TERMELÉSI FOLYAMAT MINÕSÉGKÉRDÉSEI, VIZSGÁLATOK 2.3 2.5 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 32 877 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.
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; 2000 272 mm mm-ig DIN 32 877 szerinti linearitás A mérési tartomány 0,03%- áig 100 µm Detektor Soros elrendezésű CCD, 2048 elemi pont CMOS-elrendezés 1280 1024 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 100 000 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.
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
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
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
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, 2002. 1694. sz. Photonics in Measurement, h.n. p. 69 75. Schnelle und einfache Qualitätskontrolle. = Indusriezeitschrift für die Praxis, 103. k. 14. sz. 2002. ápr. 3. p. 15 16.