A lézersugaras méréstechnika alkalmazása termelési folyamatok és minőség-ellenőrzés számára

Átírás

1 TERMELÉSI FOLYAMAT MINÕSÉGKÉRDÉSEI, VIZSGÁLATOK A lézersugaras méréstechnika alkalmazása termelési folyamatok és minőség-ellenőrzés számára Tárgyszavak: geometriai méretek, alakmérés; lézeres méréstechnika; minőség-ellenőrzés; folyamatirányítás. Legtöbb korszerű termelési folyamat ma már messzemenően automatizált. Mind az egyes műveletelemeket, mind az előállított termék minőségét rutinszerűen kell ellenőrizni. A folyamatszabályozás számára az on-line mérés szolgáltatja a legrövidebb lehetséges reakcióidőt. Erre a feladatra eleve alkalmasak a lézersugaras mérési módszerek. Ilyen eljárás esetén nincs szükség arra, hogy a mérőkészülék mechanikusan érintkezzen a darabbal, a mérés gyorsan képes alkalmazkodni a vizsgált darab változó felületi tulajdonságaihoz. Az elmúlt években jelentős haladást értek el a nagy pontosságú és mérési gyakoriságú lézersugaras detektorok nagy teljesítőképességű változatainak fejlesztésében. Ezek az on-line mérést végző mérőeszközök ma már alkalmasak teljesen automatikus mérésekre, tekintettel a jelfeldolgozás, az adatértékelés és az adatfeldolgozás eredményeire. Olyan többdetektoros mérőelrendezéseket is kidolgoztak, amelyek a detektorok pontos szinkronizálása révén alkalmasak mozgásban levő munkadarabok geometriai jellemzőinek meghatározására. Munkadarabok geometriai jellemzőit mérő lézersugaras detektorok Munkadarabok egy-, két- és háromdimenziós geometriai jellemzőinek legfontosabb optikai ellenőrzési módszere a háromszögelésen alapul. A módszereket és azokra vonatkozó szakkifejezéseket a DIN német szabvány írja le. Az 1. táblázat foglalja össze a Fraunhofer Intézet és a Lézerközpont (Aachen) által kifejlesztett háromszögeléses elven működő detektorok legfontosabb műszaki adatait.

2 1. táblázat Távolság és körvonal mérésére szolgáló háromszögelő lézersugaras detektorok jellemző adatai Távolság Körvonal Lézer Lézerdióda Lézerdióda Hullámhossz 670 mm 685 mm Mérési tartomány 5; 10; 20; 30; 70; 1000 mmig 130 mm szélesség, 105 mm mélység Átlagos működési távolság 15; 50; 70; 100; 220; mm mm-ig DIN szerinti linearitás A mérési tartomány 0,03%- áig 100 µm Detektor Soros elrendezésű CCD, 2048 elemi pont CMOS-elrendezés elemi pontig Mérési frekvencia 1 khz 100 Hz (a felhasznált félvezető-elrendezés méretétől függően) A felület hatása A mérés tárgyának tulajdonságai Automatikus alkalmazkodás a változásokhoz Fényszórási tulajdonságok Automatikus alkalmazkodás a változásokhoz Fényszórási tulajdonságok Az ezekben a detektorokban felhasznált lézerdióda élettartama óra. A külső jelindítás lehetővé teszi a mozgó tárgyak többdetektoros szinkron mérését. Lézersugaras vastagságmérés A munkadarab vastagságának mérése egydimenziós mérési feladatként fogható fel. A mozgó szalaganyag vastagságmérési módszerei röntgensugaras vagy gammasugaras átvilágításos eljárást alkalmaznak. Ezeknek a módszereknek az esetében azonban ismerni kell a vizsgált anyag kémiai összetételét és sűrűségét, hogy meg lehessen határozni az abszorpciós együtthatót. A lézersugaras vastagságmérés előnyei: gyors mérés, nagy pontosság, nincs szükség az anyag összetételének ismeretére, elhanyagolható a karbantartásigény, egyszerűek a biztonsági rendszabályok (nem fordul elő radioaktív anyag és nincs szükség nagyfeszültségre), a technológia tiszta, nem szennyező hatású. A mérési elvet az 1. ábra mutatja be. Két háromszögelő detektor méri egyidejűleg a haladó szalag alsó és felső oldalát. A detektorok a hengerállvány kifutási oldalán helyezkednek el.

3 hengerlési hézag szabályozása korrekció LS1 vastagságellenőrzés S LS2 LS2 S = fémlemez, R = hengerállvány, LS1, LS2 háromszögelési lézersugaras detektor) 1. ábra Háromszögelő lézersugaras detektorral végzett vastagságmérés elve A meghatározott vastagságérték alapján a berendezés on-line szabályozza a hengerlési hézag nagyságát. Erre a feladatra olyan különleges lézersugaras háromszögelő detektort fejlesztettek ki, amely több töltéscsatolt félvezető (CCD, charge coupled device) detektorral érzékeli a lemezfelület által visszavert sugárzást. Ez a megoldás lehetővé teszi a szóródás anizotrópiájának figyelembevételét, ami tovább fokozza a mérési pontosságot. Rutinszerű gyártási feltételek között pl. a 45 m/perc sebességgel mozgó lemez vastagságát 1,7 µm pontossággal lehetett mérni. Forgattyús tengelyek vizsgálata A két lézersugaras háromszögelő detektor alkalmazása jelenti az első lépést a többdetektoros rendszerek fejlesztésében. Bonyolultabb ellenőrzési feladat végezhető el több olyan szinkron működésű háromszögelő detektor kombinálása révén, amelyek a vizsgált darab különböző pontjain végzik a mérést a munkadarab és a detektor relatív haladó vagy elforduló mozgása közben. Ilyen megoldást mutat be a 2. ábra. A forgattyús tengely ellenőrzését ebben az esetben négy háromszögelő detektor végzi. A süllyesztékben kovácsolt forgattyús tengely behajlását három mérési síkban vizsgálják. A forgattyús tengelyt robot helyezi egy hordozóra. A hordozó lefelé elmozdul, majd a forgattyús tengely egy ferde síkon a mérési helyzetbe gördül. Ott két görgőscsapágyon felfekszik, majd a készülék

4 pneumatikusan rögzíti. Az ellenőrzés a forgattyús tengely elfordulása közben történik. Az első forgás folyamán a lézersugaras detektorok a tengely behajlását ellenőrzik. Egyidejűleg egy detektor folyamatos mérést végez, hogy meghatározza a forgattyúcsap szöghelyzetét. Ez szolgál a helyzet felismerésére. A második körülfordulás során a tengely meghatározott szöghelyzet elérésekor megáll. Közben a lézersugaras detektorok adatait a behajlást meghatározó processzor veszi át. lézeres érzékelők hajtórúdcsapágy forgattyúcsap főcsapágy 2. ábra Forgattyús tengely négy háromszögelő lézersugaras diódával végzett ellenőrzésének elrendezési vázlata. A vizsgálat kiterjed a behajlás, a forgattyús tengely és a hajtórúdcsapágy közötti szögeltérés és a forgattyúcsap szöghelyzetének ellenőrzésére Közvetlenül a mérés befejeztével a berendezés kiszámítja a behajlást és azt összehasonlítja a beállítási értékkel. Az ellenőrzés eredményét a számítógép képernyőjén lehet leolvasni. Az ellenőrzés eredményének megfelelően a forgattyús tengelyt kiemelik vagy továbbhalad a következő műveletelemhez. A rendszer három műszakban működik, és évente mintegy 1 millió forgattyús tengelyt ellenőriz. A hagyományos kézi ellenőrzéssel szemben az automatizált vizsgálat ideje 12 másodperc, és minden egyes forgattyús tengelyről dokumentált ellenőrzési jegyzőkönyvi bejegyzést szolgáltat. Forró lemezanyag sík voltának ellenőrzése A forró lemezanyag felületi topológiájának ellenőrzésére egyidőben 30 detektorral működő rendszert fejlesztettek ki. Az ellenőrző berendezés a forró lemezanyag sík voltát on-line üzemben, a hengersoron vizsgálja. A lemezanyag hőmérséklete eléri a 900 C-ot. Az eljárás a többpontos háromszögelés

5 elvét hasznosítja. Az adatok értékelése révén minőségileg és mennyiségileg egyaránt elvégzi a sík jelleg értékelését. A 3. ábrán látható az ellenőrzés elvi megoldása. mérőegységek lézersugarak mozgásirány görgős asztal fémlemez 3. ábra Az ellenőrzőrendszer vázlatos elrendezése Öt méterrel a görgőasztal felett három hőmérséklet-stabilizált mérőegység helyezkedik el. Mindegyik egység 10 lézersugarat vetít az alatta elhaladó lemezfelületre. A fémlemez felületén szóródott lézersugarakat hat CCD kamera érzékeli és valós időben értékeli. Ezzel a módszerrel 100 Hz gyakorisággal egyidejűleg 30 távolságmérésre kerül sor. A fémlemez 2 m/s sebességgel halad. Az átfedéses adatkészleteket a számítógép feldolgozza, és meghatározza a fémlemez tényleges topológiáját. Első lépés a mérőrendszer nyers adatainak korrigálása a görgős asztalon mozgó lemez torzulásának meghatározása céljából. Ez különböző közelítéses módszerekkel valósul meg. Második lépésként a berendezés a szegmentálás módszerével elvégzi a korrigált adatokból a globális és a helyi jellemzők kiemelését. A kiemelt jellemző adatok készletének minőségi osztályozása és a lemez felületi topológiájának kvantálása alapján (az ún. Fuzzy-módszer segítségével) elkészül a minősítés. A számszerű adatok szolgáltatásán túlmenőleg a képernyőn kinagyítva megjelenik a tökéletes síktól való eltérés. Következtetések A lézerdiódás technológia az optoelektronikus detektorok és a valós idejű (gyakorlatilag időpárhuzamos) elektronikus feldolgozás utóbbi években elért eredményei tették lehetővé az olyan többdetektoros rendszerek fejlesz

6 tését, amelyekkel bonyolult mérési és munkadarab-ellenőrzési műveletek végezhetők el on-line módon, a gyártósoron. Nagy pontosságot és nagy mérési sebességet lehet elérni a nagy teljesítményű, a háromszögelés módszerét alkalmazó lézersugaras detektorok felhasználásával. A spektrum kék tartományában sugárzó félvezető lézerek legújabb fejlesztési eredményei feltételezhetően további pontosságnövelésre nyújtanak lehetőséget. (Dr. Barna Györgyné) Noll, R.: Laser measuring technology applications for process and quality control in production lines. = VDI Berichte, sz. Photonics in Measurement, h.n. p Schnelle und einfache Qualitätskontrolle. = Indusriezeitschrift für die Praxis, 103. k. 14. sz ápr. 3. p