Get Adobe Flash player

Lambert Miklós
okleveles villamosmérnök, digitális elektronika szakmérnök

 

Az automatika a gépészet és villamosság vegyes területe, a fizika ide vonatkozó törvényeinek szinergiája, szokták mechatronikának is nevezni. A gépelemek és szerkezeti elemek helyzet- és mozgásérzékelését szenzorok jelei végzik, amelyeket úgy alakítanak ki, hogy kimenő jelük (elektronikus) adatfeldolgozó rendszereket, vagy akár beavatkozó szerveket közvetlenül vezéreljenek. A cikk kitekintést ad a szakterület megoldásaira, különös tekintettel a helyzetérzékelésre.

Automation is a mixed sub domain of mechanics and electronics, the synergy of the related laws of physics, which make people call it mechatronics. The position and motion sensing of machine and structural elements are accomplished with the use of sensor signals, designed in a way that their output signals are able to directly control electronic data processing systems of actuators. The article provides a broad outlook onto the solutions applied by the industry with special regards to position sensing.

 

Helyzet- és mozgásérzékelés

Az anyagból felépült „dolgok” (természeti képződmények, ember által létrehozott tárgyak stb.) térbeli elhelyezkedése fontos dolog, ennek feltérképezése (a légkörtől a tengervizeken és hegyeken át a karóra miniatűr fogaskerekeiig) hagyományos mérőeszközeinkkel elvégezhető, ezek lassú mozgással változtathatják helyüket. Mindennapi eszközeinkben, gépeinkben mozgó alkatrészek mozgásérzékelése azonban fokozottan fontos, kifejezetten automatizált működés esetén. A témában három fontossági fokozatot különböztethetünk meg:
1. csak a mozgás érzékelése fontos, amely kivált egy működtetést. Ilyen pl. az áruház bejárati ajtaja, amely a vásárló közeledtére kinyílik, de a fűtött levegő megtartása érdekében a belépés után bezár.
2. Helyzet érzékelése, amely valamilyen tárgy háromdimenziós helyzetét egy adott koordinátarendszer nullapontjához képest méri, és adatait további feldolgozásra rendelkezésre bocsátja. Ilyenek pl. a mérőgépek.
3. Az 1. és 2. pont együttesen, amikor a helyzetmérés visszacsatolt rendszer értékelő eleme, adatai pedig olyan működtetést váltanak ki, hogy a helyzetadat egy előre megadott (beprogramozott) értéket érjen el. Ilyen pl. egy NC eszterga munkadarab mérő rendszere, amely a megmunkálást addig működteti, amíg az a kívánt értéket el nem éri.

A cikk keretei jelenleg a 2. pontban leírt helyzetérzékelő működésére mutat példát.

Koordináta mérőgépek

A térbeli helyzetérzékelés speciális területe a koordináta-mérőgépek. Az angolszász szakirodalom CMM-el rövidíti (Coordinate Measuring Machine). A gépészetben, formatervezésben használatos precíziós mérőgépek térbeli testek, szerkezetek geometriai pozícióját mérik, és digitális formában számítógépen rögzítik, további felhasználásra. A koordináta-mérőgépek a modern CAD-es tervezés nélkülözhetetlen eszközei. Példáinkon a két nagy gyártó, a Renishaw és a Zeiss gyártmányú koordináta-mérőrendszerek munkáját mutatjuk be.

De mi is a mérőgép?

A gépgyártás során elkészült munkadarabot alkalmas műszerrel (vonalzó, szögmérő, tolómérő, mérőóra, stb.) megmérjük és a méreteltérés alapján minősítjük. Ez meglehetősen sok élőmunka, és nem kapcsolható ki az „emberi tényező”. Ha ezt egy gép végzi, akkor elkerüljük a szubjektív megítélést, fáradhatatlanul összegzi, rendszerezi a mérési eredményeket, statisztikákat készít, stb. Ezen felül néhány járulékos feladatra is felhasználható.
Ilyen terület az ún. „szabad felületek” mérése, feltérképezése, digitalizálása. Az autóiparban pl. művészek készítik a karosszériát, amelyet makett alapján kellene gyártani, de nem matematikai testfelületekből született. Ilyenkor ez a felület a számítógépbe egy adathalmazként kerül be. Az adathalmazt a mérőgép produkálja.
A mérési feladatnak megfelelően nagyon sok mérőgép létezik, egy-egy gyártó cég is típuscsaládokat alakít ki. Az 1. ábrán egy helyhez kötött hídmérőgépet és egy hordozható mérőgépet láthatunk.

lambert1

1. ábra. Mérőgépek: a) hídmérőgép,
b) hordozható mérőgép képe

 

Nem minden munkadarabot lehet mérőpad asztalára helyezni. Egy repülőgép belsejének felépítése is sokszor tizedmilliméteres és még pontosabb tűrésű elrendezést igényel, amelyet meg kell mérni. Ilyenkor a mérőgépet beviszik a szerkezetbe, a referenciapontot nem az asztalon jelölik ki, hanem a szerkezet fontosnak ítélt vonatkoztatási pontján, és a mérőgép egy precíziós mozgatású karos szerkezet, nagyon merev (sokszor szénszál erősítésű) forgatható és behajlítható karokból áll. A hordozható mérőgép gyártója szakít a mérőgépek hagyományaival, a laboratóriumból az üzembe viszi a mérést. A karos szerkezet néhány adata:

  • Többszabadságfokú karvezérlés
  • Beépített mérlegrendszer az önsúly kiegyenlítésére (Zero-G)
  • Merev, szénszál-erősítésű karok
  • Li-ion telepes működés
  • Wi-Fi rádiós adattovábbítás (8.02.11b)
  • Haidenhain szögkódolók a széles mozgásszabadság biztosítására
  • Beépített digitális USB kamera a dokumentálás azonosítására.

A hagyományos értelemben vett mérőgép egy térbeli mozgásra képes tapintófej vezérléséből, áll, amely az asztalára rögzített munkadarab felületén végigjár, és a térbeli koordinátákat megméri. A gép tehát négy részből áll:
1. az asztal,
2. a rajta kialakított háromdimenziós mozgatópályák a megfelelő szervomechanikával,
3. az érzékelő fej és
4. mindezek vezérlését ellátó elektronika.

Az asztal egy passzív elem, de különös fontossággal bír, ugyanis azt a fix pontot képezi, amelyhez a térbeli helyzetet viszonyítjuk. Az asztalnak nagyon merevnek kell lennie, rezgéseket nem vehet át környezetéből, mert lehetetlenné teszi a pontos mérést. Komolyabb mérőgépek asztalaként öntöttvasat vagy öntöttacélt használnak, de – főként költségmegtakarítási okokból – gránitot is alkalmaznak, amely az évmilliárdok óta megállapodott szerkezete révén időbeli méretstabilitást és hőmérsékleti behatásokra elhanyagolható méretváltozást biztosít a gépnek. Kivételt képeznek a karos mérőgépek, amelyek nagyméretű tárgyak méreteit mérik, főként belülről, és referenciának a mérendő szerkezet legstabilabb pontját veszik.
Passzív elem a mérőpálya is, amely vonalmenti mozgást (x-y-z koordináták szerint), vagy ívpályát (polárkoordináták) biztosít a mérőfejnek. A megvezetésnek több típusa terjedt el. Legegyszerűbb és legolcsóbb a golyós megvezetés (golyós orsók, golyós ágyak), de µm nagyságrend alá nem szoktak menni vele. A szubmikronos megvezetésben síkfelületeket használnak, amelyek közé folyadékot préselnek. A svájci SIP cég például 0,7 µm-es pontosságát egy speciális folyékony (védett összetételű) kenőanyaggal éri el. Olcsóbb megoldás, ha folyadék helyett levegőt préselnek a felületek közé, a fej tehát légcsapágyon jár. Ezzel sem lehet ugyan a szubmikronos tartományokba elérni, de a zérushoz közeli mérőerőt alkalmazó fej megvezetésére kiválóan megfelel.
A mérőgép vezérlő rendszere tulajdonképpen egy precíziós helyzetérzékelő szervorendszer, amely a tapintófejet úgy vezérli, hogy a mérendő pontokat éppen hogy érintse. Az elméletileg nulla erővel tapintó gép a gyakorlatban „érintő fogást” vesz a felületen. A vezérlés lehet pontok közötti távolság mérése, amelyet egyedileg programozunk a gépbe, de ma már a gyakorlatban gépi intelligenciát építenek be, a gép saját maga tapogatja le (szkenneli) a felületet, és a ponthalmazból felépíti a test digitális formáját. A szkennelést első ízben a Zeiss cég alakította ki, de azóta minden koordináta-mérőgép gyártónak megvan a megfelelő szkennelő szoftvere. A mérőgép aktív mérőeleme a mérőfej, amely egy speciális helyzetérzékelő szenzor. Több fajtája ismeretes.

Mérőfejek

A mérőgép mérőfejének térbeli megvezetése derékszögű vonatkoztatási koordinátarendszert alkot, amelyben a háromdimenziós tapintófej elmozgathatóan van elhelyezve. Az elmozdulási utakat nagy felbontású és pontosságú digitális mérőrendszerekkel mérjük. A háromdimenziós tapintófejen egy kiterjedés nélküli térbeli vonatkoztatási pontot definiálnak. Ez lehet pl. egy tapintógömb középpontja. A 2. ábrán a mérőgép koordinátarendszerének tengelyeit XM, YM és ZM betűkkel jelöltük. A munkadarab koordinátarendszerének tengelyei XW, YW és ZW. Ez a mérendő tárgy gépasztalon elfoglalt tetszőleges elhelyezése miatt a mérőgép koordinátarendszeréhez képest általában ferde, és el is van tolva. Pontos helyzetét a felület pontjainak letapintásával határozzuk meg. A példa esetén három ponttal megmérjük a felület normálisát, és ezzel a ZN tengely irányát, két ponttal az XW tengely irányát, és további 3 ponttal meghatározzuk a munkadarab koordinátarendszerének origóját. A munkadarab ezután számítástechnikai úton be van állítva. Valamennyi további mérési pontot most már az ismert munkadarab-koordinátarendszerre lehet vonatkoztatni. Megfelelő irányokban elrendezett tapintószárakkal a mérendő munkadarab minden pontja elérhető, amit több tapintószáras mérőfejjel lehet elérni.

 

lambert2

2. ábra. A mérőgép koordinátarendszere

A vonatkoztatási pont és a további tapintógömbök középpontjai közötti koordináta-különbségek az egyes tapintószárak hitelesítő gömbön való bemérésével határozhatók meg. Ennél az egyes tapintógömb-átmérők is kiadódnak. A különböző gömbátmérőket és a középpont-koordinátákat a hitelesítés után a számítógép automatikusan figyelembe veszi. A kezelő úgy tehet, mintha kiterjedés nélküli tapintóponttal dolgozna.
A sérülés elleni védelem érdekében a tapintónak a munkadarab érintésekor ki kell tudnia térni, és ezen kívül a tapintófej házában pontosan reprodukálhatóan kell ágyazva lennie. Itt különbséget teszünk mérő- és kapcsolótípusú tapintófej között. A kapcsolótípusú tapintófej lényegében közelítésdetektor feladatot lát el, bár nagyon kis (µm-es) tartományban. Ma is használatos, főként a pont-pont távolságok kézi mérésénél, amikor a térbeli pont meghatározását a kapcsolójel váltja ki. Ma már előnybe részesülnek a mérő-típusú tapintók, amely a szkennelés, vagyis a térbeli felületek ponthalmazának automatikus meghatározására használatos.
Az első mérőfejek passzív mérést hajtottak végre. Egy ilyen passzív mérőtípusú tapintófej rugóerő ellenében mért elmozdulást mér, amely a tapintáskor jön létre (lásd 6. ábrát). Az aktív mérőfej maga egy kis háromkoordinátás mérőgép, amelyben a mérőerőt nem rugó, hanem egy erő-visszacsatolású szervomechanizmus, az un. erőgenerátor képezi. A 3. ábra mutatja a Zeiss-megoldás belső kialakítását. Három, egymásra épített rugóparallelogrammából áll, elmozdulási tartománya a három, X, Y és Z tengely irányában néhány mm. A Renishaw SP25-ös rendszere például tükröket tartalmaz, és lézersugarat használ az elmozdulás mérésére. Ezért is van három modul a különböző szárhossz-tartományoknak megfelelően.

 

lambert3

3. ábra. A háromdimenziós aktív mérőfej felépítése (Zeiss)

A helyzetméréshez minden tengelyben egy-egy lineáris induktív mérőrendszer található. Az egyes tengelyek vezetékei tetszés szerinti kombinációkban reteszelhetők, ez egy mechanikus, nagypontosságú zár segítségével történik az induktív mérőrendszerek zéruspontjában, 0,1 µm-nél kisebb reprodukálási hibával. A mérőerőt úgy fejti ki, hogy az erőgenerátor egy-egy lengőtekercs-rendszere nyomatékmentes átviteli elemeken keresztül hat a tapintócsap-foglalatokra.

Az automatikusan működő tárázó berendezés valamennyi, a foglalatokban befogott tapintócsap tömegerejét kompenzálja. A tapintó tömege legfeljebb 600 g lehet. A mérő típusú tapintót bajonettzárral erősítjük a tapintórúdra. A tapintószár korábban acélból volt, de ma már fémet sehol sem alkalmaznak. A mágneses tulajdonság ugyanis eleve kizárja az erő nélküli tapintás ideálishoz közeli esetét, a fémes vezetés pedig esetleges potenciálkülönbségből eredő áramot hajthat a tapintószár és a (fémes) felület között, amelynek mágneses tere hasonló hatású, mint a remanens mágnesség.

A gyakorlatban kerámiát, a legtöbb esetben rubint, néhány esetben gyémántot használnak. A tapintófej működése és a mérőgép vezérlése funkcionálisan elválaszthatatlan egységet képez.

Az elektronikus helyzetszabályozás, amely a munkadarab letapintásakor automatikusan működésbe lép, a letapintási tengely irányában addig mozgatja a mérőgép szánját, amíg a tapintófej induktív mérőrendszere zérus pontjára nem áll. Amikor a gép ezt az állapotot elérte, statikus üzemmódban a koordinátái automatikusan továbbadódnak a számítógépnek. A másik két tengely irányában a tapintófej-vezetékeket normális körülmények között, vagyis a munkadarab egy pontjának letapintásakor, pontosan az induktív mérőrendszerek zéruspontjában reteszelik.

Különleges mérési feladatokhoz, pl. menet- és fogárkokban vagy furatokban, a tapintógömb önközpontosítására van szükség. Ilyen esetben két, vagy valamennyi tengelyt oldjuk a reteszelés alól.

A mérő típusú tapintó lehetővé teszi a letapintási állapotban a letapintási irányra merőleges elmozdulást. A mérőgép ilyenkor – a másolóvezérléshez hasonlóan – követi a munkadarabot, mivel a helyzetszabályozó körök a tapintófej-mérőrendszereket állandóan zéruspontjukba akarják kényszeríteni. Ezt a tulajdonságot kitűnően fel lehet használni felületek folyamatos letapintására és a folytonos adatátvételre. Ez a mérési eljárás „pásztázás” (scanning) elnevezéssel vált ismertté. Pásztázásnál a tapintófej mérőrendszerei nem állnak egészen a zéruspontban. A mért érték képzéséhez egyidejűleg valamennyi tengely mérőgép- és tapintófej-mérőrendszerét leolvassák, és a koordinátákat összeadják. A pásztázó berendezés digitalizálja a tapintófej analóg jeleit. A 4/a) ábrán a mért érték statikus, a b) ábrán a dinamikus meghatározását mutatja, ahogy azt a pásztázásnál végre kell hajtani és normális letapintásoknál a csillapodási idő lerövidítésére fel lehet használni.

 

lambert4

4. ábra. Tapintófej mért értékének
a) statikus, b) dinamikus meghatározása

Egy gyakorlati alkalmazási példát mutat a 5. ábra. A régi típusú vákuumcsöves televíziós képcső felületének pontos alakja szerepet játszik a színhű és kontrasztos kép kialakításában.

 

lambert5

5. ábra. Tévéképernyő felületének letapogatása: a) szkennelés munka közben, b) szkennelési síkok

Az alakot több metszetben szkennelik (a) ábra), a b) ábra szerinti szemléltetésnek megfelelően. Vektorvezérlés segítségével a tapintó különböző hajlású síkokban befutja a képernyő felületét.

A befutás alatt a számítógép mintegy 30 mért értéket vesz át másodpercenként, és megrajzolja a tényleges kontúrt vagy a tényleges és az előírt kontúr közötti eltéréseket.

A pásztázó eljárás további alkalmazási területei profilmérés lemezalkatrészeken és fogaskerekeken, alak- és helyzettűrések ellenőrzése, továbbá minden olyan eset, amelyben a geometria megítéléséhez sok mérési pontra van szükség.

(Folytatjuk)