mai mult, astfel se impune acordarea unei atenții deosebite asupra calității și preciziei produselor. Pentru a asigura un viitor cât mai îndelungat se impune implementarea unor reguli și standarde de calitate ridicate. În cazul industie auto, iar pentru cazu nostru, al sudării caroseriei auto se impun un set de reguli și standarde care trebuiesc respectate de către producătorii de dispozitive de sudură. Indiferent de producator aceste reguli si standarde se impun să fie respectate pentru a putea obține caroserii de calitate din punct de vedere al fiabilității, siguranței și nu în ultimul estetic.

În general orice mașină sau aparat este format din ansamble, subansamble și organe (piese) componente. De obicei procesul de proiectare se realizează de la general la particular, iar procesul de execuție în sens invers, de la particular la general. Se execută piesele simple care se montează în subansambluri și ansambluri din care rezultă mașina respectivă.

Procesul de montare constă din asamblarea pieselor astfel încât suprafețele cu aceeași formă geometrică să vină în contact sau dimensiunile lor să dea anumite rapoarte prestabilite.

În faza de proiectare se cunoaște faptul că modelul fizic, respectiv piesa prelucrată nu va fi ca modelul teoretic din proiectare, și astfel se dau niște toleranțe admisibile și raționale care se trec pe desenul piesei. Toleranțele trebuiesc să fie admisibile pentru a corespunde condițiilor normale de funcționare și raționale pentru a fi realizate la un cost minim.

În procesul de fabricație se folosesc metode, utilaje și dispozitive care nu sunt perfecte, astfel piesele prelucrate se obțin cu abateri de la dimensiunea, forma geometrică, microgeometria dată pieselor prin desenele de execuție.

În practică, datorită imperfecțiunilor inerente ale mijloacelor de producție (dispozitive de prelucrare, mașini unelte, scule sau dispozitive de control) este greu să se realizeze o concordanță deplină între piesa reală obținută prin prelucrare, care compune aceste dispozitive de fixare, și modelul teoretic al acesteia, descris în documentația tehnică.

În aceste condiții se impune noțiunea de precizie de prelucrare prin care se înțelege gradul de realizare a acestei conconrdanțe. Prin precizie se înțelege gradul de apropiere dintre valorile parametrilor urmăriți ai produsului final în raport cu cei fixați prin documentația tehnică elaborată prin standarde. Prin precizia de prelucrare se înțelege gradul de apropierendintre valorile parametrilor geometrici ai piesei finite (obținute la prelucrare) și valorile acesteia prin desenele de execuție sau montaj și prin condițiile tehnice.

Precizia prelucrării pieselor și precizia asamblării acestora în produse finite este dată de:

precizia dimensiunilor pieselor (dimensiuni liniare sau unghiulare);

precizia formelor geometrice a componentelor;

precizia de poziționare, orientare și bătaie a suprafețelor.

Realizarea pieselor cu abateri care să se încadreze în limitele toleranțelor admise stabilite la început (proiectare), pe baza unor criterii de ordin constructiv, funcțional și economic, reprezintă o condiție indispensabilă, pentru asigurarea calității și fiabilității produselor. Verificarea acestor încadrări în limitele prescrise de documentatia tehnica se face prin măsurători efectuate în diferite faze ale procesului de prelucrare prin intermediul tehnicilori de măsure a lungimilor, care includ totalitatea proceselor de măsurare a dimensiunilor liniare și unghiulare a caracteristicilor suprafetelor rezultate din prelucrare.

Industiria auto este o industrie dinamică, care evoluază seminificativ de la an la an. Este o industrie care afectează și celelate ramuri ale industriei, ducând la creșterea sau scăderea lor în funcție de dinamica industriei auto.

Dacă privim la prima linie de asamblare folosită de către Henry Ford pentru a produce modelul T, vom vedea cât de importantă a fost această inovație aplicată in producția de masă a automobilelor. Nu Henry Ford a fost cel care a inventat liniile de asamblare, el s-a inspirat de un abator din Chicago, unde carcasa de vită era așezată în cârlige pe un conveior și era adusă pentru tranșare la măcelari. Acești făceau aceiași operație și nu trebuia să se deplaseze pentru a tranșa carcasa de vită, această linie era numită „linie de dezasamblare” pentru că se făcea operația inversă, adică se descompunea un întreg în bucăți.

Scopul lui Henry Ford a fost acela de a aduce mașina în casele cetățeanul de rând. Nu doar că Henry Ford a realizat acest obiectiv, dar moștenirea lăsată de el încă mai are efecte și în ziua de azi.

Figura 1.1 – Linia de asamblare a megneto volantei de la Ford Motor Company Highland Park Plant, 1913 []

Liniile de asamblare a schimbat lumea drastic la fel cum acestea au fost schimbate de către omenire, încă de la începuturile ei. Această tehnologie a pus oamenii împreună pentru a lucra ca un grup în vederea relizării unui scop comun. Linia de asamblare folosită de Ford a dus ca timpul de asamblare a unei mașini să scadă de la 12 ore și 30 de minute la 5 ore și 50 de minute, iar în urma îmbunătățirilor aduse liniei de asamblare, în 1914 a ajuns să se asambleze o mașină în doar 93 de minute [site ford]. Acest lucru a făcut să scadă prețul mașinilor produse de Ford Model T de la 875$ (în anul 1908) la 360$ (în anul 1916). Până în anul 1908 vânzările ajunseră la 250.000 bucăți, iar odată cu scăderea prețului în 1916 să se vândă peste 400.000 de exemplare.

Figura 1.2 – Linia de asamblare de la Ford, Modelul T, de la Highland Park Plant, 1914 []

Figura 1.3 – Linia de asamblare a caroseriei de la Highland Park Plant, 1914 []

În cazul sudării caroseriilor auto, pentru a aveau o caroserie conform cerințelor clientului trebuiesc proiectate dispozitive de sudură care să confere o geometrie adecvată pentru a nu deforma caroseria. Geometria dispozitivele de sudură este dată de geometria subansamblelor și a pieselor care sunt executate după tăierea cu tabla (caroseria mașinii). Aceste dispozitive trebuiesc să aibă și o ergonomie atât în cazul sudării manuale (exemplu sudarea caroseriei în cazul caroseriei DACIA) cât și în cazul sudării robotizată (exemplu sudarea caroserie Mercedes, Volvo, BMW, Ford, Land-Rover etc.) sau a nituirii robotizate (exemplu nituirea caroseriei Jaguar).

Capitolul II. Stadiul actual și obiectivele tezei

Domeniul de utilizare al aplicațiilor care necesită alinierea cu laser.

Definirea principiului de aliniere cu laser al dispozitivelor de sudare al caroseriei auto.

Datorită condițiilor de geometrie impusă la construirea dispozitivelor de sudură, acestea trebuiesc aliniate și reglate în conformitate cu geometria caroseriei.

Pentru o reprezentare corectă a elementelor de caroserie în poziția lor reală față de autoturism a fost adoptată convenția de reprezentare față de un sistem de coordonate absolut, cu origine comună pentru fiecare element de caroserie și cu aceeași orientare a axelor. Această convenție ne conduce la următorul rezultat: având sistemul de coordonate absolut al autovehiculului stabilit într-un punct arbitrar (definit pentru fiecare produ-cător/beneficiar în parte) și având fiecare element de caroserie modelat în poziție corectă față de acest sistem, prin asamblarea diferitelor elemente de caroserie (suprapunând sis-temele individuale peste cel absolut) obținem practic o caroserie completă, așa cum arată ea în realitate.

Unul din elementele principale într-un sistem de măsurare este partul de referință sau sistemul de localizare. Indiferent de tehnologia de măsurare folosită, aproape toate punctele măsurătorilor sunt relaționate la un sistem de puncte de referință alea partului (elementul de caroserie) descrise în desenele de dimensionare și toleranțe geometrice.

Acest sistem de date oferă un sistem de referință pentru toate suprafețele partului și componente folosind coordonatele caroseriei. În figura de mai jos (figura 2.1) ilustrează sistem tipic de coordonate pentru o caroserie [13]. Acest sistem înlocuiește denumirile tradiționale ale direcțiile lui X, Y, Z cu fore/aft (X), in/out (Y), și up/down sau high/low (Z). Punctul 0,0,0 a mașinii este față, jos și poziția centru.

Originea sistemului de coordonate este prestabilită pentru fiecare proiect în puncte precis definite, în funcție de producătorul autovehiculului. În majoritatea cazurilor însă originea este aleasă în punctul din mijlocul axei față a autovehiculului iar orientarea axelor X,Y și Z în toate cazurile cunoscute respectă orientarea celor de mai jos (sau regula mâine drepte).

Figura 2.1 Sistemul de coordonate al unei caroserii [13]

Definirea parametrilor de precizie care se soluționează prin procedura de aliniere cu laser.

Măsurarea abaterilor de la rectilinitate și de la planitate

Abaterea de la rectilinitate se definește ca distanța minimă dintre un profil adiacent și profilul efectiv, masurată în limitele lungimii de referință (de măsurat), figura 2.2. Tole-ranța de la rectilinitate este valoarea maximă admisă a abaterii de la rectilinitate.

Figura 2.2 Abaterea de la rectilinitate

Abaterea de la planitate se consideră distanța maximă dintre un plan adiacent și suprafața plană efectivă masurată în limitele suprafeței de referință (de măsurare), figura 2.3.

Figura 2.3 Abaterea de la planitate

Abaterea de la planitate se mai poate considera ca abaterea de la rectilinitate măsurată în orice direcție.

Toleranța la planitate este valoarea maximă admisă a abaterii de la planitate. Zona de toleranță la planitate este cuprinsă între planul adiacent și un plan paralel cu acesta, aflat la distanță egală cu toleranța la planitate.

Măsurarea preciziei de poziție geometrică

Poziția unor elemente geometrice (suprefețe, axe, plane de simetrie etc.) în raport cu anumite baze de referință (care pot fi alte elemente geometrice: suprafețe, axe, plane de simetrie) poate fi afectată de abaterile de la poziția precisă (față de modelul teoretic considerat).

Prin poziție nominală se înțelege poziția elementelor geometrice determinată prin dimensiuni (liniare și unghiulare) nominale, față de baza de referință. Poziția nominală joacă rolul de poziție zero (în comparație cu linia zero), față de care se consideră abaterile de poziție.

Abaterea limită de poziție este valoarea maximă (pozitivă sau negativă) admisă, din punct de vedere funcțional, față de poziția nominală.

Toleranța de poziție este zona determinată este zona determinată de abaterile lomită admise, determinată de diferența între abaterea limită superioară admisă și abaterea limită inferioară admisă. Se întâlnesc două categorii de toleranțe:

toleranță de poziție independentă, cănd mărimea toleranței de poziție depinde numai de abaterile limită de poziție.

toleranță de poziție dependentă, când mărimea toleranței de poziție depinde atât de abaterile limită de poziție prescrise, cât și de alte abateri dimensionale efective ale altor elemente de care depind.

Amintim diferite abateri de poziții existente (standardizate):

Abaterea de la poziția nominală, care poate avea următoarele cazuri:

abaterea de la poziția nominală a unei drepte sau a unei axe (care este distanța maximă dintre dreapta adiacentă sau axa adiacentă și pozița nominală a dreptei, respectiv a axei considerate);

abaterea de la poziția nominală a unul plan sau a unui plan de simetrie (care este distanța maximă dintre planul adiacent sau planul de simetrie a unei suprafețe adiacente și poziția nominală a planului, respectiv a planului de simetrie).

Abaterea de la coaxialitate și concentricitate, care au următoarele cazuri:

abaterea de la coaxalitate (necoaxalitate), care este distanța maximă dintre axa suprafeței adiacente considerate și axa dată ca bază de referință, măsurată în limita lungimii de referință.

excentricitatea (dezaxarea), care este un caz particular, cand axele suprafețelor enunțate anterior rămân paralele.

necoaxalitatea unghiulară, când axele suprafețelor sunt concurente.

necoaxalitatea încrucițată, când axele sunt încrucișate

abaterea de la coaxalitate, este distanța de la centru cercului adiacent și baza de referință

Abaterea de la simetrie, este distanța maximă între plane (axele) de simetrie ale elementelor adiacente și elementele de bază considerate, cu toleranță de simetrie.

Abaterea de la intersectare (neintersectare), este distanța maximă dintre două drepte adiacente sau dintre două axe, care în poziția normală trebuie să fie concurente, cu tolerantă la intersectare.

Abaterea de la paralelism (neparalelism), cu toleranța de paralelism, are următoare-le cazuri:

abaterea de la paralelism a două drepte într-un plan

abaterea de la paralelism a două în spațiu.

abaterea de la paralelism a două plane

abaterea de la paralelism dintre un plan și o suprafață de rotație.

Abaterea de la perpendicularitate (neperpendicularitate), cu toleranța de perpendi-cularitate are următoarele cazuri concrete:

abaterea de la perpendicularitate dintre două drepte, două suprafețe de rotație sau o suprafață de rotație și o dreaptă.

abaterea de la perpendicularitate a unei drepte sau unei suprafețe de rotație față de un plan.

Abaterea de înclinare, cu toleranța de înclinare are următoarele cazuri:

abaterea de la înclinare dintre două drepte sau suprafețe de rotație

abaterea de înclinare a unei drepte sau a unei suprafețe de rotație față de un plan.

abaterea de înclinare a unui plan față de o dreaptă, o suprafață de rotație sau un plan.

Toleranțe de poziție. Date prin STAS sau de cerințele beneficiarului (producătorului de autoturisme, în cazul nostru).

Definirea noțiunii de flexibilitate și contextul de fabricație flexibilă la sudarea caroseriei.

Sistemul flexibil de fabricație (SFF) reprezintă un sistem evoluat de fabricație nu numai pentru că este ultimul concept elaborat, în timp, în domeniul producției bunurilor materiale ci, mai ales, prin faptul că determină o îmbunătățire tranșantă a economicității procesului de producție, în condițiile în care aceasta este orientat spre necesitățile de bunuri reale și predominante ale societății umane, adică bunuri larg diversificate tipologic care se produc în cantități mici.

De multe ori se face o asociere între fabricația fexibilă și prezența roboților în sistemele de fabricație. Acesta este un adevăr incomplect, robotul fiind mai degrabă un vestitor decât piatra unghiulară a automatizării moderne. Roboții industriali au deschis o eră nouă în istoria tehnicii netezind drumul spre automatizarea flexibilă și, pe această bază, spre fabricația flexibilă.

Roboții industriali reprezintă doar unul dintre filioanele care alimentează substanța conceptului actual de fabricație flexibilă și suportul ei material: sistemul flexibil de fabricație. La aceasts se adaugă calculatorul electronic, comanda după program al mașinilor unelte și tehnologia de grup, fiecare având în spate o istorie proprie, o direcție și un ritm propriu de dezvoltare. Unitatea organică dintre acestea, stăpânită prin intermediul teorie sistemelor, a generat o cumulație în fabricația bunurilor materiale care prefigurează viitorul acestui domeniu: sistemul flexibil de fabricație.

În anul 1958 se realizează primul sistem flexibil de fabricație în SUA (Hughes Aircraft CO). Cu această ocazie se formulează pentru prima dată definiția unui SFF, după care vor mai apărea și alte defeniții. SFF fără operatori umani au devenit operaționali după anul 1983 în SUA, Japonia, URSS, Germania, Franța și Italia.

În problematica fabricației apare o demarcație între fabricația „în modul” și fabricația „în sistem”. Fabricația în modul este fabricația clasică, pe mașini unelte fără legătură între ele. Fabricația în sistem presupune gruparea utilajelor cu funcțiuni în general diferite, pentru a realiza un anumit preces. Procesul este factorul care definește sistemul și-l menține în coerență. Perturbațiile în funcționarea componentelor se repercurtează asupra întregului proces în ansamblu. Există diferențe semnificative între cele două viziuni. Astfel la fabricația de tip modul principalele probleme de concepție sunt legate de construcția și funcționarea modului, pe când la fabricația în sistem, probleme de concepție sunt concentrate pe automatizare și flexibilitate. Și criteriile de optimizare sunt diferite, la fabricarea în modul se urmărește maximizarea performanței modului sau reducerea costului săula aceiași performanță, iar la fabricația în sistem se urmărește economia procesului pe care îl materializează sistemul.

Stabilirea tipului de fabricație în modul sau sistem și genul de sistem care este cel mai potrivit, pornește de la natura sarcinii de producție descrisă de obicei prin criteriile:

capacitatea de producție necesară;

volumul de producție anual;

gradul de asemănare a iterațiilor tehnologice pentru produsele care constituie sarcina de producție;

diversitatea tipologică a produselor din sarcina de producție.

Existența unor tipuri diferite de produse, în sarcina de producție a unui sistem, activează una din cele mai studiate proprietății ale sistemelor de fabricație: flexibilitatea.

În ultimii 20-30 de ani, flexibilitatea a devenit o dominată în studiul sistemelor de fabricație. Această importanță și-a dobândit-o în concordanță cu diversificarea tot mai accentuată a cererii de bunuri materiale și acuțiunea unor comandamente economice din ce în ce mai exigente în spațiul fabricației.

Flexibilitatea în sens restrâns, înțeleasă ca și capacitatea de adaptare a sistemelor flexibile la variația sarciniide fabricat, nu este o noțiune nouă, ea fiind specifică și fabricației pe mașini universale. Actualitatea acestui concept constă în termenii în care se pune problema azi: adaptabilitate în condiții economice, adică în condițiile creșterii productivității muncii. Aceste condiții sunt asigurate de automatizare și robotizare, așa s-a ajuns la conceptul de automatizare flexibilă.

Jur de 250 ~ 300 componente de caroserie obținute prin presare sunde aduse de la furnizori sau din producții proprii în departamentul de sudare caroserie. Subansamble de caroserie presată sunt asamblate în general prin sudare în puncte și alte metode care realizează într-o secvență planificată pe număr de stații. Unele subansamblele sunt efectuate în celule de fabricație off-line și apoi aduse în locații adecvate pentru linia de asamblare principală. Figura 2.1 [18] prezintă un aspect un tipic al unei departament de asamblare prin sudare a caroseriei. Partea față (front end), partea spate podea (rear floor), și podea față (front floor) sunt transportate la linia de asamblare a șasiului caroseriei, unde toate acestea sunt sudate împreună într-o ordine bine stabilită pentru a forma structura de podea a caroseriei. Șasiului este apoi transferat la principala stație de sudură a caroserie. Partea dreatpă și stângă a caroseriei sunt aduse din lateral la stația principală sudură a caroseriei, după finalizarea tuturor operațiunilor de subansamblare în linii separate. O preasamblare a structurii caroseriei se efectuează pe dispozitiv special. La aceeași stație sau la cea următoare, se adaugă acoperișul pentru a forma caroseria, figura 2.2 [18]. Ulterior, ușile din spate, aripile față, capota și părți de hayon sunt aduse pentru a finaliza caroseria automobilului. Dacă este necesar, o linie de finisaj pot fi adăugată pentru reparații minore ale caroseriei automibilului înainte de a se duce la vopsitorie. Figura 2.3 ilustrează secvențe de subansamble și sudură caroseriei principale [18].

Figura 2.1 – O descriere tipică a unui departament de asamblare caroserie [18]

De obicei, un departament de sudare a caroseriei acoperă activități complexe de la fixarea în dispozitive de sudură, sudare și transport între stații de lucru, precum și servicii de asistență conexe.

Figura 2.2 – Un schelet tipic de caroserie [18]

De-a lungul anilor, conceptul de a construire complexă a liniilor de asamblare a suferit modificări. La începuturile conceptului, piese de dimensiuni mici erau folosite pentru a ajunge la cele mari prin sudarea lor într-o secvență pe dispozitive de fixare (jigs/fixtures). Pentru o mai bună rigiditate și pentru a evita distorsionare cauzate de inexactitatea dimensionale a structurilor, componentele s-au fixat pe dispozitiv dedicat și complicat cu clampuri manuale sau printrun sistem integrat de clampuri pneumatice.

Figura 2.3 – O secvență tipică de preasamblare și sudare a caroseiei [18]

Toate sudurile posibile a fost efectuate la fiecare stație înainte de a trece la urmă-toarea stație. Precizia de la fiecare dintre aceste preprocese afectează în mod direct precizia pe linia de asamblare finală a caroseriei. La linia de final, precizia caroseriei nu poate fi afectată sau modificată. Noile concepte limitează sudarea în puncte la maxim pe dispozitive dedicate pentru pre-asamblare. Se lasă ca terminarea sudurii să se facă cât mai posibil pe linia finală de asamblare pentru a asigura calitatea. Cu toate acestea, sudarea finală se face după ce s-au efectuat ajustările necesare pentru corectarea erorilor de pozișionare.

Tendințe pentru sudarea caroseriei s-au schimbat de la clești individuali de sudură în puncte la mașini de multi-sudure dedicate și apoi la folosirea roboților pentru sudură și al altor procese colaterare în celule și linii.

Felxibilitatea liniilor de asamblare s-a dezvoltat tot mai mult atunci când s-a încercat folosirea roboților pentru toate operațiile efectuate pe o linie de asamblare. O mare forță de muncă este necesară pentru sudarea în atelierele de asamblare a caroseriei și de aceasta depinde volumul de producție. Stații de multi-sudură ar reduce problemele într-o anumită măsură, dar necesită investiții de capital foarte mari și de asemenea că sunt configurare în totalitate pentru lucrul dedicat, care face ca să fie schimbate cu fiecare schimbare model al caroseriei. Robotul pentru un sistem de sudare oferă soluția ideală pentru producția mare a unei uzine. Flexibilitate se îmbunătățește cu aplicarea roboților (în comparație cu instalații de multi-sudură). Calitatea sudurii în puncte este consistentă. Proiectarea de dispozitive de sudură devine mai simplă. Robotul elimină volumul de lucru inuman care era efectuat de către operatori, de exemplu manipularea de cleștilor de sudură foarte mari și grei. Un robot nu devine obosit. Un robot nu uită să facă un punct de sudură la care a fost programat. Robotul va suda mereu la locul potrivit, în fiecare ciclu, și pentru toate orele din zi. Bazat pe calitatea lucrului efectuat de către robot și performațele obținute de operatori, avem următoare caracteristici net superioare ale robotului:

înaltă precizie de poziționare

repetabilitate crescută

nu apar abaterii în rezultate din cauza oboselii

inspecții și măsurători foarte precise folosind senzori.

Capitoul III. Descrierea aplicațiilor și procedu-rilor de aliniere cu laser.

Descrierea laserului.

Unul din cele mai noi procedee folosite cu mare succes în industria constructoare de mașini, mecanică fină, electronică, microelectronică, aeronautică, comunicații, este cel bazat pe "amplificarea luminii prin stimularea emisiei de radiații" – procedeu cunoscut sub denumirea de LASER ("Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation"). De fapt, LASER-ul este o dezvoltare a MASER-ului ("Microwave Amplification by Stimulated Emision of Radiation") adică, amplificarea de microunde prin emisie stimulată a radiației.

După cel de-al doilea război mondial fizicianul sovietic V. A. Fabrikant face cercetări în domeniul emisiei stimulate a luminii, astfel că în anul 1951 apare prima lucrare în care se semnalează posibilitatea amplificării radiației cu ajutorul emisiei stimulate a luminii. Aceste cercetări au constituit primii pași în vederea creării amplificatorului cuantic de lumină, iar apoi al generatorului de lumină – Laserul.

Bazele cercetării și experimentării asupra laserilor au fost stabilite abia în 1958 de către Schawlaw, Tawes și fizicienii A.M. Prohorov și N.G. Basov. De remarcat că acești cercetători realizează în anul 1954 primele generatoare cuantice de tip MASER cu gaz (amoniac).

Principiul laserului a fost explicat pentru prima dată în 1958, într-o comunicare al lui Charles Hard Tawnes, profesor de fizică la Universitatea din California. În anul 1960 T. H. Marian realizează primul LASER cu rubin în cadrul laboratorului de la "Bell Telephone" (SUA) punând astfel în practică afirmația lui Einstein referitoare că “lumina poate fi coerentă".

După un an, în 1961, A. V. Lawa, W. R. Bennet și O. R. Heriatt realizează primul laser cu gaz (He-Ne). Trebuie remarcat că în anul 1962, la un an după realizarea în S.U.A. a laserului, se obține datorită cercetărilor conduse de omul de știință Ioan Agârbiceanu de la Institutul Politehnic București, primul laser românesc cu He-Ne și apoi cu CO2, pe radiație infraroșie de 1,15μm.

Cercetările în domeniul laserului cunosc o mare dezvoltare, urmând descoperirea laserului cu semiconductori (1962), cu bioxid de carbon (1964), cu sticlă dopată, cu neodym, cu medii active lichide sau cu electroni liberi.

În laseri interesul cel mai mare este acordat studierii sistemelor care sunt constituite din componente identice, care interacționează slab (de exemplu atomi sau molecule) și care posedă stări energetice spectrale determinante. Astfel de sisteme există în orice mediu activ din laseri.

3.1.1. Fenomene fizice la prelucrarea cu laser

Explicația fenomenelor care conduc la emisia laser se bazează pe teoria mecanicii cuantice, elaborată de Plank, care arată că punerea în libertate și absorbția de energie radiantă se produce în mod continuu în anumite cantități numite cuante de energie.

Bazându-se pe modelul atomic al lui Rutherford și pe teoria mecanicii cuantice al lui Plank, Bohr elaborează un model atomic cu care încearcă să explice emisia cuantei de energie.

Pentru explicarea acestui fenomen considerăm atomul de hidrogen (figura 3.1) ce conține un singur electron, care se rotește în jurul nucleului pe o orbită staționară.

Figura 3.1. Atomul de hidrogen

Dacă electronul primește sub o formă oarecare energie din exterior, va face un salt de pe orbita lui staționară 1(n) pe o orbită mai îndepărtată de nucleu 2 (m) cu nivelul energetic Em. În această staționare electronul este instabil și tinde să revină pe orbita hidrogen staționară, când are loc eliberarea energiei înmagazinate sub forma de radiații luminoasă, conform relației:

Em – En= hν [J] ‚ (3.1.)

în care: h – constanta lui Plank (h = 6,625 · 10-34) [Js]

ν – frecvența oscilațiilor electromagnetice [Hz].

Dacă într-un mediu gazos, lichid sau solid se crează mai multe sisteme atomice în stare energetică excitantă (figura. 3.2a) în loc de un foton vor rezulta doi fotoni, deci o undă mai puternică (figura 3.2b).

Figura 3.2 Obținerea radiației laser

Acest proces se numește "emisie stimulată". Cei doi fotoni vor stimula alți doi atomi aflați în stare excitantă, rezultând astfel o amplificare bruscă a undei incidente la ieșirea din rezonator, unde se obține fasciculul luminos foarte intens, monocromatic, coerent și direcțional ce constituie emisiunea laser.

3.1.2. Principii constructive ale dispozitivelor laser

Pentru realizarea unei emisiuni de tip laser se impune indeplinirea următoarelor condiții:

a) Realizarea pompajului se face prin metodele :

iradiere optică;

disociație chimică;

inducția magnetică a pompajului;

descărcarea electrică, mediul activ fiind heliu, neon sau xenon;

b) Capacitatea rezonatorului (figura 3.3) este compusă din cilindrul 1 având lungimea de 0,1 – 10m, funcție de mediul activ utilizat. În interiorul acestui cilindru este dispus mediul activ 2, iar la capete sunt oglinzile 3 și 4 cu mare putere de reflexie, în scopul reflectării de câteva mii de ori a fotonilor emiși prin pompaj. Oglinda 3 este opacă iar oglinda 4 lasă să treacă cca. 5% din fascicul prin interiorul unei fante, de forma celor prezentate în figura 3.4.

Principalul rol al rezonatorului este de a ordona procesele de emisie stimulată dezvoltate vertigin os sub acțiunea atomilor generați spontan, dirijându-le pe direcția necesară și formând astfel radiația laser. Din punct de vedere constructiv rezonatorul este asemănător interferometrul Fabry – Perot, format din două suprafețe reflectoare (oglinzi) plane paralele, fixate la o anumită distanță L.

Dintre cavitățile rezonante utilizate, în funcție de forma oglinzilor O1 și O2 cele mai des întâlnite sunt următoarele:

– rezonator plan paralel (figura 3.5a) – are o utilizare mai restrânsă datorită condițiilor foarte stricte de paralelism impuse celor două oglinzi;

– rezonatorul cu raze mari de curbură (figura 3.5b) – se întâlnește în construcția laserilor de mare putere, permițând o utilizare eficientă a mediului activ; razele de curbură ale oglinzilor sunt de 20…30 m;

– rezonator concentric (figura 3.5c) – se caracterizează prin coincidența centrelor de curbură ale celor două oglinzi; are utilizare restrânsă datorită dificultăților deosebite care apar la alinierea oglinzilor; condiția constructivă este ca: R1+R2=L.

– rezonatorul semisferic (figura 3.5d) – are o oglindă sferică (O1) și una plană (O2) situată în centrul razei de curbură R1, condiția constructivă fiind R1=L.

Un rezonator la care să se asigure o reflexie totală ar fi acela la care una din oglinzile de capăt se înlocuiește cu o prismă (figura 3.6). De remarcat că sistemele de oglinzi sferice sau parabolice prezintă avantajul că nu necesită o precizie prea mare la prelucrarea și poziționarea suprafețelor, așa cum se impune la oglinzile plan paralele.

c) Mediul activ este caracterizat prin două, trei sau mai multe niveluri energetice, putând fi de natură solidă, lichidă sau gazoasă. Natura mediului activ determină metoda de "pompare" a energiei pentru depășirea pragului corespun-zător emisiei stimulate.

Dacă mediile active sunt solide, energia de pompaj este sub forma de lumină (iradiere optică). Pentru mediile active lichide se folosește energia obținută din diferite reacții chimice iar în cazul mediilor gazoase cea sub formă de șocuri sau descărcări electrice, inducție magnetică, iradiere optică etc.

Pentru construcția laserului cu funcționare în regim de impulsuri se folosesc medii active cu două, trei sau patru nivele energetice.

3.1.3. Proprietățile radiației laser

Semnalul laser este format atât din radiația provenită prin fenomenul de emisie indusă, cât și din radiația care ia naștere prin fenomenul de emisie spontană. Prin emisie indusă atomii emit fotoni în fază cu fotonii incidenți (stimulatori), ceea ce face ca radiația indusă să fie coerentă. Caracterul specific al procesului de amplificare face ca radiația să posede și calități de înaltă direcționalitate, monocromaticitate puternică, intensitate extrem de pronunțată.

Laserul are numeroase aplicații în practică datorită unor proprietăți caracteristice, dintre care amintim: coerența, monocromacitatea, direcționalitatea și intensitatea.

Coerența se poate explica luând în considerare fenomenul de interferență. Dacă între două unde provenite din două puncte diferite ale spațiului se produce interferența, rezultând franje de interferență, se afirmă că cele două unde sunt coerente.

În figura 3.7 se prezintă coerența unei emisii. Se observă că oscilațiile sunt egale cu frecvența și cu faza inițială, iar fazele având coincidență, amplitudinea se însumează. Când emisia este incoerentă (figura 3.8) se obține o însumare a amplitudinilor cu aspect diferit.

O emisie coerentă permite generarea luminii monofrecvențiale cu largi posibilități de utilizare a laserilor în interferometrie, cum sunt: măsurări industriale, măsurarea vitezelor, măsurarea lungimilor.

Figura 3.7. Coerența unei emisii Figura 3.8. Emisie incoerentă

Se consideră o sursă de lumină constantă, pentru un interval de timp:

T= (ν fiind frecvența radiației, iar ∆ν lărgimea naturală a liniei spectrale)

fiecare atom emițător emit o undă cu frecvența definită. Pe un interval de timp t T numai o mică fracțiune din acești atomi s-au dezexcitat și au fost înlocuiți prin atomi noi, fazați întâmplător. Se poate spune că undele emise la două momente separate printr-un interval de timp t sunt coerente dacă t < T și incoerente dacă t > T.

În cazul emisie laser schimbarea seriei de atomi emițători la unmoment da nu conduce la o radiație necoerentă, deoarece atomii nu emit în mod independent. Fenomenul de emisie stimulată face ca toți atomii să emită în fază în orice moment.

Monocromacitatea este determinată de produsul emisiei stimulate și de modul de oscilație a rezonatorului. Este una dintre cele mai importante proprietăți ale semnalului emis de laser.

Direcționalitatea este proprietatea laserului de a se propaga rectiliniu și cu o divergență extrem de redusă. Astfel, la un laser cu un mediu solid, unghiul de divergență are valori de ordinul 0,1 … 10, iar pentru laserii cu mediu gazos unghiul de divergență este sub un minut.

Direcționalitatea foarte bună a fasciculului laser a permis utilizarea acestora la transmiterea informației prin semnale optice, transportul energinei la distanțe foarte mari sau măsurarea distanțelor cu precizie deosebită.

Intensitatea radiației laser este proprietatea care derivă din caracteristicile de coerență și direcționalitate și reprezintă puterea transportată de laser pe unitatea de suprafață. Pentru a evidenția valorile extrem de ridicate pe care le pot atinge puterile emise de laseri, trebuie arătat spre comparație că emisia de impulsuri a laserului cu rubin este de 5*109 ori mai strălucitoare decât o arie echivalentă din suprafața solară. Pentru un laser cu gaz, a cărui fascicul este mai direcționat și mai monocromatic, raportul este mult mai mare.

3.1.4. Tipuri de instalații laser

După modul de funcționare instalațiile laser se împart în două grupe:

– instalații cu funcționare intermitentă la care emisia stimulată se face prin impulsuri cu fascicule, la interval de 10-6…10-8 s;

– instalații cu funcționare continuă la care emisia stimulată se face prin radiații

În mod continuu, la trecerea sistemelor atomice de pe nivelele energetice de excitație pe nivelul energetic fundamental. În funcție de mediul activ instalațiile laser se grupează astfel:

3.1.4.1. Laseri cu mediu activ solid

Pentru generatoarele laser cu mediu activ solid se folosesc materiale dielectrice la care elementul activ îl costituie ionii de crom (Cr) sau al diferitelor pămâmturi rare: neodi-mul (Nd), europiul (Eu), samariul (Sa), halmiu (Ha), molibdat de calciu.

Din punct de vedere constructiv se cunosc următoarele tipuri de lasere cu mediu activ solid:

Laserul cu rubin – emite radiații coerente având lungime de undă λ=6943 A.

Laserul cu sticlă dopată cu neodim – emite radiații cu lungimea de undă λ=1,06 μm

Laserul cu granat de itriu și aluminiu (YAG) dopat cu neodim – emite radiații coerente cu lungimea de undă λ=1,06 μm;

Laserul cu semiconductori

În general, laserii cu mediu activ solid au un randament foarte mic (0,2…2%), deoarece cea mai mare parte a energiei luminoase nu este absorbită de ionii activi ai mediului. Ei funcționează în regim de impulsuri de ordinul 10-8 -10-11s. Pentru asigurarea stării de emisie laser trebuie ca substanțele folosite ca mediu active solide să aibă cel puțin trei nivele energetice (figura 3.9), așa cum este de fapt la rubin.

Figura 3.9. Schema nivelelor energetice pentru materiale cu trei nivele

3.1.4.2. Laser cu mediu activ lichid

Ca mediu activ se poate folosi: oxidura de fosfor (POCI3) și oxiclorura de seleniu (SeOCI3) și radamina dizolvată în soluție alcoolică. Schema de principiu a unui laser cu radamină este prezentată în figura 3.10, unde 1 este cilindrul de sticlă în care se introduce radamina recirculată în scopul răcirii, 2 oglinda complet reflectantă, 3 oglinda parțial reflectantă, 4 tubul flash utilizat la asigurarea pompajului. Cilindru cu radamină și tubul flash sunt introduse într-o cavitate eliptică 5.

Laserii cu mediu activ lichid funcționează în impulsuri, cu durata de circa 10-8 s, permițând obținerea unor energii de sute de kilowați.

Pragul de pompaj și coerența laserilor cu mediu activ lichid sunt comparabile cu cele ale laserilor cu mediu activ solid. Cele mai importante aplicații ale laserilor cu mediu activ lichid sunt în domeniul spectroscopiei.

3.1.4.3. Laser cu mediu activ gazos

Aceștia folosesc pentru obținerea emisiei stimulate gaze rare, cum ar fi heliul, neonul, argonul, criptonul iar în unele cazuri bioxidul de carbon.

Aceste lasere funcționează atât în regim de impulsuri cât și în regim continuu, având caracteristicile:

– foarte bună monocromaticitate;

– spectru pur;

– frecvență stabilă.

Sunt cunoscute următoarele tipuri de lasere cu mediu activ gazos:

Laseri cu gaz atomic. Laserii cu gaz atomic folosesc ca mediu activ un amestec de heliu-neon (85-90% He și 15-10% Ne). Un laser heliu-neon este format din tunul de cuarț având diametrul de 10-15 mm și o lungime de 800-1000 mm, umplut cu un amestec de heliu-neon.

Laseri cu gaz ionic. Laserii ionici au ca substanțe active medii inerte sub formă de gaz sau vapori, supuse unor puternice ionizări. Dintre acestea amintim argonul, heliul, neonul, xenonul, bromul, clorul, fosforul și sulful. Ionizarea substanțelor se face prin descărcări în curent continuu sau în current de înaltă frecvență. Laserii ionici au puteri de emisie mai mari ca laserii cu He-Ne, având și avantajul că emit pe unde scurte în spectrul apropiat de violet și ultraviolet, deci ușor de sesizat și cu ochiul liber. Laserii ionici se utilizează în aceleași domenii ca și laserii atomici, iar pentru că emit pe unde scurte se folosesc cu succes pentru iluminări sub apă și ca sursă de pompaj pentru alți laseri.

Laseri cu gaz molecular. Laserii moleculari prezintă avantajul că au un randament mult superior celor atomici și ionici, ajungând până la 32-35%. Acest randament ridicat se datorează caracteristicilor duratei medii de viață a stării metastabile vibraționale. Primele încercări au fost efectuate folosind CO2 pur cu lungimea de undă în zona spectrală ultraroșie (10,6 μm). Cercetările efectuate nu au satisfăcut datorită randamentului scăzut obținut și au fost continuate prin folosirea unui amestec de gaz compus din CO2, N2 și He sau CO2 și vapori de apă, rezultând randamente corespunzătoare.

Un laser cu CO2 se compune dintr-un tub de sticlă pyrex cu pereți dubli, între care circulă agentul de răcire. La capetele tubului sunt oglinzile de reflexie, de formă plană sau concav confocală.

În cazul laserilor de puteri mici, oglinzile sunt executate din materiale dielectrice ca germaniu foarte pur sau sticlă din selenat de zinc. Pentru creșterea puterii au fost realizate lasere cu mai multe tuburi paralele, de exemplu 4 tuburi paralele de câte 70m lungime, cuplate între ele cu prisme. S-a putut realiza la ieșire o putere de 1,5kW.

Primul laser românesc cu CO2 (figura 3.11) a fost realizat la Institutul de Fizică Atomică, având o putere de 100 W.

Figura 3.11. Laser cu CO2 de 100 W

Laseri cu electroni liberi. Laserii cu electroni liberi folosesc pentru emisia de radiație laser fasciculele electronilor liberi accelerați. Pompajul acestor lasere se realizează cu cesiu-heliu.

3.1.5. Aplicații ale laserului

Principalele avantaje ale utilizării laserului în tehnologiile de prelucrare sunt:

posibilitatea prelucrării oricărui material metalic sau dielectric, indiferent de duritate;

eliminarea deformațiilor, deoarece nu există contact mecanic sculă – piesă;

nu se preduc deformații termice și tensiuni interne, deoarece zona

influențată termic de către laser este minimă;

nu este necesară atmosferă controlată în zona de lucru;

procesul de lucru permite automatizarea completă și aplicarea comenzilor numerice;

în funcție de energia fasciculului laser se pot efectua o serie de operații, începând de la vaporizare până la prelucrare dimensională (debitări, găuri, tratamente termice, fante, suduri)

La stabilirea tehnologiei de prelucrare cu laser se va avea în vedere:

tipul laserului (cu mediu activ solid, lichid sau gazos);

tipul emisiunii laser (continuă sau în impulsuri);

lungimea de undă a radiației laser;

gradul de absorbție a suprafeței materialului de prelucrat și rugozitatea ce trebuie obținută.

Pentru definirea domeniilor de folosire a laserului se va ține cont de diametrul spotului ce poate fi realizat în focarul unei lentile și densitatea maximă de putere în focar.

Diametrul spotului se calculează cu relația :

D = (4/π)fλ/D [μm] (3.2)

în care: λ – lungimea de undă a radiației emise [μm];

f – distanța focală a lentilei [mm];

D – deschiderea lentilei [mm].

Densitatea maximă de putere în focar se calculează cu relația :

W=P/100 λ2 [W/cm2] (3.3)

în care: P – puterea emisă de laser [W]

Eficiența utilizării unui laser este dată de productivitatea acestuia:

[cm2/s] (3.4)

în care: Ei – energia impulsului [J];

Cm – coeficient de material;

ηt – numărul de impulsuri în unitatea de timp;

ρ – densitatea materialului prelucrat [g/cm3];

C0 – conductibilitatea materialului;

θt – temperatura de topire [°C];

θ0 – temperatura inițială a materialului de prelucrat [°C];

Es – energia specifică de topire.

Energia transmisă de impuls se determină cu relația:

(3.5)

în care: Ei – durata impulsului de lucru [μs];

P(t) – puterea transmisă la un moment dat [W].

Puterea medie a impulsului se calculează astfel:

(3.6)

La prelucrările cu laser trebuie determinați următorii parametrii caracteristici:

– temperatura dezvoltată la suprafața metalului;

– viteza de topire și vaporizare;

– adâncimea la care pătrunde radiația;

– raza craterului topit.

Temperatura metalului în zona de lucru se determină astfel:

(3.7)

în care: S – aria suprafeței încălzite [cm2];

λ0- coeficient de conductibilitatea termică.

Dacă metalul se evaporă, viteza de prelevare va fi:

v = Wp/Es [mm3/s] (3.8)

unde: Wp – densitatea de putere a fluxului;

Es – energia specifică de prelevare

În funcție de viteza de prelevare și durata impulsului se determină adâncimea de penetrație a radiației

X = v·ti [mm] (3.9)

De precizat că randamentul laserului este influențat în mare măsură de starea suprafeței ce urmează a fi prelucrată și de conductibilitatea materialului respectiv.

Aplicațiile tehnologice ale laserului sunt numeroase, dintre care amintim: depunerea și prelucrarea straturilor subțiri, tăierea, găurirea, prelucrarea materialelor nemetalice, tratamentele termice, sudarea.

Folosirea laserilor în holografie. Holografia derivă de la cuvintele grecești "holos", care înseamnă întreg și "grafein", adica scriere.

Tehnica holografică a fost dezvoltata de către E. Leith și I. Upatnieks (1962-1964) prin obținerea unor imagini tridimensionale cu ajutorul unei emisii laser coerentă.

Prin fotografiere holografică se interferează pe placa sensibilă frontul de unde emise de obiect cu un fascicul de unde puternic coerent ce va cuprinde obiectul de fotografiat (figura 3.12). O parte a radiației este dirijată spre obiect iar o altă parte spre oglindă.

Figura 3.12. Frontul de unde pentru realizarea hologramei

Holografia are multiple aplicații în interferometrie, dintre care amintim: verificarea etaloanelor de lungime, testarea componentelor optice, alinierea și măsurarea pe mașini unelte, vizualizarea curgerii fluidelor, măsurarea vitezelor, măsurarea profilelor, paralelis-me, abateri periodice. Aparatele de măsură realizate pe principiul interferometrului cu laser sunt foarte sensibile, nu au parți mobile, fiind formate dintr-un interferometru Michelson și un generator laser (figura 3.13).

Figura 3.13. Interferometru Michelson cu laser

1 – laser; 2 – placă de difracție; 3, 4 – reflector; 5 – diagramă; 6 – fotoreceptor.

În figura 3.14 se prezintă modul de măsurare a deplasării de lucru la o mașină unealtă. Se pot verifica dimensiunile interioare sau exterioare cu o precizie de 0,1 … 0,2 μm. Unde: 1 – laser; 2 – reflector; 3 – divizor; 4 – selsin; 5 – interferometru; 6 – dispozitiv de măsurare și înscriere a rezultatelor.

Figura 3.14 Interferometru pe mașini – unelte

Interferometrul cu laser se folosește frecvent la alinieri în mine, căi ferate, turnuri, coșuri, puțuri.

Laserul permite și măsurarea vitezei de rotație (figura 3.15). În acest caz laserul efectuează o mișcare de du-te vino, folosindu-se sisteme cu două sau trei oglinzi.

Figura 3.15. Schema unui sistem de măsurare a vitezei de rotație

1 – laser; 2 – oglindă parțial transparentă; 4 – oglindă; 5 – receptor.

Fasciculul se rotește cu frecvența ω în planul perpendicular pe axa Z. Dacă A reprezintă proiecția planului cuprins în circuitul fasciculului, drumul parcurs de frecvență între mișcarea corpului și unda laser va fi:

∆v = 4ω (A / λL) (3.10)

Pentru sistemul considerat ∆v = 105 … 106. La măsurare se cuplează fiecare parte a undei ce oscilează în ambele sensuri, se suprapun părțile coliniare și se orientează către fotodetector, măsurându-se astfel oscilațiile până la 60-100Hz.

Interferometru de la firma Renishaw

Figura 3.16. Interferometrul XL-80 [21]

Interferometrul XL-80 produce o raza laser extrem de stabilă, cu o lungime de undă care îndeplinește toate standardele naționale și internaționale. Toate caracteristicile sale fac interferometrul laserul XL-80 rapid și ușor de utilizat.

Caracteristici funcționale [21]:

Stabilitatea frecvenței laser: ±0,05 ppm peste 1an și ±0,02 ppm timp de 1oră se realizează prin controlul dinamic termic a lungimii tubului laser la câțiva nanometri.

Precizie de măsurare liniare: ±0,5 ppm în întreaga gamă de mediu, de la 0ºC – 40°C (32°F – 104°F) și 650mbar – 1150mbar. Citirile pot fi luate până la 50kHz, cu o viteză maximă de măsurare liniară de 4m/s și o rezoluție liniară de 1nm; chiar și la viteză maximă.

USB integrat: nu necesită nici un interfață separată între laser și PC.

LED indicator de status: indică starea laserului și puterea semnalului, oferind o alternativă convenabilă la indicatori software de pe ecran.

Comutabil: între modurile de gamă standard (40m) și lung (80m).

Portul analog I/O: permite semnal de ieșire analogic și un semnal de intrare de declanșare.

Timp de incalzire: este mai mic de 6 minute.

Sursă de tensiune externă în comutație: asigură alimentarea cu energie 90V – 264V flexibilitate în tensiunea de intrare.

Laser Tracker FARO

Caracteristici generale [19]:

Acuratețe volumetrică de 0.049mm la 10m

Distanță de măsurare: 110 (cu reflectorul selectat)

Greutate: 17,7 kg

Timp-real de lucru dinamic

Captare instantă a razei laser aADM „Agile Absolute Distan-ce Meter” – această opțiune permite de a urmări reflectorul chiar dacă acesta este în mișcare

Aliniere

Metode mai precise și mai puțin consumatoare de timp decât tradiționale.

Măsurători frecvente și corecte a trendințelor distorsiunilor.

Măsurarea în timp real confirmă toleranțele și validează desenul.

Instalare

Trasare/nivelare fundația de mașini.

Preveni deteriorarea mașinii în timpul primei inițializări.

Reducerea frecarea pe piesele mecanice.

Partea de inspecție

Compară geometrie complexă, suprafețe și pozițiile piesei față de datele nominale.

Nu este nevoie pentru a muta o parte la un instrument de control fix.

Reducerea volumului de deșeuri de producție și costurile non-conformitatea.

Instrument de constructii

Teste complete volumetrice de precizie (garantează că componentele sunt asamblate la cele mai înalte standarde).

Verificați integritatea dimensionale și repetabilitate a dispozitivului (identifică sau anticipează defecte dispozitivului).

Figura 3.17. Caracteristicile aparatului de măsurat LaserTracker FARO ION [19]

LaserTracker Leica GeSystems.

Figura 3.18. Sistem de măsurare de la firma Leica Geosystems [20]

Avantajul acestui sistem laser și dispozitivele T-Products (T-Probe, T-Scan, T-Mac) este că se pot face măsurători și în porțiuni greu accesibile cu reflectorul pentru raza laser.

Figura 3.19. Specificațiile tehnice ale laser tracker-lu furnizat de Leica GeoSystems[20]

Descrierea modului de utilizare a laserului.

Dispozitivele de tip Laser Trackers determină coordonatele prin măsurarea unei distanțe și două unghiuri. Un encoder azimut măsoară unghiuri pe plan orizontal, în timp ce un encoder zenit măsoară unghiuri pe plan vertical. Dispozitivele laser tracker măsoară distanța prin emiterea unui fascicul laser care se reflectată într-un dispozitiv reflector și apoi retransmis înapoi către instrument. Există o varietate de obiective retro-reflexive, cel mai frecvent utilizate sunt sferice numite SMRs (Spherically Mounted Retro-reflectors), care sunt de diferite marimi.

Cele mai folisite SMRs au următoarele dimensiuni: 0.5" (12.7mm), 0.875" (22.225mm) și1.5" (38.1mm). În figura de mai jos (figura 3.20) sunt caracteristicile SMRs-urilor folosite de companiile FARO, Leica, API:

Figura 3.20 Specificații tehnice ale SMRs-rilor.

Tehnicile de măsurare a distanței pot fi realizate prin laserul cu interferometru (IFM) sau prin laser cu măsurarea distanței absolute (ADM). În cazul nostru folosim laser cu măsurare absolută a distanței – ADM.

IFM este o tehnică incrementală, deoarece în interiorul interferometrului două fasci-cule de lumină sunt separate. Unul fascicul merge direct la interferometru, celălaltă este trimisă la reflector și fasciculul de laser se întoarce înapoi în interferometru datorită miș-cării reflectorului, dând poziția reflectorului, prin urmare cele două fascicule separate interferă, rezultând într-o mișcare ciclică de fiecare dată când reflectorul își schimbă poziția cu o distanță egală cu jumătate din lungimea de undă (~ 0.3 microni). Circuitele electronice numără schimbările ciclice pentru a determina distanța parcursă.

ADM funcționează simplu prin emiterea unei raze inflaroșu de la instrument până la reflector și se întoarce la instrument. Circuite electronice procesează timp de zbor pentru ca fasciculul să ajungă la reflector și multiplicat aceast timp cu valoarea vitezii luminii, astfel distanța este calculată. ADM are un avantaj major față de IFM atunci când se întrerupe raza laser, din acest motiv în cazul ADM nu este necesară resetarea, prin urmare, prisma/reflectorul nu trebuie să fie repus în poziția „acasă de calibrarea” pentru a face resetare cerută.

Funcția instrumentului de urmărire permite acestuia să monitorizeze poziția în mișcare a reflectorului SMR. Acest proces este realizat prin monitorizarea razei reflectate, în cazul în care raza laser se întoarce la un unghi diferit față de fasciculului transmis, un semnal de eroare se crează, această eroare se aplică apoi pentru a ajusta encoderul unghiular în interiorul instrumentului. Intervalul de funcșionalitate a unui laser tracker varia-ză între 10-60 de metri. Faro laser tracker model X, care pe care îl utilizez pentru aceste măsurători are o precizie de 33μm la 2m și până la un interval de 35m are o precizie de 136μm.

Descrierea dispozitivelor de fixare pentru sudură (jigs/fixtures).

Sudarea semiautomată sau complect automatizată are ca rezultat creșterea factorului de timp a arcului electric și o productivitate mai mare. Dar avantajele acestor procedee nu pot fi pe deplin exploatate cu excepția cazului în care dispozitivele de fixare (de tip jig sau fixture) și manipulatoare sunt integrate corespunzător cu echipamentele de sudură și piesa de sudat pentru care au fost concepute.

Sunt de dorit utilizarea acestor dispozitive de fixare de sudură de tip jig sau fixture și dipozitive de poziționare pentru cel puțin patru motive:

Pentru a minimiza distorsiunile cauzate de căldura sudurii.

Pentru a permite sudarea într-o poziție mai convenabilă.

Pentru a spori eficiența și productivitatea sudurii.

Pentru a minimiza problemele îmbinare (potrivire). Cu un dispozitiv de fixare pentru sudură de tip jig sau fixture, componentele părții de sudat pot fi asamblate într-o aliniere precisă și fixate bine și în concordanță cu modul de asamblare în timpul de poziționare și în timpul sudării, astfel încât toate piesele finite provenind din dispozitivul de fixare vor fi uniforme.

Pentru o productivitate mai mare, din punct de vedere economic este mai bine să se proiecteze și să se construiască dispozitive precise, durabile de fixare.

3.3.1. Dispozitive de fixare pentru sudură de tip jigs.

Dispozitivele de fixare de sudură sunt dispozitive specializate care permit ca componentele ce trebuiesc sudate să fie ușor, rapid de fixat și ținut.

Un dispozitiv de fixare de sudură de tip jig trebui să fie figura 3.21 [15,16]:

Rigid și puternic, deoarece trebuie să stea în strângere solicitată fără să deformeze.

Să funcționeze simplu, dar aceasta trebuie să fie corectă.

Proiectat astfel încât să nu fie posibilă punerea piesei în mod greșit.

Confruntându-se cu material rezistent la uzura să stea uzură continuă.

Figura. 3.21 Dispozitiv de fixare de tip jig (sudarea cadrului de la scaune) [10,11]

În anumite cazuri, ca de exemplu la sudarea cu gaz inert, dispozitivele de fixare de tip jigs sunt folosite ca mijloc de dirijare a gazului inert pe partea de dedesubt a sudurii. Dispozitivele poat să includă, de asemenea, o bandă de susținere.

În limbajul de specialitate de sudură, dispozitivele de fixare de tip jigs sunt considerate ca fiind staționare, în timp ce dispozitivele de fixare de tip fixture se retesc (adică rotative) de obicei pe un suport cilindric, în jurul unei axe verticale sau orizontale, fie prin operare manuală sau printr-un motor și trensmisie cu roți dințate cu reductor.

3.3.2. Dispozitive de fixare pentru sudură de tip fixture.

Un dispozitiv de fixare (prindere) gen fixture (figura 3.22, 3.23, 3.24, 3.25) [15,16] de sudură servește aceluiași scop ca un dispozitiv de fixare de tip jigs, dar în plus, permite schimbarea poziției de lucru pentru sudare în timp real, astfel încât sudurile să fie într-un plan convenabil pentru operator în orice moment. Acest lucru mareste viteza de sudare.

Dispozitivele de fixare gen fixtures sunt considerate de a avea un caracter mai general și nu atât de specializate ca și dispozitivele de fixare de tip jig. Dispozitivele fixtures includ ghidaje, clamp și pini de centrare etc, folosite pentru o poziționare mai comodă în timpul lucrului.

3.3.2.1. Caracterisitcile dispozitivelor fixture

Caracteristicile dispozitivelor de fixare de tip fixture date de acțiunile efectuate de către acestea pot fi:

Susținere

De prindere

Împământarea

De transmitere a mișcării (de obicei, denumite mișcare sau în deplasare) doar pentru câteva.

De asemenea, aceste dispozitive de sudare pot efectua și alte funcții care nu sunt direct legate de operația actuală de sudare. De exemplu, un astfel de dispozitiv poate fi o parte integrantă a unui sistem de transportare (conveior). Sau poate poziționa pisa de lucru pentru operațiuni de prelucrare cum ar fi găurire, frezare și rectificare.

3.3.2.2. Clasificarea dispozitivelor fixture

Dispzitivele fixture de sudare se împart în două categorii mari:

Cei care acționează asupra muncii fiind sudate.

Cei care acționează pe echipamente de sudură.

Dispozitivul fixture de sudare a componentelor de caroserie poate să prindă toate părțile de caroserie și în același timp să le susțină, obiectivul fiind de a efectua o sudură în poziție plană.

Dispozitivul poate să țină piesa staționar, cazul în care echipamentul de sudare se mișcă sau îl străbate pe deasupra, sau poate fi mecanizat și atunci deplasează piesa peste echipamentul de sudură staționar.

Echipamentele de sudare fixtures (unele sunt numite manipulatoare de sudare) pot oferi doar suport staționar; dar pot oferi atât suport cât și deplasarea către echipamentele de sudură.

3.3.2.3. Obiective considerabile pentru alegerea dispozitivele fixtures.

La slectarea dispozitivului fixtures pentru sudarea mecanizată, inginerul trebuie să țină cont de următoarele:

Volumul de producție

Geometria articulației

Mobilitatea capului de sudare.

3.3.2.4. Principii care guvernează în proiectarea de dispozitive de sudură bune de tip jig/fixture.

Dispozitivele de prindere/fixare trebuiesc să fie puternice și ușoare, dar suficient de rigide pentru a asigura aliniere corectă.

Ori de câte ori este posibil, dispozitivele de prindere trebui să fie poziționate, ca să permită ca toate sudurile să fie aduse într-o poziție de sudare convenabilă.

Dispozitivul de prindere/fixare ar trebui să permită o poziționare rapidă și ușoară (cu o singură mână, dacă este posibil). Astfel, echilibrarea dispozitivului poate fi necesară.

proiectarea ar trebui să fie pe cât posibil mai simplă și necostisitoare; exactitatea și elaborarea nu trebuie să fie mai mare decât este necesar. Numai dimensiuni esențiale ar trebui să fie controlate într-un dispozitiv. Aspectul ar trebui să nu fie luat în considerare. Construcția sudată este cea mai bună, prelucrarea componentelor ar trebui să fie menținute la un nivel minim.

Utilizarea de aliaje ușoare pentru piesele în mișcare pentru reducerea greutății. Aer sau motoare electrice ar trebui să fie utilizate doar pentru rotire, și cilindri cu aer sau hidraulici pentru înclinarea dispozitivului de asamblare.

Un dispozitiv ar trebui să fie construit în jurul piesei (tablei/caroserie) și trebui să fixe-ze și strângă componente pe poziție astfel încât asamblarea, nituirea și sudarea să poată fi efectuate într-un singur dispozitiv. Dispozitivul trebuie să se asigure doar o singură poziție corectă de asamblare.

Dispozitivul de prindere trebuie să permită o mișcare liberă într-un plan pentru a evita tensiunea reziduală în piesa sudată complect. Proiectarea trebuie să permită o disiparea căldurii pentru a pentru a elibera ansamblul care a fost sudat.

Articulațiile trebuie să fie ușor accesibile pentru sudare.

Program ar trebui să fie păstrat la rece suficient să se ocupe de aer, apa, aripioare sau mânere izolate pot fi utilizate.

Părți ar trebui să fie prebent în fixare, dacă este necesar, pentru acuratețe final.

Pentru a facilita fluxul de magazin, dispozitive sau program pot fi montate pe roți sau utilizate în legătură cu montat pe podea sau transportoare aeriene.

Aranjamente de indexare sunt utile în furnizarea de poziționare precisă, rapidă de muncă.

Poziționarea a operatorului de scări, capre, leagăne sau cărucioare, uneori, este recomandabil.

Dispozitivele de strângere trebuiesc să funcționeze rapid. Șuruburi și piesele mobile trebuie să fie protejate împotriva stropilor de sudură. Lipirea cu dispozitivul fixture sau dispozitivele de strângere trebuiesc evitate prin utilizarea de sloturi sau suporți de cupru.

Metodele de împământare a piese sunt considerente importante proiectarea dispozi-tivelor, deoarece deoarece împământarea afectează acțiunea arcului electric, calitatea sudurii și viteza cu care sunt făcute sudurile. Împământarea trebuie să facă un contact bun cu piesa prin intermediul cupru, perii grafit cupru, papuci glisanți etc.

Un dispozitiv bine proiectat evită problema de deviere a arcului prin luarea următoarelor măsuri:

Toate oțelurile, în afară de cele de care trebuiesc sudate, trebuie să fie la o distanță cel puțin 25 mm față de arc.

Referințele pentru strângere pot fi făcute dintr-un material non-magnetic.

Conexiune la împământare trebui să fie facută direct cu piesa. Punctul de conexiune trebuie să fie cât mai departe posibil de arc. sol poate fi împărțit pentru a compensa sufla arc.

Atunci când este posibil, dispozitivele ar trebui să fie construite din oțel cu nivel redus de carbon.

Dispozitivul de fixare trebuie să fie concepute pentru a facilita accesibilitatea la cap de sudură atunci când sunt necesare procedurile de ajustare și de întreținere. Accesibilita-tea este, de asemenea, necesară și pentru poziționarea controalelor de sudare.

Proiectarea dispozitivelor trebuie să fie astfel încât piesa de sudat să fie scoasă ușor și rapid din dispozitivul de fixare.

3.3.2.5. Exemple de dispuzitive de fixare/prindere.

Figura 3.22 Dispozitiv de fixare pentru nituire robotizată (Jaguar) [15,16]

Figura 3.23 Dispozitiv pentru nituire robotizată – pentru 2 varinate de caroserie (Jaguar) [15,16]

Figura 3.24 Dispozitiv de fixare pentru sudare manuală (Dacia) [15,16]

Figura 3.25 Dispozitiv de fixare pentru sudare manuală – ansamblu spate (Dacia) [15,16]

Decrierea procedurilor actuale de aliniere clasice.

Principalii producători de dispozitive de măsurare clasice căt și moderne (laser tracker, CMM, arms, scanere) sunt: FARO, Renishaw, API, Hexagon Metrology – în grupul căruia se găsesc brandurile Leica Geosystems, Romer, Brown & Sharpe, DEA, Leitz, Optiv, Sheffield.

Metode de măsurare

Metoda de măsurare arată modalitatea concretă în care se face măsurarea. Metoda de măsurare trebuie să definească următoarele elemente:

schema de măsurare – o reprezentare grafică care precizează poziția măsurandului față de mijlocul de măsurare, eventuala prezență a unor elemente auxiliare, locul în care se face reglajul la „0”, locul în care se face citirea, eventualele mișcări relative care pot apare în procesul de măsurare

alegerea mijlocului de măsurare – se va face pe baza caracteristicilor metrologice și tehnice,

tehnica măsurării – modul concret în care se face măsurarea,

condițiile de măsurare – se referă la mediul în care se realizează măsurarea (temperatura, presiunea, umiditatea) precum și la numărul punctelor sau secțiunilor de măsurare și numărul de măsurători.

modul de prelucrare a rezultatelor măsurărilor.

Metodele de măsurare pot fi clasificate după mai multe criterii, după cum urmează:

A. după felul valorii determinate prin măsurare, se deosebesc:

metoda absolută (directă), prin care se determină valoarea absolută a mărimii de măsurat (ex. măsurarea lungimilor cu șublerul),

metoda diferențială (relativă), prin care se determină valoarea mărimii de măsurat cu o abatere față de o valoare stabilită inițial (ex. măsurarea cu instrumente comparatoare).

B. după modul în care procesul de măsurare este legat de măsurand, se deosebesc:

metoda directă, prin care se găsește direct valoarea mărimii măsurate (ex. măsura-rea lungimilor cu șublerul),

metoda indirectă, prin care se măsoară alte mărimi de care depinde mărimea care interesează, aceasta determinându-se printr-o relație de calcul (ex. măsurarea unghiurilor cu rigla sinus).

C. după elementele măsurate, se deosebesc:

metoda pe elemente, la care se măsoară separat fiecare element al măsurandului,

metoda complexă, la care se determină simultan mai multe elemente ale măsurandului

D. după modul execuției măsurării, se deosebesc:

metode cu contact, la care există un contact mecanic direct între suprafețele de lucru ale mijlocului de măsurare și măsurand.

metode fără contact, la care nu există un contact direct între mijlocul de măsurare și măsurand.

E. după precizia măsurării, se deosebesc:

metode de laborator, la care se determină eroarea de măsurare și se ține cont de ea.

metode de atelier (uzuale), la care nu este necesară determinarea erorii de măsurare.

Decrierea procedurilor de aliniere cu laser.

Piesele active sint piesele a caror poziție va determina poziția part-ului, la fel ca si cazul pin-ilor, și această poziție trebuie să poata fi ajustată pentru obținerea preciziei cerută de producator (în general ±0.1mm pentru pini și ±0.15mm pentru mayler bloc, sau suprafeță activă). Acest deziderat se poate obține prin utilizarea unor piese-distanțier monobloc, numite spacer sau prin utilizarea unor pachete de piese distantier, numite shims. Spacerele monobloc pot fi cu dimensiunea nominală de 3mm, 4mm, 5mm etc., iar shim-urile pot fi cu dimensiuni nominale de 0.2mm, 0.5mm, 1mm, 2mm etc.

Prin combinații de shim-uri se pot obține ‘pachete’ de 3mm, 4mm, 5mm etc. Cel mai folosit este pachetul de shimuri de 5mm cu configurația shimurilor astfel: 1 x 2mm + 2 x 1mm + 2 x 0.5mm → 5mm. Această configurație este folosită de DACIA, ABB, KUKA etc, firmele VOLVO, LANDROVER, Jaguar, Ford folosesc in general spacer cu valoare nominală de 5mm, din care se face reglajul (maxim ±1mm față de valoare de 5mm, pentru suprafețele active și ±2 mm pentru strângere/închidere).

Precizia de executie si de montaj a unit-urilor (si a intregului fixture!) se verifica prin intermediul punctelor de control (pt. NC-uri, pini) si al gaurilor de control (pt. Base-uri, FRAME-uri etc).

Proiectantul de tooling trebuie sa aiba tot timpul in vedere accesul cu dispozitivele de masura pt. punctele de control, indiferent ca sint materializate doar de suprafete si gauri prelucrate precis, sau ca e vorba de bucse pt. montajul pinulelor (Icky Bolts) etc.