OBIECTIVE GENERALE ȘI OBIECTIVELE OPERAȚIONALE [301408]

INTRODUCERE

OBIECTIVE GENERALE ȘI OBIECTIVELE OPERAȚIONALE

Teza de doctorat „STUDII ȘI CERCETĂRI PRIVIND MĂSURAREA 3D A REPERELOR COMPLEXE DIN INDUSTRIA AUTO PRIN SCANARE MULTIPLĂ CU LASER” urmareste abordarea unitara a tuturor problemelor legate de masurarea 3D [anonimizat], [anonimizat], abordate , in viziunea prezentei teze.

[anonimizat]-tech, [anonimizat] a urmarit si realizarea urmatoarelor obiective derivate si operationale:

realizarea de studii aprofundate despre stadiul actual al cercetării in domeniul sistemelor mecatronice de măsurare și control integrat 3D, la nivel national si international:

studiu comparativ aprofundat bazat pe caracteristici tehnice și firme producătoare privitor la senzorii și traductoarele utilizate la sistemele de măsurare și control dimensional;

clasificarea senzorilor și traductorilor utilizați în aplicații industriale în funcție de tipul aplicației ([anonimizat]-electronici și echipamente video);

analiza sintetică a sistemelor de control în domeniul măsurărilor și controlului dimensional inteligent care a vizat principalele direcții de dezvoltare: calculatoare, microprocesoare, automate programabile și sisteme configurabile;

[anonimizat], [anonimizat]-se cele două arhitecturi (arhitectură de sisteme utilizate în

producție pentru controlul dimensional al pieselor implementat la compania S.C. DACIA S.A.) [anonimizat], [anonimizat].

analiza privind arhitectura geometrică a reperelor măsurabile incluzând și clasificarea și gruparea tipurilor de piese măsurabile;

[anonimizat];

stabilirea tipurilor de parametri ai sistemelor inteligente.

[anonimizat] ([anonimizat]);

descrierea ghidajelor și sistemelor mecatronice de transmitere a mișcării cu precizarea tipurilor și caracteristicilor tehnice ale acestora;

descrierea sintetică a [anonimizat], [anonimizat];

[anonimizat], respectiv roboți de măsurare;

prezentarea sintetică a sistemelor mecatronice;

prezentarea sistemelor mecatronice 3D;

prezentarea tipurilor de aplicații de control dimensional din domeniul auto.

conceptia unei noi configurati originale si optime de sistem mecatronic modular și adaptiv de control integrat tridimensional inteligent, pentru piesele si familiile de piese complexe din industria auto;

proiectarea, realizarea, testarea si validarea sistemului mectronic modular și adaptiv de control integrat tridimensional inteligent in conceptia autorului – obiectiv operational cu gradul cel mai inalt de tehnicitate si originalitate, si care insumeaza integrarea tuturor cunostintelor dobandite de autor .

analiza elementelor de control dimensional integrat contact sau non-contact -, analizându-se în ansamblu informații legate de automatizare, informatizare si

prezentarea de elemente de configurare a sistemelor mecatronice, care permit flexibilitate funcțională, sub aspectul subansamblelor mecanice precum și al componentelor electronice programabile și software.

elaborarea unui model virtual pentru un sistem modular și adaptiv de control dimensional pe care l-am proiectat și realizat în cadrul INCDMTM.

prezentarea schemei cinematice generale, schemelor cinematice pentru fiecare subsistem si analiza gradului de mobilitate al mecanismelor din cadrul fiecărui subsistem.

descriere si analiza detaliata a structurii hardware si software a sistemului modular și adaptiv de control dimensional, inteligent și ultraprecis.

realizarea fizica a sistemului mecatronic modular si adaptiv de control integrat tridimensional inteligent prin scanare laser

experimente si masuratori realizate in laboratoare specializate pentru evidentierea utilitati si importantei sistemului mecatronic inteligent de control integrat 3D prin scanare laser.

validarea sistemului mecatronic modular si adaptiv de control integrat tridimensional inteligent prin scanare laser.

CAPITOLUL I. STADIUL ACTUAL AL CONTROLULUI INTEGRAT ÎN INDUSTRIA AUTO LA NIVEL NATIONAL SI INTERNATIONAL

Istoria industriei auto și a controlului dimensional pe plan national si international

Industria de automobile este una din cele mai importante industrii în lume, determinând nu numai economia dar și cultura lumii. Ea asigură locuri de muncă pentru milioane de oameni și generează o bază pentru o multitudine de servicii. Automobilele au revoluționat transportul în secolele XX și XXI, schimbând pentru totdeuna modul de trai al oamenilor și afacerile. Acesta a permis transportul materialelor mai departe și mai repede și a deschis o piață largă pentru afaceri și comerț. Industria auto a redus costul total al transportului utilizând metode ca producția de serie, vânzarea în masă și globalizarea producției. Producătorii de automobile reprezintă momentan unele dintre cele mai mari companii ale lumii. Adesea, aceste corporații sunt multinaționale, având sucursale și fabrici în diferite țări și pe diferite continente fiind în același timp și distribuitori de piese pentru alte companii.

Înlocuirea progresivă a uneltelor tradiționale cu scule și echipamente tehnologice inteligente din ce în ce mai complexe constituie unul din cele mai importante aspecte ale evoluției proceselor de producție în toate domeniile industriale [1]. Creativitatea ființei umane, corelată cu cerințele de creștere permanentă a standardului de viață, constituie baza dezvoltării societății. Atributele producției de bunuri materiale se găsesc într-o continuă schimbare, caracteristicile reprezentative ale acestora în evoluția istorică fiind: EFICIENTA, în anii ’60; CALITATEA, în anii ’70; FLEXIBILITATEA, în anii ’80, RECONFIGURABILITATEA în anii ’90, INTRERSCHIMBABILITATEA în anii ’00, COMPETIVITATEA în anii 2010 și CUNOAȘTEREA INTELIGENTA în anii 2020 [2].

Primul vehicul, care a circulat pe un drum public a fost cel inventat de Nicolas Joseph Cugnot, în Franța, in anul 1769 care folosea un motor cu aburi. Primul motor cu ardere

internă ce folosea drept combustibil un amestec de hidrogen și oxigen a fost realizat de elvețianul Isaac de Rivaz in anul 1808 si instalat intr-un vehicul primitiv creand astfel primul autovehicul cu propulsie interna din lume. In anul 1903 Henry Ford infiinteaza firma Ford Motor Company, aceasta devenind cea de a treia companie care producea automobile din SUA. Cel mai de success automobil de serie al sau a fost renumitul Model T, produs incepand cu 27 septembrie 1908. La inceputul productiei se realizau 11 automobile/luna, acestea erau asamblate individual de oameni cu o calificare ridicată fiecare raspunzand astfel de masina creata. In 1920 schimbările structurale din economie datorate cresteri producției de masă au condus în SUA la apariția primului val de automatizare a producției, când Henry Ford introduce LINIILE DE TRANSFER și „OMUL ROBOT” ce deservesc cu ritmicitatea impusă procesele tehnologice de fabricație [2].

După ce a a introdus liniile de asamblare în fabrica sa, firma Ford Motor Company, a devenit cel mai mare producător de automobile din lume reușind ca în anul 1927 să producă 15 milioane de automobile model T (cat toti competitorii sai la un loc), cu ajutorul noilor linii de fabricație care reduceau timpul de asamblare până la 93 min/ automobil, față de 12.5 ore/ automobil.

Sistemul tehnologic introdus de Ford mărește considerabil productivitatea, determina scăderea costurilor de producție, dar este foarte rigid și lipsit de flexibilitate în ceea ce privește posibilitatea de prelucrare a unor clase diversificate de piese. In figura 1.1 este prezentat progresul tehnologic, de la inceputul fabricatiei automobilelor de serie (modelul T), introducerea liniilor de fabricatie si gradul de automatizare actual.

Figura 1.1. Comparatii linii de asamblare. (a) asamblare individuala a automobilelor Ford (1903); (b) liniile de fabricație Modelul T Ford (1925); (c) asamblare robotizată Michigan (2000)

Cel de-al doilea val de automatizare a producției a apărut în anii 50 în Japonia considerata un adevărat „Pearl Harbour” economic, caracterizata prin dezvoltări tehnologice deosebit de importante, cum ar fi microelectronica și robotică, cu consecințe importante în dezvoltarea rapidă a proceselor de automatizare a proceselor tehnologice industriale [1]. Astfel, spre exemplu, în cadrul tehnologiilor de prelucrare din construcția de mașini, se evidențiază apariția la începutul anilor 1960, în SUA, a MUCN-urilor (masinilor cu comanda numerica) cu și fără calculator încorporate (NC, CNC) și a celor cu control adaptiv (AC), de tip mașini specializate, respective centre de prelucrare eficiente mai ales în producția de serie mică. Anii ’70 sunt dominați de dezvoltări deosebite în domeniul microelectronicii, iar anii ’80 sunt considerați anii integrării roboților industriali mai ales în domeniul proceselor tehnologice de asamblare și montaj, în special prin sudura, lipire, deservire, etc. Ultimele decade ale secolului nostru sunt caracterizate din punct de vedere tehnologic de progrese majore în domeniile de mai sus, ce au permis un înalt grad de automatizare a producției așa cum se arătă în figura 1.2.

Figura 1.2. Evoluția automatizării producției si controlului dimensional

Trăsătura dominantă a automatizării specifice celui de al doilea val este impusă de aria de aplicație: producție în serie mică și mijlocie, care implică o mare flexibilitate atât a proceselor de prelucrare și montaj, cât și a celor de proiectare constructiv-tehnologică si de management, pentru ca produsul să fie livrat pe piață într-un timp cât mai scurt, dată fiind concurența acerbă intre diversele companii.

Noile tehnologii de prelucrare și montaj, corelate cu creșterea continuă a performantelor calculatoarelor și integrarea acestora în toate activitățile industriale, au constituit premizele dezvoltării sistemelor automate de tip SISTEME FLEXIBILE DE PRODUCȚIE (FMS – Flexibil Manufacturing System), sau Sisteme de PRODUCȚIE INTEGRATE printr-un sistem global de comandă sau conducere (CIM – Computer Integrated Manufacturing) [1].

Datorită progresului accelerat al tehnicii transferate în multiple inovații tehnologice, s-au creat condiții deosebit de favorabile pentru dezvoltarea producției și implicit a tehnologiilor de fabricație pe calea automatizării tuturor subsistemelor din componența proceselor tehnologice. Aceste măsuri au condus la reducerea costurilor de manopera prin scăderea, uneori prin eliminarea participării operatorilor umani la desfășurarea proceselor de producție. În acest mod se elimină sursa de producere a rebuturilor determinată de indisciplina tehnologică și o creștere a gradului de flexibilitate la trecerea de la un produs la altul, cu cheltuieli materiale și de activitate a operatorului uman minime, condiție esențiala pentru eficientizarea proceselor tehnologice [1].

1.1.1. Evolutia industriei auto la nivel international

Dezvoltarea fără precedent a industriei auto la nivel european înregistrată în ultimele 3 decenii s‐a bazat pe o cerere internă în continuă expansiune, determinată la rândul său de factori interni precum creșterea gradului de motorizare în țările europene și de mărirea și întinerirea mai rapidă a parcului auto, pe de o parte și de creșterea spectaculoasă a piețelor emergente (piețele asiatice, în special cea chineză), pe de altă parte. Conform celor mai recente date statistice publicate de către Asociația Europeană a Producătorilor de Autovehicule (ACEA), cifra de afaceri anuală realizată de către companiile europene din domeniu s‐a ridicat în anul 2013 la peste 843 miliarde euro, reprezentând 6,6% din produsul intern brut comunitar. Industria auto europeană acordă o atenție sporită conformării cu politicile naționale și europene de mediu. Astfel, s‐au depus eforturi susținute în direcția reducerii cantității de emisii de gaze cu efect de seră prin crearea unor motoare cu un consum redus de combustibili, în paralel cu creșterea performanțelor tehnice ale noilor autovehicule și prin dezvoltarea autovehiculelor electrice [3].

Progrese remarcabile s‐au făcut, de asemenea, în direcția creșterii siguranței pasagerilor și a celorlalți participanți la trafic și îmbunătățirea confortului pasagerilor. Aceste evoluții tehnologice au fost posibile grație investițiilor considerabile în cercetare‐dezvoltare‐inovare, realizate de marile companii europene si internationale din sectorul auto. Conform datelor statistice publicate de către Asociația Europeană a Producătorilor de Autovehicule, investițiile în cercetare–dezvoltare ale firmelor din industria auto au totalizat în anul 2013 peste 32 miliarde euro, reprezentând 3,8% din cifra de afaceri realizată de acest sector economic. Aproape 10 mii brevete sunt înregistrate anual în industria auto europeană. Acest efort investițional susținut a permis obținerea unor progrese tehnologice remarcabile, care fac din industria auto unul din principalii vectori ai creșterii competitivității economiei țărilor europene și consolidarea poziției de lider în domeniul producției auto.

Industria autovehiculelor reprezintă peste 3% din PIB-ul european și peste 7% din locurile de muncă în sectorul de producție și se impune ca un sector cheie al economiei europene. Concurența internațională mai acerbă, costurile fixe substanțiale, prețurile deosebit de ridicate pentru materiile prime și energie, surplusul de capacitate structurală, restructurările și schimbarea locurilor de producție îngrijorează constructorii, lucrătorii și consumatorii. Incepand cu anul 2005 productia echipamentelor si tehnologilor high-tech de control dimensional din Europa si, in special, din grupul EU 27 a crescut, in ciuda crizei financiare cu peste 25%, in Romania cresterea exporturilor de componente auto fiind de peste 22% (figura 1.3), ceea ce inseamna necesitatea unui control integrat mult mai rapid si mai precis.

Figura 1.3. Evolutia si ponderea exporturilor de componente auto din Romania

Câteva cifre statistice sunt edificatoare pentru a arăta importanța contribuției sectorului auto la crearea de locuri de muncă și creșterea nivelului de ocupare în țările europene. În anul 2013, activau în industria auto din Europa – direct sau în activitățile industriale conexe ‐ aproximativ 3 milioane de persoane. Alte 9,8 milioane de salariați își desfășurau activitatea în alte sectoare economice aflate în legătură directă cu sectorul industriei auto (vânzări, închirieri, întreținere, reparații, transporturi rutiere, construcții drumuri, etc.). În total, 12,9 milioane de persoane sunt angajate în activități economice aflate în legătură cu industria auto [4].

Sectorul autovehiculelor, bazat în mod tradițional pe producție, se bazează din ce în ce mai mult pe informație și, în prezent, este cel mai mare investitor industrial european în domeniul cercetării și dezvoltării (în jur de 5% din cifra de afaceri a sectorului). Atât în interesul competitivității sectorului, cât și al siguranței și al protecției mediului, este crucial să se încurajeze cercetarea industrială, dezvoltarea și demonstrarea tehnologiei în domeniile strategice (vehicule inteligente, vehicule nepoluante, biocombustibili de a doua generație, pile cu hidrogen, pile de combustie, etc.) acestea necesitand un control dimensional integrat foarte riguros.

1.1.2. Evoluția industriei auto la nivel national

După un deceniu de scădere aproape continuă a industriei auto din țara noastră, tendința s-a inversat începând cu anii 2000, iar România se numără astăzi printre statele europene cu cea mai rapidă creștere a producției auto. Această evoluție se datorează investițiilor străine realizate de importante companii din domeniul industriei auto (Renault, Daewoo, si înlocuită în 2008 de Ford Company ‐ firme care au preluat Uzinele Dacia și Uzina de Autoturisme Craiova), care, la rândul lor, au atras investiții semnificative din partea producătorilor de diverse părți componente și subansamble auto (Continental, DTR Draexlmaier, Autoliv, Schaeffler, SNR Roulments, Stabilus, Takata, Faurecia Seating, Kromberg & Schubert, etc). Potrivit datelor Băncii Naționale a României, soldul investițiilor străine directe în industria mijloacelor de transport se ridica la peste 3,17 miliarde euro la sfârșitul anului 2012, cea mai mare parte a acestora fiind concentrate în subdomeniul auto. Numărul de vehicule asamblate în România în anul 2013 a atins cifra de 411 mii, cea mai mare parte a producției fiind exportată. La aceasta se adaugă producția de piese și subansamble auto ce intră în componența unor mărci de prestigiu.

Dacia Group Renault, principalul producător de automobile din România, a luat ființă în anul 1966, odată cu crearea Uzinei de Autoturisme de la Mioveni. După 2 ani, a fost produsă prima Dacia 1100 sub licență Renault 8. În anul 1999, Renault a achiziționat 51% din capitalul societății în urma procesului de privatizare, iar în prezent deține 99,43% din capitalul Dacia. Compania a parcurs un amplu program de modernizare: refacerea instalațiilor industriale, reorganizarea rețelei de furnizori, reconstrucția rețelei comerciale, reorganizarea activităților și formarea angajaților. Acestea s-au concretizat în obținerea a trei standarde de management al calității, dintre care unul în domeniul protecției mediului.

Investițiile totale realizate de Renault la Dacia, de peste 2,2 miliarde euro, au contribuit la poziționarea Dacia ca una dintre cele mai importante companii din economia românească, cu o contribuție semnificativă la produsul intern brut și la exporturile țării. În 2014, Automobile Dacia a devenit compania cu cea mai mare cifră de afaceri din România. Obiectivul Dacia este acela de a produce o gamă de vehicule robuste, fiabile și accesibile pentru clienții români și străini, la standarde de calitate Renault.

Calitatea produselor Dacia este recunoscută la nivel international, în cadrul sondajelor realizate de institute și publicații de specialitate, clienții Dacia se declară foarte satisfăcuți în legătură cu calitatea mașinilor Dacia. Peste 93% din producția Uzinei de Vehicule de la Mioveni este exportată în 34 de țări de pe patru continente.

Platforma Industriala Dacia este compusa din doua uzine mari UVD ( Uzina Vehicule Dacia) si UMCD ( Uzina de Sasiuri Dacia) la care se adauga o serie de diferite centre logistice.

Cu o capacitate de producție de 350.000 unități pe an, Uzina Vehicule Dacia asigură atât producția gamei de vehicule formată din Logan berlină, Logan MCV, Logan Van, Dacia Sandero și Dacia Duster, cât și fabricarea de piese de schimb. Cadența de fabricație este de 64 de autovehicule/oră, ceea ce înseamnă că practic, la fiecare 55 de secunde de pe banda de montaj iese o masina. Asamblarea se realizeaza in mare parte manual (figura 1.4) de catre personalul specializat din cadrul liniilor de fabricatie existente. În prezent, nivelul de automatizare a proceselor de fabricație vehicule și mecanică este de 5%, urmand a se ajunge in urmatori ani la un grad de 20%.

Figura 1.4. Asamblare DACIA GROUP RENAULT

În cei peste 40 de ani de existență, Uzina a produs 8 modele diferite: Dacia 1100, Dacia 1300, Dacia Nova, Dacia SupeRNova, Dacia Solenza, Dacia Logan (cu versiunile berlina, break, furgon si pick-up), Dacia Sandero și Dacia Duster, în total peste 4 milioane de vehicule (figura 1.5). Uzina este organizată în patru departamente de fabricatie: Presaj, Caroserie, Vopsitorie și Montaj. O altă activitate importantă a Uzinei Vehicule este fabricarea de piese pentru celelalte uzine Renault care asamblează modelele Logan si Duster: Brazilia, Rusia, Maroc, Columbia, Iran, India și Africa de Sud.

Figura 1.5 . Evolutie modele de autoturisme Dacia

Uzina Mecanica și Șasiuri Dacia acoperă o paletă largă de activități: fabricarea pieselor brute din aluminiu, uzinarea și asamblarea motoarelor și a cutiilor de viteze, uzinarea pieselor și montajul semi-punților față și spate, presarea și sudarea osiilor și cadrelor GMP (Grup Moto Propulsor) pentru vehiculele din gama Dacia, Renault si Nissan produse în întreaga lume.

Uzina Mecanica și Șasiuri Dacia este organizată în patru departamente de fabricație (care numără 123 linii de producție): Aluminiu, Motoare, Cutii de Viteze si Șasiuri (figura 1.6). În zece ani (2004 – 2013) au fost fabricate aproximativ 1.750.000 de motoare, K7x și 2.500.00 de cutii de viteze JHx. În perioada 2008 – 2013 au fost produse aproximativ 1.230.000 de cutii de viteze TLx. Peste 65% din producția uzinei este destinată exportului către uzine din Grupul Renault si Nissan.

Figura 1.6. Asamblare motoare linie de fabricatie Dacia

Ford România este un producător de automobile cu sediul în Craiova, România, subsidiar companiei americane Ford. Uzina a fost înființată în anul 1976 ca societate mixtă româno–franceză Oltcit (guvernul României – Citroën). În 1991, prin preluarea acțiunilor Citroën (care decide să se retragă din asociere) de către statul român, Oltcit devine Automobile Craiova. În 1994, Automobile Craiova împreună cu grupul sud-coreean Daewoo formează compania mixtă Daewoo Automobile România, pentru ca, în anul 2006, guvernul român să răscumpere acțiunile părții coreene, redevenind acționar majoritar.

În anul 2007, Ford a oferit 57 milioane de euro pentru 72,4% din acțiunile Automobile Craiova. Ford a preluat oficial Automobile Craiova în martie 2008. Noul acționar a început proiectul de modernizare în luna mai 2008, iar în primăvara anului 2009 a achiziționat și un pachet de 22% din acțiunile Automobile Craiova deținute de SIF Oltenia.

Ford și-a luat angajamentul că va realiza o producție de minimum 200.000 de mașini în al patrulea an de la privatizare, va efectua o serie de investiții în valoare totală de circa 800 milioane de euro și că va păstra toți angajații.

Producția de automobile la Uzina Ford din Craiova a început pe 8 septembrie 2009, însă într-un ritm foarte scăzut, cu aproximativ 10 automobile pe zi, producând până la sfârșitul lui 2009 aproximativ 1.000 de unități (figura 1.7). În anul 2013 au fost instalate la uzina din Craiova capacitățile de producție necesare fabricării a 350.000 de unități pe an.

Figura 1.7. Linie de fabricatie Ford Romania

În Romania, desi s-au facut unele progrese in modernizarea echipamentelor si tehnologiilor, utilizarea in mai multe ramuri ale industriei a unor tehnologii si echipamente invechite, consumatoare mari de energie si materii prime, a dus la reducerea drastica a productivitati in aceste sectoare, industriile high-tech fiind insuficient dezvoltate sau inexistente.

Decalajele de competitivitate ale României se datorează unei multitudini de factori, printre care, un loc important îl ocupă insuficienta dezvoltare a industriilor high-tech, in special a celor nepoluante și care pot contribui la perfectionarea tehnologică a altor echipamente industriale de prelucrare superioară a resurselor naturale ale țării noastre.

In industria constructoare de masini vechile tehnologii sunt mari consumatoare de materii prime si energie, iar rezultatele acestora sunt foarte putine sau slabe. Cea mai marea provocare pentru industria românească este creșterea ponderii produselor high-tech, rezultate intensive ale cercetarii, cu o valoare adăugată ridicată. Din acesta categorie fac parte produsele din industria aerospațială, computerele, produsele electronice și pentru telecomunicații, produsele industriei farmaceutice, instrumentele științifice, mașinile electrice, autovehiculele, produsele chimice și armamentul.

In Romania inovarea in industria auto a avut ca sursa aproape in exclusivitate importurile tehnologice in ultimele doua decenii, cercetarea nefiind, practic, stimulata deloc, desi in alte tari stimulentele sunt foarte consistente. Transferul tehnologic continua sa ramana o problema grea a cercetarii romanesti, din diverse motive si de aceea tehnologiile high-tech de control dimensional au de suferit. Nu este numai o problema de legislatie sau de structuri organizatorice. Se pune problema: ce tehnologii si produse transferam si cui?

In lume transferul de tehnologie este sprijinit de stat:

a) in domeniul tehnologiilor high-tech de control integrat;

b) in beneficiul unor intreprinderi inovative (bine-inteles – private).

Resursele umane sunt o necesitate absoluta si pentru asigurarea competitivitatii cercetarii romanesti (inclusiv pentru impactul ei in dezvoltarea economiei nationale) fiind un argument important si pentru investitiile straine, insa la noi cercetarea nu mai este atractiva pentru tineri si astfel unitatile de CDI pierd importante resurse.

Competitivitatea globală a Europei și, desigur și a României, depinde de un sector high-tech puternic intru-cat tehnologia joacă un rol esențial pentru aproape fiecare industrie, în special pentru industria constructoare de mașini și produse inteligente, care pot ajuta la utilizarea eficientă a resurselor naturale. Un sector high-tech sănătos este un motor de inovare, care poate oferi companiilor industriale o susținere importanta, într-un mediu extrem de competitiv.

Exporturile realizate de industria auto la nivel național însumează în 2013 peste 7 miliarde euro reprezentând 14,3% din totalul exporturilor României. Valoarea exporturilor a avut o creștere exponențială în doar 10 ani (de la 0,44 miliarde euro în 2003 la 3,55 miliarde euro în anul 2009 și la 7,07 miliarde în 2013), susținând semnificativ creșterea economiei românești.

Potrivit datelor Asociației Europene a Producătorilor de Autovehicule, numărul angajaților in sectorul auto din România s‐a ridicat la aproximativ 117 000 în anul 2013, iar potrivit datelor Institutului Național de Statistică (INS) la 134 622 persoane (12,6% din totalul salariaților din industria prelucrătoare). Salariul mediu brut calculat de INS la nivelul industriei auto era, în iulie 2013, de 2866 lei, cu 27% peste salariul mediu brut calculat la nivelul întregii economii. Costul încă scăzut al forței de muncă și competența profesională a angajaților sunt cei doi factori ce au influențat decizia firmelor din domeniul auto de a investi în Romania.

Privită prin prisma dezvoltării unei economii bazate pe cunoaștere, deosebit de importantă este crearea unor centre tehnologice precum Centrul de Tehnologie Renault de la Titu (investiție de aproximativ 100 milioane euro) care concentrează cele mai înalte competențe din domeniul tehnologiilor auto și contribuie la dezvoltarea de noi produse. Multiplicarea acestui tip de investiții prin crearea unor noi astfel de centre (Centrul de Cercetare și Dezvoltare al firmei Continental din Timișoara, Centrul de Cercetare al companiei Bosch din Cluj Napoca, Centrul de Cercetare și Dezvoltare al firmei Continental din Iași, Centrul de Inginerie și Dezvoltare Autoliv din Brașov, etc.) favorizează întărirea legăturii cercetare – producție, permițând valorificarea potențialului de inovare al specialiștilor români și sporirea valorii produselor realizate.

Perioada tranziției către economia de piață s‐a dovedit dificilă pentru sectorul auto, puține dintre vechile companii românești din industria auto reușind să se adapteze noilor condiții de piață și să rămână profitabile [5]. Începând cu anii 2000, în România au pătruns prestigioase firme europene în domeniul auto, aceste companii fiind atrase de disponibilitatea forței de muncă și costurile salariale scăzute, pe de o parte și de stabilitatea mediului economic și dispariția taxelor vamale după aderarea României la Uniunea Europeană, pe de altă parte. Regiunea Centru, alături de Regiunea Vest și de Regiunea Sud Muntenia se numără printre zonele cu cea mai rapidă creștere a investițiilor străine în domeniul auto. Se produc diverse componente precum rulmenți, arcuri, transmisii, elemente ale cutiilor de viteză, volane, cabluri electrice, subansambluri electronice, matrițe, airbag‐uri, tapițerii auto, anvelope, caroserii, remorci. Unitățile de producție variază mult ca dimensiuni și număr de locuri de muncă, pornind de la unități mici cu câteva zeci de salariați la unități cu peste 3000 salariați în cazul fabricii Ina Schaeffler de la Brașov.

In Romania, valoarea exporturilor de piese și componente auto a crescut de cca 5 ori în perioada 2003‐2013, creșterea fiind mai rapidă decât dinamica exporturilor totale de bunuri ale regiunii, calculată pentru aceeași perioadă (3,8 ori). În termeni valorici, exporturile sectorului auto totalizează în anul 2013 peste 972 milioane euro, reprezentând 14,3% din exporturile regiunii, o pondere similară înregistrându‐se la nivel național. Cea mai marea provocare pentru industria românească este creșterea ponderii produselor high-tech, rezultate intensive ale cercetarii, cu o valoare adăugată ridicată.

In Romania principala entitate care isi desfasoara activitatea in domeniul cercetarii științifice (atât fundamentala, cât și aplicativa), dezvoltarii tehnologice a echipamentelor de masura si control dimensional si elaborarea și perfecționarea tehnicilor de măsurare pentru industria auto, este Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Mecatronică si Tehnica Masurării (INCDMTM) Bucuresti.

In Romania, INCDMTM este primul și singurul institut național al cărui obiect de activitate îl reprezintă mecatronica, un domeniu recent, cu mare grad de specializare și, in același timp, interdisciplinar, o știință și o inginerie integratoare inovatoare care înglobează cunoștințe noi din ariile mecanică de precizie, electronică, electrotehnică și informatică. De aceea, în calitate de deschizător de drumuri și de strateg al domeniului, INCDMTM desfășoară o paletă largă de activități, menite să asigure dezvoltarea acestei noi științe, dar și să stimuleze progresul social. Acesta are o experienta de peste 40 de ani in domeniul sistemelor mecatronice de control dimensional fiind principal furnizor si dezvoltator de variate produse și tehnologii mecatronice (convenționale sau neconvenționale) pentru firmele din industria auto nationala si internationala.

INCDMTM dispune de o baza de cercetare si dezvoltare in domeniul sistemelor si echipamentelor mecatronice high-tech de masura si control dimensional formata din laboratorare specializate pe diferite domenii de cercetare (mecatronica, electronica, informatica etc) si personal specializat cu vasta experienta in domeniu. Acesta asigura mare parte din nivelul de cercetare si dezvoltare pentru sistemele de control integrat la nivel national prin realizarea si dezvoltarea de:

echipamente și instalații mecatronice inteligente de măsurare pentru mărimi neelectrice (presiuni, temperaturi, mase, forțe, timp),  în special senzori și traductoare;

aparatură inteligentă de laborator (destinată cercetării științifice); ex: echipamente de monitorizare din domeniul geofizic și seismologic;

materiale noi, tehnologii de bază și neconvenționale, standuri și utilaje specifice domeniului;

acțiuni specifice procesului de transfer tehnologic și valorificare a rezultatelor cercetării;

modele experimentale și prototipuri (figura 1.8).

INCDMTM mai desfasoara si activitati de:

efectuarea de cercetări în domeniul ingineriei calității;

realizarea de sisteme informatizate de control și asiguare a calității;

oferirea de consultanță pentru implementarea managementului calității în unități industriale;

generarea de tehnologii și proceduri pentru testarea și investigare de laborator și în procesele de producție;

elaborarea de tehnici și metode dedicate creșterii competitivității și fiabilității produselor.

Figura 1.8. Echipament mecatronic de control parametri motor (cuplul rezistent, joc axial și prezență cuzineți) realizat de INCDMTM Bucuresti.

Controlul inteligent integrat în industria auto

O dată cu dezvoltarea producției de piese în a doua jumătate a secolului al XIX-lea au început să apară unele preocupări tehnico-științifice sistematice în domeniul calității, a căror evoluție s-a desfășurat în mai multe etape, cu caracteristici specifice: etapa inspecției calității, etapa controlului calității prin metode statistice, etapa asigurării calității și etapa calității totale. La sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului XX, F.W. Taylor a formulat o serie de principii de conducere și organizare științifica a activităților din întreprindere, care separă activitățile celor care proiectează de partea de execuție și control. Taylor a atribuit inginerilor și specialiștilor sarcina de a proiecta activitățile și a lăsat muncitorilor și inspectorilor responsabilitatea execuției și calității lucrărilor [1].

Responsabilitatea pentru calitatea produselor o au executanții, care trebuie să execute produse conform cu specificațiile, iar aprecierea acestei conformități revine inspectorilor de calitate. Calitatea era asigurată, în principal, prin controlul final al pieselor, respectiv al produselor, urmărindu-se identificarea celor neconforme. Așadar, asigurarea calității cuprindea doar inspecția calității efectuată “post-proces”, în scopul de a stabili dacă este realizată conformitatea cu specificațiile pentru produse.

Sistemul dezvoltat de Taylor (denumit sistem taylorist) a reușit să realizeze creșteri spectaculoase ale productivității, a condus la specializarea lucrărilor efectuate de indivizi, în particular la nivelul forței de muncă. Acestor avantaje li s-au contrapus o serie de trăsături negative, precum:

muncitorii nu înțeleg cum contribuie activitatea lor individuală la obiectivele întreprinderii;

reacția inversă a informațiilor (feedback-ul) către muncitori, necesară pentru reglarea proceselor, este deseori inadecvată sau chiar inexistentă;

se asigură oportunități reduse muncitorilor pentru a participa la proiectele de îmbunătățire a calității.

În anii ’20 începe o nouă etapă în abordarea calității, caracterizată prin aplicarea tehnicilor statistice de control. Încă din anul 1925, W.A. Shewhart propune utilizarea “diagramei de control statistic al calității”, destinată controlului statistic pe fluxul de fabricație. Prin aplicarea tehnicilor statistice la controlul proceselor de fabricație se pot observa în timp util abateri ale caracteristicii de calitate de la valorile impuse prin specificații, se identifică și se înlătură cauzele care pot provoca aceste abateri.

În anii celui de-al doilea război mondial, profesorul W. Edward Deming întreprinde demersuri privind utilizarea metodelor statistice în industria de armament a S.U.A. introducând conceptul de nivel de calitate acceptabil (Acceptable Quality Level), care exprimă procentul maxim al produselor defecte pentru care lotul se consideră acceptabil din punct de vedere al calității medii a produselor verificate în cadrul unui plan de control statistic.

În anii ’50, în Japonia capătă o largă extindere metodele statistice, impulsionate de cursurile ținute de J.M. Juran și W.E. Deming, sub sloganul “calitatea este problema tuturor”. A treia etapă esențială în evoluția problematicii calității începe după 1950 – etapa “ASIGURĂRII CALITĂȚII”. Experții americani Deming, Feigenbaum, Juran au elaborat concepte noi în domeniul asigurării calității, care și-au găsit aplicabilitate mai întâi în Japonia. Controlul total al calității, ca modalitate de asigurare a calității, “este un sistem eficace, conceput astfel încât fiecare din grupurile ce compun o organizație să-și aducă propria sa contribuție la realizarea, menținerea și îmbunătățirea calității” (Armand V. Feigenbaum, S.U.A., 1961). Conceptele noi ale asigurării calității au fost dezvoltate ulterior, în Japonia, de profesorul Kaoru Ishikawa [6].

Noua abordare a calității are în vedere controlul efectuat cu accentul pe prevenirea defectelor, cu un larg domeniu de activități controlate, de persoane și compartimente implicate:

controlul calității începe de la proiectarea produsului și se termină cu livrarea acestuia către client;

controlul este efectuat atât de personal de control specializat, cât și de către fiecare persoană implicată în procesul de fabricație;

pentru a realiza obiectivele “asigurării calității” este necesară implicarea tuturor compartimentelor întreprinderii.

Transpunerea în practică a conceptului de asigurare a calității înseamnă că eforturile trebuie să fie orientate spre eliminarea defectelor, urmărindu-se înlocuirea controlului clasic, bazat pe constatare, cu tehnici de verificare și autocontrol al operatorilor, utilizate în toate etapele realizării produsului [7].

Activitățile de control desfășurate în sistemul de asigurare a calității devin control total, care se extinde la toate activitățile ce contribuie la asigurarea unui anumit grad de satisfacere a cerințelor clienților:

controlul proiectului (de produs, de tehnologie);

controlul documentelor, instrucțiunilor de lucru și de asigurare a calității sub aspectul clarității, al integrității etc.;

evaluarea capabilității procesului de fabricație de a asigura obținerea produselor în conformitate cu cerințele de calitate, înainte de trecerea la fabricația de serie;

controlul resurselor utilizate: evaluarea capacității furnizorului de a realiza produse de calitate, verificări și probe de recepție ale produselor aprovizionate, verificarea contractelor cu beneficiarul, verificarea cunoștințelor și aptitudinilor personalului etc.;

controlul proceselor de fabricație etc.;

controlul și încercarea produselor finite;

controlul condițiilor de manipulare și depozitare;

controlul metrologic și al SDV-urilor;

urmărirea comportării în exploatare a produselor, probe de fiabilitate și mentenabilitate.

Conceptul de “calitate totală” diferă esențial de preocupările care puneau accentul pe controlul calității și este de înțeles o extindere a problematicii calității la toate funcțiunile și la toate nivelurile structurii organizatorice, de la directorul general la ultimul angajat, fiecare în parte trebuind să participe la procesul de îmbunătățire continuă a calității [6]. Conceptul “calitate totală” are la bază următoarele principii:

implicarea tuturor compartimentelor întreprinderii în realizarea și ameliorarea calității;

în cadrul fiecărui compartiment toți salariații au atribuții precise privind calitatea;

problema calității este în primul rând o problemă de evitare a defectelor (imperfecțiuni, neconformități, defecte, etc.), dar totodată de creștere a nivelului calitativ al produselor sau serviciilor;

toate etapele traiectoriei produsului sunt luate în considerare în vederea asigurării calității.

Implementarea principiilor calității totale este astăzi predominantă în întreprinderile moderne pentru că asigură satisfacerea cerințelor clienților, creșterea vânzărilor și reducerea costurilor prin evitarea risipei de timp, materiale și energie.

In Romania INCDMTM a dezvoltat o serie de tehnologii si sisteme high-tech de control al calitati in industria auto pentru principali constructori si furnizori de piese din tara (Dacia Group Renault, Ford Romania, Renault Technologie Roumaine, SC. Componente Auto Topoloveni, etc), realizand trecerea de la sistemele clasice de control (joje si calibre, palpatoare mecanice, ceas comparator, tampoane pneumatice) la sistemele mecatronice cu arhitecturi de senzori si traductoare contact si non-contact (figura 1.9).

(a) (b) (c)

Figura 1.9. Echipamente mecatronice pentru controlul reperelor auto. (a) echipament cu ceas comparator; (b) echipament cu joje si calibre; (c) echipament mecatronic inteligent cu ciclu automat.

Controlul dimensional inteligent integrat în industria auto

În procesul de fabricație, tehnica măsurării are drept scop captarea și prelucrarea mărimilor și vectorilor de măsurat (unidimensionale/ multidimensionale), transformarea semnalelor de măsurare, convertirea și corectarea valorilor de măsurare, în vederea obținerii valorii măsurandului.

În mod tradițional (clasic) controlul calității produselor se realizează folosind metode manuale de inspecție (verificare) și diverse proceduri statistice de prelevare a probelor, care sunt, în general mari consumatoare de timp, materii prime si spatiu; presupun o activitate precisă, dar și monotonă. De multe ori, controlul presupune și transferul pieselor sau produsului de la locul de producție în amenajări speciale cu consecințe asupra timpului de fabricație sau cu blocaje uneori asupra procesului de producție. Totodată, în procesul statistic de prelucrare a probelor, se asumă riscul ca unele produse cu defecțiuni să scape inspecției, de unde rezultă o marjă de eroare sau procentaj de piese defecte specifică controlului statistic (datorate operatorului sau chiar metodologiei de proiectare standardizată, spre exemplu a calibrelor T și NT pentru controlul dimensional sau geometric) [1].

Pentru eliminarea sau diminuarea acestor dezavantaje importante se impune, mai ales în cazul producției de serie, acolo unde controlul calității suprafețelor prelucrate cu ajutorul calibrelor după terminarea prelucrării devine eficient, dacă se ține seama și de metodologia de proiectare optimizată a dimensiunilor active ale acestora în conformitate cu cele prezentate în lucrări. De asemenea, un alt dezavantaj al controlului tradițional îl reprezintă faptul că se realizează după ce piesele au fost deja produse, iar numărul pieselor rebutate nu mai poate fi influențat; pentru micșorarea numărului de rebuturi sunt necesare costuri suplimentare cu ajustarea rebuturilor recuperabile [6].

Din cele prezentate, rezultă câteva motive de ordin economic, social și tehnologic, care au impus modernizarea procesului de control al calității, mai ales prin utilizarea măsurilor de automatizare si tehnologizare high-tech a acestuia.

Astfel, factorul economic include:

costuri mari ale produsului de inspecție pe cale statistică;

consum de timp ridicat și întârzierile produse in procesul de producție.

Factorul social include:

cererea tot mai mare și pretenția clienților de produse „perfecte” din punct de vedere a mai multor parametri de performanță;

regulamentele și standardele impuse pentru a asigura protecția consumatorului;

tendința inspectorului uman de a fi de multe ori subiectiv, care conduce le compromiterea calității produsului inspectat.

Factorul tehnologic cuprinde:

progresele deosebite ce se înregistrează în automatizarea controlului calității;

dezvoltarea aplicabilității microprocesoarelor în cele mai diverse domenii;

îmbunătățirile aduse tehnicilor de proiectare și construcție a senzorilor fără contact și deci de a putea controla produsul în timpul procesului de lucru cu consecințe favorabile și asupra productivității.

Toți acești factori au condus la introducerea și dezvoltarea cat mai des posibil a controlului calității asistată de calculator (CAQ – Computer Aided Quality Control). Alte acronime folosite pentru descrierea acestui proces ce caracterizează calitatea produsului sunt și:

inspecție asistată de calculator (CAI – Computer Aided Inspection);

testare asistată de calculator (CAT – Computer Aided Testing).

Obiectivele urmărite, în special prin utilizarea echipamentelor de procesare electronice (calculatoare industrial, placi de achizitie date si senzori) în controlul calității produselor, sunt următoarele:

îmbunătățirea calității produselor;

creșterea productivității în procesele de inspecție;

creșterea productivității procesului de producție.

Strategia abordată pentru realizarea acestor obiective este, mai ales, automatizarea controlului prin folosirea calculatorului în combinație cu o tehnologie avansată de senzori și traductoare, integrata în structura sistemului tehnologic de fabricație.

Acolo unde este posibil și fezabil din punct de vedere economic, verificarea va fi făcută pe 100% din lotul aflat în lucru [8].

Efectele cele mai importante ale folosirii CAQ sunt:

cu CAI și CAT inspecția și testarea sunt realizate pentru o rată de 100% din întregul lot;

procesul de inspecție este integrat în procesul de producție și deci nu mai necesită deplasarea pieselor pe bancuri speciale sau alte spații pentru verificare, decât în situații speciale;

utilizarea senzorilor fără contact este facilitată de implementarea CAQ; în schimb cu dispozitive cu senzori sau traductoare cu contact, piesa trebuie să fie oprită și repoziționată pentru realizarea controlului, cu cheltuieli de timp și costuri de producție, iar de cele mai multe ori devine imposibil controlul în timpul prelucrării.

Folosind echipamente de măsurare sau control cu senzori și traductoare fără contact, de multe ori piesele pot fi verificate (testate) „activ”, iar procesul de inspecție se derulează foarte rapid, neafectand astfel ciclul de productie;

folosirea senzorilor și traductoarelor fără contact și utilizarea calculatorului pentru prelucrarea datelor permite „adaptarea procesului în sensul optimizării desfășurării acestuia” (vezi sistemele adaptive de prelucrare) în concordanță cu una sau mai multe funcții obiectiv;

în controlul tradițional se acceptă un procent mai mic de produse necorespunzătoare din punct de vedere calitativ, în mod obiectiv, determinat de subiectivismul operatorului sau de metodologia de lucru cu instrumente universale de măsurare sau cu cele limitative (calibre). Cu ajutorul CAQ se atinge aproape perfecțiunea și controlul calității produselor;

implicațiile de necesar de personal unde se aplică CAQ sunt mai mici față de inspecția manuală, deci personalul implicat în CAQ trebuie să aibă o calificare înaltă pentru a putea opera echipamentele complexe de inspecție și testare sau de prelucrare și montaj.

Sistemele de control implementate în cadrul industriei își desfășoară activitatea în condițiile respectării unor cerințe continuu actualizate privind calitatea produselor pe care le controlează [6]. Aceste cerințe se referă la necesitatea respectării și îmbunătățirii continue a următoarelor aspecte:

caracteristicile produselor;

fiabilitatea și/ sau siguranța în funcționarea produselor;

protecția împotriva răspunderilor juridice pentru neconcordanța între produse și condițiile de utilizare.

Pentru ingineria sistemelor de producție, metodele și tehnicile de control și asigurare a calității prezintă interes deosebit prin efectele economice deosebite, în sensul reducerii costurilor. În sensul cel mai actual, asigurarea și controlul calității semnifică dezvoltarea și realizarea specificațiilor necesare pentru a produce în condiții economice și în măsura adecvată calitatea, interschimbabilitatea, eficiența și durata de viață care să asigure unui produs piața de desfacere actuală și de perspectivă.

În cea mai largă accepțiune se consideră că există trei fațete ale calității:

crearea calității;

măsurarea calității;

monitorizarea calității.

Deoarece componentele care intra în structura automobilului sunt produse în diferite locații și trimise în zonele de montaj, acestea trebuiesc testate pentru a se vedea dacă corespund calitativ și dacă sunt interschimbabile.

În construcția de mașini, ca și în alte domenii industriale, controlul calității produselor este organizat sub patru forme: înainte de prelucrare, după prelucrare (pasiv), în timpul prelucrării (activ) sau integrat [8].

Controlul pasiv constă în verificarea preciziei pieselor după ce întregul lot a fost prelucrat, caz în care este exclusă prevenirea rebutului (de aici noțiunea de „pasiv”).

Controlul activ se desfășoară în timpul prelucrării pieselor din lot și are drept scop dirijarea procesului tehnologic, pentru a se evita apariția rebutului. Controlul se poate efectua în timpul prelucrării propriu-zise (fără îndepărtarea piesei din dispozitivul de lucru) sau imediat după prelucrare, informația despre măsurare fiind folosită în acest caz la reglarea sistemului tehnologic pentru obținerea piesei următoare.

Controlul integrat cuprinde totalitatea caracteristicilor tuturor tipurilor de control (inainte de prelucrare, in timpul prelucrarii si dupa prelucrare) fiind principalul mod de eliminare a rebuturilor.

Controlul pasiv se poate face în următoarele variante:

controlul 100% al pieselor finite, care se aplică în următoarele situații:

sortarea pe grupe de dimensiuni, în vederea asamblării selective (utilizată pentru produse de precizie cinematică ridicată: rulmenți, pistoane, cămăși de cilindru ale motoarelor autovehiculelor, arbori principali ai mașinilor unelte, etc.);

la controlul parametrilor pieselor de mare importanță (spre exemplu, în industria aeronautică);

atunci când câmpul de împrăștiere al dimensiunilor, datorită utilajului necorespunzător, depășește câmpul de toleranță prescris.

Controlul pasiv se poate efectua cu mijloace de măsurare universale specializate mecanizate sau automatizate uni sau multiparametrice.

controlul prin sondaj, care se aplică la recepția unor loturi de piese de către beneficiari sau după operațiile la care se execută controlul activ, precum și la controlul unor parametri de mai mică importanță pentru funcționara produsului.

controlul statistic, care se aplică în cazurile de determinare a stabilității procesului de prelucrare, în vederea îmbunătățirii acestuia [8].

Din punct de vedere cronologic, controlul statistic, ca formă de inspecție cea mai des întâlnită în producția de serie, s-a impus ca răspuns la cerințele tot mai mari de creștere a productivității și de reducere a costurilor produselor specifice societății de consum.

W.E.Deming, unul din părinții calitologiei, specialist în statistică, afirma în 1944: „În viața reală nu există constante. Există totuși un sistem cauzal constant. Rezultatele produse de un astfel de sistem cauzal pot varia într-o bandă largă sau, dimpotrivă, îngustă. Pe lângă variație, datele de ieșire ale unui astfel de sistem cauzal prezintă o caracteristică importantă, denumită stabilitate. De ce este nevoie să se aplice noțiunile de constanță și de stabilitate unui sistem cauzal care produce rezultate variabile? Deoarece același procentaj de rezultate variabile continuă să apară, în cadrul unor limite date, periodic, oră după oră, zi după zi, pe durata de operare a sistemului cauzal. Distribuția rezultatelor poate fi constantă sau stabilă. Când un proces de prelucrare se comportă ca un sistem cauzal constant, producând rezultate ale inspecțiilor care prezintă stabilitate, se spune că este sub control statistic. Graficul de control arată dacă procesul respectiv se află sau nu în limitele de control” [8].

Controlul statistic se realizează cu ajutorul unui set de instrumente, dintre care mai importante și des utilizate sunt:

graficele de control Shewhart pentru caracteristicile de calitate măsurabile, putând fi sub următoarele forme:

grafice pentru variabile (specifice procesului);

grafice pentru media și dispersia variabilelor;

grafice pentru media eșantioanelor și abaterea standard.

graficele de control Shewhart pentru fracțiunea respinsă (graficul p);

graficele de control Shewhart pentru numărul de neconformități pe unitatea de produs (graficul c);

procedura de eșantionare.

Trebuie reținut că, un proces va fi statistic stabil dacă valorile caracteristicii măsurate prezintă o distribuție normală (de tip Gauss). Procesul va fi statistic stabil dacă pentru toate loturile valorile caracteristicii oferă valori constante pentru media aritmetică (stabilite în reglaj) sau pentru abaterea medie pătratică (stabilite ca precizie).

Controlul pasiv se poate efectua cu mijloace universale sau speciale, automat sau neautomat, in timp ce controlul activ impune cunoașterea următoarelor probleme: datorită creșterii exigențelor din punct de vedere calitativ la realizarea produselor, în ultimii ani controlul s-a deplasat de la forma „în afara procesului” la forma „în proces sau cu implicații în proces” [1].

Procesele de control activ „în proces sau cu implicații în proces” nu pot fi aplicate oriunde și oricum, acestea presupunând folosirea unor mijloace de măsurare deosebit de costisitoare cu implicații și asupra costului produsului (Tabel 1.1).

Tabel 1.1. Criterii de compatibilitate a formei organizatorice de control

Controlul activ (automat sau neautomat) este folosit în următoarele scopuri:

măsurarea dimensiunilor în timpul procesului de prelucrare și emiterea unor informații la atingerea cotei prestabilite, când se oprește procesul de prelucrare sau eventual se trece la o altă fază de prelucrare (de la degroșare la finisare, spre exemplu la rectificare).

dacă controlul activ este automat apare posibilitatea reglării automate a parametrilor regimului de lucru în funcție de valoarea parametrului măsurat și oprirea procesului la atingerea cotei prestabilite.

Avantajele utilizării controlului activ sunt următoarele:

creșterea eficienței economice prin:

preîntâmpinarea apariției rebutului;

creșterea productivității prelucrării prin suprapunerea timpului de control cu cel de lucru;

creșterea preciziei de prelucrare: chiar o reducere cu cca. 30% a câmpului de dispersie a dimensiunilor obținute în raport cu măsurarea manuală efectuată de operatori cu înaltă calificare.

polideservirea mașinilor unelte: pot fi supravegheate de către un operator 4…8 mașini ce lucrează în ciclu automat; deci scade numărul de operatori cu consecințe favorabile asupra costului prelucrării și desigur a produsului final.

reducerea consumului de energie/piesă, întru-cât se micșorează numărul de porniri și opriri ale sistemului tehnologic și a pericolelor de mers în gol necesare la măsurarea manuală.

reducerea numărului de controlori ce își desfășoară activitatea după prelucrarea pieselor (control final) și deci controlul se poate face numai prin sondaj.

Cel mai important factor este imprecizia echipamentului de măsurare [7]. Alegerea metodei și mijloacelor de măsurare se face în funcție de două categorii de factori (indicatori):

indicatori metodologici:

valoarea diviziunii scalei, rezolutia;

limitele de măsurare;

forța de măsurare, etc.

indicatori economici:

costul mijloacelor de control (măsurare);

timpul necesar verificării și reglării aparatului, instrumentului sau mașinii de măsurare/ control.

Condiția pe care trebuie să o îndeplinească mijlocul de măsurare este ca:

ΔL ≤ (0,2…3)Tp, (1.1)

unde:

ΔL este eroarea limită a mijlocului de măsurare;

Tp – toleranța piesei de verificat.

Controlul dimensional integrat este cea mai buna forma de control existenta, reusind sa elimine majoritatea rebuturilor si sa reduca consumul de materii prime, echipamente si dispozitive de prelucrare, telul acestuia fiind atingerea marjei de 0 rebut in vitorul apropiat.

În concluzie, putem aprecia că indiferent de forma de realizare a controlului, rezultatele acestuia pot influența substanțial deciziile manageriale legate de proiectarea proceselor, producția propriu-zisă, testarea/ încercarea/ inspecția produselor, impunând în mod obiectiv cooperarea factorilor de răspundere din aceste compartimente importante din structura oricărei firme.

Mijloace clasice de masurare utilizate la controlul abaterilor geometrice din industria auto

Nevoia de precizie in crestere a omenirii este evidentă și are un ritm accelerat. Produsele noi, din ce în ce mai complexe, mai fiabile, cu timpi de dezvoltare din ce în ce mai mici și nu în ultimul rând tot mai accesibile ca preț unui segment de piață mai larg, necesită sisteme de măsurare mai rapide, mai sigure și mai ieftine. Acesta face ca metrologia tradițională să fie treptat înlocuită cu tehnici de măsurare noi, revoluționare, în care calculatorul este o componentă deja devenită tradițională.

Figura 1.10. Frecventa distributiei beneficiilor implementarii unui sistem de control a calitatii asistat de calculator

Introducerea sistemelor informatice în sistemele de controlul calitatii a ajutat semnificativ îmbunatatirea calitatii planificarii si fabricatiei si imbunatatirea sistemelor automate complexe de masurare (figura 1.10). Nu trebuie neglijat faptul ca o introducere a acestor sisteme este costisitoare, contribuind în mare masura la ridicarea costurilor asigurarii calitatii insa pe de alta parte, ajuta la sistematizarea controlului calitatii si integrarea acestei functii în procesul de fabricatie.

Scopul masurarilor (verificarilor) este acela de a estima valorile reale (masurate) ale caracteristicilor geometrice ce definesc obiectul de masurat si de a le compara cu specificatiile impuse acestora. În final obiectul (piesa) este acceptat sau respins în functie de îndeplinirea totala a acestora. O problema importanta în acest proces este alegerea optima a metodei de masurare si a mijlocului de masurare potrivit.

Metodele de masurare (verificare) a abaterilor geometrice pot fi clasificate astfel:

masurari clasice (subler, micrometru, ceas comparator);

masurari utilizând sisteme mecanice de masurare ( joje, calibre, palpatoare mecanice);

masurari utilizând masinile de masurare în coordonate (senzori si traductoare);

masurari utilizând masini de masurare automate (sisteme mecatronice complexe).

Pentru a masura diametrele arborilor sau a alezajelor, distante, lungimi, latimi, sau înaltimi ale unor piese prismatice avem la dispozitie un numar mare de instrumente sau sisteme de masurare care însa trebuie alese în asa fel încât masurarea sa se faca simplu, rapid si cu costuri minime. Utilizarea, de exemplu, a unei masini de masurare în coordonate pentru masurarea diametrului unui arbore pentru care nu sunt impuse conditii de tolerante geometrice (concentricitate, perpendicularitate, etc) este improprie, masurarea în doua puncte cu ajutorul unor instrumente simple de tipul subler sau micrometru fiind mai indicata. În schimb, atunci când se impune aceste conditii, masurarea în doua puncte nu mai poate satisfice specificatia impusa prin desen.

Sublere

Sublerele sunt instrumente universale simple utilizate pe scara larga în industrie, având câteva avantaje evidente:

simplitatea constructiei;

utilizare usoara;

dimensiuni de gabarit reduse;

posibilitati de masurare multiple;

pret de cost redus.

Foarte des întâlnite sunt sublerele clasice cu vernier, cele cu cadran gradat si afisaj electronic (modelel noi) , având avantajul unei constructii solide, rezistente la medii industriale ostile (fig. 1.11.).

Figura 1.11. Sublere. (a) clasic cu vernier; (b) cu cadran gradat; (c) cu afisaj digital.

Cu aceste instrumente pot fi efectuate masurari exterioare, interioare sau de adâncime (fig. 1.12.). Precizia de masurare a acestor instrumente este de 0,1 sau 0,05 sau 0,02 mm, în functie de vernierul sau cadranul gradat cu care sunt echipate. Variantele moderne ale sublerelor sunt echipate cu afisaj digital, avand o precizie mai buna de pana la 0.01mm si numeroase avantaje:

precizie de citire mai buna: 0,01 mm;

indicatii precise si usor de citit, eliminându-se erorile de paralaxa prezente la celelalte sublere;

valoarea masurata este un semnal care poate fi înregistrat, stocat, transmis la distanta, folosit pentru analiza statistice etc.

posibilitatea efectuarii unor masurari comparative (relative), având în vedere ca indicatia valorii masurate poate fi resetata la 0 în orice pozitie a cursorului.

posibilitatea efectuarii unor masurari directe sau mai dificil de facut cu variantele clasice ale sublerelor.

Figura 1.12. Posibilitati de masurare cu ajutorul sublerelor

Micrometre

Micrometrele sunt instrumente universale de masurare utilizate la masurarea dimensiunilor liniare exterioare, interioare, a adâncimilor sau a altor dimensiuni speciale (roti dintate, filete etc.). Având o constructie relativ simpla (fig. 1.13 si 1.14.) micrometrul asigura o precizie de masurare între 0,01 – 0,001 mm. Precizia de 0,001 mm este realizata de variantele cu afisaj digital.

Figura 1.13. Micrometrul de exterior (component)

Figura 1.14. Micrometrul de interior. (a), (b) cu falci; (c) cu tija; (d) cu contact in 3 puncte.

Micrometrele se realizeaza în variante constructive diverse, fiind adaptate masurarilor exterioare, interioare, adâncimilor si masurarilor speciale (fig 1.15).

Figura 1.15. Micrometrul pentru masurari special (a) roti dintate; (b) varfuri pentru filete; (c) sarme calibrate pentru filete.

Micrometrele pentru masurari speciale, cum ar fi cele pentru filete sau roti dintate, sunt obtinute prin atasarea unor suprafete de masurare adaptate masurandului: talere pentru roti dintate, vârfuri si conuri sau sârme pentru filete, principiul de masurare respectiv constructia acestora fiind identice cu micrometrele clasice.

Instrumente comparatoare

Constructia lor se bazeaza pe realizarea unui sistem de amplificare a marimii palpate, cu ajutorul caruia se pot masura dimensiuni cu precizie de la 0.01 pâna la 0,0001 mm. Alaturi de instrumentele clasice (descrise în amanunt în multe alte surse bibliografice), instrumentele cu amplificare electronica si afisaj digital au cunoscut în ultimul timp o dezvoltare tot mai mare. Posibilitatea realizarii masurarilor comparative le fac utilizabile în special în productia de serie.

În majoritatea cazurilor aceste instrumente au o singura suprafata de masurare (palpatorul), cu exceptia pasametrului, motiv pentru care utilizarea lor este conditionata de folosirea unor suporti care materializeaza cea de-a doua suprafata de masurare (fig.1.16.)

Figura 1.16. Comparatoare digitale montate in support

Prin montarea acestor instrumente în dispozitive de masurare se pot efectua masurari interioare, sau alte tipuri de masurari particularizate la forma si tipul masurandului (figura 1.17).

Figura 1.17. Instrumente pentru masurari special (a) masurari interioare; (b) masurari roti dintate; (c) masurari caliber cilindrice.

Unul dintre avantajele majore ale instrumentelor digitale îl constituie posibilitatea de conectare a acestora într-un sistem de control al calitatii, în care fiecare instrument este conectat prin intermediul unei interfete la un server central, unde toate datele masurarilor pot fi colectate, prelucrate si analizate statistic (fig. 1.18.). Deciziile ulterioare privind calitatea procesului de masurare, a capabilitatii acestora sunt luate pe baza prelucrarii acestor date achizitionate în acest mod extrem de simplu si convenabil. Instrumentele pot fi conectate si individual fie la sisteme de control al masurarii fie mai nou la calculatoare PC care evident pot fi apoi conectate în retea.

Figura 1.18. Sistem de conectare a instrumentelor digitale la un calculator central

Deoarece masurarea abaterilor geometrice a constituit permanent o problema pentru firmele producatoare de piese de precizie si deoarece sistemele simple, de tipul prisma si instrument de masura comparator, puteau sa ofere de cele mai multe ori rezultate partiale sau inexacte au fost realizate aparate destinate masurarii abaterilor geometrice care se bazeaza pe scanarea si analizarea profilului extras de pe suprafata piesei. Asa este cazul verificarii în prisma a circularitatii unei piese cilindrice, care produce rezultate eronate în cazul în care piesa de verificat are abateri de tipul "trei lobi" (fig.1.19.).

Figura 1.19. Imposibilitatea masurarii cu instrumente clasice a abaterii de la circularitate a pieselor cu profil "trei lobi".

Abaterile geometrice ce se pot masura cu aceste aparate sunt abaterile de forma: circularitatea, cilindricitatea, rectilinitatea si planitatea. Scanarea profilului sau suprafetei testate se face prin achizitionarea coordonatelor unui numar mare de puncte si interpolarea acestora.

Cu cât se achizitioneaza mai multe puncte cu atât precizia masurarii este mai mare, profilul extras fiind mai apropiat de cel real. În cazul pieselor circulare se utilizeaza dispozitive de rotatie a piesei sau a capului de scanare cu lagare deosebit de precise.

Figura 1.20. Masurarea abaterilor de la circularitate.

Figura 1.21. Aparat pentru masurarea abaterilor de forma

Fiecare producator de aparate de masurare a abaterilor geometrice livreaza aparatele cu propriul soft-ware, program de asistare a masurarii, acestea având numeroase facilitati si aspecte grafice. Aceste programe au început prin a afisa marimea abaterilor tabelar, apoi au evoluat înspre reprezentari grafice cât mai usor de înteles si de interpretat (figura 1.22.)

Figura 1.22. Diferite moduri de afisare a rezultatelor masurarii

Mesele rotative ale acestor instrumente sunt executate la un nivel ridicat de precizie, lagarele pe care se rotesc fiind de cele mai multe ori lagare pneumatice. Sistemele de centrare a piesei sunt de tipul autocentrante, piesa fiind fixata magnetic. Si aceste aparate de masurare a abaterilor geometrice pot fi partial înlocuite de masinile de masurare în coordonate, acestea putând sa faca masurari ale multor tipuri de abateri geometrice.

Dispozitivele mecanice cu joje si calibre (filetate sau netede)

Dispozitivele mecanice cu joje si calibre (filetate sau T–NT) sunt utilizate in general pentru controlul diametrelor, pozitia gaurilor controlate fata de un punct de origine sau fata de un plan de asezare, in toate stagiile de prelucrare a unei piese, de la operatia de turnare pana la operatia de finisare (figura 1.23). Pentru ghidarea si pozitionarea acestor sisteme de masurare se utilizeaza bucse de precizie montate in diferite sisteme de pozitionare (masti de control).

(a) (b)

Figura 1.23. Dispozitiv mecanic cu joje si calibre (filetate, netede). (a) ansamblul 3D; (b) vedere 2D.

Pentru controlul pieselor filetate se utilizează două feluri de calibre: calibre filetate (tampon filetat și inel filetat) și calibre netede pentru controlul semifabricatelor (tampon cilindric pentru D1 și potcoavă pentru d). Principiile constructive, de proiectare și utilizare ale calibrelor pentru controlul pieselor filetate sunt aceleași ca la controlul arborilor și alezajelor cilindrice netede. Calibrele au forme asemănătoare pieselor conjugate cu cele controlate, iar pozițiile câmpurilor de toleranță sunt determinate de limitele dimensiunilor pieselor controlate.

Figura 1. 24. Calibre filetate T-NT

Calibrele tampon filetate sunt asemănătoare constructiv cu calibrele tampon cilindrice netede cudeosebirea că părțile active sunt filetate. Profilul părții trece “T” este asemănător profilului ISO al filetului metric, dar prezintă o degajare la fundul filetului. Calibrele filetate nu trece ”NT” au profilul redus (fig.1.24. b.) prin truncherea la vârf și cu degajare la fund. Flancurile filetului se limitează pe o zonă redusă în jurul cilindrului de diametru mediu d2 , dimensiunile constructive, altele decât dimensiunile tolerate (diametrele medii) , alegandu-se după STAS ISO.

Jojele netede (lise) sunt compuse in general din trei componente – maner, parte active de control si parte de ghidare si se realizeaza in doua moduri, partea active (de control) putand fi, in functie de pozitia bucsei de ghidare din masca (inainte sau dupa), atat dupa maner sau dupa partea de ghidare (figura 1.25).

Figura 1. 25. Joje de control dimensional. (a) vedere tridimensional; (b), (c) modalitati de constructive.

1.2.3. Controlul inteligent integrat al reperelor turnate din industria auto

Clasificarea și terminologia defectelor pieselor turnate

In general majoritatea pieselor din industria auto sunt realizate prin procedeul de turnare, dupa care acestea sunt prelucrate prin diverse operatii (strunjire, frezare, gaurire, rectificare etc.) pentru a capata forma functionala finala.

Defectele pieselor turnate sunt consecințe fie ale unei cauze unice, fie ale unor acțiuni reciproce de cauze foarte complexe, fiecare din acestea fiind, la rândul lor, în funcție de un mare număr de variabile specifice. Două defecte cu un aspect exterior cu totul deosebit pot avea una sau mai multe cauze comune [9]. Din aceste cauze, in prezenta lucrare este prezentata o clasificare morfologică și nu o clasificare bazată pe cauzele defectelor. Obținerea unor piese turnate de calitate superioară, cu defecte minime, este condiționată de întocmirea unei tehnologii de fabricație cât mai corectă, însoțită de cea mai severă disciplina tehnologică.

Tehnologia de fabricație nu constituie un sistem unic și limitat; ea se perfecționează continuu în cursul desfășurării procesului de producție, cu tendința permanentă de a obține produse de calitate optimă.

Prevenirea defectelor pieselor turnate

Un același tip de defect poate fi generat de mai mulți factori, după cum un singur factor, denumit factor de producție, poate genera o serie întreagă de defecte. Din această cauză prevenirea defectelor pieselor turnate trebuie să fie o acțiune organizatorică pe plan general și în principiu consta în a asigura:

– proiectarea corectă a tehnologiei pieselor turnate;

– pregătirea corectă a tehnologiei procesului de fabricație;

– o disciplină tehnologică severă; controlul inter-operatii;

– analiza metodica a defectelor pieselor turnate.

De asemenea, este necesar să se țină seama și de starea utilajului de producție și a dispozitivelor de formare (modele, plăci de model, cutii de miez etc.), care trebuie să asigure o desfășurare corectă a procesului de fabricație. Stabilitatea proceselor elementare ale complexului de fabricație se asigura prin crearea unei documentații ample, constituite din fise și instrucțiuni tehnologice, precum și din norme tehnice de lucru [9].

Remedierea defectelor pieselor turnate

Din punct de vedere al efectului pe care il au asupra pieselor turnate, defectele acestora se pot imparți în patru grupe principale indicate în tabelul 1.2, în care sunt date de asemenea și metodele generale de remediere.

Tabel 1.2. Metode de remediere

Defectele superficiale, care au importanță numai din punct de vedere al aspectului, se remediază de cele mai multe ori prin chituire urmată de vopsire. Metalizarea se aplică în cazul remedierii defectelor acelor piese care în timpul funcționării nu sunt solicitate la sarcini mecanice mari. Se admite repararea prin metalizare a găurilor care în secțiunea transversală au diametru d = 12 mm și o adâncime h = 0,5…0,7*d, distanta de la defect pana la marginea piesei trebuie să fie de cel puțin 2,5 mm. Impregnarea se folosește pentru remedierea defectului de rarefiere (micro retasuri), constatat cu ocazia încercării pieselor la presiune hidraulică sau pneumatică. Procedeul constă în refularea în piesele turnate a unor substanțe care se întăresc în zonele de rarefiere a metalului, etanșând piesa.

La piesele turnate din metale feroase care au un grad de rarefiere redus este suficientă o simplă impregnare cu apă, care rămâne în porii piesei timp de câteva ore. În cazul micro retasurilor mai pronunțate se utilizează impregnarea cu o soluție apoasă de 10% sticlă solubilă sau cu o soluție apoasă de 4-5% clorura de amoniu. Impregnarea pieselor din fonta se face de cele mai multe ori prin refularea în pereții piesei, la 2-4 at, a unei soluții apoase de clorura feroasă, azotat de sodiu și miniu de fier.

Piesele turnate din bronz, alamă și aluminiu încălzite în prealabil la 160-200°C, timp de 2h, se remediază prin impregnare cu lac de bachelita. Prin evaporarea alcoolului, în porii piesei rămâne bachelita faza C; după impregnare piesele sunt din nou încălzite până la 200°C timp de 4 ore, după care se răcesc lent. Sudarea reprezintă principala metodă de remediere a majorității defectelor pieselor turnate. Pentru ca operația de sudare să se efectueze corect, trebuie ca zona de reparat să fie supusă în prealabil unei operații de pregătire, care constă în curățirea de nisip, de zgură și de alte incluziuni, prin dăltuire, până când metalul de bază rămâne curat și sănătos.

d) Principii și tehnici de măsurare, verificare, inspectare și testare utilizate în scopul controlului inteligent integrat al pieselor turnate

În prezent, fenomenul de globalizare însoțit de intensificarea interacțiunii diferitelor sisteme economice și implicit a concurenței, deschide agenților economici și omenirii, în general, noi orizonturi și provocări legate de dezvoltare, dar pune în aceeași măsură accentul pe durabilitatea lucrurilor sau strategiilor create. Interconectarea sistemelor și viziunea globală a pieței nu conferă întotdeauna stabilitate firmelor, stabilitatea depinzând în primul rând de felul în care agenții economici înțeleg schimbările, consecințele acestora și viteza cu care își adaptează strategiile la mediu [33]. Datorită intensificării concurenței, scopul întreprinderii capitaliste, acela de a produce pentru piața, se transformă astăzi în acela de supraviețuire pe termen lung, de aici necesitatea unei dezvoltări durabile. Stabilitatea și rezistenta, fiabilitatea echipamentelor joacă unul din rolurile esențiale în ceea ce economiștii numesc competitivitatea produselor [9].

Astăzi ciclul de viață al produselor este din ce în ce mai scurt, practicarea economiilor de scara sau internalizarea diferitelor activități nu sunt întotdeauna la îndemâna oricui, iar exigentele consumatorilor (exploatatorilor) ce privesc caracteristicile echipamentelor și calitatea produselor au crescut și s-au diversificat. Cu toate acestea, dintr-o viziune tehnică, dar și economică, s-a simțit nevoia standardizării în majoritatea domeniilor de activitate. În acest context, omul și mașina sunt astfel determinați să construiască tot mai mult, mai economic, mai rapid, dar și mai sigur în același timp. Controlul este chemat să participe la toate etapele de elaborare a unui produs de la concepere la exploatare, mentenanța sau reciclare.

Calitatea pieselor depinde de un număr foarte mare de factori, cum sunt: calitatea materialelor de formare, modul lor de preparare, calitatea formării, precizia dimensională a garniturilor de model, a formelor metalice sau matrițelor, calitatea și întreținerea utilajului de formare, modul de asamblare pentru turnare, modul de elaborare a materialului metalic, compoziția și temperatura de prelucrare, conducerea proceselor de încălzire, topire, solidificare sau răcire, viteza de umplere a formei – în cazul produselor turnate – sau viteza de execuție a altor tipuri de prelucrări, curățirea pieselor sau finisarea lor [10].

O deficientă la oricare din acești factori sau la mai mulți dintre ei, duce la apariția unor piese care nu îndeplinesc una sau mai multe din condițiile de livrare. Deși convențională, prin noțiunea de defect a piesei se înțelege orice abatere de la forma, dimensiuni, masă, aspect exterior, compactitate, structură, compoziție chimică sau proprietăți mecanice și fizice prescrise în standardele respective, normative tehnice sau condiții tehnice contractuale. În funcție de standardele respective, normative tehnice sau condițiile tehnice contractuale aceeași discontinuitate a piesei turnate poate fi în unele cazuri admisibila sau remaniabila, iar în alte cazuri poate fi considerată un defect inadmisibil. Clasificarea și terminologia discontinuităților pieselor sunt standardizate în standarde specifice modului de prelucrare al produsului.

Standardul stabilește clasificarea și terminologia discontinuităților pieselor pentru toate tipurile de aliaje feroase și neferoase, indiferent de modul de fabricare al acestora. În general, în practică industrială și prin standarde, clasificările nu se fac numai cu scopul unei sistematizări într-un ansamblu de noțiuni, ci în special pentru a pune la îndemâna practicienilor un instrument util care să coordoneze activitatea acestora [9]. Din acest punct de vedere, clasificarea discontinuităților pieselor trebuie să îndeplinească anumite condiții:

să cuprindă toate defectele caracteristice pieselor în funcție de modul de prelucrare al acestora;

să permită încadrarea discontinuității cu precizie într-o anumită categorie;

să permită identificarea cauzelor care au produs discontinuitatea;

să permită evidenta ușoară, clară și operativă a defectelor.

În standard, sistemul folosit pentru clasificarea discontinuităților se bazează pe descrierea fizică a fiecărei discontinuități. Acest sistem permite identificarea discontinuităților fie prin observarea directă a piesei, fie după o descriere precisă a discontinuității folosind doar criteriile formei, aspectului, localizării și dimensiunilor acestora. Astfel, identificarea se poate face fără a se recurge la numele discontinuității sau la cauzele care pot interveni (și care de fapt sunt necunoscute în prealabil).

Pe baza acestor elemente, discontinuitățile pieselor se pot împărți corespunzător fiecărui tip de prelucrare, în funcție de importanța lor, în trei grupe:

discontinuități admisibile, fără remanieri;

discontinuități admisibile, cu remanieri;

discontinuități inadmisibile (defecte).

Grupa întâi cuprinde discontinuitățile care nu afectează în nici un fel calitatea și funcționalitatea piesei. Pentru îmbunătățirea aspectului comercial al acestei grupe de discontinuități ele se înlătura aparent prin acoperirea cu chituri sau vopsele. Grupa a doua cuprinde acele discontinuități care influențează defavorabil funcționalitatea piesei. Aceste discontinuități se pot înlătura prin remanierea pieselor utilizând diferite procedee (mecanice, metalurgice, chimice sau speciale) în așa fel încât piesele turnate să corespundă integral condițiilor tehnice prevăzute în standarde, documentații tehnice, norme interne sau caiete de sarcini. Grupa a treia cuprinde defectele inadmisibile, care conduc, fără excepție, la rebutarea pieselor [9].

În prezent sunt standardizate multe metode și tehnici de examinare nedistructivă, dintre care cele mai răspândite dispun de o gamă variată de aplicații. Dintre aceste metode, la care se pot obține certificări de personal în domeniul examinărilor nedistructive (și în România), fac parte următoarele: examinarea optico-vizuală, examinarea cu pulberi magnetice, lichide penetrante, radiații penetrante, investigarea cu ultrasunete, curenți turbionari, controlul etanșeității și emisie acustică [10] etc si care, conform normei europene EN 473 (END examinare nedistructiva), prezintă următoarele simbolizări (Tabel 1.3):

Tabel 1.3. Simbolizare END conform EN 473

Examinare optico- vizuală (VT)

Controlul vizual pune în evidență numai defectele de suprafață. Orice tip de investigare trebuie să fie precedată de o examinare vizuală a suprafeței. Procedeul este simplu dar indispensabil, examinarea vizuală presupune respectarea condițiilor de claritate satisfăcătoare a suprafețelor materialelor, echipamentelor, luând în considerare caracteristicile și proprietățile acestora. Pentru control vizual se folosesc diferite ustensile optice cum ar fi: endoscop, lupe, lămpi, etc. Prin control vizual sunt furnizate o serie de indicii legate de aspectul suprafeței metalului precum și estimarea unor defecte interne (recipiente metalice, butelii de gaze, conducte, tuburi etc). Odată cu controlul vizual se pot determina și dimensiunile defectelor de îmbinare. Se aplică în special la suduri la grosimile recipientului sudat, dimensiunile cordonului sudat etc.

Radiații penetrante (RT)

Metoda de examinare cu radiații penetrante sau radiografică constă din interacțiunea radiațiilor penetrante cu pelicule fotosensibile. Se poate efectua cu raze X sau raze gamma. Examinarea cu raze X constă în bombardarea piesei supuse controlului cu radiații X, obținându-se pe filmul radiografic imaginea structurii macroscopice interne a piesei (Figura 1.26). Generatoarele de raze X, în funcție de energia ce o furnizează și de domeniul lor de utilizare pot fi dupa cum urmeaza:

generatoare de energii mici (tensiuni < 300 kV) pentru controlul pieselor din oțel de grosime mică (< 70 mm);

generatoare de energii medii (tensiuni de 300…400 kV) pentru controlul pieselor din oțel de grosime mijlocie (100…125 mm);

generatoare de energii mari (tensiuni de peste 1…2 MV și betatroane de 15…30 MV) pentru controlul pieselor din oțel de grosime mare (200…300 mm).

Gammagrafia constă în iradierea piesei supuse controlului cu radiații gamma, după care se obține pe filmul radiografic imaginea structurii macroscopice interne a piesei respective, prin acționarea asupra emulsiei fotografice. Creșterea permanentă a parametrilor funcționali ai instalațiilor industriale moderne (presiune, temperatură, solicitări mecanice, rezistență la coroziune) a impus examinarea cu raze gamma ca o metodă modernă de control cu grad ridicat de certitudine. Elementul de bază al gamagrafiei este sursa de radiații gamma care datorită proprietăților sale (energie ridicată, masă de repaus nulă, sarcină electrică nulă), o fac deosebit de penetrantă. Principala sursă de radiații folosită în gamagrafie o constituie izotopii radioactivi de Cobalt-60, Iridiu-192, Cesiu-137, Cesiu-134, Tuliu-170 și Seleniu-75, obținuți prin activare deoarece au un preț de cost mai scăzut și avantajul obținerii unor activități mari.

(a) ( b)

Figura 1.26. Principiul absorbției radiațiilor penetrante: (a) într-un material omogen; (b) într-un material ce conține un defect.

Examinarea prin emisie acustică AET (Acousting Emission Testing) se realizează prin înregistrarea emisiei acustice produsă într-un material, ca urmare a stimulării acestuia într-un anumit mod (presare, îndoire,încălzire, răcire, rupere) (Figura 1.27).

Figura 1.27. Principiul examinarii acustice

Examinări cu particule magnetice – Magnetoscopie (MT)

Control nedistructiv prin magnetoscopie ("control cu pulberi magnetice") consta în supunerea unei zone de controlat la acțiunea unui câmp magnetic continuu sau alternativ. În interiorul unui material feromagnetic se creează un flux magnetic intens (Figura 1.28). Defectele întâlnite în calea sa determina devierea fluxului magnetic generând astfel un câmp de dispersie la suprafața piesei. Câmpul de dispersie astfel generat este materializat prin intermediul unei pudre feromagnetice (particule colorate sau fluorescente) foarte fine pulverizată pe suprafața de examinare și atrasă în dreptul defectelor de către forțele magnetice. Aceasta furnizează o «semnătura particulară» ce caracterizează defectul. Tehnica exploatează o caracteristică specială a aliajelor feroase: feromagnetismul, și anume capacitatea de a concentra câmpul pentru a evidenția anomaliile liniilor de flux ale câmpului magnetic în vecinătatea unui defect de suprafață.

Figura 1.28. Principiul examinarii cu particule magnetice – Magnetoscopie (MT)

Curenți turbionari sau Foucault (ET)

Metoda constă în inducerea unor curenți turbionari (Figura 1.29) în pereții țevii controlate. Câmpul magnetic al curenților turbionari induși, datorită prezenței unor discontinuități și neomogenități în material, modifică impedanța bobinei de măsurare, ceea ce afectează amplitudinea și faza curenților turbionari. Amplitudinea, defazajul și adâncimea de pătrundere a curenților turbionari depind de amplitudinea și frecvența curentului de excitație, de conductibilitatea electrică, de permeabilitatea magnetică a materialului, de forma piesei controlate, de poziția relativă a bobinelor față de piesă, precum și de omogenitatea materialului controlat.

Figura 1.29. Generarea unui curent turbionar în materialul de test.

Ultrasunete (UT)

Deoarece metoda ultrasonică este bazată pe fenomene mecanice, în particular ea este adaptată determinării structurii materialelor tehnice (Figura 1.30). Principalele aplicații ale acestei metode sunt: determinarea discontinuităților, măsurarea grosimilor, determinarea modulului de elasticitate, studiul structurii metalurgice. Avantajele acestei metode sunt următoarele: sensibilitatea mare de detecție, putere de penetrare mare (permițând examinarea unor grosimi foarte mari), acuratețe în determinarea poziției discontinuității și estimarea mărimii acesteia, răspuns rapid, metoda pretându-se la automatizare, accesul numai dintr-o singură parte a materialului test. Metoda ultrasonică are totuși limitări cum ar fi: geometria nefavorabilă a produsului testat (mărime, contur, complexitate și orientare a discontinuităților), structura internă nefavorabilă (granulație mare, porozități structurale, incluziuni etc).

Figura 1.30. Principiul procedeului prin transmisie și diferite forme de semnal caracteristice anumitor tipuri de defecte.

Lichide penetrante (PT)

Defectoscopia cu lichide penetrante este o metodă de control nedistructiv a materialelor metalice sau nemetalice prin care se urmărește punerea în evidență a defectelor de suprafață sau din imediata vecinătate a suprafeței și care comunică cu exteriorul (SR ISO 9916-95). Controlul cu lichide penetrante constă în aplicarea pe suprafața supusă controlului a unui lichid cu calități bune de penetrare care pătrunde în discontinuitățile superficiale și le pune în evidență prin contrast, cum ar fi: pori, fisuri, crăpături și rupturi, producându-se datorită efectului de capilaritate. Regula de bază pentru aplicarea acestui procedeu în scop defectoscopic este următoarea: întotdeauna defectul trebuie să plece de la suprafață, intrarea în defect trebuind să fie neacoperită. Substanțele chimice folosite trebuie să fie compatibile cu materialul de încercat, netrebuind să-l degradeze (Figura 1.31).

Figura 1.31. Fazele defectoscopiei cu lichide penetrante.

Developarea penetrantului are loc datorită efectului de absorbție care, tot prin capilaritate, va absorbi o parte din lichidul penetrant reținut în defect și va scoate în evidență locul și forma defectului. Pentru aplicarea acestei metode se folosește un set de lichide penetrante, compus din: degresant, penetrant și developant.

Cu ajutorul lor pot fi detectate trei categorii de defecte și anume:

defecte ale materialelor obținute prin turnare, laminare, forjare, tragere etc.;

defecte ale pieselor rezultate în procesul de fabricație prin sudare, lipire, presare, așchiere etc.;

defecte apărute în procesul de exploatare a pieselor: fisuri la oboseală, crăpături, rupturi, uzuri etc.

Cele mai folosite metode de control cu lichide penetrante sunt:

metoda colorării, la care contrastul pentru evidențierea defectelor este un contrast de culoare roșie pe fond alb;

metoda fluorescenței, la care contrastul pentru evidențierea defectelor se obține prin examinarea în lumină ultravioletă, fiind de obicei galben-verde pe fond închis sau violet;

metode radioactive, la care defectele se pun în evidență prin impresionarea unui film de către substanțe radioactive;

metoda activării cu ultrasunete la care penetrabilitatea este asigurată cu ajutorul vibrațiilor ultrasonice produse de emisia acestora în mediul de penetrare.

Lichidele penetrante utilizate se clasifică după următoarele criterii:

după contrast, în: penetranți coloranți; penetranți fluorescenți; penetranți radioactivi.

după solubilitate, în: penetranți solubili în apă, penetranți solubili în solvenți organici, penetranți cu post emulsionare.

Cel mai frecvent se utilizează penetranti coloranți și fluorescenți, solubili în apă.

1.2.4. Exemplu constructiv de control al etanșeității reperelor turnate din industria auto in Romania

În România institutia cu cea mai mare experienta din a carei echipa de cercetare fac parte, care produce echipamente de măsură și control pentru etanșeitatea pieselor turnate din industria auto este Institutul Național de Cercetare – Dezvoltare pentru Mecatronica și Tehnică Măsurării – INCDMTM București, care este partener și furnizor Dacia Group Renault pentru echipamente de măsură și control pentru industria auto [11]. Astfel, INCDMTM București utilizează soluții si principii diverse de control a etanșeității pieselor turnate:

etanșarea piesei de măsurat, introducerea de aer sub presiune și utilizarea unei celule de presiune (dispozitiv mecatronic de măsurare a presiunii – ex: ATEQ) pentru a verifica etanșeitatea piesei sau utilizarea unui clopot de presiune și controlul etanșeității prin măsurarea aerului pătruns in spațiul dintre piesa și clopot (tot cu ajutorul unei celule de presiune);

etanșarea piesei, introducerea de aer sub presiune, scufundarea ei într-un recipient cu mediu lichid (în general apă) și inspecția cu ajutorul unor camere video și a observatorului uman a eventualelor scăpări datorită neetanșeității.

Aceste soluții pot fi utilizate fie pentru realizarea unui echipament mecatronic inteligent pentru controlul unei singure piese dintr-o gamă, fie pentru realizarea unui echipament multipost care poate controla mai multe piese din aceeași familie de repere (piese). Printre echipamentele INCDMTM pentru controlul etanșeității pieselor turnate la care am luat parte se numără:

Instalație mecatronică verificare etanșeitate aer-aer capac chiulasa – uzinat diversități: h4bt8°, h4da49°, h4bt49°, h4bt49°sulev (care verifica patru tipuri de piese turnate cu aceeași etanșare);

Instalație mecatronică inteligentă pentru verificare etanșeitate carter distribuție uzinat diversități: h4bt8°, h4da49°, h4bt49°, h4bt49°sulev (verifică 4 tipuri de piese turnate);

Instalație mecatronica de control etanșeitate cutie ieșire apă IVECA-0-M2;

Instalație mecatronica de verificat etanșeitate la carter mecanisme jrq bv și jhq bv brut (ambele tipodimensiuni în același post);

Instalație mecatronica de control etanșeitate modul de întoarcere mt1.bv. Tl8-brut (capac și corp).

In cele ce urmeaza se vor prezenta caracteristicile tehnico-functionale ale instalației mecatronice pentru verificare etanșeitate tip aer-aer pentru reperul capac chiulasa – uzinat diversități: h4bt8°, h4da49°, h4bt49°, h4bt49°sulev (Figura 1.32).

Instalația mecatronica de verificare etanșeitate este o instalație monobloc complexă destinată verificării etanșeității pieselor tip „capac chiulasă” (Figura 1.32). Instalația verifica patru tipuri piese cu același ciclu de etanșare (aceleași bușonări), la care doar configurațiile nefuncționale și volumele interioare diferă. Pentru aceasta se realizează patru cicluri diferite de măsurare ale celulei ATEQ. Selectarea se face manual, individual pentru fiecare tip de piesă în parte. Piesele de verificat sunt fixate și etanșate complet. Toate subansamblele în mișcare pentru etanșare-fixare sunt acționate de cilindri pneumatici asistați la cap cursă de senzori de proximitate. In figura 1.33 este redata schema electrica a instalatiei mecatronice pentru verificarea etanseitate tip aer-aer.

Figura 1.32. Instalație mecatronica pentru verificare etanșeitate tip aer-aer pentru reperul capac chiulasa – uzinat diversități: h4bt8°, h4da49°, h4bt49°, h4bt49°sulev.

Figura 1.33. Schema de principiu a instalației electrice

Figura 1.34. Vedere frontală post de măsurare

Descriere instalatie mecatronica:

Instalația se compune din (conform desen de ansamblu)(figura 1.34):

– Subansamblu de etanșare se compune dintr-o placă de bază pe care sunt montate 4 coloane care susțin subansamblul mobil de apăsare și etanșare format din joje de apăsare și joje de etanșare. Aceste joje apăsa piesa, echipată cu garniturile ei, pe placa de etanșare, cu ajutorul unui cilindru pneumatic, obturând partea inferioară a piesei. Doua alezaje superioare se etanșează frontal și prin expandare cu ajutorul unor joje de etanșare.

– Subansamblu marcare;

– Celula ATEQ F510 cu duza de calibrare pentru masurare;

– Masa;

– Subansamblu de protecție format din profile de aluminiu și panouri transparente (laterale și spate). În spate panoul se poate detașa în cazul unei intervenții. La repunerea în funcțiune este obligatoriu ca acest panou să se închidă în spate. În față, instalația este prevăzută cu subansamblu de protecție cu bariere optice de protecție categoria 4.

– Panou operator;

– Panou electronic cu automat programabil Siemens (figura 1.33);

– Panou pneumatic ce cuprinde aparatura electro-pneumatica de alimentare și comanda a cilindrilor pneumatici;

– Coloana de semnalizare Roșu/Galben/Verde;

– Piesa de referință asigurată de beneficiar.

Funcționare

– Piesa de verificat echipată cu garniturile aferente Dacia se așează pe placa de etanșare ghidată pe cepi de ghidare. Se acționează butonul de START care inițializează pornirea ciclului de lucru.

– Subansamblul de apăsare coboară și fixează piesă pe placa de etanșare, după care acționează simultan subansamblele de etanșare.

– Automat este comandata celulei ATEQ pătrunderea aerului sub presiunea de 1 bar în circuitul măsurare piese. Celula ATEQ verifica pierderea de aer din sistem care trebuie să fie sub 25cm³/min și afișează rezultatul verificării.

– După terminarea verificării, dacă piesa este bună, ea este marcată și, în ordine inversă, automat se retrag subansamblele de etanșare și eliberează piesa.

Se reia ciclul cu o nouă piesă. Dacă piesa este neconforma, aceasta rămâne bridată în vederea detectării pierderilor (mașina în poziția „împachetat”) și automat se face un al doilea ciclu ATEQ. Dacă și după acest test piesa este tot necorespunzătoare ea nu este marcată și este declarată rebut. Pentru a aduce piesă în poziția inițială se apasă butonul START.

În cazul apariției succesive a mai multor rebuturi se verifică cu spumă detectoare de fluide de gaz (Producător AIRLIQIDE TOUR MANHATTAN) circuitul de alimentare cu aer de la celula ATEQ la piesă și etanșarea piesei cu garniturile de etanșare (starea garniturilor). Dacă sunt scăpări de aer, acestea se remediază prin schimbarea garniturilor sau remedierea cauzei scăpărilor de la ștuțurile de alimentare.

Dacă și după aceste operații apar piese necorespunzătoare se va analiza fluxul tehnologic de realizare a pieselor și se va înlătura cauza defectului. Dacă se constată că mașina se blochează repetat într-un anumit punct, se vor verifica senzorii și executarea corectă a indexării. Orice senzor dereglat poate duce la oprirea mașinii. În cazul opririi mașinii se vor verifica mai întâi senzorii mișcării executate sau a următoarei mișcări. La pornirea instalației la apăsarea butonului START se face o verificare în gol a circuitului de măsurare. Rezultatul măsurării trebuie să fie ROȘU pe celula ATEQ corespunzător unei scăpări mari de aer. Dacă rezultatul este un altul înseamnă că circuitul este înfundat și până la rezolvarea problemei, instalația nu executa alt ciclu. La 3 piese neconforme se face o verificare a instalației cu piesa de referință (etalonare). Dacă etalonarea nu corespunde, mașina nu executa alt ciclu până la rezolvarea problemei.

Caracteristici tehnico-funcționale

– Dimensiuni de gabarit (Lxlxh): 1140 x 830 x 2237 [mm];

– Celula ATEQ F510;

– Bariere de securitate categoria 4;

– Presiune de control: 1 bar;

– Tipul de măsurare: prin diferență de presiune;

– Modul de măsurare: în cm3/min și Pa;

– Pierdere etanșeitate admisă: max.25 cm3/min;

– Timp de ciclu: max.190 min;

– Presiune de alimentare: 5÷6 bar;

– Energie electrică: 220 V c.a.; 50 Hz;

– Număr de cicluri necesar pentru stabilirea timpului de ciclu: 10 cicluri.

– Automat Siemens S7-315 2DP;

– Panou operator OP77;

– Sistem de operare WINCC pentru OP77;

Aplicabilitate, valorificare și transfer tehnologic

Produsul prezentat este livrat și implementat pe linia de producție „Capac Chiulasă uzinat, cu diversități: H4Bt8°, H4DA49°, H4Bt49°, H4Bt49° Sulev”, la SC Automobile Dacia SA Mioveni.

1.2.5. Exemple contructive de control al reperelor prelucrate din industria auto realizate de echipa de proiectare

a) Echipamente clasice

Dispozitive de control pentru dimensiuni și criterii specifice „porfuzeta directie față H79 ”

Dispozitivele sunt realizate pentru verificarea dimensiunilor și criteriilor specificate de beneficiar in caietul de sarcini pentru piesa Porfuzeta fata H79, beneficiar AUTO CHASSIS INTERNATIONAL FRANCE (figura 1.35).

Figura 1.35. Echipamente clasice de control diferite tipo-dimensiuni porfuzeta fata H79 (sisteme de pozitionare si control, etaloane, sistem joja-comparator)

Dispozitiv de control pentru „semering ulei bloc motor (fata volant si fata distributie)”

Dispozitivul este realizat pentru verificarea dimensiunilor și criteriilor specificate de beneficiar in caietul de sarcini pentru piesa semering ulei bloc motor ,implementat la Dacia Group Renault Romania (figura 1.36).

Figura 1.36. Dispozitiv de control pentru semering ulei bloc motor (fata volant si fata distributie)

Dispozitiv de control pentru diverse gauri găuri „capac cilindru”

Dispozitivul de controlat manual (tip mască de control) este realizat din plăci care materializează poziția precisă a găurilor din piesa și calibre de control corespunzătoare (figura 1.37).

Figura 1.37. Dispozitiv de control găuri capac cilindru

b) Echipamente mecatronice informatizate (automatizate)

Echipament mecatronic pentru control „arborilor cotiți” (figura 1.38)

Caracteristici tehnico-funcționale:

Piesa masurata: arbore cotit K

Parametrii masurati: diametre, lungimi

Tip de masurare: comparativa, cu potcoave A+B

Elemente de masurare: traductoare de deplasare ZDB 103 LVDT

Rezolutie: 0.001 mm

Repetabilitate: ± 0.001 mm

Tactul de masurare: 8 s/piesa

Afisare: computer universal de masurare CMZ 200 cu software de achiziție, prelucrare si control statistic

Regim de lucru: manual/ automat

Beneficiar: Dacia Group Renault

Figura 1.38. Echipament mecatronic pentru controlul arborilor cotiți

Echipament mecatronic de control geometric și marcarea “tambur” (figura 1.39)

Caracteristici tehnico-funcționale:

– Precizia de măsurare: ± 0.005 mm

– Rezolutie de masurare: 0.001 mm

– Marcarea cu jet de cerneală (10 caractere programabile);

– Alimentare cu energie electrică: 230V, 50Hz;

– Alimentare cu presiune: 4-6 bar;

– Beneficiar : Dacia Group Renault

Figura 1.39. Echipament mecatronic de control geometric și marcarea tambur

Echipament mecatronic pentru controlul reperelor “pipa bieletă stânga și dreapta” (figura 1.40)

Caracteristici tehnico-funcționale:

Mod de operare: manual și automat

Display digital

Rezoluție: 0,001 mm

Construcție flexibilă care permite măsurarea ambelor tipuri de pipa bieletă (dreapta și stânga)

Acționări electrice și pneumatice

Criterii de decizie: validare/ invalidare piesa

Calcul statistic

Beneficiar: S.C. Componente Auto – Topoloveni S.A

Mașină mecatronica de verificare și sortare “tacheți” cu mobilă dinamică (figura 1.41)

Caracteristici tehnico-funcționale:

– mod de funcționare: automat;

– timp ciclu de lucru:~ 2 min/piesă;

– exactitate de măsurare : ±0,005 mm;

– repetabilitate: ± 0,002 mm;

– presiune de alimentare : 6 bar ;

– presiune de lucru : 5 – 5,5 bar;

– tensiune de alimentare : 220V50Hz ;

– mobilă dinamică cu 25 clase dimensionale;

– nr. tacheți aleși – verificați simultan: 8;

– nr. traductori folosiți la măsurare: 16;

– măsurare cu traductoare incrementale;

– beneficiar: S.C. DACIA RENAULT S.A.

Figura 1.41. Mașină mecatronica de verificare și sortare tacheți cu mobilă dinamică

Dispozitive de control “planetara cu coada” (figura 1.42)

Caracteristici tehnico-funcționale:

componenta : doua posturi de măsurare

postul 1 : 8 diametre;

postul 2 : 1 diametru; 1 abatere de la circularitatea totala; 1 dimensiune peste bile;

centrala de masurare Etamic CMZ 32;

masa de măsurare;

panou pneumatic preparare aer;

masurare: electronica cu traductori inductive;

timp ciclu măsurare: 15 secunde;

precizia măsurării: ±0,003 mm;

rezolutie: 0,0005 mm;

încărcare-descărcare: manuală;

retragerea palpatorului: pneumatica;

bazare: prisme in V cu sistem de apăsare piesa cu role;

beneficiar: Renault Mecanique Roumanie Pitesti.

Figura 1.42. Dispozitive de control “planetara cu coada”

CAPITOLUL 2. CONCEPTE MECATRONICE DE METODE ȘI TEHNICI DE MĂSURARE, VERIFICARE SAU INSPECȚIE A CALITĂȚII PIESELOR ÎN INDUSTRIA AUTO

2.1. Generalități

Măsurarea este un proces în care mărimea măsurată este comparată cantitativ cu o mărime de referință de același tip. Pe post de mărime de referință se utilizează o măsură care reprezintă unitatea sau părți ale acesteia. Prin procesul experimental de măsurare se individualizează mărimea măsurată ca multiplu sau parte a unității [6]. Într-un sistem general de măsurare (Figura 2.1), elementele senzoriale transformă mărimile de măsurat (neelectrice), circuitele de convertire modifică și amplifică semnalele, iar circuitele de afișare și memorare afișează și înregistrează rezultatele măsurării.

Figura 2.1. Structura unui concept mecatronic de sistem general de masurare

Din rezultatele unei măsurători pot fi trase concluzii privind:

– calitatea obiectului măsurat, de exemplu dacă piesa este conformă sau neconformă, dacă poate fi corectată;

– parametrii procesului de prelucrare, de exemplu dacă procesul este adecvat, starea mașinii-unelte, reglarea parametrilor procesului, alegerea sculei;

– capacitatea furnizorului de a fabrica produse cu caracteristicile cerute.

Conform DIN 1319, o instalație mecatronica de măsurare (Figura 2.2) îndeplinește următoarele funcțiuni:

preluarea mărimii de măsurat;

transmiterea și adaptarea semnalului de măsură;

prelucrarea semnalului de măsură;

compararea cu unitatea de măsură;

indicarea valorii măsurate.

Figura 2.2. Componentele conceptului de sistem de măsurare.

Există diferite criterii pentru clasificarea operațiilor de măsurare a elementelor geometrice [12], unul dintre acestea face distincția între:

– măsurarea cu contact;

– măsurarea fără contact.

Calitatea produselor specifice industriei auto este determinată de următorii parametrii:

proprietățile și caracteristicile materialului (rezistență, duritate, conductivitate, prelucrabilitate, etc.);

condițiile de precizie dimensional geometrică a suprafețelor prelucrate;

condițiile de precizie micro-geometrică (rugozitate) a suprafețelor prelucrate;

aspectul suprafețelor prelucrate

Pentru culegerea informațiilor în legătură cu aceste variabile se utilizează metode de inspecție ce depind de mai mulți factori: seria de produse, forme și dimensiuni, precizie de măsurare, etc.

Metodele de măsurare, verificare sau inspecție moderne pentru verificarea calității produselor pot fi: „cu contact” (mașini de măsurat în coordonate (CMM), multe dintre acestea sunt în prezent controlate de calculator sau CN); „fără contact”, împărțite în două categorii: optice și non-optice [12].

În tabelul 2.1 se prezintă sintetic o serie de tehnologii pentru inspecția bazată pe utilizarea senzorilor si actuatorilor.

Tabel. 2.1. Metode de inspecție utilizate în verificarea calității produselor

2.2. Concepte mecatronice de metode de măsurare, verificare sau inspecție cu contact

Aceste tipuri de măsurări sunt cele mai frecvente în practică. Măsurarea lungimilor este de asemenea cel mai frecvent tip de măsurare. De aceea numărul aparatelor si mașinilor mecatronice pentru măsurarea lungimilor este mare [7]. Sunt utilizate: șublere, micrometre, ceasuri comparatoare, altimetre și tot mai frecvent mașinile mecatronice de măsurat în coordonate.

Mașinile mecatronice de măsurat în coordonate se impun datorită universalității lor, preciziei și productivității. Caracteristicile specifice a acestor aparate sunt:

– permit o reprezentare grafică a spațiului de măsurare;

– permit prelucrarea datelor primare obținute.

Prelucrarea este asigurată de calculatoarele cuplate on-line, de microprocesoare sau de sisteme combinate. În producția industrială, tehnica mecatronica de măsurat în coordonate și-a găsit un loc stabil. În prezent, nu există nici o piesă a cărei dimensiuni să nu poată fi măsurate cu mașinile mecatronice de măsurat în coordonate. Această universalitate și gradul înalt de automatizare explică dominarea din ultimii 10 ani a tehnicii mecatronice de măsurat în coordonate. Proliferarea mașinilor mecatronice de măsurat în coordonate se explică și prin dezvoltarea prelucrărilor cu NC, dezvoltarea sistemelor flexibile de prelucrare cât și a metodelor de prelucrare fără îndepărtare de material. Modificarea conceptelor de proiectare prin dezvoltarea modelelor geometrice 3D necesită, în faza de concepție și în faza de producție, o supraveghere cu ajutorul tehnicii de măsurat în coordonate. Un alt factor important rezultă din necesitatea producerii de repere interschimbabile foarte precise cu toleranțe mici, ceea ce silește producătorul să garanteze dimensiunile pieselor livrate.

Mașinile mecatronice de măsurat în coordonate (CMM) sunt cele mai reprezentative echipamente din categoria verificării calității (preciziei dimensional-geometrice) care folosește palpatorii cu contact sau non contact (Figura 2.3) [12].

Figura 2.3. Schema unei mașini mecatronice de măsurat în coordonate

Principalele avantaje ale mașinilor mecatronice de măsurat în coordonate sunt:

măsoară dimensiunile, forma și poziția tuturor elementelor geometrice;

se reduc majoritatea timpilor de măsură la o fracțiune din timpii necesari altor aparate;

se adaptează flexibil la schimbarea dimensiunilor și a tipului de piesă;

sunt mai sigure în procesul de măsurare decât majoritatea instrumentelor de măsurare din aceeași clasă;

pot înlocui calibrele și aparatele de măsură monoscop.

În cazul sistemelor mecatronice de măsurat în coordonate principalele componente ceea ce ne interesează în mod deosebit sunt exemplificat în Figura 2.4 [13]. Din punct de vedere constructiv există mai multe tipuri de mașini, principalele fiind prezentate în Figura 2.5:

– Mașini mecatronice de măsurat în coordonate universale, având:

A) construcție în consolă;

B) construcție cu o coloană;

C) construcție cu două coloane;

D) construcție cu patru coloane;

E) alte tipuri de construcții.

– Mașini mecatronice de măsurat în coordonate speciale:

A) cu dispozitive de scanare;

B) mașini de măsurat roți dințate.

Figura 2.4. Componentele sistemelor mecatronice de măsurat în coordonate

Figura 2.5. Mașini mecatronice de măsurat în coordonate; Variante constructive

Principiile de bază ale tehnicii de măsurat în coordonate

Corpul principal este constituit dintr-un batiu care susține sau pe care se deplasează dispozitive axiale care sunt montate astfel încât să materializeze 3 axe perpendiculare, una în funcție de alta (Figura 2.6) [12]. Aceste axe sunt notate cu X, Y și Z. Ele reprezintă un sistem de coordonate spațial, comparativ cu cel al mașinilor de frezat NC si CNC.

Figura 2.6. Materializarea sistemului mecatronic de coordonate cartezian de către elementele mașinii.

Deplasările de-a lungul axelor sunt citite de către un sistem mecatronic de măsurare a lungimilor, care le transmite unui sistem de calcul. În cazul aparatelor foarte simple, operate manual, deplasările vor fi afișate în mod direct. Funcția de măsurare a lungimilor este realizată de către capul palpator care, în momentul contactului cu piesa, transmite sistemului de acționare un semnal de comandă pentru memorarea poziției de contact. Se utilizează trei sisteme de coordonate (Figura 2.7):

– primul, atașat mașinii mecatronice de măsurat și este inițializat la pornirea mașinii, (X0, Y0, Z0);

– cel de-al doilea se atașează piesei care se măsoară și este inițializat pentru fiecare piesă (XP, YP, ZP);

– ultimul este sistemul mecatronic de coordonate atașat acționării și este inițializat la pornirea programului CNC al mașinii (XM, YM, ZM).

Figura 2.7. Sistemele de coordonate

Sistemul mecatronic de măsurare este condus cu ajutorul unui calculator și a unui CNC. Primul înmagazinează procedurile de lucru, datele de intrare, modelele geometrice și datele de ieșire, respectiv coordonatele măsurate sau abaterile. Prima procedură și cea mai importantă constă în alinierea celor trei sisteme de coordonate. Rolul CNC-ul este de a conduce programele de măsurare. Principiul de măsurare este materializat de comparația “SOLL-IST” (“IDEAL – REAL”) [13]. Măsurarea se bazează pe comparația între modelul geometric 3D (“SOLL”) și piesa reală obținută în urma prelucrării (“IST”). Modelul geometric poate fi desenul de execuție al reperului sau modelul virtual construit cu ajutorul programelor de proiectare asistată. Prin măsurare sunt obținute cotele unor puncte aflate pe suprafața reperului care apoi prelucrate de calculator furnizează informații referitoare la abaterile constatate între dimensiunile proiectate (ideale) și cele realizate efectiv (reale).

Elementele constructive ale mașinilor mecatronice de măsurat în coordonate

– Batiul aparatului susține toate celelalte elemente fixe sau mobile ale mașinii. Este o construcție sudată sau turnată, care trebuie să satisfacă condiții severe de rezistență, rigiditate și stabilitate dinamică. De obicei se prevede sprijinirea sa pe reazeme izolatoare de vibrații sau în construcția sa este inclus un izolator de vibrații.

– Placa de bază, servind ca masa fixă și ca purtător a căilor de ghidare, se execută dintr-o rocă naturală de tipul bazaltului (cunoscută și sub denumirea de diabaz). Rocile naturale oferă o serie de avantaje dintre care cele mai importante sunt:

stabilitate dimensională și de formă în timp (materialul este îmbătrânit natural);

coeficient de dilatare redus;

materialul este nemagnetic, nu conduce curentul electric;

densitate redusă, comparabilă cu a aluminiului;

rezistență la coroziune;

prelucrabilitate mecanică bună pentru operația de finisare.

– Coloana, portalul, punțile se realizează ca structuri sudate sau turnate, impunându-se tehnologii deosebite pentru prelucrarea căilor de ghidare și pentru asigurarea stabilității dimensionale și de formă a structurii pe durata de exploatare a aparatului.

– Ghidajele trebuie să satisfacă două cerințe:

asigurarea unei rectiliniarități ultraprecise pentru deplasarea saniei;

frecări foarte mici, pentru reducerea forțelor de acționare.

În general, față de timpul necesar pentru o inspecție manuală, timpul de care are nevoie o CMM este aproximativ 5÷10% din primul [14]. Dezavantajul acestor echipamente constă în faptul că piesele trebuie aduse de la postul de fabricație pe masa mașinii, care sunt dispuse de obicei în alt spațiu de lucru.

Prima mașină de măsurat pe care o numim MMC (Mașina de Măsurat în Coordonate) a fost dezvoltată de firma Ferranti (Figura 2.8a) din Scoția în 1956. Ferranti a fost o firmă care a fabricat mașini de comandă numerică. Au avut nevoie de o mașină de măsurat pentru că la piesele care au fost fabricate în câteva minute, măsurarea dura câteva ore. Mașina de la Ferranti a fost o mașină de inspecție cu o cursă la axele X, Y, Z de 610,381 și 254 mm cu afișaj numerică. Măsurările au fost făcute folosind un sistem optic cu franje Moire.

În anul 1966 firma Sheffield Measurement a construit mașina de măsurat CORDAX (Figura 2.8b), cu care o simpla măsurare de distanță între centre de cilindri, care în mod normal a durat 20 de minute, a fost realizata în timp mai scurt de un minut.

(a) (b)

Figura 2.8.Primele masini de masurat in coordonate (a) Mașina Ferranti, (b) Mașina CORDAX

În anul 1963, în Milano, firma DEA a prezentat un prototip al unei mașina de măsurat 3D, cu distanța de măsurare 2500 x 1600 x 600 mm. A fost prima mașină cu schelă de lucru cu acționare servo. În 1980 firma Mitutoyo din Japonia a făcut prima sa mașină de măsurat în coordonate cu control direct de la computer. Unul dintre primii senzori a fost fabricat de firma Renishaw în 1973 (Figura 2.9) [12].

(a) (b) (c)

Figura 2.9. Diferite tipuri de masini de masurat in coordonate. (a) Masina de la Mitutoyo; (b) Masina de la firma DEA; (c) Senzorul Renishaw.

Mașina mecatronica inteligentă de măsurat în coordonate (fig.2.10) realizată de INCDMTM, București are ca principale componente: masa-suport (1) din oțel sau fontă pe care se fixează masa de măsurare (2) din diabaz; portalul (4) format din grinzi verticale (5) și traversa (6) se deplasează în direcția x pe ghidaje-suport din diabaz (3); unitatea z (7) se deplasează pe traversa (6) din diabaz a portalului, traversa reprezentând calea de ghidare pentru ghidajele gazostatice ale axei y; coloana z (7) purtătoare a palpatorului (8) se deplasează în direcția z.

Sistemul de ghidare x, y, z este format din grinzi de diabaz și patine gazostatice plane care asigură deplasări precise și frecări neglijabile. Sistemul de antrenare este cu motor de curent continuu care asigură mișcarea pe cele trei coordonate prin mecanism șurub cu bile –piuliță sau cu pinion-cremalieră.

Mașina inteligentă de măsurat în coordonate poate fi prevăzută cu o masă rotativă divizoare (9) cu traductor și afișare digitală.

Figura. 2.10. Masina mecatronica inteligenta de masurat in coordonate 3D tip CEFIN: (1) masa-suport; (2) masa de măsurare; (3) ghidaje suport); (4) portal; (5) grinzi verticale; (6) traversa; (7) unitatea z; (8) palpator.

Mașina mecatronica inteligentă de măsurat tip INCDMTM, România se caracterizează din punct de vedere tehnologic astfel:

masa-suport a mașinii este turnată din oțel sau fontă cenușie / nodulară detensionată din punct de vedere al tensiunilor interne, eventual îmbătrânită natural. În scopul eliminării instabilității dimensionale, turnarea se face în rame la sol, utilizând modele de turnare care trebuie să țină cont de coeficienții de contracție ai materialului și de geometria complexă a mesei-suport; după turnare, îmbătrânire și detensionare, se aplică alte operații tehnologice de prelucrare: frezare, găurire, filetare și rectificare;

masa de măsurare este realizată din rocă vulcanică (diabaz), prin debitare, frezare, rectificare și lepuire; materialul are stabilitate dimensională foarte ridicată care îi conferă o proprietate metrologică absolut necesară; un rol important îl are lepuirea finală care trebuie să asigure o planeitate și o rugozitate foarte precise; verificarea acestora se face cu nivela electronică;

ghidajele-suport ale axei x sunt din diabaz, prelucrate mecanic: frezate, rectificate și lepuite; frezarea și rectificarea se fac pe mașini-unelte Valdrich;

ghidajele gazostatice se realizează din alamă (Am58t) cu operații tehnologice foarte precise: freazare, găurire, filetare, rectificare și lepuire, acestea efectuându-se pe mașini-unelte cu NC sau CNC;

portalul este format din grinzi verticale din oțel sudat și din traverse din diabaz, acestea fiind căile de ghidare pentru ghidajele gazostatice ale axei y; grinzile se sudează, se frezează, se rectifică și se detensionează; li se aplică și alte operații secundare: găurire și filetare; toate aceste operații se realizează pe mașini-unelte clasice sau universale; traversele din diabaz se prelucrează prin frezare, rectificare și lepuire; acestea realizându-se pe mașini-unelte cu NC;

coloana z se realizează în principiu din diabaz cu ghidaje gazostatice, prin prelucrări specifice diabazului.

Mașina mecatronică de măsurat în coordonate, produsă de institutul INCMTM, din a carei echipa de cercetare am facut parte, are ca principiu de funcționare: utilizarea sistemului de coordonate cartezian ca deplasări manuale sau automate pentru un palpator în coordonate ce tastează fiecare punct de măsurare și pentru un sistem de măsurare a deplasărilor în coordonate.

Acest principiu de funcționare este materializat prin ghidajele gazostatice x, y, z și , ce formează sistemul cartezian și polar de axe spațiale; principiul de funcționare, desfășurat în soluțiile constructive ale mașinii: deplasarea spațială, x, y, z și , astfel încât vârful de palpare al traductorului în coordonate să poată pătrunde la fiecare punct de măsurare, ajută la culegerea fiecărei cote de măsurat a piesei de verificat; dacă în direcția x, axa x a mașinii se deplasează pe ghidaje gazostatice, deci fără contact mecanic între suprafețele în mișcare relativă atunci sistemul de acționare mecanic, acționează asupra mișcării axei prin acționarea motorului corespunzător; mișcarea se produce într-un regim accelerat, până când capul de palpare se apropie de suprafața de măsurare, mișcarea executându-se decelerat și continuând chiar și după ce s-a făcut contactul real cu piesa, palpatorul în coordonate permițând acest lucru, deoarece numai la atingerea suprafeței se deschide un contact electric ce marchează „momentul real” de citire al traductorului de măsurare.

În momentul atingerii punctului de măsurare, deschizându-se unul din cele trei contacte, circuitul electric este pus sub tensiune și emite un „ semnal luminos și sonor” și un semnal electric acționează blocul electronic de formare și citire al traductorului de măsurare, acesta înregistrând valoarea găsită în momentul contactării piesei, valoarea este formatată, transformată, amplificată, dirijată electronic și afișată dar și prelucrată analitic și statistic și transmisă echipamentelor periferice; în acest mod se procedează cu fiecare palpare a punctelor de măsurare pe celelalte direcții (y, z și ).

Măsurarea punctelor se face fie manual, fie automat în care caz, tehnologia măsurării automate folosește un soft adecvat. Această tehnologie de măsurare este în aplicare printr-o tehnică de calcul adecvată și dimensionată acestor utilizări.

Principalele caracteristici ale mașinii de măsurat în coordonate INCDMTM sunt:

tipul constructiv: portal;

intervale de măsurare:

x=1600mm; 1000mm; 700mm;

y=1000mm; 800mm; 400mm;

z=1000mm; 600mm; 300mm;

eroarea de bază la temperatura de referință pe cele trei direcții: (5+0,006L)m;

temperatura în timpul utilizării: 20o1oC;

eroarea de fidelitate: 0.005mm;

forța de măsurare: 2025cN;

rezoluția pentru măsurări liniare: 0.01mm; 0.001mm;

masa maximă a piesei de măsurat pentru masa de andezit: 500kg;

interval de măsurare pentru măsurări unghiulare: 0360o;

rezoluția la măsurări unghiulare: 3.6’’;

presiunea aerului de alimentare: 510gf/cm2;

debitul de aer la alimentare: 200l/min 5%;

tensiunea de alimentare: 200V/50Hz;

Mașina inteligentă de măsurat în coordonate tip INCDMTM este specifică tehnologiilor de măsurare automată:

pentru piese turnate;

pentru piese prelucrate tip prismatic și de revoluție;

pentru axe și arbori;

pentru roți dințate;

pentru piese tip carcase.

În general, aceste utilaje sunt utilizate pentru măsurări automate în linii și sisteme flexibile, în linii de transfer și acoperă următoarele domenii:

industria constructoare de mașini;

industria bunurilor industriale;

industria aeronautică;

industria auto;

industria mașinilor și utilajelor agricole.

Aceste tipuri de mașini sunt utilizate la dotarea laboratoarelor metrologice.

Mașina mecatronică de măsurat în coordonate tip INCDMTM, România, se caracterizează astfel:

aspect ergonomic;

design ales;

construcție robustă;

manipulare ușoară și rapidă;

manevrabilitate ridicată.

2.3 Concepte de metode mecatronice de măsurare, verificare sau inspecție fără contact

Din această categorie cele mai răspândite sunt metodele optice si metodele non-optice.

Metodele optice

Metodele optice sunt printre cele mai folosite și adecvate metode de caracterizare a suprafețelor, existând o multitudine de posibilități de a investiga un corp și de a obține anumite informații. Față de metoda inspecției cu contact, cele fără contact prezintă următoarele avantaje mai importante:

elimină necesitatea transferului piesei de la locul de producție pe masa echipamentului de verificat și deci productivitatea procesului de inspecție crește;

sunt mult mai rapide în efectuarea inspecției calității produsului;

în lipsa contactului elementului de verificare a calității cu suprafața piesei se elimină oboseala și uzura mecanică a sondei traductorului și senzorului de măsurare/control;

elimină posibilitatea deteriorării suprafeței inspectate în timpul operației de măsurare/ control.

Sistemele optice sunt cele mai utilizate metode de inspecție fără contact a calității produsului și care se bazează pe folosirea tehnologiilor microelectronice și procesarea pe calculator a semnalelor primite de la senzori sau traductoare [15]. Din categoria tehnicilor optice de inspecție fără contact fac parte:

vederea computerizată;

scanarea cu fascicul laser;

fotometria.

Toate aceste metode folosesc pentru prelucrarea informațiilor despre calitatea produselor un senzor de lumină de țip: celulă fotoelectrică, fotodiodă sau hârtie fotografică, etc.

Vederea computerizată

Obiectivul metodei este acela de a atribui sistemului pe cât posibil același simț vizual ca al unei persoane umane, care ar verifica produsul pentru evaluarea calității. Este un domeniu încă neexploatat pe deplin și care are perspectiva unor perfecționări foarte mari pentru creșterea productivității procesului de inspecție și a evaluării calității rezultate. Un astfel de sistem automat de control conține: o cameră video și un calculator digital legate printr-o interfață specifică [15].

Calculatorul digital preia semnalul analog de la camera video, îl digitalizează și apoi analizează imaginea rezultată cu informațiile stocate în propria memorie încadrându-l în produs bun sau rebut.

În prezent, există o serie de limite ale acestor tehnologii dintre care mai semnificative sunt următoarele:

împărțirea imaginii se face în elemente de imagine de bază (puncte sau pixeli) într-un număr finit; 256×256 sau 512×512, număr insuficient pentru a reprezenta o rezoluție ridicată a imaginilor obținute de pe produsul de verificat;

a doua limitare este cea legată de recunoașterea obiectelor din câmpul de vedere al camerei video (numărul de obiecte care poate fi recunoscut este direct proporțional cu capacitatea de stocare a calculatorului); sistemul nu poate recunoaște obiecte pentru care nu are informații stocate în baza sa de date;

o altă restricție de limitare se referă la cazul în care două obiecte se obturează (se intersectează ca imagine) parțial unul pe celălalt, caz în care tehnicile actuale nu permit recunoașterea ambelor obiecte cu performanțe ridicate de identificare.

Aceste limitări ale vederii computerizate sunt, în principal, datorate vitezei de calcul și capacității de stocare a informațiilor limitate la anumite valori posibile în calculator. Aceste limite se vor diminua destul de curând prin dezvoltarea echipamentelor electronice și a programelor de calculator. Sistemele automate cu vedere computerizată sunt de multe ori parte integrantă a liniei de producție, de unde, pe măsură ce imaginea este actualizată, se determină calitatea piesei: bună sau rebut. Pentru cele bune se continuă procesul de producție, iar pentru cele rebut sunt trimise în locații separate, unde se decide dacă este rebut recuperabil sau nerecuperabil.

Deoarece sistemele de vedere artificială sunt foarte diverse, componentele specifice variază de la sistem la sistem. Totuși, majoritatea sistemelor includ o sursă de intrare, optică, iluminare, senzori de piese, o placă de achiziție, o platformă PC, software de inspecție, I/E digitale și conexiune rețea [16]. Iluminarea pieselor pentru achiziția optimă de date presupune surse de lumina externe. Astfel, sistemele de iluminat sunt de forme și mărime variabile și cu intensități variate. Placa de achiziție sau de captură grafică realizează interfațarea intre unitățile de imagine și calculatorul stație. Placa de achiziție ia datele de imagine oferite de cameră într-un format digital sau analog și îl convertește într-o informație ce poate fi utilizată de PC (Figura 2.11). Software-ul sistemelor de vedere artificială poate fi în diverse forme și poate avea o singură funcție (proiectat doar pentru o singură operație ca inspecție LCD, taskuri de aliniere, etc.) sau multifuncțional (proiectat cu o serie de funcționalități: citire coduri de bare, calibrare, ghidare vizuală a roboților, verificarea prezenței și altele) [17].

Figura 2.11. Arhitectura inteligenta a sistemului de inspecție vizuală 3D.

Operațiile de inspecție fac parte din următoarele categorii: realizarea de măsurători și calibrări, recunoașterea și identificarea unor trăsături specifice, citirea caracterelor sau a informației codate, detectarea prezenței unui obiect sau marcaj, compararea unui obiect cu un model sau ghidarea unei mașini sau unui robot. Un sistem de vedere artificială este atât de puternic pe cât de puternice sunt componentele individuale. Orice limitare făcută în timpul procesului de selecție – în special la optică și achiziția de imagine – poate reduce semnificativ eficacitatea sistemului. Selectarea camerei este direct legată de cerințele aplicației și de obicei implică trei mari criterii: imagine specifică, dacă obiectele inspectate sunt în mișcare și rezoluția cerută.

În dezvoltarea oricărui sistem de inspecție vizuală automată se începe cu ceea ce este cunoscut și de acolo se determina în continuare care sunt componentele necesare sistemului. În timp ce configurația sistemului însuși este o necunoscută compusă din elemente ce trebuiesc determinate, sunt cunoscute intrările sistemului – piesele de prezentat sistemului de vedere – și ieșirile acestuia. Aceste informații sunt bazate pe specificații funcționale.

Aceasta dezvoltare în progresie (Figura 2.12) este în general rezonabilă, dar exista și excepții. De exemplu, nu este practic să se aleagă o lentilă înainte de a se alege camera. De asemenea, unele componente interacționează și trebuie alese împreună. De exemplu, camera și placa de achiziție trebuie să se potrivească. În general, placa de achiziție și software-ul folosit trebuie să fie compatibile [15]. În plus, multe proiecte conțin caracteristici unice, care cer dezvoltatorului să se abată de la acest ghid.

Figura 2.12. Dezvoltarea progresivă a sistemului inteligent de inspecție vizuală automată.

Pentru aplicațiile de inspecție vizuală automată este necesară parcurgerea secvenței de proiectare (specifica imagisticii) de bază compusă din următorii pași, în vederea controlului de calitate al produselor:

• alegerea tipului de camera video – matriciala sau liniara;

• alegerea direcției de vedere a camerei și calculul câmpului vizual (de vedere, FOV – Field of View);

• evaluarea rezoluției necesare;

• estimarea caracteristicilor de viteză de procesare;

• selectarea camerei video și a obiectivului (+ eventual extensiei mecanice).

Pentru alegerea direcției de vedere a camerei video matriciale (CVM) este necesară cunoașterea unui număr de aspecte: (I) sunt amplasate pe produs trăsăturile de interes; (II) ce trăsături pot determina (dacă este cazul) ambiguități pentru SIVA și unde sunt localizate; (III) localizarea produselor (gradul de cunoaștere/ restricționare a poziției și orientării obiectelor, variații previzibile de amplasament); (IV) dispozitive care restricționează (eventual) poziția CVM (de exemplu brațul robotului). Aceste date trebuie să fie disponibile din specificațiile inițiale.

Pentru calculul câmpului vizual (FOV), cunoașterea tipului de CVM și a direcției de vedere furnizează o informație suficientă. Dimensiunea FOV într-o direcție va fi obținută din ecuația:

FOV = (Dp + Lv )(1 + Pa) (2.1)

unde:

FOV este dimensiunea necesară a câmpului vizual de-a lungul unei direcții: H (orizontal) sau X, respectiv V (vertical) sau Y;

Dp este dimensiunea maximă a obiectului în direcția H sau V a FOV;

Lv este variația maximă ținând cont de translația și orientarea conjugate ale obiectului;

Pa este factorul de expandare a FOV [%] estimat din considerente tehnologice.

Dimensiunea maximă a obiectului, Dp, și variația totală de amplasament estimată, Lv, trebuie să fie disponibile din specificațiile inițiale ale aplicației. Factorul de expandare a FOV, Pa, deriva dintr-o judecată inginerească. Este evident că nu este de dorit niciodată ca trăsături importante în imagine să fie în contact sau să depășească limitele analizabile ale imaginii, după cum nu este practică o CVM ce trebuie aliniata și menținută la nivel de pixel în raport cu un detaliu al obiectului analizat. O alegere obișnuită pentru Pa este 10%.

Referitor la evaluarea rezoluției necesare, trebuie considerate 5 tipuri de rezoluție în SIVA:

• Rezoluția imaginii: este dată de numărul de linii și coloane de pixeli din imagine, fiind determinată de tipul camerei (și implicit al senzorilor săi) și de numărul de cadre.

• Rezoluția spațială: este spațierea intre centrele pixelilor atunci când aceștia sunt raportați (mapați) la scenă. Ea este exprimată prin raportul dimensiunii fizice în standard SI [mm] per pixel (de exemplu 0.5 mm/pixel). Rezoluția spațială este determinată de rezoluția imaginii și de mărimea câmpului vizual.

• Rezoluția trăsăturilor: este exprimată prin cea mai mică trăsătura vizualizată în mod sigur de sistem. O limită practică confirmată în SIVA este de 3-4 pixeli care acoperă trăsătura de dimensiune minimă detectabilă întotdeauna.

• Rezoluția de măsura: este cea mai mică modificare în dimensiunea sau amplasamentul unui obiect care poate fi detectată; este exprimată ca o dimensiune liniara (de exemplu 0.1 mm).

• Rezoluția unui pixel: este granularitatea în reprezentarea fiecărui pixel, adică rezoluția pe scara nivelelor de gri cu care poate fi reprezentat un pixel. Pentru SIVA, rezoluția unui pixel (cuantificarea) este de 128 de nivele de reprezentare a imaginilor monocrome.

(b) Dispozitivele de scanare cu fascicul laser sunt cele mai performante în raport cu alte tipuri de dispozitive cu fascicul de lumină albă sau fluorescentă, deoarece avantajul laserului, cel mai important, este că poate fi proiectat la distanțe mari fără a prezenta pierderi însemnate de energie sau intensitate, precum și de abatere de la direcția rectilinie [18].

Un exemplu reprezentativ al aplicării acestei metode îl reprezintă măsurarea abaterilor dimensionale ale unei piese (Figura 2.13). Sistemul de lucru se bazează în acest caz pe măsurarea timpului și nu a intensității luminii. Fasciculul laser emis de către o sursă este dirijat prin reflexie folosindu-se o oglindă pivotantă, astfel încât să scaneze obiectul de măsurat. Detectorul optic este situat în punctul focal al sistemului de lentile și are ca scop să detecteze întreruperea fasciculului laser în momentul când acesta este blocat de obiect (Figura 2.13b).

Timpul care corespunde întreruperii luminii laser (Δt = t2 – t1) este măsurat și apoi transformat în dimensiuni specifice pentru acel obiect (Figura 2.13a).

Figura 2.13. Schema generală a unui sistem mecatronic de verificare a preciziei dimensionale cu fascicul laser.

a. principiul de masurare; b. schema functionala.

(c) Fotometria este o metodă de inspecție împrumutată din domeniul recunoașterii aeriene și a alcătuirii de hărți geologice (topografice).

În inspecția calității produselor, aceasta presupune extragerea unor informații tridimensionale dintr-o pereche de fotografii ale obiectului, luate sub diverse unghiuri. Dezavantajul acestei metode este realizarea fotografiilor care necesită un anumit timp. Principiul unui astfel de sistem de inspecție se prezintă în Figura 2.14, de unde se observă că imaginile foto preluate de cele două camere, 1 și 2, sunt prelucrate de un calculator, care prin procesarea imaginilor obținute, comparându-le cu imaginea stocată a unui model de referință, decide asupra calității produsului [16].

Figura 2.14. Sistem mecatronic de măsurare dimensională bazat pe fotometrie

Metodele non-optice

Sunt utilizate mai des trei tipuri generale reprezentative de tehnici non-optice ale inspecției fără contact a calității produselor [18] și anume:

Tehnici bazate pe câmpuri electrice, care pot fi de tip capacitiv, inductiv, rezistiv.

Spre exemplu, un traductor de tip capacitiv poate fi folosit pentru măsurarea distanței dintre sondă și obiectul de măsurat, principiul de lucru constând în plasarea obiectului în interiorul plăcilor mobile ale unui condensator, iar prin măsurarea capacității variabile C a acestuia se pot determina dimensiunile obiectului pe o direcție sau pe mai multe:

C = εS / 4πd (2.2)

unde ε este permitivitatea dielectricului; S este suprafața plăcilor condensatorului; d este distanța dintre plăci).

Un traductor de tip inductiv, folosit pentru verificarea calității produsului, presupune plasarea obiectului într-un câmp magnetic produs de o bobină traversată de curent alternativ, care influențează inductanța bobinei. Câmpul magnetic primar este influențat de cel creat de curentul de intensitate mai mică generat prin obiect.

Inductanța rezultantă poate fi măsurată și analizată pentru determinarea anumitor caracteristici dimensionale ale obiectului sau chiar geometrice.

Tehnici bazate pe utilizarea radiațiilor

Radiațiile X sunt folosite în procesul de inspecție ale caracteristicilor sau proprietăților materialelor sau ale pieselor. Energia radiațiilor absorbită de un material poate fi folosită atât pentru a-i măsura grosimea, cât și pentru a-i determina alte caracteristici de calitate (spre exemplu existența unor defecte interne).

Domeniul de aplicare ale tehnicilor cu raze X este cel legat mai ales de inspectarea calității sudurilor sau a țevilor din oțel de Al, când se detectează defectele și golurile în sudură sau material.

Ultrasunetele

Acestea sunt folosite (la frecvență înaltă de peste 20000 Hz) pentru a indica anumite caracteristici ale materialelor sau pieselor, prin testarea nedistructivă (a defectelor). Pot fi folosite și pentru determinarea caracteristicilor dimensionale, principiul constând în faptul că sunetul reflectat de obiect este comparat de un calculator cu alte modele de unde stocate în memoria acestuia, acceptabile din punct de vedere al calității.

2.4. Concepte de dispozitive mecatronice inteligente de control integrat

Dispozitivele de control dimensional integrat se pot clasifica dupa mai multe criterii, cele mai utilizate fiind [12]:

(a) modul de control:

dispozitive de masura si control cu contact:

masini de masurat in coordonate

roboti de masurat (simplu sau mixt)

brate articulate

dispozitive de masura si control fara contact:

laser

video

ultrasunete

chimici

electrici

(b) locul de desfasurare al masurarii:

in laborator in conditii speciale metrologice

pe linia de fabricatie in fluxul de productie

O alta clasificare a dispozitivelor de masura si control dimensional integrat este in functie de tipul de coordonate :

carteziene

cilindrice

sferice

In general dispozitivele mecatronice de control integrat cu contact sunt reprezentate pentru partea automatizata de masinile cu comanda numerica iar pentru partea clasica de dispozitivele de control cu joje, calibre si etaloane. Pentru dispozitivele mecatronice inteligente de control integrat fara contact se utilizeaza in general senzori si scanere laser, video sau o combinatie a acestora [12].

2.5. Exemple semnificative de concepte de sisteme de control tridimensional comerciale

Dispozitive de verificat abatere, cote și condiții de perpendiculatritate pentru reperul volant H4 / H5 realizate de INCDMTM Bucuresti pentru SC. Renault Dacia Pitesti (Figura 2.14), din a carei echipa de cercetare am facut parte.

Figura 2.15. Dispozitive de verificat tipo-dimensiuni pentru reperul volant H4 / H5 (SC. Renault Dacia Pitesti)

Dispozitivele din figura 2.15 sunt echipate cu ceasuri comparatoare cu precizie micronica / submicronica, controlul pieselor reper „volant H4/H5” facandu-se prin comparatie fata de etalon. Dispozitivele sunt echipate cu sanie tip sina pentru intrarea sau iesirea din masurare actionata manual. Daca este nevoie dispozitivele de control pot fi dotate cu traductori digitali de masurare si centrala de masurare tip calculator industrial pentru stocare si afisare rezultate.

Instalatie mecatronica de control multidimensional cu centrala electronica de masurare gama de operatii T100 (strunjire de degrosare) – statiile 103, 103a, 105 și 107 (Figura 2.16)

Figura 2.16. Instalatie mecatronica de control multidimensional cu centrala electronica de masurare gama de operatii T100 (SC. Renault Dacia Pitesti)

Instalatia mecatronica se compune din:

Masa speciala de control;

Centrala CMZ200 cu program WIN2000 si modul prelucrari date statistice, inclusiv module electronice, pneumatice, interfete de achizitie pentru traductori, cu posibilitatea de transmitere de date in SUMEQ.

Dispozitive de control pentru toate cele patru statii: 103, 103a, 105, 107.

Aparatura electrica si pneumatica de alimentare si actionare;

Etaloane pentru posturile de masurare (cate 1 etalon de mediu/post de control);

Soft de masurare cu programe pentru toate cele patru/trei posturi de control piesa;

Teste de functionare.

Masurarea se face prin comparatie fata de etaloane, actionarea elementelor de masurare find pneumatica. Instalatia de control este dotata cu traductori digitali de masurare si dispune de centrala de masurare tip calculator industrial pentru stocare si afisare rezultate.

Pentru gama deoperatii T100 (strunjire de degrosare):

Statia 103 verifica cinci diametre si patru cote axiale;

Statia 103a verifica o cota axiala;

Statia 105 verifica sase diametre si doua cote axiale;

Statia 107 verifica un diametru si patru cote axiale.

Caracteristici tehnice:

Tensiunea de alimentare (pentru CMZ200 ETAMIC): 220 V.c.a/50 Hz;

Presiunea de alimentare 5 bar;

Timp de măsurare: max 10 sec.pe fiecare post;

Rezoluția afișării: ;

Elemente de masurare actionate pneumatic cu traductoare inductive;

Calculator industrial: Centrala CMZ 200 ETAMIC;

Interfață dispozitiv mecanic-Centrală: SATELIT ETAMIC;

Sistem de operare Windows2000;

Program de măsurare-INCDMF București;

Echipament mecatronic de verificare „arbore cotit” cu centrală de măsurare realizate de INCDMTM Bucuresti pentru SC. Renault Dacia Pitesti (Figura 2.17)

Figura 2.17. Echipament mecatronic de verificare arbore cotit cu centrală de măsurare

Instalatia mecatronica de masurare dispune de doua posturi de control, actionarea elementelor de masurare find pneumatica. Instalatia de control este dotata cu traductori digitali de masurare si dispune de centrala de masurare tip calculator industrial pentru stocare si afisare rezultate si este utilizata pentru controlul cotelor axiale și controlul diametrelor la vilbrochen tip K7J și K7M.

Caracteristici tehnico-funcționale:

– Alimentare electrica: 220 V AC / 50 Hz
– Alimentare Presiune : 5 bar ;
– Timp de măsurare : maxim 10 sec . pe fiecare bucata ;

– Rezoluție de afișare : 0,001 mm ;
– Măsurare cu traductoare inductive, pneumatice ;
– Procesor industrial : CMZ 200 ETAMIC
– Statie interfață: SATELIT ETAMIC ;
– Sistem de operare : Windows 2000;

– Beneficiar : SC Automobile Dacia Group Renault

CAPITOLUL 3. ANALIZA ARHITECTURILOR DE SENZORI ȘI TRADUCTOARE UTILIZAȚI ÎN CONSTRUCȚIA SISTEMELOR MECATRONICE DE MĂSURARE ȘI CONTROL DIMENSIONAL DIN INDUSTRIA AUTO

3.1. Introducere – arhitecturi de senzori și traductoare utilizate în sisteme mecatronice de control integrat inteligent din industria auto

Rolul important al senzorilor și traductoarelor se identifică la proiectarea și exploatarea sistemelor mecatronice de măsurare și automatizare pentru determinarea interconectării, în cadrul procesului tehnic și pentru convertirea mărimilor de măsurat neelectrice în semnale electrice.

În cadrul sistemului mecatronic integrat, fiecare senzor conține un circuit de evaluare, prin intermediul căruia semnalul este convertit într-un semnal de frecvență sau într-un semnal de amplitudine, un circuit de amplificare, un circuit de conversie în format de semnal numeric și facilități pentru prelucrarea analogică sau numerică a semnalului [19].

În procesul de măsurare, realizarea efectului de măsurare de către senzor, necesită pe de o parte atât măsuri constructive și de tehnică de fabricație cât și măsuri de calibrare și de recalibrare, iar pe de altă parte să dispună și de facilitățile necesare pentru funcționare, cum sunt energia auxiliară și/ sau semnalele de comandă.

În general, senzorii si actuactorii sunt parte integrantă a mecatronicii formând un sistem „mecano-electro-opto-informatic” destinat identificării și determinării unor proprietăți și îndeplinind o serie de funcții, de la emitere semnal de intrare la condiționarea informației, selectarea și adiționarea informației, amplificarea și transformarea/ prelucrarea informației și procesarea completă a informației pentru liniile de comunicație către mediul intern și mediul extern al unei entități și/ sau al unei societăți post industriale.

În sistemele mecanice sunt utilizați senzori liniari și de rotație precum si diferiti actuactori, pentru sesizarea/ măsurarea deplasărilor liniare și unghiulare prin fixarea lor pe axele de translație și de rotație tehnice/ tehnologice.

Acești senzori sunt construiți pe diferite principii de funcționare, corespunzătoare diferitelor efecte fizice.

3.2. Clasificarea arhitecturii de senzori și traductori utilizati în controlul integrat inteligent

Un TRADUCTOR este un dispozitiv elementar capabil, într-un anumit domeniu de măsurare, să convertească o mărime fizică de intrare într-o mărime electrică de ieșire. Traductorul în sine nu conține elemente de procesare, scopul lui este doar realizarea conversiei.

Un SENZOR este un dispozitiv bazat pe un traductor, capabil să convertească o mărime neelectrica într-o mărime electrică și să o proceseze în concordanță cu un algoritm dat, cu scopul de a furniza o ieșire ușor utilizabila de un sistem de calcul [19].

Traductoarele se compun din elementul sensibil senzor și elementul traductor, conform figurii 3.1. Elementul sensibil senzor efectuează operația de măsurare propriu-zisă, iar elementul traductor asigura transformarea semnalului într-un alt semnal, în general electric sau pneumatic, unificat, semnal ce se pretează pentru transmiterea la distanță.

Figura 3.1. Componență traductor.

Într-un sistem mecatronic, senzorii și traductoarele permit modulului de procesare obținerea de informații despre proces și mediu. Fără aceste dispozitive, sistemul nu poate funcționa. De multe ori, calitatea sistemului mecatronic este în cea mai mare parte dependenta de calitatea sistemului de senzori și traductoare. Performanțele traductoarelor pot fi apreciate pe baza următoarelor caracteristici:

– Sensibilitatea reprezintă limita raportului dintre variația infinit mică a mărimii de ieșire și cea de intrare, când ultima tinde spre zero, adică:

(3.1)

Este necesar ca această sensibilitate să fie constantă pe tot domeniul de măsură, adică elementul să fie liniar, în caz contrar sensibilitatea putându-se defini în jurul oricărui punct de funcționare. În mod normal, elementele de măsurat prezintă un anumit prag de sensibilitate, adică o valoare limita Δi sub care nu mai apare o mărime măsurabilă la ieșire.

– Precizia se definește ca valoarea relativă a erorii exprimată în procente, obișnuit elementele de măsurat din sistemele automate având clase de precizie de 0,2 ¸ 1,5 %, fiind necesar să fie cu cel puțin un ordin de mărime superioară preciziei reglajului în ansamblu.

(3.2)

– Liniaritatea se referă la aspectul caracteristicii statice a elementelor și, această caracteristică nu trebuie să prezinte curburi și histerezis pe tot domeniul de variație al mărimilor de intrare și ieșire.

– Comportarea dinamică se referă la capacitatea elementului de a reproduce cât mai exact și fără întârziere variațiile mărimii măsurate. Se apreciază pe baza funcției de transfer a elementului, adică pe baza constantelor de timp ce intervin sau, uneori, pe baza benzii de trecere.

– Reproductibilitatea reprezintă proprietatea elementelor de a-și menține neschimbate caracteristicile statice și dinamice pe o perioadă cât mai lungă de timp, în anumite condiții de mediu admisibile.

– Timpul de răspuns reprezintă intervalul de timp în care un semnal aplicat la intrare se va resimți la ieșirea elementului. Acest timp poate fi oricât de mic, dar niciodată nul, putând fi asimilat cu inerția.

– Gradul de finețe se caracterizează prin cantitatea de energie absorbită de traductor din mediul de măsură, recomandându-se să fie cât mai mică pentru a nu influența desfășurarea procesului. Alegerea traductorului se va face în funcție de parametrul reglat, în funcție de mediul de măsură, în funcție de tipul semnalului: continuu, electric sau neelectric, discontinuu, s.a.

Clasificarea traductoarelor este o problemă destul de dificilă, deoarece varietatea acestora este multiplă. Senzorii și traductoarele (encodere) se pot clasifica după o diversitate mare de criterii, după tipul aplicației, după principiul de măsurare, după precizie și acuratețe, după domeniul de măsurare, precum și alte tipuri de clasificări.

Privite sub aspectul tipului de semnale, traductoarele pot fi analogice sau pot fi numerice (cifrice).

Una din variantele de clasificare, în funcție de mărimea de intrare și cea de ieșire, este prezentată schematic în figura 3.2.

Figura 3.2. Clasificarea tipurilor de traductoare.

Senzorii și traductoarele pot fi clasificati în raport cu caracteristicile lor de intrare/ieșire. Astfel, corespunzător mărimii fizice de intrare, aceste dispozitive pot fi:

Absolute: când pentru o origine fixată, semnalul electric de ieșire poate reprezenta toate valorile posibile ale semnalului de intrare;

Incrementale: când o origine nu poate fi fixată, oricare ar fi valoarea semnalului fizic de intrare, fiecare punct de măsură fiind luat drept origine pentru următorul punct de măsură.

Natura semnalului de ieșire determina dacă dispozitivul este:

Analog: când semnalul de ieșire este continuu și depinde liniar sau neliniar de mărimea fizică de intrare;

Digital: când pentru o mărime fizică de intrare continua semnalul de ieșire poate lua un număr discret de valori.

Din punct de vedere energetic putem avea dispozitive:

Active: realizarea conversiei mărimii fizice de intrare în semnal electric se face fără aport de energie auxiliară (termocupluri, dispozitive fotoelectrice etc.);

Pasive: realizarea conversiei mărimii fizice de intrare în semnal electric se face cu aport de energie auxiliară (termorezistente, traductoare tensometrice etc.).

Principalele caracteristici statice ale senzorilor si traductoarelor sunt:

– Liniaritatea: se definește ca “măsura” în care legătura între mărimea fizică de intrare și semnalul electric de ieșire poate fi exprimată printr-o funcție liniara;

– Precizia: se definește ca tolerantă cu care o mărime poate fi repetată (adică “abilitatea” dispozitivului de a da aceeași valoare de ieșire pentru aceeași valoare de intrare);

– Rezoluția: se definește ca minimul variației semnalului de ieșire, produs ca urmare a variației continue a unui semnal fizic de intrare.

Un alt mod de clasificare poate fi făcut în raport cu mărimea de natura neelectrica pe cale electrică. În acest caz vom avea:

a.    traductoare pentru mărimi geometrice: rezistive, inductive, capacitive și numerice de deplasare; cu radiații; de proximitate.

b.    traductoare pentru mărimi cinematice: de viteză; de accelerație; de șocuri și vibrații; giroscopice.

c.    traductoare pentru mărimi mecanice: elastice (tracțiune, compresie, îndoire, cuplu); tensometrice rezistive; cu coarda vibrantă; magnetostrictive; de forță; de cuplu.

e.    traductoare pentru mărimi tehnologice: presiune, debite, nivel, temperatura.

f. alte traductoare: integrate, etc.

Traductoarele mecanice de captare pot fi realizate în mai multe variante, adică: palpator, pârghie, consola, cuplaj indirect; acestea fiind prezentate în figura 3.3 (a, b, c, d).

Figura 3.3. Tipuri de traductoare mecanice.

3.3. Clasificarea senzorilor și traductoarelor după gradul de utilizare

Traductoare de deplasare

Pentru măsurarea deplasărilor se utilizează o serie de traductoare cum ar fi: traductoare rezistive (potențiometrice), inductive, capacitive, selsinele, piezoelectrice, cu radiații, numerice, de proximitate, s.a.

(a1) Traductoare rezistive

După cum se cunoaște, variația rezistenței e data de:

(3.3)

unde: ρ – rezistivitatea electrică;

L- lungimea conductorului;

S – secțiunea conductorului.

Modificând lungimea conductorului, practic se va modifica rezistenta electrică R. Pentru măsurarea deplasărilor liniare se utilizează cu precădere potențiometrul liniar (figura 3.4), care se realizează prin bobinarea pe un suport izolant a unui fir rezistiv pe care se deplasează un cursor ce e susținut de o pistă de contact. Rezistența de ieșire a potențiometrului se modifica proporțional cu deplasarea cursorului.

(3.4)

unde: R – rezistența electrică a potențiometrului;

l – lungimea potențiometrului,

x – deplasarea cursorului.

Deoarece măsurarea rezistenței este greoaie, se alimentează potențiometrul cu o tensiune continua stabilizata U, tensiunea de ieșire a acestuia Ux depinzând numai de x, U și l fiind constante.

Numai în cazul în care tensiunea de alimentare este stabilizată și valoarea curentului ce străbate potențiometrul este redusă, traductorul reproduce corect caracteristicile. Pentru deplasări unghiulare se utilizează un potențiometru de forma circulară, obținut prin bobinarea pe un suport izolant circular a unui fir rezistiv peste care aluneca un cursor, conform figura 3.5. Rezistenta la ieșirea potențiometrului și tensiunea de ieșire când acesta este alimentat la o tensiune continua stabilizata, depind numai de unghiul α după relația:

(3.5)

si

(3.6)

Figura 3.4. Traductor rezistiv.

Figura 3.5. Traductor rezistiv unghiular.

(a2) Traductoare inductive

Funcționarea traductoarelor inductive are la baza variația geometriei circuitului (cuplajului) magnetic în funcție de măsurând, care se traduce într-o variație de inductivitate proprie sau mutuală. Pentru cazul deplasărilor liniare mici (< 2 mm), uzual se folosesc traductoare inductive cu întrefier variabil (cu armatura mobila). Una din aceste variante este prezentată în figura 3.6.

Figura 3.6. Traductor inductiv.

Circuitul magnetic se realizează dintr-o oală de aliaj magnetic nichel-fier (permalloy) 1 și armatura mobilă 2. Bobina 4 se fixează în piesa 1, tija 3 fiind fixată în armatura mobilă 2. Prin l1 și l2 s-au notat lungimile medii ale liniilor de câmp magnetic, iar d este distanța dintre armatura mobilă 2 și miezul magnetic 1. Traductoarele comercializate de Baumer Group pe lângă rezoluție, repetabilitate, acuratețe asigură și un domeniu de temperatură foarte bun.

La modificarea distanței d sub acțiunea unei deplasări, practic se va modifica inductanța L a bobinei ce depinde de d. Deoarece, ca și în cazul traductoarelor rezistive, este dificil a se măsura variațiile de inductanța, practic se măsoară căderea de tensiune pe rezistenta R. În cazul în care secțiunile circuitului magnetic se aleg într-un anumit mod, căderea de tensiune pe rezistenta R este aproximativ egală cu mărimea de ieșire e și este dată de relația:

(3.7)

unde:

U – tensiune de alimentare alternativă stabilizată;

RL- rezistența electrică a bobinei;

M, μrp – permeabilitatea magnetică absolută și relativă a aliajului magnetic (permalloy);

N – număr de spire;

S – secțiunea circuitului magnetic.

Pentru cazul deplasărilor mai mari de 2 mm, în mod obișnuit, se utilizează traductoare inductive diferențiale cunoscute și sub denumirea de transformatoare diferențiale. În cazul unor deplasări de până la 4 mm se utilizează traductorul inductiv diferențial cu întrefier variabil, iar pentru deplasări de ordinul centimetrilor se utilizează traductoare inductive diferențiale, cu miez magnetic mobil. Acestaa se realizează constructiv prin bobinarea a doua înfășurări primare și două secundare identice pe cele două carcase izolante ce se montează pe un tub din material nemagnetic (plastic, textolit, alamă, s.a.) în interiorul căruia se poate deplasa liber un miez magnetic ce se execută obișnuit din fier moale. Practic reprezintă doua transformatoare identice montate pe aceeași carcasă ce arata constructiv ca în figura 3.7.

Figura 3.7. Traductor inductiv pentru deplasări mari.

1 – bobine primare; 2 – bobine secundare; 3 – miez magnetic; 4 – tija; 5 – distanțier; 6 – capace.

Pentru reducerea perturbațiilor de natura electromagnetică, întreg ansamblul se ecranează. Funcționarea traductorului prezentat se bazează pe principiul variației cuplajului magnetic între primarul și secundarul celor două transformatoare identice la deplasarea miezului magnetic. Se recomanda ca pentru o bună reproductibilitate tensiunea de alimentare primară să fie alternativa stabilizată, iar tensiunea secundară să fie redresata și stabilizată.

Înfășurările primare ale celor două transformatoare se leagă în serie adițional, iar cele secundare în opoziție, astfel că, în poziția centrală a miezului magnetic tensiunea de ieșire este nulă. Schema electrică a legăturilor arata ca în figura 3.8a. Conform acestei legături, caracteristica statică arata ca în figura 3.8b. Această variantă are dezavantajul că, indiferent de poziția miezului magnetic fata de poziția centrala (la dreapta sau stânga), conform caracteristicii statice, valoarea mărimii de ieșire este aceeași.

Figura 3.8. Schema electrică și caracteristica statică traductor inductiv.

a. schema electrica; b. caracteristica statica;

Comparativ cu traductoarele inductive cu armatura mobilă, din cauza circuitului magnetic redus, acestea au un factor de calitate scăzut, de ordinul unităților. Cu toate acestea, traductoarele inductive cu miez mobil sunt preferate deoarece prezintă o serie de avantaje ca:

–   domeniul de măsurare poate fi de ordinul centimetrilor;

–   prezintă o reproductibilitate și rezoluție ridicată;

–   sunt insensibile la deplasările radiale și au frecări reduse;

– prezintă posibilitatea protecției la medii corozive, presiuni și temperaturi ridicate, s.a.

În afara traductoarelor inductive prezentate, în practică se mai pot utiliza traductoare de tip: transformator, inductosin liniar și circular, etc.

(a3) Traductoare capacitive

Funcționează pe principiul modificării capacității unui condensator atunci când variază fie distanța dintre armaturile lui, fie dimensiunile armaturilor, fie constanta dielectrică a mediului dintre ele conform relației:

(3.8)

Pentru deplasări mici se utilizează traductoare capacitive la care se modifica distanța dintre armaturi (figura 3.9), armatura 1 fiind suspendată elastic și se poate deplasa paralel cu ea însăși sub acțiunea forței F (deplasării). Armatura 2 este fixă și izolată electric față de suport.

Figura 3.9. Traductor capacitiv

1. armatura mobila; 2. armatura fixa

Între capacitatea traductorului și deplasarea (x) a armaturii mobile exista o relație de formă:

(3.9)

unde: εr – permitivitatea relativă a dielectricului dintre armaturi;

Ss – suprafața de suprapunere a celor două armaturi;

δ – distanța dintre armaturi;

x – deplasarea de măsurat.

Sensibilitatea traductoarelor e dată de:

(3.10)

Pentru măsurarea unor unghiuri se utilizează traductorul capacitiv reprezentat schematic în figura 3.10, la care se modifica practic suprafața de suprapunere a armaturilor, una fiind fixa – 1, cealaltă – 2 putându-se roti prin fixarea acesteia pe axul 3.

Figura 3.10. Traductor capacitiv pentru unghiuri.

În funcție de unghiul de rotire α a armaturii mobile se va modifica suprafața de suprapunere dintre cele două armaturi, valoarea capacității fiind data de:

(3.11)

Notațiile fiind cele anterioare, rezultă:

(3.12)

Figura 3.11. Traductor cu armaturi dreptunghiulare.

1 – armatura fixa, 2 – armatura mobila

Pentru cazul unor deplasări liniare se utilizează traductoare cu armaturi dreptunghiulare și cilindrice. Pentru traductorul cu armaturi dreptunghiulare (1 – fixa, 2 – mobila) din figura 3.11, capacitatea este dată de:

(3.13)

iar (3.14)

Pentru traductorul cu armaturi cilindrice din figura 3.12 (1 – fixă, 2 – mobila) capacitatea depinde de deplasarea axială a cilindrului interior, fiind:

(3.15)

iar (3.16)

unde r1, r2 sunt razele cilindrului interior, respectiv exterior.

Figura 3.12. Traductor cu armaturi cilindrice

Cu mențiunea că există și variante de traductoare capacitive la care se modifica dielectricul (acesta nu în sensul că se modifica poziția dielectricului față de cele două armaturi), precizam ca toate traductoarele capacitive funcționează în curent alternativ la frecvența de cel puțin 1 kHz. Traductoarele capacitive prezintă o foarte bună sensibilitate fiind utilizate frecvent pentru măsurări de deplasări rapide.

Datorită faptului că în mare măsură capacitatea traductorului depinde de dimensiunile geometrice ale armaturilor, care pot varia cu temperatura mediului, ducând la erori importante, pentru înlăturarea acestui inconvenient armaturile se confecționează dintr-un material special numit invar. De asemenea se utilizează și prin montarea în punte a doua traductoare identice, numai unul dintre aceștia fiind acționat de mărimea neelectrica măsurată sau controlată.

(a4) Traductoare piezoelectrice

Sunt traductoare generatoare ce funcționează pe principiul piezoelectric (magnetostrictiv). Acest fenomen consta în apariția de sarcini electrice pe fetele unui cristal special în momentul în care asupra acestuia se exercita forțe (presiuni) mecanice, fenomen descoperit de frații Curie la sfârșitul secolului trecut.

Inițial, fenomenul a fost observat la cristalele de cuarț (SiO2), dar proprietăți piezoelectrice mai prezintă și alte cristale ca: turmalina, oxidul de zinc, niobatul (compus niobium-litiu-oxigen) de litiu, titanul de bariu, plumb și zirconiu, s.a. În ultima perioadă se utilizează cu precădere titanatul de bariu, care este un material ceramic cu aspectul porțelanului, rezistent la solicitări mecanice și termice care are un randament ridicat în funcționare.

Traductorul este alcătuit din unul din cristalele amintite, prelucrat în mod special (figura 3.13), pe fetele căruia se depune un strat subțire de argint coloidal cu scopul de a culege sarcinile electrice formate când elementul piezoelectric se supune unor deformații mecanice. Au avantajul unei inerții reduse, sunt fiabile, nu necesită surse de alimentare, în schimb necesita amplificatoare deoarece tensiunea generată este foarte mică. Au dezavantajul unui preț relativ ridicat.

Figura 3.13. Traductor piezoelectric.

Aceste tipuri de traductoare pot fi folosite la măsurarea distantelor sau deplasărilor, de regulă liniare, bazându-se pe proprietatea de propagare a radiațiilor în timp și interacțiunea acestora cu mediile în care se propagă. Aceste radiații pot fi: optice, acustice, electromagnetice sau nucleare. Traductoarele cele mai des utilizate sunt traductoarele acustice cu ultrasunete ce funcționează pe principiul efectului piezoelectric sau magnetostrictiv, cele două variante fiind reversibile, putând fi folosite atât la emisia radiațiilor acustice ultrasonore, cât și la recepția acestora.

Figura 3.14. Traductor piezoelectric cu ultrasunete.

1 – carcasa metalică, 2 – pastila piezoelectrică, 3 – armaturi metalice,

4 – placa izolatoare, 5 – conductor, 6 –interiorul carcasei.

Traductorul piezoelectric cu ultrasunete, după schema principială din figura 3.14, se compune din carcasa metalică 1, în interiorul căreia se montează pastila piezoelectrică 2 (materiale cristaline – cuarț sau materiale amorfe – titanatul de bariu, titanatul de zirconiu) pe care sunt plasate doua armaturi metalice 3. Placa izolatoare 4 protejează traductorul de mediul de contact, putând avea și rolul de transformator acustic prin adaptarea impedanței acustice a traductorului la mediul de propagare. Prin alimentarea traductorului cu o tensiune alternativă între conductorul 5 și carcasa, sub acțiunea câmpului electric alternativ creat, prin efect piezoelectric, pastila se va deforma.

Pentru obținerea unui răspuns rapid, în spațiul 6 din interiorul carcasei se introduce un material cu impedanța acustică mare (de obicei pulbere de titan în liant solidificat) cu rolul de amortizor mecanic. Trebuie precizat ca amortizarea se poate face și electric, prin montarea unei rezistente electrice de valoare mare în paralel cu traductorul.

Traductoare de viteză

Pentru măsurarea vitezelor liniare, în general se aplica metoda directă prin determinarea distanței într-un anumit interval de timp sau, cronometrarea timpului de parcurgere a unei anumite distanțe. Totuși, este indicat pentru măsurarea vitezelor liniare traductorul de tip motor liniar, prezentat schematic în figura 3.15. Constructiv, este asemănător cu traductorul inductiv diferențial cu miez mobil dar, miezul se înlocuiește cu un magnet permanent 1, iar bornele (înfășurările) 2 se leagă înseriate, astfel că efectele se vor însuma.

Figura 3.15. Traductor tip motor liniar: 1 – magnet permanent; 2 – bornele.

Tensiunea ce se induce într-o înfășurare e data de:

(3.17)

unde: N – numărul de spire;

Ф – fluxul creat de magnetul care este de formă Ф=Ф0 f(x)

t – timp.

Va rezulta că:

(3.18)

În principiu, se poate observa că se poate utiliza ca traductor de viteză liniara orice traductor de deplasare prin derivarea mărimii de ieșire. Aceasta metodă se utilizează destul de rar, pe motivul că derivarea analogică mărește nivelul perturbațiilor în cazul frecventelor ridicate. Traductoarele de viteză de tip motor liniar permit o deplasare maximă de 50 mm, cu o sensibilitate de 5 mv/m/s și liniaritate de 1 %.

3.4. Clasificarea senzorilor și traductoarelor utilizați în măsurare și control dimensional după tipul aplicației [20]

Traductoare (encodere) și senzori de deplasare și poziție liniari – Dispozitive utilizate pentru detecția schimbărilor de deplasare și măsurarea acesteia. Din această categorie fac parte următoarele traductoare descrise și exemplificate în cele ce urmează.

(a1) Traductorul capacitiv liniar de deplasare/ poziționare este dispozitivul care detectează poziția/ deplasarea utilizând principiul capacitiv (figura 3.16). Principiul acestui tip de traductor de măsurare se bazează pe cât de ideale sunt și funcționează cele două plăcuțe ale traductorului capacitiv. Cele două plăcuțe sunt reprezentate de senzor și obiectul față de care se măsoară deplasarea. Dacă un curent alternativ traversează traductorul capacitiv, amplitudinea tensiuni este proporțională cu distanța dintre electrozi.

Figura 3.16. Traductoare capacitive liniare.

Acest tip de traductor este utilizat doar dacă există necesitatea unei acurateți de măsurare/ poziționare mare. Principiul de măsurare capacitiv este cea mai precisă metodă pentru măsurarea deplasărilor. Acest principiu necesită ca mediu o „cameră curată” datorită faptului că o schimbare a dielectricului afectează rezultatul măsurătorii. Traductorul măsoară deplasarea față de orice obiect fără să țină cont de permeabilitate, rezistență, sau grosime.

Compania Micro-Epsilon comercializează traductoare de acest tip, vârful gamei fiind reprezentat de traductorul capacitiv NCDT, modelul CS005 cu un domeniu de măsurare de 0,05 mm, cu o liniaritate de 0,2% Full Scale Output, rezoluție statică la 2 Hz de 0,0375 nm, rezoluție dinamică la 8,5 Hz de 1 nm, domeniul de temperatură de la -50°C la 200°C și aria activă de măsurare fiind egală cu un diametru de 1,3 mm.

(a2) Traductorul liniar cu curenți Eddy detectează distanța utilizând un câmp magnetic generat de o referință și care este detectat de bobine. În funcție de tipul de material (materiale magnetice, nemagnetice, feroase și neferoase) a cărui deplasare se urmărește a se măsura se utilizează traductorul cu curenți Eddy specific acelui tip de material. Un curent alternativ cu o frecvență înaltă parcurge o bobină ce este încapsulată în traductor. Câmpul electromagnetic al bobinei induce curenți Eddy în materialul a cărui deplasare se măsoara producând o modificare a rezistenței bobinei.

Această schimbare a impedanței produce un semnal electric liniar proporțional cu distanța dintre obiectul a cărui distanță se măsoară și traductor. Erorile de măsurare ce depind de temperatură sunt reduse la minim utilizând o metodă de compensație electronică.

Avantajele acestui tip de traductor sunt reprezentate de faptul că nu necesită întreținere, are o liniaritate sub 0,25% FSO, permite compensarea activă a temperaturii și are un domeniu flexibil de calibrare. De exemplu, traductorul U05 de la firma Micro-Epsilon (figura 3.17) are un domeniu de măsurare 0,5 mm, cu o liniaritate de 0,25% FSO, repetabilitate 0,05 µm, rezoluție 0,025 µm și un domeniu de temperatură de lucru de -50°C până la 150°C.

Figura 3.17. Traductorul U05 de la firma Micro-Epsilon.

(a3) Traductorul de poziționare Hall este un dispozitiv de poziționare fără contact care convertește energia dintr-un câmp magnetic într-un semnal electric. Efectul Hall constă în apariția unei tensiuni transversale în prezența unui câmp magnetic.

Efectul Hall apare întotdeauna când un conductor sau un semiconductor, traversat de un curent electric, este supus acțiunii unui câmp magnetic perpendicular pe direcția curentului și se manifestă prin apariția unei tensiuni, denumită tensiune Hall (figura 3.18). Companiile care produc acest tip de senzor sunt Festo, Carlton-Bates Company, Carr Lane Manufacturing Co., Honeywell Sensing and Control, SKF/North America, etc.

Figura 3.18. Efectul Hall.

(a4) Traductoare de poziționare liniari inductivi și limitatori sunt dispozitive fără contact care determină coordonatele unui obiect față de o referință.

Traductoarele inductive măsoară deplasarea obiectelor metalice fără a intra în contact cu acestea. Precizia, determinarea cu exactitate a traiectoriei, unghiurile și poziționarea precum și rezultatul unui proces de control fin constituie baza pentru toate creșterile de productivitate automate. Traductoarele de distanță inductive garantează o înaltă repetabilitate și pot lucra cu rezoluții maxime de până la 4 nm.

Traductorul IPRM 12 (figura 3.19) are un domeniu de măsurare de maxim 2 mm, eroarea liniară fiind de ± 50 µm, cu o rezoluție dinamică la 520 Hz < 0,06 µm și cu o eroare de temperatură de ± 10 µm pentru un domeniu de temperatură cuprins între 0 și +60°C.

Figura 3.19. Traductorul IPRM 12.

(a5) Traductorul (encoder) liniar sesizează și transformă numeric schimbarea poziției, măsoară și transmite această deplasare sistemului de control. Acest tip de traductor (encoder) este ideal pentru mașini și alte tipuri de echipamente ale căror axe sunt într-o buclă închisă din punct de vedere al automatizării, ca de exemplu mașinile de găurit, mașinile de frezat, strungurile, etc.

Acest tip de traductor se poate împărți după modul de citire în absolut și incremental, după tehnologie în optic, magnetostrictiv, magnetoresistiv și inductiv. Comportamentul dinamic al traductorului (encoderului) liniar îl transformă într-un traductor fiabil ce poate fi utilizat la viteze ridicate și accelerații mari, ceea ce face posibilă implementarea lor în construcția unor mașini foarte dinamice. Traductorul (encoderul) liniar măsoară poziția axelor liniare fără elemente adiționale mecanice. Bucla închisă de control pentru acest tip de traductor include și un feedback al sistemului de măsurare mecanic, astfel erorile mecanice pot fi detectate și corectate de către sistemul electronic de control.

Un traductor cu scanare optică are încorporat standarde de măsurare formate din perioade denumite gradații incrementale (figura 3.20). Aceste gradații sunt aplicate unei axe pe care se deplasează sania ce are atașat traductorul. Utilizând acest tip de traductor poziția este imediat disponibilă utilizând gradațiile (cod structurat absolut serial). Compania HEIDENHAIN produce astfel de traductoare liniare din care face parte și modelul LC 483 ce are următoarele caracteristici: gradul de acuratețe de ± 0,3/0,5 µm, lungimea de măsurare ce poate varia de la 70 mm la 1240 mm, pentru un grad de acuratețe de ± 0,3 µm îi corespunde o rezoluție de 0,005 µm și cu un timp de calcul de 5 µs.

Figura 3.20. Reprezentarea schematica a unor incremente.

Traductoarele liniare etanșate sunt protejate de praf, așchii sau stropi de fluide și sunt ideale pentru operarea pe mașini unelte, îndeplinind următoarele cerințe : gradul de precizie ; pasul de măsurare ;domeniul lungimilor de măsurare până la 30m; simplu și ușor de montat; toleranțe largi de montare; protecție împotriva contaminării; etc.

Traductoarele liniare expuse (figura 3.21) operează fără contact mecanic între capul de scanare și scală. Echipamentele pe care pot fi incluse aceste traductoare sunt mașini de măsurare în 3D, comparatoare digitale și alte dispozitive de precizie din metrologia liniară, ca și din producție sau alte echipamente de măsurare, ca de exemplu în industria de semiconductori, etc., îndeplinind următoarele cerințe: gradul de precizie sau mai bun; pasul de măsurare 0,001; domeniul de măsurare până la 30m; nu există frecare între capul de scanare și scală; viteză de deplasare mare, etc.

Figura 3.21 Traductoare liniare expuse

Traductoare de lungime (figura 3.22) au ca trăsătură căile de ghidare integrale pentru tija de palpare. Sunt utilizate pentru a monitoriza echipamente de măsură, în metrologia industrială, dar ca și codificatoare de poziție, cu următoarele caracteristici: gradul de precizie ±0.05 µm sau mai bun; pasul de măsurare 0,001 µm; domeniul de măsurare până la 100mm; precizie mare de măsurare; disponibile cu tijă de palpare automată; simplu de montat; etc

Fig. 3.22. Traductoare de lungimi

(a6) Potențiometrii liniari sunt senzori care produc o rezistență proporțională cu deplasarea. Compania Betatronix împreună cu Texas Instruments au dezvoltat un potențiometru liniar utilizat în prezent în construcția unor rachete și în același timp și-au extins domeniul de activitate în direcția senzorilor de măsurare. Au dezvoltat potențiometre liniare care au un domeniu de măsurare de la 12,7 mm la 152,4 mm, cu o acuratețe de 0,0508 mm, cu un domeniu de temperatură între -53.8°C și 51,6°C.

(a7) Transformatorul diferențial liniar variabil (LVDT) are inductori într-un arbore cilindric tubular cu un nucleu cilindric solid, care produc un curent electric proporțional cu poziția nucleului (figura 3.23).

Figura 3.23. Traductor de deplasare –DDCP

Un astfel de traductor este produs de Columbia Reasearch Laboratories și se caracterizează printr-un sistem de măsurare complet integrat care lucrează la tensiune mică ce poate utiliza o baterie sau o sursă de curent continuu. Acest tip de traductor permite citirea și înregistrarea acurateții direct, fără a necesita un semnal auxiliar. Acesta combină un sistem de traductor de tipul transformator diferențial liniar cu un oscilator sau demodulator miniaturizat și un amplificator într-o construcție compactă.

Calibrarea precisă a factorului de scară oferă acuratețe, o impedanță scăzută a semnalului de ieșire care este direct proporțional cu deplasarea liniară a obiectului față de traductor.

Tipul DDCP – 0100 are următoarele caracteristici: rata de deplasare ± 2,54 mm, domeniu de liniaritate 5,08 mm, liniaritate ± 0,25%, sensibilitate de 50 mV/ 0.0254 mm, acuratețe de ± 0,5%.

(a8) Traductorul magnetorezistiv liniar de poziție și limitator are un semnal de ieșire rezistent liniar ce reprezintă distanța dintre un obiect față de un punct de referință. Caracteristica principală a acestor tipuri de traductoare o reprezintă domeniul mare de temperatură de utilizare a acestora. Acest tip de traductor poate fi împărțit după modul de realizare a citirii în incremental și absolut.

Compania Measurement SpecialtiesTM comercializează traductoare magnetice pentru măsurare precisă a rotației sau deplasărilor. Traductorul KMA36 (figura 3.24) comercializat de Measurement SpecialtiesTM combină un element magneto-rezistiv cu un convertor analog – digital și cu procesarea semnalului în pachete standard.

Figura 3.24. Traductor KMA36.

Utilizând tehnologia magnetorezistiva traductorul KMA36 este capabil să determine unghiul fără contact, poziția pe o bandă magnetică incrementală (banda pe care alternează polii magnetici) cu lungimea polilor de 5 mm. Acest tip de traductor poate fi utilizat datorită consumului redus de energie în multiple aplicații ce pot fi alimentate cu baterii. KMA36 are o rezoluție de 13 Bit/0,04 grade, utilizează o tensiune între 3 și 5,5 V, cu un domeniu de temperatură de -25°C pana la 85°C.

(a9) Traductoare de poziționare magnetostrictivi sunt senzori de poziție liniari fără contact care utilizează interacțiunea momentană dintre două câmpuri magnetice pentru a produce un impuls de tensiune care se deplasează de-a lungul unei unde. Un câmp este generat de un magnet care se deplasează de-a lungul undei, iar celălalt aparține undei însuși.

Compania MTS SENSORS comercializează traductoare magnetostrictive (figura 3.25) utilizând tehnologia magnetostrictivă ce prezintă avantaje și performanțe superioare potențiometrelor și LVDT. Avantajele acestor traductoare magnetostrictive constă în măsurarea deplasării fără contact, repetabilitatii fără deviații și faptul că nu necesită încapsulare.

Figura 3.25. Traductor magnetostrictiv.

Caracteristicile traductoarelor produse de MTS SENSORS pentru tipul CS se caracterizează prin domeniul de măsurare cu o lungime maximă ce variază între 72 mm și 250 mm, repetabilitate de ± 25 de microni, rezoluție de 0,0015% și neliniaritate de ± 0,15 mm.

(a10) Encoderul optic liniar utilizează tehnologia bazată pe fibră optică pentru a sesiza poziția și deplasarea.

Acest tip de măsurare cu fibră optică oferă o înaltă acuratețe, măsurări absolute ale poziției și deplasării și este foarte potrivit pentru a fi utilizat în locuri dificile ce ar crea probleme de montaj în cazul altor sisteme de control al deplasării.

Tehnologia bazată pe fibră optică este în continuă dezvoltare prin îmbunătățirea procesului de fabricație prin monitorizarea performanțelor ale unor proprietăți specifice în timp ce va oferi informații despre deplasările din timpul operațiilor.

Sistemul de măsurare optic cu fibră optică (figura 3.26) produs de FISO Technologies are un domeniu de măsurare între 0 și 20 mm cu o rezoluție de 0,002 mm, o acuratețe de ± 0,02 mm și un domeniu de temperatură de -20°C până la 100°C.

Figura 3.26. Traductor cu fibra optica.

(a11) Senzorul de poziționare optic cu triangulație utilizează undele reflectate pentru a localiza poziția și deplasarea. Sursa acestei unde poate fi o diodă emițătoare de lumină (LED), lumina infraroșie (IR) sau un laser.

Acest tip de senzor (figura 3.27) se poate împărți după modul de realizare a scanării în senzori cu scanare cu punct, cu linie și pe toată suprafața obiectului.

Figura 3.27. Senzor optic cu triangulatie

O diodă laser formează un punct pe suprafața obiectului ce se deplasează, lumina difuză ce se reflectă este proiectată pe un senzor. Dacă distanța dintre senzor și obiectul ce se deplasează se schimbă, se modifică și unghiul de observare a luminii reflectate pe senzor. Senzorul optic cu triangulație detectează deplasarea de la distanțe diferite cu un punct laser mic care face posibilă măsurarea celor mai mici piese. Acest tip de măsurare datorită faptului că nu implică contact între piesă și senzor, deci nu afectează măsurarea, este foarte bun pentru implementarea în sisteme de măsurare mecatronice rapide.

Compania Micro-Epsilon produce senzori ce utilizează principiul de funcționare descris mai sus, modelul ILD 1700-2 prezintă următoarele caracteristici: domeniu de măsurare fiind între 24 mm și 26 mm, liniaritate de 2 µm, rezoluție statică de 0,025 µm și diametrul punctului laser de măsurare de 35 µm.

(a12) Senzorii fotoelectrici utilizează emițătoare și receptoare pentru a detecta prezența, absența sau distanța obiectului vizat. Senzorii fotoelectrici se pot împărți după tehnologia utilizată în construcția acestora în senzori cu raza laser, senzori difuzi, reflexivi, divergenți, polarizați reflexivi, convergenți, cu plan fix de suprimare a fundalului și cu plan de fundal variabil.

(a13) Potențiometrele multitura cu cablu flexibil sunt utilizate pentru a măsura mișcarea și deplasarea obiectelor. Un cablu sau o sârmă este atașată unui obiect și pe măsură ce se mișcă traductorul produce un semnal electric proporțional cu lungimea sârmei.

Principiul de măsurare pe baza căruia este construit acest tip de traductor de deplasare utilizează un cablu flexibil de oțel care este atașat de acesta ce produce un semnal proporțional. Măsurarea deplasării se realizează cu o acuratețe și cu un răspuns dinamic mare care sunt garantate de calitatea înaltă a componentelor. Compania Micro-Epsilon comercializează o serie întreagă de astfel de traductoare cu variate tipuri de semnale de ieșire, cu posibilitatea utilizatorului de a alege traductorul potrivit pentru implementare. Din această categorie face parte și traductorul WDS-100-P60 (Figura 3.28) ce prezintă următoarele caracteristici: domeniul de măsurare fiind de 100 mm, liniaritate de ±0,05% FSO, rezoluție quasi infinite și un domeniu de temperatură de la 20°C la 80°C.

Figura 3.28. Traductorul WDS – P60.

(a14) Senzorul optic cu timp de deplasare determină deplasarea și distanța măsurând timpul necesar lumini pentru a parcurge distanța până la obiect și înapoi.

Acest tip de senzor se poate împărți după lungimea de undă în continuu și lungimi de unde cu puls sau după tipul de scanare cu punct și pe toată suprafața obiectului.

Senzorul optic cu timp de deplasare în general are un domeniu de măsurare cuprins între 0,2 m și 3000 m cu o rezoluție maximă de 0,1 mm.

(a15) Senzorul de poziție liniar cu ultrasunete și limitatori utilizează unde ultrasonice în combinație cu lumina și citirea frecvenței pentru sesizarea poziționării și deplasării. Acești senzori se pot împărți după tipul de tehnologie utilizată în senzori ce utilizează tehnologia electrostatică și senzori ce utilizează tehnologia ceramică. Acest tip de senzor se utilizează în principal pentru determinarea corectă a poziției piesei.

(a16) Senzorii de poziționare liniară cu reluctanță variabilă și limitatori sunt dispozitive fără contact care utilizează tehnologia bazată pe reluctanță variabilă și al cărui semnal de ieșire reprezintă distanța dintre obiect și un punct de referință.

Traductoare (Encodere) și senzori de poziționare unghiulari – Dispozitive pentru sesizarea și măsurarea mișcării unghiulare, a vitezei și a poziției, ce include encodere, rezolvere și senzori de poziționare rotativi.

(b1) Traductoarele unghiulare (fig.3.29) sunt caracterizate de valori ale preciziei ridicate în subdomeniul arcelor. Aceste dispozitive sunt folosite în aplicații precum: mese rotative NC, pe capul revolver al mașinilor unelte, aparate de divizat, mese de măsurare unghiulare de mare precizie, dispozitive de precizie din metrologia unghiulară, antene și telescoape, îndeplinindu-se următoarele cerințe:

precizie de la la ;

pașii de măsurare fini de 0.00001o sau (incremental) sau 27 biți, aprox 134 milioane poziții per revolută;

Fig.3.29. Traductoare unghiulare

(b2) Traductoarele de rotație (fig 3.30) servesc ca senzori de măsurare pentru mișcarea rotativă, viteza unghiulară și când sunt folosite în conjuncție, cu etaloane gradate mecanice, cum ar fi șuruburi conducătoare, pentru mișcare liniară. Domeniile de aplicație includ motoarele electrice, mașinile unelte, imprimante, mașini de prelucrare a lemnului, războaie pentru textile, roboți și manipulatoare, ca și diferite dispozitive de măsurare, testare și verificare, îndeplinindu-se următoarele cerințe:

precizie de la ;

pașii de măsurare fini de 0.001o. Semnalele incrementale sinusoidale por fi interpolate până la 4096 pentru controlul digital al vitezei.

Fig.3.30. Traductoare de rotație

(b3) Encoderul rotativ absolut realizează măsurarea unghiului prin indexare optică, mecanică sau magnetică. Traductoarele bazate pe aceasta tehnologie nu își pierd poziția după ce se oprește alimentarea, dar în schimb oferă poziția absolută la pornire fără a efectua un ciclu de referință. După tehnologie, encoderele rotative absolute (figura 3.31) se pot împărți în optice, magnetice, mecanice și cu fibră optică.

Figura 3.31. Encoder rotativ absolut optic

Compania Everight Pozition este specializată pe problemele de măsurare unghiulară și spre deosebire de alte firme oferă o gamă largă de senzori și traductoare ce utilizează diverse principii de măsurare care să corespundă cerințelor impuse de diverse aplicații industriale.

Encoderele rotative absolute produse și comercializate de către compania Everight Pozition, modelul RE237 se caracterizează printr-o rezoluție (număr de impulsuri în cuadratură pe rotații) ce poate varia între 4096 și 32000, precizia pentru o rezoluție > 4096 este de ±0,08ș și o viteză maximă de 10000 rpm.

(b4) Encoderele rotative incrementale sunt senzori multitura care realizează măsurarea unghiului prin numărarea indexului (numărului de ture). Acest tip de senzor nu are o referință față de care să efectueze măsurarea, aceasta se realizează relativ față de poziția de pornire. După tehnologie, encoderele rotative incrementale se pot împărți în optice, magnetice, mecanice și cu fibră optică.

Compania Baumer comercializează encodere rotative incrementale (figura 3.32) cu sisteme optice și magnetice de sesizare a deplasărilor ce sunt utilizate în aplicații unde viteza de măsurare și de achiziție a datelor este necesară.

Figura 3.32. Encoder rotativ incremental

Modelul BDK realizat de Baumer se caracterizează printr-o rezoluție cuprinsă între 7200 și 3200 pași/rotație, sistem de sesizare optic, viteza de lucru ce poate varia între 6000 și 12000 rpm în funcție de gradul de protecție (IP 42/65) și un domeniu de temperatură între -20°C și 85°C.

(b5) Encoderele rotative cu disc sunt traductoare de formă rotundă sau de forma unui disc care au spații/ marcaje uniform distanțate. Acest tip de dispozitive de măsurare sunt utilizate în medii industriale severe.

(b6) Senzorii de poziționare rotativi includ potențiometre, rezolvere și o varietate de senzori ce se bazează pe tehnologia magnetică sau capacitivă. Senzorii sunt realizați pentru deplasări unghiulare mai mici de o tură sau pentru deplasări multiture.

(b7) Rezolverele sunt dispozitive analogice ce transformă deplasarea unghiulară în semnal electric. Un astfel de dispozitiv este produs de compania General Dynamics cu aplicații în domeniul militar, aeronautic, industrial în sistemele de poziționare cu bile, medical, etc.

Rezolverele (figura 3.33) se bazează pe teoria transformatoarelor de energie, cele două bobine din cadrul unui transformator sunt reprezentate de două circuite imprimate cu poli multipli, un circuit fiind staționar (stator) și unul care se rotește (rotor). Tensiunea rezultată variază cu schimbarea poziției rotorului față de stator. Pe măsură ce rotorul se învârte, amplitudinea tensiunii secundare se modifică modulând semnalul de ieșire.

Acest tip de dispozitive au o acuratețe de ± 3 secunde și o frecvență de 2000 Hz.

Figura 3.33. Rezolver.

(b8) Traductoarele de rotație (fig 3.34) servesc ca senzori de măsurare pentru mișcarea rotativă, viteza unghiulară și când sunt folosite în conjuncție, cu etaloane gradate mecanice, cum ar fi șuruburi conducătoare, pentru mișcare liniară. Domeniile de aplicație includ motoarele electrice, mașinile unelte, imprimante, mașini de prelucrare a lemnului, războaie pentru textile, roboți și manipulatoare, ca și diferite dispozitive de măsurare, testare și verificare, îndeplinindu-se următoarele cerințe:

precizie de la ;

pașii de măsurare fini de 0.001o. Semnalele incrementale sinusoidale por fi interpolate până la 4096 pentru controlul digital al vitezei.

Fig.3.34. Traductoare de rotatie

Senzori de proximitate și de prezență – Senzori și instrumente pentru proximitate (senzori capacitivi, fotoelectrici, inductivi, senzori Hall, ultrasonici, etc.).

(c1) Senzorii capacitivi de proximitate – detectează prezența sau proximitatea față de o țintă utilizând tehnologia capacitivă.

(c2) Senzorii de evitare a coliziunii – utilizează diferite tipuri de senzori de proximitate pentru a detecta prezența unui obiect sau a unui obstacol.

(c3) Senzorii de proximitate cu curent Eddy și limitatori – detectează prezența sau apropierea unei ținte utilizând sesizarea câmpului magnetic generat de o bobină de referință.

(c4) Senzorii de proximitate cu fibră optică – utilizează tehnologia fibrei optice pentru a detecta apropierea unui obiect.

(c5) Senzorii de proximitate cu efect Hall – sunt utilizați pentru a detecta apropierea sau absența unui obiect magnetic utilizând distanța critică.

(c6) Senzorii inductivi de proximitate – detectează prezența sau absența unui obiect utilizând distanță critică.

(c7) Senzorii de proximitate magnetici – sunt dispozitive ce utilizează principiul inducției, reluctanței variabile, rezistenței magnetice sau efectul Hall. Senzorul detectează prezența sau absența unui obiect utilizând distanța critică.

(c8) Senzorii fotoelectrici – utilizează emițători și receptori pentru a detecta prezența sau absența unui obiect.

(c9) Senzor de ecran – se compun dintr-o suprafață transparentă înconjurată de o matrice de senzori care asigură informația poziției unui procesor.

(c10) Senzor ultrasonic de proximitate – utilizează undele reflectate sau transmise pentru a detecta prezența sau absența unui obiect.

d) Traductoare pneumo electronice sunt dispozitive ce utilizează presiunea și curgerea aerului pentru a măsura și a clasifica caracteristicile dimensionale. Oferă un grad înalt de viteză și o acuratețe pentru utilizarea în mediile industriale ce au un volum mare de producție. Instrumentele metrologice bazate pe presiunea aerului oferă date comparative și cantitative pentru măsurarea rugozitatii, adâncimii, diametrelor interioare, diametrelor exterioare, etc.

(d1) Tampoanele pneumatice sunt dispozitive ce evaluează dimensiunea găurilor și a fantelor și pot să compare încadrarea toleranțelor în limitele impuse de proiectantul respectivei piese verificate.

(d2) Inelele pneumatice sunt dispozitive ce funcționează în același mod ca și tampoanele pneumatice dar, spre deosebire de acestea, inelele verifică arborii și alte piese de revoluție.

(d3) Calibrele T-NT (trece – nu trece) sunt dispozitive ce compară măsurătorile față de limitele impuse, caracteristică prin care se definește acest dispozitiv este reprezentată de ușurința cu care se verifică piesa.

(d4) Sistemele pneumatice sunt sisteme complexe de dimensiuni mari utilizate pentru măsurarea pieselor mari. Aceste dispozitive sunt alcătuite din mai multe sisteme de control, sisteme de prindere sau alte componente pentru prindere și transportul pieselor în timpul inspecției.

(d5) Capetele pneumatice sunt capete/ probe de măsură electronice, pneumatice, optice sau mecanice care se conectează la o telecomandă sau alte dispozitive ce au rolul de a afișa rezultatele prelevate.

e) Echipamentele video sunt dispozitive utilizate pentru captură de imagini, procesare, afișare și stocare a semnalelor analogice și digitale.

f) Echipamentele electronice de alimentare, transformare, amplificare, afișare, măsurare, etc. pentru senzori și traductoare.

CAPITOLUL 4. NOI TEHNOLOGII DE CONTROL INTEGRAT ÎN INDUSTRIA AUTO

4.1 Scanarea tridimensională (3D)

Scanarea tridimensională este disponibilă de mai bine de 15 ani, cu toate astea este puțin cunoscută și aparent suna ca un film SF. În cadrul tehnicilor de Reverse Engineering un rol aparte revine tehnicilor de scanare 3D și a celor de prototipare rapidă chiar dacă o procedură de RE nu presupune obligatoriu realizarea fizică a prototipului [21].

Figura 4.1. Tehnici de digitizare pentru geometrii 3D și generarea punctelor

Măsurarea tridimensională (3D) este o tehnică relativ nouă, în continuă dezvoltare, cu aparate și echipamente (scanere 3D) încă în faza de testare, dar care ar putea revoluționa și facilita tehnicile de măsurare clasice. Scanarea 3D este procesul de copiere a informațiilor digitale ale geometriei unui obiect fizic (solid), de aceea este cunoscută ca digitizare (Figura 4.1). "Digitizarea" sau "digitizarea 3D" este un procedeu care utilizează un palpator de digitizare cu contact sau non-contact pentru a capta forma obiectelor și a le recrea într-un spațiu de lucru virtual printr-o rețea foarte densă de puncte (XYZ), sub formă de reprezentare grafică 3D [18]. Datele sunt colectate sub formă de puncte și fișierul rezultat este numit "nor de puncte" (Figura 4.2a) după care sunt, de obicei, post-procesate într-o rețea de poligoane mici (mod simplu), care sunt numite rețea poligonală 3D sau mesh (Figura 4.2b). Acest tip de informații pot fi salvate în diferite formate CAD (Figura 4.2c), cele mai frecvente fiind formatul STL (Surface Tessellation Language) [22] si putand fi accesible unui numar foarte mare de aplicatii de control dimensional integrat sau inginerie inversa [23]. O definiție simplificată specifică faptul că achiziția se face printr-o interfață "material" (scaner 3D) cu ajutorul palpatoarelor și senzorilor și modelarea prin intermediul unei interfețe "software" (software de scanare 3D) folosind algoritmi, datele tridimensionale colectate fiind utile pentru o gamă largă de aplicații. Tehnologiile folosite pentru a construi dispozitivele de scanare 3D sunt multiple, fiecare tehnologie având propriile sale limitări, costuri, avantaje și dezavantaje.

a. Nor de puncte 3D b. Rețea poligonală 3D (mesh) c. Suprafața rezultată

Figura 4.2. Faze ale digitalizării sau digitizare 3D.

4.2. Tipuri de palpatori

Pe plan tehnic, majoritatea instrumentelor de digitizare a formelor folosesc principii elementare de trigonometrie, triangulație pentru determinarea coordonatelor unui punct în spațiu. Astăzi, pentru achiziționarea punctelor de pe o suprafață, există mai multe tipuri de palpatori de digitizare [23].

Palpatorii se împart în două categorii:

palpatori cu contact;

palpatori fără contact.

Structura și principiul de funcționare al unui palpator cu contact

Acest sistem are în componență un mecanism cu 3 contacte, pretensionat, la care punctele de contact cu flanșa suport sunt în același timp contacte electrice (Figura 4.3). Acest sistem are o elasticitate foarte bună asigurând revenirea palpatorului în poziția inițială după contactul cu suprafața de măsură. În momentul în care palpatorul atinge piesa, unul din cele 3 contacte se deschide, comandând în acest fel oprirea deplasării capului de măsură. În acest mod se asigură și o protecție împotriva distrugerii mecanismului de palpare în cazul ciocnirilor accidentale.

Figura 4.3. Structura unui palpator.

În momentul opririi capului de măsură, coordonatele palpatorului sunt înregistrate în memoria calculatorului, fiind prelucrate în funcție de comanda precedentă. Pentru o înaltă precizie, e necesară o construcție rigidă a sistemului de palpare, astfel ca forțele care apar la contactul palpator – piesă să nu provoace încovoieri care să conducă la imprecizii. Aceste dificultăți pot fi eliminate prin folosirea unui senzor piezoelectric. Acesta este la fel de sensibil la toate direcțiile de palpare, generând un impuls proporțional cu forța de impact.

Partea mobilă cuprinde un palpator montat pe un tripod ale cărui brațe sunt cilindrii. Cum acești cilindrii sunt așezați pe perechile de bile, legătura dintre partea mobilă și cea fixă este o legătură încastrată izostatic. Ea este menținută de către arc. Izostatismul acestei legături constă în faptul că dacă un efort de contact se exercită asupra bilei de palpare, eforturile rezistente pe cele 6 puncte de sprijin variază rapid până la desprinderea unuia dintre punctele de sprijin.

Circuitul electric trecând prin 6 puncte de sprijin montate în serie este astfel deschis și interfața este capabilă să detecteze această deschidere printr-o creștere a impedanței circuitului electric (Figura 4.4). Atunci când efortul de contact dintre bilă și suprafața palpată este suprimat, repunerea în poziție a parții mobile în raport cu partea fixă beneficiază de o repetabilitate excelentă a cărei eroare indusă este neglijabilă vis-a-vis de alte cauze ce produc erori. Acest lucru este adevărat atunci când palpatorul este în stare bună, adică atunci când suprafețele de contact sferă-cilindru nu au fost deteriorate datorită unui șoc. În figura 4.4 sunt prezentate componentele sistemul de palpare.

Figura 4.4. Sistemul de palpare.

Palpatorul este constituit dintr-o parte fixă legată de carterul palpatorului, o parte mobilă și un arc, așa cum se arată și în figura 4.4. Partea fixă cuprinde o bucșă în care sunt trei perechi de bile poziționate la 1200 și legate printr-un circuit electric. Sistemul de palpare se compune din capul palpatoarelor și palpatoare [22]. Firma Zeiss a dezvoltat mai multe sisteme de palpare în funcție de cerințe și pentru obținerea de rezultate cât mai apropiate de realitate (Figura 4.5).

Figura 4.5. Tipuri de capete de palpare – firma Zeiss Germania.

Palpator cu contacte electrice realizat de INCDMTM Romania

Tehnica de măsurare cu palpatorul electronic de poziție cu contacte electrice, realizat de INCDMTM România, presupune:

Descrierea constructivă a traductorului electronic

Traductorul electronic este realizat astfel:

Tija de palpare, cu vârful de palpare sub formă de bilă (sau disc, con, vârf, etc) este încastrat într-un suport sferic, purtător al celor 3 contacte superioare; acest subansamblu este menținut în contact, sub acțiunea unui arc de compresiune, cu suport fix, încastrat în corpul palpatorului și purtător al contactelor inferioare.

Suportul sferic-mobil, la contactul tijei, este rotită în jurul axei de rotație, cea ce face să se deschidă circuitul prin intermediul circuitului imprimat, pentru cablul electric dar și pentru lampa electrică ce emite semnalul luminos.

De corpul traductorului se prinde partea cilindrică de fixare, de axa utilajului, în continuare, în funcție de adâncimea punctelor se atașează prelungitorul scurt sau prelungitorul lung; totodată se utilizează setul de vârfuri necesare punctelor de măsurare.

Traductorul cu contacte electrice în coordonate, se cuplează electric cu blocul electronic, aceasta după primirea semnalului, prelucrându-l și afișându-l, după ce înainte a dat semnalul de citire pentru traductorul de deplasare.

Din punct de vedere constructiv avem: palpatorul cu vârf de palpare, este încastrat în nucleul mobil prin filet, practicat în bucșa filetată și menținut în contact direct prin știfturile cilindrice pe sferele ale coliviei, fixată prin șuruburi de nucleul fix; contactele sunt prinse prin lamele contactoare de inelul și cămașa transparentă; lampa asamblată este fixată de capul conector; mufa tată cu 3 contacte este fixată prin știftul special M3 .

Prinderea palpatorului se face prin intermediul mânerului și de acesta se pot fixa prelungitoarele, lung sau scurt.

Din punct de vedere constructiv, pentru palpatorul 50, avem: palpatorul cu vârful de palpare tip sferă, este fixat prin cuplajul de arcul tip membrană și reperul contactelor purtător al celor 3 contacte; pe capacul inferior se găsesc contactele electrice inferioare; circuitul electronic este purtătorul schemei electronice de formare a semnalului electric și alimentare a LED-ului; ieșirea semnalelor electrice se face prin cablul electric; fixarea palpatorului electronic de axa utilajului tehnologic de măsurare se face prin capacul superior prin intermediul dornului cilindric 14mm.

Din punct de vedere funcțional, schemele cinematice planșele sunt în două variante, ambele răspunzând funcției de măsurare și de funcționare a palpatorului.

Descrierea funcțională a traductorului

Traductorul cu contacte electrice, în coordonate, funcționează astfel:

La deplasarea tijei, la palparea piesei, se deschide unul din cele trei contacte, ceea ce determină transmiterea semnalului la circuitul electronic pentru prelucrare și semnalizare. Deplasarea tijei palpatorului, într-una din direcțiile x, y, z, menține posibilitatea acesteia de a palpa în orice direcție orice punct de măsurare.

Sistemul de contactare este normal închis și numai la deschiderea cel puțin a unui contact, acesta funcționează electric. Contactele sunt menținute sub o forță de măsurare cvasiconstantă și numai la înregistrarea ei, contactul se deschide și transmite semnalul electric.

Trebuie arătat, că datorită contactelor electrice, la închiderea și deschiderea lor, se produce o migrație de material, ceea ce produce „cascade” pe suprafețele de contact ale contractelor. Pentru evitarea acesteia, contactele se realizează din Wolfram, de asemenea suprafețele se ung și astfel migrația este anulată.

Descrierea caracteristicilor tehnice

Traductoarele electronice cu contacte electrice, în coordonate,realizate in doua modele sunt caracterizate astfel:

pentru traductorul 50x127mm:

vârfuri de palpare: sferă, disc, con;

încastrare tijă palpatoare: arc membrană;

tipul legăturii electrice: cu cablu electric;

diametrul exterior: 50;

semnal luminos: lampă tip LED;

nr. coordonate: 3(x, y, z);

diametrul de prindere: 14mm;

semnal sonor: semnal difuzor;

forța de măsurare: 50cN 5cN;

fidelitate: 1,5m;

cursa pasivă pe z: 5mm;

cursă pasivă pe x, y: 8mm;

tip de contact: normal închis, sferă-plan;

integrare: pe orice utilaj de măsurare în coordonate, care are posibilitatea prinderii sau adaptării la 14mm;

pentru traductorul 20x120mm:

vârfuri de palpare: sferă, conic, disc;

încastrare tijă palpatore: menținere în contact prin arc-forță de compresiune;

tipul legăturii electrice: cu cablu electric;

diametrul exterior: 20;

semnal luminos: lampă electrică;

nr. coordonate: 3(x, y, z);

diametrul de prindere: 20h7mm;

semnal sonor: semnal difuzor;

forța de măsurare 20cN2,5cN.

Aplicabilitatea traductorului

Traductoarele prezentate sunt utilizate pentru :

echiparea mașinilor de măsurat în coordonate;

echiparea roboților de măsurat automat;

echiparea echipamentelor de control pentru laborator:

echiparea centrelor de inspecție;

echiparea punctelor de control;

echiparea mașinilor-unelte cu NC și CNC;

Traductoarele își găsesc aplicabilitate pentru măsurarea:

suprafețelor plane, curbe, profilate;

distanțelor, unghiurilor, cercurilor, sferelor, conurilor, cilindrilor, alezajelor;

abaterilor de formă și poziție.

Traductoarele își găsesc aplicabilitatea în următoarele domenii:

industria constructoare de mașini;

industria bunurilor industriale;

industria mașinilor-unelte;

industria siderurgică;

industria metalurgică;

industria de mecanică fină și optică;

industria construcțiilor civile;

industria agro-alimentară;

industria auto.

Clasificare tipuri de palpatori utilizati in controlul dimensional:

a) Palpatori cu contact:

palpator mecanic punct cu punct;

palpator mecanic analogic.

Senzorii cu contact sunt standard pe mașinile de măsurat tipice. În ceea ce privește abilitatea de a măsura caracteristici geometrice 3D pentru localizare, mărime și formă, tehnologia cu senzor cu contact este dovedită viabilă de-a lungul unui număr mare de aplicații metrologice. Multe operații sunt mai confortabile cu tehnologia cu senzori cu contact deoarece este foarte asemănătoare măsurării. Și abilitățile măsurării cu contact avansează continuu.

b) Palpatori fără contact:

palpator laser;

palpator optic.

Senzorii cu laser non-contact și cei vizuali s-au dezvoltat ca și alternativă pentru înlocuirea celor cu contact, unde contactul fizic nu este posibil în cazul suprafețelor fine sau finisate delicat, superfinisate sau cu asperități mari și cele cu muchii ascuțite [23].

Senzorii cu laser au, de asemenea, posibilitatea de a măsura suprafețe finisate. Sistemele cu camera video sunt folosite în cazurile în care ceilalți senzori nu pot fi folosiți, precum măsurarea razelor microscopice cum ar fi găurile cu diametre mai mici de 1 mm care pot fi ușor deformate elastic sau au caracteristici moi [20]. O mașină de măsurat cu cameră video poate crește semnificativ viteza măsurării unor repere care în alte condiții ar necesita consum de timp, poziționare precisă, sau în cazurile caracteristicilor multiple și mici sau ansamblurilor mici care pot fi vizualizate în același timp [23].

Precizia globală a unui sistem de achiziție 3D depinde înainte de toate de precizia senzorului și de dispozitivul de achiziție (achiziție cu contact) sau structura de achiziție (achiziție fără contact). Această precizie poate varia de la micron la milimetru și mărimea achiziției de la câteva puncte la câteva mii de puncte pe secundă [24]. Într-o lume perfectă, sau într-un mediu de producție integrat, sistemele metrologice ar fi capabile să măsoare toți parametrii necesari într-o singură etapă, fără erori, și să redea rezultatele în același fel către rețelele de fabricare dotate cu calculatoare, în formate folositoare pentru controlul mașinilor și managementul proceselor. Un aspect al acestei viziuni utopice este abilitatea unui instrument automat de a măsura o piesă, sau o familie de piese într-o singură etapă. Această viziune este ceea ce a condus la creșterea folosirii mașinilor de măsurat în coordonate, și acum, din ce în ce mai mult spre folosirea mașinilor de măsurat cu mai mulți senzori.

Mașinile de măsurat cu mai mulți senzori pot fi numitorul comun în această ecuație. Mașinile de măsurat pot combina mai mulți senzori, inclusiv palpatori cu contact și fără contact, care conduc la entități 3D prin achiziție de puncte și senzori vizuali ce sunt capabili să facă măsurări de toate tipurile. Mașina de măsurat are abilitatea de a lucra în proximitatea procesului de fabricație. Dacă mașinile de măsurat sunt deja în uz, acționarea capacității multi-senzor poate fi mai ușoară, mai ieftină și să ofere mai multă funcționalitate decât s-ar crede. Dacă profilul aplicației o justifică și configurația mașinii de măsurat o îngăduie, senzorul și pachetul de soft, de azi, poate fi înlocuit cu abilitățile multi-senzor. În industrie, achiziția de forme se adresează reverse engineering-ului sau reconcepției, care permite crearea unui model numeric al unui obiect în scopul realizării unui prototip sau a unei scule de fabricare (exportul datelor achiziționate spre un soft CAD). Nu se poate ignora importanța instrumentelor de achiziție care sunt senzorii cu laser, optici, ultrasonici sau video.

Intervențiile în lanțul de achiziție (senzori, sisteme integrate sau autonome) sunt într-o evoluție constantă încă de la apariția universului tridimensional virtual. Fiabilitatea, precizia, ușurința integrării și costurile sunt factorii importanți care necesită ameliorare și suport „soft”, din ce în ce mai inteligent permițând o automatizare a calcului și expresiei rezultatelor în termeni imediat utilizabili (nori de puncte, reconstrucția suprafețelor poligonale, export direct spre instrumente de CFAC sau mașini de prototipare) [21]. Înainte de a obține un rezultat optim cu o tehnologie particulară, este primordial a se asigura că „senzorul de achiziție” corespunde cu aplicația (tabel 4.1) [20]. Trebuie să se ia în considerare criterii de precizie, de rezoluție, de rapiditate a achiziției, de rapiditate a măsurării, de gradele de libertate sau de configurația adecvată și de repetabilitatea procesului. Precizia globală a unui sistem de achiziție 3D depinde înainte de toate de precizia senzorului și de dispozitivul de achiziție (achiziție cu contact) sau structura de achiziție (achiziție fără contact). Această precizie poate varia de la micron la milimetru și mărimea achiziției de la câteva puncte la câteva mii de puncte pe secundă.

Tabel 4.1. Analiza soluțiilor tehnice a diferiților palpatori.

4.3. Tehnologii de scanare 3D

Chiar dacă sunt destinate copierii sau controlului geometric, sau mai degrabă realizării modelelor geometrice virtuale sau realizării produselor, se disting 2 grupe de tehnologii: scanare 3D cu sau fără contact (Figura 4.6). Termenul de “contact” se referă la contactul mecanic al suprafețelor (suprafață palpator – suprafață piesa), în timp ce tehnologiile “non-contact” (fără contact mecanic) utilizează surse optice, laser sau o combinație a acestora pentru o reproducere fidela a suprafeței scanate [21]. Tehnologiile fără contact se dezvoltă din ce în ce mai mult în domenii de aplicații unde evoluțiile tehnice sunt rapide și unde nu se poate folosi „contactul”.

Figura 4.6. Tehnologia de digitizare 3D.

Până la apariția noilor tehnologii, digitizarea a fost limitată de viteza capului de scanare și alegerea corectă a sistemului de palpare, tipul piesei scanate și bugetul pentru achiziționarea sau dezvoltarea sistemului de scanare. Scanarea 3D non-contact poate fi împărțita în continuare în două categorii principale, scanare activă și scanare pasivă.

Înainte de a se obține un rezultat optim, cu o anumită tehnologie, este vital să ne asigurăm că tehnologia de achiziție (senzorială) corespunde aplicației selectate precum și criteriile de acuratețe, rezoluție, viteza de achiziție, viteza de măsurare, grade de libertate sau configurarea potrivită și repetabilitatea procesului care trebuie să fie luate în considerare.

a) Tehnologia de scanare 3D contact

Scanarea unei suprafețe cu preluare continuă (Figura 4.7) a coordonatelor de către calculator este dependentă de timp și distanță, reprezentând o formă dezvoltată a palpării punctiforme. Capul palpator de măsură execută mișcări de translație de apropiere și îndepărtare de piesă astfel încât axa palpatorului, să se găsească în permanență în interiorul domeniului de măsură. Scanarea reprezintă metoda ideală de măsurare a formelor cu mașinile de măsurat în coordonate, înlocuind astfel multe instrumente având un singur scop sau, în general, oferind noi posibilități de măsurare [25]. Spre deosebire de tehnica convențională care permite măsurarea unui număr mic de puncte, fără o determinare concretă a abaterilor de formă, scanarea asigură măsurarea unui număr mare de puncte, ceea ce creează premisele pentru determinarea calității.

Figura 4.7. Modalități de scanare.

a. palpare continua; b. palpare cu axa z fixa; c. palpare dubla; d. palpare discontinua.

La măsurarea unei piese, în cazul în care se folosesc tehnici eficiente de palpare, pot fi eliminate multe din cauzele uzuale ce generează apariția erorilor. În cadrul măsurărilor metrologice, mai ales în cazul în care nu dispunem de modelul CAD al piesei, palparea ar trebui realizată perpendicular pe suprafața de măsurat, urmând direcția normalei la punctul ce urmează a fi numerizat. Ideal, deviația de la direcția optimă cu care palparea poate fi realizată în condiții acceptabile, ar trebui să fie de maxim 200.

În măsurarea 3D, palpatorul atinge proba supusă măsurării, în timp ce obiectul este în contact sau în repaus pe o placă de precizie cu suprafața plană. În cazul în care obiectul care trebuie scanat nu este plat sau nu poate fi așezat stabil pe o suprafață plană, acesta este sprijinit și ținut ferm în loc de un dispozitiv de fixare. Mecanismul scanerului poate avea trei forme diferite pentru scanarea 3D contact:

un sistem de transport cu brațe rigide menținute strâns în relație perpendiculară și fiecare axă aluneca de-a lungul unei piste;

un braț articulat cu componente rigide și senzori unghiulari de mare precizie;

combinație a ambelor metode.

O mașină de măsurare în coordonate – MMC este cel mai bun exemplu al unui scaner 3D cu contact. Aceasta este utilizată în principal în fabricatie și poate fi foarte precisă, dar are anumite dezavantaje. Scanarea asigură rezultate exacte referitoare la forma elementului geometric studiat (Figura 4.8). Cercul înfășurat, care este important, poate fi determinat numai cu ajutorul unui număr ridicat de puncte, ceea ce conduce la micșorarea ratei rebuturilor [25].

Figura 4.8. Măsurarea prin scanare a alezajelor.

În cadrul măsurării se întâlnesc situații în care avem nevoie de precizia maximă oferită de palpator în combinație cu mașina de măsurare și este important de știut care sunt direcțiile optime de palpare pentru respectarea exigențelor procesului metrologic. Digitizarea punctelor pe direcții perpendiculare pe axa vârfului de palpare are cea mai bună repetabilitate în comparație cu digitizarea pe alte direcții raportate la axa vârfului de palpare (Figura 4.10).

Palpatoarele capului de măsură sunt construite dintr-o tijă cilindrică având o sferă de rubin în vârf. Această sferă trebuie să aibă o dimensiune materială, pentru măsurare luându-se în considerare doar cotele centrului sferei (Figura 4.9).

Figura 4.9. Palpatorii capului de măsurare.

Figura 4.10. Direcțiile întâlnite la palpare.

a) măsurarea pe direcție perpendiculară pe axa vârfului de palpare (recomandată);

b), c), d)măsurarea pe alte direcții raportat la axa vârfului de palpare (nerecomandată)

b) Tehnologia de scanare 3D non-contact

În timp ce tehnicile de scanare 3D cu contact folosesc palpatori pentru a efectua scanarea, tehnologiile fără contact folosesc senzori optici, surse de lumină laser, sau o combinație a celor două (acestea sunt cele mai performante tehnologii din punct de vedere economic și tehnologic viabile) pentru reproducerea fidelă a suprafeței scanate. Senzorii laser și video s-au dezvoltat ca alternativă pentru înlocuirea senzorilor (palpatori) cu contact, unde contactul fizic nu este posibil, în general, în cazul suprafețelor fine sau finisate delicat, superfinisate sau cu asperități mari precum și în cazul cele cu muchii ascuțite [23].

Tehnologia pe care este bazat procesul de scanare 3D optic cuprinde următorii pași:

Lumina este proiectată pe obiect (în cazul tehnologiilor ce folosesc lumina);

Obiectul reflectă lumina care este apoi colectată de un senzor digital;

Utilizând ecuații algebrice coordonata spațială 3D (X, Y, Z) a punctului de pe suprafață este calculată;

Locația punctului în sistemul de coordonate este stocată ca parte a unui nor de puncte ce reprezintă piesa fizică;

Milioane de puncte sunt colectate în acest fel până când întreaga suprafață a piesei sau piesa a fost digitizată;

Datele digitale (numite generic “nor de puncte” sunt folosite pentru RE, rapid prototyping sau inspecția produsului).

c) Tehnologia de scanare 3D laser

Un aparat care este capabil să genereze o undă de lumină utilizând doar o bandă îngustă de spectru este numit laser. Un laser tipic emite lumină într-o rază îngustă, cu divergență scăzută, cu o lungime de undă bine definită (corespunzând unei anumite culori dacă laserul operează în spectrul vizibil) [26]. Asta este în contrast cu o sursă de lumină cum ar fi becul cu incandescenta, care emite într-un unghi deschis și solid și peste un spectru larg de lungimi de undă. Aceste proprietăți pot fi descrise de termenul de coerență. Laserele sunt asemănătoare cu tranzistorii, ele generează sau amplifică lumina așa cum tranzistorii generează și amplifică semnalele electronice și frecvențele audio, radio sau ale microundelor [26].

Termenul „laser” reprezintă un acronim și înseamnă „Amplificarea Luminii prin Emisie Stimulată de Radiație”. Primul laser funcțional a fost realizat în mai 1960 de Theodore Maiman în laboratoarele Hughes Research Laboratories. Laserele sunt folosite în viața de zi cu zi, în special la aparatele de stocare optică cum ar fi unitățile de compact disc sau playerele DVD, în care laserul scanează suprafața discului pentru a colecta informații. Alte aplicații obișnuite ale laserelor sunt cititoarele de coduri de bare și pointerele laser. În industrie, laserele sunt folosite pentru tăierea oțelului și a altor metale și pentru inscripționarea diferitelor modele, cum ar fi literele pe tastatura unui computer. Laserele sunt folosite de asemenea în aplicații militare și medicale [26].

Lumina laserului reprezintă o simplă lumină generată cu ajutorul unei aparaturi laser. Această lumină are proprietăți aparte, care o deosebesc de lumina provenită din alte surse:

Lumina laserului este generată sub forma unei raze laser. O astfel de rază laser are un grad înalt (uneori chiar foarte înalt) de coerență spațială, de aceea se propagă dominant într-o direcție bine definită cu o divergență moderată a razei. Termenul de coerență se referă la faptul că semnalul electric în diferite locuri de-a lungul profilului razei oscilează cu o relație rigidă a fazei. Această coerență este motivul pentru care o rază laser se poate propaga pe distanțe lungi și poate fi focalizată în puncte de mici dimensiuni;

Lumina laserului are de asemenea un grad înalt de coerență temporală (în cele mai multe cazuri), care este echivalentă cu o lungime de coerență mare. Lungimile de coerență mari implică o relație de fază rigidă la intervale relativ mari de timp, care corespund cu distanțe mari de propagare (deseori pe mulți kilometri);

Combinând o coerență temporală mare cu un timp sau lungime de coerență mare rezultă o lungime îngustă de spectru de bandă (sau spectru de linie). Acest lucru înseamnă că razele laser vizibile au o anumită culoare pură, de ex. roșu, verde sau albastru, dar nu alb sau purpuriu. De exemplu, majoritatea laserelor utilizate pentru aparaturi de măsură cu rază scurtă și medie au o lungime de undă de 1064nm (aproape cât infraroșu) sau 532nm (laser verde). Ar trebui menționat faptul că o lungime de coerență mare aduce cu sine o tendință a fenomenului de laser cu pete, i.e., se poate observa o caracteristică de șablon granular. Acest efect poate fi observat de exemplu când o rază laser atinge o suprafață metalică;

În cele mai multe cazuri, lumina laserului este polarizată liniar. Aceasta înseamnă că un câmp electric oscilează într-o anumită direcție spațială.

În funcție de aplicație, lumina laserului poate avea și alte proprietăți remarcabile:

Lumina laserului poate fi vizibilă, dar majoritatea laserelor emit de fapt în alte registre spectrale, în special registrul scurt infraroșu, pe care ochiul uman nu îl poate percepe;

Lumina laserului nu este întotdeauna continuă, dar poate fi transmisă sub forma unor pulsații scurte sau ultrascurte. În consecință, puterea de vârf poate fi extrem de mare;

Datorită acestor proprietăți de coerență, razele laser își păstrează focalizarea când sunt proiectate de la distanță. O altă proprietate fundamentală a laserului este viteza de propagare a undelor de lumină. Undele de lumină circulă cu o viteza fermă și constantă într-un anumit mediu. Datorită acestor proprietăți, lumina laserului este foarte potrivită pentru măsurarea obiectelor.

Pentru a împuternici utilizatorii să determine potențialul risc, toate laserele și aparatele care folosesc laserul sunt etichetate cu o clasificare, în funcție de lungimea de undă și forța energiei produsă de laser. Standardul European furnizează informații despre clasele de laser și măsurile de precauție ce trebuie luate [26]. Laserele sunt clasate in 7 clase in functie de conditiile de operare si gradul de pericol in operare:

Laserele de clasa 1 sunt sigure în condițiile rezonabile prevăzute pentru operare, incluzând utilizarea instrumentelor optice pentru vizualizări în interiorul razei;

Laserele de clasa 1M sunt sigure în condițiile rezonabile prevăzute pentru operare, dar pot fi periculoase dacă instrumentele optice sunt în interiorul razei;

Laserele de clasa 2 generează în mod normal o reflexie intermitentă care protejează ochii; această reacție este considerată să confere o protecție adecvată în condițiile rezonabile prevăzute, incluzând utilizarea instrumentelor optice pentru vizualizarea în interiorul razei;

Laserele de clasa 2M generează în mod normal o reflexie intermitentă care protejează ochii, această reacție este considerată să confere o protecție adecvată în condițiile rezonabile prevăzute. Cu toate astea, vizualizarea razei poate fi periculoasă dacă utilizatorul folosește instrumente optice direct pe rază;

Laserele de clasa 3R prezintă potențial hazard când se vizualizează direct prin rază; cu toate astea riscul este mai scăzut decât pentru laserele din clasa 3B;

Laserele de clasa 3B prezintă de obicei hazard când se vizualizează direct prin rază; cu toate acestea vizualizarea prin reflexie difuză este de obicei sigură. Această clasă de lasere nu este de obicei potrivită pentru aplicații de ședință;

Laserele de clasa 4 vor cauza vătămarea pielii și a ochilor dacă sunt vizualizate direct. Laserele din această clasă sunt de asemenea capabile să producă reflexii periculoase.

Utilizatorii sistemelor de scanare laser ar trebui să fie întotdeauna informați în legătură cu clasa laserului pe care îl folosesc. Mai mult, utilizatorul ar trebui să se asigure că se folosește sistemul de clasificare corectă.

În ingineria modernă, termenul de "scanare laser" este folosit cu două sensuri legate, dar cu înțelesuri separate. Primul sens, mai general, este deformarea controlată a fasciculelor laser, vizibil sau invizibil. Fasciculele laser sunt utilizate în mașinile pentru stereolitografie, în rapid prototyping, în mașinile de prelucrare a materiilor prime, în mașinile de gravat cu laser, în sistemele oftalmologice cu laser, în microscopie confocala, la imprimantele laser, în spectacole cu laser, în Laser TV, în sistemele LIDAR și scanere de coduri de bare. Al doilea sens, mai specific, este de direcție controlată a fasciculelor laser, urmată de o măsurare a distanței fiecărui punct fata de origine. Această metodă, numită adesea scanarea 3D a obiectului sau scanarea cu laser 3D folosește un fascicul laser punctual sau plan și este utilizat în general pentru a capta rapid forma obiectelor, clădirilor și peisajelor. Materialele care pot fi scanate (reproduse tridimensional) utilizând tehnologia de scanare video-laser sunt: piatra, ceramica, sticla, metalul, lemnul, plasticul, cauciucul și lutul, precum și materiale organice. Tehnologia scanării laser actuale poate fi împărțită în două categorii: statică și dinamică [27].

Când scanerul este ținut într-o poziție fixă în timpul achiziției informațiilor, poartă numele de scanare laser statică. Avantajele utilizării acestei metode sunt date de precizia înaltă și densitatea relativ mare a punctelor. Toate scanările laser statice pot fi văzute ca și scanări laser terestre. Cu toate astea, nu toate scanările de suprafață pot fi clasificate ca și scanări laser statice. În cazul scanărilor laser dinamice, scanerul este montat pe o platformă mobilă. Aceste sisteme necesită sisteme de poziționare adiționale cum ar fi INS și GPS, care face sistemul mai complex și mai costisitor. Exemple de scanări laser dinamice sunt scanările făcute dintr-un aparat de zbor (scanări laser aeropurtate), scanările dintr-un autovehicul în mișcare sau dintr-un aparat de zbor teleghidat (UAV).

Unul dintre principalele avantaje ale fasciculului laser este faptul că acesta poate penetra chiar și cele mai mici fisuri ale suprafeței scanate, precum și viteza de măsurare a acestuia (Tabelul 4.1). Piesele sunt inițial măsurate prin scanare 3D cu laser, iar apoi acestea sunt comparate cu modelul proiectat (fișier CAD) folosind un software specializat. Prin aceasta comparație producătorul poate intervenii rapid în procesul de fabricație pentru a înlătura cauza eventualelor defecte de fabricație [28].

Principalele metode pentru crearea modelelor 3D (mesh) sunt:

modelarea poligonală – majoritatea modelelor folosite în jocuri și filme sunt modele poligonale.

modelarea parametrică – sunt utilizați parametrii pentru precizarea proprietăților obiectului;

modelare solidă 3D – în această metodă sunt folosite corpuri geometrice elementare, cum ar fi cuburi, cilindri, conuri și sfere, pentru a construi modele mai complexe;

modelarea NURBS (Non-uniform Rational B-spline), spre deosebire de modelarea poligonală, oferă posibilitatea de a crea suprafețe curbe netede, dar procesul de randare este mai lent;

modelare bazată pe curbe Spline sau pe suprafețe tip Patch – este similară cu modelarea NURBS, cu excepția faptului că suprafețele sunt create din linii curbe, care constituie marginile lor.

Rezoluția unui mesh este de fapt densitatea numărului de puncte pe o unitate de suprafață sau distanța între puncte [29]. Distanța între puncte este de regulă de ordinul 0,001mm – 0,1mm. Această valoare nu trebuie confundată cu precizia de măsură a sistemului, deoarece mulți dintre producătorii de echipamente de scanare 3D se ascund sub umbrela acestei informații când sunt întrebați de acuratețea de măsurare a dispozitivelor.

4.4. Aplicațiile industriale ale tehnicilor de scanare tridimensională (3D)

În prezent, scanarea 3D se folosește în 5 mari domenii (figura 4.11):

reverse-engineering (inginerie inversă)

metrologie-control-calitate

biomedical

digitizare

cinematografie și animație video (imagini virtuale).

Figura 4.11. Aplicațiile scanării laser.

Ingineria inversă (reverse-engineering RE) este procesul de descoperire a principiilor de funcționare a unui dispozitiv sau sistem prin analiza structurii, funcției și operațiilor acestuia (Figura 4.12). De obicei, ingineria inversă implică dezasamblarea sau descompunerea sistemului sau dispozitivului respectiv și analizarea în detaliu a funcționării sale, cu scopul de a realiza un nou dispozitiv sau sistem similar, care nu copiază nimic din cel original [30].

Figura 4.12. Schemă de reverse-engineering.

În acest domeniu scanarea 3D este destinată micșorării timpilor de concepție asupra sistemelor CAD, prin integrarea prelucrării norului de puncte obținut într-o fază de reconstrucție a suprafețelor prin intermediul unor softuri speciale.

Originea reverse-engineering-ului provine din industria japoneză, care folosea acest proces pentru creșterea producției în condițiile unei concurențe mari a produselor și evitând astfel efortul întâmpinat la designul original. De regulă, cele mai multe procese de reverse-engineering pot fi folosite fără realizarea propriu-zisă a unui prototip.

Pot fi definite 3 etape în procesul reverse-engineering:

– Etapa 1: folosirea unui dispozitiv sau tehnică pentru introducerea elementelor de geometrie a obiectelor (de obicei sub forma punctelor X, Y și Z ale obiectului relativ cu sistemul local de coordonate);

– Etapa 2: folosirea unui program computerizat pentru a citi aceste date și pentru convertirea lor într-o formă folositoare;

– Etapa 3: transferarea rezultatelor din softwarele de modelare sau aplicație 3D, astfel încât acțiunea dorită de geometrie să fie îndeplinită. Uneori etapele 2 și 3 pot fi comune.

Spre exemplu, pentru o piesă oarecare, se execută o scanare 3D pe anumite traiectorii și coordonate impuse de procesul de prelucrare a informațiilor. Aceste date 3D sub forma unui „nor de puncte” sunt apoi transmise prin instrumentele de achiziție a informațiilor într-un sistem organizat, ordonat, corespunzător poziției geometrice reale a suprafeței scanate, față de un punct de referință stabilit anterior (Figura 4.13).

Figura. 4.13. Exemplu de metoda de reverse-engineering.

Datele sunt prelucrate matematic, geometric, logic, natural și convențional (NURBS data acquisition system) și transferate softului CAD sau CAD/CAM/CAE. Dimensiunile (cotele X, Y și Z) punctelor determinate sunt reperele atât exterioare cât și interioare ale produsului/ obiectului care sunt prelucrate (unite, conturate, etc.) sub forma unor ecuații de stare generală și ulterior particulare, corespunzătoare unor zone/ suprafețe/ volume ale obiectului virtual care va fi redat de către soft. Această multitudine de puncte va crea o imagine virtuală de suprafețe determinate, cu cât mai multe, cu atât corespondența dintre real și virtual va fi mai mare, dar și o acuratețe mai bună a imaginii finale a produsului. Se poate spune că ingineria inversă începe cu produsul și lucrează în cursul procesului de design în direcția opusă pentru a ajunge la o stare de produs finit [31].

Utilizarea tehnicii reverse-engineering permite ca un produs 3D sau un model să poată fi rapid transformate într-o formă digitală, apoi remodelate și pregătite pentru prototipare rapidă sau chiar fabricare rapidă. RE este de obicei eficientă din punctul de vedere al costului doar dacă produsele destinate RE necesită o investiție ridicată sau vor fi reproduse în cantități mari (cazul injectării în matriță) [31]. RE al unei piese poate fi încercat, chiar dacă nu este eficient din punct de vedere al costului, în cazul în care piesa este absolut necesară și rolul ei este critic într-un sistem.

În mod special, în procesele de fabricație prin injecție a produselor din materiale plastice și a sculelor aferente (matriță), se impune tot mai mult optimizarea concepției astfel că timpul necesar fabricației să fie cât mai scurt prin asimilarea conceptului dezvoltării rapide a unui produs. În acest domeniu, tot mai des produsele devin organice ca formă (free forme), iar proiectarea CAD-CAM devine dificilă.

Producătorii de piese presate sau ambutisate au cu precădere o mare necesitate de a efectua măsurători 3D pe întreaga suprafață a piesei într-un timp foarte scurt. Soluțiile tactile nu oferă flexibilitatea și eficiența necesară, de aceea sistemele de scanare (de exemplu ATOS) sunt cele mai întâlnite sisteme de măsură 3D în secțiile de presaj.

Toți producătorii de caroserii și subansamble auto utilizează sistemele de scanare 3D la nivel mondial pentru a verifica în timp real procesele de fabricare. Acest fapt nu este întâmplător, deoarece portabilitatea sistemului și adaptarea sa la condițiile de mediu industrial au permis implementarea soluțiilor de măsură 3D chiar în hala de producție eliminându-se astfel un factor ce întârzie de multe ori luarea unor decizii cruciale, trimiterea pieselor de test către laboratorul de control dimensional și așteptarea rezultatelor [32].

Un factor crucial în condițiile producției în masă este timpul alocat inspecției, iar aici scanerele 3D sunt de departe un învingător. De exemplu, o portieră integrală (față-spate) poate fi măsurată și inspectată pe întreaga suprafață în 7 minute.  Aceeași operație efectuată pe o mașină de măsurat în coordonate cu palpator ar dura zeci de ore.

metrologie-control-calitate pentru măsurarea precisă a pieselor omogene cu forme complexe, cu dimensiuni foarte variabile: controlul pe linia de fabricație, în scopul selectării sau stăpânirii statistice a unui proces, pentru corelarea anumitor parametrii ai lanțului de fabricație (Figura 4.14).

Figura 4.14. Metrologie-control-calitate: interacțiuni.

biomedical, pentru adaptarea protezelor înaintea intervențiilor sau în cadrul tratamentelor estetice, dar totodată și pentru caracterizarea volumică a organelor bazată pe ecografie, scanare, etc.

Dinții scanați sunt un model plastic obținuți prin prototipare rapidă (printare 3D). Rezultatul scanării 3D s-a utilizat pentru obținerea unui model 3D CAD (Reverse-Engineering) pentru a servi unor calcule numerice cu element finit (FEA) în vederea determinării eforturilor ce apar în rădăcina dentară în timpul unei mușcături (Figura 4.15) [31].

Figura 4.15. Realizarea unui model de dantură pentru calcule cu element finit.

Tomografia computerizată (CT) este o metodă imagistică medicală care generează o imagine tridimensională a interiorului unui obiect dintr-o mare serie de imagini de raze X bidimensionale. La fel ca și imagistica prin rezonanță magnetică este un alt fel de tehnică de imagistică medicală tridimensională, care realizează un contrast mult mai mare între diferite țesuturi moi ale corpului uman decât tomografia computerizată (CT). Aceasta o face deosebit de utilă în cercetările neurologice, imagistica musculo-scheletică, cardiovasculară și oncologică (cancer). Aceste tehnici produc o reprezentare 3D discretă volumetrică, care poate fi vizualizată direct, manipulată sau convertită la suprafața tradițională 3D.

digitizare, înainte sau după prototiparea rapidă a sistemelor de copiere prin prelucrare pe CNC-uri;

cinematografie și animație video (imagini virtuale).

Importanta pe care o are scanarea 3D și precizia acesteia este dictată de aplicația urmărită. Astfel, in aplicațiile în care de regulă nu este necesară o toleranță foarte mare (±0.3 mm), se poate folosi o gamă largă de tehnici de scanare 3D (cu contact sau fără contact) pentru a obține rezultatele urmărite. Însă, în industria auto putem utiliza doar unele tipuri de scanare 3D, deoarece este necesar un prag destul de ridicat al calității datelor, toleranțele acceptate în majoritatea cazurilor fiind cuprinse între ±0.001 mm și ±0.01 mm. Tehnicile de scanare 3D și cele de prototipare rapidă joacă un rol important în tehnicile RE în industria auto, chiar dacă o procedură de RE nu presupune obligatoriu realizarea fizică a prototipului [30].

4.5. Impactul tehnologiei de scanare tridimensională (3D) asupra dezvoltării produselor

Companiile adoptă noi tehnici și încearcă noi metode de a-și eficientiza producția și costurile pentru a atinge cerințele producției curente globale. Printre recentele descoperiri tehnologice există un real interes în scanarea laser, care este și rapidă și disponibilă. Adesea, timpul necesar până la vinderea produselor poate decide evoluția noului produs, de aceea, companiile încearcă să lucreze cu clienții lor mai mult în procesul de concepție înțelegând mult mai bine necesitățile acestora înainte de etapa de producție. Procesul de scanare și post-editare poate avea loc în doar 4-5 ore, astfel rezultă o economie de timp care poate fi utilizată de companii în încercarea de a răspunde rapid schimbărilor pe piață. Un alt avantaj pentru producători constă în faptul că, codul G necesar echipamentelor CNC poate fi creat direct din date scanate sau din fișierele CAD, fără a include etapa producerii unui model cu suprafețe [32].

Aceasta înseamnă că un prototip poate fi făcut și aprobat, scanat, urmat apoi de realizarea unei matrițe care poate fi făcută ușor și rapid, toate acestea într-o singură zi. Datele scanate pot fi transferate oricărui format de fișier CAD și accesibil unui număr mare de echipamente. După ce un produs a fost realizat fizic, el poate fi scanat și datele rezultate comparate cu modelele geometrice și deviațiile (erorile) față de modelul geometric inițial pot fi determinate precis. Un alt avantaj, care nu este atât de evident, este că odată ce obiectul se află în format electronic ideile complexe pot fi aplicate ușor și precis. Astfel, procesele de fabricație se pot desfășura în mai multe filiale ale aceleași companii din diferite locații de pe glob.

O dată ce un prototip a fost scanat, ingineria, analiza, controlul calității și alte funcții care de obicei aveau loc consecutiv pot avea loc în mod concurent înainte de a trimite respectivul produs spre fabricare. Într-o lume perfectă sau într-un mediu de producție integrat, sistemele metrologice 3D ar fi capabile să măsoare toți parametri necesari într-o singură etapă, fără erori și să redea rezultatele în același fel către rețelele de fabricare dotate cu calculatoare, în formate folositoare pentru controlul mașinilor și managementul proceselor. Scanarea 3D cu laser oferă o mulțime de avantaje, precum: rapid și ușor de utilizat, compararea rezultatelor cu cele inițiale, precisă și nedistructivă, foarte utilă pentru suprafețe care nu pot fi măsurate prin metodele clasice (cu contact) și adaptivă (poate fi utilizată în combinație cu celelalte metode de scanare) [30].

CAPITOLUL 5. CONCEPTE DE SISTEME MECATRONICE DE CONTROL INTEGRAT COMPLEX IN 3D DIN INDUSTRIA AUTO

5.1. Sistem de indicatori pentru controlul integrat 3D in industria auto

Conceptul de calitate are numeroase accepțiuni, fiind obiectul analizei în cadrul a numeroase discipline precum cele tehnice, economice si chiar în filozofie. În ceea ce priveste calitatea produselor sau serviciilor, în literatura de specialitate se regăsesc definiții precum: „satisfacerea cerințelor clientului”, „disponibilitatea produsului”, „un demers sistematic către excelență”, „conformitatea cu specificațiile”, „corespunzător pentru utilizare”, etc. Definiția pe care o propune standardul ISO 9000/2000 este „ansamblul caracteristicilor unei entități, care îi conferă aptitudinea de a satisface nevoile exprimate sau implicite”, unde prin termenul de entitate se subînțelege un produs, un proces, un sistem sau o organizație [5].

Atât în cazul produselor cât și al serviciilor pot apare diferențe între produsul/ serviciul așteptat și produsul/ serviciul perceput de client. Dacă aceste diferențe sunt mari atunci calitatea produsului/ serviciului este puternic afectată și trebuie luate imediat măsuri pentru diminuarea sau chiar eliminarea acestor neconcordanțe astfel încât prin produsul/ serviciul oferit să fie satisfăcute în totalitate așteptările clientului.

Interdependența dintre calitatea concepției, a proiectării produsului, calitatea producției și calitatea produsului fabricat poate fi pusă în evidență prin triunghiul calității reprezentat în figura 5.1.

Figura 5.1. Triunghiul calității.

Odată cu dezvoltarea societătii s-a trecut la o caracterizare mai complexă a calitătii printr-un număr tot mai mare de caracteristici. Conform definitiei, ”calitatea reprezintă măsura în care un ansamblu de caracteristici intrinseci îndeplineste cerintele”, termenul intrinsic referindu-se la „prezenta în ceva a unei caracteristici în special permanentă”. Caracteristica (figura 5.2) reprezintă o însusire a produsului care îl diferentiază de altele si care derivă din proprietatea acestuia de a satisface anumite cerinte ale clientului. Trebuie mentionat faptul că în standardul SR EN ISO 9000/2006 se face următoarea precizare: „o caracteristică atribuită unui produs, proces sau sistem (de exemplu: pretul unui produs, proprietarul unui produs) nu este o caracteristică a calitătii acelui produs, proces sau sistem” [33].

Figura 5.2. Caracteristicile de calitate ale produselor industriale.

Calitatea produselor industriale depinde de numeroși factori a căror influență este data de condițiile în care se desfășoară procesul de producție. Acești factori se clasifică conform criteriilor redate în figura 5.3.

Figura 5.3. Factorii care influențează calitatea procesului de producție.

Pentru aprecierea calității se poate folosi un sistem de indicatori dintre care cei mai importanți sunt:

a) indicatorii parțiali ai calității produselor;

b) indicatorii claselor de calitate;

c) indicatorii produselor neconforme;

d) indicatorii reclamațiilor clienților.

Lipsa unui sistem de măsurare a calității face imposibilă coordonarea și orientarea proceselor în vederea satisfacerii cerințelor clientului, fiind deosebit de important să se cunoască nivelul calitativ real al unui produs pentru ca apoi acesta să poată fi comparat cu valoarea țintă [3].

5.2. Sistemul informațional de control al calității proceselor de control integrat 3D

Informația poate fi definită ca un element de cunoaștere care poate fi transmis și conservat datorită unui suport și unui cod. Procesul de conducere prin utilizarea unui sistem informational reprezintă culegerea, transmiterea și prelucrarea automată a informațiilor. Procedeul de identificare, prin care se caracterizează informațiile de care o instituție are nevoie, cuprinde în mod necesar câteva etape înlănțuite logic, ca în figura 5.4.

Figura 5.4. Procesul de identificare a informațiilor necesare.

Sistemul informațional realizează legătura dintre sistemul decizional și celalalte subsisteme. Prin componentele sale, sistemul informațional asigură atât transmiterea informațiilor necesare diverselor nivele de decizie cât și a conținutului deciziilor către nivelele operaționale.

Utilizarea sistemului informatic asigură, pe de o parte, reducerea timpului de elaborare a informatiei si a celei de reactie, iar, pe de altă parte, oferă ratiunea existentei sistemului informational, aceea de a asigura baza informatională necesară pentru derularea eficientă a proceselor de management, cât si a celor de executie. Componentele de bază ale sistemului informational sunt prezentate în figura 5.5.

Figura 5.5. Componentele sistemului informational

5.3. Caracteristicele informatice ale sistemelor mecatronice inteligente de control integrat

5. 3.1. Definiție. Caracteristici.

O economie modernă se caracterizează prin unități productive cu un înalt grad de concentrare, combinare și specializare a producției, dotate cu mașini, unelte și instalații de înaltă tehnicitate, cu un înalt grad de automatizare și robotizare. Funcționarea acestora cu maximă rentabilitate impune adoptarea de soluții optime încă din faza de proiectare, începând cu studiile de oportunitate a construirii acestora, stabilirea locului optim de amplasare, optimizarea proceselor tehnologice, optimizarea amplasării utilajelor și asigurarea mediului ambiant de muncă [34]. Elaborarea de soluții optime cu parametri optimi are la bază abordarea sistemică, adică tratarea obiectului proiectării ca un sistem bine definit, alcătuit din subsisteme și elemente primare.

Caracteristicile de bază ale unui sistem complex de control dimensional sunt:

integritatea arată că prin schimbarea oricărui element din sistem se modifică întreaga structură a sistemului;

sumativitatea arată că schimbarea sistemului în ansamblu reprezintă suma schimbărilor elementelor componente;

mecanicizarea presupune un set de treceri ale sistemului de la starea de integritate la sumativitate;

centralizarea reprezintă interacțiunea unei părți cu celelalte părți ale sistemului;

organizarea ierarhică reprezintă formarea subsistemelor în cadrul structurii sistemului complex;

adaptabilitatea sau necesitatea ca sistemul să satisfacă o clasă de calități sau performanțe în funcție de scop.

Comportarea unui sistem mai este caracterizată prin observabilitate, finalitate și funcționalitate. Proiectarea sistemelor de control au la bază conceptul de optimalitate ce presupune ca funcționarea sistemului să aibă loc în condițiile extremizării (minimizării sau maximizării) unei funcții de eficiență economică, de exemplu: minimizarea costului de producție sau maximizarea profitului [4].

Sistemul de control integrat industrial, ca sistem complex este caracterizat prin faptul că:

interacționează activ cu mediul în scopul creării unei ambianțe eficiente, în care să funcționeze cu maximă rentabilitate;

structura sistemului de producție este adaptabilă tuturor condițiilor care apar în funcționare;

utilizează experiența anterioară pentru optimizarea activității prezente și viitoare.

Ingineria sistemelor de control dimensional are ca obiectiv conceperea, proiectarea, montajul, exploatarea și perfecționarea unităților de producție, ca un tot unitar. Sistemul reprezintă un grup de elemente (oameni, materiale, echipamente) care formează un întreg și care interacționează și funcționează în scopul realizării unui obiectiv comun.

Sistemul total definește ansamblul obiectelor, atributelor și relațiilor necesare atingerii unui obiectiv comun în condițiile existenței anumitor restricții. Obiectivul definește scopul proiectării, iar restricțiile arată frontierele sau limitele în cadrul cărora trebuie să funcționeze sistemul [5].

Studierea sistemelor de producție se face în raport cu factorul timp și în relație cu alte sisteme. În raport cu factorul timp există o categorie de sisteme autoreglabile care au proprietatea de a reacționa cu mijloace proprii la diferite perturbații și de a-și păstra pe anumite perioade autocontrolul în funcționare și realizarea obiectivului stabilit inițial. Această categorie de sisteme se numesc sisteme cibernetice complexe. Sistemul de control dimensional integrat este un sistem care se autoreglează prin intermediul factorului conștient.

5.3.2. Metodologia proiectării sistemelor de control integrat industriale

Metodologia proiectării sistemelor de control dimensional cuprinde urmatoarele etape [15]:

Formularea obiectivului proiectului pornește de la o necesitate impusă de perfecționarea sau dezvoltarea unităților de producție.

Studiul posibilităților de realizare are rolul de a preciza, pe baza analizei situației existente, dacă tema proiectului de sistem este posibil de realizat sub aspect tehnic și economic. Acest studiu trebuie să estimeze eficiența economică a sistemului de producție ce urmează a se proiecta.

Elaborarea proiectului cuprinde subetapele:

definitivarea temei de proiectare;

elaborarea modelului economico-matematic al sistemului;

stabilirea soluției;

aprobarea și omologarea sistemului;

Etapa de elaborare a sistemului se efectuează în două faze:

faza preliminară (de experimentare);

faza integrală (de funcționare efectivă a sistemului conform proiectului).

Etapa de întreținere a sistemului presupune, pe de o parte, supravegherea realizării continue a performanțelor tehnice, iar pe de altă parte, ameliorarea funcționării sistemului în funcție de necesități.

5.4. Tipuri de sisteme mecatronice utilizate in controlul inteligent integrat 3D din industria auto

5.4.1. Dispozitive de control integrat fara contact (non-contact)

Dispozitivele de control dimensional integrat fara contact utilizeaza tehnica de digitizare (sau digitalizare) si recreere a suprafetelor in mediul virtual. Potrivit definitiei "digitizarea" sau "digitizarea 3D" este un procedeu care utilizează un palpator de digitizare cu contact sau non-contact pentru a capta forma obiectelor și a le recrea într-un spațiu de lucru virtual printr-o rețea foarte densă de puncte (X-Y-Z), sub formă de reprezentare grafică 3D [18]. Datele sunt colectate sub formă de puncte, fișierul rezultat fiind numit "nor de puncte" după care sunt, de obicei, procesate într-o rețea de poligoane mici (mod simplu), numita rețea poligonală 3D sau mesh care, la randul lor, sunt transformate in format CAD, putand fii accesible unui numar foarte mare de aplicatii de control dimensional integrat sau inginerie inversa [23].

Acestea sunt compuse in general din subansamble de pozitionare (brate robotice, roboti de micro si nano pozitionare, mese de fixare si pozitionare) si subansamble de control (scanere laser, camere optice, senzori de pozitie etc.).

Subansamblele de pozitionare se impart in doua categori:

subansamble de pozitionare a dispozitivelor de control fata de piesa de controlat (brate robotice)

subansamble de pozitionare a piesei fata de dispozitivul de control (dispozitive de pozitionare tip platforma, mese de control pentru rigidizarea si pozitionarea piesei).

O definitie generala a robotilor stipuleaza faptul ca acestia sunt dispozitive de mișcare cu mai multe axe, aplicabile universal. Mișcările și traiectoriile mișcării sunt liber programabile și, dacă este necesar, sunt ghidate de senzori. Roboții utilizează mâini mecanice, unelte sau alte dispozitive (numite în general end-effectors) pentru a executa manipulări mecanice sau alte funcții de producție [35].

5.4.2. Sisteme robotice de control tip brat robotic

Ingineria sistemelor inteligente în 3D, pentru măsurarea și verificarea reperelor auto, de exemplu caroseriile auto, cuprinde, în general, „măsurări și control în tandem”, utilizând roboți mecatronici în 3D (figura 5.8) integrați pe aceeași platformă de poziționare și bazare a caroseriei auto [36]. Roboții mecatronici în 3D, montați în tandem explorează în coordonate întreaga caroserie auto, fiecare robot conlucrând cu celălalt și împreună conlucrând cu programul software de măsurare și control al caroseriei.

Producătorii de piese presate sau ambutisate din industria auto și nu numai au cu precădere o mare necesitate de a efectua măsurători 3D pe întreaga suprafață a piesei într-un timp foarte scurt. Soluțiile tactile nu oferă flexibilitatea și eficienta necesară, de aceea sistemul de scanare laser este cel mai întâlnit sistem de măsura 3D în secțiile de presaj. Toți producătorii de caroserii și subansamble auto utilizează scanarea laser la nivel mondial pentru a verifica în timp real procesele de fabricare.

Acest fapt nu este întâmplător, portabilitatea sistemului și adaptarea sa la condițiile de mediu industrial au permis implementarea soluțiilor de măsura 3D chiar în hala de producție, eliminându-se astfel un factor ce întârzie de multe ori luarea unor decizii cruciale,  trimiterea pieselor de test către laboratorul de control dimensional și așteptarea rezultatelor. Un factor crucial în condițiile producției în masă este timpul alocat inspecției, iar aici scanarea laser este de departe un învingător. Ex: o portieră integrală (fata-spate) poate fi măsurată și inspectata pe întreaga suprafață în 7 minute. Aceeași operație efectuată pe o mașină de măsurat în coordonate cu palpator ar dura zeci de ore.

Bratele robotice automatizate sau mecanice sunt dispozitive de pozitionare cu mai mult de 3 grade de libertate (figura 5.6) care asigura deplasarea controlata si pozitionarea rigida a subansamblelor de control pe care le deservesc [37]. In aceasta situatie subansamblul de pozitionare si rigidizare a piesei controlate este fix, iar bratul robotic pozitioneaza subansamblul de control fata de acesta in pozitiile necesare.

b.

Figura 5.6. Brate robotice:

(a) mecanice; (b) automatizate.

În cazul măsurării unor repere complexe, de dimensiuni foarte mari, este necesar ca aparatul de măsurare să fie adus lângă piesă; în aceste situații cele mai utile sunt mașinile de măsurare de tip braț portabil. Mai nou, echipamente precum brațele de măsurare devin tot mai des utilizate datorită volumului mare de lucru pe care îl pot acoperii precum și a mobilității ridicate. Brațul portabil este un dispozitiv de măsurare tridimensional cu minim 6 axe, fiecare unghi al brațului este măsurat cu sisteme de codificare. Datorită unui sistem mecanic precis și a unei cunoașteri perfecte a dimensiunilor brațului, acesta pot măsura coordonatele unui punct M (Xi, Yj, Zk) în spațiu [37]. În capătul brațului este prevăzut un traductor care poate fi:

– cu contact: palpator cu bilă sau cu contact punctiform;

– fără contact: scaner laser și sistem de achiziție de imagini CCD.

Achizițiile sunt asigurate printr-un sistem software specific fiecărui tip de braț de măsurare în parte, care permite achiziția și prelucrarea datelor, respectiv generarea și exportul de fișiere compatibile cu mediile de proiectare CAD-CAM.

Pentru atelierul de reparații caroserii, măsurarea și diagnosticarea rapidă sunt vitale la elaborarea unui plan de reparație. Cunoașterea componentelor care trebuie înlocuite sau reparate și un plan potrivit pentru lucrările de tragere economisește timp și mărește gradul de utilizare a echipamentului, precum și viteza operației de reparare propriu-zise. Din punctul de vedere al productivității și vitezei este avantajoasă abordarea procesului de reparație a vehiculelor supuse la coliziuni în cât mai puține faze de lucru. O măsurare digitală sau manuală numai a distanței, măsurătorile în cruce și cele comparative sunt de obicei insuficiente și este necesară și o măsurare tridimensională care să indice lungimea, lățimea și în special înălțimea [36].

Autorobot Calipre oferă măsurarea 3D a structurii inferioare și superioare a caroseriei (figura 5.7), a laturilor și spatelui vehiculului, cu aceeași precizie milimetrică. Este neapărat necesar ca sistemul de măsurare să fie capabil să măsoare precis întregul vehicul fără adausuri complicate și imprecise care să mărească tolerantele. Autorobot Calipre include un portal de măsurare, care poate fi deplasat deasupra vehiculului și care include capete de măsurare patentate, care pot fi extinse la toate țintele cardurilor de date. Această configurație permite măsurarea simultană și reparația pull/ push/ support (PPS). Ecranul Interfeței Grafice de Utilizare (GUI) arata clar direcțiile de tragere/ împingere. Cu toate că Calipre este un sistem de măsurare 3D computerizat, acesta poate fi utilizat și ca sistem de măsurare mecanic. Deține posibilitatea de citire a măsurătorilor 3D de pe rigla gradată. Această posibilitate poate fi, de exemplu, utilizată la instruirea tehnicienilor de reparat caroserii în privința principiilor tehnologice 3D, precum și în timpul penelor de curent [37].

Figura 5.7. Robot de măsurat caroseria auto.

Aparatul de măsurare a caroseriei asistat de computer, wireless, este ușor și ușor manevrabil pe orice cadru, elevator sau chiar la sol. Punctele de măsurare din fisa de date acoperă vehiculul 360 de grade. Tehnicianul de reparare a caroseriilor sau inspectorul poate efectua măsurători și diagnostice rapide oriunde. Unitatea de baza ExCalipre este lungă de 1,6 m, iar cu prelungitor lungimea totală devine de 3 m. Masa este de 2,3 kg sau 3,5 kg cu prelungitor.

Utilizarea ExCalipre și efectuarea măsurătorilor cu acesta în afara atelierului este practică și ușoara chiar și în locuri de parcare.

Deseori, operațiile de control de calitate și inspecție se realizează cu ajutorul unor capete de lucru echipate cu senzori video (metode “ochi în mână”). Roboții utilizați în operații de măsurare, control de calitate, testare și inspecție, manipulează ca și scule capete de lucru, care realizează operațiile respective în diferite zone ale obiectului de lucru. Construcția capetelor de lucru în cauză este adecvată tipului de operație de realizat. Comanda roboților utilizați în operații de măsurare, control de calitate, testare și inspecție se realizează după programe “punct cu punct” (PTP) în cazul în care zonele de măsurat/ controlat/ testat/ inspectat sunt amplasate izolat sau pe ”traiectorie continuă“ (CP), dacă aceste zone prezintă o continuitate în lungul unei linii. Exactitatea de repetabilitate a roboților utilizați în asemenea aplicații trebuie să fie corelată cu exactitatea măsurătorilor care urmează a fi efectuate.

Figura 5.8. Robot mecatronic în 3D cu acționare în spațiul XYZ.

Parametrii tehnico-metrologici pentru roboții mecatronici în 3D [38] sunt:

domeniul de măsurare (mm): 6000 x 1600 x 2400;

(5.1)

acuratețea (m):

(5.2)

viteza de palpare a palpatorului electronic (mm/s): (1÷5);

viteza de deplasare pe axe (mm/s): max. 433;

domeniul de măsurare max. (mm): (18.000 x 2000 x 3500);

software: MCOSMOS.

5.4.3. Dispozitive de pozitionare si rigidizare

Dispozitivele de pozitionare si rigidizare a piesei de control in pozitia de masurare sunt dispozitive mecatronice cu deplasari controlate pe cele trei axe si care au diverse solute de prindere si fixare a pieselor. Aceste metode de prindere pot fi de mai multe feluri (figura 5.9) [15]:

mecanice (cleme si suruburi de fixare)

magnetice (placi magnetice si electromagnetice)

termice (placi criogenice)

pneumatice (vid)

a. b. c.

Figura 5.9. Sisteme de prindere

(a) magnetice; (b) pneumatice; (c) termice.

Configurațiile optime ale sistemelor mecatronice de măsurare și control dimensional se realizează prin combinarea subsistemelor componente și prin asigurarea caracterului modular și adaptiv al subsistemului de prindere si a subsistemului de măsurare [24]. Din punct de vedere al controlului dimensional prin configurații optime se înțelege asigurarea unui raport calitate/pret cat mai bun prin utilizarea de componente compatibile cu aplicatia necesara și softurile necesare.

Realizarea unui control dimensional pentru mai multe variații de piese presupune corelarea sistemul de referință al sistemului de măsurare cu cel al sistemului de centrare al reperului astfel încât să se obțină o determinare exacta a punctelor de control (figura 5.10). [12]

Figura 5.10. Sisteme de coordonate pentru bratul robotic articulat.

1.Sistemul universal de coordonate; 2.Sistemul de coordonate al bratului robotic;

3.Sistemul de coordonate al endefectorului; 4.Sistemul de coordonate al piesei masurate;

5.Sistemul de coordonate al utilizatorului;

5.4.4. Scanere 3D

Datorită dezvoltării recente în tehnologia vizuală și senzorială asistată de calculator, lumina a fost folosită într-un număr de ipostaze pentru a controla obiectele in diferite tehnologii. Aceste tehnici de control pot fi împărțite în două categorii: tehnici active și tehnici pasive. Un scaner 3D este un dispozitiv care analizează un obiect din lumea reală sau mediu pentru a colecta date privind forma și, eventual, aspectul (de exemplu, culoare). Datele colectate pot fi apoi utilizate pentru a construi modele digitale tridimensionale (figura 5.11) [36].

Multe tehnologii diferite pot fi folosite pentru a construi aceste dispozitive de scanare 3D, fiecare tehnologie vine cu propriile sale limite, avantaje și costuri. Majoritatea limitărilor consta în genul de obiecte care pot fi digitizate, de exemplu, tehnologii optice se confruntă cu numeroase dificultăți din cauza pieselor superfinisate, reflectante sau transparente.

Datele 3D colectate sunt utile pentru o largă varietate de aplicații. Aceste dispozitive sunt utilizate pe scară largă de către industria de divertisment în producția de filme și jocuri video. Alte aplicații comune ale acestei tehnologii includ design-ul industrial, orteze și proteze, inginerie inversă și prototipuri, controlul calității/verificarea și documentarea artefactelor culturale.

Scopul unui scaner 3D este, de obicei, de a crea un nor de puncte geometrice de pe suprafața subiectului. Aceste puncte pot fi apoi utilizate pentru a extrapola forma subiectului (proces numit reconstrucție). Dacă informația de culoare este colectata în fiecare punct, culorile pe suprafața subiectului pot fi, de asemenea, determinate. În cele mai multe situații, o singură scanare nu va produce un model complet al subiectului. Scanări multiple, din mai multe direcții diferite, sunt de obicei necesare pentru a obține informații cu privire la toate părțile subiectului. Aceste scanări trebuiesc introduse într-un sistem comun de referință, un proces care este de obicei numit aliniere sau înregistrare, și apoi unite pentru a crea un model complet [18].

Figura 5.11. Clasificarea metodelor de măsurare utilizând lumina.

Scanerele pasive nu emit nici un fel de radiații în sine, dar, în schimb, se bazează pe detectarea unei radiații reflectate din mediul înconjurător. Cele mai multe scanere de acest tip, detectează lumină vizibilă pentru că aceasta reprezintă deja o radiație în sine, din mediul înconjurător. Pot fi folosite și alte tipuri de radiații, cum ar fi cele infraroșii. Metodele pasive pot fi foarte ieftine deoarece în cele mai multe cazuri nu au nevoie de alte echipamente digitale sofisticate în afară de o cameră digitală [27]. Problema cu aceste tehnici este că ele se bazează pe găsirea de corespondențe între imaginile bidimensionale, care nu au soluții unice.

De exemplu șabloane repetitive au tendința să „încurce” metoda de măsurare. Precizia acestor metode depinde cel mai mult de sistemul de imagini și de densitatea de trăsături care se pot identifica pe imagine. Scanerele active emit un fel de radiații controlate și le detectează reflexia cu scopul de a lua o mostră a obiectului sau a mediului. Dintre posibilele tipuri de radiație amintim lumina, ultrasunetele sau razele X [39].

De vreme ce aceste tehnici de măsurare activă presupun un transmițător și un receptor laser, ele sunt mai complexe din punct de vedere mecanic decât tehnicile pasive. Cele mai importante avantaje ale acestor sisteme sunt:

Nu necesită altă sursă de lumină, deoarece își generează propria radiație;

Furnizează măsurători de mare densitate într-un mod foarte automatizat;

Sunt invizibile pe suprafețe fără proprietăți deosebite;

Puterea de colectare a informațiilor este relativ rapidă (1000 – 500.000 puncte/sec).

Principalele tipuri de scanere 3D:

Scanerul laser 3D tip telemetru

Scanerele bazate pe timp sunt scanere active care măsoară o perioadă de timp între două evenimente [40]. În general, avem două timp bazate pe principii de scanare: scanere bazate pe puls (timp-de-zbor) și scanere bazate pe fază. Telemetrul laser măsoară distanța față de suprafață prin măsurarea timpului dus-întors efectuat de un puls de lumină (figura 5.12). Deoarece viteza luminii "c" este cunoscută, timpul dus-întors determină distanța de deplasare a luminii „D”, care este de două ori distanța dintre scaner și suprafață [25]. Dacă "t" e timpul de zbor tur-retur al pulsului laser, atunci distanța este egală cu:

(5.3)

Scanerul laser tip telemetru este un scaner activ care folosește aceasta proprietate pentru a scana subiectul. În centrul acestui tip de scaner este un telemetru laser care măsoară “timpul de deplasare” al razei laser de la emitor la suprafața scanată. Precizia unui scaner 3D laser telemetru depinde de modul în care noi putem măsura timpul "t": (aprox 3,3 picosecunde este timpul necesar luminii pentru a călători 1 milimetru). Valoarea acceptată în prezent pentru viteza luminii în vid este exact c = 299.792.458 m/s. Dacă undele de lumină călătoresc în aer atunci un factor de corecție egal cu indicele de refracție (în funcție de densitatea aerului) trebuie să fie aplicat la punctul c. Presupunând că viteza luminii în aer este de aproximativ 300.000 m/s, se poate calcula că este nevoie de 3,33 nanosecunde pentru a călători 1 metru. Prin urmare, pentru a ajunge la un punct de precizie de 1 mm, trebuie să fim capabili să măsurăm o întârziere de aproximativ 3,33 picosecunde.

Figura 5.12. Principiul scanerului laser bazat pe timp-de-zbor.

Scanerele pe bază de timp-de-zbor nu folosesc raze laser continui, dar fac uz de impulsurile laser (Figura 5.13). Ele scanează din întregul lor câmp de vedere câte un punct o dată, prin schimbarea gamei de căutare pe direcție. Orientarea gamei de căutare a laserului este schimbată de către o unitate de deviere. Scanere laser obișnuite tip timp-de-zbor 3D pot măsura până la 2000 ~ 500000 de puncte în fiecare secundă. Principalul avantajul al scanerului laser „timp-de-zbor” este că acesta este capabil să funcționeze la distanțe foarte lungi fiind potrivite pentru scanarea structurilor mari, cum ar fi clădiri sau caracteristici geografice [40]. Dezavantajul acestui tip de scaner laser este precizia lor, datorită vitezei mari a luminii, cronometrarea timpului tur-retur este dificilă și precizia de măsurare a distanței este relativ scăzută, de ordinul a câțiva milimetri.

Figura 5.13. Măsurarea pulsului laserului

A se observa faptul că pentru măsurătorile neambigue, timpul măsurat (t) ar trebui să fie mai mare decât mărimea pulsului Tpulse. Astfel:

t > Tpulse (5.4)

sau

(5.5)

Într-un sistem de timp-de-zbor, maxima frecvenței de repetiție a pulsului este dictată de faptul că emițătorul nu poate trimite un alt puls până când ecoul de la cel precedent nu a fost primit. Scopul acestei restricții este de a evita orice confuzie în impulsurile care sosesc de la marcatorul intervalului de timp și se numește registru maxim non-ambiguu. Registrul maxim non-ambiguu depinde de durata și frecvența pulsului (figura 5.14).

Figura 5.14. Registrul maxim non-ambiguu versus frecvența repetiției pulsului

Trei factori majori guvernează acuratețea sistemului de registru pe puls:

Abilitatea de a selecta relativ aceeași poziție asupra pulsului transmis și primit de acesta pentru a măsura intervalul de timp. Aceasta este limitată de zgomot, de erori temporale, de forța semnalului și de sensibilitatea detectorului de prag, de dimensiunile reduse și reproductibilitatea pulsului transmisiei;

Precizia cu care sunt cunoscuți timpii de întârziere în sistem;

Precizia instrumentelor de măsurare a intervalului de timp.

Avantajul de a folosi impulsurile pentru variația laserului este concentrarea ridicată a puterii transmise de laser. Această putere face posibilă realizarea unui SNR (semnal/zgomot) necesar pentru măsurători de înaltă precizie, la intervalele lungi (până la câteva sute de metri).

Dezavantajul este problema detectării exacte a orei de sosire a pulsului laser pierdut în urmă, ca urmare a naturii variabile a pragului optic și de atenuarea atmosferică. În figura 5.15 sunt prezentate unele scanere de tip timp-de-zbor accesibile comercial. În această perioadă, cele mai cunoscute companii sunt: Optech, Leica, Riegl, Trimble, Callidus.

a b c d e

Figura 5.15. Scanere laser de tip timp-de-zbor accesibile commercial.

a. Optech; b. Leica; c. Riegl; d. Trimble; e. Callidus

Principalele tipuri de scanere laser construite utilizând această metoda sunt scanerele laser pentru aplicații industriale interioare sau exterioare, cu precizie scăzută care pot fi folosite atât pentru măsurători simple și exacte ale obiectelor cât și pentru clădiri.

Exemplu: Scaner Laser FARO X Series – este un scaner laser cu care se pot înregistra date privind fațadele clădirilor, structuri complexe, facilități de producție și furnizare, site-uri de accidente, precum și componente de mare volum. Acesta este compact, având un volum redus, putând măsura în gama 0.6 – 130 m distanță, cu o precizie de ±2 mm (figura 5.16).

Figura 5.16. Scaner Laser FARO X 130.

Scanerele laser 3D cu triangulație

Triunghiurile stau la baza multor tehnici de măsurare. Ele erau deja utilizate pentru măsurători geodezice de bază în Grecia antică și pot încă fi întâlnite la camerele foto moderne, bazate pe tehnologia tridimensională. Baza matematică a triunghiului (trigonometria), care este la baza acestei tehnici de măsurare (figura 5.17), trebuie să fi fost descoperită de filosoful grec Thales (secolul al V- ilea î.e.n.) [39].

Figura 5.17. Principiul trigonometriei (ecuatiile trigronometrice)

Ecuatiile de baza ale principiului trigonometric sunt :

(5.6)

(5.7)

(5.8)

Acestea sunt, de asemenea, scanere active care utilizează lumina laser pentru a sonda suprafața. Scanerul laser cu triangulație folosește o rază laser care scanează subiectului și o cameră video (sau două) pentru a determina locația punctului laser. În funcție de cât de departe laser lovește o suprafață, punctul laser apare în diferite locuri din câmpul vizual al camerei care este raportat la un sistem de coordonate.

Această tehnică se numește triangulație, deoarece punctul laser, aparatul de fotografiat și cu laserul emițător formează un triunghi. Lungimea unei laturi a triunghiului, distanța dintre cameră și emițătorul laser este cunoscută din construcție, unghiul de lângă emițătorul laser este de asemenea cunoscut, iar unghiul camerei foto poate fi determinat privind locația punctului de laser în câmpul vizual al camerei (Figura 5.18). Aceste trei informații determina forma și dimensiunea triunghiului și oferă locația punctului laser al triunghiului.

a b

Figura 5.18. Principiul scanerului laser 3D cu triangulație.

a. principiul de functionare; b. schema cinematica.

Aceste tipuri de scanere au o rază limitată de doar câțiva metri, dar precizia lor este relativ mare față de scanerele tip telemetru. Acuratețea scanerelor laser 3D cu triangulație este de ordinul a câțiva zeci de microni [25, 26, 27].

Poate fi demonstrat că, cu cât linia de bază este mai mare (D), cu atât are mai puține erori în coordonatele în pixeli în estimarea adâncimii. Cu toate astea, linia de bază nu poate fi trasată foarte mare deoarece în acest caz, proiectorul laser și camera ar avea un câmp de vedere mai redus (FOV) și pata laserului poate să nu fie surprinsă în imaginea camerei deloc.

Exemplu: HandySCAN 3D de la CREAFORM – acesta este un scaner portabil ce utilizează metoda cu triangulație foarte util pentru obiectele de dimensiuni mici, având o precizie la măsurare de 0.05 mm, putând fi utilizat cu succes în achiziția de date 3D pentru ingineria inversă, proiectare sau controlul integrat al calității. Poziționarea acestuia față de obiectul scanat se face de către utilizator având un sistem de poziționare intern astfel încât nu este nevoie de sisteme externe de poziționare și ghidare (figura 5.19).

Figura 5.19. Scaner laser cu triangulatie HandySCAN 700.

Metode posibile de a descrește incertitudinea în ceea ce privește adâncimea sunt:

Descreșterea distanței de la obiect la scanner – crește efectele de umbră;

Creșterea bazei triunghiulare (D) – crește de asemenea efectele de umbră;

Creșterea lungimii focale a lentilei – reduce câmpul de vizualizare;

Descreșterea incertitudinii măsurării – mai mulți pixeli în cameră;

În cele mai multe cazuri, o linie laser, în loc de un singur punct laser, este folosita și împrăștiata de-a lungul obiectului cu scopul de a dobândi întregul obiect în plan 3D (figura 5.20). Aceasta înseamnă că unghiul emitentului laser se schimbă de asemenea, în timp ce se împrăștie pe obiect. Din cauza limitărilor fizice de a folosi o bază mai largă și a domeniului limitat de vedere al camerei, triangulația scanerului este în general utilizată în aplicații care necesită o gamă largă de operare care este mai mică de 10 metri. În comparație cu scanerele cu bătaie medie și lungă, pe baza principiilor întârziere, scanere triangulare au foarte mare precizie în ceea ce privește ordinea de microni.

În practică, metoda activă a triunghiului a fost inventată pentru a rezolva problema notorie a corespondenței, întâlnită în tehnicile de măsurare pasive. Problema corespondenței poate fi susținută după cum urmează: se dau două imagini I1 și I2 dintr-o scenă surprinsă din două puncte de vedere, orientarea relativă a camerelor digitale și o pereche de puncte corespunzătoare între aceste imagini, putem calcula apoi punctul 3D corespunzător, folosind principiul triunghiului. Astfel, problema corespondenței constă în a găsi puncte de potrivire între diferite imagini. Metoda triangulației active utilizează lumina laserului pentru a rezolva această problemă prin marcarea punctului 3D de pe obiect cu culoarea luminii laserului, astfel încât să poată fi ușor de detectat în imagine.

a b c

Figura 5.20. Tehnici de proiecție utilizate în scanerele triunghiulare.

a. punct; b. linie; c. sablon;

Pentru a evita utilizarea șabloanelor mecanice, au fost impuse unele modificări inovatoare. În loc de a muta/ roti emitentul laser pentru a acoperi întregul obiect, pot fi proiectate modele de puncte sau de linii, care acoperă întregul obiect dintr-o dată. Diferite modele sunt folosite regulat, variind de la linia de modele obișnuite (Figura 5.21) la modele codificate spațial care-și modulează frecvența sau faza în timp pentru a furniza o mai bună precizie. Aceste modele codificate spațial necesită ca scanarea să fie la un obiect static.

Figura 5.21. Proiecție de model obișnuit.

Scanerul laser 3D cu conoscopie holografică

Într-un sistem conoscopic, un fascicul laser este proiectat pe suprafață și apoi reflexia sa imediată de-a lungul aceleiași traiectorii este trecută printr-un cristal conoscopic și proiectată pe un CCD [41]. Rezultatul este o imagine de difracție, care poate fi analizata pentru a determina prin frecvența distanța până la suprafața măsurată. Principalul avantaj al scanerelor cu holografie conoscopică este faptul că doar o singură cale de raze este necesară pentru măsurare, oferind astfel o oportunitate de a măsura, de exemplu, adâncimea din o gaură filetată fin.

Scanerele 3D cu lumină structurată

Proiectarea unei benzi înguste de lumină pe o suprafață de formă tridimensională produce o linie de iluminare care apare distorsionată din alte perspective decât cea a proiectorului și poate fi folosita pentru o reconstrucție exactă geometrică a formei suprafeței (secțiunea lumină) – Figura 5.22. O metodă mai rapidă și mai versatila este proiecția de modele formate din mai multe benzi o dată, sau de franjuri arbitrare, deoarece aceasta permite achiziționarea mai multor probe simultan. Văzut din diferite puncte de vedere, modelul apare geometric denaturat datorită formei suprafața obiectului [41]. Deși multe alte variante de proiecție a luminii structurate sunt posibile, modelul cu dungi paralele este cel mai utilizat pe scară largă. Imaginea prezintă deformarea geometrică a unei singure benzi proiectate pe o suprafață simplă 3D. Deplasarea benzilor permite extragerea exactă a coordonatelor 3D ale oricăror detalii privind suprafața obiectului.

Figura 5.22. Principiul de functionare al scanerului 3D cu lumina structurata.

Au fost stabilite două metode principale de generare a modelului de dungi: interferențe cu laser și de proiecție. Metoda interferenței laser functioneaza cu doua fascicule laser plane. Interferența lor rezulta în modele obișnuite de linii echidistante. Dimensiunile diferitelor modele pot fi obținute prin modificarea unghiului dintre aceste fascicule laser. Metoda permite generarea exactă și ușoară a modelelor foarte fine cu adâncimea nelimitata de câmp. Dezavantajele sunt costul ridicat de implementare, dificultățile pe care le oferă geometria razei ideale, precum si efectele tipice ale laserului, cum ar fi zgomotul și posibilele interferențe cu raza laser reflectata de obiect. De obicei, nu există nici un motiv pentru a modula benzi individuale, cum ar fi cele pentru coduri Gray.

Aceasta metoda de proiecție foloseste lumina non-coerenta și practic funcționează ca un proiector video. Modele sunt generate de un ecran din proiector, de obicei un ecran cu cristale lichide (LCD) sau cu cristale lichide pe baza de siliciu (LCOS). În principal, dungile generate de proiectoare au discontinuități mici, din cauza granițelor pixelilor din display-uri. Limite suficient de mici, totuși, pot fi practic neglijate deoarece sunt uniformizate prin cea mai mică defocalizare. In general, un ansamblu de măsurare tipic constă dintr-un proiector bandă și cel puțin o camera video de mare rezolutie. Pentru multe aplicații, sunt totusi necesare două camere pe laturile opuse ale proiectorului. Rezoluția optică a acestei metode de proiecție depinde de lățimea benzilor utilizate și de calitatea lor optica. De asemenea, o limitare este lungimea de undă a luminii. O reducere extrema a lățimi de bandă se dovedește a fi ineficientă din cauza limitărilor de profunzime a câmpului, rezolutiei camerei foto și rezoluției de afișare. Deși mai multe modele trebuie luate pentru fiecare imagine în varianta cu lumină structurata, varianta aceasta ofera o viteza acceptabila de scanare putandu-se utiliza pentru o gama larga de aplicatii [41].

Scanerele 3D cu lumină modulate

Acestea proiectează o lumină în continuă schimbare pe subiect, de obicei, sursa de lumină pur și simplu fluctuează în amplitudine după un model sinusoidal. O cameră detectează lumina reflectată și dimensiunea modelului deplasat și astfel determină distanța parcursă de lumină. Lumina modulata permite, de asemenea, scanerului să ignore lumina provenită din alte surse decât sursa laser, astfel încât nu există nici o interferență [41].

Figura 5.23. Principiul de măsurare bazat pe fază

Scanerele obișnuite bazate pe fază (Figura 5.23) își modulează semnalul, utilizând modulația sinusoidală, modulație bazată pe amplitudine (AM) sau pe frecvență (FM), modulație polarizantă sau pseudo-zgomot. În cazul semnalului modulat sinusoidal, lumina reflectată este demodulată cu ajutorul a patru puncte model care sunt declanșate către unda emisă. Din cele patru măsurători, pot fi calculate c(τ0), c(τ1), c(τ2) și c(τ3), schimbul de fază ΔΦ, valoarea setată B și amplitudinea A:

(5.9)

(5.10)

(5.11)

Această diferență de fază poate fi pusă pe seama unei întârzieri de timp similară cu cea măsurată la scanerele bazate pe puls. Relația dintre diferența de fază (ΔΦ), frecvența de modulație (fmodulated) și întârzierea temporală (t), este:

(5.12)

Apoi, în funcție de ecuația de măsurare a distanței scanerului de tip timp-de-zbor, distanța până la țintă este dată de:

(5.13)

Din nou, numerele pot fi introduse pentru a obține o mai bună imagine în legătură cu aceste entități. Cu o frecvență de 10MHz și o rezoluție de etapei de 0,01 grade (nu prea dificil cu standardele electronice), obținem o rezoluție de aproximativ 0,5 mm.

Scanerele cu modulare continuă a razei dispun, de asemenea, de un interval maxim non-ambiguu, la fel ca sisteme puls timp-de-zbor. Pentru aceste sisteme gama este limitată la cea care cauzează o întârziere de fază la o undă cu ciclu complet. Ecuația pentru registrul maxim non-ambiguu într-un sistem cu undă continuă este dată de:

(5.14)

În exemplul de mai sus, intervalul este de circa 15m (frecvență 10MHz). Incertitudinea registrului de măsurare este proporțională cu zamb și invers proporțională cu rata semnalului zgomot (SNR). Pentru a ocoli inconveniența unui interval de ambiguitate de registru, trebuie folosită unda de frecvență multiplă în care ținta este localizată la o frecvență joasă (lungime de undă lungă) și apoi măsurătoarea precisă este făcută la o frecvență înaltă. Scanerele laser pe bază de fază (Figura 5.24) de ultimă generație, 2 sau chiar 3 unde cu lungimi diferite sunt supra-impuse. Cea mai lungă lungime de undă definește unicitatea registrului, iar cea mai scurtă lungime de undă definește precizia care se poate obține. La modul general, scanerele bazate pe fază au viteze mai mari și o rezoluție mai bună dar mai puțina precizie decât scanerele de tip timp-de-zbor [39].

În general, acuratețea unui scaner bazat pe fază este limitată de:

Frecvența semnalului sau a modulației;

Acuratețea repetiției măsurătorii de fază în funcție de forța semnalului, de zgomot;

Stabilitatea oscilatorului de modulație;

Turbulența din aer prin care se face măsurătoarea;

Variațiile în indexul refracției aerului.

Figura 5.24. Reprezentare schematică a două lungimi de undă de modulare

și o undă de carieră pentru registrul laser bazat pe fază.

Figura 5.25. Scanere laser bazate pe fază.

a. Kreon Zephyr KZ25; b. CMS 106; c. Nikon XC65D.

Datorită preciziei înalte de care dau dovadă, unele dintre cele mai utilizate scanere în laboratoarele de metrologie din industrie și cercetare sunt următoarele: scanerul laser Kreon Zephyr KZ 25 (Figura 5.25), scanerul laser CMS 106, scanerul laser Nikon XC65D, scanerul laser Nikon LC 15, scanerele laser Nikon LC 50 și Nikon LC 60 DX.

CAPITOLUL 6 . CALCULUL IN CONCEPTIE ORIGINALA A ERORILOR DIMENSIONALE A ECHIPAMENTELOR MECATRONICE DE CONTROL INTELIGENT INTEGRAT 3D

6.1. Erorile de măsurare și precizia de măsurare

În științele inginerești, metodele folosite la măsurarea parametrilor (mărimi fizice, mecanice sau chimice) sunt în general precise. Totuși, în timpul măsurătorilor pot interveni diferiți factori perturbatori care generează apariția erorilor de măsurare [42]. Pentru determinarea mărimilor fizice, mecanice sau chimice se folosesc instrumente de măsură, care au o anumită precizie. Nici o măsurătoare nu este absolută. Măsurând de mai multe ori aceeași mărime fizică, de exemplu, în aceleași condiții, cu aceleași mijloace, se poate observa că rezultatele obținute sunt diferite. Diferențele ce apar depind de construcția instrumentelor de măsură, de observator, sau de alți factori perturbatori. Acuratețea unui experiment arata cât de aproape este rezultatul măsurătorii de valoarea adevărată. Prin urmare, acuratețea este o măsură a corectitudinii rezultatelor obținute prin măsurare și prin calcul. Precizia unui experiment este o măsură a exactității determinării rezultatelor. Procedurile de observare statistică în analiza fenomenelor și proceselor pot fi afectate de erori. Prelucrarea statistică a datelor experimentale prin calculele matematice ce urmează a fi efectuate cu datele respective, contribuie cu o anumită cantitate de erori. De aceea, specialiștii știu că atât erorile de observare statistică cât și cele de calcul, vor afecta rezultatele obținute din prelucrarea și interpretarea datelor experimentale.

Erorile se clasifica în două mari categorii (Figura 6.1):

Figura 6.1. Tipuri de erori.

a) Erori experimentale – efectuarea măsurătorilor poate produce erori care au aceeași mărime când procesul de măsurare se efectuează în condiții identice, sau erori care au mărimi variabile, variația acestora fiind supusă unei anumite legi de variație. Erorile de măsurare se clasifica în:

(a1) Erori grosolane (greșeli): pot proveni din aplicarea unor metode de calcul inexacte, din citiri eronate, din neatenția sau lipsa de instruire a personalului. Aceste erori trebuie eliminate și refăcute măsurătorile;

(a2) Erori sistematice: pot proveni din cauza unor caracteristici constructive ale aparatelor, incorectei etalonări sau uzurii; pot fi erori produse de metoda de măsurare sau erori produse de factori externi (erori de influență), deosebit de greu de evaluat prin calcule, deoarece nu întotdeauna pot fi cunoscute cauzele și legile de variație în timp a condițiilor de mediu (temperatura, presiunea, umiditatea, câmpuri magnetice, radiații, etc.);

(a3) Erori aleatoare (accidentale, întâmplătoare): pot proveni ca urmare a diversității proceselor și fenomenelor precum și a interacțiunilor experimentului cu alte procese și fenomene ce se desfășoară simultan; nu este posibilă depistarea și înlăturarea lor, efectul global fiind producerea unor erori aleatorii inevitabile ce nu pot fi înlăturate din rezultatele măsurătorilor.

b) Erori de calcul numeric – interpretarea matematică a datelor reprezintă totalitatea operațiilor matematice ce trebuie efectuate pentru obținerea unui anumit rezultat, în vederea căruia au fost efectuate măsurările respective. În timpul efectuării acestor calcule, pot interveni anumite erori ce se vor adăuga la erorile experimentale și, astfel, valoarea măsurată să se abată și mai mult față de mărimea adevărată. Se disting următoarele categorii de erori de calcul:

(b1) Erori inerente: pot proveni ca urmare a folosirii aproximative a unor valori provenite din măsurători, a utilizării în calcule a numerelor iraționale (π, e, 2) sau ca urmare a calculelor aproximative (serii numerice) oferite de calculatoarele numerice. Trebuie specificat faptul că multe valori ale unor funcții obișnuite (sin, cos, lg, etc.) sunt obținute prin calculul aproximativ al valorii unor serii numerice;

(b2) Erori de metoda: analiza și interpretarea datelor experimentale depind de experiența specialiștilor care efectuează prelucrarea datelor experimentale. Matematica și în special analiza numerică oferă o multitudine de metode și tehnici de rezolvare a problemelor în acest caz; unele din aceste metode sunt mai eficiente sau nu pentru un anumit caz, de aceea, alegerea metodei este foarte importantă pentru rezultatul final care se dorește a fi obținut cu o anumită eroare de aproximare. De remarcat este faptul că determinarea soluțiilor se realizează prin procese iterative, numărul de iterații determinând eroarea de aproximare;

(b3) Erori de rotunjire: aceste erori sunt inevitabile deoarece depind de posibilitățile limitate de reprezentare a numerelor în memoria calculatoarele numerice. Orice calculator, indiferent cât de performant este construit, poate reprezenta numerele cu un număr redus de cifre semnificative, depinzând de lungimea cuvântului de memorie (numărul de biți: 32 sau 46) utilizat la stocarea unui număr; calculatoarele actuale oferă calcule pentru numerele reale cu maxim 7 cifre semnificative în simpla precizie, și cu maxim 15 cifre semnificative în dubla precizie.

(b4) Eroarea reală este definită ca diferența dintre valoarea reală (corectă) a unei mărimi y și valoarea măsurată (aproximativă) y' a mărimii, adică Δy = y – y'. În cazul în care y' < y, mărimea respectivă este aproximata prin lipsa, altfel aproximația este prin exces sau adaos.

(b5) Eroarea absolută – uneori nu se cunoaște semnul erorii y y y', de aceea se folosește noțiunea de eroare absolută care este definită prin relația y |y y'|.

(b6) Eroarea relativă se definește că raportul dintre eroarea absolută și valoarea absolută a mărimii exacte, adică

(6.1)

Eroarea relativă se poate exprima și în procente, adică:

(6.2)

(b7) Eroarea absolută limita – în cazul în care valoarea mărimii y nu este cunoscută, se introduce noțiunea de eroare absoluta limita εy corespunzătoare valorii aproximative y' ; valoarea acestei erori reprezintă cel mai mic număr pozitiv care conține una sau mai multe cifre semnificative, ales în așa fel încât să putem fi siguri că eroarea absolută comisă, în cazul respectiv, nu depășește acest număr. Prin urmare avem următoarea relație:

Δy =│y – y’‌│≤ εy , adica y’ – εy ≤ y ≤ y’ + εy (6.3)

ceea ce inseamna ca valoarea y este aproximata prin lipsa, respectiv adoaos.

(b8) Incertitudine de măsurare reprezintă intervalul în care se estimează, cu o anumită probabilitate, că se afla valoarea adevărată a mărimii y (Figura 6.2).

Figura 6.2. Erori de măsurare

(b9) Eroarea convențională – În realitate valoarea adevărată a unei mărimi nu poate fi cunoscută, de aceea este necesar să se adopte o valoare de referință, care are un caracter convențional. Se definește astfel eroarea convențională ca diferența dintre valoarea măsurată și valoarea de referință yconv adica Δyconv = yconv – y’.

Deoarece orice măsurare este afectată de eroare, valoarea măsurată fiind diferită de valoarea adevărată a mărimii, precizia este caracteristica metrologică a unei măsurări ce exprimă calitatea acesteia în ceea ce privește gradul de afectare a rezultatelor măsurării cu erori de măsurare. Precizia și eroarea constituie un cuplu dicotomic [43]. Precizia ridicată corespunde unei erori mici, respectiv precizia scăzută unei erori mari. Cantitativ, precizia este descrisă de eroare. Pentru estimarea erorii limită de măsurare s-a introdus noțiunea de clasă de precizie. Clasa de precizie reprezintă ansamblul mijloacelor electrice de măsurare a căror precizie, calculată cu aceeași formulă, este caracterizată prin același număr, precum și printr-un ansamblu de proprietăți metrologice specificate prin norme internaționale sau standarde de stat. În general erorile de măsurare în cazul măsurătorilor 3D sunt o sumă a erorilor aparatului de măsurare tridimensională, a softului de măsurare și digitizare precum și a operatorului.

Precizia reprezinta diferența dintre valoarea măsurată și valoarea “adevărată”, valoarea “adevărată” fiind valoarea obținută prin compararea cu un standard primar. Precizia se determină prin calibrare. Precizia unui experiment este, în același timp, o măsură a reproductibilității rezultatului. Precizia absolută indica mărimea incertitudinii rezultatului, în aceleași unități ca și acesta. Precizia relativă indica incertitudinea sub forma unei fracțiuni din valoarea rezultatului [42].

(b10) Repetabilitatea este măsurarea erorilor aleatorii. Se mai numește și eroarea repetabilității (Figura 6.3).

Figura 6.3. Variații aleatorii de la linia ideală indică o eroare de repetabilitate.

(b11) Eroare de repetabilitate: raport, exprimat în procente, între diferența dintre indicația maximă și indicația minimă a mijlocului de măsurare, obținute la măsurarea repetată în aceleași condiții de măsurare și limita superioară a domeniului nominal de măsurare.

Observatie : Etalon – un mijloc de măsurare care servește la definirea, realizarea, reproducerea sau conservarea unității de măsură a unei mărimi în scopul transmiterii unității de măsura altor mijloace de măsurare.

6.2. Tehnologia de măsurat în coordonate

Comparativ cu dezvoltarea rapida a mașinilor unelte cu comanda numerica, tehnica de măsurare a rămas mult în urmă până acum câțiva ani în ceea ce privește:

– automatizarea;

– raportul timp de măsurare-timp de fabricație;

– evaluarea pe loc a geometriei piesei;

– cerința de control complex a piesei.

Tehnologia de măsurat în coordonate (TMC), pe bază de calculator dezvoltată în ultimii ani a oferit o cale de ieșire din acest impas.

Principalele componente ale unei tehnologii de măsurat în coordonate sunt:

– mașina de măsurat în trei coordonate (MMC), cu sistem de măsurare digital și, pentru mărirea productivității, unitate numerică automată de control;

– calculator cu conexiune on-line pentru evaluarea datelor măsurate și pentru controlul numeric al mașinii de măsurat;

– pachete software pentru programe de evaluare și control a pieselor.

Structura centrului de măsurat în coordonate, în dialog cu operatorul uman este prezentată în figura 6.4.

Figura 6.4. Structura centru de masurare

6.2.1. Principiul de bază al TMC

Baza TMC o formează măsurarea indirectă a piesei sub forma unei succesiuni de puncte arbitrar alese pe configurația acesteia. În continuare se construiește, prin programul din calculator, din aceste puncte arbitrare, un model piesă digital din elemente de formă, față de care pot fi calculate toate abaterile de poziție, de formă și dimensiune. Determinarea elementelor de formă reprezentative, chiar complicate, cu multe condiții secundare, se face utilizând algoritmi de compensare eficienți. Principalele elemente de formă individuale, exprimate ca ecuații matematice de suprafață sunt: punctul, linia dreaptă, cercul, planul, cilindrul, conul, sfera, evolventa.

Principalele domenii de utilizare sunt:

– dezvoltarea produselor – măsurarea și evaluarea pieselor cu grad ridicat de complexitate;

– dezvoltarea tehnologică – analiza cuprinzătoare a abaterilor care apar în procesul de producție; optimizarea parametrilor tehnici în ceea ce privește geometria piesei;

– în procesul de producție propriu-zis – verificarea individuală a pieselor de control mostră; control de serie pe mașini de măsurat în coordonate sau pe mașini de măsurat integrate procesului de producție;

– în controlul și supravegherea mijloacelor de producție în ceea ce privește regimul de funcționare, uzura, etc.

Pentru a mări productivitatea prin posibilitatea de așezare a piesei pe masa mașinii în orice poziție, precum și pentru a putea schimba poziția piesei în timpul măsurării în vederea unui control multilateral, se utilizează programe de trecere din sistemul de coordonate mașină (XM, YM, ZM), în sisteme de coordonate piesă, auxiliare (XW, YW, ZW) (figura 6.5).

Figura. 6.5. Trecerea din sistemul de coordonate masina in sistemul de coordonate piesa.

Sistemele de coordonate proprii corpurilor pentru comparația nominal – real sunt definite prin elemente formale de referință. Abaterile de dimensiune și poziție care apar la aceste elemente formale se transpun în mod fals asupra întregii piese și pot duce chiar la deplasări de toleranță. Această dependență poate fi evitată printr-o optimizare cu funcția φi = Li2 / Ti (Li – abaterea de poziție, Ti – toleranța).

Prin introducerea celei de-a patra coordonate φ , materializată printr-o masă divizoare de precizie și prin folosirea limbajelor de programare orientate pe problemă, sunt lărgite considerabil posibilitățile de întrebuințare a MMC, pentru:

măsurarea abaterilor de la profilul evolventei și de la înclinarea danturii la roțile dințate;

măsurarea suprafețelor elicoidale: melci, rotoare, filete;

măsurarea camelor disc, etc.

Utilizarea TMC pe bază de calculator la verificarea filetelor permite o economie de timp de circa 90%. Se pot controla filete cilindrice sau conice, interioare sau exterioare, cu profil simetric sau asimetric. Se evaluează: diametrul flancului mediu, pasul mediu, unghiul conului, unghiul flancului, abaterea de pas, abaterea de la coaxialitate, etc.

Principiul de bază al constructiei cu elemente interschimbabile este legea lui Taylor. Calibrarea, ca simulare – calibrare, pentru verificarea împerecherii roților dințate, poate fi realizată simplu cu ajutorul TMC, construind prin tehnica de programare profilul de împerechere ideal ca formă și dimensiune. Drept calibrare, pentru simulare, pot fi utilizate nu numai contracalibre ideale ci și contrapiese reale.

Pentru a evita probarea pieselor individuale într-un montaj final, acestea putând fi de exemplu, prea grele, se utilizează simularea montajului. Prin construirea unor sisteme de coordonate adecvate, pentru fiecare piesă individuală și transformarea prin calcul intern într-un sistem de coordonate comun, pot fi simulate informații despre poziția inițială, finală și nominal-reală, precum și combinații arbitrare de piese individuale.

Prin TMC pot fi calculate fără dificultate, pentru toleranțe ≥ 5μm, la un număr de puncte de măsurare corespunzător de mare, nu numai abateri de formă a diferitelor elemente componente, precum linia dreaptă, cerc, plan, cilindru, sferă, con, evolventă și linie elicoidală, ci și profile generale compuse din acestea.

6.2.2. Propagarea erorilor de măsurare

Informațiile de până acum pentru măsurările prin TMC s-au limitat, în general, la determinarea impreciziei totale active UG la palparea unui punct de măsurare, care rezultă din erorile MMC, a palpatorului și a piesei. În final prezintă interes imprecizii care rezultă pentru fiecare fază de calcul, precum operații de comprimare, transformare, îmbinare și evaluare pentru cotele de lungime și unghi. Se indică sistemul de calcul și algoritmii necesari pentru propagarea erorilor, pentru mărimile corelate xi și yj.

(6.4)

unde: y = y (x1…….xi, xj……..xn) – funcția de corelație

ρij – coeficient de corelație între xi și xj

f – eroare sistematică nesesizată

Au fost elaborate, de asemenea, sisteme program pentru evaluarea domeniilor de încredere individuale ale elementelor de formă și impreciziilor de măsurare care rezultă pentru lungimi și unghiuri, care sunt apoi înregistrate.

6.3. Erorile tehnologiei de măsurat în coordonate

Rezultatele unei măsurători sunt întotdeauna influențate de acțiunea unuia sau mai multor factori perturbatori, pentru tehnologia de măsurat în coordonate; aceste influențe sunt grupate ca în figura 6.6.

Imprecizia unei tehnologii de măsurat în coordonate este determinată de:

Erori ale mașinii de măsurat în coordonate;

Erori ale palpatorului;

Erori datorate metodologiei de măsurare;

Erori de palpare (abateri de formă și rugozitatea piesei);

Erori datorate algoritmului de calcul și calculatorului.

Pentru măsurători de înaltă precizie, mediul ambiant, în special temperatura, pune probleme deosebite. Centrul de măsurat reacționează la variații de temperatură [43].

Figura 6.6. Gruparea influentelor pentru TCM.

Erori la măsurare sunt generate și de diferențele de temperatură dintre mașina de măsurat și piesa care măsoară, datorită capacităților termice diferite și a geometriei diferențiale a masei mari. De exemplu, diferența de temperatură dintre mașină și piesă, care normal nu se iau în considerare (1/2°C), duce la o eroare totală mai mare decât toleranța mașinii.

Piesa de măsurat poate influența precizia TMC prin:

stabilitatea pe masa mașinii de măsurat, legată de modul de fixare;

diferențe de secțiune, care pot provoca deformații nedorite;

modul de distribuire al greutății, legat de configurația piesei;

calitatea prelucrării piesei;

abaterile de formă și poziție ale elementelor de formă care intră în configurația piesei.

Abaterile de poziție influențează negativ precizia de măsurare a TMC. În figura 6.7a este prezentată o piesă dimensională și tolerată de proiectant în mod uzual și conform cu necesitățile tehnologului, în procesul de fabricație. Dacă această piesă este controlată pe mașina de măsurat în coordonate, configurația marginală este palpată și calculată din puncte de măsurare contur intern-extern, centru și rază. În urma suprapunerii deviațiilor de formă, poziție și a tuturor erorilor de măsurare ale TMC, piesa reconstruită arată ca în figura 6.7b.

a b

Figura 6.7. Piesa controlata cu MMC.

Punctul de centru, care este și punct de referință pentru dimensionare și tolerare, presupus inițial fix, practic nu mai există. Pentru a vedea ordinul de mărime al erorii de evaluare, se consideră piesa din figura 6.8a. Deviațiile admisibile de la poziția nominală pot fi tolerate de tehnolog direct ca în figura 6.8b, cu 0,2 mm, sau indirect prin rază și unghi, figura 8a. Se presupune că găurile se deplasează conform figurii 6.8c, menținând unghiul, o dată spre exterior și o dată spre interior cu 0,2 mm, la limita de toleranță Ti de la Pi la Qi.

Dacă piesa este controlată pe MMC, calculatorul, pe baza geometriei analizei analitice, calculează centrul QM, din cele trei găuri Qi deplasate cu 0,2 mm care nu corespunde cu punctul PM, centrul fix de pe desen. Din această cauză, raza și unghiul se modifică împreună (figura 6.9) în dependență cu unghiul, atât de puternic, încât piesa, după expresia calculatorului este definită ca rebut, deși este în câmpul de toleranță. În figura 6.9 sunt prezentate grafic erorile calculate în comparație cu toleranța (piesele sunt în câmpul de toleranță).

Figura 6.8. Tolerare deviatii admisibile. Figura 6.9. Calculul erorilor.

Deci, pentru a evita erorile care apar prin utilizarea formală a geometriei analitice, la elaborarea programului de control se va ține cont de geometria de asociere, pe două căi:

simularea asocierii cu profilul fără erori al piesei care se controlează, memorat de calculator;

compensarea geometriei reale, în funcție de geometria nominală, după metoda celor mai mici pătrate.

Asupra preciziei de măsurare cu TMC au influență negativă și abaterile de formă și rugozitate. Profilul suprafeței controlate este filtrat mecanic cu sfera palpatorului. Suprafața de măsurare poate fi deci privită ca o funcție statică bidimensională, Z = Z (x,y). Parametrii care caracterizează funcția statistică sunt dispersia, funcția de autocorelare și funcția de corelare transversală. Abaterile de poziție influențează negativ precizia de măsurare tridimensională [43].

Dispersia și funcțiile de corelație ale unei suprafețe de măsurat sunt dependente de raza sferei de palpare. De exemplu, imprecizia unei drepte din mai multe puncte de măsurare (xi, zi), definită prin ecuația Z = a + b (x – x0) este determinată de imprecizia parametrilor a și b:

(6.5)

(6.6)

Din analiza câtorva exemple de măsurare, se poate trage concluzia că simpla teorie a erorilor nu este suficientă pentru calcularea impreciziei de măsurare cauzată de deviațiile de formă și poziție în urma corelației între punctele de măsurare, de aceea este necesara o alta abordare.

6.4. Erorile dispozitivelor de măsurat în trei coordonate

Se vor defini erorile unei mașinii de măsurat în trei coordonate, privită ca un ansamblu geometric cu elemente în mișcare, pe de o parte, iar pe de altă parte, ca un sistem spațial [44].

6.4.1. Componentele de eroare geometrică

Mașina de măsurat în trei coordonate, privită ca ansamblu spațial format din 3 ghidaje rectangulare, pe care se deplasează măsurabil trei sănii, are 21 de componente de eroare geometrică. În figura 6.10 este prezentat sugestiv, pe o schiță a unei MMC tip consolă, cele 21 componente de eroare.

Figura 6.10. Masina de masurat in coordonate (MMC) tip consola – 21 componente de eroare.

6.4.2. Erorile de poziție

Erorile de poziție sunt notate, pentru fiecare axă, cu ex, ey, ez, eroarea de poziție se definește ca diferența între poziția afișată de MMC și cea determinată de o măsură etalon, când palpatorul este deplasat pe o direcție, de la un punct de referință, la orice alt punct (figura 6.11).

a b

Figura 6.11. Eroare de pozitie.

Cauzele erorii de poziție sunt: abaterile de la rectiliniaritatea deplasării sau perpendicularitatea axelor, erorile unghiulare de ruliu sau tangaj, eroarea datorată nerespectării principiului comparatorului Abbe, erori ale sistemului de măsurat, erori de histerezis și cursă moartă, erori întâmplătoare [44]. Definiția data ca fiind eroarea la deplasarea după linia dreaptă, constând în erori liniare ale scalei sistemului de poziționare este evident, incompletă. Pentru a reduce complexitatea calculului, eroarea de poziție este definită și calculată ca eroare liniară (Ex: Exx= kx).

După modul de determinare, eroarea de poziție este denumită eroare de bază și calculată cu relația: e = ± (k1+ k2L), unde k1 și k2 sunt impuși de Institutul Național de Metrologie București, in funcție de clasa de precizie a MMC.

Regulamentul VDI/VDE din Germania prevede, pentru evaluarea erorii de poziție, un model de imprecizie a poziției în formă de trompetă, figura 6.12, care se calculează cu relația:

P = k1+ L/k2 (6.7)

Unde:

k1 și k2 – sunt indicați de producător.

Figura 6.12. Eroarea de pozitie pentru masina tip UPMC 500:1,5+L/300.

Diagrama erorii de poziție măsurate se interpretează funcție de imprecizie, astfel încât cel puțin 95% din erorile de poziție individuale să se încadreze în limitele specificate.

6.4.3. Erori de la rectiliniaritatea deplasărilor

Eroarea de la rectiliniaritatea deplasarilor reprezintă distanța maximă dintre profilul efectiv obținut prin măsurare și dreapta adiacentă. În figura 6.10, erorile de la rectiliniaritate sunt notate: hxy, hyz, hzy, în care hxy se consideră rectiliniaritatea deplasării saniei pe axa x, măsurată pe direcția y, etc. În literatura se indică două metode de verificare a rectiliniarității deplasării săniilor: cu ajutorul unei rigle pentru verificarea rectiliniarității (etalon c1.I și accesorii aferente), sau cu ajutorul unui autocolimator cu valoare divizoare de 0,25". Valorile măsurate nu trebuie să depășească abaterile tolerate (indicate în funcție de clasa de precizie). În afară de metoda cu riglă etalon, se specifică faptul că interferometrul cu laser, conjugat cu MMC, computerul și plotterul, permite verificarea complet automată a rectiliniarității.

6.4.4. Erorile unghiulare

Erorile unghiulare pot fi definite ca rotații ale ghidajelor mașinii de măsurat datorate deplasării săniilor pe o direcție, în intervalul de măsurare. În literatura de specialitate sunt denumite mișcări de rulare, de tangaj și de derivă, în analogie cu mișcările unei nave pe valuri, sugestiv prezentate în figura 6.13 si tabelul 6.1.

Figura 6.13. Eroarea unghiulara.

Tabel 6.1. Reprezentare erori unghiulare

Măsurarea lor se face în secunde de arc. Firma Zeiss-Opton din Germania utilizează următoarele procedee pentru verificarea unghiurilor de tangaj și de derivă:

– etaloane de referință pentru liniaritate, cu doua traductoare inductive racordate diferențial;

– lunetă autocolimatoare;

– interferometru cu laser;

– nivelă electronică.

În România aceste erori nu sunt definite și tolerate. Se poate considera că măsurarea erorilor unghiulare în norma românească de verificare a MMC, neprevăzută, se poate lua în considerare, deoarece informații sigure asupra erorilor de poziție, de exemplu pe direcția X, de-a lungul unei linii de măsurare arbitrare se pot obține numai dacă s-a determinat eroarea de poziție de-a lungul unei linii specifice și dacă, în plus, au fost măsurate erorile unghiulare tx și dy.

Cunoașterea, prin verificare, a erorilor unghiulare, prezintă interes practic pentru constructorul de mașini de măsurat, deoarece acestea reprezintă o măsură a cedărilor dinamice a structurilor acesteia.

6.4.5. Erori de la perpendicularitatea deplasării

Erorile de la perpendicularitatea deplasării pot fi definite ca deviații ale saniei mașinii de la 90°, măsurate într-un plan din sistemul de măsurare. Aceste erori sunt simbolizate, raportat la planele triedrului de referință, prin xy, yz și zx. Ele sunt măsurate și tolerate, în general, de toți producătorii de MMC.

Metodele de măsurare indicate sunt (fiind de preferat prima metoda):

– etalon de referință unghiular;

– interferometrucu laser cu pentaprismă.

6.4.6. Eroarea planară

Eroarea planară apare la deplasarea unei sănii într-un plan, deplasare care se face paralel cu două axe de coordonate. Ca mărime, se poate exprima prin diametrul unui cerc, situat în planul de măsurare, centrat în poziția nominală a punctului deplasat și a cărui circumferință trece prin poziția reală a punctului, figura 6.14.

Figura 6.14. Eroarea planara.

Eroarea planară este suma a 11 componente de eroare, 5 pe axa x (cu excepția erorii de la liniaritate într-un plan perpendicular pe planul XOY), 5 pe axa y și eroarea de la perpendicularitate a axelor X și Y.

6.4.7. Eroarea volumetrică

Eroarea volumetrică apare la deplasarea pe cele 3 axe ortogonale, în volumul de măsurare. Ca mărime, eroarea volumetrică este egală cu diametrul unei sfere, centrată în poziția nominală a punctului deplasat în spațiu, a cărei suprafață trece prin poziția reală a punctului (figura 6.15).

Figura 6.15. Eroarea volumetrica.

Eroarea volumetrică cumulează influența celor 21 de componente de eroare geometrică. Unii producători de MMC-uri indică valoarea erorii volumetrice, alții nu. Se poate considera o lipsă a normei metrologice de verificare a MMC în România, faptul că nu se indică eroarea volumetrică a MMC.

6.5. Stadiul actual al metodelor de determinare a erorilor mașinilor inteligente de măsurat în coordonate

Numărul mare al componentelor de eroare ale MMC și dispunerea lor nu au permis elaborarea unei metodologii unitare privind determinarea, deși există metode și preocupări la majoritatea producătorilor de MMC-uri. Dificultăți în acest sens au apărut și pentru că această problematică poate fi considerată din puncte de vedere diferite: al producătorului, al beneficiarului sau al metrologiei de stat.

La “Conferința asupra tehnicii de măsurare în coordonate multiple”, care a avut loc la Duisburg în 1980, au ieșit în evidență tendințele diferite privind determinarea erorilor MMC. Astfel:

– Brinkmann R. (Stuttgart) a indicat ca aparate de control al erorilor: interferometre cu laser; cale plan paralele; cale unghiulare. A insistat ca la calculul erorii de poziționare să se exploreze 10 puncte de control la distanțe diferite, criticând linia directoare VDI/DGQ 3441 din Germania, la care calculul se efectuează numai din 5 măsurători, ceea ce asigură o siguranță statistică de 99,7%.

– Schssluer H.H. (Stuttgart) a propus corpurile de control pentru recepția și controlul MMC. A prezentat experimentările făcute cu un corp de control de formă paralelipipedică (500 x 300 x 300) mm3, în care au fost prelucrate liniale și bucșe de precizie.

– Breyer K.H. (Darmstadt) a propus un procedeu de măsurare cu cale plan paralele, dispuse în volumul de măsurare pe 7 linii de măsurare; de-a lungul a trei axe de coordonate, pe trei diagonale aflate în planele formate de axele de coordonate și pe o diagonală care trece prin originea coordonatelor.

– Bombach M. (Aachen) consideră că, deoarece pentru recepția și supravegherea unei mașini unelte există o multitudine de procedee, ar fi de dorit să se evite o muncă dublă și să se ia ca referință metodicile existente în acest sens. Se poate exemplifica metodologia de control propusă de Institutul de Mașini Unelte ETH din Zurich Elvetia.

Firma Ferranti din Anglia recomandă o metodă pentru testarea completă a mașinii de măsurat. Din multitudinea metodelor existente, caracteristice fiecărei firme constructoare, se trage concluzia că nu este încă pusă la punct o metodologie unitară de verificare a mașinilor de măsurat în coordonate.

6.6. Concepte de metodologii de control propusă

6.6.1. Concept varianta 1

Metodologia de control este elaborată considerându-se cele 21 componente de eroare geometrica ale mașinii de măsurat în 3 coordonate și are ca scop determinarea erorilor: de poziție, de deplasare, planara și geometrica. Rezumatul măsurătorilor cerute și echipamentul de control utilizat pentru calibrarea completă a mașinii de măsurat sunt prezentate în tabelul 6.2.

Tabel 6.2. Masuratori cerute si echipamentul de control utilizat pentru calibrarea completa a MMC.

a) Calculul erorii de deplasare

Pentru orice deplasare S, eroarea de poziție este:

PE = PE (S) 30 (6.8)

Eroarea de deplasare între oricare două puncte A și B este:

PE = (PEA – PEB) (6.9)

Iar eroarea maximă de deplasare rezultă:

PE = (PEmax – PEmin) (6.10)

b) Calculul erorii planare

Considerându-se un plan XOY si deplasarea de la un punct de referință O, la un punct oarecare A, figura 6.16a, eroarea planară se calculează cu relația:

(6.11)

unde,

PEXA = PEX1 + PEX2 = + (1x – 1x) (6.12)

PEZA = PEZ1 + PEZ2 = (6.13)

θxz = NOExz + γx + γz, (6.14)

în care NOExz este abaterea măsurată de la perpendicularitate a celor două axe, γx este deriva axei X, iar γz deriva axei Z, ambele erori unghiulare, măsurate. Se consideră că palpatorul mașinii se deplasează în punctul B, deci se introduc erori suplimentare. Erorile totale, datorate deplasării palpatorului din punctul O în punctul B, figura 6.16b, sunt PEXB și PEZB, calculate ca mai sus.

Figura 6.16. Eroarea planara.

Eroarea planară între 2 puncte rezultă:

ΔPAB = (6.15)

Se propune măsurarea erorilor geometrice de-a lungul unui număr de axe pe fiecare direcție sub forma unei rețele; apare o eroare planară maximă posibilă. De exemplu, se alege maximul dintre ΔPAB1 și ΔPAB2:

ΔPAB1 = (6.16)

ΔPAB2 = (6.17)

Abaterile de la rectiliniaritatea deplasării se calculează conform cu figura 6.17.

Figura 6.17. Abaterea de la rectiliniaritate.

Abaterea măsurată de la rectiliniaritate este egală cu abaterea reală de la rectiliniaritate la care se adaugă erorile de poziție datorate devierilor unghiulare și erorile de poziție, datorate efectului Abbe.

Deci:

Ez real = Ezmăsurat – (PEz3 + PEz4) (6.18)

Respectiv

Ex real = Exmăsurat – (PEx3 + PEx4) (6.19)

c) Calculul erorii volumetrice

Se consideră un punct A, la distanțele lx, ly și lz de punctul de origine O (figura 6.18a). Eroarea volumetrică se calculează cu formula:

ΔvA = , (6.20)

în care:

(6.21)

unde,

θxz = NOExz + αy + γx + γz (6.22)

θxy = NOExy + αz + βx + βy (6.23)

in care,

(6.24)

unde,

θyz = NOEyz + αx + γy + βz (6.25)

in care,

(6.26)

Notațiile α, β și γ s-au folosit pentru erorile de ruliu, tangaj și derivă, pe direcțiile x, y și z.

Dacă palpatorul se deplasează într-un alt punct, B, în sistem se introduc noi erori. Eroarea volumetrică față de “O” a punctului B (figura 6.18b) se calculează cu relația:

ΔvB= (6.27)

iar eroarea volumetrică între două puncte oarecare A și B devine:

ΔvAB= (6.28)

Măsurându-se erorile geometrice pentru fiecare punct din nodurile unei rețele spațiale, se poate determina eroarea volumetrică maximă posibilă, cu relațiile:

ΔvAB1= (6.29)

ΔvAB2= (6.30)

ΔvAB3= (6.31)

În continuare se determină abaterile de la rectiliniaritatea mișcărilor pe cele trei axe, utilizându-se legea: abaterea măsurată de la rectiliniaritatea mișcării (pe o direcție) este egală cu abaterea reală de la rectiliniaritate, adiționându-se erorile unghiulare pe celelalte două direcții (PEy7) și erorile de poziție datorate nerespectării principiului Abbe, (PEy8).

Metoda recomandă adăugarea la erorile determinate ca mai sus, erorile de justețe și de repetabilitate, direct.

Figura 6.18. Calculul erorii volumetrice.

6.6.2. Concept varianta 2

Sunt indicate două metode:

determinarea componentelor de eroare și introducerea lor în relația de calcul pentru eroarea volumetrică;

stabilirea directă a erorii cu ajutorul unui etalon de verificare.

Într-un punct P(XP, YP, ZP) eroarea volumetrică v se calculează:

v= (6.32)

unde:

vx = Ex + Lzx + QyxYp + QzxZp (6.33)

vy = Ey + Lxy + Lzy + QzyZp (6.34)

vz = Ez + Lxz + Lyz (6.35)

în care:

E – reprezintă erorile de justețe

L – abaterile de la rectiliniaritatea deplasărilor

Q – abaterile de la perpendicularitatea axelor.

Se pot utiliza și unele relații pe care firma le-a determinat experimental. Deși nu au justificare teoretică, rezultatele obținute au fost mai apropiate de realitate decât în varianta anterioară. Aceste relații sunt:

vx = (6.36)

vy = (6.37)

vz = (6.38)

Practic, metoda este anevoiasă, fiind necesar un mare număr de măsurători pentru a defini suficient pe v. Cu toate acestea cea mai mare dificultate nu o constituie timpul afectat măsurătorilor, ci obținerea de măsurători fidele datorită condițiilor de mediu, care în industrie variază și în timp și în spațiu, mai ales că măsurările se referă la același zero absolut.

Metoda de masurare directa a erorilor volumetrice propusă constă în utilizarea unor etaloane de diferite forme:

Bară cu sferă la fiecare capăt;

Cadru triunghiular cu sfere la colțuri;

Cadru spațial în formă de tetraedru.

Avantajele generale ale cadrelor (triunghiulare sau tetraedrale) constau în:

– rigiditate ridicată;

– insensibilitate la mici deformații de încovoiere;

– oferă o informație cuprinzătoare, ceea ce permite și determinarea erorii liniare, planare și volumetrice (mai ales etalonul tetraedral).

Se defineste ca eroare volumetrică și considerată drept criteriu de calcul acea eroare volumetrică minimă. Referitor la materialele utilizate, care conferă avantajul unor dilatări minime la variații de temperatură mici (în jurul temperaturii la 20°C) sunt propuse:

– fibra de carbon, pentru bare;

– oțel aliat tratat termic și stabilizat sau carbură de tungsten sinterizată pentru bile.

6.6.3. Concept varianta 3

Se utilizează metoda simplificată de determinare e erorii volumetrice a mașinii de măsurat în 3 coordonate, prin calibrarea cu cele plan paralele pe fiecare axă. Măsurând o lungime cu o mașină de măsurat se obține expresia:

Y1= t+ 1 (6.39)

Presupunându-se că se trece de la Y1 la Y2 prin intermediul unei cale plan paralele de valoare M și eroare 0 se obține:

Y2= (t + M0 + 0) + 2 (6.40)

Eliminându-se t și omițând erorile de ordin superior se exprimă valoarea M0 prin relația:

(6.41)

care cuprinde:

– I termen: valoarea măsurată a calei etalon;

– al II-lea termen: eroarea calei plan paralele;

– al III-lea termen: eroarea scalei mașinii de măsurat;

– al IV-lea termen: eroarea valorii măsurate care rămâne chiar după calibrare, denumită eroare relativă S/N.

Scopul metodei constă în determinarea termenilor III și IV utilizând o simplă bară de control (figura 6.19).

Figura 6.19. Metoda de determinare a erorii volumetrice

Barele de control sunt așezate pe masa mașinii de măsurat, în plan orizontal, acoperind o cât mai mare regiune de măsurare, figura 6.20.

Figura 6.20. Asezarea barelor de control

Experimentul a fost realizat astfel încât să se ia în considerație cât mai mulți factori de influență, figura 6.21.

Figura 6.21. Factori si nivele ale evaluarii erorilor de masurare.

Pentru a lua în considerație și influența erorilor pe axa Z, măsurarea s-a realizat prin schimbarea înălțimii de așezare a barelor de control. Calculul dispersiei este făcut pentru fiecare lungime L1, L2, L3 în forma prezentată în tabelul 6.3.

Tabel 6.3.Calculul dispersiei pentru L.

Suma pătratelor influențelor medii (D, M, I, G) se calculează astfel:

(6.42)

SM = (6.43)

Suma pătratelor erorilor de ordinul întâi, e1, rezultă

(6.44)

iar suma pătratelor erorilor de ordinul doi, , va fi:

(6.45)

cu dezvoltările corespunzătoare.

Se calculează, de asemenea:

(6.46)

(6.47)

Experimentul permite următoarele concluzii:

eroarea de măsurare poate fi cuantificată prin utilizarea a trei bare de control având câte 2 cote diferite;

neuniformitatea scalei și eroarea relativă (S/N) pot fi determinate prin măsurarea diferenței dimensionale a barei față de direcția de măsurare și inversa sensului de măsurare;

eroarea de dimensiunea scalei se poate determina dacă este cunoscută dimensiunea exactă a barei de control.

6.6.4. Concept varianta 4

Metoda de control se bazează pe observația că distribuția probabilistică a punctelor măsurate în spațiul tridimensional este de forma:

(6.48)

unde C este un multiplu al abaterii medii pătratice.

În intervalul de măsurare 3D, cu preciziile 3σx, 3σy și 3σz, eroarea de poziționare a punctului ce se măsoară nu depășește spațiul elipsoidului definit prin relația:

(6.49)

Principiul utilizat este de a concentra eroarea totală a fiecărei axe la anumite axe. Etalonul propus este prezentat în figura 6.22.

Figura 6.22. Etalon.

Suprafața A este de lucru, planele B, C, D servind drept baze. Dacă unghiul de intersecție (figura 6.23) este de 54°44’8’’, atunci unghiul între suprafața de lucru și axele x, y, z va fi

Φx= Φy = Φz= 45° (6.50)

Diagramele vectorilor pentru intrările și ieșirile fiecărei axe sunt prezentate în figura 6.23 a,b,c, iar erorile complexe în diagramele din figura 6.24 a,b,c.

Figura 6.23. Diagrame vectori

Figura 6.24. Diagrame erori complexe.

Ținând cont de figura 6.23, se pot calcula:

z = xtgΦx + ytgΦy (6.51)

y = xtgΦx + ztgΦz (6.52)

x = ytgΦy + ztgΦz (6.53)

respectiv pătratele erorilor de funcție dx2, dy2 și dz2 rezultând erorile totale ale fiecărei axe.

δx2 sumă = δx2 + dx2 (6.54)

δy2 sumă = δy2 + dy2 (6.55)

δz2 sumă = δz2 + dz2 (6.56)

δx, δy, δz sunt erorile intrinseci ale fiecărei axe iar dy, dx, dz sunt erorile de funcție, influențate de celelalte două axe.

Dacă unghiul etalonului este de 54°44’8,2’’, atunci sistemul prezentat se simplifică.

Evaluare apreciziei mașinii de măsurat în coordinate se face determinând erorile δx, δy, δz și comparând modul de plasare al punctului în elipsoidul exprimat prin relația:

(6.57)

6.6.5. Concept varianta 5

Metodologia de control constă în determinarea valorilor erorilor componente.

a) Determinarea erorilor de poziție

Măsurarea erorilor de poziție se face cu ajutorul laserului, determinându-se pe fiecare axă, în punctele cele mai apropiate și mai îndepărtate de scala de măsurare (principiul comparatorului Abbe). A fost perfectat un program de prelucrare automată a datelor, sintetizarea și înregistrarea acestora, figura 6.25. Pentru evaluare se folosește un model de imprecizie a poziției, în formă de trompetă.

Figura.6.25. Determinarea erorilor de pozitie.

b) Determinarea erorilor de la rectiliniaritatea deplasărilor

Se determină 6 valori limită pentru erorile de la rectiliniaritate, conform tabelului 6.4.

Tabel 6.4. Limite pentru erorile de rectiliniaritate.

Se utilizează două metode:

testarea pe baza unui etalon de liniaritate, construit din ceramică-sticlă;

testarea cu interferometrul cu laser, care permite automatizarea controlului, figura 6.26.

Figura 6.26. Testare cu interferometrul laser

c) Determinarea erorilor de rotație

Se determină 9 valori limită, în secunde, pentru erorile de rotație, respectiv unghiurile de ruliu, tangaj și derivă, XRx, YRy, ZRz, XRy, YRx, ZRx, XRz, ZRy, YRz.

Pentru determinarea erorilor de tangaj și derivă se utilizează:

etaloane de liniaritate, cu doua traductoare inductive conectate diferențial;

lunetă autocolimatoare, interferometru cu laser, nivelă electronică.

Folosirea interferometrului cu laser, dotat cu două oglinzi de inversare și un suport cu două reflectoare permite automatizarea măsurării și înregistrarea rezultatelor, figura 6.27.

Figura 6.27. Controlul erorilor de tangaj si de deriva.

Unghiurile de ruliu XRx și XRy se măsoară cu un instrument de măsură rabatabil biaxial montat pe arborele Z al mașinii. Unghiul de ruliu ZRz se determină printr-o măsurare combinată, cu interferometrul cu laser și etalonul de rectiliniaritate.

d) Determinarea erorilor de la perpendicularitate a axelor

Cele trei erori de la perpendicularitate a axelor se verifică prin două metode:

cu etalon unghiular din granit cu ceramică-sticlă:

interferometru cu laser cu pentaprismă.

e) Verificarea capului de palpare

Capul de palpare se verifică pe mașina de măsurat, chiar dacă a fost supus inițial unui test de recepție. Se iau în considerare următoarele criterii de inspecție:

repetabilitatea la măsurare, în toate direcțiile de măsurare pe suprafețe de referință;

imprecizia de măsurare pe sfera de referință;

precizia de determinare a diametrului sferei de palpare;

diferența dintre numărul măsurătorilor interioare și exterioare.

f) Recepția finală a mașinilor de măsurat în coordonate

Recepția finală se face prin determinarea impreciziei de măsurare liniare, cu ajutorul unui bloc de cale special construit sau prin intermediul interferometrului cu laser. Rezultatele măsurării se transpun pe diagramă, figura 6.28.

Figura 6.28. Diagrama receptie finala MMC.

Imprecizia de măsurare liniară tridimensională se verifică cu ajutorul blocurilor de cale de testare montate pe o masă rotativă sau prin intermediul interferometrului cu laser. După fiecare măsurătoare a diagonalei spațiale, instalația este rotită la 90°, până la determinarea celor 4 diagonale din spatiu.

Concept de verificare Institutul Național de Metrologie (INM)

Prin norma metrologică nr. 1/67-82 (Verificarea metrologică a mașinilor de măsurat lungimi în 3 coordonate.) în vigoare, verificările la care sunt supuse mașinile de măsurat în trei coordonate consta în (73):

verificarea abaterilor de la rectiliniaritatea deplasărilor; se face cu ajutorul unei rigle etalon sau cu interferometrul cu laser;

verificarea perpendicularității deplasării săniilor pe direcțiile de măsurare; se face cu ajutorul unui echer etalon;

verificarea justeței indicațiilor; se face cu cale plan paralele pentru lungimi l ≤ 1000 mm sau cu interferometrul laser pentru lungimi mai mari;

verificarea erorilor de fidelitate; se face cu cale plan paralele sau interferometrul cu laser.

S-au expus mai sus doar verificările legate de cele 21 de componente de eroare geometrică ale mașinilor de măsurat și se constată că se verifică doar 12 componente. Nu se pune în nici un caz problema erorii planare și mai ales a erorii volumetrice a mașinii de măsurat în trei coordonate. Nu se face testarea finală a mașinii și nici a sistemului.

CAPITOLUL 7. CONCEPEREA ȘI REALIZAREA UNEI CONFIGURAȚII ORIGINALE DE SISTEM MECATRONIC MODULAR ȘI ADAPTIV DE CONTROL INTEGRAT TRIDIMENSIONAL

7.1. Mecatronica si concepția mecatronică pentru control integrat

Pentru controlul integrat sunt utilizate sisteme mecatronice ce au la bază insăși conceptele mecatronicii care reprezintă combinația sinergetică și sistematică a mecanicii, electronicii și informaticii in timp real. Termenul de mecatronică a fost introdus de un inginer de la compania japoneză „Yaskawa” in 1969. El a apărut in mod oficial in Franța, in Larousse, in anul 2005. Revoluția informatică (a doua revoluție industrială) a marcat saltul de la societatea industrializată la societatea informațională, generand un val de innoiri in tehnologie și educație. Japonezii au definit sensul acestor mișcări de innoire, brevetand termenul de mecatronică. La inceputul deceniului al 8-lea al secolului trecut, termenul a fost utilizat pentru a descrie fuziunea tehnologică: mecanică-electronică-informatică (figura 7.1).

Figura 7.1. Sinergia Mecatronica [148].

Mecanica – subsisteme mecanice structurale, ghidaje, axe, lagare etc;

Informatica – subsisteme software si hardware, softuri de control etc;

Electronica – subsisteme electronice de captare, amplificare si prelucrare semnal etc;

Mecatronica – sisteme si procese de control integrate (subsisteme mecanice, arhitecturi de senzori,

actuactori, unitati electronice, unitati de calcul, softuri, etc)

Mecatronica este și rezultatul evoluției firești in dezvoltarea tehnologică. Tehnologia electronică a stimulat această evoluție. Dezvoltarea microelectronicii a permis integrarea electromecanică. In următoarea etapă, prin integrarea microprocesoarelor in structurile electromecanice, acestea devin inteligente și, astfel, s-a ajuns la mecatronică (Figura 7.2).

Figura 7.2. Evoluția tehnologică a mecatronicii [148]

Tehnologia mecatronică aduce in centrul atenției problema informației care este componenta dătătoare de ton in raport cu materialul și energia. Prin convergența tehnologiilor și a cunoștințelor nou apărute și/sau dezvoltate in baza descoperirilor științifice și integrate in industria de mecanică fină, va avea loc o transformare a acestei industrii in industria mecatronică, capabilă să gestioneze și să monitorizeze, prin implementare de la distanță, toate procesele industriale aferente unei societăți informaționale.

Rolul industriei integrate de mecanică fină și mecatronică in cadrul societății romanești este redat chiar de contribuțiile sale calitative, prin:

> gradul de complementaritate la nivel comunitar-european;

> gradul de automatizare și informatizare;

> gradul de monitorizare a proceselor tehnologice industriale ale celorlalte ramuri industriale;

> nivelul informației transmise in industrie și societate;

> adaptabilitatea și flexibilitatea față de locul aplicației;

> performanța componentelor hardware și software;

> gradul de miniaturizare;

> gradul de multidisciplinaritate și de integrare a domeniilor micromecanică, microsisteme, micromecatronică, microelectronică și microinformatică;

> convergența microtehnologiilor nou apărute;

> ponderea produselor inteligente, informatice și cu vedere artificială;

> gradul de gestionare a proceselor, prin integrare sau de la distanță;

> gradul de participare la dezvoltarea societății informaționale;

> gradul de participare la dezvoltarea schimburilor comerciale pe piața internă și externă;

> ciclul de modelare, simulare și optimizare produs/proces, cu nivel adecvat de inteligență, ce se identifică printr-o funcționare automată, adaptivă și opțională a prelucrării și transmiterii informației;

De asemenea, mecatronica poate fi definită ca fiind ingineria multidisciplinară care interferează alături de mecanica de precizie, electronica și informatica cu ingineria micromaterialelor, ingineria microchimică, ingineria microindustrială și cu ingineria microbiosistemelor, contribuind astfel la dezvoltarea micromecatronicii și microbiomecatronicii.

Astfel, după scara aplicării, domeniul de micromecatronică sau nanomecatronica, după cum exprimă chiar denumirea, aplică principiile mecatronicii in proiectarea și fabricarea micro și nanodispozitivelor și micro și nanosistemelor, integrandu-le inteligența artificială și extinzandu-le comunicarea interactivă prin autoreglare, autodiagnosticare, auto-invățare și auto-organizare a informațiilor calitative acumulate.

Astfel spus, acest domeniu integrează in sisteme și microsisteme, pe deoparte, traductoare și microsenzori, elemente și microechipamente de automatizare și conducere procese, microsisteme video și de prelucrare automată a imaginii, elemente și microsubansamblele micromecanice și, pe de altă parte, software-uri pentru proiectarea microsistemelor micromecatronice pentru realizarea microtehnicilor de calcul evolutiv, pentru proiectarea microsistemelor informatice, pentru managementul strategic de dezvoltare continuă a micromecatronicii și, nu in ultimul rand, pentru inteferența micromecatronicii cu celelalte microinginerii și microbioinginerii.

Mecatronica, micromecatronica și nanomecatronica utilizează in ingineria industriala competitiva, micro și nanosisteme cu microstructuri integratoare de senzori și microsenzori, actuatori și microactuatori și microprocesării a semnalelor, capabile să vadă, să simtă, să decidă, să reacționeze și să evalueze intr-un mediu aplicativ.

Mecatronica este abordată, in primul rand teoretic, de către universități precum UPB, Facultatea de Inginerie Mecanică și Mecatronică, prin Catedra de Precizie și Mecatronică și in al doilea rand, ca cercetare și aplicație, de către Institutul Național de Cercetare și Dezvoltare pentru Mecatronică și Tehnica Măsurării, București.

In prezent, INCDMTM București abordează domeniul mecatronică ca un domeniu strategic pentru relansarea și dezvoltarea majorității mediilor industriale prioritare la nivel național. Pe viitor se urmărește abordarea domeniilor evolutive micromecatronică și nanomecatronică si respectiv cyber-mecatronica. Printre produsele mecatronice se intalnesc camerele video miniaturale, CD-playerele și alte micromașini, dar și mașinile CNC mari și automobilele din noua generație, sistemele cu gabarit mare și liniile de producție automate. Producătorii de automobile creează tot mai des autovehicule mecatronice dotate cu sisteme de execuție complexe, programate și comandate prin calculator (local sau la distanță).

In prezent, unul dintre cele mai complexe sisteme mecatronice din lume este cel care asigură inchiderea și deschiderea canalului de acces către portul din Rotterdam, elementele sistemului mecatronic inteligent avand o intindere de peste 300 m.

Utilajele mecatronice sunt ansambluri care integrează elemente componente simple sau complexe ce indeplinesc diferite funcții, acționand in baza unor reguli impuse. Principala lor sarcină este funcționarea mecanică, deci producerea de lucru mecanic util, iar esența lor este posibilitatea de a reacționa inteligent, printr-un sistem de senzori, la stimulii exteriori care acționează asupra utilajului luand deciziile corespunzătoare pentru fiecare situație.

Trăsăturile caracteristice ale utilajelor mecatronice sunt următoarele:

multifuncționalitatea – posibilitatea de a realiza diferite procese tehnologice, de exemplu schimbarea programului;

inteligența – capabilitatea mașinii de a comunica cu mediul și de a lua decizii;

flexibilitatea – posibilitatea de a modifica, fără dificultăți majore, construcția utilajului pe etape de proiectare, producție sau exploatare, de exemplu prin folosirea construcției modulare;

control la distanta – posibilitatea de a fi conduse de la distanță, impune utilizarea unor interfețe complexe de comunicare;

evoluție permanentă – datorita dinamicii pieței și a posibilităților tehnologice de execuție.

Un important aspect al mecatronicii este acela că mașinile și utilajele mecatronice sunt exemplu al imitării naturii. In general, principala caracteristică a utilajelor mecatronice este capacitatea de a se adapta in permanență la condițiile externe și de a da informații (sub forma semnalelor mecanice, electrice, pneumatice, optice, etc) printr-o automatizare și informatizare de nivel avansat.

De asemenea, sistemele mecatronice integrate (Figura 7.3) sunt dotate cu senzori și traductoare care preiau semnalele din mediu, cu sisteme programate de transformare și interpretare a acestor semnale, cu dispozitive de comunicație, precum și cu elemente de execuție care acționează corespunzător asupra mediului.

Figura 7.3. Structura sistemului mecatronic integrat.

O clasificare a produsele mecatronice se poate face in următoarele clase:

clasa 1 – produse mecanice cu electronică incorporată pentru a mări capacitățile funcționale. Exemple tipice: mașini unelte cu comandă numerică și acționările cu viteză variabilă pentru mașinile de producție de masă. Produsele clasei 1 sunt definite prin servo-tehnologie, electronică de putere și teoria controlului.

clasa 2 – sisteme mecanice tradiționale cu o componentă electronica semnificativ modernizată, dar cu interfață utilizator neschimbată. Ex: mașini de țesut/cusut și sisteme de producție automate. Produsele din clasa 2 sunt remarcabile prin utilizarea componentelor de calcul și memorie și circuite cu capabilități speciale.

clasa 3 – sisteme care mențin funcționalitatea sistemelor mecanice tradiționale, dar la care mecanismele interne sunt inlocuite printr-un sistem electronic adecvat. Ex: ceasul electronic. Produsele clasei 3 sunt caracterizate prin inlocuiri ale sistemelor mecanice de către circuite integrate și microprocesoare.

clasa 4 – produse proiectate cu tehnologie mecanică și electronică printr-o integrare sinergică. Ex: xerox, mașini de spălat și mașini de gătit automate. Produsele clasei 4 sunt practic produsele mecatronice rezultate din integrarea sinergică a tehnologiilor.

7.2. Configurarea în concept original a sistemelor mecatronice adaptabile pentru control integrat 3D

Prin sistem mecatronic inteligent configurabil ințelegem un sistem cu o flexibilitate funcțională ridicata, pentru care este posibil să se configureze diferite scenarii de utilizare. Cu alte cuvinte, soluția poate fi adaptată cu ușurință la diferite scenarii de utilizare și conferă următoarele caracteristici:

adaptabilitate – această structură sporește disponibilitatea sistemului, intrucat mărește numărul de situații in care poate fi utilizat.

cost-eficiență – beneficiile legate de eficiență sunt duble, sistemul devenind o componentă reutilizabilă, se economisește pe baza cheltuielilor de implementare și integrare a fiecărui scenariu de utilizare, realizand astfel o dezvoltare durabila.

mentenanță inaltă – componentele sistemului pot fi decuplate și se poate asigura o comunicație prin interfețe bine definite.

Stadiul actual al dezvoltării sistemelor inteligente configurabile este reprezentat, in principal, de două solutii funcționale:

solutia software;

solutia hardware.

Obiectul lucrării il constituie realizarea unui model experimental (figura 7.4) prin constituirea unui sistem mecatronic high-tech modular și adaptiv de control dimensional integrat ce utilizează echipament de control non-contact complex.

Figura 7.4. Schema de principiu a unui dispozitiv mecatronic de masurare.

Conceptul de „sistem mecatronic” definește nu doar un sistem si o tehnologie în sine ci și o filozofie de abordare în proiectarea produselor (fig.7.5).

Figura 7.5. Proiectarea sistemelor mecatronice

Proiectarea și execuția unor sisteme mecatronice de montaj și control destinate liniilor de fabricație din industriei auto este un proces complex care presupune parcurgerea mai multor etape (fig.7.6).

Figura 7.6. Procesul de proiectare și execuție a sistemelor mecatronice

Echipamentul pentru măsurarea suprafețelor complexe are o structură tip brat cu o structura antropomorfica mai puțin sensibilă la vibrații. Batiul din fontă turnată este prins pe o masa antivibrati, care permite atenuarea vibrațiilor și șocurilor. Pentru creșterea performanțelor, flexibilității și versatilității sistemului acesta are o construcție care permite montarea unor capete de măsurare bazate pe principii diferite (contact sau non-contact), inclusiv pentru scanere laser.

Au fost analizate diferite metode de măsurare. In tabelul 7.1 este prezentată o analiză comparativă a celor mai noi metode de măsurare analizate.

Pe baza analizei aplicabilității și bugetului proiectului s-a optat pentru următoarele metode de măsurare:

Palpare optică (scanare laser);

Fotometrie.

Tabel 7.1. Analiză comparativă a celor mai noi metode de măsurare analizate.

7.2.1. Stabilirea soluțiilor constructive

Poziționarea sistemelor de control față de obiectul controlat se realizează in general cu ajutorul un sistem tridimensional (fix sau mobil) care poate asigura deplasarea pe cele 3 axe (x, y și z). Acestui sistem de pozitionare ii sunt atasate o serie de subsisteme de control (senzori, scanere, camere optice), astfel acesta trebuie deci să permită poziționări ultraprecise, măsurabile față de o origine stabilită.

Deoarece in controlul dimensional al pieselor complexe este nevoie de o mobilitate, repetabilitate si precizie ridicata se utilizeaza in general in cadrul sistemelor mecatronice un robot industrial cu diferite grade de libertate (3 -6 grade).

Robotul industrial este definit în prezent ca un manipulator tridimensional, multifuncțional, reprogramabil, capabil să deplaseze materiale, piese, unelte sau aparate speciale după traiectorii programate, în scopul efectuării unor operații diversificate (control, fabricație). Un robot industrial se compune practic din trei părți principale: sistemul de comandă, sistemul de acționare și sistemul mecanic (figura 7.7).

Sistemul de comandă (care se asociază cu sistemul nervos uman) dă comenzi sistemului de acționare pe baza informațiilor primite de la senzori. Sistemul de acționare (care se poate asocia cu sistemul muscular uman) realizează punerea în mișcare a elementelor sistemului mecanic. Sistemul mecanic (care se poate asocia cu sistemul osos) acționează asupra mediului înconjurător impunând obiectului manipulat mișcarea dorită.

Figura 7.7. Schema bloc robot industrial

Roboti industriali se pot clasifica in functie de:

a) După forma mișcării:

– robot cartezian – brațul operează într-un spațiu definit de coordonate carteziene

– robot cilindric – spațiul de manevre este definit în coordonate cilindrice;

– robot sferic (polar) – spațiul de lucru este definit în coordonate sferice (polare);

– robot prosthetic – manipulator cu braț articulat (bionic);

– roboți în sisteme de coordonate particulare.

b) După numărul gradelor de libertate ale mișcării brațului de lucru (grade de libertate lucrative, plus eventuale mișcări suplimentare/pregătitoare):

– roboți cu un număr mic de grade de libertate (2-3);

– roboți cu un număr mediu de grade de libertate (4-5);

– roboți cu un număr mare de grade de libertate (6-7).

c) După informația de comandă/intrare/instruire:

– manipulator manual – robot acționat direct de om;

– robot secvențial – lucrează după o procedură predeterminată de instrucțiuni seriale;

– robot repetitor – robotul memorează procedura de lucru înregistrând secvențele de la manipularea sa de către om/programator;

– robot cu control numeric – robotul primește comenzile de lucru de la o unitate de control (care îi transmite informații digitale referitoare la poziții, deplasări, manevre, succesiuni de operații, însă fără considerarea dinamică a condițiilor din spațiul de lucru);

– robot inteligent – sistemul urmărește obiective lucrative și le îndeplinește algoritmic dar cu considerarea de condiții/stări/reacții din spațiul de lucru (informații sosite de la subsisteme de senzori, de recunoaștere a realității).

Tabel 7.2. Clasificarea robotilor industriali in functie de scara evolutiva a treptelor de automatizare.

d) După nivelul/performanța inteligenței artificiale (IA):

– generația 1 – robotul acționează pe baza unui program care nu se poate schimba în timpul lucrului.

– generația 2 – programul de control al robotului poate fi modificat în mică măsură pe baza unor reacții punctuale din mediul de lucru.

– generația 3 – robotul își poate adapta/ajusta singur programul de lucru pe baza unor logici (software/hardware) ce iau în calcul condițiile concrete ale mediului de lucru.

Tabel 7. 3. Clasificarea robotilor industriali in functie de complexitate

Structura mecanică a roboților este realizată din corpuri rigide Cj legate prin legături mecanice Lj astfel încât să formeze lanțuri cinematice funcționale. Cele mai uzuale legături sunt cele de translație, rotație nelimitată și rotație limitată. În funcție de aplicație la construcția structurii purtătoare (primele 3 axe) se utilizează următoarele variante de lanțuri cinematice: lanț cinematic deschis; lanț cinematic arborescent; lanț cinematic închis (figura 7.8).

Figura 7.8. Lanturi cinematice:

a. deschis; b. arborescent; c. inchis;

Poziția și orientarea unui solid nedeformabil în spațiu, într-un sistem de coordonate, este definite prin maxim 6 numere reale independente:

3 unghiuri de rotatie α, β, γ, in raport cu axele de coordinate x, y, z;

coordonatele carteziene x, y, z ale unui punct caracteristic al solidului.

Numărul de grade de libertate al unei legături mecanice este determinat de numărul de mișcări independente permis de legătură. În tabelul 7.4 sunt prezentate cele mai uzuale legături mecanice în reprezentare plană și spațială.

Mobilitatea mecanismelor este un parametru caracteristic determinat de numărul mișcărilor independente posibile. Mobilitatea unui robot este identică cu numărul de axe (mai puțin dispozitivul de prehensiune). Pentru roboții industriali mobilitatea are valorile 3 ≤ m ≤ 7. Numărul gradelor de libertate necesar executării unei anumite operații se numește grad de libertate a sarcinii Ks ≤ 6.

Tabel 7.4. Tipuri de legaturi mecanice (reprezentare plana si spatiala)

Arhitectura internă a unui robot conține cinci sisteme importante fiecare dintre acestea aparținând unui domeniu al tehnicii clasice:

– sistemul mecanic de susținere și al articulațiilor (cuplelor de rotație și de translație) (figura 7.9);

– sistemul de acționare (hidraulic, pneumatic. electric sau mixt);

– sistemul de transmisie al mișcării;

– sistemul senzorial (intern și extern);

– sistemul decizional.

Figura 7.9 Structura mecanica a unui robot industrial

Structurile purtătoare ale roboților industriali (mecanismul generator de traiectorie – MGT) au în general 3 axe care asigură poziționarea generală. Structurile mecanice pot fi identificate prin lista simbolurilor legăturilor mecanice pornind de la baza robotului (T – legătură mecanică de translație, R – legătură mecanică de rotație) .Coordonate articulare (de axă) sunt mărimi, variabile în timp (unghiuri, lungimi), ce definesc configurația structurii mecanice a robotului la un moment dat. Pot fi unghiuri său lungimi (figura 7.10). Cu coordonatele articulare se poate determina configurația structurii mecanice a robotului la un moment dat și poziția efectorului.

a . b .

Figura 7.10. Coordonate articulare

a. translatie; b. rotatie

Acestea pot fi de trei tipuri:

structura carteziana (TTT) (figura 7.11)

a b

Figura 7.11. Structura carteziana TTT

a . model real; b . model cinematic

structura cilindrica (RTT) sau bi-cilindrica (RRT) (figura 7.12)

a b

Figura 7.12. Structura cilindrica RTT si bi-cilindrica RRT

a . structura cilindrica model, real si model virtual

b . structura bi-cilindrica, model real si virtual

structura sferica (RRT) sau bi-sferica (RRR) (figura 7.13)

a b

Figura 7.13. Structura sferica RRT si bi-sferica RRR

a . structura sferica model, real si model virtual

b . structura bi-sferica, model real si virtual

Rolul principal al mecanismului de orientare (MO) al end-efectorului (articulației pumnului ) este de a asigura orientarea de finețe a dispozitivului efector cu un nivel de flexibilitate cât mai ridicat. Acesta poate fi realizat in doua moduri constructive:

– cu axe ortogonale concurente (figura 7.14 a);

– cu axe ortogonale neconcurente (figura 7.15 b).

a b

Figura 7.14. Mecanismul de orientare ale end-efectorului

a . structura cu axe concurente model, real si model virtual

b . structura cu axe neconcurente, model real si virtual

Pentru acționarea sistemului mecatronic tip brat robotic pot fi alese trei soluții în funcție de puterea (cuplul) solicitată motorului de acționare și timpul de răspuns impus: acționare hidraulică; acționare pneumatică; acționare electrică.

Sistemele de acționare hidraulice sunt utilizate pentru acționarea a 40 % din parcul mondial de roboți industriali fiind preferate în cazul roboților de forță datorită următoarelor avantaje:

• raport foarte bun între puterea dezvoltată și greutatea elementelor de execuție care sunt robuste și fiabile ;

• elementele de execuție hidraulice lucrează la viteze moderate (pot lipsi adaptoarele de mișcare);

• datorită incompresibilității uleiului, sistemului i se conferă suficientă rigiditate pentru a menține pozițiile programate;

• au timp de răspuns mic și cu sisteme performante de comandă se pot atinge precizii de poziționare foarte bune;

• fluidul hidraulic (ulei) are rol de lubrifiant și agent de răcire;

• este preferat datorită siguranței în funcționare pentru utilizări în medii explozive (vopsitorii), cu praf (turnătorii) sau corozive (acoperiri galvanice).

Principalele dezavantaje ale sistemelor de acționare hidraulice sunt următoarele:

• costul sistemului de acționare este ridicat și necesită operații de întreținere pretențioase;

• elementele hidraulice sunt dificil de miniaturizat deoarece necesită secțiuni de trecere a fluidului (volum element) determinate de debitul și presiunea de lucru;

• se pretează în cazul roboților cu ciclu de lucru lent.

Cele mai utilizate sunt cilindrul hidraulic (figura 7.15) care realizează direct mișcarea de translație și motorul hidraulic care realizează mișcarea de rotație.

Figura 7.15. Cilindrul hidraulic

p – presiunea (pi –presiunea inferioara si pe – presiunea superioara) – determina forta (cuplul);

Q – debitul volumic (Qi si Qe – debitul inferior si superior) – determina viteza de translatie sau rotatie;

P – puterea hidraulica; Ff – forta de frecare ; ms – masa solidului ; S – suprafata pistonului;

Sistemele pneumatice sunt asemanatoare cu sistemele hidraulice , deosebirea fiind ca utilizeaza ca agent de actionare fluid gazos in loc de fluid lichid (figura 7.16).

Figura 7.16. Motoare pneumatice cu palete

a . motor unisens; b . motor reversibil;

1. stator; 2. admisie; 3. rotor; 4. locas palete;

5. paleta; 6. arc de compresiune; 7. evacuare

Deși mai puțin utilizată decât acționarea hidraulică, acționarea electrică ocupă o arie suficient de întinsă la roboții industriali datorită următoarelor avantaje principale :

a) sursa de energie electrică primară este ușor de găsit;

b) sistemele de control sunt precise, sigure și relativ ușor de cuplat la o conducere numerică la nivel înalt;

c) se poate asigura o funcționare autonomă prin alimentarea cu baterii;

d) nu se impun probleme specifice de poluare.

Motoarele pas cu pas (figura 7.17) sunt sisteme sincrone care realizează o corelație direct între mărimea comandată și poziția obținută. Aceste motoare asigură conversia direct a semnalului de intrare, dat sub formă numerică, într-o mișcare de poziționare unghiulară prin cumulări incrementale. Această proprietate determinăo utilizare largă a motoarelor pas cu pas în toate sistemele de poziționare în bucla deschisă. Conversia intrinsecă a comenzii în poziție asigură scheme de control simple, eficiente atât sub aspect tehnic, cât și economic.

Cei mai importanți parametri ai motoarelor pas cu pas sunt:

• unghiul de pas este unghiul existent între două poziții consecutive ale rotorului la aplicarea unui impuls de comandă;

• frecvența maximǎ de mers în gol este frecvența maximǎ a impulsurilor de comandă pe care o poate urmări motorul fără pierderea sincronismului;

• frecvența maximă de start – stop în gol este frecvența maximă a impulsurilor de comandă la care motorul poate porni, opri sau reversa fără omisiuni de pași, în lipsa sarcinii la arbore;

• cuplul maxim de start – stop este cuplul rezistent aplicat pe arbore, la care motorul poate porni, opri sau reversa fără omisiuni de pași, la o frecvența de comandă și un moment de inerție date.

• viteza unghiularǎ definite ca produsul între unghiul de pas și frecvența de comandă.

Statorul cuprinde patru poli iar rotorul este realizat dintr-un magnet bipolar. Dacă se alimentează înfășurările 1-3, atunci rotorul se va deplasa într-o poziție în care fluxul magnetic prin aceste înfășurări este maxim, deci el se va alinia pe axa înfășurărilor 1 – 3. Dacă se alimentează înfășurările 2 – 4 atunci rotorul se va roti cu 90, sensul de rotație depinzînd de polaritatea aplicată, până se va alinia cu noua înfășurare. O combinație de semnale aplicate va determina poziții intermediare corespunzătoare. In absența oricârui semnal de alimentare a înfășurărilor, rotorul va ocupa o poziție bine determinate aliniindu-se cu unii din polii statorului , fără a conta polaritatea.

Figura 7.17. Motoare electrice pas cu pas

7.2.2. Sisteme de transmisie a miscarilor pe cele 3 axe de cordonate

Pentru deplasarea pe cele 3 axe, a sistemului mecatronic ales, s-au examinat urmatoarele tipuri de sisteme de actionare:

a) Sistemul de antrenare cu curea dintata

Este unul din cele mai populare sisteme utilizate pentru transformarea mișcării de rotație în mișcare de translație (figura 7.18), însă acest sistem prezintă unele inconveniente legate de limitarea greutății sistemului antrenat. Cum sistemul de scanare laser care este poziționat in capatul bratului antropomorfic si greutatea sa nu este prea mare, s-a considerat că această soluție este recomandată pentru actionarea sistemului de deplasare si pozitionare de precizie. Se vor utiliza curele late dintate.

Figura 7.18. Sistem de antrenare cu curele dintate.

b) Sistemul pinion – roata dintata.

Un alt sistem de transformare a mișcării de rotație în mișcare de translație luat în considerare a fost sistemul pinion – roata dintata (figura 7.19). Acest sistem este mai precis și mai robust decât sistemul prezentat anterior, dar prezintă inconvenientul introducerii erorilor din cauza jocului pe flanc la schimbarea sensului de mișcare. De asemenea, este un sistem mai puțin fiabil, în timp apărând erori datorate uzării pinionului și rotii dintate. Din punct de vedere tehnologic este destul de dificil să realizezi cu precizie ridicată un sistem pinion – roata dintata care sa actioneze cu precizie ridicata. Chiar dacă măsurarea este realizată de o riglă incrementală de înaltă precizie, sistemul poate influența precizia de măsurare din cauza erorilor de deplasare. In caz ca este nevoie se vor utiliza pinioanele conice.

Figura 7.19. Sistem de angrenaj pinion – roata dintata.

c) Mecanismul șurub – piuliță

Sistemul de deplasare cu șurub și piuliță (figura 7.20) este de asemenea des utilizat pentru transformarea mișcării de rotație în mișcare de translație. Sunt utilizate în general două tipuri de mecanisme de deplasare cu șurub: mecanism cu șurub de mișcare și mecanism cu șurub cu bile. Mecanismul cu șurub de mișcare este mult mai ieftin, dar se uzează mai repede. Datorită faptului că efectul de translatie al axelor se realizeaza prin imbinarea efectelor de rotatie, acest tip de sistem nu este utilizat in constructia dispozitivului.

Figura 7.20. Mecanism șurub – piuliță.

A mai fost analizată și posibilitatea utilizării unui motor liniar pentru deplasarea pe direcție longitudinală și transversală. Performanțele unui astfel de sistem sunt limitate doar de rezoluția traductorului liniar și de stabilitatea mecanismului. Neavând cursa moartă la schimbarea sensului de mișcare, sistemele cu motoare liniare au o bună repetabilitate, însă acest tip de motoare sunt foarte scumpe. In tabelul 7.5 sunt prezentate comparativ metodele de deplasare analizate.

Tabel 7.5. Metodele de deplasare analizate.

7.3. Principiul de măsurare

Verificarea metrologică cu precizie cât mai mare și într-un timp cât mai scurt sunt cerințe majore ale industriei pentru creșterea calității produselor și reducerea costurilor de fabricație. Măsurarea suprafețelor complexe se realizează în prezent prin diferite tehnici de măsurare, cu contact și fără contact.

S-a urmărit realizarea unor cercetări teoretice și experimentale în domeniul controlului suprafețelor îmbinând specificul scanării cu laser cu controlul integrat prin intermediul unui dispozitiv de măsurat în coordonate. În scopul optimizării procesului de măsurare s-au utilizat programe de prelucrare a datelor, ecuații și programarea de algoritmi. Controlul in cadrul sistemului se poate face prin divesi senzori sau arhitecturi de senzori, precum si prin diverse sisteme de control complexe (fotometrie sau scanare) Sistemele de control control 3D complexe pot fi la randul lor cu contact (palpatori mecanici) sau fara contact (senzori optici sau laser). Deoarece sistemele cu contact au anumite limitari in cadrul controlului dimensional al pieselor complexe se utilizeaza sisteme complexe cu senzori non contact directionali punctiformi sau banda.

Scanarea 3D este o metodă prin care măsurătorile fizice ale unui obiect sunt transformate în format digital, într-un mod organizat rezultând ceea ce se numește de obicei date 3D de scanare sau nor de puncte. Odată ce datele de scanare pot fi accesate în format digital, pot fi determinate toate dimensiunile obiectului fizic.

Scanarea produsului este un proces care utilizează un palpator pentru a capta forma obiectelor 3D și pentru a le recrea într-un spațiu de lucru virtual. Datele sunt colectate sub formă de puncte și fișierul rezultat este numit “nor de puncte”. Principiul de măsurare al sistemului mecatronic este prezentat în figura 7.21.

Figura 7.21. Principiul de măsurare.

În cadrul acestei etape a fost executat un stand experimental pentru verificarea soluțiilor constructive proiectate pentru realizarea unui echipament flexibil adaptiv si modular, cu arhitectură deschisă, interschimbabila, care să permită măsurarea suprafețelor 3D și reprezentarea acestora sub forma grafică a protocoalelor de măsurare.

Echipamentul este format din:

subsistem de măsurare;

subsistem de pozitionare;

software operațional.

Principalele funcții ale echipamentului sunt achiziția, modelarea 3D si controlul integrat. Achiziția se realizează printr-o interfață materială, cu ajutorul palpatoarelor cu senzori și modelarea printr-o interfață „soft” cu ajutorul algoritmilor.

În general, limitele scanării suprafețelor sunt date de:

viteza de deplasare a capului de scanare;

forma suprafeței (degajările, deschiderile înguste și muchiile ascuțite pot fi dificil de scanat);

materialul piesei scanate (lucios, mat, colorat, rugos, neted, moale, dur, etc).

Metodele optice de achiziție a datelor 3D sunt cele mai folosite, având rate de achiziție foarte mari. Cea mai comună metodă pentru achiziția unui șir de date este triangulația optică. Triangulația este o metodă care folosește locația și unghiurile între sursa de lumină și senzor pentru a deduce poziția. Prin triangulație se achiziționează date la rate foarte înalte, iar acuratețea este determinată de rezoluția senzorului folosit și de distanța dintre suprafața de interes și sistemul de scanare laser.

Pentru realizarea echipamentului care face obiectul acestui proiect s-a propus utilizarea de senzori laser 2D si 3D, mișcați pe diferite traiectorii de-a lungul obiectului. Cum aceștia nu dau suficiente informații pentru a reconstrui suprafața scanată dintr-o singură trecere, trebuiesc făcute mai multe treceri, la distanțe prestabilite. Pentru a transforma un șir de profile într-o singură descriere a suprafeței, se utilizeaza un software specializat. Unul dintre beneficiile cele mai importante ale scanării cu laser 2D si 3D este mărirea vitezei cu care poate fi măsurată o suprafață, însă acest tip de senzori laser cresc mult prețul echipamentelor, deoarece au prețuri destul de ridicate.

Unul dintre beneficiile principale ale măsurării 3D a suprafețelor constă în mărirea considerabilă a vitezei cu care poate fi reprodus un prototip. Metodele tradiționale cer ca obiectul să fie măsurat și redesenat într-un program CAD. Acest lucru ia mult timp. Procesul de scanare și post editare poate avea loc în doar 4-5 ore pentru o suprafață complexă.

7.4. Criteriile de selectare a senzorului

Criteriile de selectare a senzorului de măsurare sunt:

Particularitățile suprafeței:

dimensiunea și calitatea (rugoasă sau netedă);

strălucitoare, transparentă sau mată;

culoarea;

cu forme regulate sau neregulate;

cu trepte, canale sau găuri;

duritatea;

Condițiile de mediu:

temperatura;

umezeala;

vibrațiile;

lumina;

Timpul disponibil pentru realizarea măsurării:

cerințele specifice procesului de măsurare (precizie, forma de prezentare a rezultatelor);

costuri.

Principalele surse de erori ale echipamentului sunt:

Sistemul mecanic

erorile geometrice și deformațiile batiului;

erorile geometrice și deformațiile portalului;

erori ale sistemelor de ghidare;

Natura acestor erori poate fi:

statică;

dinamică.

7.5. Erorile subsistemului modular și adaptiv cu scanare laser 3D

Principalele surse de erori la utilizarea capului de măsurare cu laser cu spot punctiform sau tip banda sunt:

Reflexivitatea suprafeței măsurate

Senzorul laser prezentat mai sus evaluează în principal partea difuză a luminii reflectate (figura 7.22).

Figura 7.22. Factorul de reflexie pe suprafața țintă.

O evaluare exactă a factorului minim de reflexie este foarte dificil de realizat. Pentru compensarea erorilor cauzate de factorul de reflexie a suprafețelor neregulate se determină intensitatea reflexiei difuze din semnalul camerei CCD în timp real și se compensează fluctuația de intensitate. Acest senzor nu este recomandat pentru măsurarea suprafețelor transparente.

Diferențele de culoare

Diferențele de culoare combinate cu diferențele de penetrare a radiației laser în material determină modificarea dimensiunii spotului de măsurare și afectează linearitatea senzorului. Senzorul este calibrat pentru materiale cu suprafețe albe.

Pentru a se analiza modul în care culoarea pieselor influențează măsurarea prin scanare laser s-au utilizat mai multe tipuri de piese:

o piesă din oțel rectificat, brunat (piesă lucioasă de culoare neagră);

o piesă de formă paralelipipedică, dintr-un aliaj de aluminiu, mată (nu există reflexii secundare);

o piesă pe care s-au aplicat benzi adezive diferit colorate (roșu, negru, alb, albastru) care a fost scanată cu sistemul de măsurare prin contact și apoi cu cel fără contact.

Comparând rezultatele obținute s-a constatat că scanarea culorii albe a dat cel mai bun rezultat (precizia maximă). Clasamentul culorilor în funcție de precizia scanării, plasează pe locul doi culoarea roșie, urmată de culoarea albastră, iar pe ultimul loc se află culoarea neagră. Astfel, se poate concluziona că la scanarea unei suprafețe colorate în alb măsurarea este cea mai precisă, pe când la scanarea unei suprafețe de culoare neagră măsurarea are precizia cea mai scăzută.

Temperatura – înainte de utilizare trebuie uniformizată temperatura senzorului (minim 20 min).

Vibrațiile mecanice – pentru domeniul de rezoluții micrometrice sau submicrometrice, trebuie acordată atenție specială eliminării vibrațiilor din mediu și din sistem.

Calitatea suprafeței – la măsurarea suprafețelor rugoase apare fenomenul de „zgomot de suprafață”. Acest efect se poate reduce prin medierea rezultatelor.

Influența unghiurilor – înclinarea suprafețelor în jurul axelor x și y introduce erori si depinde de asemenea de reflectivitatea suprafeței.

7.6. Concepte și soluții originale virtuale prin simulare pe arhitecturi constructive

7.6.1. Sistem mecatronic în consolă pentru control dimensional X-Y-Z in structura constructiva originala

Configurațiile optime ale sistemelor mecatronice de măsurare și control dimensional se realizează prin intermediul subsistemelor componente și prin asigurarea caracterului modular și adaptiv al subsistemului de prindere precum și cel al subsistemului de măsurare.

Din punct de vedere al controlului dimensional, prin configurații optime se înțelege asigurarea unor măsurători precise prin utilizarea de senzori, traductoare, sisteme repetabile de transmisie a mișcării și softuri care să ia în considerare erorile de măsurare generate de mediul în care se desfășoară măsurarea.

Realizarea unui control dimensional pentru mai multe variații de piese presupune a se face măsurători spațiale, ceea ce necesită a corela sistemul de referință al sistemului de măsurare și al sistemului de centrare cu cel al reperului, astfel încât să se obțină date relevante pentru a putea fi utilizate mai departe pe fluxul de fabricație.

În figura 7.23 este prezentat un sistem mecatronic cu trei axe de translație x-y-z. Axa x este prinsă pe masa din profile de aluminiu, axa z se prinde de sania axei x prin intermediul unei piese de legătură și are atașat un sistem șurub-piuliță de compensare a săgeții, iar axa y se prinde printr-o placă de legătură de sania axei z și, de asemenea, are un sistem șurub-piuliță de compensare a săgeții. Pe sania axei y se prind, printr-o placă de legătură, senzorii de control dimensional.

Figura 7.23. Configuratie sistem mecatronic modular si adaptiv XYZ

Legendă:

1- șină de ghidare pentru axa „x” ;

2- sanie care culisează pe „x”;

3- sistem de compensare a săgeții pentru axa „z”

4- șină de ghidare pentru axa „z”;

5- motor electric pentru deplasarea saniei pe axa „z”

6 – sanie pentru axa „z”

7- șină de ghidare pentru axa „y”;

8 – motor electric pentru deplasarea saniei pe axa „x”

9- sistem de compensare pentru axa „y”

10 – motor electric pentru deplasarea saniei pe axa „y”

11 – senzori laser

12 – piesă de control

13- sistem de pozitionare piesa

14- masa din profile de aluminiu

Caracteristicile acestui sistem sunt date din punct de vedere:

mecanic: de viteza de deplasare a axelor, de precizia și repetabilitatea acestora;

electronic: de comunicația dintre diferitele dispozitive, de capabilitatea procesorului de a fi conectat cu diferite dispozitive și modularitatea acestuia;

software: de modul de inițializare, de modurile de lucru implementate, de capacitatea acestuia de a permite monitorizarea, controlul și mentenanța de la distanță a sistemului.

Deplasările liniare pe axele OX, OY și OZ vor fi realizate prin mecanisme cinematice de tip șurub-piuliță care conferă siguranță și precizie de poziționare pentru sistemul laser de control.

7.6.2. Sistem mecatronic inteligent XYZ + R in structura constructiva originala

În figura 7.24 este prezentat un sistem mecatronic cu trei axe de translație X-Y-Z și o rotație R. Axa x este așezată și prinsă de un cadru din profile, axa z este prinsă de sania axei x prin intermediul unor plăci de legătură și a unui sistem de ghidare, axa y se prinde de axa z prin intermediul propriei sănii care este așezată pe un suport susținut de un ghidaj și de axa z.

Figura 7.24. Configuratie sistem mecatronic inteligent XYZ + R.

13- motor electric pentru pentru deplasarea axei

Sistemul inteligent mecatronic pentru control dimensional și pentru încărcarea și/sau descărcarea pieselor în instalații de control, atât în regim automat, cât și semiautomat, este un sistem adaptiv și modular ce poate fi integrat în fluxul de fabricație. Piesele turnate sunt controlate atât în stare brută (după turnare, înainte de prelucrare) cât și în stare prelucrată. Verificarea pieselor în stare brută are scopul depistării pieselor cu defecte de turnare înaintea prelucrărilor mecanice, în vederea economisirii de timp, manoperă, energie, etc. Piesele controlate sunt puse pe banda de descărcare în două rânduri separate: piese bune și piese rebut.

Sistemul este format din următoarele subansamble:

sistem de control dimensional pentru piese reprezentat de doi senzori laser montați pe un profil, ce pot fi reglați.

sistem de rotire piesă format din: corp, două pistoane paralele cu mișcare alternativă, un sistem de transformare a mișcării lineare a pistoanelor în mișcare de rotație, format din două cremaliere atașate pistoanelor, un pinion și un disc de rotație atașat axului pinionului.

axă liniară de deplasare în plan orizontal, pe direcția „x” este o axă electrică de deplasare formată din: corp, motor electric, controler, reductor, kit axial, mecanism cu curea dințată pentru deplasarea săniei, ghidaj și sanie de deplasare.

axă de sprijin pentru deplasarea în plan orizontal, pe direcția „x”, care este similară axei lineare de deplasare descrisă mai sus, dar este formată numai din corp, ghidaj și sanie de deplasare (nu are motor, reductor, kit axial și mecanism cu curea dințată). Ea are rolul măririi capacității portante a axei liniare de deplasare.

axă liniară de deplasare în plan orizontal, pe direcția „y” este o axă electrică de deplasare formată din: corp, motor electric, controler, reductor, kit axial, mecanism cu curea dințată pentru deplasarea săniei, ghidaj și sanie de deplasare.

axă liniară de deplasare în plan vertical, pe direcția „z” este o axă electrică de deplasare formată din: corp, motor electric, controler, reductor, kit axial, șurub cu bile pentru transformarea mișcării de rotație în mișcare de translație pentru deplasarea săniei, ghidaj și sanie de deplasare.

sistem de rigidizare tip „feng” format din corp, placă de deplasare și coloane de ghidare; are rolul rigidizării axei de deplasare pe direcția „y” care lucrează în consolă.

pupitru operator de comandă format din panou operator (OP), butoane de acționare (avans, retragere, start, home-origine, stop urgență) și lămpi de control (start, home-origine și avarie).

panou de automatizare.

dulap de automatizare format din: sistemul Siemens de control (PLC) și elementele de protecție și securitate.

cadru suport.

Modul de operare al sistemului mecatronic inteligent se compune din două softuri de acționare:

programul pentru P.L.C. (sistem Siemens) care asigură inițializarea controlerelor pentru motoarele axelor de deplasare;

programul pentru O.P. (operator).

Acest program de vizualizare este interfața dintre sistemul mecatronic și operator și asigură selectarea modurilor de lucru și afișarea stării actuale în fiecare mod de lucru.

Modurile de lucru sunt următoarele:

manual: în acest mod se selectează mecanismul dorit și se apasă butonul „AVANS” sau „RETRAS”; mișcarea are loc atâta timp cât butonul este menținut apăsat.

semiautomat: în acest mod se selectează mecanismul și poziția de deplasare dorite și se apăsa butonul „START”; mișcarea are loc până la atingerea poziției selectate.

automat: în acest mod, după apăsarea butonului „START” se efectuează secvența de flux pentru piesa manipulată;

Acest sistem mecatronic s-a dezvoltat pentru verificarea diverselor repere turnate din aluminiu, care intră în componența:

motorului (capac chiuloasă, suport bucșă etanșare, ax culbutoare, capac cutie ieșire apă);

ambreiajului (carter ambreiaj);

cutiei de viteze (carter mecanisme);

transmisiei (corp modul întoarcere, capac modul întoarcere, bușon modul întoarcere).

CAPITOLUL 8. CONCEPTIE SI ELABORARE A MODELULUI VIRTUAL SELECTAT IN CONSTRUCTIE ORIGINALA A SISTEMULUI MODULAR ȘI ADAPTIV DE CONTROL INTELIGENT INTEGRAT 3D

8.1. Stabilirea principiilor și conceptelor originale pe baza cărora se elaborează modelul virtual

Deoarece mecatronica reprezintă combinația sinergetică și sistematică a mecanicii, electronicii și a informaticii s-a realizat modelarea și proiectarea conceptuală a sistemului mecatronic modular și adaptiv de control dimensional fără a se divide în parte mecanică, electronică și informatică datorită interdependențelor dintre elementele sistemului.

Modelarea și proiectarea conceptuală a sistemului mecatronic au un rol esențial în realizarea echipamentelor prin optimizarea, eficientizarea și reducerea costurilor de producție a acestora și reprezintă o activitate de analiză și sinteză în vederea obținerii unui nivel de performanță.

Etapele de realizarea a unui sistem mecatronic constau în analizarea sistemelor similare, concepția sistemului prin realizarea unor modele virtuale, realizarea modelului virtual și testarea sistemului. Analizarea sistemelor similare constă în formularea unor soluții și cerințe de concepție privind sistemul mecatronic modular și adaptiv de control dimensional.

Concepția reprezintă realizarea unor modele virtuale și analizarea acestora în vederea obținerii și realizării unui sistem optimizat. Proiectarea modelului virtual s-a facut cu softul SolidWorks.

8.2. Stabilirea temei tehnice

În figura 8.1 este prezentat modelul virtual al sistemului modular și adaptiv de control dimensional, în care sunt indicate principalele componente ale sistemului.

Pentru realizarea sistemului de control integrat 3D cu scanare laser s-au stabilit urmatoarele caracteristici tehnice:

Precizia de pozitionare: 0,005 mm

Cursa axelor: x – 500 mm

y – 500 mm

z – 750 mm

Precizia de pozitionare a mesei rotative: 350 x 350 x 500 mm

Rezolutia dispozitivului de scanare: 2 µm

Figura 8.1. Schema sistemului de control integrat 3D modular.

Legenda : 1 – masa

2 – bloc de control – controler

3 – brat robotic (6 grade de libertate)

4 – sistem de scanare laser

5 – masa pozitionare piesa (rotativa)

6 – axa control masa

7 – calculator

8 – monitor

9 – dispozitiv de control manual si invatare (teaching pendant)

10 – piesa de masurat

8.3. Descrierea cinematică a sistemului mecatronic modular și adaptiv de control dimensional in solutie originala

8.3.1. Schema cinematică a sistemului

În figura 8.2 este prezentată schema cinematică a sistemului modular și adaptiv de control integrat 3D cu scanare laser, a carui deplasare pe cele 3 axe spatiale XYZ se realizeaza prin combinarea rotatiilor elementelor componente.

Deplasarea pe axele x, y și z a sistemului de scanare laser se realizează prin combinarea miscarilor de rotatie a elementelor cinematice in jurul diferitelor axe spatiale. Aceste sistem de poziționare asigură precizia necesara pentru realizarea controlului dimensional al pieselor.

S-au reprezentat prin culori următoarele elemente:

roșu – elementele de acționare (motoare electrice);

verde – baza care este fixă;

albastru închis – lagăre (rulmenți);

mov – sisteme de transmitere a mișcării cu curea si întinzător, unde este cazul;

portocaliu – sisteme de transmitere a mișcării cu roți dințate (pinion – coroane dințate/ roți dințate conice);

albastru deschis – lanțuri dimensionale între axele de mișcare;

negru – elementele de referință fixe.

Cele 6 grade de libertate se realizează astfel:

primul grad de libertate se realizează prin intermediul unui motor electric, unui mecanism de transmitere a mișcării cu curea și unui mecanism de transmitere cu roți dințate tip pinion-coroană dințată. Rotația se realizează în jurul axului Al.

al doilea grad de libertate se realizează prin intermediul unui motor electric și unui mecanism de transmitere a mișcării cu curea cu întinzător. Rotația se realizează în jurul axului A2.

al treilea grad de libertate se realizează prin intermediul unui motor electric și unui mecanism de transmitere a mișcării cu curea cu întinzător. Rotația brațului se realizează în jurul axului A3.

al patrulea grad de libertate se realizează prin intermediul unui motor electric, unui mecanism de transmitere a mișcării cu curea și unui mecanism de transmitere cu roți dințate tip pinion-coroană dințată. Rotația se realizează în jurul axului A4.

al cincilea grad de libertate se realizează prin intermediul unui motor electric și unui mecanism de transmitere a mișcării cu curea. Rotația brațului se realizează în jurul axului A5.

al șaselea grad de libertate se realizează prin intermediul unui motor electric, unui mecanism de transmitere a mișcării cu curea și unui mecanism de transmitere cu roți dințate conice. Rotația se realizează în jurul axului A6.

Schema cinematica a sistemului pune in evidenta urmatoarele aspecte:

arhitectura optima cinematica;

spatiul constructiv adoptat la nevoile de masurare (conform temei tehnice);

pozitionarea componentiala a sistemului, adaptata spatiului constructiv;

manevrabilitatea si operationalitateaergonomica;

acces total in spatiul de masurare si fara alte bariere;

modularizarea flexibila pentru integrare in celule si insule de masurare completa a proceselor industriale

Figura 8.2. Schema cinematico-functionala dispozitiv de control integrat 3D.

8.3.2. Descrierea și analiza mobilității sistemului

Sistemul mecatronic modular si adaptiv de control integrat 3D trebuie să asigure înclinarea și deplasarea pe cele trei axe a sistemului de scanare laser (Figura 8.3). Deplasarea pe axa OX, OY si OZ se realizează prin intermediul celor 6 cuple cinematice de rotatie. Acestea sunt actionate cu ajutorul servomotoarelor, transmiterea miscarii de rotatie realizandu-se prin angrenaje pinion – roata dintata si mecanisme cu curele dintate trapezoidale. Sistemul de coordonate este centrat pe subsistemul de deplasare – pozitionare.

Figura 8.3. Sistemul de coordonate spatiale al sistemului.

Analiza mobilității sistemului presupune determinarea gradului de mobilitate al mecanismelor care îl constitue și reprezintă gradul său de libertate cu un element considerat fix. Gradul de mobilitate al mecanismului se dermină cu formula generală a lui Dobrovolski.

(8.1)

unde:

Mf – reprezintă gradul de mobilitate al mecanismelor de familie f,

f – familia mecanismului (numărul de restricții de mișcare comune pentru toate elementele mobile ale mecanismului),

n – numărul de elemente mobile ale mecanismului,

k – clasa cuplei cinematice,

Ck – numărul de cuple cinematice de clasă k.

Sistemul mecatronic este alcatuit din doua subsisteme:

subansamblul de deplasare – pozitionare (brat robotic cu 6 grade de libertate)

subansamblul de asezare piesa (masa rotativa 1 grad de libertate)

Figura 8.4. Schema cinematica cupla de rotatie numarul 1.

Figura 8.5. Schema cinematica cupla de rotatie numarul 2, 3, 4, 5, 6.

Pentru mecanismul din figura 8.4, mobilitatea se determină cu formula lui Dobrovolski pentru mecanismele din familia 0.

M0 = 6n – 5C5 – 4C4 – 3C3 – 2C2 – C4 (8.2)

În formula 8.2 numărul de elemente (n) este 2, numărul de cuple de clasa 5 este 1, iar restul parametrilor sunt 0.

M0 = (6 ∙ l)-(5 ∙ l)-(4 ∙ 0)-(3 ∙ 0)-(2 ∙ 0)-0 = l (8.3)

Figura 8.6. Schema cinematica 6 grade de libertate (6 cuple de rotatie)

Pentru sistemul brat robotic 6R din figura 8.6 mobilitatea este dată de suma mobilităților mecanismelor independente (figura 8.5). Astfel putem considera fiecare element ca un mecanism din familia 0 format din elemental E1-E6 avand ca baza elementul anterior (respectiv E0 – E5) la care se aplica formula 8.2. Delimitarea între componentele bratului robotic se face astfel:

primele trei axe și patru elemente constituie mecanismul generator de traiectorie, având numărul gradelor de libertate:

MMGT = 3 ∙ (n+1) + 2 ∙ C5 = 3 ∙ (4-1) – 2 ∙ 3 = 3 (8.4)

ultimele trei axe și trei elemente constituie mecanismul de orientare, având numărul gradelor de libertate:

MM0 = 3 ∙ n – 2 ∙ C5= 3 ∙ 3 – 2 ∙ 3 = 3 (8.5)

Astfel, mobilitatea subansamblului se calculeaza cu formula:

M = MMGT + MMO = 3 + 3 = 6 (8.6)

Mobilitatea intregului sistem de pozitionare conform formulei 8.6 este egala cu 6.

La mobilitatea subansamblului de pozitionare se adauga si mobilitatea subsistemului de asezare piesa (masa rotativa), care este compusa tot dintr-o cupla de rotatie cu gradul de libertate 1.

8.4. Descrierea sistemului modular și adaptiv de control dimensional

În figura 8.7 este prezentat schematic modelul virtual al sistemului modular și adaptiv de control dimensional în care sunt indicate principalele componente ale sistemului. Pentru proiectarea sistemului sa folosit softul SolidWorks.

Figura 8.7. Reprezentare virtuala simplificata a sistemului mecatronic modular si adaptiv de control integrat 3D

– Masa;

– Placa de prindere;

– Subansamblul de deplasare – pozitionare tip brat robotic 6 grade de libertate (6R);

– Sistem de scanare laser;

– Subansamblul de pozitionare tip masa rotativa;

– Axa electrica de actionare.

a) Masa – este subansamblul pe care se monteaza tot sistemul, in general pentru astfel de sisteme este o masa antivibratii, cu dimensiuni impuse de tema tehnica, care sa permita montarea tuturor subansamblelor existente (Figura 8.8). Aceasta asigura o suprafata plana, fiind dotata cu picioare reglabile pe inaltime si prevazuta cu canale de montaj si prindere pentru subansamblul de deplasare si pozitionare tip brat robotic 6R, subansamblul de pozitionare tip masa rotativa si axa electrica de actionare a subansamblului masa rotativa. Este realizata din profile de aluminium de 45 x 45 x diferite dimensiuni. Sistemul de prindere a subansamblelor pe masa se realizeaza cu ajutorul sistemelor de prindere tip surub-piulita de canal, oferind posibilitatea reconfigurari sistemului mecatronic in functie de necesitati precum si o accesibilitate ridicata.

Figura 8.8. Masa de montaj sistem mecatronic modular si adaptiv de control integrat 3D.

b) Placa de prindere – reprezinta componenta de legatura dintre subsistemul de deplasare si pozitionare tip brat robotic cu 6 grade de libertate (6R) si masa de montaj, preluand o serie de vibratii (Figura 8.9). Dimensiunile acesteia sunt conform temei alese, asigurand prinderea subsistemului de deplasare si pozitionare tip brat robotic cu 6 grade de libertate (6R) cu ajutorul sistemelor de prindere tip surub-piulita de canal forma T.

Figura 8.9. Placa prindere brat robotic – masa.

c) Subansamblul de deplasare si pozitionare tip brat robotic 6 grade de libertate (6R)

Acest subansamblu este un sistem serial alcatuit din 5 elemente distincte, legate intre ele prin cuple cinematice de rotatie, avand o structura deschisa (Figura 8.10). Subansamblul tip brat robotic cu 6 grade de libertate este asemanator ca cinematica cu bratul uman, de aceea denumirea elementelor componente este asemanatoare.

Figura 8.10. Axele de miscare si denumirea componentelor subansamblul modular brat robotic.

axe de rotatie : A1 – A6;

Baza de fixare;

Interfata mecanica de prindere a sistemului de scanare laser;

(c1) Elementul 0 ( Baza ) este elementul de fixare al bratului robotic fata de masa de determinand sistemul de coordonate spatiale a subansamblului fata de care se misca celelalte elemente. Acesta se prinde de placa de prindere montata pe masa cu ajutorul a 4 suruburi de fixare, care se introduc in cele 4 gauri. Baza bratului robotic contine interfetele de alimentare si control pentru motoarele de actionare a cuplelor de rotatie. Acesta contine si subansamblele de actionare (servomotor, angrenaj pinion – roata dintata si transmisia cu curele trapezoidale dintate) pentru prima cupla cinematica care asigura rotatia in jurul axei A1 a elementului 1 “umar”.

Figura 8.11. Descriere cinematico-functionala elemente actionare cupla de rotatie: roșu – elementele de acționare (motor electric M1); verde – baza care este fixă; albastru închis – lagăre (rulmenți); mov – sisteme de transmitere a mișcării cu curea si întinzător, unde este cazul; portocaliu – sisteme de transmitere a mișcării cu roți dințate (pinion – coroane dințate/ roți dințate conice); negru – elementele de referință fixe.

Mecanismul cu curea dințată trapezoidală transmite mișcarea de la motor, în raport 1:1, demultiplicarea realizându-se la nivelul superior pinion – coroană dințată, obținându-se o reducere a vitezei unghiulare cu un raport 1:4. Rotația se realizează în jurul axului Al.

(c2) Elementul 2 (Brat superior) impreuna cu elementul 1 ( umar ) executa ce-a de-a doua cupla de rotatie. Acesta contine in parte inferioara subansamblele de actionare si transmitere a miscari de rotatie (motor electric si transmisia cu curele dintate trapezoidale). Mecanismul cu curea dințată trapezoidală transmite mișcarea, de la motor, în raport 1:1. Rotația brațului se realizează în jurul axei A2.

Figura 8.12. Descriere cinematico-functionala elemente actionare cupla de rotatie 2.

(c3) Cel de-al treilea element ( Antebratul ) impreuna cu elementul 2 – brat superior determina cea de-a treia cupla de rotatie, elementele necesare actionarii acesteia fiind continute tot de elementul 2, modul de actionare fiind asemanator cu cupla anterioara.

Figura 8.13. Descriere cinematico-functionala elemente actionare cupla de rotatie 3.

Acest element este separat in doua parti distincte, partea superioara executand miscarea de rotatie fata de partea inferioara 4, astfel rezultand cea de-a patra cupla cinematica de rotatie, automatizata cu ajutorul elementelor de actionare si transmisie a miscarii, formate din servomotor electric, angrenaj pinion – roata dintata si sistem de transmitere cu curea dintata. Mecanismul cu curea dințată transmite mișcarea de la motor, în raport 1:1. Rotația se realizează în jurul axei A4.

Figura 8.14. Descriere cinematico-functionala elemente actionare cupla de rotatie 4.

(c4) Ce-a de-a cincea cupla de rotatie este realizata intre elementul 4 si elementul 5 (articulatie) cu ajutorul mecanismul cu curea dințată trapezoidală care preia miscarea de la servomotorul electric în raport 1:1. Rotația brațului se realizează în jurul axei A5.

Figura 8.15. Descriere cinematico-functionala elemente actionare cupla de rotatie 5.

Ultima cupla de rotatie este definita de catre elementul 5, care executa o miscare de rotatie in jurul axei A6. Mecanismul cu curea dințată trapezoidală transmite mișcarea de la motor, în raport 1:1.

S-au folosit pentru transmiterea mișcării sisteme de lagăruire cu rulmenți radiali cu bile, respectiv rulmenți radiali-axiali cu bile, după caz.

Figura 8.16. Detaliere domenii de operare subansamblul modular tip brat robotic 6R.

Domeniul de operare pentru cuplele de rotatie:

A 1: 4800 ( +2400 ; -2400 ); A 2: 2400 ( + 1200 ; – 1200 ); A 3: 1600 ( 0 ; + 1600 )

A 4: 4000 ( +2000 ; -2000 ); A 5: 2400 ( +1200 ; -1200 ); A 6: 7200 ( + 3600 ; -3600 ).

d) Sistemul de scanare laser

Sistemul de scanare laser este un sistem de scanare cu banda laser ce utilizeaza principiul triangulatiei laser, avand doua camere CCD cu ajutorul carora indentifica coordonatele spatiale ale punctelor pe care se afla banda laser (Figura 8.17). Acest sistem cu triangulatie este util pentru distante scurte si confera o precizie ridicata fata de sistemele pe baza de inteferometrie. Viteza de deplasare a sistemului de scanare laser este variabila in functie de viteza subansamblului de pozitionare – deplasare si a sistemului de achizitie.

Figura 8.17. Sistem de scanare laser – principiul cinematic.

Principiul de funcționare a dispozitivului de scanare laser de distanță scurtă – ales ca dispozitiv de măsură

Un dispozitiv de scanare cu laser este alcătuit dintr-o diodă laser și una sau doua camerede luat vederi, ambele montate într-un ansamblu rigid. Dioda laser emite un fascicul de raze laser focalizate sub formă de triunghi, forma ideală a acestuia fiind dată de intersecția dintre un con și un plan, ca în figura 8.18. Atunci când raza laser va ajunge pe un obiect având o suprafață mată, aceasta va descrie o linie curbă care va fi detectata de cameră. Prin procedeul de triangulație se pot calcula coordonatele tridimensionale ale fiecărui pixel de pe curba văzută de cameră, relative la sistemul de coordonate atașat dispozitivului de scanare.

Fig. 8.18. Principiul de functionare scanner laser utilizat

1 . Dioda Laser; 2 . camera (senzorul CCD)

3 . Piesa scanata; 4. Raza laser reflectata.

Pentru a calcula coordonatele 3D ale curbei descrise de raza laser sunt necesare două etape:

Identificarea razei laser pe imaginea de la cameră

Trecerea de la coordonatele 2D din planul imaginii la coordonatele 3D raportate la poziția dispozitivului de scanare

Identificarea razei laser poate fi realizată prin achiziția a două imagini succesive folosind camera de luat vederi: prima imagineva fi luată cu dioda laser oprită, iar a doua va fi luată cu dioda laser activată. Prin calculul diferenței între cele două imagini obținute, urmată de operația de digitizare, va rezulta o imagine care conține doar punctele aflate pe curba de interes (Fig. 8.19).

Fig. 8.19. Procesarea imaginii în vederea triangulației

Imaginea cu laserul oprit; b) imaginea cu laserul pornit; c) imaginea diferență

Fie XYZ sistemul atașat senzorului CCD al camerei, având originea în centrul matricii (Fig. 8.20). Dacă matricea CCD conține W × H pixeli, coordonatele unui pixel (l, c) având indicele liniei l de la 1 la W și indicele coloanei c de la 1 la H vor fi:

x = c – (W/2 + 0.5) (8.7)

y = -l + (H/2 + 0.5) (8.8)

De asemenea, fie XYZ sistemul de coordonate atașat dispozitivului de măsurare, având originea în focarul fasciculului laser (Fig. 8.20). Dioda laser luminează în sensul negativ al axei Z, iar planul în care este focalizată lumina laser este YZ. Rezultă că orice punct măsurat de către dispozitivul laser va avea coordonata X egală cu 0, iar coordonatele Y și Z vor fi determinate în funcție de poziția pixelului luminos de pe matricea CCD.

Vor mai fi folosite următoarele notații (Fig. 8.20 și Fig. 8.21):

f : distanța focală a camerei

a : distanța dintre planul luminii laser și focarul camerei

b : distanța dintre planul XY și focarul camerei

Φ : unghiul dintre axa camerei și axa diodei laser Z

β : unghiul dintre planul luminii laser și planul dat de axa Y și raza reflectată care atinge elementul fotosensibil al camerei

α : unghiul dintre raza reflectată și planul xz.

γ : valoarea maximă pe care o poate lua unghiul α

dmin : distanța minimă pe care o poate măsura dispozitivul

dmax : distanța maximă pe care o poate măsura dispozitivul

d0 : distanța indicată de dispozitiv atunci când raza reflectată atinge axa x a senzorului

Fie o rază laser care se reflectă pe suprafața obiectului și este detectată de senzorul CCD ca un punct luminos p având coordonatele (px ; py). Se dorește determinarea coordonatelor (PX ; PY; PZ) ale punctului P în care a avut loc reflexia.

Unghiul α dintre raza reflectată și planul XZ este (figura 8.21):

(8.9)

Unghiul β va avea valoarea (figura 8.20):

β = Φ – α (8.10)

Tot din figura 8.20 se poate observa expresia distanței d între punctul de reflexie și planul XY:

(8.11)

Fig. 8.20. Principiul de functionare camera video (senzor CCD)

a . Sistemul de coordonate al matricii CCD; b . Parametrii camerei video.

Fig. 8.21. Procesul de triangulație al dispozitivului de scanare laser.

Coordonata PZ fiind determinată, rămâne de calculat coordonata PY. Distanța parcursă de raza incidentă, din punctul de reflexie P până în focarul camerei, este:

(8.12)

Se calculează unghiul făcut de raza reflectată cu planul YZ:

(8.13)

Coordonata pe Y a punctului P rezultă:

PY = r tgα’ (8.14)

Înlocuind, rezultă expresiile finale pentru calculul coordonatelor punctului P în sistemul XYZ:

PX = 0 (8.15)

(8.16)

(8.17)

Considerând a, b, f și Φ constante ale dispozitivului de măsurare, se poate observa că PZ depinde numai de py ; pe de altă parte, PY depinde atât de py cât și de px.

Pentru exemplificare, va fi trasată dependența dintre coordonatele 3D ale punctului de reflexie și coordonatele 2D ale pixelului de pe imaginea luată de cameră. În exemplul urmator se vor folosi următoarele valori: a = 50 mm, b = 20 mm, γ = 15°, d0 = 170 mm. Se va considera o matrice CCD având W × H = 800 × 600 pixeli. Se vor calcula distanța focală f (unitatea de măsură fiind distanța fizică dintre 2 pixeli pe senzorul CCD), precum si unghiul Φ:

(8.18)

(8.19)

Dependența între distanța d = – PZ de la punctul de reflexie la planul XY și coordonata pe y a pixelului, py, este dată în figura 8.22 a). Dependența între PY și coordonata pe x a pixelului, px, considerând py constant, este o dreaptă care trece prin origine. Panta acestei drepte este o funcție neliniară de py, ilustrată în figura 8.22 b).

Se observă că rezoluția măsurătorii depinde de distanța d dintre punctul de reflexie și planul XY al sistemului de coordonate atașat dispozitivului de măsurare. Cu cât această distanță este mai mică, cu atât rezoluția măsurătorii este mai bună, și implicit precizia acesteia. Pe măsură ce distanța crește apropiindu-se de limita superioară, precizia scade exponențial. Această informatie este importantă la proiectarea traiectoriilor de scanare, în sensul că se va încerca apropierea scanner-ului de obiect cât de mult posibil, fără a exista însă pericolul coliziunii cu acesta.

Fig. 8.22. Dependenta dintre punctul de reflexie si planul XY atasat dispozitivului mecatronic

a. Dependența între d = – PZ și py ;

b. Dependența între panta dreptei PY = mpx și py.

Strategii de scanare cu dispozitivul mecatronic

Pentru piesele complexe , caracteristicile geometrice ale acestora poat fi examinat prin parcurgeri în planul XY, folosind fie un model de explorare predefinit precum grila sau spirala (Fig. 8.23), fie un model de explorare adaptativ, pe măsură ce zonele cu vizibilitate redusă sunt detectate.

Fig. 8.23. Modele de scanare

a . Explorare de tip grilă; b . explorare în spirală.

In exemplele de mai sus, dispozitivul de scanare este orientat vertical în jos, ceea ce permite scanarea cu precizie a bazei piesei. Pereții verticali nu vor fi detectați cu precizie, deoarece unghiul de incidență al razei laser este foarte mic. Există o limită minimă a unghiului de incidență al razei laser cu suprafața selectată, care în cazul dispozitivelor laser produse este de 20°. Pentru a analiza cu precizie și pereții verticali, scanarea va fi completată cu cicluri de explorare având dispozitivul de scanare înclinat la 45°, ca în figura 8.24.

Fig. 8.24. Explorare pe grilă la unghi de 45°.

După terminarea scanării folosind strategia predefinită, sistemul va analiza gradul de acoperire al scanării și, dacă va fi necesar, va genera traiectorii de scanare care vor putea acoperi și eventualele suprafețe care nu au putut fi analizate folosind strategia predefinită..

În cazul pieselor, unde este necesară scanarea pe întreaga suprafață aflată deasupra mesei, se va folosi una din strategiile din figura 8.25, și anume, scanarea pe traiectorii aflate pe o emisferă care înconjoară obiectul analizat, sau, în cazul obiectelor având înălțimea mult mai mare decât lățimea și lungimea, scanarea pe traiectorii aflate pe un cilindru rotunjit în partea superioară. Dimensiunile traiectoriilor vor fi stabilite după ce se vor cunoaște dimensiunile aproximative ale obiectului analizat.

Fig. 8.25. Strategi de scanare pentru piese complexe

a . Scanare pe semisferă; b . Scanare pe cilindru

După scanarea folosind traiectorii predefinite, sistemul va decide dacă este necesară folosirea unei strategii adaptive (rotirea piesei) pentru analizarea regiunilor concave care nu au putut fi analizate în etapa anterioară, și va genera traiectorii care să scaneze și aceste regiuni, în situațiile în care problema are soluție.

Pentru modelele la scară redusă, strategia de scanare va fi efectuată în doi pași. Primul pas este identic cu scanarea unui piese plane, în sensul că se va genera un nor de puncte care descrie suprafața obiectului vizibilă de deasupra mesei. Pentru al doilea pas, care presupune scanarea părții inferioare, au fost considerate două opțiuni posibile:

in cazul in care piesa este plana, sistemul roteste obiectul cu X°, urmând ca să se efectueze o nouă scanare folosind strategia de la pasul precedent. După aceasta scanare, este necesară unirea celor doi nori de puncte și exprimarea lor într-un sistem de coordonate unic.

este necesara intoarcerea piesei si realizarea unei noi scanari pe partea inferioara;

Dupa ce piesa a fost scanata atat pe partea superioara cat si pe partea inferioara sistemul va realiza combinarea norilor de puncte rezultati in urma scanarilor si va realiza corectiile necesare privind realizarea formatului 3D al piesei.

Sincronizarea celor trei componente ale sistemului de scanare – brațul robotic, masa rotativă și dispozitivul de scanare cu laser – este esențială pentru funcționarea la viteză ridicată fără a afecta precizia de scanare.

Cazul cel mai simplu este scanarea în regim staționar, unde procesul de scanare se desfășoară astfel:

brațul robotic deplasează dispozitivul de scanare deasupra piesei;

sistemul se opreste astfel rezultand anularea erorii de poziționare;

se citesc datele de la dispozitivul de scanare laser;

se repetă ciclul.

Utilizând această succesiune de operații, scanarea va funcționa cu precizie maximă, deoarece în momentul achiziției datelor, poziția dispozitivului de scanare în raport cu piesa este cunoscută cu precizie pentru că sistemul mecanic nu este în mișcare. Dezavantajul este că viteza de lucru este foarte mică, fiind limitată de capabilitățile subsistemului mecanic.

Alternativa este reprezentată de scanarea în regim dinamic, în care brațul robotic execută mișcări continue prin care este scanată suprafața ce trebuie reprodusă, achiziția de date de profunzime de la scanerul laser montat pe efectorul terminal al robotului fiind realizată în mod sincron cu citirea coordonatelor sistemului de referință atașat dispozitivului de scanare (aceste coordonate sunt calculate automat de la sistemele de măsură a deplasărilor în articulațiile robotului, apelând la modelul geometric direct al ansamblului braț robot + efector terminal).

e) Subansamblul de pozitionare tip masa rotativa (figura 8.26) este sistemul care asigura pozitionarea relativa a piesei de controlat fata de sistemul de scanare si, prin cupla cinematica de rotatie, creeaza un fel de „ al 7-lea grad de libertate” sistemului modular si adaptiv de control integrat 3D. Aceasta este de dimensiunile stabilite prin tematica si este actionata de catre un servomotor electric si un angrenaj pinion – roata dintata care transforma miscarea de rotatie a motorului electric in miscare de rotatie a mesei care se afla perpendicular pe axa motorului. Masa rotativa este prevazuta cu canale longitudinale si concentrice pentru dispozitivele de prindere piesa si asezata la o distanta Lx (in functie de configuratia bratului robotic), fata de subansamblul de deplasare-pozitionare in sensul de masurare sub planul XY al primei articulatii.

Cerințele de proiectare pentru masă sunt:

să poată fi montată în spațiul de lucru al robotului, permitându-i acestuia să scaneze piesa atât de deasupra cât și din lateral, fără a produce coliziuni;

să nu influențeze procesul de scanare prin reflexii nedorite;

inălțimea mesei trebuie să permită operatorului plasarea piesei cu ușurință;

pentru a nu mișca piesa în timpul scanării, masa trebuie să se poată roti cu mișcări line, fără vibrații și utilizând viteze și accelerații unghiulare reduse;

controllerul mesei rotative trebuie să poată comunica cu controller-ul robotului, astfel încât cele două mecanisme să poată executa mișcări simultan, folosind un mecanism de sincronizare;

Figura 8.26. Subansamblul de pozitionare tip masa rotativa.

Masa rotativă ce va fi folosită va fi acționată de un motor pas cu pas sau de un servomotor de c.c., care va fi comandat de un microcontroller. Acest microcontroller va comunica cu controller-ul robotului prin semnale digitale de intrare/ ieșire și printr-o legătură de comunicație serială și va genera formele de undă necesare pentru comanda motorului.

Dacă ansamblul robot – masă rotativă are de efectuat o mișcare liniară a dispozitivului de scanare compusă cu o rotație cu viteză constantă a mesei, comunicația dintre controller-ul robot și microcontroller va putea fi realizată în două etape:

inițializare: controller-ul robotului comunică microcontroller-ului mesei rotative prin interfața serială parametrii mișcării (viteză, destinație)

execuție: robotul și masa rotativă execută mișcarea, iar controller-ele acestora se sincronizează prin impulsuri digitale, unde controller-ul robotului impune ritmul mișcării (master), iar microcontroller-ul mesei rotative (slave) confirmă execuția acesteia.

În cazul în care traiectoria de scanare presupune mișcarea unui singur dispozitiv (fie a robotului, fie a mesei rotative) la un moment dat, operația de sincronizare nu mai este necesară.

Cuplarea mecanică a scannerului laser cu brațul robotic

Pentru a realiza cuplarea mecanică între scanner-ul laser și brațul robotului, a fost necesară proiectarea unui dispozitiv de fixare a celor două elemente (figura 8.27). Cerințele de proiectare sunt:

dispozitivul de scanare trebuie să poată fi montat pe gripper-ul existent. Gripperul este montat prin intermediul unui distanțier cilindric cu diametrul de 30 mm și lungimea de 70 mm;

se va avea în vedere posibilitatea montării/ demontării scanner-ului laser de către utilizator;

incheietura robotului și dispozitivul de scanare trebuie să formeze un ansamblu rigid

robotul trebuie să fie capabil să orienteze scanner-ul laser evitând coliziunea între cele două elemente;

cuplarea între dispozitivul de fixare și scanner-ul laser se va realiza cu șuruburi cu diametrul de 5 mm, așezate în jurul emițătorului laser;

suportul nu trebuie să influențeze procesul descanare prin blocarea razelor laser sau introducerea de vibratii;

gripper-ul existent trebuie să permită scanarea pieselor pe întregul domeniu de măsură al scannerului, între 50 și 250 mm, fără a intra în coliziune cu piesa.

Figura 8.27. Dispozitiv decuplare mecanica intre scanre si brat robotic

8.5. Alegerea motoarelor electrice. Calculul cinematic și energetic

Greutatea maxima rezultata conform softului de proiectare pentru fiecare subansamblu este urmatoarea:

Subansamblul de deplasare – pozitionare = 19 kg

Subansamblul de scanare = 2 kg

Subansamblul de pozitionare piesa = 3 kg

In cadrul sistemul modular fiecare cupla este actionata de cate un motor electric. Sa ales acest tip de actionare deoarece este mult mai silentioasa decat actionarea pneumatica sau hidraulica, are o fiabilitate ridicata, pozitionare precisa si repetabilitate buna, timp de reactie mic si constructie compacta. Transmisia aleasa este una cu curele late cu dinti deoarece asigura un randament mecanic ridicat, viteze unghiulare cinstante si o solicitare redusa a arborilor si lagarelor prin pretensionare mica la montaj. Fiecare motor este deservit de un controller specializat. Se considera puterea necesara a fiecarui motor in functie de greutatea maxima care trebuie deplasata. Întrucât datele inițiale prevăd cunoașterea puterii la arborele de lucru, rezultă că puterea necesară motorului electric se obține din relația:

(8.20)

unde s-au notat:
PMM – puterea necesară motorului electric;
PML – puterea la arbore,
ηtot – randamentul total la arborele mașinii de lucru, care se determină cu relația:

ηtot = ηangrenaj × ηrulmenti 2 × ηtc (8.21)

unde s-a notat:
ηangrenaj – randamentul angrenajului (ηangrenaj = 0,97…0,99 = 0.98);
ηrulmenți – randamentul unei perechi de rulmenți (ηrulmenți =0,99….0,995 = 0,992);
ηTCT     – randamentul transmisiei prin curele (ηtc =0,94….0,995 = 0,95);

Ținând cont și de factorul de suprasarcină β = 1.6 se obține:

PMM = PML x β (8.22)

Cu această valoare se alege conform STAS 1893-87 motorul electric care indeplineste parametrii necesari, respectiv puterea si turatia.

Exemplu de calcul:

Puterea necesară pentru fiecare motor este:

PML 1-6 = 170, 150, 120, 100, 70, 50, W

ηtot = 0.98 × 0.992 2 × 0.95 = 0.9161 = 91,61 % (8.23)

P1 = 170 / 0.9161 = 185,569 W ; P2 = 150 / 0.9161 = 163,737 W

P3 = 120 / 0.9161 = 130,99 W ; P4 = 100 / 0.9161 = 109,158 W

P5 = 70 / 0.9161 = 76,41 W; P6 = 50 / 0.9161 = 54,579 W

Ținând cont și de factorul de suprasarcină β = 1.6 se obține:

P1 = 185,569 × 1,6 = 296,91 W; P2 = 163,737 × 1,6 = 261,979 W

P3 = 130,99 × 1,6 = 209,584 W; P4 = 109,158 × 1,6 = 174,652 W

P5 = 76,41 × 1,6 = 122,256 W; P6 = 54,579 × 1,6 = 87,326 W

Cu această valoare se alege conform STAS 1893-87 motorul electric care indeplineste parametrii necesari, respectiv :

puterea: PM1,2 = 300 W

turația: ηM1,2 = 1450 rot/min

puterea: PM3= 250 W
turația: ηM3 = 1450 rot/min

puterea: PM4 = 185 W

turatia: 1425 rot/min

puterea: PM5= 150 W
turația: ηM5 = 1425 rot/min

puterea: PM6 = 110 kW
turația: ηM6 = 1450 rot/min

Calculul transmisiei prin curele late dintate cu arbori paraleli este standardizat (STAS 1163-71) :.

Exemplu :

Turația roții conducătoare:

η1 = ηM1,2,3,6 = 1450 rot/min

respectiv

ηM4,5= 1425 rot/min

Turația roții conduse:

η 2 = 1425 rot/min (sau iTC = 1)

unde iTC – raportul de transmisie pentru angrenajul cu curele.

Pe baza nomogramei pentru curele late dintate se alege cureaua tip SPA, plaja de valori ale diametrului primitiv al roții mici fiind  DP1 = 80….150 = 80

DP2 = DP1 × iTCT = 80 mm

Distanta preliminara intre axe se calculeaza cu formula:

0.7 (DP1 + DP2) ≤ A ≤ 2 (DP1 + DP2) (8.24)

0.7 (80 + 80) ≤ A1 ≤ 2 (80 +80)

112 ≤ A1 ≤ 320

Rezulta :

A1 = 200 mm

Figura 8.28. Schema de calcul transmisie cu curele.

Unghiul dintre ramurile curelei se calculeaza cu formula:

(8.25)

Unghiul de infasurare :

β1 = 1800 – ɣ = 1800 – 18.4120 = 161.5880

CAPITOL 9. ELABORAREA ÎN CONCEPȚIE ORIGINALĂ A MODELULUI EXPERIMENTAL „SISTEM MECATRONIC MODULAR ȘI ADAPTIV DE CONTROL INTELIGENT INTEGRAT 3D”

9.1. Descrierea generală a sistemului mecatronic modular și adaptiv de control dimensional

Sistemul mecatronic pentru control integrat 3D cu scanare a suprafețelor este un dispozitiv de control în trei coordonate, una verticală (z) – controlul înălțimile pieselor și două orizontale (x și y) în planul mesei de control. Echipamentul este conceput ca un aparat stabil, el putând fi utilizat în condiții de laborator sau în puncte special amenajate, în vederea controlului în secțiile de producție.

Principalele părți componente sunt:

– componente hardware:

masa de asezare (masa antivibratie);

subansamblul de deplasare – pozitionare (brat robotic cu 6 grade de libertare);

subansamblul de pozitionare piesa tip masa rotativa;

sistem de scanare cu laser (sistem cu triangulatie);

unitatea electronică de comanda și control (controler brat robotic si controler masa rotativa);

PC cu componente periferice

componente software:

Soft dedicat de digitizare (permite realizarea achizitia harti digitale a obiectului scanat – norul de puncte);

Soft dedicat generator de traiectorii (permite generarea traiectoriilor de scanare);

Soft dedicat de masurare (pe baza modelului digitalizat 3D permite controlul dimensional).

9.2. Proiectarea modelului experimental in conceptia autorului (figura 9.1)

La proiectarea modelului experimental s-a urmărit:

realizarea unui echipament care să permită montarea unor capete de măsurare interschimbabile, bazate pe principii de control diferite care se selectează în funcție de specificul suprafeței măsurate (calitate, culoare, formă, duritate, precizie, reflectivitate, etc);

realizarea unui echipament cu arhitectură deschisă, care să permită adaptări ulterioare (referitoare la utilizarea și a altor tipuri de traductoare de măsurare, practic, putând fi cuplat orice tip de traductor de măsurare, analogic sau digital), dezvoltarea softului de măsurare cu noi funcții, utilizarea unor module de deplasare cu performanțe superioare, interconectarea cu mașini de prelucrare 3D, etc;

realizarea unei structuri rigide, care poate fi montată pe echipamente de absorbție a vibrațiilor, cu elemente care să permită reglarea structurilor de bază pentru a obține condițiile constructive necesare obținerii performanțelor scontate;

realizarea unei structuri care să permită separarea erorilor, în scopul analizării și compensării acestora;

integrarea unor sisteme de deplasare silențioase, cu frecări reduse, pentru realizarea unui raport semnal/ zgomot ridicat în scopul creșterii preciziei de măsurare.

Figura 9.1. Structura hardware – model experimental.

Echipamentul proiectat, realizat și experimentat are în structură un sistem de scanare laser, bazat pe principiul triangulatiei (non-contact) in doua versiuni:

sistem de scanare non-contact cu spot laser punctiform, bazat pe principiul triangulației optice, rata de achizitie 100 puncte/secunda și rezoluție de 0.2 µm;

sistem de scanare non-contact cu spot laser liniar, bazat pe principiul triangulației optice, rata de achizitie 500 puncte/secunda si rezolutie 0,2 µm.

9.3. Structura sistemului mecatronic de control integrat 3D cu scanare laser

Dipozitivele de control integrat 3D non-contact folosesc tehnologia de "digitizare" sau "digitizarea 3D", care este un procedeu ce utilizează un palpator de digitizare non-contact (cu laser) pentru a capta prin scanare forma obiectelor și a le recrea într-un spațiu de lucru virtual printr-o rețea foarte densă de puncte (XYZ), sub formă de reprezentare grafică 3D. Datele sunt colectate sub formă de puncte și fișierul rezultat este numit "nor de puncte" după care sunt, de obicei, post-procesate într-o rețea de poligoane mici (mod simplu), care sunt numite rețea poligonală 3D sau mesh, aceste informații putand fi salvate în diferite formate CAD [18].

Sistemul mecatronic propus pentru scanare, achiziție, aliniere și inspecție cu laser, a datelor ce descriu suprafețe 3D este compus din următoarele elemente de bază (figura 9.1).

− Dispozitiv de scanare cu laser (scaner laser): sistem de achiziție, hardware și bibliotecă software cu funcții de achiziție și prelucrare primară (figura 9.2) (îmbunătățire imagini, aliniere, eliminare puncte în exces, asociere culoare) [27].

Dispozitivul ales este un scaner laser tip Clasa II de distanță scurtă (deoarece dorim o precizie cât mai ridicată – necesară în cadrul industriei auto) de la CREAFORM, cu triangulație, având trei senzori de achiziție CMOS. În general dispozitivele de scanare normale prezintă doar un senzor, însă soluția propusă este ideală, deoarece dorim scanarea suprafețelor complexe. Distanțele optime de scanare sunt cuprinse între 51 mm și 251 mm, lățimea liniei de scanare putând varia între 30 și 100 mm. Precizia medie de masurare la nivel de punct este sub 10 μm pentru tipul de scanner laser ales. Rata de achiziție este cuprinsă între 50 și 500 cadre pe secundă, iar numărul de puncte citite pe o linie de scanare este egal cu 500.

Figura 9.2. Scanner laser 3D CREAFORM.

a . model virtual ; b . model experimental

Acest sistem de achiziție laser se interfațează cu PC-ul folosind un port PCIExpres standard și dispune de un semnal digital RS485, care poate fi folosit pentru sincronizarea cu controllerul robotului [29] și este compus din scanerul propriu-zis, cablul de achiziție date, alimentare scanner laser și card PCI Expres (care realizează conexiunea cu calculatorul) (figura 9.3).

Figura 9.3. Interfata tip Card PCI Expres comunicație PC.

− Braț robot articulat vertical sau braț de măsurare (antropomorfic) cu 6 grade de libertate (figura 9.4) – sistem mecanic, controler multitasking, ghidare prin reacție vizuală de la camera de control (GVR), modul de învățare, software de comandă mișcare robot, cu extensie GVR [14]. Pentru dispozitivul experimental s-a utilizat bratul Mitsubishi RV-2A.

Figura 9.4. Braț robotic articulat cu 6 grade de libertate (Mitsubishi RV-2BD)

a . model virtual ; b . model experimental

Sistemul robot folosit pentru baleierea razei laser este un robot articulat vertical cu 6 grade de libertate (figura 9.5). Precizia mișcării brațului robot este de aproximativ 0.002 mm. Brațul robotic este acționat de servomotoare și folosește encoder de poziție pentru a calcula coordonatele de deplasare, putându-se mișca cu o viteză de 2.1 m/s și deplasa o sarcină maximă de 5 kg. Acesta este dotat cu un sistem de interfațare cu PLC cu 8 intrări/ 8 iesiri prin cablu cu terminație Syslink IEEE488 cu 24 de pini. Bratul robotic este deservit de un controller multitasking care poate memora până la 80 de programe cu 2500 de poziții pe program, modul de interpolare PTP și CP, procesor 64 biți cu posibilități de comunicare RS232/ internet și digital. Softul de programare pentru acesta permite programarea în limbajele Movemaster Command și IRL precum și posibilitatea de importare fișiere cu extensia SFX, STL sau VDAFS 2.0.

Domeniile de operare pentru cele 6 cuple cinematice de rotatie sunt:

A 1: 4800 ( +2400 ; -2400 )

A 2: 2400 ( + 1200 ; – 1200 )

A 3: 1600 ( 0 ; + 1600 )

A 4: 4000 ( +2000 ; -2000 )

A 5: 2400 ( +1200 ; -1200 )

A 6: 7200 ( + 3600 ; -3600 )

Viteza maximă compusă la vârf este 4400 mm/s.

Figura 9.5. Reprezentarea gradelor de libertate ale brațului robotic.

− Masă de pozitionare rotativă – optional (figura 9.6) cu poziționare precisă în bucla de reglare a deplasării și vitezei de rotație.

Figura 9.6. Masa rotativa.

a . model virtual ; b . model experimental

Masa de pozitionare rotativă pe ghidaje hidrostatice asigura pozitionarea precisa a piesei de controlat fata de sistemul de scanare laser si este comandată ca axă externă de mișcare, de controllerul brațului robotic, mișcarea acesteia fiind sincronizată cu mișcarea robotului [30]. Utilizarea mesei rotative este necesară pentru a asigura o scanare cat mai precisa si pentru a micsora sau anula situatiile tip „con de umbra” care pot aparea in timpul operatiei de scanare. Sistemul este controlat de un soft de control care realizează conexiunile între cele doua componentele, respectiv bratul robotic si masa rotativa (figura 9.7).

Figura 9.7. Conexiunile software ale sistemului de scanare laser 3D.

1 . Intrare PC; 2 . Conexiune PC – Controler;

3 . Conexiune Controler – Brat Robotic; 4 . Conexiune PC – Scanner;

5 . Sincronizare Controler – Scanner Laser ; 6 . Sincronizare Controler Robot – Controler Masa Rotativa

7 . Conexiune Controler Masa – Mecanism Masa Rotativa

Inspecția pieselor prelucrate este realizată implicit de către sistemul de vedere artificială 2D (cameră optică) care poate oferi o precizie a măsurătorii de până la 0.025 mm în funcție de alegere. În cazul în care cerințele de calitate sunt de înaltă precizie sau necesită măsurători complexe (trăsături conice, profile sau alte dimensiuni critice) soluția propusă este reprezentată de către sistemul de scanare 3D compus din brațul robot articulat vertical, dispozitivul de scanare și masa rotativă [41]. Această soluție oferă flexibilitatea și adaptabilitatea sistemului de control al calității cât și o precizie de ordinul micronilor. Dispozitivul poate fi echipat cu un gripper sau un end-efector în consolă magnetic pentru cazul în care trebuie modificată utilitatea acestuia. Sistemul laser poate fi acționat cu un swich extern, conform schemei din figura 9.8.

Figura 9.8. Schema de comandă a sistemului laser din exterior.

Un aspect important al sistemului implementat îl reprezintă adaptabilitatea acestuia la un interval mare de tipodimensiuni, acoperind diverse mărimi, forme. De asemenea, sistemul este flexibil în definirea și încorporarea unor noi ordine de inspecție pentru noi produse [45]. Dispozitivul de scanare fiind montat în flanșa (gripper-ul) brațului robot, se consideră că obiectul scanat poate fi mărginit de un cilindru vertical, având diametrul și înălțimea maximă specificate după cum urmează:

• pentru scanare completă de deasupra, înălțimea maximă a piesei este de 500 mm și este impusă atât de distanța maximă de scanare a dispozitivului laser, cât și de constrângeri datorate mișcării robotului. Diametrul maxim al piesei este de 500 mm.

• pentru scanare din lateral, diametrul maxim este de 500 mm, iar înălțimea maximă este de 500 mm. Restricția de 200 mm este din cauza necesității unei distanțe minime între dispozitivul de scanare și piesă.

• pentru scanare combinată, din lateral și de deasupra, diametrul maxim este de 500 mm, iar înălțimea maximă de 500 mm.

În figura 9.9, în culoare roșie (închisă) se prezintă spațiul de lucru al bratului robotic cu 6 grade de libertate. Spațiul de lucru este dat de primele 3 articulații și nu ține seama de articulațiile 4, 5 și 6, care au rolul doar de a modifica orientarea gipperului formand asa numitul modul de orientare [17].

Figura 9.9. Spatiul de lucru al bratului robotic articulat cu 6 grade de libertate.

9.4. Principiul de măsurare al sistemului 3D cu scanare laser

Verificarea metrologică cu precizie cât mai mare și într-un timp cât mai scurt sunt cerințe majore ale industriei pentru creșterea calității produselor și reducerea costurilor de fabricație. Măsurarea suprafețelor complexe se realizează în prezent prin diferite tehnici de măsurare, cu contact și fără contact.

S-a urmărit realizarea unor cercetări teoretice și experimentale în domeniul măsurării suprafețelor îmbinând specificul scanării cu laser prin intermediul unei mașini de măsurat în coordonate. În scopul optimizării procesului de măsurare s-au utilizat programe de prelucrare a datelor, ecuații și programarea de algoritmi.

Scanarea 3D este o metodă care utilizează un palpator pentru a capta forma obiectelor 3D și pentru a le recrea într-un spațiu de lucru virtual, prin care caracteristicile geometrice ale unui obiect sunt transferate în mediul virtual, într-un mod organizat rezultând ceea ce se numește de obicei date 3D de scanare sau nor de puncte. Odată ce datele de scanare pot fi accesate în format digital, pot fi determinate toate carcateristicile geometrice ale obiectului fizic.

9.5. Eroarea sistemului mecatronic high-tech de control integrat 3D cu scanare laser

Deoarece acest sistem de control integrat 3D este realizat din trei componente distincte – scanner laser, brat robotic si masa rotativa de pozitionare – eroarea totala a sistemului este determinata de suma erorilor partilor componente. Astfel :

E totala = E scaner + E brat + E masa (9.1)

E scaner – eroarea de scanare a dispozitivului laser utilizat care poate varia in functie de factorii externi – gradul de reflexie al piesei, interferentele mediului ambiental, pozitionarea razei laser – influentand operatia de preluare a datelor in mod diferit in timpul diferitelor operatii de scanare.

Principalele categori de surse de erori pentru scanarea laser sunt urmatoarele:

erori instrumentale – aleatoare sau sistematice.

Eroriile sistematice sunt in general datorate nelinearitatii sistemului de masurare a timpului sau de temperatura , iar erorile aleatoare afecteaza precizia de masurare a distantelor si unghiurilor.

erori legate de forma si natura obiectului scanat – deoarece scanerele laser masoara reflexia razei laser de la suprafata unui obiect care poate fi pe mai multe directii, putem descrie acest tip de reflectie izotropica cu legea Lambert a cosinusului :

Ireflexie (λ) = Ii (λ) ∙ kd (λ) ∙ cos θ (9.2)

unde:

Ii (λ) – reflexia lumini incidente ca functie de lungime de unda;

kd (λ) – coeficentul de reflexie functie de lungimea de unda;

θ – unghiul intre lumina incidenta si normala la suprafata.

Aceasta lege ne indica ca raza laser este afectata de absorbtia semnalului la trecerea prin aer, de reflectia materialului din care este realizata piesa scanata si de unghiul de incidenta dintre raza laser si suprafata scanata. Astfel pentru suprafetele inchise ( albastrul inchis, negru) semnalul va fi foarte slab din pricina absortiei marite, rezultand o serie de erori in cadrul norului de puncte..

– erorile datorate mediului in care se efectueaza scanarea – temperatura, radiatiile interferente, atmosfera si vibratiile influenteaza negativ procesul de scanare;

– erorile metrologice – erorile date de tehnica de scanare aleasa sau de experienta operatorului.

E brat – eroarea de pozitionare a bratului robotic antropomorf, respectiv Mitsubishi RV-2BD. Aceasta este calculata considerand bratul robotic o masina de masurat in coordonate cu 6 grade de libertate, privita ca un ansamblu spatial format din 3 ghidaje rectangulare, pe care se deplaseaza masurabil 3 sanii, rezultand astfel 21 de componente de eroare.

E masa – eroarea de pozitionare unghiulara a mesei rotative fata de sistemul de coordonate al cuplului brat robotic – scanner laser.

În forma complexă eroarea sistemului mecatronic 3D cu scanare laser este determinata de o serie de parametri (figura 9.10) care pot varia, rezultând astfel o variație a erorii totale.

Figura 9.10. Principalii factori de eroare ai sistemului de control integrat 3D.

9.6. Calculul cinematic al bratului robotic

Pentru ca end-efectorul robotului să urmărească un ciclu impus, este necesar controlul coordonării gradelor de libertate privind poziția, viteza și accelerația. O etapă în realizarea controlului robotului îl reprezintă modelarea geometrică directă, în urma căreia se obțin poziția și orientarea end-efectorului sau in cazul in care se cunoaste pozitionarea si orientarea end-efectorului, se utilizeaza modelarea geometrica inversa pentru realizarea sistemului de comanda in bucla inchisa.

Bratul robotic cu 6 grade de libertate (antropomorf) este constituit din componentele următoare:

mecanismul generator de traiectorii (MGT) având rolul de a asigura poziția cerută în spațiul de lucru al robotului (figura 9.11);

Figura 9.11 . Robot antropomorf – MGT

a . schema cinematica; b . schema vectoriala;

mecanismul de orientare (MO) care realizează orientarea cerută în spațiul de lucru al

robotului (figura 9.12);

Figura 9.12. Robot antropomorf – MO

end-efectorul ce realizează imobilizarea relativă a obiectului de manipulat , respectiv sistemul de scanare laser.

În practică, configurația geometrică a unei articulații este reprezentată printr-o serie de parametri constanți, lungimea ai și unghiul αi parametrii variabili fiind unghiul θi la o articulație de rotație sau lungimea di la o articulație de translație.

Gradele de libertate sunt distribuite în mod egal (câte trei grade) pentru cele două mecanisme, de poziționare, respectiv de orientare, acest aspect asigurând o mobilitate ridicată în spațiul de lucru.

În raport cu sistemul de coordonate absolut WCS legat de baza robotului O0X0Y0Z0, poziția unui solid în spațiu este determinate dacǎ este cunoscutǎ poziția originii Oi a sistemului de coordonate asociat solidului și orientarea axelor sistemului de coordonate OiXiYiZi in raport cu sistemul de coordinate absolut WCS (figura 9.13).

Figura 9.13. Reperarea solidului in sistemul de coordinate absolute WCS

(9.3)

unde:

i, j, k – sunt vectori unitari ai sistemului de referinta OXYZ

Matricea de pozitie Vij care da coordonatele origini noului reper rep(j) fata de vechiul reper rep(i) in raport cu sistemul de referinta OiXiYiZi este de forma :

(9.4)

Pentru calculul cinematic se pot utiliza trei metode de calcul fiecare cu avantajele si dezavantajele sale.

a) Metoda cosinusurilor directoare

Vectorii unitari ai noului sistem de referințǎ OjXjYjZj se pot exprima în funcție de vechiul sistem de referințǎ OiXiYiZi :

(9.5)

unde:

t11 = cos α1 ; t12 = cos β1 ; t13 = cos γ1 ;

t21 = cos α2 ; t22 = cos β2 ; t23 = cos γ2 ;

t31 = cos α3 ; t32 = cos β3 ; t33 = cos γ3 ;

sunt cosinusurile directoare ale unghiurilor formate de fiecare axǎ a noului sistem (al doilea indice) în raport cu axele vechiului sistem de referințǎ(primul indice).

Matricea cosinusurilor directoare transpusǎ se numește matricea de rotație Rij și definește orientarea reperului rep (j) în raport cu vechea poziție rep (i):

(9.6)

Unde matricea de rotatie are propietatea :

RTij =R-1ij =Rij (9.7)

Cunoașterea celor două matrici caracteristice permite determinarea completă a poziției unui reper în raport cu altul prin intermediul matricei de trecere neomogene:

(9.8)

Matricea de trecere omogena 4×4

(9.9)

Tin = Tij ∙Tjj+1∙ …∙Tkk+1∙…∙Tn-1n (9.10)

unde Tk,k+1 sunt matricile de trecere omogene corespunzatoare unei treceri de la reperul rep(k) la reperul rep (k+1).

Metoda unghiurilor lui Euler

Poziția axelor noului reper rep(j) poate fi definite în raport cu vechiul reper rep(i) în funcție de trei unghiuri rezultate prin trei rotații succesive (figura 9.14) realizate în urmǎtoarea ordine:

(9.11)

Figura 9.14. Unghiurile lui Euler

Matricea de rotatie Rij este :

(9.12)

Corespunzator unei deplasari in spatiu a sistemului OjXjYjZj atasat unui corp solid se determina matricea de trecere omogenea Euler avand in vedere si matricea de pozitie:

(9.13)

Metoda Denavit – Hartenberg

Determinarea poziției unui solid orientat rep(j) în raport cu alt solid orientat rep(j-1) poate fi determinate prin intermediul a patru parametri de poziție θj, aj, dj, αj (figura 9.15) definiți astfel:

(9.14)

Figura 9.15. Determinarea pozitiei unui solid prin metoda Denavit – Hartenberg

Exemplu de calcul cinematic direct pentru un brat robotic 6R

În cazul unui brat robotic posedând h grade de libertate, elaborarea algoritmilor de comandă, presupune modelarea geometrică a structurii sale mecanice. Ecuațiile prin care se realizează modelarea geometrică pot fi scrise sub următoarea formă simbolică:

(9.15)

Unde:

– reprezintă vectorul unicoloană al coordonatelor generalizate;

k , k = 1÷ h – fiecare cuplă cinematică motoare;

0 – reprezintă vectorul unicoloană al coordonatelor operaționale care definesc poziția end-efectorului robotului în raport cu sistemul fix T0 de la baza acestuia.

Prima ecuație matriceală (1) definește modelul geometric, direct și invers, în ipoteza statică, conform căreia vectorii și 0 sunt legați prin relații statice, nedepinzând de parametrul timp, respectiv în ipoteza de rigiditate, conform căreia elementele constitutive ale structurii mecanice a robotului sunt considerate solide rigide, iar cuplele cinematice sunt perfecte sub aspect mecanic.

În conformitate cu relația (1), se poate scrie ecuația fundamentală a modelării geometrice directe:

0 = f () (9.16)

Unde:

f – reprezintă un operator liniar de transformare directă a vectorului unicoloană in 0

Configurația bratului robotic reprezentată prin vectorul se presupune cunoscută și se determină parametrii geometrici care definesc vectorul 0 :

0 = (9.17)

0 = (9.18)

Unde:

– reprezintă vectorul unicoloană al originii Oh a sistemului de coordonate Th în raport cu end-efectorul, exprimat față de originea O0 a sistemului fix T0 de la baza robotului

– reprezintă matricea de rotație 3×3, care exprimă orientarea axelor sistemului Th în raport cu axele sistemului T0.

Pentru orientarea sistemului Th sunt necesari parametri independenți, (unghiurile lui Euler).

Pentru calculul bratului robotic cu 6 grade de libertate (6 rotatii) se va utiliza schema cinematica din figura 9.16 unde se poate observa detalierea parametrilor pe fiecare cupla cinematica:

Figura 9.16. Detaliere schema cinematica structurala brat robotic 6R

In figura 9.16 sa notat cu:

l0,li ,i =1÷6 – dimensiunile parametrilor constructivi ai robotului;

k = 1÷6 – numărul gradelor de libertate.

Sistemele de referinta alese sunt:

O0 (x0 y0 z0)- sistem cartezian fix cu originea O0 într-un punct de la baza robotului, cu axele O0 x0 și O0 y0 conținute în planul orizontal și axa O0 z0 verticală de simetrie;

O1 (x1 y1 z1) – sistem cartezian mobil, solidar cu modulul de rotație 1, având originea O1 pe verticala lui O0 , axele O1 x1, O1 y1 rotite cu unghiul q1 față de O0 x0, O0 y0 și axa O1 z1 suprapusă peste O0 z0 ;

O2 (x2 y2 z2) – sistem cartezian mobil, solidar cu modulul de rotație 2, având originea O2 pe verticala lui O0, axa O2 x2 paralelă cu O1 x1, iar axele O2 y2, O2 z2 rotite față de O1 y1 si O1 z1 cu unghiul q2 în planul perpendicular O2 pe O2 x2;

O3 (x3 y3 z3) – sistem cartezian mobil, solidar cu modulul de rotație 3, având originea O3 pe O2 y2, axa O3 x 3 paralelă cu O2 x2, iar axele O3 y3, O3 z3 rotite față de O2 y2 , O2 z2 cu unghiul q3 în planul perpendicular O3 pe axa O3 x3 ;

O4 (x4 y4 z4) – sistem cartezian mobil, solidar cu modulul de rotație 4, având originea O4 pe axa O4 y4, axa O4 y4 suprapusă peste axa O3 y3, iar axele O4 x4 și O4 z4 rotite cu unghiul q4 în planul perpendicular O4 pe O4 y4;

O5 (x5 y5 z5) – sistem cartezian mobil, solidar cu modulul de rotație 5, având originea O5 pe axa O4 y4, axa O5 x5 paralelă cu O4 x4, iar axele O5 y5 și O5 z5 rotite cu unghiul q5 în planul perpendicular O5 pe axa O5 x5;

O6 (x6 y6 z6) – sistem cartezian mobil, solidar cu modulul de rotație 6 care include și end-efectorul. Sistemul de referință are originea O6 pe O5 y5, axa O6 x6 paralelă cu O5 x5, iar axele O6 y6 și O6 z6 rotite cu unghiul q6 într-un plan perpendicular O6 pe axa O6 x6.

Modelarea geometrică directă va fi realizată folosind metoda matricelor de rotație 3×3. Matricele de orientare relativă, care exprimă poziția fiecărui sistem Ti, (i 16), în raport cu sistemul anterior Ti1, sunt:

(9.19)

unde :

s – sin (qi)

c – cos (qi)

Vectorii de poziție relativă ai originii Oi a sistemelor Ti, (i = 1÷6) , în raport cu sistemul anterior fix de coordonate T0, sunt:

; ; ; ; ; (9.20)

Matricele de rotație absolută, care exprimă orientarea fiecărui sistem Ti, (i = 1¸ 6), față de sistemul fix T0, sunt:

; ; ; (9.21)

; ; (9.22)

(9.23)

Determinarea setului de parametri independenți de orientare , se realizează utilizând matricea de rotație:

) (9.24)

Unde:

)= (9.25)

Utilizând relația (8) și ultima ecuație din setul (6), rezultă setul de parametric independenți ai orientării scriși sub forma:

= (9.26)

Următoarele relații se folosesc pentru exprimarea poziției originii fiecărui sistem T i , (i = 1¸ 6), în raport cu sistemul Ti1:

; ; ; ; (9.27)

; ;

=

(9.28)

Cu ajutorul relațiilor (9.27 si 9.28) se obțin pozițiile sistemului Ti, în raport cu sistemul de coordonate fix de la baza robotului, T0:

; ; ; ; (9.29)

; ;

(9.30)

Introducând rezultatele obținute in ecuațiile anterioare în expresia vectorului coloană al coordonatelor generalizate:

0 = T = T (9.31)

se obține expresia acestuia:

0 =

(9.32)

Poziția end-efectorului este determinată de poziția unui punct P al său de coordonate px, py, pz, și de elementele ale matricei de orientare. Coordonatele px, py, pz au valorile egale cu primele trei elemente ale matricei 0, matricea de orientare având elementele egale cu ultimele trei elemente ale matricei 0.

Problema de cinematică directă reprezintă ansamblul relațiilor care permit definirea poziției efectorului final (sistemul de scanare) în funcție de coordonatele articulare, practic ea asigurând conversia coordonatelor interne (articulare) în coordonate externe (operaționale). Conversia coordonatelor articulare în coordonate operaționale se face prin rezolvarea problemei cinematice directe iar conversia coordonatelor operaționale în coordonate articulare se face prin rezolvarea problemei cinematice inverse, permite calcularea coordonatelor articulațiilor, care aduc efectorul final în poziția și orientarea dorită, date fiind coordonatele absolute.Atunci când problema cinematică inversă are soluție, ea se constituie în modelul geometric invers, dacă nu putem găsi o soluție analitică problemei cinematice inverse (ceea ce se întâmplă destul de frecvent) putem apela la metode numerice, al căror neajuns însă îl constituie volumul mare de calcule. Există o varietate de metode de rezolvare a problemei cinematice inverse. Poziția punctului de intersecție al celor trei axe este unic determinat doar de variabilele qn, un alt avantaj al structurii decuplate fiind faptul că permite disocierea și tratarea separată a poziționării și a orientării.

Metoda lui Khalil si Pieper permite rezolvarea problemei cinematice inverse indiferent de valorile caracteristicilor geometrice al robotului, dar pentru robotii cu sase grade de libertate si care poseda sau trei cuple cinemtice de rotatie cu axele concurente sau trei cuple cinematice de translatie. Datorita flexibilitatii si faptului ca poseda solutie a problemei cinematice inverse, aceasta structura cu trei cuple de rotatie cu axele concurente (numita si structura 'decuplata' ) se regaseste in majoritatea modelelor de roboti comercializate. Pentru clasa robotilor cu sase grade de libertate posedand trei cuple cinematice de rotatie cu axe concurente numarul maxim de solutii este de 32. Pentru calculul acestora s-a utilizat un program de calcul implementat in MATLAB si in OCTAVE.

Pentru a se verifica daca solutia de calcul aleasa este corecta pentru o serie de puncte ale end-efectorului din spatiul de lucru al robotului, au fost calculate cu ajutorul cinematici directe ( acestea au fost realizate cu ajutorul programului de calcul) si comparate cu pozitia end-efectorului din softul de programare al bratului robotic utilizat in moelul experimental (CIROS Programi

Pentru bratele robotice automatizate eroarea de poziționare este dată de relația:

ε poz = εc + εs + εcom (9.33)

unde:

ε poz – eroarea de poziționare;

ε c – eroarea de calcul;

ε s – eroarea sistemului fizic de măsură;

ε com – eroarea de comandă

Prin adoptare de soluți de compensare a erorilor εc și εs putem considera ca acestea sunt neglijabile în raport cu ε com, așadar:

Ε poz ≅ ε com (9.34)

ε poz max ≅ ε com max (9.35)

ε ≅ vmax .ti max ≅ vmax .Ts (9.36)

unde:

ti max = timpul de intarziere;

Ts = constanta de timp a sistemului ( incluzand si calculatorul);

In urma calculelor, considerand o serie de factori (mai putin importanti) neglijabili rezulta o variatie a erorii totale de ± 0.002 mm.

9.7. Tehnologia de control integrat 3D

9.7.1. Descrierea etapelor tehnologiei de control integrat 3D prin scanare laser

In urma testelor efectuate in laborator pe prototipul dezvoltat a rezultat ca tehnologia de control integrat 3D este realizată efectiv în două etape (figura 9.11):

etapa de scanare și digitalizare propriu-zisă;

etapa de transfer și control dimensional.

Etapa de scanare și digitalizare cuprinde următoarele subetape:

etapa de pregătire și poziționare piesă;

etapa de realizare traiectorii de scanare;

etapa de scanare și digitalizare în timp real;

etapa de finisare a informației obținute (îndepărtare suprafețe izolate);

etapa de realizare efectivă a modelului 3D.

Figura 9.17. Schema bloc etape tehnologie de control integrat 3D.

a) Etapa de scanare și digitalizare propriu-zisă:

(a1) Etapa de pregătire și poziționare piesă

La începutul acestei etape piesa tridimensională fizică este inspectată atent și se hotăraste dacă este necesară utilizarea sistemului de control dimensional prin comparare foto cu biblioteca de imagini a echipamentului (în funcție de tipul de dimensiuni controlate) sau dacă se va utiliza sistemul high-tech de scanare laser. În cazul în care se folosește sistemul optic de comparare foto, se realizează o serie de imagini plane cu o definire foarte mare a piesei fizice din diferite planuri și unghiuri de vedere conform specificațiilor tehnice existente în biblioteca soft a dispozitivului. Aceste imagini sunt comparate cu imaginile existente în biblioteca dispozitivului și apoi sunt raportate diferențele rezultate.

În cazul al doilea, când piesa necesită utilizarea sistemului de scanare laser, este realizată o etapă de pregătire a piesei în vederea scanării. Astfel, dacă piesa fizică conține suprafețe lucioase cu un factor puternic de reflexie, acestea sunt acoperite prin aplicarea unei soluții cu proprietăți antireflex (de culoare albă în general) cu ajutorul unui spray, care, după finalizarea operației de scanare, se poate curata ușor sub jet de apă.

După pregătirea piesei prin aplicarea soluției antireflex sunt aplicați markeri (în general circulari de culoare neagră pe fond alb) de detecție necesari, cu o densitate aproximativă în funcție de suprafața piesei (pe suprafețe plane cu o densitate mai mică, pe suprafețe curbe cu o densitate mai mare). După aplicarea setului de markeri de detecție piesa este așezată pe dispozitivul de scanare sau pe masa rotativă, în funcție de complexitatea scanării necesare (figura 9.18).

Suprafața de scanare este o suprafață de poziționare plană având diferite modalități de prindere piesă (mecanice, magnetice etc.) de culoare neagră. După pregătirea piesei, în cazul în care este necesar, se face o calibrare a scanerului laser cu ajutorul planșetei de calibrare.

Figura 9.18. Piesă cu markeri de detecție.

(a2) Etapa de realizare traiectorii de scanare

După ce piesa a fost pregătită pentru operatia de scanare, în funcție de dimensiunile acesteia și de complexitatea formei sale, realizează traiectoriile de scanare prin adaptarea softului de control al brațul robotic (figura 9.19). Acestea pot avea diferite forme, cele mai utilizate fiind tip grila sau spirala.

Figura 9.19. Definire traiectorii de deplasare soft braț robotic.

Aceste traiectorii de scanare se pot realiza în două moduri:

– modul automat (prin introducerea în softul de comandă a coordonatelor de deplasare)

– modul manual (cu ajutorul sistemului de invatare prin mișcări de tip move and learn – figura 9.20)

Figura 9.20. Sistem control manual braț robotic.

Sistemul de control manual permite utilizatorului controlul aspura sistemului de pozitionare tip brat robotic in cazul in care este necesar realizarea unei traiectorii de scanare primitiva care sa desemneze punctele cheie.

Traiectoriile de scanare trebuie să țină cont de distanța de poziționare a end-efectorului tip scanner laser, astfel încât să fie validate în raport cu constrângerile impuse de sistemul de scanare laser și ale brațului robotic [33]. Softul de scanare și digitalizare al scanerului laser afișează pe ecranul calculatorului informații privind domeniul distanței de scanare (minim și maxim) cu ajutorul unui domeniu tip marker colorat (figura 9.21).

Figura 9.21. Vizualizare domeniu de scanare (min-max) interfata virtuala.

Când distanța de scanare este prea mare sau prea mică markerul își schimbă culoarea în roșu pentru aproape și albastru pentru depărtare, fiind necesară ajustarea poziției scanerului față de piesă. Acest lucru se poate observa și urmărind pe scanerul laser cele trei indicatoare luminoase (2 roșii și 1 verde), așezate în linie, care avertizează asupra poziționării în câmpul de scanare (figura 9.22).

Figura 9.22. Indicatori câmp de scanare piesă

1. Depărtare; 2. Mediu; 3. Apropiere

Aceste traiectorii de scanare pot fi corelate în funcție de complexitatea scanării și cu mișcările de rotație ale mesei rotative.

(a3) Etapa scanare și digitalizare în timp real

După pregătirea piesei pentru scanare și realizarea traiectoriilor ce vor fi urmărite de echipamentul mecatronic de scanare, urmează etapa propriu-zisă de scanare și digitalizare tridimensională care, în funcție de complexitate, de dimensiunile piesei și de numărul necesar de treceri, poate avea o durată mai mare sau mai mică (figura 9.23).

Figura 9.23. Parametrii de scanare

Timpul de scanare rezultat in urma testelor din laborator, pentru o suprafață simplă, va varia în funcție de dispozitivele alese:

a) Scanare rapidă, cu rezoluția de 1-2 μm:

• 500 mm2/s, cu o viteză de înaintare de 50 mm/s și o rată de achiziție de 50 de cadre/secundă;

• o suprafață de 50 x 50 mm2 va fi scanată 1-5 secunde.

b) Scanare precisă, având rezoluția de 0.5-0.7 μm:

• 375 mm2/s, cu o viteză de înaintare de 7.5 mm/s și o rată de achiziție de 150 cadre/secundă;

• o suprafață de 50 x 50 mm2 va fi scanată în 10-20 secunde.

c) Scanare ultra-precisă, având o rezolutie de 0.1-0.2 μm:

• 175 mm2/s, cu o viteză de înaintare de 2.5 mm/s și o rată de achiziție de 350 cadre/secundă;

• o suprafață de 50 x 50 mm2 va fi scanată în 1-5 min.

Timpul de scanare a fost calculat în condițiile în care lățimea medie a liniei de scanare este de 50 mm și depinde de complexitatea suprafeței.

(a4) Etapa de finisare a informației obținute (îndepărtare suprafețe izolate)

După realizarea și definitivarea etapei de scanare și digitalizare în timp real are loc o etapă de “cosmetizare” a norului de puncte obținut prin îndepărtarea suprafețelor care nu au legătură cu piesa și care, din diferite motive, au fost scanate și digitalizate. Acest lucru se poate realiza în două moduri:

– automat de către softul de scanare și digitalizare în modul “edit”, cu mențiunea că trebuie ținut cont de forma piesei și nu trebuie abuzată de această opțiune.

– mod manual, prin selectarea manuală de către utilizator, cu ajutorul ustensilelor virtuale de care dispune softul de scanare, a suprafețelor care nu fac parte din dimensiunile piesei scanate (figura 9.24).

Figura 9.24. Curățare model 3D.

galben – impuritati; albastru – model 3D (faza intermediara)

(a5) Etapa de realizare efectivă a modelului 3D

Aceasta este etapa de final unde este definitivată realizarea modelului 3D al piesei scanate, acesta fiind pregătit ulterior pentru etapa de control dimensional (figura 9.25). În cazul în care se constată o serie de nereguli în modelul 3D (lipsă suprafețe scanate, neconcordanțe în design sau se dorește o detaliere mai mare a suprafeței digitalizate) se repeta etapele 3-5 sau, dacă este necesar, o rescanare pe traiectorii diferite și etapa 2.

a b

Figura 9.25. Model virtual 3D.

a . model 3D; b . model scanat.

b) Etapa de transfer și control dimensional

După ce modelul 3D a fost realizat și operațiunea de scanare și digitalizare s-a încheiat, acesta poate fi controlat utilizând modulul de măsurare sau prin procedeul de exportat în format STL, trimis și introdus într-un soft de control dimensional (figura 9.26).

Figura 9.26. Bară de instrumente soft VXmodel.

Cu ajutorul softurilor de control dimensional utilizate, respectiv VX Model si Solid Works (Autocad, Catia V5 sau alt tip de soft special de măsurare) s-a realizat controlul integrat propriu-zis pentru piesa scanata pentru o serie de dimensiuni geometrice. Rezultatele obtinute au fost comparate cu dimensiunile originale sau cu cele ale altor dispozitive de măsurare (figura 9.27).

Figura 9.27. Diferite tipuri de măsurători realizate cu sistemul de control integrat 3D.

În cazul în care dorim să controlam o piesă de o lungime considerabilă sau cu o complexitate foarte ridicată, aceasta poate fi făcută în același timp cu mai multe dispozitive de scanare, softul de digitalizare permițând îmbinarea acestor scanări pentru a îmbunătăți rezultatul sau pentru a realiza operația de scanare a piesei de lungime mare într-o perioadă de timp cât mai redusă. După efectuarea operației de scanare 3D, datele rezultate de la toate dispozitivele de scanare sunt introduce în softul de digitalizare și, cu ajutorul instrumentelor de localizare a markerilor și prin îmbinarea acestora, se poate realiza o singură imagine cu o calitate mult îmbunătățită (figura 9.28).

Figura 9.28. Scanare compusă.

Masa rotativă (opțional) permite scanarea obiectului de interes din direcții diferite, aceste perspective putând fi obținute doar prin rotirea obiectului de interes. Problema de planificare a mișcării mesei rotative constă în determinarea în mod continuu a unghiului de rotație al mesei rotative astfel încât sistemul de scanare laser montant pe brațul robot să fie în poziția dorită de scanare, iar acea poziție să fie confortabilă. Planificatorul de mișcare al mesei rotative va efectua calculele necesare după definirea traiectoriilor de scanare (Figura 9.29).

Constrângerile sistemului mecatronic definit sunt de două tipuri: constrângeri hardware și constrângeri software [19]. Constrângerile hardware trebuie avute în vedere la fiecare pas al procesului de planificare a mișcării pentru asigurarea unei traiectorii valide. Constrângerile software definite constau în evitarea suprafețelor de coliziune (păstrarea distanței minime permise de scanare față de obiectul de interes), poziție flexibilă (evitarea pozițiilor inconfortabile a brațului robot pentru robot) și urmărirea traiectoriei de scanare calculată. Generarea automată a traiectoriilor duce la construirea de către utilizator a unui plan de scanare eficient și consistent pentru evitarea interacțiunilor cu utilizatorul ce nu sunt necesare și pot genera erori nedorite.

Chiar și pentru un operator calificat, generarea manuală a unui plan de scanare optim conform complexității obiectului de scanat (cazurile cele mai dificile fiind obiectele cu formă liberă) poate fi foarte complicată. Prin automatizarea acestui proces, operația de inspecție va fi mai puțin costisitoare din punctul de vedere al resurselor și al timpului necesar [46].

Figura 9.29. Planificarea bazată pe constrângeri ale mișcării în cadrul procesului de scanare constituit.

Întregul proces de control de calitate al pieselor 3D poate fi automatizat. Specificarea toleranțelor minime și maxime acceptate, în care setul de puncte al suprafeței inspectate trebuie să se afle, și a valorii prag, permite afișarea punctelor cu diverse culori în funcție de rezultatele obținute în urma măsurătorilor, punctele cu o toleranță mai mică decât valoarea de prag fiind afișate cu o culoare diferită de punctele cu o valoare mai mare.

a b c d

Figura 9.30. Etapele procesului de scanare 3D.

a . piesa reala; b . piesa digitalizata (etapa intermediara); c . piesa digitalizata (etapa finala); d . model 3D;

Platforma de inspecție 3D poate fi integrată într-un sistem de fabricație, oferind o flexibilitate crescută acestuia și adaptabilitate la diferite sarcini de inspecție. Inspecția 3D se poate realiza doar în cazul cerințelor specifice de măsurători, sistemul de vedere artificială 2D fiind principalul executant al task-urilor de asigurare al controlului de calitate al produselor fabricate. Arhitectura propusă se aliniază conceptului de control pe întreg ciclul de viață al produsului, furnizând o soluție eficientă și flexibilă și înglobează funcțiile oferite de platforma de modelare și inspecție 3D, în vederea prelucrării optime și furnizării de produse de calitate înaltă [38].

9.8. Componenta Software a sistemului mecatronic cu scanare laser

Realizarea controlului dimensional este un proces foarte complex, iar pentru a se obține eficiență maximă este necesară utilizarea unui program de măsurare care să realizeze legătura și comunicarea între utilizator, dispozitivul de măsurat și măsurarea în coordonate. Software-ul de scanare și digitizare reprezintă soluția pentru transformarea datelor de scanare 3D în modele parametrice CAD. În general, acesta permite transformarea „norului de puncte” obținut în urma scanării piesei și transformarea acestuia în modelul CAD prin procedeul de mesh NURBS (Non-Uniform Rațional B-spline), care permite crearea de suprafețe și curbe netede [31].

Pentru soluția constructivă propusă s-au utilizat mai multe softuri [21]:

soft pentru corelarea și integrarea scanerului cu brațul robotic, care va comunica poziția instantanee a robotului către software-ul de achiziție;

soft generator de traiectorii, care va calcula traiectoriile după care va fi efectuată scanarea;

soft de poziționare a mesei rotative în procesul de scanare;

soft pentru interfață grafică cu utilizatorul;

soft de scanare și digitizare.

Generare traiectorii: Pentru aceasta operatie a fost adaptat si utilizat softul de comandă CIROS Programming, un soft dedicat roboților din gama Mitsubishi Robotics, care conține o bibliotecă extinsă cu tipurile de roboți utilizați de compania Mitsubishi, putându-se conecta automat la orice robot din această gamă. Acesta are o interfață ușor de utilizat și de accesat, putând fi utilizat cu succes și de către utilizatori mai puțin experimentați. Softul utilizat ca limbaj de programare este pe bază de cod ASCII, putând fi utilizat si pentru simulare și modelare 3D (figura 9.31).

Figura 9.31. Soft CIROS Programming.

Cu ajutorul softului se poate verifica pozitia sistemului de scanare in orice moment si compara cu rezultatele obtinute prin programul de cinematica directa (figura 9.32). Astfel prin introducerea unghiurilor dintre elemente si lungimi elementelor programul de cinematica directa implementat in OCTAVE sau MATLAB poate defini coordonatele de pozitie ale end-efectorului.

Figura 9.32. Coordonatele XYZ end-efector soft CIROS Programming

Pentru a vizualiza pozitia end-efectorului si traiectoria acestuia sa utilizat un program grafic in MATLAB care afiseze coordonatele de pozitie XYZ in functie de unghiurile dintre elemente (figura 9.33).

Figura 9.33. Program grafic MATLAB

Exemplul 1

Unghiurile de rotatie:

A1: 0o ; A2: 90o; A3:-90o ; A4 :0o; A5:0o; A6 :0o ;

Coordonatele rezultate in baza programului bratului robotic :

X = 0

Y = 349

Z= 560

Coordonatele calculate prin cinematica directa:

X = 0

Y = 349.1

Z = 559.98

Exemplul 2

Unghiurile de rotatie:

A1: 150o ; A2: 60o; A3:-45o ; A4 :0o; A5:60o; A6 :120o ;

Coordonatele rezultate in baza programului bratului robotic :

X = 163.8

Y = -281.3

Z= 731.7

Coordonatele calculate prin cinematica directa:

X = 163.938

Y = -281.218

Z = 731.818

Softul de scanare și digitalizare

Pentru modelul mecatronic experimental realizat a fost utilizat pentru scanare 3D softul VXelements cu modulele VX Scan (modulul de scanare și digitalizare) și VX Model (modulul de măsurare și control dimensional) (figura 9.26). Datele adunate de softul de scanare și control dimensional (norul de puncte) sunt compatibile cu o serie de alte softuri de scanare și digitalizare existente (GOM, Geomagic, Trimble, etc), precum și cu dispozitivele de prelucrare tip CNC care sunt pe piață la ora actuală putând astfel fi utilizate pentru o gamă largă de aplicații. Softul de scanare VXelements conține o interfață virtuala de vizualizare a informatiilor obtinute ușor de utilizat și care oferă o detaliere foarte bună a opțiunilor existente (Figura 9.34). Acesta permite vizualizarea in timp real a digitalizari 3D a obiectului scanat precum si modificarea si prelucrarea informatiei rezultate in timpul scanarii (figura 9.35).

Figura 9.34. Interfața virtuala VXelements

1 Bară meniu; 2. Bară instrumente; 3. Detaliere sesiune;

4. Parametri tehnici; 5. Câmp de lucru; 6. Sesiunea active.

Figura 9.35. Caracteristici Soft VXelements 3.0.

9.9. Cercetari experimentale realizate in laborator pe modelul experimental de control integrat prin scanare 3D elaborat

Experimentările, încercările metrologice necesare verificării etalonului, ghidajelor și altor repere de precizie au fost făcute în Centrul de Cercetare pentru Tehnica Masurarii (CERTIM) si Laboratorul de Încercări Metrologice (LIL) din cadrul INCDMTM.

Activitatea de experimentare a echipamentului s-a efectuat în baza unui program de măsurători, care a urmărit definirea unor metode de verificare a caracteristicilor principale ale sistemului modular și adaptiv de control dimensional, precum și a software-ului de măsurare propriu-zis. După verificarea legăturilor dintre sistemul propriu- zis de control 3D prin scanare și calculator si alimentarea la rețea prin priză cu legare la pământ s-au efectuat următoarele verificări.

9.9.1. Verificarea masei

Verificarea masei s-a realizat cu ajutorul unui cântar semiautomat cu domeniul de măsurare de min. 120 kg și valoarea diviziunii de max. 50 g. Masa dispozitivului fără calculator și monitor este de 65,50 kg.

9.9.2. Verificarea deplasării pe axa x

Verificarea deplasării pe direcția axei x s-a realizat urmărind deplasarea bratului robotic pe o cursa de 250 mm. Deplasarea trebuie să se facă lin, continuu, fară șocuri sau înțepeniri. Viteza de deplasare s-a determinat măsurând timpul de deplasare a bratului pe o distanță cunoscută. Pentru măsurarea timpului s-a utilizat un cronometru cu rezoluție de 0,l s.

Deplasarea pe axa x a fost măsurată cu ajutorul unui senzor laser, fixat într-un suport magnetic. Suportul magnetic a fost fixat in capul echipamentului (zona end-efectorului), iar senzorul a urmărit deplasarea pe axa X a robotului prin palparea unui etalon de 300 x 300 x 300 mm.

Rezultate: sistemul s-a deplasat pe axa X pe distanta de 250 mm în 55,48 sec. Rezultă că viteza maximă este: v = 250 mm / 55,48 sec = 4,5 mm/s.

Concluzii: Deplasarea bratului pe axa x se realizează lin, lent, continuu și fară vibrații.

9.9.3. Verificarea deplasării pe axa y

Verificarea deplasării pe direcția axei y s-a realizat urmărind deplasarea bratului robotic pe o cursa de 250 mm. Deplasarea trebuie să se facă lin, continuu, fară șocuri sau înțepeniri. Viteza de deplasare s-a determinat măsurând timpul de deplasare a bratului pe o distanță cunoscută. Pentru măsurarea timpului s-a utilizat un cronometru cu rezoluție de 0,l s.

Deplasarea pe axa x a fost măsurată cu ajutorul unui senzor laser, fixat într-un suport magnetic. Suportul magnetic a fost fixat in capul echipamentului (zona end-efectorului), iar senzorul a urmărit deplasarea pe axa Y a robotului prin palparea unui etalon de 300 x 300 x 300 mm.

Rezultate: sistemul s-a deplasat pe axa Y pe distanta de 250 mm în 55,45 sec. Rezultă că viteza maximă este: v = 250 mm / 55,45 sec = 4,5 mm/s.

Concluzii: Deplasarea bratului pe axa Y se realizează lin, lent, continuu și fară vibrații excesive.

9.9.4. Verificarea deplasării pe axa z

Verificarea deplasării pe direcția axei z s-a realizat urmărind deplasarea bratului robotic pe o cursa de 250 mm. Deplasarea trebuie să se facă lin, continuu, fară șocuri sau înțepeniri. Viteza de deplasare s-a determinat măsurând timpul de deplasare a bratului pe o distanță cunoscută. Pentru măsurarea timpului s-a utilizat un cronometru cu rezoluție de 0,l s.

Deplasarea pe axa x a fost măsurată cu ajutorul unui senzor laser, fixat într-un suport magnetic. Suportul magnetic a fost fixat in capul echipamentului (zona end-efectorului), iar senzorul a urmărit deplasarea pe axa Z a robotului prin palparea unui etalon de 300 x 300 x 300 mm.Rezultate: sistemul s-a deplasat pe axa Z pe distanta de 250 mm în 55,40 sec. Rezultă că viteza maximă este: v = 250 mm/ 55,40 sec = 4,5 mm/s.

Concluzii: Deplasarea bratului pe axa z se realizează lin, lent, continuu și fară vibrații excesive.

9.9.5. Verificarea erorii de repetabilitate și justețe la deplasarea pe direcția axelor x, y si z

Verificarea s-a realizat cu ajutorul unui traductor digital montat in suport magnetic in punctul de prindere al bratului robotic pentru sistemul de scanare. S-a măsurat cu 5 blocuri de cale, de câte 10 ori.

Inainte de începerea măsurătorilor, s-a adus traductorul în câmpul de măsurare și s-a rotit ușor sistemul de înclinare a capului de măsurare în ambele sensuri pentru a se determina punctul de minim corespunzător poziției perpendiculare a traductorului pe suprafața de măsurare (Tabel 9.1) . Măsurătorile s-au efectuat pentru toate direcțiile de măsurare (valori crescătoare și valori descrescătoare).

Tabel 9.1. Fisa masuratori

Eroarea de măsurare maximă este: Ɛaxamax = ±0,002 mm. Abaterea standard experimentală pentru un nivel de incredere p = 0,8 s-a calculat cu relația:

(9.37)

(9.38)

(9.39)

unde:

Xi , Yi , Zi = valoarea măsurată indicată pe display

(9.40)

(9.41)

(9.42)

unde:

n = numărul de măsuratori efectuate (n=10)

Abaterea standard experimentală a mediei se calculeaza cu relația:

(9.43)

(9.44)

(9.45)

Erorile de măsurare maxime sunt: – 0,012 mm și + 0,030 mm axa X, – 0,009 mm si + 0.021 mm axa Y, si – 0,010 mm si + 0,015 mm axa Z.

9.9.6. Verificarea erorii de repetabilitate și justețe a dispozitivului de scanare

Pentru verificarea erorii de repetabilitate a sistemului de scanare laser, s-au scanat o serie de 5 piese de cate 5 (tabel 9.2) ori la 6 rezolutii diferite (0.1 µm, 0.2 µm, 0.5 µm, 1 µm, 2 µm, 5 µm) pentru care s-au masurat o serie de 5 cote. Eroarea de masurare maxima rezultata este:

– ± 0.002 – 0,007 mm pentru rezolutiile de 0.1, 0.2 si 0.5 µm;

– ± 0.02 – 0.1 mm pentru rezolutiile de 1, 2, si 5 µm;

Tabel 9.2. Fisa masuratori verificare dispozitiv scanare.

Piesa 1 – Capac Chiulasa Edison

CAPITOLUL 10. CONCLUZII TEORETICE SI PRACTICE ORIGINALE PRIVIND IMPLEMENTAREA NOILOR TEHNOLOGII SI SISTEME MECATRONICE DE CONTROL INTELIGENT INTEGRAT 3D IN INDUSTRIA AUTO

10.1. Concluzii teoretice privind implementarea noilor tehnologi si sisteme mecatronice de control integrat 3D in industria auto

Deoarece industria de automobile este una din cele mai importante industrii în lume, inlocuirea progresivă a uneltelor tradiționale cu scule și echipamente tehnologice inteligente din ce în ce mai complexe constituie unul din cele mai importante aspecte ale evoluției proceselor de producție in domeniul industriei auto de pretutindeni. Din informatiile prezentate si rezultatele cercetarii in lucrare se pot trage urmatoarele concluzii teoretice:

Sistemele tehnologice noi de masurare si control integrat măresc considerabil productivitatea, determina scăderea costurilor de producție, iar corelate cu creșterea continuă a performantelor calculatoarelor și integrarea acestora în toate activitățile industriale, constituie premisele dezvoltării sistemelor automate de tip SISTEME FLEXIBILE DE PRODUCȚIE (FMS – Flexibil Manufacturing System), sau SISTEME DE PRODUCȚIE INTEGRATE printr-un sistem global de comandă sau conducere (CIM – Computer Integrated Manufacturing).

Progresul accelerat al tehnicii inteligente transferat în multiple inovații tehnologice a creat condiții favorabile pentru dezvoltarea producției și implicit a tehnologiilor de fabricație pe calea automatizării tuturor subsistemelor din componența proceselor tehnologice.

Aceste sisteme mecatronice noi de masurare si control integrat au condus la reducerea costurilor de manopera prin scăderea, uneori prin eliminarea participării operatorilor umani la desfășurarea proceselor de producție.

În acest mod se elimină sursa de producere a rebuturilor determinată de indisciplina tehnologică și o creștere a gradului de flexibilitate la trecerea de la un produs la altul.

Transpunerea în practică a conceptului nou realizat înseamnă că eforturile trebuie să fie orientate spre eliminarea defectelor, urmărindu-se înlocuirea controlului clasic, bazat pe constatare, cu tehnici de verificare și autocontrol al operatorilor, utilizate în toate etapele realizării produsului.

Implementarea principiilor calității totale prin noile tehnologii inteligente este astăzi predominantă în întreprinderile moderne pentru că asigură satisfacerea cerințelor clienților, creșterea vânzărilor și reducerea costurilor prin evitarea risipei de timp, materiale și energie. Odatã cu dezvoltarea societatii, s-a trecut la o caracterizare mai complexa a calitatii, printr-un numar tot mai mare de operatii, care fac parte din următoarele categorii: realizarea de măsurători și calibrări, recunoașterea și identificarea unor trăsături specifice, citirea caracterelor sau a informației codate, detectarea prezenței unui obiect sau marcaj, compararea unui obiect cu un model sau ghidarea unei mașini sau unui robot.

Calitatea produselor industriale depinde de implementarea tehnologiilor mecatronice noi inteligente si de numeroși factori a căror influență este data de condițiile în care se desfășoară procesul de producție. Lipsa unui sistem de măsurare a calității face imposibilă coordonarea și orientarea proceselor în vederea satisfacerii cerințelor clientului, fiind deosebit de important să se cunoască nivelul calitativ real al unui produs. O deficientă la oricare din acești factori sau la mai mulți din ei, duce la apariția unor piese care nu îndeplinesc una sau mai multe din condițiile de livrare.

Controlul integrat 3D este chemat să participe la toate etapele de elaborare a unui produs, de la concepere la exploatare, mentenanța sau reciclare si de aceea trebuie sa asigure satisfacerea cerințelor clienților, creșterea vânzărilor și reducerea costurilor prin evitarea risipei de timp, materiale și energie (dezvoltare durabila), cea ce se realizeaza prin noul sistem mecatronic inteligent 3D realizat de autorul tezei.

10.2. Concluzii practice privind implementarea noilor tehnologi si sisteme mecatronice de control integrat 3D in industria auto

10.2.1. Concluzii generale

Importanța noilor tehnologii inteligente tratate in teza, pentru dezvoltarea economică, este larg recunoscută, având în vedere impactul pe care îl pot avea aceste tehnologii asupra succesului, supraviețuirii sau insuccesului activității economice a companiilor, în special într-un mediu de concurență intensivă și globală:

Noile tehnologii mecatronice inteligente de control integrat 3D ofera un portofoliu integrat de solutii software pentru dezvoltarea produsului, fundamental orientat in directia asigurarii unui nivel sporit de eficienta in fabricatie si control (integrat), a cresterii profitabilitatii si satisfacerii asteptarilor de livrare a produsului.

Tehnologiile mecatronice moderne de control integrat raspund unei game variate de specificatii metrologice tipice diverselor aplicatii industriale in care se impune nevoia de masuratori de precizie.

Acuratetea masuratorilor si usurinta in utilizarea de instrumente portabile de masura au impus ca si standard in domeniul controlului calitatii sub aspect dimensional echipamente mecatronice metrologice de tip laser tracker si bratele de masura poliarticulate, care sa ofere informatii si precizie crescuta de masurare.

Platforma de suport a noilor tehnologii permite dezvoltarea de produse mecatronice si reuneste toate cunostiintele inter-domenii intr-o singura locatie, accesibila tuturor utilizatorilor autorizati, indiferent daca acestia sunt situati in cadrul organizatiei sau in lume.

Furnizorii de automobile colaboreaza in mod eficient, in toate etapele procesului de dezvoltare a produsului mecatronic, de la proiectare pana la realizare exceland intr-un mediu de afaceri dispersat la nivel global.

Odata cu utilizarea noilor tehnologii mecatronice inteligente de control integrat, companiile producatoare de componente auto pot obtine rezultate importante, precum:

identificarea rapida a probleme in ciclul de productie si rezolvarea acestora de la distanta;

flexibilitate de productie mai mare;

fara rebuturi si mai multe produse rezultand astfel o dezvoltare durabila;

cu pana la 80% mai putine probleme dupa producerea produsului;

modificari de proiectare reduse ( 10% )

procese de productie simplificate;

timp redus de dezvoltare a produsului;

colaborare imbunatatita intre departamente si furnizorii externi.

10.2.2. Concluzii practice

Pentru a îndeplini cerințele actuale ale producției auto globale, companiile se concentrează asupra metodelor lor, adoptând noi tehnici mecatronice inteligente și căutând noi metode de a-și eficientiza producția și costurile. Printre recentele descoperiri tehnologice, există un real interes în sistemele de control integrat non-contact cu scanarea laser, care sunt adaptabile pentru o serie larga de produse mecatronice.

tehnologia si sistemele mecatronice de control integrat cu scanare laser sunt un potențial instrument pentru creșterea productivității și pentru rezolvarea unor probleme privind creerea unui fișier 3D digital pentru un obiect acolo unde acesta nu a existat înainte.

scanarea unei piese 3D cu ajutorul unui sistem mecatronic de control integrat 3D și trimiterea acestor date rezultate unor programe de software sau prototyping, oferă, nu numai avantajul reducerii timpului necesar acestei sarcini, dar și economii.

această nouă tehnologie originala ofera o diferență măsurabilă, pentru o calitate mărită și pentru accelerarea timpului necesar producerii pieselor, în timp ce costurile noilor produse se reduc considerabil.

unul dintre beneficiile cele mai importante ale sistemelor mecatronice de control integrat 3D cu scanare laser este mărirea vitezei cu care poate fi reprodus un prototip. Metodele tradiționale (măsurare cu șubler, micrometru) cer ca obiectul să fie măsurat și redesenat într-un program CAD. În multe cazuri timpul rezultat poate permite ca fabricare unui să înceapă mai târziu, acest lucru înseamnă că, companiile au timpul necesar de a lucra cu clienții lor în procesul de concepție.

prin aceste tehnologi inteligente detaliile pot fi bine cercetate și necesitățile clientului înțelese înainte de etapa de producție. Procesul de scanare și posteditare poate avea loc în timp redus. Acest tip de economisire a timpului presupune că companiile au abilitatea de a răspunde rapid schimbărilor pe piață. Și pentru că tehnologia si sistemele de control integrat 3D cu scanare laser sunt relativ rapide rezulta o scadere a costurilor de utilizare fata de alte tipuri de control.

un alt avantaj pentru producători constă in faptul că în multe cazuri datele preluate de catre sistemele mecatronice de control integrat 3D pot fi trimise sub forma de cod G echipamentelor CNC pentru realizarea operatiilor de prelucrare si montare direct din datele obtinute sau sub forma unui fișier STL fără a include etapa producerii unui model cu suprafețe fizic. Aceasta înseamnă că un prototip poate fi făcut și aprobat, scanat, urmat apoi de realizarea matriței care poate fi făcută ușor și rapid, toate acestea într-o singură zi si datele scanate pot fi transferate catre dispozitivele externe (DXF, OBJ, 3D Studio Max, IGES, ASCII și STL)

după ce un produs a fost realizat, el poate fi controlat cu sistemul mecatronic 3D și datele rezultate comparate cu modelele geometrice CAD. Deviațiile față de modelul geometric inițial pot fi determinate precis. Inspecția periodică a unor piese îngăduie un control al calității îmbunătățit și ajută la detectarea greșelilor din procesul de fabricare.

tehnologia inteligenta si sistemele mecatronice de control 3D ofera si un avantaj pentru operatia de proiectare, acela ca o dată ce obiectul se află în format digital (in calculator) ideile complexe pot fi aplicate ușor și precis. În ziua de azi, procesele de fabricație se desfășoară în mai multe filiale ale unei companii, din diferite locații de pe glob. Clientul și procesul de design se pot afla într-un loc, în timp ce procesul de fabricatie si asamblare se desfășoară în altul. Efectul sinergetic de a avea mai mulți oameni colaborând la dezvoltarea unei idei ajută la realizarea scopului designerului și procesului de fabricare. Odată ce un prototip a fost scanat, ingineria, analiza, controlul calității și alte funcții care de obicei aveau loc consecutiv pot avea loc în mod concurent înainte de a trimite respectivul produs spre fabricare. Toate părțile implicate în proiect pot lucra din același fișier digital. Rezultatul este un ciclu de dezvoltare micșorat care îmbunătățește performanțele produsului și o mai mare flexibilitate la fiecare nivel.

pentru utilizarea acestei tehnologii inteligente si a sistemelor mectronice inteligente de control integrat 3D în industria de consum, este important de știut modul în care acestea se utilizeaza precum si parametri necesari functionari in conditi optime.

“Într-o lume perfectă, sau într-un mediu de producție integrat, sistemele mecatronice inteligente (metrologice) ar fi capabile să măsoare toți parametri necesari într-o singură etapă, fără erori, și să redea rezultatele în același fel către rețelele de fabricatie dotate cu calculatoare, în formate folositoare pentru controlul mașinilor și managementul proceselor”.

CAPITOLUL 11. CONTRIBUTII PERSONALE SI DIRECTII DE CONTINUARE A CERCETARILOR

Cercetarile realizate pentru controlul integrat 3D al pieselor din industria auto au avut ca scop stabilirea unor metode, tehnologii si sisteme mecatronice inteligente de caracterizare si control integrat 3D originale pentru a asigura o dezvoltare durabila a sistemelor de control complexe atat la nivel ntional cat si international.

in acest sens am intreprins o activitate de documentare cuprinzatoare studiind lucrari si articole din literatura de specialitate in privinta controlului integrat 3D, tehnologiilor de control cu contact sau non-contact, realizand un studiu complex asupra factorilor care influenteaza controlul integrat 3D al pieselor din industria auto precum si asupra arhitecturii de senzori si traductoare utilizate la ora actuala. Am observant ca pentru a îndeplini cerințele actuale ale producției globale, companiile se concentrează asupra metodelor lor, adoptând noi tehnici și căutând noi metode de a-și eficientiza producția și costurile.

in urma concluziilor rezultate din documentare, referitoare la tipurile de control dimensional existente la ora actuala, am inceput investigatii complexe in privinta modelarii teoretice si experimentale a unui sistem mecatronic inteligent de control integrat 3D care sa raspunda cerintelor actuale din industria auto.

prin proiectare teoretica si virtuala am elaborat o solutie noua si practica sub forma unui sistem mecatronic de control dimensional 3D integrat, adaptabil unei game largi de piese si famili de piese. Este vorba despre o metoda originala si sigura pentru controlul pieselor complexe din industria auto.

in ceea ce priveste componenta acestei solutii am realizat experimentari in Laboratorul de Incercari Lungimi si in Centrul de Cercetare pentru Tehnica Masurarii cu Laser – CERTIM din cadrul INCDMTM Bucuresti sub supravegherea domnului prof. Univ. Dr. Gheorghe Gheorghe.

in urma acestor experimente am constatat ca utilizarea senzorilor cu contact pentru piesele complexe din industria auto nu este posibila din cauza variatiilor de forma geometrica, eliminand astfel posibilitatea utilizarii acestora in solutia constructiva aleasa. In continuare, am realizat masuratori 3D pe echipamentele mecatronice cu senzori non-contact existente in cadrul INCDMTM Bucuresti care au confirmat posibilitatea aplicarii acestora in controlul integrat 3D, adaptabilitatea precum si modul eficent de utilizare.

in colaborare cu domnul Prof. Univ. Dr. Ing. Gheorghe Gheorghe precum si cu cercetatori din cadrul laboratoarelor INCDMTM am identificat o solutie solutie non-contact originala care sa asigure adaptabilitatea si eficienta sistemului mecatronic de control 3D in diverse conditii de exploatare. Astfel, dupa caracterizarea tuturor tipurilor de sisteme mecatronice si tehnologii de control non-contact am luat hotararea de a utiliza tehnologia de scanare laser.

am efectuat teste noi pe proceduri originale pt piese din industria auto care au constat in scanarea tridimensionala a acestora si prelucrarea datelor prin procedeul de digitalizare.

am constatat ca utilizarea acestui procedeu contribuie la cresterea eficientei solutiei alese prin adaptibilitate si datele culese in urma proceselor de scanare si digitizare observand si demonstrand ca eficienta sistemului este reala.

in continuare am realizat un prototip functional original pe baza solutiei alese si am dezvoltat o noua tehnologie inteligenta de control integrat 3D pentru acesta. Cu ajutorul acestui prototip am realizat o serie de teste functionale in vederea eficientizarii solutiei alese in laborator pe o serie de piese din industria auto.

rezultatele obtinute au evidentiat eficienta sistemului fata de solutiile clasice reusind astfel sa indeplinesc obiectivele propuse la inceputul perioadei de cercetare. Eficienta sistemului este data de usurinta in utilizare, adaptabilitatea acestuia, precizia de masurare si noua tehnologie de control integrat 3D non-contact.

Apreciez ca directiile viitoare in cercetarile cu noile sisteme mecatronice de control integrat 3D pentru cresterea eficientei controlului pieselor din industria auto ar fi urmatoarele:

• imbunatatirea preciziei de pozitionare si deplasare a sistemului mecatronic de control integrat 3D;

• imbunatatirea sistemului mecatronic de scanare 3D si a procedeului de digitalizare;

• dezvoltarea de noi softuri de digitalizare si control pentru sistemul 3D realizat;

• eficientizarea pretului de realizare si intretinere a sistemului.

Apreciez, de asemenea, ca este necesara dezvoltarea noului sistem mecatronic de scanare 3D sau utilizarea unui alt sistem de scanare 3D non-contact mixt cu urmatoarele directii de cercetare:

telecontrolul integrat inteligent cu sisteme mecatronice sau cyber-mecatronice cu scanare laser pentru diferite procese industriale, economice si societate (auto, aerospatial, medical si biomedical, agricol, nanotehnologii etc);

telemonitorizarea si telementenanta pentru echipamentele mecatronice inteligente sau cyber-mix-mecatronice de scanare 3D cu laser;

creare de noi sisteme cyber-mecatronice sau cyber-mix-mecatronice de control integrat cu scanare laser;

integrarea noilor sisteme cyber-mecatronice sau cyber-mix-mecatronice de control integrat cu scanare laser in „sistemele cyber-fizice” aferente noii societati informationale, post-informationale, neurale si post-neurale.

BIBLIOGRAFIE

METROLOGIE GENERALA – Editura Didactica Si Pedagogica, București – Conf. Dr. Ing. P. Dodoc

BAZELE TEHNOLOGIILOR DE FABRICARE ÎN CONSTRUCȚIA DE MAȘINI – Editura Universității “Petru Maior”, Târgu – Mureș 2000, LUCIAN GRAMA

Alinierea fabricației de echipamente tehnologice pentru micro și nanoprelucrări la cerințele și tendințele dezvoltării pe plan European și mondial • analiza și dezvoltarea actuală și de perspectivă  a domeniului, 2010, autori Gh. I. Gheorghe, P. Beca, Liliana Laura Bădiță

Strategiile privind direcțiile, masurile si orientările sectorului industrial de mecanica si mecatronica  in vederea creșterii competitivității valorii adăugate  in contextul alinierii la U.E , 2010, autor: Gh. I. Gheorghe; Editura CEFIN, București, Romania, 2010

Stadiul actual si de perspectiva al controlului automat integrat in procesele tehnologice inteligente in complementaritate cu tendințele pe plan European, 2010, autori: Gh. I. Gheorghe, M. Vocurek, P. Beca, Editura CEFIN, București, Romania, 2010

METROLOGIE INDUSTRIALA – Volumul II – Aplicații in Domeniul Lungime – CVASIDOCUMENTATIA PROSER & PRINTECH, București – 2006 – Prof. Univ. Dr. Ing. Aurel Ciocirlea – Vasilescu

METROLOGY & MEASUREMENT – Editura Tata McGraw-Hill, New Delhi 2009, Anand K. Bewoor, Vinay A Kulkarni

TOLERANȚE ȘI CONTROL DIMENSIONAL – Universitatea "Ștefan Cel Mare" Suceava Facultatea De Inginerie Mecanică, Mecatronică Și Management – Conf. Dr. Ing. Ec. Alexandru POTORAC; Șef Lucr. Dr. Ing. Dorel PRODAN

CONTROLUL DE CALITATE SI REMANIEREA DEFECTELOR PIESELOR TURNATE – Editura Didactica si Pedagogica, București 1980, Gh. Istrate, P. Toboc

C. Cosma, Studies regarding the optimization of reverse engineering techniques to realization of injected plastic products, PhD thesis, Polytechnic Publishing House, Bucharest, 2008

http://www.incdmtm.ro

MASURAREA IN COORDONATE – Oficiul De Informare Documentara Pentru Industria Construcțiilor De Mașini – Ing. Teodosia Oprescu, Daniela Ionescu, Georgeta Andrei

APARATE DE MASURA IN COORDONATE – Editura Tehnica, București 1991, Prof. Dr. Ing. Traian Demian, Dr. Ing. Adrian Pascu, Dr. Ing. Ghiorghe Stoica

Home

METODE SI MIJLOACE DE MASURARE MODERNE IN MECANICA FINA SI CONSTRUCTIA DE MASINI – Editura Tehnica, București – 1978 – Ing. Dodoc Petre

TEHNICA MASURARII INTELIGENTE – Editura CEFIN, București 2004 – Conf. Univ. Dr. Ing. Gheorghe I. Gheorghe

Negrus Andrei Mihai, Optimizarea tehnologiilor de montaj in industria de automobile, Teza de doctorat, Universitatea „Transilvania” Brașov, Brașov, 2011

Katsushi Lkeuchi (28 May–1 June 2001). "Modelling from Reality". 3rd International Conference on 3-D Digital Imaging and Modelling: proceedings, Quebec City, Canada. Los Alamitos, CA: IEEE Computer Society. pp. 117–124

SENZORI SI TRADUCTOARE PENTRU APLICATII INDUSTRIALE – Editura CEFIN, București 2003 – Gheorghe I. Gheorghe, Doru Dumitru Palade, Valentin Pau

µSENZORICA, MECATRONICA SI ROBOTICA – Editura CEFIN, București 2004 – Gheorghe I. Gheorghe, Doru Dumitru Palade, Valentin Pau, Florin Ion Popa

B. Curless, From Range Scans to 3D Models, ACM SIGGRAPH Computer Graphics 33 (2000) 38–41

François Blais, Michel Picard, Guy Godin (6–9 September 2004). "Accurate 3D acquisition of freely moving objects". 2nd International Symposium on 3D Data Processing, Visualization, and Transmission, 3DPVT 2004, Thessaloniki, Greece. Los Alamitos, CA: IEEE Computer Society. pp. 422–9

http://www.scanare3d.com/index.php/ro/ce-este-scanarea-3d

INGINERIA INTEGRATOARE – Editura CEFIN, București 2007 Romania – Gheorghe Ion Gheorghe

http://en.wikipedia.org/wiki/3D_scanner

http://ro.wikipedia.org/wiki/laser

http://en.wikipedia.org/wiki/laser_scanning

MECHANICAL TRANSMISSIONS PARAMETER MODELLING – University of Sarajevo, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Mechanical Design, Bosnia and Herzegovina – Isad Saric, Nedzad Repcic, Adil Muminovic

Christian Teutsch (2007). Model-based Analysis and Evaluation of Point Sets from Optical 3D Laser Scanners (PhD thesis)

Motion control and data capturing for laser scanning with an industrial robot, Sören Larsson and J.A.P. Kjellander, Robotics and Autonomous Systems, Volume 54, Issue 6, 30 June 2006, Pages 453-460

Tao Peng: Algorithms and models for 3-D shape measurement using digital fringe projections (Ph.D. Dissertation, University of Maryland, USA. 2007)

http://en.wikipedia.org/wiki/reverse_engineering

Research and Innovation performance in EU Member States and Associated countries Innovation Union progress at country level 2013, Unit C.6. – Economic analysis and indicators European Commission B-1049 Brussels

Strategia industriei electrotehnice, electronice și mecanicii fine pentru dezvoltarea producției în valoare adăugată mare: stadiul actual al sectorului industrial – de aparate și instrumente medicale; – de aparate de măsură și control electrice și neelectrice (2005 ÷ 2008) , autor: Gh. I. Gheorghe; Editura CEFIN, București, Romania, 2010

W. Geoff W., CNC Robotics – Build your own workshop bot, McGraw-Hill Companies, 2003

D. Bradley, D. Seward, D. Dawson, S. Bruge, Mechatronics and the design of intelligent machines and systems, CRC Press Taylor & Francis, 2000

http://www.autorobot.com/measuring-systems/calipre

Gh. I. Gheorghe, S. Istrițeanu, V. Despa, Al. Constantinescu, A. Voicu, Mechatronics, Integronics și Adaptronics, Cefin Publishing House, Bucharest, 2012

K. H. Strobl, E. Mair, T. Bodenmüller, S. Kielhöfer, W. Sepp, M. Suppa, D. Burschka, G. Hirzinger (2009). "The Self-Referenced DLR 3D-Modeler" (PDF). Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2009), St. Louis, MO, USA. pp. 21–28

Raymond A. Morano, Cengizhan Ozturk, Robert Conn, Stephen Dubin, Stanley Zietz, Jonathan Nissanov " Structured Light Using Pseudorandom Codes" IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence – TPAMI, vol. 20, no. 3, pp. 322–327, 1998

Kai Liu, Yongchang Wang, Daniel L. Lau, Qi Hao, Laurence G. Hassebrook: Dual-frequency pattern scheme for high-speed 3-D shape measurement. Optics Express, 18: 5229-5244, 2010

TEORIA ERORILOR DE MASURARE – Suport de curs, Facultatea de Construcții, București

TEORIA ERORILOR DE MASURARE SI METODA CELOR MAI MICI PATRATE , Editura Tehnica, București 1972, M. Tiron

Popescu O., Stoica Gh., Metoda pentru determinarea directa a erorii totale a mașinilor de măsurat in coordonate, Sesiunea de comunicări științifice „Contribuția tinerilor la dezvoltarea teoriei si tehnicii măsurării, București, 11-12 octombrie 1982

Z. Song, H. Peisen, High-resolution, real-time 3D shape measurement, Optical Engineering 45 (2006), 13

K. H. Strobl, E. Mair, G. Hirzinger (2011). "Image-Based Pose Estimation for 3-D Modeling in Rapid, Hand-Held Motion" (PDF). Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2011), Shanghai, China. pp. 2593–2600

The Evolution Of The Manufacturing Industry, 2010, autori: Gh. I. Gheorghe, A. Vieru, C. Marinescu, I. Munteanu, V. Gornoava, Editura CEFIN, Bucuresti, Romania, 2010;

Industrial competitiveness of EU member states: some progress made, but many challenges still lay ahead European Commission – MEMO/13/816 – 25/09/2013;

Industrial Performance Scoreboard and Member States' Competitiveness Performance and Policies SWD (2012) 298, A Europe 2020 Initiative 2012 EDITION;

Sectoral Operational Programme “INCREASE OF ECONOMIC COMPETITIVENES, MINISTRY OF ECONOMY AND FINANCE, June 2007

Metoda si procedura noua in conceptie mecatronica pentru masurarea, incercarea si evaluarea instrumentatiei digitale inteligente pentru controlul dimensional in vederea alinierii si integrarii la normele si standardele U.E, 2010, autor: Gh. IGheorghe

Sisteme și echipamente inteligente mecatronice de control integrat pentru optimizarea proceselor tehnologice și dezvoltarea capacitatii de monitorizare multiparametrica a variabilelor proceselor industriale, 2010, autori: Gh. I. Gheorghe, P. Beca, M. Vocurek

Sisteme mecatronice de control integrat în procese inteligente de prelucrări mecanice și montaj / prezent și perspectivă prognoza domeniului de control automat, dezvoltarea  senzoristicii, elementelor de achiziții și procesare a datelor. Direcții strategice, 2010, autori:  Gh. I. Gheorghe,  P. Beca , A. Vieru, M. Vocurek

Technology Transfer from Research to Industry, Steliana Sandu, 1997, ISBN 973-9282-33-4

MANUALUL INGINERULUI DE MECANICA FINA, MECATRONICA SI INTEGRONICA – Editura CEFIN, Bucuresti 2006 –Gheorghe I. Gheorghe, Doru Dumitru Palade, Valentin Pau, Ulm Spineanu

MECATRONICA *FUNDAMENTE*APLICATII*TENDINTE* – Editura CEFIN, Bucuresti 2001 –Gheorghe I. Gheorghe, Doru Dumitru Palade, Valentin Pau

http://www.creaform3d.com

http://www.festo-didactic.com

http://www.mitsubishielectric.com

http://mitsubishirobotics.com

http://www.hiwin.com/pdf/lg/0809/Hiwin%20Linear%20Guideway%20Catalog_G99TE13-

DEPARTAMENTUL DE MECATRONICA SI DINAMICA MAȘINILOR [ONLINE] http://mdm.utcluj.ro/Revista/capa.htm

FESTO. [Online] http://www.festo.com/net/startpage/

ZEISS. [Online] http://www.zeiss.com.

HEXAGON METROLOGY. [Online] http://www.hexagonmetrology.com/.

MITUTOYO. [Online] http://www.mitutoyo.co.jp/eng.

TESA TECHNOLOGY. [Online] http://www.tesabs.ch/en.

FARO GAGE [Online] http://www.faro.com/products/metrology/measuring-arm-faro- gage/downloads#main

ZEISS[Online]http://metrology.zeiss.com/industrialmetrology/en_us/products/accessories/fixture-systems.html

HYTECHMETROLOGY[Online]http://www.hitechmetrology.com.au/products/142/index.html?id=386

NORELEM[Online]http://www.norelem.fr/App/WebObjects/XSeMIPSNORELEMFR.woa/cms/page/locale.enFR/pid.434.438.1253.1256/agid.5608.5732/ecm.ag/Measuring-fixtures.html

CMM FIXTURE KITS [Online] http://www.cmm-fixturing.co.uk/cmm-fixture-kits/cmm- fixture-kits.html

MEASURECONTROL.COMBLOG[Online]http://www.measurecontrol.com/english/

SPREITZER [Online]

ADVANCED MACHINE & ENGINEERING CO. [Online] http://www.ame.com/products/

WITTE [Online] http://www.horst-witte.de/en/products/modular-fixturing-systems/aluquick.php

TORUS MEASUREMENT SYSTEMS [Online] http://measurement.trac-group.eom/inspection/cmm/fixturing-2/#prettyPhoto

SPREITZER [Online] http://www.spreitzer.de/englisch/images/rs.jpg

CMM FIXTURE KITS [Online] http://www.cmm-fixturing.co.uk/cmm-fixture-kits/cmm- fixture-kits.html

SPREITZER[Online]http://www.spreitzer.de/englisch/productranges/standardproducts/freezing-clamping-technology/index.html

FARO [Online] http://www.faro.com/products/faro-software/cam2-gage/overview

NEWSPARTSAUTO[Online]http://newpartsauto.wordpress.com/2012/08/01/arborele- cotit/

MODERN MACHINE SHOP [Online] http://www.mmsonline.com/articles/turn-a-robot- into-a-metrol ogy-device

Gheorghe I. Gheorghe TEHNICA MĂSURĂRII INTELIGENTE. București : Editura CEFIN, 2004.

Cristina Floriana Pana, Nicu George Bizdoaca, Ionut Cristian Resceanu, Marius Niculescu, STRATEGY PLANNING FOR MIROSOT SOCCER’S ROBOT, New Aspects of Applied Informatics and Communications, part 2, Rhodes, Greece, 20-22, 2008 August ISBN: 978-960-6766-94-7, ISSN: 1790-5109

Pană Cristina Floriana, Resceanu I, Niculescu M., Pătrașcu D.M., LOCOMOTION OF LEGGED ROBOT WITH LOCKED JOINT, New Aspects of System Theory and Scientific Computation, Rodos, August 2008, ISBN: 978-960-6766-96-1, ISSN: 1790-2769

Cristina Floriana Pana, Dana Maria Patrascu, Ionut Cristian Resceanu, FAULT TOLERANT LOCOMOTION OF QUADRUPED ROBOTS, 3 rd International Conference "Optimization of the Robots and Manipulators",OPTIROB 2008- PREDEAL, 30May- 1 June 2008 ,Organized by University "POLITEHNICA" of Bucharest, ROMANIA

Zone-Ching Lin, Jen-Ching Huang, THE FIXTURE PLANNING OF MODULAR FIXTURES FOR MEASUREMENT, pag 345-359, IIE Transactions, Aprilie 2000

Isad Saric, Nedzad Repcic, Adil Muminovic Mechanical Transmissions Parameter Modelling.. Bosnia and Herzegovina : University of Sarajevo, Faculty of Mechanical Engineering,.

Benbouzid, M.E.H., "A Review of Induction Motors Signature Analysis as a Medium for Faults Detection," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 47, no. 5 (Oct. 2000), pp. 984-993.

POTORAC, Conf. Dr. Ing. Ec. Alexandru and PRODAN, Șef Lucr. Dr. Ing Dorel. TOLERANTE ȘI CONTROL DIMENSIONAL, s.l. : Universitatea "Ștefan Cel Mare" Suceava Facultatea De Inginerie Mecanică, Mecatronică Și Management.

Ing. Teodosia Oprescu, Daniela Ionescu, Georgeta Andrei. Masurarea In Coordonate. s.l. : Oficiul De Informare Documentara Pentru Industria Constructiiilor De Mașini

Vasilescu, Prof. Univ. Dr. Ing. Aurel Ciocirlea, METROLOGIE INDUSTRIALA – Volumul II – Aplicații in Domeniul Lungime. București : CVASIDOCUMENTATIA PROSER & PRINTECH, 2006.

Conf. Dr. Ing. loan Dan Filipoiu, Prof. Dr. Ing. Andrei Tudor. PROIECTAREA TRANSMISIILOR MECANICE. București : Editura Bren, 2006

Viorel Ispas, loan I. Pop, Mircea Bocu, ROBOTI INDUSTRIALI, Editura DACIA, Cluj- Napoca, 1985

MACHINE DESIGN [ONLINE] http://machinedesign.com/sensors/rotary-motion- sensor-combines-long-life-low-cost

GLOGSTER [ONLINE] http://www.glogster.com/u2800690/ayesha-burhan-alhashimi- 200800690/g-6mg2pvn3hrlqb3b57uodja0

ADVANCED TECH [ONLINE] http://advancedtech.pro/category/electronics/

DIRECT INDUSTRY [ONLINE] http://www.directindustry.it/prod/festo/cilindri- pneumatici-doppio-effetto-rotondi-4735-120580.html

TECH CON [ONLINE] http://www.tech-con.ro/THK/148-Sisteme-liniare/Suruburi-cu- bile.html

TECH CON [ONLINE] http://www.tech-con.ro/THK/148-Sisteme-liniare/Ghidaje- liniare-cu-bile-in-sistem-colivie.html

THOMASNET [ONLINE] http://news.thomasnet.com/fullstory/Ball-Splines-enable- smooth-motion-in-vertical-applications-492789

ROBOHAND FEED ESCAPEMENTS [ONLINE] http://www.destaco.com/feed- escapements.html

NIKON[ONLINE]http://www.nikonmetrology.com/en_EU/Products/PortableMeasuring/ArticulatedArms/MCAx/%28key_features%29

MAHRFEDERAL[ONLINE]http ://www. mahr. com/index. php?NodeID= 14323 &ContentID= 13760

ZEISS[ONLINE]http://www.zeiss.com/industrial-metrology/en_de/products/accessories/fixture-systems.html

Journal of Automation, Mobile Robotics&Intelligent Systems. April, 2007.

Journal of Automation, Mobile Robotics&Intelligent Systems. June, 2007.

TechnoMarket. numărul 3, 2010.

TechnoMarket. numărul 3, 2011.

TechnoMarket. numărul 4, 2011.

TtechnoMarket. numărul 5, 2011.

TechnoMarket. numărul 6, 2011

World Robotics Service Robots 2009; IFR Statistical Department; VDMA Robotics+Automation Germany; 2009

Robotic arc welding developments exhibited, A Carl Cloos Schweisstechnik product story; Edited by the Manufacturingtalk editorial team Jun 2, 2008

TEST&Mesurement EUROPE. December/January , 2002.

Job van Amerongen, Erik Coelingh, and Theo J.A. de Vries, "Computer support for mechatronic control system design," vol. 30, no. 1, pp.249-260, 2000.

Gheorghe Gheorghe, Metodologia cercetării științifice, dezvoltării și inovării. Bucuresti: CEFIN, 2008.

LeitzMetrology.[Online].http://www.leitzmetrology.com/leitzinfinity_541.htm#.UptI2u

LWCKE[Online].http://www.taylorhobson.com/uploads/downloads/products/FTS_i60_i120_i200_Lowres_EN.pdf

Optimar 100MahrTechnology.[Online].http://www.mahr.com/index.php?NodeID=2420

NtegraCatalogue.[Online].http://www.ntmdt.com/data/media/files/products/ntegra/ntegra_catalogue.pdf

Transducers.[Online].http://www.hbm.com/en/menu/products/transducerssensors/force/c9b/?geoip_cn=1

ParameterAB.(2011)Sistemedemicropozitionare.[Online].http://www.parameter.se/products/Default.aspx?ID1=48&i=Imaging&id2=52

Daneshjo Naqib. Computer Modeling and Simulation. [Online]. http://www.ipcsit.com/vol8/12-S3.3.pdf

Sabrie Soloman, Sensors and Control Systems in Manufacturing. New York: McGraw-Hill, 2010.

Viviana Filip, Cornel Marin, Lucian Gruionu, and Alexis Negrea, Proiectarea, modelarea, simularea sistemelor mecanice, utilizând Solidworks, CosmosMotion și CosmosWorks. Târgoviște: Valahia University Press, 2008.

Calculatoare si Electronică Facultatea de Automatică. (2011) De ce mecatronica? [Online]. http://www.robotics.ucv.ro/dcmec.php

Viviana Filip, Mecanisme. Târgoviște, România: Bibliotheca, 2005.

www.solidworks.com/[Online].https://www.solidworks.com/sw/products/simulation/motion-analysis.htm

Lou Manzione, Ahad Ali Devdas Shetty, "Survey of mechatronic techniques in modern machine design," Journal of Robotics, 2012.

Cornel Marin and Gheorghe Vasile, Tehnici de modelare si simulare in ingineria mecanica. Târgoviște: BIBLIOTHECA, 2011.

N., Williams, K. Maluf, An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering, Second Edition. Boston • London: Artech House, Inc., 2004.

Mihai Avram and Constantin Bucsan, "On improving the performances of pneumatic positioning systems," Romanian Review of Precision Mechanics, Optics and Mechatronics, vol. 41, pp. 132-135, 2012.

Mihai Avram and Constantin Bucșan, "Hydraulic and Pneumatic Actuating Systems with Piezoelectric Actuators," The Romanian Review Precision Mechanics, Optics & Mechatronics, vol. 43, pp. 7-11, 2013.

Mihai Avram, Constantin Bucșan, Despina Duminică, and Daniel Besnea, "Incremental Pneumo-Hydraulic Positioning Unit," Applied Mechanics and Materials, vol. 325-326, pp. 778-782, 2013.

Maria Niculescu and Nicolae Vasile, Epistemologie – Perspectivă interdisciplinară. Târgoviște: Editura Bibliotecha, 2011.

Maria Niculescu, Managementul și epistemologia cercetarii științifice. Note de curs, 2011.

Teodor Dima. Epistemologie. [Online]. http://filozofie.3x.ro/Epistemologie/index.html

George Rzevski, "On conceptual design of mechatronic systems,"

Gheorghe Gheorghe, Simona Istriteanu, Liliana Badita, Vasile Bratu, and Veronica Despa Adriana Cîrstoiu, "«"MECHATRONICS GALAXY", an industrial research support for European sustainable and strategic development»," in Proc. of IEEE International Conference on Mechatronics (ICM 2011), April 13-15, pp., Istanbul, Turkey, 2011.

W. Bolton, MECHATRONICS, a multidisciplinary approach. Electronic control systems in mechanical and electrical engineering, 4th Edition.: Pearson, Prentice Hall, 2008.

F., Tomizuka, M., Fukuda, T. Harashima, "Mechatronics–What Is It, Why, and How?," vol. 1, no. 1, 1996.

Gheorghe Gheorghe, Mecatronica. Bucuresti: Editura CEFIN, 2010.

Welding robot diagnostic system and method of use thereof; US Patent 5,353,238/Oct. 4, 1994

World Robotics Service Robots 2009; IFR Statistical Department; VDMA Robotics+Automation Germany; 2009

Sterling, Bruce (2013-06-04). "Augmented Reality: SoftKinetic 3D depth camera and Creative Senz3D Peripheral Camera for Intel devices". Wired Magazine. Retrieved 2013-07-02.

Kyriakos Herakleous and Charalambos Poullis (2014). "3DUNDERWORLD-SLS: An Open-Source Structured-Light Scanning System for Rapid Geometry Acquisition".

http://www.3dscanco.com/products/3d-scanners/3d-laser-scanners/handyscan-3d/exascan.cfm

http://www.nextengine.com/

http://www.riegl.com/

LISTA ANEXE

1. ANEXĂ NR. 1 – LISTA FIGURI

2. ANEXA NR. 2 – LISTA TABELE

3. ANEXA NR. 3 – LISTA ABREVIERI

ANEXĂ NR. 1 – LISTĂ FIGURI

ANEXĂ NR. 1 – LISTĂ TABELE

ANEXĂ NR. 3 – LISTĂ ABREVIERI