MEHANIČKE I OPTIČKE SONDE NA CMM POLITEHNIČKI FAKULTET UNIVERZITETA U ZENICI Predmet: Mjerenje TEMA: MEHANIČKE I OPTIČKE SONDE NA CMM Profesor: Doc.dr.Samir Lemeš Student: Mušija Merima

REZIME U uvodnom dijelu je definirana mašina pomoću koje se određuje prostorna koordinata mjerne površine, to jeste CMM mašina (Coordinate Measuring Machine). U nastavku je dat poseban osvrt na sonde kojima ta mašina vrši određivanje koordinata ; mehaničke i optičke sonde. Ključne riječi: CMM mašina, mehaničke sonde, optičke sonde.

UVOD ISO 10360-7:2011 određuje prihvatanje testova za provjeru performansi stroja koordinatnom mjernom mašinom (CMM) koji se koristi za mjerenje linearnih dimenzija kao što je navedeno od strane proizvođača. Ona također navodi reverifikaciju testova koji omogućuju korisniku da povremeno ponovno potvrdi performanse CMM. Mjerno sredstvo pomoću koga se vrši mjerenje koordinata u prostoru na površinama radnog komada zove se koordinatna mjerna mašina (CMM). Pomoću nje je moguće simultano mjerenje koordinata traka istovremeno u sva tri pravca. Koordinatna mjerna mašina koristi Kartezijev koordinatni sistem. Obično ram nosi sistem sondi kojim se vrši mjerenje i koji sadrži senzore. Mašina je postavljena na postolje na kome je i pogon mašine. Za rad na ovim mašinama može se koristiti softver, koji je univerzalan i koji pokriva sve standardne funkcije same CMM mašine.

Slika 01. Koordinatne mjerne mašine i različiti oblici i vrste tih mašina

Sistem sondi (skale, probe) na CMM Senzori pomoću kojih se ostvaruje veza između površine mjernog komada (objekta) i mjernog sistema za dužinu su sonde. Riječ „proba“ se koristi iz razloga što označava dio koji dodiruje, opipava radni komad. ISO standardima koji se odnose na koordinatnu metrologiju definiran je termin sonda,skala ili proba. Postoji veći broj sondi koje se koriste na koordinatnim mjernim mašinama. Glavna podjela ovih sondi jeste : Mehaničke sonde Optičke sonde Danas, mnogi mjerni sistemi funkcionišu sa mehaničkim sondama, dok savremeniji mjerni sistemi rade ipak sa optičkim sondama.

Mehaničke sonde (skale,probe) na CMM Mehaničke probe imaju: Sistem prekidača Mjerni sistem Mehanički prekidači mogu biti: elektromehanički i elektroakustični Mjerni sistemi mehaničkih proba mogu biti: induktivni kapacitivni ili piezoelektrični.

Mehaničke sonde (skale,probe) na CMM Kod mehaničkih proba ostvaruje se fizički dodir završetka senzora sa radnim komadom. Senzor može imati različite oblike završetaka proba kao npr: loptasti cilindriči, konični, diskasti, špicasti itd. Mehanički sistem senzora često ima loptasti završetak. Loptasti završetak izrađuje se od rubina, stakla, čelika, ima visoku otpornost na habanje, a njihovi prečnici i prostorni položaj mogu se precizno kalibrirati.

Različiti oblici sondi za CMM

Slika 02. Princip rada prekidača sa kontaktom Mehanički-kontaktni senzori spadaju u prekidno dodirne mjerne sisteme. Slika 02. Princip rada prekidača sa kontaktom

. Princip rada prekidača sa kontaktom Uobičajeni prekidač, slika 02. ima prednapregnut sistem koji se sastoji od tri dodirne tačke pomoću kojih je pero probe elastično pričvršćeno u pravcu šest prostorno mogućih stepeni slobode. Jedostavna verzija prekidača ima mehanizam koji je konstruiran kao električni kontakt. Odmah nakon što pero dodirne radni komad, električni kontakt se otvori i mjerenje razmaka duž osa x, y, z je prepoznato i zabilježeno. Ovakve probe imaju koordinatne mašine sa niskom tačnošću. To je zbog toga što vraćanje pera probe u prvobitni položaj nije ravnomjerno jer su tri tačke raspoređene pod uglom od 120°, pa dolazi do različitih stepeni savijanja pera.  

Zbog toga se koriste piezoelektrični senzori kao dodatak mehaničko električnim kontaktima. Ovo ne mijenja osjetljivost niti u jednom pravcu rada ali je izloženo manjoj sili pritiska pri kontaktu, a to opet smanjuje grešku. Glavni dio senzora je pero koje može biti dugo i do 200 mm i teško do 200 grama. Pero se može mijenjati. Elektronička analiza piezo signala omogućava povećanu tačnost mjerenja. Podaci se skupljaju ne samo u toku dodira radnog komada i površine nego i neposredno nakon toga. Mjerene vrijenosti se tada ekstrapoliraju i tako uklone uticaji mogućeg savijanja probe ili elastičnosti radnog komada. Mehanički kontakt ima ulogu da potvrdi da je došlo do kontakta probe i radnog komada.  

Mehanički kontakt sonde i mjernog komada i piezo signal Slika 03. Mehanički kontakt sonde i mjernog komada i piezo signal

Na sljedećoj slici 04. dat je presjek jedne mjerne probe sa ilustracijom kontakta Slika 04.

Optičke sonde na CMM Optičke probe imaju: optičke senzore prekidače optički mjerni sistem i okular Optički senzori prekidači su fotoelektrični senzori. Optički mjerni sistem može biti: CCD (charge coupled device) Laser trokutni senzor Teodolit trokutni senzor Fotogrametrijsko stvaranje slika

Optičke sonde na CMM Optički senzori i CCD kamere sa kojima formiraju sliku objekta se sve više koriste zato što se tako smanjuje vrijeme mjerenja Optičke skale se koriste u robotici i to su linearne skale mašinskih alata i koordinatnih mjernih mašina. Izrađuju se od čelika, stakla i kombinacije stakla i keramike (zerodur). Mjerna nesigurnost optičkih skala je mala, a također i rezolucija.  

Optičke sonde na CMM Optička skala se satoji od izvora svjetlosti koja obasjava kolimaciona sočiva, nakon čega dolazi do index - referentne rešeke sa vrlo sitnom podjelom. Nakon prolaska kroz rešetku svjetlost pada na mjereni komad, odbija se od njega, skreće pomoću višestrane prizme, ponovo prolazi kroz referentnu rešetku a zatim na detektore. Slika 05.Optičke skale  

Dakle, optički mjerni sistem može biti: 1.CDD (charge coupled device) -su poluprovodnički senzori koji se sastoje od matrixa i elektrode. Na elektrodi se skupljaju elektroni koji nastaju tokom izlaganja djelovanju svjetlosti. Broj elektrona koji nastaju direktno zavisi od intenziteta i vremena izlaganja. Pošto se elektroni skupe na izolatoru ispod elektrode oni se transportuju sistemom koji se zove CCD element koji to konvertuju u naponski signal koji je po svom karakteru video signal. Elektroni-pixeli kod preslaganja mogu biti složeni u matricu pa čine CCD čip koji je osnovni element CCD kamere. Korištenjem specijalnih komponenti moguće je CCD kamere primijeniti u području termografije za tehničku dijagnostiku sistema i procesa.Mjerenja koja koriste CCD kamere su vrlo bliska ljudskoj percepciji i zato se koriste u industrijskim mjerenjima. CCD kamerama se radi image processing. Postoje tri osnovna koraka u procesiranju slike: Bilježenje slike ⇒ uređenje i prenošenje slike ⇒ procesiranje slike Prvi korak je dobiti podatke za oblik -sliku pomoću CCD kamere. U drugom koraku podatke treba prevesti u digitalni oblik i poslati u računar gdje se izvršava treći korak, a to je procesiranje podataka. Po funkciji koju vrše, CCD kamere mogu biti detektori a to su fotodiode i fotootpornici.

Optički mjerni sistem može biti: 2.Laser trokutni senzor-Senzori čiji se rad zasniva na laserskom trokutnom principu sluze za mjerenje rastojanja. Princip trokuta je relativo star princip ali se dosta razvio nakon razvoja poluprovodnika. Razvoj laserskih dioda, detektora, analognog i digitalnog procesiranja signala omogućio je izradu brzog i na različite smetnje slabo osjetljivog senzora Princip trokuta (lat. triangulum - trokut) je mjerni princip koji se zasniva na određivanju jedne stranice trokuta i dva ugla, slika 06. Ako je poznata stranica AB, stranicu trokuta CD moguće je odrediti kada se odrede dva ugla α i γ.  

Princip trokuta Slika 06. Princip trokuta

Princip trokuta Trokutni senzor koji se koristi za primjenu principa trokuta, slika 07, sastoji se od laserske diode, linearnog detektora, sočiva pomoću kojih se usmjeravaju zraci. Svjetlo iz laserske diode pada na mjereni objekat a zatim se pomoću sočiva usmjerava na ccd detektor. Korištenjem sinusnog zakona određuju se rastojanja. Kada iz nekog svjetlosnog izvora, svjetlost obasjava dio površine radnog komada koji se mjeri. Dio svjetla se reflektuje od radnog komada i registrira na CCD detektoru i dobije se dvodimenzionalna slika. Na osnovu izraza za trokutni princip izračuna se traženo rastojanje. U jednačini se pojavljuje koeficijent optičkog pojačanja, slika 08 .

Trokutni senzor Slika 07. Trokutni senzor

Slika 08. Triangulacija

Optički mjerni sistem može biti: 3.Fotogrametrijsko stvaranje slika-To je procedura registriranja slika zasnovana na trokutnom principu. Postupkom se simultano registriraju 3D koordinate velikog broja tačaka mjerenog objekta. Objekat se registrira sa najmanje dvije strane uz korištenje analognih ili digitalnih kamera. Može se isti postupak provesti i sa jednom kamerom ali je potrebno vršiti snimanje iz više pravaca. 3D koordinate se računaju u prostoru i stvaraju sliku mjernog objekta. Uključivanjem kamera iz više pravaca posmatranja više tačaka se registrira pa se smanjuje mjerna nesigurnost rezultata. Na slici 09. prikazan je princip fotogrametrije. Mjereni objekat se nalazi izmedju nekoliko kamera od kojih svaka ”snima” mjereni komad sa svoje strane. Ukupni podaci u vidu 3D koordinata tačaka se objedinjavaju i na osnovu njih se stvara prostorna slika objekta. Fotogrametrijska mjerna tehnika služi kao mobilna koordinatna mjerna mašina. Koriste se za mjerenja velikih objekata u zrakoplovstvu, brodogradnji, i izradi postrojenja velikih industrijskih objekata. Druga primjena fotogrametrije jeste ispitivanje malih objekata zapremine manje od 1 m3 sa malim mjernim nesigurnostima od oko 1:15000 u malom vremenskom intervalu od nekoliko sekundi. Rjeđe se koristi za određivanje položaja i identifikaciju rukovanja i procesa obezbjeđenja kvaliteta tokom izrade proizvoda.

Slika 09. Princip fotogrametrije

HVALA