Optikai méréstechnika alkalmazása járműipari mérésekben Kornis János PhD, okleveles villamosmérnök, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Fizika Tanszék, kornis@phy.bme.hu Absztrakt: Az optikai méréstechnika számos előnnyel rendelkezik. Segítségével érintésmentesen, nagy érzékenységgel, a teljes vizsgált felületen egy időben tudjuk tárgyak alakját, rezgését, alakváltozását mérni. A nagyteljesítményű számítógépeknek köszönhetően a módszerekhez szükséges képfeldolgozási eljárások is sokat gyorsultak; manapság az optikai méréstechnikai módszerek gyártás közbeni ellenőrzésre is alkalmasak. Az alábbiakban néhány példán keresztül bemutatom a Fizika Tanszék Optikai Méréstechnika Csoportjának tevékenységét ezen a területen. 1. TÁVOLSÁG ÉS SZÖG MÉRÉSE Az úgynevezett CD guide egy megmunkált fémlemez, amelyhez egy bronzból készült vályú csatlakozik. Ebbe a vályúba toljuk be a CD, DVD lemezt, amikor autónk lejátszójába helyezzük azt. A vályú mérete és nyílásszöge alapvető fontosságú gyártási paraméter. A megengedettnél nagyobb, vagy kisebb méretek esetén a lemez könnyen beszorulhat a lejátszóba. 1. ábra: A CD guide fényképe. Kézi adagolás esetén a mérés ideje három másodperc. (A fejlesztés a Digitargos Kft. partnereként valósult meg.) 2. TÉRFOGATMÉRÉS Egy modern D2 autólámpa esetén a hatásfok nagyban függ a kisülési tér térfogatától, alakjától. Az említett jellemzők mérésére egy egyszerű optikai elrendezést dolgoztunk ki, amelyben a belső csőfal kontúrvonalát detektáltuk. Az optikai elrendezésben diffúz megvilágítást speciális apertúrával alkalmaztunk. A tárgy közvetlenül a CCD kamera objektívje előtt foglalt helyet. A kiértékelés során a törési törvény alapján számoltuk a kontúrvonal pontos helyét. A térfogat és alak több irányú mérés alapján került meghatározásra. (Együttműködés a Falcon-Vision Kft.-vel) A bronz vályú méreteit két helyen, a két végén mérjük. Mindkét pozícióban lézerfénnyel vonalszerűen világítjuk meg a tárgyat. A szórt fényt CCD kamerákkal detektáljuk. A külső falak szögét és a belső falak távolságát mérjük a digitalizált képek alapján. 3. ábra: D2 lámpa égésterének kontúrvonala 2. ábra: Mérési eredmények egy mérési pozícióban. 3. SÍKLAPUSÁG MÉRÉSE Kisméretű pozitív hőfoktényezőjű ellenállásokat autók ülésmelegítésére is dízel motorok indításához széles körben alkalmaznak. Ezeket a maximum 1-2 cm 2 felületű eszközöket jellemzően sorosan kapcsolják. Nagy áramok esetén a felületek síklapúsága alapvető fontosságú a
megfelelő működéshez. Az autóiparban egyre inkább megkövetelt 100%-os minőség-ellenőrzés itt is kívánatos. A gyors gyártási folyamat megkívánja a gyors minőségellenőrzést. Ez a gyakorlatban 0,1 másodperces mérési időt jelent. Az optikai mérés feladata az ellenállások síklapuságának mérése vetített csíkok segítségével a fenti idő alatt Mivel a felület reflexióképessége erősen változik, ezért a szokásos intenzitásképek helyett négy intenzitásképből számolt fázisképet használjuk mérésre. (4,5. ábra) 5. ábra: Intenzitáskép (felső felvétel) és fáziskép (alsó felvétel). Mint látható a csíkrendszer jobb láthatóságú a fáziskép esetén. 4. ábra: A vetített csíkok képe a tárgyon (intenzitáskép) a felső képen. Négy hasonló fázisban eltolt csíkokkal megvilágított tárgy képéből a fáziskép (alsó felvétel) számolható. Mint látható a csíkrendszerek jellemzőek a tárgyfelület alakjára. A mérési feladat ennek az alaknak meghatározása és a minősítés elvégzése. A 6. ábrán egy hibátlan mintadarabra, a 7. ábrán hibás mintadarabra láthatunk példát. 6. ábra: A tárgy magasságtérképe hibátlan tárgy esetén. Világos terület: magasabb pontok, mint az ideális sík. Sötét terület alacsonyabb pontok. Tárgyméret: 8x15mm. Magassági felbontás 5 mikron.
Az előző módszer továbbfejlesztéseként számítógép vezérlésű megvilágítást dolgoztunk ki, amely adaptív módon képes változó érzékenységű méréseket automatikusan elvégezni. A megvilágítás és a detektor (CCD) kamera forgatható függőleges tengely körül, így tagoltabb tárgyak is vizsgálhatók. Példaként hengerfej vizsgálatának eredményét szeretnénk bemutatni (8. ábra). A mérési feladat itt is alakmérés volt. (Együttműködés a Falcon-Vision Kft.-vel) 5. SZELEPŰLÉK POZÍCIÓMÉRÉSE A motor teljesítményét a szelepülék pozíciója alapvetően meghatározza. A motorgyártás egyik lassan végrehajtható mérése a szelepülék-hézag mérés. Kisméretű CMOS kamera használatával lehetőség nyílik gyártósorba illeszkedően automatizáltan végrehajtani ezt a mérést. 9. ábra: Szelepülékek (bal oldal) és a kisméretű CMOS kamera. 7. ábra: A tárgy magasságtérképe hibátlan tárgy esetén. Kiindulási intenzitáskép (felső ábra) és magasságtérkép. Tárgyméret: 8x15mm. Maximális eltérés a síktól 30 mikrométer. 4. ALAKMÉRÉS A csíkvetítési eljárások érzékenysége függ a vetített csíkok sűrűségétől és a vetítés szögétől. 8. ábra: Hengerfej alakmérése. Különböző részletek alakmérési eredménye. Mérés felbontása 0,05 mm. A bal oldali rész égéstér alakmérési eredménye a mért alakból égéstér térfogata számolható. 10. ábra: A szelepülék hézag képe két pozícióban (felső képek). A kiértékelő program által mért hézagméretek.
Speciális nagylátószögü optikával három pozícióval (a kamerát és optikát 120 0 os szögben forgatva) az egész hézag körben megörökíthető. Kalibrált optikával a hézag képfeldolgozási módszerekre építve automatikusan mérhető. A mérésekből a szelepülék dőlése is meghatározható. 6. VISSZAPILLANTÓ TÜKÖR ALAKMÉRÉSE A visszapillantó tükrök esetében is követelmény a 100%-os minőségellenőrzés. A mérőberendezésnek a tükör alakján kívül mérnie kell a lokális hibákat (foltok), a fazettázás szélességét, és a szél betöréseit. A mérési eljárás az ún. fázisméréses deflektometrián alapszik amikor is szabályos mintázat (csíkrendszer) tükörben látható képének torzulásából méri a tükör alakját. 13. ábra: Két tükör alakkülönbségét leíró csíkrendszer. Egy periódus megfelel 0,1mm-nek. A képen látható maximális alakkülönbség tehát 0,1 mm. 11. ábra: A LCD monitoron megjelenített szabályos csíkrendszer képe a tükörben. 14. ábra: Két tükör alakkülönbsége lokális tükörhiba környezetében. 7. KONKLÚZIÓ Az autóipar szigorú, költségérzékeny gyártástechnológiája igényli az összes beszállított alkatrész minőségellenőrzését. Amint talán az ismertetett mérési alkalmazásokból is látszik az optikai elveken alapuló méréstechnika ígéretes ilyen esetekre. A koherens optikai mérési eljárásokon kívül a háromszögelésen alapuló eljárások is kiválóan alkalmazhatók. 12. ábra: A tükör alakjára jellemző csíkrendszer. Egy periódus megfelel 0,1mm-nek.