UUnniivveerrssiittaatteeaa PPOOLLIITTEEHHNNIICCAA ddiinn BBuuccuurreeșșttii [608284]

UUnniivveerrssiittaatteeaa PPOOLLIITTEEHHNNIICCAA ddiinn BBuuccuurreeșșttii
FFaaccuullttaatteeaa ddee IInnggiinneerriiaa șșii MMaannaaggeemmeennttuull SSiisstteemmeelloorr TTeehhnnoollooggiiccee

SSttuuddiiii uunniivveerrssiittaarree ddee MMaasstteerraatt

Facultatea Ingineria și Managementul Sistemelor Tehnologice
PPrrooggrraammuull ddee ssttuuddiiuu,,
IInnggiinneerriiaa mmaannaaggeerriiaallăă aa ssiisstteemmeelloorr tteehhnniiccee

DD II SS EE RR TT AA ȚȚ II EE

MMaasstteerraanndd,,
GGăăiinnuușșăă BBooggddaann – ȘȘtteeffaann

CCoonndduuccăăttoorr șșttiiiinnțțiiffiicc,,
PPrrooff.. ddrr.. iinngg.. CCoonnssttaannttiinn OOCCNNĂĂRREESSCCUU

22001188

UUnniivveerrssiittaatteeaa PPOOLLIITTEEHHNNIICCAA ddiinn BBuuccuurreeșșttii
FFaaccuullttaatteeaa ddee IInnggiinneerriiaa șșii MMaannaaggeemmeennttuull SSiisstteemmeelloorr TTeehhnnoollooggiiccee
DDeeppaarrttaammeennttuull ddee TTeeoorriiaa MMeeccaanniissmmeelloorr șșii aa RRoobbooțțiilloorr

SSttuuddiiii uunniivveerrssiittaarree ddee MMaasstteerraatt

PPrrooggrraammuull ddee ssttuuddiiuu,,
IInnggiinneerriiaa mmaannaaggeerriiaallăă aa ssiisstteemmeelloorr tteehhnniiccee

TT EE MM AA
LLUUCCRRĂĂRRIIII DDEE DDIISSEERRTTAAȚȚIIEE

Studiul sistemel or de măsurare de mare precizie

CCoonndduuccăăttoorr șșttiiiinnțțiiffiicc:: AAuuttoorr::

PPrrooff.. ddrr.. iinngg.. CCoonnssttaannttiinn OOCCNNĂĂRREESSCCUU GGăăiinnuușșăă BBooggddaann – ȘȘtteeffaann

DDeeccaann,,

PPrrooff.. ddrr.. iinngg.. CCrriissttiiaann DDOOIICCIINN
DDiirreeccttoorr ddee ddeeppaarrttaammeenntt,,

PPrrooff.. ddrr.. iinngg.. CCoonnssttaannttiinn OOCCNNĂĂRREESSCCUU

2017-2018

3
CUPRINS

1. Introducere – Aspecte generale
1.1. Considerații introductive – noțiuni generale ……………….. …………………………. 4
1.2. Criterii de clasificare a mărimilor de mă surat …………………………………………. 4
1.3. Noțiunea de “sistem de măsurare” ș i “traductor” …………………………………….. 5

2. Instrumente de mă surare
2.1. Studiul p rocesul ui de mă surare ……………………………………………………………… 8
2.2. Precizia instrumentelor de mă surare ………………………………………………………. 9
2.3. Tipuri de mă surari……………. ……………………………………………………………….. 10
2.4. Metode și erori de mă surare ……………………………………………………………….. 11
2.5. Clasificarea erorilor de mă surare …….. ………………. ……………………………….. 14

3. Studiul sistemelor de mă surare
3.1. Clasificarea sistemelor de mă surare …………………………………………………….. 16
3.2. Sisteme de mă surare computerizate ……………………………………………………… 18
3.2.1. Sisteme de instrumentaț ie…………………………………………………………… 18
3.2.2. Sisteme de control …………………………………………………………………….. 19
3.2.3. Clasificarea sistemelor de măsurare compute rizate ……………………….. 19

4. Studiul ș i evolutia sistemelor de mă surare și control
4.1. Traductoare și senzori inteligenț i………………………………………………………… 24
4.2. Studiul s isteme lor de m ăsurare ș i control asistate de calculator ……………… .28
4.3. Metode de măsurare – verificare cu contact ………………………………. …………. 28
4.4. Metode de verifi care – măsurare fără contac ………………………………………… 30
4.5. Măsurarea dimensiunilor prin intermediul coordonatelor …………… …….. …..34
4.6. Evolu ția, studiul și impactul sis temelor de măsurare și control ………………. 36
4.7. Studiul roboților de măsurare cu braț articulat ……… ………………………….. ….37

5. Concluzii ……………………………. ……………… ……………………….. ………… 45

6. Bibliografie ………………………………………………………. ……………………. 46

4
1. Introducere – Aspecte generale

1.1. Consideraț ii intr oductive

În orice tip de activitate umană se întâlnește o componența a cunoașterii, al
cărui scop îl consituie reflectarea cât mai fidelă a proceselor reale prin diverse legi
de desfășurare, care permit ulterior, optimizarea desfășurării actestora, în
conformitate cu pretentille de performanță dorite și posibile de realizat. În acest
sens, toate procesele lumii reale sunt însoțite de activități de măsurare a celor mai
diverse caracteristici și proprietăți.

Măsurarea , este un proces experimental, obiecti v, prin care se realizează
atribuirea proprietăților sau caracteristicilor obiectelor și fenomenelor lumii reale,
astfel încât să se obțină reprezentări simbolice utile ale acestora, în conformitate cu
cerințele beneficiarului (omului) .

Procesul de mă surare trebuie să aibă la bază o foarte bună cunoaștere a
structurii interne a activităților monitorizate pentru că relațiile numerice între măsuri
să reflecte cât mai fidel pe cele empirice.

1.2. Criterii de clasificare a mărimilor de mă surat

În vederea eviden țierii structurii și scopului procesului de măsurare, iată cele
mai importante și semnificative criterii de clasificare a mărimilor de măsurat.
 Clasificare în funcție de aspectele dimens ional -spațiale ale mărimilor de
măsurat

 Mărimi scalare , sunt cele c are pot fi complet determinate în urmă măsurării,
printr -un singur număr sau valoare, folosindu -se în acest scop unități de
măsură materializate fizic printr -un etalon, iar prin simplă numărare se
deduce valoarea numerică (exemplu dimensiunea unei suprafeț e)
 Mărimi vectoriale nu pot fi reprezentate doar printr -un singur numar, ci sunt
caracterizate prin modul, direc ție si sens
 Mărimi tensoriale, se caracterizeaza prin faptul c ă tensorul ca m ărime ata șata
unui punct, cu o anumit ă structur ă geometric ă și cons tituit dintr -un ansablu de
componente scalare.

5
 Clasificare în func ție de tipul rela țiilor empirice
 Mărimi reperabile sunt cele pentru care se pot defini numai rela ții de
echivalen ță și de oridine
 Mărimi extensive sunt cele care pe l ângă relațiile de ec hivalen ță și de ordine,
admit și o rela ție de concatenare (compunerea m ărimilor cu ele însuși ), spre
exemplu: lungimea, masa, for ța, etc.
 Mărimile intensive se caracterizeaz ă prin faptul c ă nu admit o c oncatenare
direct ă, ci cel mult pe anumite intervale, spre exemplu: temperatura, timpul
ca durata de lucru, etc.
 Clasificare în func ție de aspectul energetic
 Mărimi active , sunt cele care asociate cu o energie din care o anumita parte
poate fi utilizata în procesul de m ăsurare (ex: te nsiunea la bornele unei s urse
electrice)
 Mărimi pasive, sunt cele care nu posed ă o energie proprie ce poate fi eliberat ă
și folosit ă in opera ția de m ăsurare, fiind nevoie să se recurga in acest sens la o
sursă de energie auxiliar ă (energie de activare)

1.3. Noțiunea de “sistem de m ăsurare” si “traductor”

Se poate defini no țiunea de sistem de m ăsurare (instrument) ca fiind acel
dispozitiv (echipament tehnic) care are ca scop s ă stabileasc ă o dependen ță intre
mărimea de m ăsurat și o alt ă mărime ce poate fi perceputa in mod nemijlocit de
operatorul uman, astfel încât permite determinarea valorii m ărimii respective pe
baza unei sc ări de m ăsurare. Aceasta defini ție are in vedere înțelesul conventional al
notiunii de aparat de m ăsurat ce presupune utilizarea acestuia de c ătre un operator
uman.

În cazul proceselor tehnolog ice automatizate, unde intervenț ia operatorului
este substantial redus ă (în general, pentru eliminarea subiectivismului în aprecierea
calita ții, sau în vederea anulării erorilor operatorului în procesul de mă surare),
aparatul de m ăsura este denumit traductor si are ca rol stabilirea corespondentei
intre mărim ea de măsur at si o mărim e etalon, posibila de a fi prelucrata de
elementele de automatizare sau de echipamentele de calcul din structura
constructiva a sistemului tehn ologic (spre exemplu calculatoarele de proces).
Pe baza celor prezentate mai sus, in Fig. 1.3.1 se prezinta schema unui aparat
de măsur at, a carui mărim e de iesire se adreseaza spre prelucrare unui operator
uman , iar in Fig. 1.3.2 , schema principala coresp unzatoare utilizarii unui traductor,
care realizeaza functia de măsur are in cadrul unui sistem de reglare, comanda sau
conducere automata.

6

Fig. 1.3.1 Schema general ă a unei măsur ari efectuate de c ătre un operator uman

Fig. 1.3.2 Schema general ă a unei măsur ari efectuat ă într-un sistem de reglare sau de
conducere a unui proces tehnologic

Orice aparat de măsur at sau traductor, are o s trcutura constructiva detaliata
fata de cea prezentata in figura urmatoare (Fig. 1.3.3 ), ce cuprinde elemente cu
rolurile distincte caracteristice unui proces de măsur are – control complex.

 Elementul sensibil (detectorul), reprezint ă elementul esen țial, specific pentru
măsur area unei m ărimi fizice și care trebuie să aibă proprietatea de a fi
sensibil numai la m ărimea de măsur at si de a reduce la un minim acceptabil
influen ța celorlalte mărim i fizice existente în mediul de măsurare.
Deasemenea, elementul sensibil trebuie să furnizeze la ie șire un semnal
(purt ător de informa ții), care în concordan ța cu le gile fizice pe c are se
bazeaz ă funcționarea sa, să conțina informa ția necesar ă determin ării (prin
prelucrarea semnalului) valorii mărim ii de măsur at și să poata ac ționa și
celelate elemente componente ale aparatului de măsur at.

 Adaptorul, ca al doilea element constructiv important din structura unui
aparat de măsur are, are rolul de a primi semnalul transmis de elementul
sensibil și de al converti intr -o mărim e, în general de alta natur ă, in a șa fel

7
încat să fie u șor prelucrat ă rapid de catre operator sau de echipementele de
reglare, in vederea optimiz ării actului decisional, cu privire la func ționarea
sistemului tehnologic de fabricatie, prelucrare, etc. În general, la aparatele de
măsur at obi șnuite, semnalul de ie șire este o mărim e mecanic ă (deplasarea
unui ac indicator p e o scar ă gradat ă, etc.)

 Elementele auxiliare . Diversitatea constructiv ă a sistemelor tehnologice de
fabrica ție, în general, sau multitudinea de mărim i care trebuie verificate în
mod simplu, rapid și eficient, au impus prezen ța în structura sistemelor de
măsur are a unor elemente auxiliare, care îndeplinesc diverse roluri.

Fig. 1.3.3 Structura func ționala a unui aparat de măsur at

8

2. Instrumente de măsur are

2.1 Studiul p rocesul ui de măsurare

În domeniul tehnic achiziția de date are d ouă etape importante: măsurarea
unor mărimi și prelucrarea rezultatelor obținute în urma măsurării. Acest capitol
prezintă unele noțiuni legate de procesul de măsurare.
A măsura înseamnă a compara o mărime necunoscută (x) cu o alta de aceeași
natură,luată d rept unitate (u), folosind relația :

x = n·u

x – mărimea de măsurat
n – valoarea numerică a mărimii de măsurat
u – unitatea de măsură

Orice proces de măsurare conține patru elemente [4]:
– mărimea de măsurat
– aparatul de măsură
– metoda de măsurare
– etalonul

Prin mărime se înțelege o proprietate măsurabilă a unui corp sau fenomen
fizic. Pentru a putea efectua o măsurare trebuie ca mărimea fizică să fie ordonabilă
și să se poată stabili o corespondență biunivocă între mulțimea valorilor mărimii
respec tive și mulțimea numerelor reale. Rezultatul unei măsurători este un număr
care împreună cu unitatea de măsură caracterizează mărimea de măsurat.
Aparatul de măsură este instrumentul prin intermediul căruia este vizualizată
mărimea de măsurat. Indicatorul aparatului de măsură arată valoarea n iar aceasta
este percepută de un operator uman sau automat și utilizată practic. Rolul aparatului
de măsură în procesul de măsurare este arătat în schema din Fig. 2.1.

Fig. 2.1 Locul aparatului de măsură într -un pro ces de măsurare

9
Atunci când mărimea de măsurat este o mărime neelectrică ( de ex.
temperatura), între obiectul măsurării și aparatul de măsură se interpune un
dispozitiv numit traductor, care are rolul de a converti mărimea fizică într -o mărime
electric ă(de ex. o tensiune electromotoare). Schema bloc a unui proces de măsurare
cu traductor este arătată în Fig. 2.2.

Fig. 2.2 Locul traductorului într -un proces de măsurare

Metoda de măsurare reprezintă modalitatea în care se desfășoară procesul
de măsura re. Măsurările pot fi directe atunci când rezultatul se obține cu rel.(1.1)
sau indirecte, atunci când mărimea este definită de relația: x = f(a,b,c…) ( 2.2) în
care a,b,c….sunt mărimi măsurabile direct cu rel.( 2.1). Deoarece aparatele care dau
mărimile a,b,c…. pot fi montate în mai multe moduri a apărut necesitatea unor
metode de măsurare care au condus la rândul lor la apariția unor noi aparate care se
bazează pe metodele respective. In prezent se constată tendința de materializare a
unor metode de m ăsurare în instalații complexe, care includ și tehnici de prelucrare
electronică a datelor, cunoscute sub numele de sisteme de măsurare. Dintre acestea
se remarcă sistemele de măsurare computerizate, care se caracterizează prin aceea
că într -un punct al si stemului semnalul electric purtător de informație este convertit
din formă analogică în formă digitală.
Etalonul sau standardul de măsură reprezintă materializarea unei unități de
măsură, a unui aparat sau sistem de măsură destinat definirii, realizării, c onservării
sau reproducerii unei unități sau a unor valori cunoscute ale unor mărimi, în scopul
verificării prin comparație a altor unități, aparate, sisteme etc.

2.2 Precizia instrumentelor de măsură. Clase de precizie

Prin precizia unui aparat se înțelege calitatea acestuia de a da rezultate cât
mai apropiate de valoarea reală a mărimii de măsurat. Cantitativ, această calitate se
exprimă prin indicele de clasă care reprezintă un număr (înscris pe cadranul
aparatului) ce se stabilește după nivelul erorii de bază și al erorii suplimentare (de
influență).

Clasa de precizie reprezintă un ansamblu de proprietăți metrologice ale unui
aparat, în funcție de care acel aparat este „mai precis” sau „mai puțin precis”.
Valorile standardizate ale claselor de precizie sunt: 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02;

10
0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5. Clasa de precizie nu reprezintă și precizia măsurării
făcută cu acel aparat, întrucât aceasta depinde nu numai de precizia aparatului dar și
de condițiile în care are loc măsurarea.

2.3 Tipu ri de măsur ari

Principalele tipuri de măsurări întâlnite în practic ă sunt: de laborator, de
control și de întreținere.
Măsurările de laborator, după locul de desfășurare pot fi făcute în laboratoare
de cercetare, didactice și uzinale:
 În laboratoarele de cercetare măsurătorile trebuie să se efectueze cu
precizia cea mai ridicată, deoarece erorile pot influența semnificativ
fenomenul investigat;
 În laboratoarele didactice accentul trebuie pus pe detalierea aparaturii
de măsură, pentru a înțelege mai ușor m etodele de măsurare;
 În laboratoarele uzinale principala cerință a măsurătorilor care se fac
asupra materiei prime și a procesării acesteia este rapiditatea, întrucât
rezultatele trebuie să ajungă la timp pentru a fi utilizate în reglarea
procesului tehnol ogic.

Măsurările de control sunt specifice proceselor de producție și se fac, de
regulă, pe loturi de produse, urmărindu -se încadrarea caracteristicilor de calitate în
limitele de toleranță prescrise. In procesele moderne de producție de multe ori se
cere nu numai măsurarea unor mărimi dar și reglarea valorilor acestora, astfel încât
acestea să se încadreze în limite prestabilite. In acest caz este necesar ca în schema
măsurării, dată în Fig. 2.1, să se introducă un element de decizie și reglare (un
regula tor), așa cum se arată în Fig. 2.3.1

Fig. 2.3.1 Schema bloc a procesului de măsurare cu reglare automată

11
Măsurările de întreținere se fac la anumite intervale de timp sau atunci când
apar defectări.
Pentru a desfășura în bune condiții aceste măsurăr i trebuie ca:
– să existe o dotare cât mai completă cu aparatură de măsurare; uneori este
necesar ca echipamentul să fie mobil (pentru cazul când măsurătorile se fac pe
teren);
– să se utilizeze metode de măsurare cât mai simple, pentru a permite
interven ții rapide, astfel încât timpul de întrerupere în funcționarea instalației
respective să fie cât mai mic.

2.4 Metode și erori de măsur are

Prin metoda de măsur are se intelege ansamblul de principii si mijloace ce
stau la baza unei operatii in vederea obtin erii unui rezultat care să reprezinte cat mai
precis valoarea mărim ii măsur ate si totodata să satisfaca cerintele de utilizare.
Marea varietate a mărim ilor de măsur at, precum si mijloacele utilizate si
scopurile diverse in care sunt realizate măsur arile au condus la elaborarea unei mari
diversitati de metode de măsur are.
Intrucat operatia de comparative cu unitatea de referinta de măsur a este
esentiala in orice proces de măsur are, modalitatea de realizare a acestei opratii, a
determiant pentru practica măsu ratorilor doua metode principale: directe si
indirecte.
Metodele directe de măsur are, se caracterizeaza prin faptul ca in activitatea
propriu -zisa, valoarea mărim ii măsur ate se exprima nemijlocit ca rezultat al
comparație i cu un etalon. Aceste metode se ap lica mărim ilor wxrensive si pot fi
realizate in doua moduri:
 prin comparație simultana
 prin comparație succesiva

1.Metodele de măsur are prin compara ție simultan ă se caracterizeaza prin
faptul c ă în procesul de măsur are, măsur andul se compar ă fie cu un e talon de
valoarea egal ă sau apropiata, fie cu un etalon de valoare diferit ă, rezultat astfel
subdiviziunile denumite comparative 1:1, respectiv comparație 1:n
2. Metodele de măsur are prin comparație succesiv ă sunt specifice aparatelor
de măsur at, clasice (indicatoare) în care au loc una sau mai multe transform ări de
mărim i de măsur at, în conformitate cu real țiile de dependen ță explicite și complet
determinate, pe baza că rora prin atribuirea de numere diverselor valori ale
mărim ilor captate se ob ține direct rezultatul măsur arii.
Pentru ilustrarea grafic ă a principiilor metodelor directe prin compara ție
simultana si succesiva in fig.2.4 a si b sunt prezentate schemele principale
functionale ale celor doua tipuri de măsur ari.

12

Fig 2.4 a)

Fig 2.4 b)

Fig 2.4 Reprezentarea schematic ă a metodelor directe de măsur are
a- prin comparație simultan ă
b- prin comparație succesiv ă

După cum se poate oberva în Fig. 2.4 , rezult ă că la compara ția simultan ă,
transferul de informa ție se face în ac elasi timp de la etalon la măsur and, prin
intermediul aparatului de măsur at, la operatorul uman, iar în cazul metodei
comparație i succesive, acest transfer se realizeaz ă în doua etape, mai întai pe calea:
etalon – aparat de măsur are – operator in cadrul op eratiei de “calibrare” si ulterior
pe calea: măsur and – aparat de măsur are – operator, in cadrul operatiei de măsur are
propriu – zisa.

13
Din cele prezentate mai sus, se pot de duce usor si desprinde urmatoarele
observatii si concluzii mai importante:

1. Metoda comparație i succesive prezint ă avantaje importante în privin ța
simplific ării operar ției de măsur are, deo arece comparatia se realizeaz ă
automat, operatorul nu trebuie să intervina in procesul măsur arii
2. Activitatea operatorului în cazul acestei metode se co ncretizeaz ă la citirea
corect ă a informa țiilor de pe aparatul de măsur at, la asigurarea condi țiilor
necesare de func ționare corect ă, respectiv și la e fectuarea opera ției de
calibrare.
3. Pe de alt ă parte precizia măsur arii prin metoda comparație i successive e ste
determinat ă de performan țele aparatului de măsur at într-un grad mult mai
ridicat dec ât la metoda de măsur are prin comparație simultan ă; totodat ă,
aparatul de măsur at calibrat pentru un anu mit domeniu are o utilizare
limitat ă numai la valori ale măsur andului in domeniul respectiv.
4. Datorit ă avantajelor de operativitate, metodata comparație i succesive este
aplicat ă pe o scara tot mai larg ă.

În procesul de măsurare, oricât de corect ar fi executată, chiar dacă se
utilizează cele mai precise metode și apara te, rezultatul diferă de valoarea reală.
Cauzele apariției erorilor sunt variate: unele sunt subiective, întrucât depind
de operator (îndemânare, atenție, stare de oboseală), altele sunt obiective întrucât
depind de aparatul sau instalația de măsurare sau de factorii perturbatori (F.p.) din
mediul de lucru (temperatură, umiditate, prezența câmpurilor electrice și magnetice
etc.)
Se poate afirma așadar că rezultatul măsurării este întotdeauna însoțit de o
eroare iar mărimea acesteia definește precizia măsură rii; cu cât eroarea este mai
mică cu atât precizia este mai bună. Micșorarea erorilor și deci creșterea preciziei de
măsurare este un obiectiv important al procesului de măsurare.
Valorile unei mărimi în legătură cu valoarea unei mărimi există următoarele
noțiuni:
– Valoarea reală sau adevărată (notată Xr) reprezintă valoarea unei mărimi
fără erori;
– Valoarea efectivă (notată cu X) este valoarea obținută prin măsurarea acelei
mărimi cu mijloace de măsurare;
– Valoarea individuală este valoarea obținută pentru mărimea respectivă
printr -o singură operație de măsurare; într -un șir de măsurători efectuate în aceleași
condiții asupra aceleași mărimi, valoarea individuală se notează cu xi.
– Valoarea medie (notată Xm) reprezintă media aritmetică a valorilor
individuale xi ale unui șir de măsurători efectuate în aceleași condiții:

Xm = ∑ xi/n
i = 1… n, n fiind numărul de măsurători efectuate

14

2.5 Clasificarea erorilor de măsurare
a) după modul de exprimare există erori absolute și relative

Eroarea absolută (nota tă cu ΔX) se determină ca diferență între valoarea
efectivă și valoarea reală

ΔX = X – Xr

Eroarea relativă (notată cu ε) se exprimă ca raport între eroarea absolută și
valoarea reală:

ε = ΔX/ Xr ·100 [%]

Pe baza erorii relative se stabilește precizia m ăsurării. Întrucât în practică
valoarea reală (Xr) este necunoscută se înlocuiește cu o valoare de referință (X0)
sau se determină o limită superioară pentru ΔX. Valoarea de referință se obține prin
măsurători mult mai precise (de 5…10 ori) decât cele ut ilizate pentru determinarea
valorii efective.

b) după modul cum se manifestă erorile de măsurare pot fi: sistematice,
întâmplătoare (aleatoare) și greșeli (erori grosolane).

Erorile sistematice sunt acele erori care au o valoare determinată (constantă
sau variabilă după o lege cunoscută). Ele cuprind erorile controlabile ale aparatelor
de măsură, ale metodelor de măsurare și cele care depind de influențele controlabile
ale mediului de lucru.
Ca exemplu de eroare sistematică se poate da decalajul dintre punctul de zero
și indicația „0” la aparatele de măsurat cu scări gradate liniar. Erorile
întâmplătoare(aleatoare) sunt erorile a căror mărime și semn variază la întâmplare
(aleator), într -un șir de valori măsurate asupra aceleași mărimi, în aceleași condi ții.
Aceste erori provin din fluctuațiile indicatoarelor aparatelor de măsură, din
neatenția operatorului sau din influențele necontrolabile ale mediului de lucru
(variații de tensiune, vibrații, variații de temperatură etc.)
Greșelile (erorile grosolane) sunt erori care provin dintr -o manipulare greșită
(de ex., citirea indicațiilor aparatului de măsură pe o altă scară), din alegerea
nepotrivită a metodei de măsurare etc. și ele pot fi întotdeauna evitate. Din această
prezentare rezultă că erorile sistema tice sunt cunoscute ca mărime și sens și deci ele
pot fi eliminate prin corecții. Se numește corecție (c) eroarea sistematică absolută cu
semn schimbat, adică:

c = – ΔX

15

c) după cauzele care le produc erorile pot fi: de bază și suplimentare
Erorile de ba ză sunt erorile intrinseci ale aparatelor de măsură și reprezintă
erorile totale determinate în condiții de referință (de ex. temperatura 200 ±10C),
prescrise prin standarde sau norme. Erorile suplimentare sunt erorile care apar
datorită variației unui sin gur factor de influență. Acestea se prescriu separat pentru
variația fiecărei mărimi de influență în intervale nominale.

16
3. Sisteme de măsur are

În condițiile actuale, când informatica a pătruns în toate domeniile de
activitate, procesul de măsurare a suferi t modificări importante, nu atât metrologic
cât mai ales metodologic. Principala modificare constă în trecerea de la
instrumentația clasică, preponderent analogică, la instrumentația preponderent
numerică, în care calculatorul are un rol important. Au apăr ut noi instrumente, mai
flexibile și mai ușor de integrat în sisteme complexe de măsurare, noi concepte cum
ar fi cel de instrumentație virtuală, prin care folosind programe adecvate,
utilizatorul poate construi singur aparatele de măsură de care are nevoi e etc. Aceste
idei novatoare, la care se adaugă avantajele oferite de utilizarea calculatoarelor, au
schimbat complet modalitățile clasice în care se desfășura procesul de măsurare,
astfel că utilizatorul are acum doar rolul de a realiza conexiunile între elementele
aparaturii de măsurare, de configurare a sistemului de măsurare, de pornire și oprire
a instalației.
Ținând cont de aceste evoluții se poate spune că:
Sistemele de măsurare reprezintă proceduri și metode de măsurare, care
utilizează instalații c omplexe, în care prelucrarea datelor se realizează pe cale
electronică, folosind calculatoare personale și programe adecvate . Aceste sisteme
realizează prelevarea mărimilor electrice sau neelectrice (dar convertite în semnale
electrice) cu scopul prelucrăr ii, afișării și/sau luării unor decizii asupra unor
parametri dintr -un proces tehnologic.

3.1 Clasificarea sistemelor de măsurare
 După obiectivul urmărit :
 Sisteme de măsurare directă: au ca scop prelevarea imediată a valorilor
măsurate într -un proces pentru afișarea sau prelucrarea lor. Aceste sisteme se
întâlnesc mai ales în laboratoare unde prezența operatorului este absolut
necesară pentru luarea deciziilor bazate pe interpretarea mărimilor măsurate.
 Sisteme de măsurare și reglare: au ca scop atât măsurare a parametrilor unui
proces cât și menținerea acestora între limite sau după legi impuse. Aceste
sisteme sunt alcătuite dintr -un lanț de intrare destinat prelevării (achiziției)
datelor, un modul de prelucrare a informației (calculator) care elaborează
deciziile și un lanț de ieșire care transformă deciziile în comenzi aplicate
procesului. Aceste sisteme se mai numesc și sisteme de control al proceselor
și se întâlnesc, mai ales, în industrie.
 Sisteme de măsurare cu parametri controlați: prelevează mărimi di n proces în
condiții de mediu bine precizate pe care le controlează automat. Aceste
sisteme sunt formate dintr -un subsistem ce menține parametrii de mediu în
limite prescrise și un subsistem pentru măsurarea mărimilor din proces.
Astfel de sisteme se folos esc pentru măsurări complexe de laborator.

17
 Sisteme de control automat: se folosesc la capătul liniilor de ansamblare
pentru verificarea calității produselor.

 După modul de coordonare al procesului de măsurare:

 Sisteme de măsurare manuale, ce sunt conduse de operator și folosesc aparate
de măsur ă analogice sau numerice. Aparatele de măsură analogice sunt
controlate manual prin intermediul unor butoane și comutatoare aflate pe
panoul frontal. Măsuratorile făcute cu aceste aparate sunt înregistrate și
preluc rate tot manual de către oparator. Astăzi aria aparatelor analogice se
restrânge datorită extinderii aparatelor numerice care sunt mai ușor de utilizat
chiar atunci când sunt controlate manual.

 Sisteme de măsurare automate, care folosesc instrumente numer ice
programabile, controlate de către dispozitive externe (calculatoare sau
sisteme cu microprocesor) . Utilizatorul iși construiește un sistem cu mai
multe instrumente, conectate la un calculator care guvernează procesul de
măsurare, pe baza unui program adecvat. Conectarea instrumentelor cu
calculatorul se face prin folosirea unor interfețe standardizate cum ar fi
RS232 sau IEEE488. La aceste sisteme intervenția operatorului este minimă,
rolul său fiind doar acela de a iniția si opri procesul de măsurare.

Avantajele sistemelor de măsurare automate sunt:
– standardizarea procedurilor de măsurare;
– posibilitatea plasării traductoarelor și circuitelor de măsură lângă proces;
– comunicarea cu “operatorul automat “(calculatorul) se poate face pe distanțe
mari, fără alterarea informației;
– creșterea vitezei operațiilor de măsurare;
– posibilitatea de a controla condițiile de mediu (temperatură, umiditate);
– creșterea preciziei de măsurare, ca urmare a eliminării erorilor datorate
operatorului uman;
– realizarea unor operații suplimentare (sortarea obiectelor măsurate, afișarea
rezultatelor, etc.).

18
3.2 Sisteme de măsurare computerizate

Cunoscute sub diverse denumiri (sisteme de măsurare numerice, sisteme de
măsurare digitale, sisteme computerizate de ach iziții de date, sisteme de măsurare
cu microprocesoare), sistemele de măsurare computerizate se caracterizează în
primul rând prin faptul că dintr -un anumit punct al sistemului, semnalul electric
purtător de informație este convertit din formă analogică în formă digitală
(numerică). O parte din problematica sistemelor de măsurare computerizate se
referă la preluarea și prelucrarea informației conținute în semnalele digitale, iar altă
parte la controlul procesului. De aceea în cadrul sistemelor de măsurare n umerice se
face distincție între sisteme de instrumentatie și sisteme de control.

3.2.1.Sisteme de instrumentație

Sistemele de instrumentație sunt sisteme de măsurare complexe,
computerizate (sau dotate cel puțin cu un micropocesor), care au posibilitate a de a
prelucra informația prevenită din procesul de măsurare. Informația reprezintă date și
detalii cu privire la un obiect sau eveniment și este purtată prin semnale electrice.
Sistemele de instrumentație au ca scop prelucrarea informațiilor provenite di ntr-un
sistem de măsurare fără a le modifica. Informațiile sunt transformate în semnale
electrice care descriu evoluția în timp a fenomenului fizic. Sistemele de
instrumentație sunt sisteme deschise și sunt destinate atât efectuării măsurătorilor
propriu -zise cât și analizei mărimilor prelevate (Fig. 3.2.1).

Fig. 3.2.1 Locul sistemului de instrumentație în procesul de măsurare

Sistemele de instrumentație, ca parte a sistemelor de măsurare computerizate,
au în componența lor u nitați de prelucrare numeric ă (microprocesoare specializate
sau sisteme de calcul) ceea ce conferă flexibilitate și performanțe ridicate. Tehnicile
moderne de măsurare din diverse domenii sunt de neconceput fără sisteme de
instrumentație și necesită cunoștințe din domenii diferite (e lectronică, măsurări ,
traductoare, calculatoare etc. )

19
3.2.2.Sisteme de control

Sistemele de control se deosebesc de sistemele de instrumentație prin aceea
că sunt destinate atât prelucrării informațiilor prelevate prin măsurare, cât și
elaborării comenzi lor pentru elementele de execuție care acționează asupra
procesului supravegheat. Aceste sisteme sunt închise, întrucât generează corecții
pentru a menține o anumită stare într -o evoluție prestabilită.
În unele situații determinarea valorii mărimii de măs urat trebuie făcută în
condiții de mediu bine determinate, fiind deci necesară folosirea sistemelor de
măsurare cu parametri controlați, care au atât caracteristici de instrumentație cât și
de control. Schema bloc din Fig. 3.2.2. descrie acest tip de sistem , în care partea de
instrumentație asigură prelevarea și prelucrarea mărimilor de măsurat, iar partea de
control stabilește condițiile de măsurare.

Fig. 3.2.2 Schema bloc a unui sistem de instrumentație / control

3.2.3.Clasificarea sistemelor de măsu rare computerizate

Avantajele oferite în diverse domenii de modalitatea digitală de transmitere a
semnalelor purtătoare de informații au condus la utilizarea acesteia și în procesele
de măsurare. Creșterea performanțelor calculatoarelor au făcut ca sistem ele de
măsurare cumputerizată să formeze o categorie distinctă care începe să fie utilizată
preponderent comparativ cu sistemele măsurare exclusiv analogice.

20
Una din cele mai utilizate clasificări ale sistemelor de măsurare
computerizate, au la bază proto colul utilizat pentru transmiterea semnalelor
digitale(numerice). Astfel în ordinea în care diverse protocoale au început să fie
utilizate dar și în ordinea complexitații lor, sistemele de măsurare computerizate se
clasifică în:
-cu comunicație serială;
-cu comunicație paralelă;
-cu plăci de achiziții de date;
-cu calculatoare de uz industrial.

a) Sistemele de măsurare computerizate cu comunicație serială reprezintă una
din primele categorii de astfel de sisteme. Apărute odată cu ideea utilizării
calcu latorului în măsurare, ele au fost formate prin dotarea aparatelor de măsurare
cu convertoare analog -digitale și cu interfețe de comunicație serială prin intermediul
cărora informația privind valorile măsurate să poată fi transmise la calculator.
Schema ca re evidențiază principalele componente ale unui sistem de măsurare
computerizat cu comunicație serială este dată în Fig. 3.2.3.1

Fig. 3.2.3.1 Strucura unui sistem de măsurare computeriată cu comunicație serială

Dezvoltările ulterioare ale aparatelor de măsură analogice au permis ca
modificarea unor parametri de configurare a acestora (domeniul de măsurare,
factorul de amplificare etc) să poată fi efectuată la primirea unei comenzi date de
către calculator și transmisă aparatului de măsură prin interfața de comunicație
serială. Posibilitățile de APARAT DE MĂSURĂ ANALOGIC Convertor A / N

21
Interfață pentru comunicații seriale Circuit e de conectare și condiționare, traductori
comenzi de configurare Calculator Interfață pentru comunicatii seriale afișare pe
monitorul calculatorului a valorilor măsurate, de prelucrare și de stocare în fișiere
de date, precum și modificarea automată (comandată prin software) a parametrilor
de lucru ai aparatelor de măsură analogice au condus la eliminarea unor funcții ale
acestor aparate. Astfel componentele indicatoare (acul indicator) înregistratoarele,
comutatoarele nu își mai justificau prezența datorită dublării funcțiilor respective de
către calculator. Prin această simplificare aparatele de măsură analogice utilizate în
sisteme computerizate cu comunicație serială pot fi reduse la circuite de conectare a
traductoarelor, de condiționare a semnalului analogic, de conversie analogdigitală
(numerică) și de realizare a comunicației seriale. Avantajul acestei simplificări
constă î n eliminarea unor componente electronice sau electromecanice cu consum
energetic relativ mare, care pot influența negativ procesul de măsurare.
Datorită vitezei relativ reduse de transmitere a informatiei în cazul
comunicației seriale, acest tip de sisteme de măsurare computerizate poate fi utilizat
atunci când interfața de comunicare serială a aparatului analogic nu transmite către
calculator decât o parte din valorile măsurate.

b) Sistemele de măsurare computerizată cu comunicație paralelă au o
structură similară celor cu comunicație serială, pricipala diferență constând în
protocol ul utilizat pentru transmiterea informației. Viteza sporită de transmitere a
informației face ca această soluție să fie utilizată pentru conectare la calculator a
unor aparate pentru măsurarea unor mărimi fizice cu variații foarte rapide. In plus,
deși apa ratele utilizate în aceste sisteme pot fi monitorizate sau configurate de
calculator prin intermediul interfeței de comunicație paralelă, ele pot să conțină
componente de vizualizare și stocare a semnalului sau componente de configurare.
Păstrarea acestor componente pe aparatele de măsură face posibilă utilizarea lor, în
situația în care nu sunt conectate la calculator. Schema unui sistem de măsurare
computerizat cu comunicații paralele este aceeași cu cea serială (dată în Fig.
3.2.3.1), singura deoserbire constând în înlocuirea interfeței pentru comunicații
seriale cu una pentru comunicații paralele.

c) Sistemele de măsură computerizate cu plăci de achiziții se caracterizează
în primul rând prin faptul că operația de conversie a semnalului purtător de
informație din forma analogică în formă digitală nu mai este efectuată de aparatul
de măsură analogic ci de o componetă electronică distinctă – placa de achiziții date –
montată în calculator ca în Fig. 3.2.3 .2.

22

Fig. 3.2. 3.2 Stuctura generală a unui sistem de măsurare computerizat cu placă de achiziție

Plăcile de achiziții date necesită ca semnalul analogic să se încadreze între
anumite limite pentru valoarea tensiunii și de aceea este necesară prezența unor
aparate de condiționare a semnalelor. Acestea au ro l nu numai de a satisface
cerințele impuse de placa de achiziție ci și a celor rezultate din tipul și
caracteristicile constructive ale traductoarelor utilizate. Majoritatea operațiilor de
configurare a acestor aparate sunt comandate de calculator prin int ermediul plăcii
de achiziție. Transferul de informație între aparatele de condiționare a semnalului și
placa de achiziție de date are loc într -un mod complex.
O prima categorie de informații (informația conținută în semnalul măsurat și
condiționat) este tr ansferată sub formă analogică în sens unic către placa de
achiziție de date și este dedicată convertorului analog -digital.
A doua categorie de semnale purtătoare de informație este de natură digitală.
Acestea sunt dedicate fie comandării de către placa de achiziție a modului de lucru a
condiționerului de semnal, fie transmiterii de către acesta a unor informații legate de
starea în care se află. Prezența convertorului analog -numeric(digital) în placa de
achiziții montată în calculator conferă sistemului de măsurare flexibilitate și
performanțe sporite. Viteza de transmitere a informației provenite din măsurare
către microprocesorul calculatorului este mult mai mare comparativ cu sistemele de
comunicație paralelă. Modul în care placa de achiziție realizează t ransferul
informațiilor către și de la microprocesor depinde de tipul de magistrală de date
existent în structura calculatorului (AT, ISA, PCI, etc.).
Transmiterea sub formă analogică a semnalului de la modulul de condiționare
la calculator ridică unele pr obleme în situația când distanța transmisiei este mare
sau atunci când informația poate fi afectată de factori perturbatori. Evitarea alterării
informației în aceste cazuri se poate face fie prin introducerea unor componente
suplimentare în sistemul de măs urare (de obicei modulatoare), fie prin luarea unor
măsuri suplimentare de izolare și ecranare a componentelor sistemelor de măsurare.

23
Sistemele de măsurare computerizată cu plăci de achiziții sunt utilizate cu precădere
în activități de cercetare experime ntală (laboratoare, testări inițiale pentru sisteme de
automatizare, etc.).
d) Sistemele de măsurare computerizată cu calculatoare de uz industrial
utilizează de asemenea plăci de achiziții de date și aparate de condiționare a
semnalelor. Deosebirea față d e sistemele cu plăci de achiziție constă în faptul că
aceste componente împreună cu calculatorul sunt realizate sub formă de module ce
se montează pe un suport comun, ca în Fig. 3.2.3.3 . Suportul comun asigură atât o
parte din comunicațiile digitale dintre componentele sistemului de măsurare, cât și
etanșarea și izolarea acestora față de eventualii factori perturbatori din mediul de
lucru (umiditate, praf, etc).

Fig. 3.2.3.3 Structura unui sistem de măsurare computerizat cu calculator de uz industrial

Transmiterea informațiilor între componentele montate pe suportul comun se
efectuează după protocoale specifice acestui sistem de măsurare (VXI, MXI, PXI,
etc.).
Pe suportul comun pot fi montate în plus interfețe dedicate comunicației cu
alte aparate de mă sură externe, atât în serie cât și în paralel, care comunică, de
obicei prin intermediul magistralei de date, cu calculatorul de uz industrial.
Sistemele de măsurare computerizată cu calculator de uz industrial sunt
utilizate exclusiv în aplicații industr iale de monitorizare, control și comandă în
cadrul unor procese cu număr mare de locuri de măsurare și mărimi de controlat (de
ex.: centrale electrice, combinate siderurgice și metalurgice etc.)

24
4. Evolu ția sistemelor de măsur are și control

4.1 Traductoare și senzori inteligen ți

În cadrul sistemelor automate de măsur are si control, mărim ile de intrare ale
traductoarelor și senzorilor reprezint ă informa ții despre starea de func ționare a
sistemului inteligent și a mediului în care func ționeaz ă.
Prin traductor, reamintim, se înțelege un dispozitiv care preia informații
despre starea internă de funcționare a sistemului, iar prin senzor se înțelege
dispozitivul care culege informații despre starea externă (a mediului).
Mărimile de ieșire de la traductoare și senzori pot fi numerice sau analogice
(de unde și denumirea corespunzătoare a acestora)
Ca elemente de măsurare în structură sistemelor tehnologice de producție au
rolul de a pune în evidența operatorului uman măr imea relativă a deplasării a unui
organ mobil (subsistem) sau poziția acestuia față de un sistem de referință (mărimea
absolută a deplasării).
Traductoarele de deplasare furnizează la ieșire mărimea relativă a deplasării
că diferență a coordonatelor poz iției finale și inițiale a elementului mobil, iar cele de
poziție oferă mărimea absolută a deplasării că valoare a coordonatei poziției finale
față de originea sistemului de coordonate
Traductoarele numerice se caracterizează prin faptul că la ieșire fur nineaza o
mărime electrică sub formă de impulsuri, numărul acestora fiind codificat într -un
cod oarecare fiind proporțional cu deplasarea. Metoda numerica de măsur are poare
fi:
a) Incremental ă – pentru măsur ari relative
b) Absolut ă – pentru măsur ari absolute
c) Metoda numeric ă incremental ă, se bazeaz ă pe principiul di vizării unit ății
de lungime sau de unghi î ntr-un num ăr finit de elemente de distan ță,
materializate prin linii foarte sub țiri, trasat mecanic sau prin fante
echidistante realizate fie pe elementul fix sau pe cel mobil al
traductorului.
Prin deplasarea rel ativă a celor doua elemente ale traductorului, pe baza
fotoeletric ă, elementele de distan ță și delimit ările dintre acestea se transform ă în
semnale logice de nivel 1 sau 0 in mod alternativ (fig. 4.1.1 ) fiec ărui increment
(pas) cu deplasare îi corespunde c a valoare un impuls electric (de tip 0 sau 1)

25

Fig. 4.1.1 Schema de clasificare a traductoarelor

Fig. 4.1.2 Dependen ța dintre numarul semnalelor electrice de tip 1 sau 0 de mărim ea
deplas ării organulu i mobil.

Tipul m ărimii de ie șire Traductoare
numerice
Traducto are
analogice
Traductoare incrementale
Traductoare absolute
Traductoare inductosyn
Traductoare resolver
Traductoare potentiometrice

26
Prin măsur area acestor impulsuri la nivelul unui num ărator electronic se
obține valoarea deplasarii între dou ă puncte cu o precizie de ±ΔL.
Pentru exemplificare, în figura urm ătoare ( 4.1.3 ) se prezint ă soluția
constructiv ă și de func ționare a u nui traductor incremental liniar, alc ătuit din
următoarele elemente reprezentative: un sistem optic centrat cu o montur ă M, o
sursă de lumin ă S, o lentila obiectiv de proiectie convergenta OB, o rigl ă
incremental ă R (cu fante), care are posibilitatea depla sarii în raport cu axa optic ă a
sistemului surs ă de lumin ă, o rigl ă vernier V prevazuta cu ferestre laterale prin care
rigla incremental ă se poate deplasa transversal si un sistem fotodiode F1+F1 ca
elemente de ob ținere a semnalelor logive 1 sau 0.

Fig.4.1.3 Schema constructiva si functionala a unui traductor numeric incremental de
deplasare

Miscarea relativ ă a grilei traductorului fa țp de vernier se asigur p prin
solidarizarea monturii cu elementul fix al echipamentului tehnologic(in general
ghidajul), ia r righla cu elementul mobil(sania, capul de fort p, etc.) pentru care
trebuie măsur atp deplasarea.
Dupa cum se poate observa, pe rigla incremental p este materializat p o rețea
de benzi (fante) opace si transparente cu la țimea L/2, pe righa vernier,
benzile(f antele) opace au latimea 3L/4, iar cele transparente L/2.
Fotodiodele sunt aliniate cu benzile transparente ale riglei vernier, deci la
pasul 5L/4.
Pereche rigla – vernier formeaza un rastel, strab ătut de fluxul luminos primit
de la sursa S și interceptat de fotodiode, intensitatea acestuia ( și deci natura
semnalului electric) depinz ând de aria instantanee neecranat ă din dreptul acesteia.

27
Impulsurile electrice obtinu țe, num ărate cu un dispozitiv de num ărare conduc
la o valoare a deplas ării S=N L (N fiind num arul de impulsuri).
În acest caz dispozitivul de citire a informa țiilor de pe rigl ă trebuie să citeasc ă
simultan toate pistele, astfel c ă la ieșire se va obtine un num ăr prin care se exprim ă
poziția elemen tului mobil la un moment dat fa ță de origine (spre exemplu, cap ătul
din st ânga al riglei traductorului).

Traductoarele analogice , se caracterizeaz ă prin faptul c ă semnalul de ie șire
este o tensiune electric ă a cărei amplitudine sau faz ă se modific ă în mod continuu în
funcție de deplasare. Între mărim ea sa u faza semnalului electric (ten siunea) și
mărim ea deplas ării organului mobil al echipamentului tehnologic exist ă o
dependen ță biunivoc ă, de regul ă printr -o func ție trigonometric ă (de tip sinus sau
cosinus) fig 4.1.4.

Fig.4.1.4 Dependen ța tensiunii elec trice în fucntie de deplasare la traductoarele analogice.

28
4.2 Studiul s isteme lor de măsur are si control asistate de
calculator

Dezvoltarea și integrarea în activitatea de produc ție din ce în ce mai
diversificat ă și cu preten ții de precizie tot mai ri dicate a unor echipamente
tehnologice cu grad înalt de automatizare, caracterizate mai ales de utilizarea
conducerii numerice a proceselor de lucru prin intermediul calculatoarelor, a impus
cu necesitate si automatizarea măsur arii si controlului calit ății produselor cu
echipamente compatibile cu cele de fabrica ție.
Pentru eliminarea marjelor de eroare(umane) și a timpilor necesari procesului
de măsur are și verificare a pieselor în mediul industrial s -a adoptat utilizarea
proceselor de măsur are asistate de c alculator.
Câteva motive de ordin economic, social și tehnologic au impus
modernizarea procesului de măsur are și control, printre acestea amintim:
– Consum de timp ridicat și interzieri ale procesului de produc ție
– Cererea tot mai mare și pretenția clien ților de produse perfecte
– Tendin ța inspectorului uman de a fi de mai multe ori subiectiv
– Imbun ătățiri aduse tehnicilor de proiectare și contruc ție a senzorilor f ără
contact

Toți acești factori au condus la introducerea si dezvoltarea controlului calit ății
asistată de calculator (CAQ – Computer Aided Quality Control)
Efectele cele mai importante ale folosirii CAQ sunt:
 Procesul de inspec ție este integrat în procesul de produc ție deci nu mai
necesit ă deplasarea pieselor pe bancuri speciale sau alte spatii pentru
verificare, dec ât în situa ții speciale
 Utilizarea senzorilor f ără contact este facilitat p de implementarea CAQ; în
schimb cu dispozi tive cu senzori sau traductoare cu contact, piesa trebuie să
fie oprit ă si repozi ționat ă pentru realizarea controlului cu cheltuieli de timp și
costuri de produc ție
 Folosirea senzorilor și traductoarelor f ără contact și utilizarea calculatorului
pentru prelucrarea datelor permite “adaptarea procesului în sensul optimi zării
desfășurării acestuia”

4.3 Metode de măsur are – verific are cu contact

Mașinile de măsur at in coordonate (CMM) sunt cele mai reprezentative
echipamente din categoria verificarii calit ății (preciziei dimensional -geometrice)
folosind senzori mecanici în contact cu s uprafa ța piesei (fig. 4.3.1 ).
Acestea sunt alc ătuite dintr -o masa pe care se fixeaza piesa în pozi ție fix ă și
un cap de măsur are (senzorul) ce poate fi deplasat pe trei direc ții corespunz ătoare

29
celor trei axe de coordonate pentru a prelua informa țiile dimensionale -geometrice
corespunz ătoare.

Fig. 4.3.1 Schema unui masini de măsur at in coordonate

În prezent, CMM -urile sunt controlate de calculator, programul de lucru și
coordonatele piesei put ând fii stocate direct dintr -un calculator central.
În general, fa ță de timpul necesar pentru o inspec ție manual ă, timpul de care
are o nevoie o CMM este aproximativ 5+10% din primul.
Dezavantajul acestor ech ipamente, cons tă în faptul c ă piesele trebuie aduse la
postul de fabrica ție pe masa ma șinii, care sunt dispuse, de obicei în alt spa țiu de
lucru.

30
4.4 Metode de măsur are – verificare fara contact

Din aceasta categorie cele mai rasp ândite sunt:
1) Metodele optice
2) Metodele non -optice

Metodele optice

Față de metoda inspec ției cu contact, cele f ără contact prezint ă urmatoarele
avantaje, cele mai important e fiind:
 Elimin ă necesitatea transferului piesei de la locul de produc ție pe masa
echipamentului de verificat deci implicit producitivitatea procesului de
inspec ție creste;
 Sunt mult mai rapide în efectuarea inspectiei calit ății produsului
 În lipsa contact ului elementului de verificare a calit ății cu suprafa ța piesei, se
elimin ț oboseala și uzura mecanic ă a sondei traductorului și senzorului de
măsur are/control
 Elimin ă posibilitatea deterior ării suprafe ței inspectate în timpul opera ției de
măsur are

Sisteme le optice sunt cele mai utilizate metode de inspec ție fără contact a
calității produsului și care se bazeaz ă pe folosirea tehnologiilor microelectronice și
procesarea pe calculator a semnalelor primite de la senzori sau traductoare.
Din categoria tehnicilo r optice de inspectie f ără contact fac parte:
– Vederea computerizat ă
– Scanarea cu fascicul laser
– Fotometria
Toate aceste metode folosesc pentru prelucrarea informa țiilor despre calitatea
produselor un senzor de lumina de tip: ce lulă fotoelectric ă sau fotodio dă.

a) Vederea computerizat ă

Obiectivul metodei este acela de a atribui sistemului pe c ât posibil acelea și
simț vizual ca al unei persoane umane, care ar verifica produsul pentru evaluarea
calita ții. Este un domeniu înca neexploatat pe deplin și care are p erspectiva unor
perfec țiuni foarte mari pentru cresterea productivit ății procesului de inspec ție și a
evalu ării calita ții.
Un astfel de sistem automat de control con ține o camer ă video și un
calculator digital legate printr -o interfa ță specific ă.
Calculato rul digital preia semnalul analog de la camera video, îl digitalizeaz ă
și apoi analizeaz ă imaginea rezultat ă cu informa țiile stocate în propria memorie.

31
În prezent, exist ă o serie de limite ale acestor tehnologii dintre care cele mai
semnificative sunt urm ătoarele:
– Împar țirea imaginii se face în elemente de imagine de baza (puncte sau
pxieli) într-un numar finit; (spre exemplu: 256×256 sau 515×512)
– A doua limitare este cea l egata de recunoa șterea obiectelor din c âmpul de
vedere al camerei video (num ărul de obiecte care poate fi recunoscut este
direct propor țional cu capacitatea de stocare a calculatorului) ; sistemul nu
poate recunoa ște obiecte pentru care nu are are informa ții stocate în baza
sa de date.
– O alt ă restric ție de limitare se refer ă la cazul în care doua obiecte se
obtureaz ă (se intersecteaz ă ca imagine) par țial unul pe cel ălalt, caz în care
tehnicile actuale nu permit recunoa șterea ambelor obiecte cu performan țe
ridicate de identificare.

Aceste limitari ale vederii computerizate sunt, în principa l datorate vitezei de
calcul și capacit ății de stocare a informa țiilor limitate la anumite valori
posibile aflate în calculator; aceste limite se vor diminua destul de cur ând
prin dezvoltarea echipamentelor electronice și a programelor de calculator
specializate.

b) Dispoziti vele de scanare cu fascicul laser

Acest tip de dispozitive sunt cele mai performante în raport cu alte tipuri de
dispozitive cu fascicul de lumin ă albă sau fluorescent ă, deoarece avantajul laserului,
cel mai important, este c ă poate fi proiect at la distan țe mari f ără a prezenta pierderi
insem nate de energie sau intensitate, precum și de abatere de la direc ția rectilinie.
Un exemplu reprezentativ al aplic ării acestei metode îl reprezint ă măsur area
abaterilor dimensionale ale unei piese (fig. 4.4.1)
Sistemul de lucru se bazeaz ă în acest caz, pe măsur area timpului și nu a
intensit ății luminii.
Fascicolul laser emis de către o surs ă, este dirijat prin reflexie folosindu -se o
oglind ă pivotant ă, astfel inc ât să scaneze obiectul de măsur at. Detectoru l optic este
situat în punctul focal al sistemului de lentile și are ca scop să detecteze intreruperea
fascicolului laser în momentul c ând acest a este blocat de obiect.

32

Fig.4.4.1 Sche ma generala a unui sistem de verificare a preciziei dimensionale cu f ascicul
laser.

Timpul care corespunde întreruperii luminii laser (Δt = t 2 – t1) este măsur at și
apoi transformat în dimeniuni spe cifice pentru acel obiect (fig. 4.4.1 a).

c) Fotometria este o metod ă de inspec ție imprumutat ă din domeniul
recunoa șterii aeriene și a alc ștuirii h ărtii geologice (topografice)

În inspec ția calit ății produselor, acesta presupune extragerea unor informa ții
tridimensionale dintr -o pereche de fotografii ale obiectului, luate sub diverse
unghiuri.
Dezavantajul acestei metode, este reali zarea fotografiilor care necesita un
anumit timp.
Principiul unui astfel de sistem de inspec ție se prezinta în fig. 4.4.2 , de unde
se observ ă că imaginile foto preluate de cele dou ă camere 1 și 2, sunt prelucrate de
un calculator care prin procesarea imagin ilor obtinute compar ându-le cu imaginea
stocat ă a unui model de referin ță, decide asupra calit ății produsului.

33

Fig. 4.4.2. Sistem de măsur are dimensionala bazat pe fotometrie

Metodele non optice

Sunt utilizate mai des trei tipuri generale reprezenta tive de tehnici non -optice
ale inspec ției fără contact a calit ății produselor și anume:

 Tehnici bazate pe c âmpuri electrice (de tip capacitiv, inductiv, rezistiv)
Spre exemplu, un traductor capacitiv, poate fi folosit pentru măsur area
distan ței dintre sond ă și obiectul de măsur at, principiul de lucru const ând în
plasarea obiectului în interiorul pl ăcilor mobile ale unui condensator și prin
măsur area capacit ății variabile C a acestuia, se pot determina dimensiunile
obiectului pe o direc ție sau pe mai mu lte direc ții.
Un traductor de tip inductiv, folosit pentru verificarea calit ății produsului,
presupune plasarea obiectului într-un câmp magnetic produs de o bobin ă traversat ă
de curent alternativ, care influen țeaza inductan ța bobinei. C âmpul magnetic prima r
este influen țat de cel creat de curentul de intenstiate mai mic ă generat prin obiect.
Inductanta rezultant ă poate fi măsur ată și analziat ă pentru determinarea
anumitor caracteristici dimensionale ale obiectului sau chiar geometrice.

34
 Tehnici bazat e pe utilizarea radiatiilor

Radia țiile X sunt folosite în procesul de inspec ție ale caracteristicilor sau
propriet ăților materialelor sau ale pieselor. Energia radiatiilor abosrbit ă de un
material, poate fi folosit ă atat pentru a -i măsur a grosimea, c ât și pentru a -i
determina caracteristici de calitate (spre exemplu existen ța unor defecte interne).
Domeniul de aplicare ale tehnicilor cu raze X este cel legat, mai ales de
inspectarea calit ătii sudurilor sau a țevilor din o țel de Al, c ând se detecteaz ă
defectele și golurile din sudura sau material.
Ultrasunetele sunt folosite (la frecventa înaltă de peste 20000 Hz) pentru a
indica anumite caracteristici ale materialelor sau pieselor, prin testarea nedistructiv ă
(a defectelor).
Pot fi folosite și pentru determinare a caracteristicilor dimensionale, principiul
const ând în faptul c ă sunetul reflectat de obiect, este comparat de un calculator cu
alte modele de unde stocate in memoria acestuia, acceptabile din punct de vedere al
calității.

4.5 Măsur area dimensiunilor prin intermediul coordonatelor
Măsur area in coordonate are unele caracteristici proprii ce o deosebesc
oarecum de măsur arile obi șnuite cu instrumente universale ( șubler, micrometru,
microscop, etc.)
În timp ce la măsur arile obi șnuite parametrii dimensionali ai suprafe ței piesei
se ob țin direct (ex. Diametrul cu ajutorul microscopului sau micrometrului) în cazul
metodelor de măsur are in coordonate, datele procesului de verificare a calit ății se
obțin indirect prin pre lucrarea rezultatelor măsur atorilor de coordo nate ale unor
puncte din plan sau spa țiu, folosind calculatorul electronic propriu sistemului, care
ofera rezultatul verificarii in timp real sau nu .

În procesul de verificare a preciziei dimensionale și geometrice a suprafe ței
prelucrate, softul de măsu rare se bazeaz ă pe utilizarea unor rela ții teoretice ale
geometriei analitice în plan sau spa țiu. Spre exemplu distan ța dintre axele a doua
alezaje , pe baza c ăreia se creeaza softul de calcul și respectiv modalitatea de p alpare
a suprafe țelor alezajelor pentru ob ținerea coordonatelor x 1, y1 si x 2, y3 ale centrelor
O1 si O 2 ale celor dou ă alezaje.

35

Fig. 4.5.1 Măsur area distantei dintre doua puncte in plan

Pentru ca măsur area să fie sigura, eficient ă și precis ă trebuie să fie respectate
anumite principii în elaborarea strategiei de măsur are în coordonate:

– În primul r ând trebuie să fie conceput un plan de măsur are al piesei care
presupune alegerea dispozitivelor, modurile de asezare și prindere a
acesteia pe masa (AMCrd – aparat de măsur are în coordonate) strategia de
măsur are, calculele ce trebuie efectuate, alegerea softului, etc.
– Alegerea pozi ției optime a reperului în spa țiul de lucru al AMCrd este
foarte important ă. Este de recomandat în acest sens modul de asezare care
permite măsur area far ă schimbarea pozi ției piesei (dac ă este posibil) și cu
utilizarea unui singur palpator (caz destul de rar întâlnit). Datorit ă
complexita ții suprafe țelor geometrice ale piesei, pozi ția acesteia, de obicei
se modific ă și chiar neces ită schimbarea palpatorului.

36
4.6 Evoluția, studiul și impactul sistemelor de măsurare și
control

În ultimii 20 de ani dezvoltarea calculatoarelor și a tehnologiei a avut parte de
o cre ștere accentuata duc ând automat la necesitatea evolu ției aparatelor d e măsur are
și control. Pentru eliminarea marjelor de măsur are, diminuarea timpilor de măsur are
si ușurarea procesului de măsurare aparatele clasice de măsur are au avut parte de
imbunatatiri substanțiale, astazi fiind capabile de performante extraordinare.
Evolu ția sistemelor de măsurare:
Necesitatea îmbunătățirii timpilor de citire a dimensiunilor cu ajutorul
șublerului, a dus la modernizarea acestuia, astfel valorile putând fi citite imediat
fără a avea parte de o eroare de citire din partea operatorului u man.

Fig. 4.6.1 Șubler

Fig. 4.6.2 Șubler digital

37

Fig. 4.6.3 Micrometru și micrometru digital

Avantajele și beneficiile evoluției sistemelor de măsurare:
 Precizie superioară, față de instrumentele clasice. Ultimele aparate de
măsurare sunt capabile să măsoare cu o precizie extraordinar de mare pâna la
ordinul nanometrilor
 Reducerea timpilor necesari procesului de măsurare
 Imbunătățiri în procesul de proiectare asistat de calculator, majoritatea dintre
aparatele moderne de măsurare fiind capa bile să genereze o schiță
minimalistă sau piesa intr -un format CAD/CAM.
 Reducerea costurilor inclusiv reducerea necesității efectuării măsurătorii în
multiple rânduri pentru verificarea preciziei

4.7 Studiul roboților de măsurare cu braț articulat

În aces t capitol am ales să studi ez unul dintre cel mai avansat și precis braț de
măsurare dar si să prezint avantajele acestuia în comparație cu competitor ii și
alte produse aflate pe piață.
Brațele poliarticulate sunt instrumente de măsur a în coordonate 3D portabile,
capabile să masoare puncte la contactul palpatorului cu suprafa ța de inspectat.
Sunt instrumente de măsur a manuale și necesit ă interven ția unui operator de
inspec ție dimensional a. În general au o precizie mai sc ăzută decât a unui laser
tracker , însa prezint ă o serie de avantaje în comparație cu acesta.

Brat articulat portabil – Principiu de functionare
Un bra ț poliarticulat este un intrument de măsur a 3D portabil, format dintr -o
serie de tuburi racordate, în ale carui incheieturi (joints) sunt plasa ți senzori
optici care masoar ă unghiul dintre doua tuburi succesive. Între fiecare dou ă
tuburi se poate face rota ția pe o singur ă axă, celelalte rota ții fiind blocate de
elemente mecanice de înalta precizie. Prin măsur area unghiurilor dintre toate
tuburile și cunoa șterea pozi ției ini țiale a intrumentului (originea instrumentului),
se poate determina pozi ția palpatorului care vine în contact cu piesa de măsur at.
Proiectarea ulterioara a punctului măsur at și compensarea diametrului sferei de
contact con duc la determinarea pozi ției punctului măsur at pe piesa.

38
În funcț ie de specifica țiile de măsur a se pot alege palpatoare cu diametr u și
lungimi diferite. Precizia encoderelor si a factorului de dilatare termica a
tuburilor depinde in mare parte precizia d e măsur a a acestui in strument portabil.

Mod de utilizare :
Brațele de măsur a 3D poliarticulate necesit ă manipularea de c ătre un
operator, fiind instrumente de măsur a manuale. Principiul este acela al unei
mașini de măsur are fixe și se bazeaz ă pe determina rea pozi ției palpatorului care
vine în contact cu piesa de măsur at. Operatorul pozi ționeaza tastatorul în contact
cu piesa de măsur at, iar măsur area punctului se face prin ap ăsarea unui buton,
moment în care bra țul transmite c ătre computer coordonatele cen trului
palpatorului. Prin analiza software se compenseaz ă diametrul palpatorului
determin ându-se astfel pozi ția punctului măsur at pe piesa.

Avantaje brate poliarticulate :

– Prețul de achizitie scazut;
– Mobilitatea si u șurința în manevrare;
– Manipulare și mon tare confortabil a;
– Nu necesit ă timp de încalzire ți stabilizare t ermica, odat ă instalat se poate
începe activitatea de măsur a;
– Posibilitatea de a fi utilizat de catre un sigur operator;
– Posibilitatea de a măsur a puncte ascunse, spre deosebire de laser trac ker
care poate măsur a numai in zone accesibil optic;
– Precizie satisfac ătoare pentru o larg ă gamă de aplica ții metrologice;
– Dimensiuni relativ reduse, ce îl fac u șor de transportat și instalat;

Aplica ții specifice pentru bra țe articulate :

– Măsur are 3D ma trițe și mulaje;
– Măsur are ansambluri de fixare, statii de sudur ă industrie auto;
– Măsur are ansambluri industrie aeronautic ă;
– Măsur are componente de mici dimensiuni;
– Control dimensional 3D de precizie în produc ție;
– Aplica ții de reverse engineering;

39

Fig. 4.7.1 Romer Absolute Arm

Primul în lumea brațelor de măsurare portabile: brațul absolut ROMER
dispune de codificatoare absolute și este, prin urmare, primul braț de măsurare
care nu necesită referință înainte de măsurare .
Brațul Romer este unul dintre c ele mai avansate brațe de pe piață, domeniile
de utilizare fiind multiple spre exemplu: controlul calității, inspecție, verificare pe
mașină, inginerie inversă, asamblare virtuală sau modelare 3D.
Printre avantajele fată de competitori se numără următoare le:
– Portabilitate
– Stabilitate
– Nu necesită referință inainte de măsurare
– Greutate redusă
– Lasere de înaltă performanță , capabile de măsurare de înaltă precizie,
analiză și digitizare 3D
– Funcționează cu toate pachetele software de mtrologie
– Lumină de lucru in tegrată și cameră foto

Spre deosebire de multe dispozitive de măsurare de înaltă precizie, brațul
absolut Romer nu necesită timp de încălzire sau de inițializare, grație unei structuri
stabile din fibră de carbon și a codificatoarelor absolute.

40
Brațul es te disponibil în trei niveluri de acuratețe având rapoarte
preț/performanță nemaiîntâlnite, cel de -al 3-lea nivel având și cel mai înalt grad de
precizie existent pe piață.

Echipat cu o contragreutate detașabilă, ROMER Absolute Arm Compact
poate fi folosi t aproape oriunde fără dispozitive sau monturi speciale , fiind perfect
pentru măsurarea pi eselor mici până la cele medii, cu volumul de măsurare de până
la 1,2 met ri. Proiectat pentru uzabilitate și oboseală scăzută a operatorului,
încheietura mâinii dispu ne de o lumină de lucru integrată și o cameră de înregistrare
configurări. Feedbackul haptic avertizează utilizatorii atunci când o limită a axei
este atins pentru a elimina orice risc de măsurători proaste. Recunoașterea automată
a sondei asigură rezultat e repetate pentru diferite sonde fără calibrare, în timp ce
fără fir comunicarea garantează o conexiune ușoară

Exemple de domenii de activitate și aplicații ale bratului:

Industrii tipice: Aplicații tipice de măsurare:
Automotive Componente din tablă
Industria aerospațială Matrițe și matrițe / Instrumente
Generarea de energie / energia eoliană Piese prelucrate
Formarea industriei Configurarea și alinierea jigs & fixture
Industria turnării Ansambluri de tuburi și tuburi
Produse din metal fabricate Comparație CAD -la-parte
Producția de mașini Aliniere
Echipament sportiv Inginerie inversă
Țevi și tuburi Adunarea virtuală
Agricultură și echipamente grele Corp în alb
Construcția navelor și a ambarcațiunilor Inspectarea sculei la mașină
Calea ferata Controlul compozitelor
Protecția arheologică și istorică Die-casting și modele

Informații tehnice ale brațului cu cea mai înaltă precizie:

77 Model Interval de
măsurare Repeatabilitatea
punctului1 1 Acuratețea
volumetrică 2 Greutăți ale
brațelor
7725 2,5 m / 8,2 ft. 0,017 mm / 0,0007 in. +/- 0,026 mm / 0,0010
in. 8,0 kg / 17,6 lb
7730 3,0 m / 9,8 ft. 0,026 mm / 0,0010 in. +/- 0,040 mm / 0,0016
in. 8,3 kg / 18,3 lb
7735 3,5 m / 11,5 ft. 0,034 mm / 0,0013 in. +/- 0,051 mm / 0,0020
in. Τη30
7740 Τη30 0,047 mm / 0,0019 in. +/- 0,062 mm / 0,0024
in. 8,0 kg / 17,6 lb
7745 4,5 m / 13,5 ft. 0,060 mm / 0,0024 in. +/- 0,074 mm / 0,0029
in. 9,2 kg / 20,3 lb

41
1 Testul de repetabilitate a punctului este testul de referință pentru
determinarea repetabilit ății brațului de măsurare cu sonda cu bilă. Conul se află în
fața mașinii. Punctele sunt măsurate din mai multe direcții de apropiere. Se
calculează punctul mediu și deviația fiecărui punct în centrul mediu. Rezultatul este
intervalul maxim împărțit la 2.
2 Testul de precizie volumetrică reprezintă cel mai bine așteptările
rezonabile privind performanța mașinii în aplicațiile practice de măsurare, deoarece
implică măsurarea unui standard de lungime certificat de mai multe ori în mai multe
locații și orient ări și compară măsurătorile rezultate la lungimea reală. Testul de
precizie a lungimii volumetrice este cel mai adecvat test pentru determinarea
preciziei mașinii și a repetabilității. Rezultatul este abaterea maximă a distanței de
măsurare minus lungimea teoretică.

Fig. 4.7.2 Scanarea piesei cu ajutorul bra țului și a camerei

42

Fig. 4.7.3 Romer reverse engineering

Dezavantajele brațului Romer:
Singurul dezavantaj întâlnit este legat de dimensiunea pieselor care pot fi
supuse măsurării, fiind capabil să măsoare piese de pâna la 1.2 metri.

În cele ce urmează prezint principalele avantaje ale unui aparat de măsurare
Wenzel LH 108, dar din păcate acest aparat de măsurare nu se poate bucura de
manevrabilitatea și ușurin ța montării în diferite l ocații precum brațul Romer
prezentat anterior

Principalele caracteristici ale aparatului Wenzel LH 108 :

 măsurarea dimensiunilor pieselor mecanic e (lungimi, diametre, distanțe,
unghiuri, abateri de formă și poziție)
 măsurarea zonelor de formă g enerale conform modelului CAD
 digitalizarea formelor și a liniilor curbe
 calculul statisticii dimensiunilor

43
Procesul de măsurare se realizează prin citirea poziției capului palpator în
spațiu cu referire la poziția bilei de calibrare, care este înregist rată în harta
spațială a aparatului.

Precizia de măsurare: MPe = 2 + L/300 , unde:
L = lungimea spațiului măsurat în milimetrii
(rezultatul este în miimi de milimetru )
Exemplu: pentru un metru de lungime măsurată rezultă o precizie de 0,005333
milimetrii

Fig. 4.7.4 – Robot măsurători de mare precizie – WENZEL LH 108

44

Fig. 4.7.5 – Procedeul de măsurare

Fig. 4.7.6 – Interfața măsurătorii în programul specializat

45

5. Concluzii

46

6. Bibliografie

1. L. Ciobanu – Manipulatoare si roboti industriali , Editura Univ. Gh.
Asachi Iasi, 1994
2. Ivanescu M. – Roboti industriali , Ed. Universitaria, Craiova , 1994
3. G. Ionescu ș.a. – Traductoare pentru automatizări industriale, vol.1
Editura Didactică și Pedagogică, București 1985
4. St. Gârlașu ș.a. – Electronică și automatiză ri industriale Editura Didactică
și Pedagogică, București 1982