Laserowe pomiary wielkości geometrycznych. Część 2: Układy pomiarowe

Rys. 1. Dwie najpopularniejsze konfiguracje układów pomiarowych wielkości geometrycznych z wykorzystaniem czujników laserowych to układ z pojedynczym sensorem (a) oraz parą czujników (b)

O popularności sensorów laserowych w tym zastosowaniu decyduje kilka kwestii. Przede wszystkim są to czujniki bezkontaktowe, przez co można je wykorzystać do wymiarowania obiektów, które przy kontakcie z głowicą pomiarową mogą zostać uszkodzone lub same mogą ją zniszczyć (na przykład miękkich, kruchych, podatnych na zarysowania, gorących, mokrych, pokrytych klejem, farbą lub lakierem).

W przypadku czujników laserowych nie występują też ograniczenia pod względem właściwości - na przykład elektrycznych - wymiarowanego obiektu. Dzięki zastosowaniu specjalnych rozwiązań konstrukcyjnych problemu nie stanowi nawet pomiar detali o powierzchni odblaskowej lub różnokolorowej.

Jednocześnie integracja czujników laserowych w obrębie linii produkcyjnej nie jest łatwym zadaniem, a wszelkie zaniedbania na tym etapie powodują zmniejszenie dokładności pomiarów lub niepoprawne wyniki. Przede wszystkim na drodze promieni świetlnych nie mogą występować przeszkody.

Uwzględnić należy też tzw. strefę martwą, czyli odległość od czujnika, w której wyniki pomiarów są zafałszowane. W zależności od konfiguracji pomiarowej ważny jest też sposób zamontowania sensorów. Wybór układu pomiarowego powinien być z kolei dostosowany do specyfiki wymiarowanych detali oraz warunków, w jakich pomiar będzie przeprowadzany.

KLASYFIKACJA UKŁADÓW POMIAROWYCH

Rys. 2. Układ pomiarowy z jednym czujnikiem - grubość detalu obliczana jest jako różnica znanej odległości czujnik-blat i zmierzonej odległości czujnik-obiekt

Układy pomiarowe do wyznaczania wielkości geometrycznych z wykorzystaniem czujników laserowych można podzielić na dwie grupy - z jednym lub z kilkoma pojedynczymi sensorami oraz z jedną lub większą liczbą par czujników (rys. 1).

W pierwszym przypadku pomiar jest realizowany w każdym czujniku niezależnie. W układzie pomiarowym z parą czujników ostateczny wynik jest obliczany na podstawie wskazań obu sensorów.

Case study: pomiary grubości blach

Problem: W zakładzie produkującym cienkie blachy na potrzeby przemysłu motoryzacyjnego poszukiwano efektywnego oraz dokładnego sposobu pomiaru ich grubości, który zastąpiłby dotychczas stosowane rozwiązanie polegające na ręcznym wyznaczaniu tego parametru za pomocą suwmiarki. Ze względu na specyfikę procesu produkcyjnego kontrolę można było przeprowadzać tylko na kilku określonych jego etapach.

Z takim podejściem wiązały się dwa problemy. Pierwszy dotyczył precyzji pomiarów. Uzyskiwane wyniki były niespójne, ponieważ ze względu na małą sztywność materiału zależały od siły nacisku, jaką na materiał w trakcie regulacji suwmiarki wywierał jej operator.

Ponadto ze względu na dynamikę procesu produkcyjnego i różne inne czynniki, które na różnych etapach wpływają na jego przebieg, zdarzało się, że odchylenia wartości grubości blach od wartości zadanej były wykrywane zbyt późno. Blachy niezgodne ze specyfikacją nie nadawały się już zwykle do dalszej obróbki i wymagały zezłomowania, co zmniejszało efektywność produkcji oraz powodowało straty finansowe.

Rozwiązanie: W zakładzie zdecydowano się wdrożyć system automatycznej kontroli grubości blach w czasie rzeczywistym bazujący na czujnikach laserowych. Wykorzystano w tym celu układ pomiarowy z dwoma czujnikami zamontowanymi naprzeciwlegle, zamontowanymi nad i pod blachą. Dzięki pomiarowi bezkontaktowemu wyeliminowano problem deformacji mierzonego materiału w trakcie pomiarów.

Dzięki możliwości rejestracji oraz analizy historii wyników pomiarów udało się natomiast zidentyfikować, a później usunąć główne przyczyny zmian grubości. W efekcie po kilku miesiącach nastąpiła znacząca poprawa - udało się ograniczyć produkcję wybrakowanych blach, a tym samym straty surowca.

UKŁAD POMIAROWY Z POJEDYNCZYM CZUJNIKIEM

Rys. 3. Przykład wykorzystania układu pomiarowego z dwoma sensorami laserowymi w systemie regulacji nacisku rolek w urządzeniu do walcowania arkuszy blach na podstawie ich aktualnej grubości

W tej konfiguracji sensor jest zazwyczaj umieszczany nad wymiarowanym obiektem ułożonym na płaszczyźnie, która stanowi powierzchnię odniesienia. Może być to płaszczyzna nieruchoma, jak też przykładowo taśma przenośnika, wraz z którą obiekt się przemieszcza.

Wymiar obiektu jest wówczas obliczany jako różnica między odległością czujnik-powierzchnia odniesienia (wyznaczaną i zapisywaną w kontrolerze sensora w czasie kalibracji układu pomiarowego), a zmierzoną odległością czujnik- obiekt. Poprawność wyniku zależy od tego, czy detal ma bezpośredni kontakt z płaszczyzną odniesienia przez cały czas pomiaru.

Jeżeli bowiem występuje między nimi przerwa (na przykład szczelina powietrzna, jakiś inny obiekt lub materiał) jej grubość zostanie zsumowana z rzeczywistą wysokością obiektu, co zafałszuje wynik pomiaru. Przykład realizacji układu pomiarowego w konfiguracji z pojedynczym czujnikiem przedstawiono na rysunku 2.

Jako płaszczyznę odniesienia wykorzystano w tym wypadku blat, nad którym na specjalnej ramie zamocowano czujnik laserowy. Innym rozwiązaniem często stosowanym w czasie kontroli wymiarów jest zamocowanie mierzonego obiektu w uchwycie na stałe zamontowanym w określonej odległości od ramy z sensorem.

UKŁAD POMIAROWY Z PARĄ CZUJNIKÓW

Rys. 4. Wymiarowanie pudełka umieszczonego na ruchomej taśmie w układzie z dwoma czujnikami

W tej konfiguracji sensory montuje się naprzeciwko siebie - na przykład jeden nad, a drugi pod wymiarowanym obiektem. Każdy czujnik mierzy wówczas odległość, jaka dzieli go od detalu. W kontrolerze suma tych odległości jest odejmowana od znanej wartości dystansu dzielącego czujniki.

Wynikiem tego działania jest odpowiedni wymiar obiektu. Odległość między sensorami jest określana w czasie kalibracji systemu pomiarowego. Jeżeli nie jest to znana i niezmienna wartość, którą można od razu wprowadzić do pamięci kontrolera czujników, należy ten dystans zmierzyć. W tym celu można na przykład wstawić między czujniki obiekt o znanej grubości, a następnie zmierzyć jego odległość od obu sensorów.

Wówczas dystans między czujnikami jest w kontrolerze obliczany jako suma trzech składników: odległości między pierwszym czujnikiem i detalem, grubości detalu oraz odległości między nim a drugim czujnikiem.

Układ pomiarowy z dwoma czujnikami zamontowanymi naprzeciwlegle wykorzystuje się najczęściej, gdy nie ma możliwości wyznaczenia wymiarów obiektu względem płaszczyzny odniesienia. Przykładem jest pomiar grubości tkanin nawijanych na bele lub blach na linii walcowania (rys. 3).

Case study: określanie ilości materiału na beli

Problem: Producent folii z nadrukami poszukiwał efektywnego sposobu realizacji linii transportu tego materiału do drukarki. Folia miała być rozwijana z beli, którą operator powinien wymieniać na nową w momencie skończenia się poprzedniej rolki.

Aby zminimalizować udział personelu w nadzorze nad pracą tej linii oraz ograniczyć czas przestojów spowodowanych brakiem folii do zadrukowania, o fakcie tym operator powinien być informowany automatycznie.

Należało też uwzględnić ograniczenia przestrzenne na tym stanowisku i w jego pobliżu uniemożliwiające zamontowanie czujników bezpośrednio nad lub pod folią rozwijaną z beli. W grę nie wchodziły też metody kontaktowe, ponieważ mogłyby zniszczyć materiał.

Rozwiązanie: W realizacji systemu automatycznego powiadamiania o konieczności wymiany beli zdecydowano się wykorzystać informacje o średnicy beli mierzonej przez pojedynczy czujnik laserowy zamontowany w specjalnym uchwycie w odpowiedniej odległości obok niej.

Po zmniejszeniu się średnicy beli poniżej określonej wartości granicznej uruchamiany był alarm. Dzięki temu pracownik miał czas na przygotowanie, a później zamontowanie nowej rolki.