Get Adobe Flash player

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.
A szkennelés komoly lépés volt a koordináta-mérőgépek fejlesztésében, üzemi gyakorlattá válásával azonban a mérési idő csökkentése egyre fontosabbá vált. 1989-ben a Zeissnél bevezették a High Speed Scannning-et, egyelőre még laboratóriumi körülmények között.
Ennek továbbfejlesztett és szabadalmaztatott változata volt az 1994-ben a PRISMO VAST-tal elért teljesítmény, már üzemi körülmények között. A scanning különleges képessége, hogy minden mérőértékhez nevet rendel hozzá, amelyet a hozzá adott számítógépes program adatcímként kezel a feldolgozás során. A koordináta mérőgépek lényeges eleme a gránit gépalap, a precíziós szánmozgatások, de leglényegesebb alkatrésze maga a mérőfej, az útadó, amely többnyire egy forgatható csukló végén helyezkedik el (RDS rendszer). A csukló beforgatásával a legjobb mérés-hozzáférés érhető el, és bonyolultabb mérésekhez egy forgatható revolver-fejen több tapintószár használata is lehetséges. Ilyenek a Renishaw PH10-es, és PHS1-es rendszerei, ez utóbbi felbontása 0,02 arcs (szögmásodperc), amely 100 mm sugár esetén 0,1 µm felbontást jelent, és a REVO rendszer ezen még túltesz. Az RDS ±180°-os körülforgathatóságot biztosít, a hagyományos fejeknél egy 130°-os terület nem érhető el, bár ez a gyakorlatban nem okoz valós hátrányt.

Útmérő szenzort széles körben használnak a gépészetben, a mérőórát, amely – többek között – a felületi simaság műszere, ugyanis µm pontossággal mér. Ezt azonban kézi műszerként használjuk, azaz állványát a mérendő tárgyhoz kézzel illesztjük, azon mozgatjuk, stb. A mérőgép esetében a mérendő tárgyat egy asztalon fixen rögzítjük, az érzékelő tapintócsúcsát pedig a mérőgép x – y – z irányban (egy meghatározott program szerint) mozgatja, és a mért adatokat rögzíti. A digitalizált mérési adatok számítógépbe kerülnek. Maga az útmérés többnyire induktív elven történik.

A hagyományos tapintószáras mérőfejek passzívak, vagyis a  mérőfej egy rugóerő ellenében mozdul ki, rászorítva a tű hegyét a felületre. Ez a rendszer nagyon szűk tartományban (1…2 mm) lineáris. A Zeiss fejlesztőinek véleménye szerint gyors felületszkennelésnél elõfordulhat, hogy a tű átugrik egy „gödröt”, vagy a rugóerő nonlinearitásából kifolyólag megnövekedett hibával mér. Ezért fejlesztették ki az aktív mérőfejet, amely ezen hibától mentes. Egy passzív mérőfej vázlatos működési elvét a 6. ábra mutatja.

6. ábra. Hagyományos passzív mérőfej
működési elve (Zeiss)
A passzív mérőfejnél a nagy kitérésnél a hibát részint a rugóerő nemlinearitása, időbeli instabilitása, öregedése okozza, részint pedig számolni kell a mérőtű deformációjával is.
Mivel pedig a fej nem képes nagyobb kitéréseket megtenni, ezért a fejet tartó szánhajtásokat kell működtetni a felület letapogatásakor. Ez lassítja a szkennelést és követési hibát okozhat. A viszonyokat mutatja a 7. ábra.

7. ábra. A passzív
mérőfej letapogatásakor
lassúbb (Zeiss)

Bár a deformációt a kalibrálás során részben hatástalanítjuk, a rugók öregedésének pedig nincs rövid idejű hatása, de valóban egy állandó mérőnyomást biztosító mérőfej jobb ismétlőképességet ad. Ezért gondolkodtak a fejlesztők olyan rendszeren, amely nagyobb kitéréseknél is lineárisan, és állandóan tartott kis mérőerővel dolgozik, szkennelés közben az utat gyorsan követi.

A Zeiss – eltérően más gyártmányoktól – a hagyományos passzív letapogatás helyett az aktív letapogatás elvét alkalmazza (Active Scanning Technology). Bár egyszerűbb mérési igényekhez gyárt passzív mérőfejet (VAST XXT, és mérőgépeire felszerelhető más cég mérőfeje is. A Renishaw ugyan megmarad a passzív mérési elvnél, fejlesztését más irányba végzi, REVO feje (lásd később) az alakzatot jól és gyorsan követő fej megalkotása irányába végzi.

A Zeiss 1979-ben fejlesztette ki univerzális mérőfejét, majd 1994-ben a VAST fejet (Variable Accuracy and Speed probing Technology), illetve ennek továbbfejlesztett változatát, a VAST XT-t használja. Mit takarnak ezek a kifejezések?
A mérés lényege, hogy a mérendő értéket úgy hasonlítsuk egy etalonhoz, hogy a mérendő tárgy azt ne érezze, annak állapota ne változzon. A legkorszerűbb mérési elv valamilyen sugárzás alkalmazása, amely érintés nélkül ad információt a mérőértékről (pl. pirométeres hőmérsékletmérés, lézeres távolságmérés, stb.), de ma még a gépiparban tapintós érzékelőt használnak. Bár a Zeissnek is van lézeres távolságmérője, tapintószáras megoldását szinte tökélyre fejlesztette.
A Zeiss ezért a passzív, rugóerő ellen dolgozó útadó helyett kidolgozta az aktív mérőerő elvét, amely szerint a mérőerőt három komponensből adja össze: a rugóerőből, a sebességből és a mozgatott tömeg gyorsulásából. A viszonyokat a 8. ábrán láthatjuk.
8. ábra. A tapintófej
működési elve (Zeiss)
Maga a mérőelrendezés egy rugólapokkal összefogott flexibilis keret, amely a mérés folyamán a kiindulási téglalap alakzatból romboiddá deformálódik. Az F mérőerő vektora ekkor három komponensből áll:
F = D • c + v • d + m • a
ahol D az elmozdulás, c a rugóállandó, v a sebesség vektora, d a csillapítás, m a mozgó rendszer tömege, a pedig gyorsulás vektora.
Egy mozgásvisszacsatolt szervo-rendszer helyettesíti a rugóerőt, amely a felületre mindig normális irányú. A viszonyokat a 9. ábra mutatja.
9. ábra. Az aktív mérőfejben a mérőerő iránya mindig normális (Zeiss)
Hasonló jó dinamikus tulajdonságai vannak a Renishaw letapogató rendszerének, bár némiképpen más módon működik. Alapelve, hogy a mérőfejbe letapogató szervomechanizmust épít be, ami egy adott terület szkennelését a szánszerkezet mozgatása nélkül elvégzi. A RenScan3 mérőfejek 3 tengelyesek voltak, és szkennelés közben mind a letapogató csúcsot, mind a szánt mozgatták. A továbbfejlesztett RenScan5 már 5 tengelyes, bármilyen bonyolult geometriai felületet be tud járni, és a térbeli pontokat digitalizálni.
A Renishaw a mérőgépekhez mind passzív, mind aktív mérőfejeket gyárt és ajánl. A Renishaw passzív mérőfejeit kisebb pontossági igényű helyekre ajánlja, és kiemeli számos kedvező tulajdonságát, amelynek legnagyobb része az árkérdés. A 10. ábra összehasonlítja a két Renishaw megoldást.
10. ábra. A Renishaw koordináta-mérőgépek mérőfejeinek rendszere és mérőerő-kitérés diagramja:
a) passzív, b) aktív
A passzív mérőfejek előnye, hogy nincsenek meghajtó motorok, reteszelő mechanika, nincs tárázó rendszer, nem tartalmaz a fej elektromágnest és csillapítást. A mai irányzat szerint a mérőgépek tömegét csökkentik, hogy a szkennelés sebessége növelhető legyen, tekintettel arra, hogy a mérőfej elmozdulása korlátozott. Egy nagyobb turbinalapát élénél például nem is használtató egy hagyományos mérõgép. Ezt a REVO fej akadály nélkül folyamatosan körbe tudja szkennelni, az eddigi fejekkel ellentétben. Az SP600-as passzív fejjel például a 200 mm/s szkennelési sebesség is lehetséges 400 pont/s mellett.
Az aktív mérőfej rugó helyett erőgenerátort alkalmaz, amely egy erővisszacsatolt szervomechanizmus. Ez azt jelenti, hogy a kitérés széles tartományában a mérőerő kis tűréssel állandóan tartható. Hátrányként említhetjük sokkal bonyolultabb felépítését, mert három erőgenerátort és három helyzetmérő szenzort tartalmaz, amelynek mérete és tömege nagyobb és természetesen ára is magasabb.
A szkennelési sebesség növelése érdekében a Renishaw létrehozta a REVO rendszert, amelyet két tengely körüli szervo vezérelt forgatása tesz lehetővé egy optikai visszacsatolással. Az útmérés korszerû optoelektronikai elven mûködik, és a két tengely körül forgatott tapintószár a leghatékonyabb szkennelést biztosítja.
A mérőfej útérzékelőjének működését a 11. ábra mutatja. Lényege, hogy a mérőtű cső-kialakítású, a tű hegyén zárásképpen tükör helyezkedik el. A tű befogásánál pontszerű lézerdióda sugarat bocsát ki, amelyet a tükör visszaver, és a fénypont rákerül egy PSD felületére (Position Sensitive Device, azaz optoelektronikai helyzetérzékelő). Szkennelés során a tű rubingömbje felütközik, a mérőtű deformálódik, amelyet a PSD detektál, hiszen a lézersugár eltolódik. A mérűpont képzését és a szkennelést mozgató szervomechanizmus vezérlését az elektronika végzi a PSD jele alapján.
11. ábra. A REVO optoelektronikai
útérzékelőjének működése
Lambert Miklós
okleveles villamosmérnök, digitális elektronika szakmérnök