2008

MŰSZER- ÉS MÉRÉSTECHNIKA, (MÉRÉSTECHNOLÓGIA ÉS MÉRÉSAUTOMATIZÁLÁS A GÉPGYÁRTÁSBAN) 2007/2008

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gyártástudomány és -technológia Tanszék

Dr. Alpek Ferenc okl. gépész- és okl. villamosmérnök, ny. tud. főmunkatárs, honorary professor

TARTALOMJEGYZÉK

1.

GYÁRTÁSI FOLYAMATOK MÉRÉSE ÉS ESZKÖZEI

1

1.1. Folyamatmérés feladata, eszközei és módszerei

1

2.

FÕBB ÉRZÉKELÕK, SZENZOR TÍPUSOK BEMUTATÁSA

9

2.1.

Ohmos ellenállásváltozáson alapuló érzékelõk

9

A nyúlásmérõ ellenállások (nyúlásmérő bélyegek)

9

2.2. Induktív jelátalakítók

14

2.3.

20

Hőmérsékletmérő szenzorok

2.3.1. Hőmérsékletfüggő ellenállások

21

2.3.2. Termoelemek

24

2.4. Piezoelektromos jelátalakítók

35

2.5.

Inkrementális méréstechnika

46

3.

MÉRÉSAUTOMATIZÁLÁS A GÉPGYÁRTÁSBAN

55

3.1.

A munkadarabok mérésének automatizálása

55

3. 2. A robotizált gyártás méréstechnikai feladatai

78

Mellékletek

91

1.

A nyúlásmérő bélyegek típusai

91

2.

Nyúlásmérő bélyegek ragasztása

94

3.

Nyúlásmérő bélyegek jellegzetes felhasználási területei

95

4.

Piezoelektromos szenzorok egyéb alkalmazási területei

100

5.

Idomszeres mérés, ellenőrzés

102

6.

Felületi mikrogeometria (érdesség) mérése

115

2

2. GYÁRTÁSI FOLYAMATOK MÉRÉSE ÉS ESZKÖZEI A gyártási folyamatok megbízhatósága, a termék minõsége a különbözõ fizikai folyamatjellemzők mérése és felügyelete (monitoring) nélkül nem garantálható. A folyamat automatizáltsági szintjétõl, a folyamat specifikus jellemzõitõl, az esetleges rendellenességek által okozott zavaroktól függõen változik a mért, a felügyelt jellemzõk száma, gyakorisága. Manuálisan végzett mûveleteknél esetleg csak a tápenergia jellemzõit (feszültség, áramerõsség, teljesítmény, tápnyomás stb.) mérik, míg automatizált folyamatokban, ahol az ember felügyeleti funkcióit is, automatizálni kell, az embert, mint megfigyelõt, beavatkozó személyt helyettesíteni kell (ember nélküli-felügyelet nélküli gyártás), a fentieken kívül számtalan jellemzõt mérhetnek. Gyártásautomatizálás egyik fontos területe az ipari robotok alkalmazása. (Zömmel ilyen alkalmazási példákat mutatunk be). Robotizált folyamatokban és rendszerekben az ésszerűség határain belül szinte minden automatizált. Bizonyos területeken az automatizáltsági szint eléri a 100%-ot (egészségre ártalmas környezet, monoton munkafolyamatok, igen nehéz fizikai munka, stb.). A megbízható mûködés, a minõség szinten tartása, a kis ciklusidõk, stb. csak úgy garantálhatók, ha a robot állandóan és gyorsan képes reagálni a környezetében fellépõ, bekövetkezõ változásokra. Ez részben az un. rugalmasság és adaptivitás követelményének a figyelembe vételét és teljesítését jelenti. Az alkalmazkodó képesség és az intelligencia szint szoros kapcsolatban vannak egymással. Az alkalmazkodó képesség a környezeti változások érzékelését és a rájuk adott válasz (ellenlépés), az irányítási mód bizonyos összhangját és egységét tételezi fel. Ebben a fejezetben csak méréstechnikai, szenzortechnikai kérdésekkel, felügyeleti (monitoring) követelményekkel foglakozunk. Irányítástechnikai feladatok, módszerek más szakterülethez tartoznak.

1.1. Folyamatmérés feladata, eszközei és módszerei Napjainkban szinte minden mechanikai, fizikai mennyiséget villamos úton mérnek. Ebben a fejezetben a mechanikai mennyiségek villamos mérésével foglalkozunk. Főbb mechanikai mennyiségek, melyek mérését tárgyalni fogjuk: • elmozdulás, szögsebesség, • gyorsulás, szöggyorsulás • erő, forgatónyomaték, • teljesítmény, hőmérséklet, • rezgés, zaj, • fordulatszám, frekvencia, idő, • nyomás, • felületi érdesség, • PH, viszkozitás, stb. Miért mérjük a fenti mennyiségeket villamos úton? Számos előnye van, éspedig: - a legtöbb mechanikai mennyiség közvetlenül vagy közvetve villamos jellé alakítható, - a villamos jel szemben a mechanikussal tág határok között erősíthető, - a jelváltozást gyakorlatilag tehetetlenségmentesen követik, - a távmérés, a telemetrikus adatátvitel lehetősége adott, 3

-

az automatikus mérés, regisztrálás lehetősége szinte valamennyi esetben megoldható, az eredmények számítógépes feldolgozása off-line és on-line üzemmódban közvetlenül lehetséges, mind statikus, mind dinamikus mérés is lehetséges (időben gyorsan változó jelek is mérhetők) több mérőhely figyelhető egyszerre, több mechanikai mennyiség is mérhető (30 – 100 mérőhelyes mérőhely átkapcsolók is léteznek), a mérőrendszer kimenőjele szabályozórendszerek bemenőjeleként, alapjelként közvetlenül felhasználható.

Hátránya: - költséges berendezéseket igényel, - szakképzett személyzet szükséges kezeléséhez, - a bonyolult műszerek karbantartását csak magasan kvalifikált szakemberek végezhetik. Röviden tekintsük át egy általánosan használható mérőkör felépítését (1. Ábra) Analóg kijelző Analóg megjelenítő (oszcilloszkóp) Analóg vagy digitális tároló Érzékelő

Erősítő

Analóg regisztráló Digitális kijelző Digitális regisztráló

Analizátor

Mérőlyukasztó

Számítógép Visszacsatolás (Mintavételezés)

1. ábra. Folyamatmérő rendszer általános blokksémája A mechanikai mennyiség átalakítására szolgáló eszközből, az érzékelőből(a szenzorból, a jelátalakítóból) kikerülő villamos jelet általában erősíteni kell (mérőerősítő, vivőfrekvenciás mérőhíd, analóg-digitál átalakító és erősítő pl. digitális voltmérő), a jel ezek után már közvetlenül megjeleníthető (analóg kijelzés, digitális kijelzés, analóg regisztrálás, digitális regisztrálás). Szükség esetén a kijelzés előtt a jel analizálható (analizátor), esetleg továbbá feldolgozás előtt, vagy ismételt feldolgozás céljából analóg vagy digitális tárolón rögzíthető és bármikor visszajátszható. A legkorszerűbb, a legmegbízhatóbb és a leggyorsabb módszernél a jelet azonnal számítógépbe vezetve azonos idejű (real-time) mérés, adatfeldolgozás, visszacsatolás, jegyzőkönyvezés valósítható meg. A visszacsatolás segítségével a kedvezőtlen irányba változó folyamat módosítható a szabályozási stratégia szerint. A számítógépes, real-time üzemű mérőrendszereknél az erősítőt, az analizátort, azaz a teljes mérőinterfészt gyakran a számítógépbe építik. A mérési eredmények megjelenítését, tárolását a számítógép végzi. 4

A hagyományos jelanalizálási (gyorsan változó jelek: rezgés, zaj elemzése) és tárolási célra, későbbi feldolgozáshoz analóg vagy digitális jeltároló ("mérőmagnetofon") is alkalmazható, melynek segítségével a jelek többször is feldolgozhatók, lassíthatók (frekvenciatranszformáció), ismételten vizsgálhatók. Itt a mérés és a feldolgozás időben és térben elkülönülhet egymástól. A feladat és a folyamat jellegétől függően a mérést végezhetjük a folyamat közben (Inprocess-mérés), a folyamat megkezdése előtt (Pre-process mérés) vagy a folyamat befejezése után (Post - process mérés), de természetesen tetszőleges párosítás is alkalmazott vagy akár mindhárom eset szimultán alkalmazása is lehetséges. Annak eldöntése, hogy egy vizsgált jel mérésére és feldolgozására milyen felépítésű mérőrendszert alkalmazunk, a feladat és a költségek alapos elemzését igényli. A túlzottan bonyolult mérőrendszer igen költséges, míg a túl egyszerű rendszer nem nyújt elegendő információt a folyamatról és az adatszolgáltatás sebessége sem megfelelő. A minimális kiépítettségű mérőrendszer azonban mindig tartalmaz érzékelőt, erősítőt és valamilyen kijelzőt vagy megjelenítőt (pl. korszerű edző kemencék hőmérsékletmérő rendszere termoelemből (érzékelő), egyenfeszültségű erősítőből és digitális kijelzőből, esetleg analóg vagy digitális regisztrálóból áll). Ebben a fejezetben hardver (műszertechnikai) kérdésekkel nem foglalkozunk, mivel ez nem témája az alkalmazott műszertechnikának. Elegendő a kereskedelmi forgalomba beszerezhető műszerek főbb jellemzőinek és alkalmazásának ismerete. Itt csak alkalmazástechnikai, és szenzorikai áttekintést adunk. A mérőrendszer első és egyben egyik legfontosabb eleme a szenzor, a jelátalakító. A fizikai mennyiségek átalakítására szolgáló eszközök a jelátalakítók, szenzorok.. A jelátalakítás módja lehet: - analóg, - digitális. Fontos megkülönböztetni a jelátalakítótól a jelváltót, mely azonos dimenziójú fizikai mennyiségeket alakít át.(pl. transzformátor) Fontos alapfogalom: Bemeneti mennyiség, kimeneti mennyiség Jelátalakítók osztályozása a kimeneti mennyiségek alapján történik: • mechanikai jelátalakítók, • villamos jelátalakítók, • termodinamikai jelátalakítók (hőmérséklet), • digitális jelátalakítók, A villamos jelátalakítók lehetnek: • passzív átalakítók (működtetésükhöz villamos segédenergia szükséges) • aktív átalakítók (segédenergiára elvileg nincs szükség) Passzív átalakítók (impedancia kimenetű átalakítók) • ohmos ellenállás változáson alapuló • induktivitás változáson alapuló • kapacitás változáson alapuló, Aktív átalakítók (áram és feszültség kimenetű átalakítók) • indukciós, • termoelektromos, • piezoelektromos, • fotoelektromos.

5

A jelátalakító bizonyos törvényszerűségek szerint alakítja át a bemeneti mennyiséget a fizika, a kémia törvényszerűségei szerint. A Ki = f (Be) függvény kapcsolatot karakterisztikának nevezik: -statikus karakterisztika, statikus átviteli függvény Ez azt mutatja meg, hogy a szenzor a bemenõ jelet milyen függvénykapcsolat alapján alakítja át kimenõ (azaz villamos jellé). A Ki = f (Be) függvénykapcsolat a statikus átviteli függvény. A függvény elsõ differenciál hányadosa a

pontosabban

dKi = É, dBe

E = lim

ΔK dK = ΔB dB

az u.n. érzékenység (dimenziós mennyiség). Értéke azt adja meg, hogy egységnyi bemenõjelhez mekkora kimenõjel tartozik. Példaként egy piezoelektromos gyorsulásérzékelõ adatlapja szerint É=5,1 mV/msec-2. Ez azt jelenti, hogy egységnyi gyorsulásváltozásra 5,1 mV kimenõfeszültség a válaszjel. Ez az érték az u.n. referencia tartományon belül (a = ± 5000g , 0,01 - 18000 Hz, - 200+200°C) érvényes. Ha a Ki = f (Be) függvény nem lineáris, az érzékenység munkapont függõ, azaz más és más bemenõjel esetén más és más az érzékenység. (2. ábra)

2. ábra. Statikus átviteli függvény és érzékenység elve Érzékenység jellemzői: • általában függ a bemeneti mennyiségtől (függvénye a munkapontnak) É = f (Be) • az érzékenység általában dimenziós mennyiség, • a jelátalakítók egyik leglényegesebb adata Az érzékenységet szokás, főleg a szabályozástechnikában statikus átviteli tényezőnek nevezni. Szokás definiálni az u.n. átalakítási tényezőt is:

6

dK S = K , ez a relatív kimeneti mennyiségváltozás és az azt létrehozó relatív bemeneti dB B mennyiségváltozás hányadosa. A statikus karakterisztika mellett fontos a dinamikus karakterisztika is. Ha a bemeneti mennyiség időben változik, akkor a kimeneti és a bemeneti mennyiség között egy időfüggő differenciálegyenlet adja meg a függvény kapcsolatot és ezt nevezzük dinamikus karakterisztikának, dinamikus jelleggörbének.

3. ábra. Dinamikus jelleggörbe elve A bemenőjelek általában nem állandóak, hanem időben változnak. Ha hirtelen változás (gyorsan változó bemenőjel) éri a szenzort, a kimenőjel (válaszjel) csak bizonyos idő és bizonyos lengések (tranziensek) után éri el az állandósult válaszjelet. Ez az idő az u.n. beállási idő, fontos lehet az alkalmazó számára. Példaként említsük meg a mérlegre dobot élelmiszer hatására a mutatós (analóg), de a számkijelzős (digitális) műszer is csak lengések után "lecsillapodva" mutatja a valódi tömeget. Más példa: a beteg testhőmérsékletét mérő eszköz (lázmérő), a mérés kezdetétől számított 10 perc elteltével adja a reális hőmérsékletet (Érdekességképpen említjük, hogy itt nincsenek túllendülések a kimenőjelben, hanem ú.n. aperiodikus beállás történik, amikor is a hőmérő értéke lépésről-lépésre növekedve áll be a valós értékre). A dinamikus jelleggörbe főbb jellemzői a 3. ábrán láthatók.

7

A kimeneti mennyiség egy megadott hibahatáron belül a Kii értéket az úgynevezett beállási idő eltelte után éri el. Mitől függ a T beállás ? - a jelátalakító tulajdonságaitól, - a választott beállási hibaintervallum nagyságától A beállási idő fontos jellemzője a dinamikus karakterisztikának. Ezt az időt a bemeneti mennyiség ugrásszerű változása esetén feltétlen ki kell várnunk ahhoz, hogy a mérést meghatározott és előírt pontossággal el tudjuk végezni. (pl. a lázmérőt 10 perc után kell leolvasni) Fontos fogalom az időállandó, ez a fogalom csak exponenciális kimenőjel esetén definiálható. Az időállandónak azt a T időtartamot nevezzük mely mellett az exponenciális kifejezés értéke e-ed részére csökken. Nagyon gyakran összekeverik a beállási idővel, azt időállandónak nevezve. A jelátalakítók, szenzorok főbb hibaforrásai

Eredetükre nézve a hibák lehetnek: - rendszeres hibák, - véletlen hibák. A rendszeres hibák a mérést pontatlanná, a véletlen hibák bizonytalanná teszik. A rendszeres hibát hitelesítéssel lehet meghatározni és korrekciós táblázattal vagy diagrammal vehetjük figyelembe. A hitelesítés során meghatározható a véletlen hibákból adódó mérési bizonytalanság. Fajtára nézve a hibák lehetnek: - abszolút, - relatív, - karakterisztika, - dinamikus hiba. Karakterisztika hiba: - relatív hibaként adható meg, - közel lineáris karakterisztikánál, mint linearitási hiba Dinamikus hiba: Ismert statikus érzékenység esetén Ki = f(Be), ha a Be = Be(t) az idő függvénye, a tényleges kimeneti mennyiség Ki = f(t) lesz és nem egyezik meg a fenti értékkel. Az eltérés (abszolút vagy relatív) alakban a dinamikus hiba. A jelátalakítók működését befolyásoló főbb zavarforrások: I. Hőmérsékletváltozás: - hosszváltozás - Ellenállás változás - viszkozitás változás, - rugalmassági modulusz változás,stb. A hiba kiküszöbölésére módszer nem nagyon van, csökkenteni lehet legfeljebb a hatását: - különbségi (differenciál) méréssel, - kompenzációs mérési elv alkalmazásával II Az idő A mérőrendszerek és elemei időben változtatják tulajdonságaikat. Az idő zavaró hatásának számszerű jellemzésére a stabilitás kifejezést használjuk

8

A stabilitás a kimeneti mennyiség azon számszerű változásával jellemezhető, mely a t=0 időpillanatban fennálló állapothoz képest a t = T időpillanatban azonos feltételek mellett jelentkezik. Megadható abszolút és relatív eltérésként. A stabilitás vizsgálható: - rövid időre –rövid idejű stabilitás – zavarérzékenység - hosszú időre – hosszú idejű stabilitás – öregedés III Visszahatások: A mérőrendszerek működésekor a mérés helyéről energiát vonnak el, így a mérendő mennyiséget befolyásolják. A változást visszahatásnak nevezzük A visszahatásból származó hiba csökkenthető: - az energiaigény csökkentésével - hitelesítéssel IV Referencia feltételek: A referencia feltételek azok a környezeti körülmények, melyek mellett a mérőrendszer a szavatolt minőségi jellemzővel dolgozik. Ezek: - hőmérséklethatások - nyomáshatások, - nedvesség-páratartalom, - mágneses és villamos terek, - a műszer, a jelátalakító esetleges helyzete, stb. V Egyéb zavarok: - sugárzás, - hiszterézis: a kimeneti mennyiség és az érzékenység nemcsak a bemeneti mennyiségtől hanem a változás irányától is függ. )Mechanikai eszközökben ezt a súrlódás idézi elő) - érzéketlenségi sáv, azon bemeneti mennyiségváltozás, melynél még nincs kimeneti mennyiségváltozás. Ez függ a munkaponttól. Összefoglalva a jelátalakítókkal szemben támasztott követelményeket: - egyértelmű és egyértékű statikus karakterisztika, - az érzékenység legyen nagy, - megfelelő rövid és hosszúidejű stabilitás, - adott alkalmazásnál kis dinamikus hiba, - referencia feltételek széles határok között tegyék lehetővé a helyes működést, - túlterhelésre ne legyen érzékeny, - kicsi legyen a visszahatása, - egyszerű felépítés és gyárthatóság, - gyártása reprodukálható legyen (sorozatgyártás), - kezelése egyszerű, - lehetőleg olcsó legyen.

9

2. FÕBB ÉRZÉKELÕK, SZENZOR TÍPUSOK BEMUTATÁSA A szakterületen felmerülõ folyamatmérési feladatok csak részben oldhatók meg a kereskedelemben kapható érzékelõkkel. Ezek zöme feladat, illetve berendezésfüggõ kialakítású. Folyamatmérési feladatok megoldására a következõ fõbb érzékelõ, szenzor fajtákat használjuk: a) b) c) d) e)

ohmos ellenállás változáson alapuló, kapacitás változáson alapuló, induktivitás változáson alapuló, piezoelektromos elven mûködõ, optoelektronikus elven mûködõ

érzékelõk.

2.1. Ohmos ellenállásváltozáson alapuló érzékelõk A gyakorlatban két típus használatos: − potenciométeres érzékelõk, − nyúlásmérõ ellenállások, A potenciométeres érzékelők (lineáris és forgó)

A szórakoztató elektronikából ismert lineáris és forgó kivitelű (pl. hangerő és hangszínszabályozás) érzékelők feszültségosztást végeznek. A csúszka helyzetétõl függően az esetek többségében lineáris függvénykapcsolat szerint elfordulás és elmozdulás (deformáció) mérésére alkalmas egyszerû érzékelõk. Felbontóképességük a villamos és a mechanikus kialakítás függvénye. Léteznek precíziós, ± 0,01 % felbontóképességû potenciométerek, amelyek pl. a hat szabadságfokú Nokia PUMA 760 típusú szerelõrobot útmérõ (szögadó) elemeként használatosak. Ez a robot a munkaterén belül ± 0,1 mm-nél kisebb pozicionálási és ismétlési pontossággal rendelkezik. Általános esetben csak korlátozott pontosságú esetekben használhatók: A csúszka által okozott kopások, a rajta átfolyó áram okozta melegedés, oxidáció miatt. A NYÚLÁSMÉRÕ ELLENÁLLÁSOK (NYÚLÁSMÉRŐ BÉLYEGEK)

A nyúlásmérõ ellenállások (bélyegek) a fémek azon tulajdonságát használják fel érzékelésre, mely szerint a fém nyúlásának (Δl/l ⇒ a hosszúság relatív változása és ΔA/A⇒ a keresztmetszet relatív változása) változása fajlagos és ohmos ellenállás változást eredményez. A jelenség elvi alapjainak megértéséhez vegyük egy l-hosszúságú(mm), A-keresztmetszetű (mm²), ismert anyagminőségű fém rudat. A rúd ohmos ellenállása l R=ρ A összefüggésből számítható, ahol ρ- a fajlagos ellenállás (Ώmm2/m). Ha a rúdra mechanikai feszültség (húzó, nyomó, csavaró, hajlító, stb.) hat a relatív ellenállás változás a

10

dR dρ dl dA = + − R ρ l A összefüggésből számítható. A keresztmetszet relatív változása

μ Poisson tényezővel kifejezve a

dA kifejezhető a hosszúság relatív megváltozásával, ez a A dA dl = −2 μ A l

alakba írható. dR fajlagos ellenállás változás képletébe kapjuk: R dR dρ dl dl = + + 2μ azaz, R l l ρ dR dρ dl = + (1 + 2μ ) R l ρ A nyúlásmérő átalakítók jellemzésére a dρ dR ρ g = R = 1 + 2μ + dl dl l l

Ezt behelyettesítve a

tényezőt használjuk, mely a g (gauge factor), bélyegállandó nevet viseli és dimenzió nélküli szám. Mitől függ a bélyegállandó? - a fajlagos ellenállás változástól, - a POISSON tényezőtől, de független a bélyeg méreteitől. A bélyegállandó lehet pozitív vagy negatív, ez a bélyeg anyagától függ. Alapvető bélyegtípusok: - fémes - félvezető típusú. A gyakorlatban főleg fém bélyegtípusok terjedtek el, bár létezik (egyre gyakrabban) félvezető típusú nyúlásmérő átalakító is. Fém nyúlásmérő bélyegek különböző kialakításúak lehetnek, pl.

4. ábra. A nyúlásmérõ bélyeg elvi felépítése 11

Vannak kombinált bélyegek is. Milyen anyagból célszerű a bélyeg vezető elemét készíteni: - nagy bélyegállandója legyen, - az ellenállás hőfok függvénye kicsi legyen. A fenti kritériumoknak a legjobban a KONSTANTÁN felel meg. A bélyegállandója g konstantán = 2 − 2,7 , míg az ohmos ellenállás hőmérsékleti tényezője α konstantán = ±3 ⋅ 10 −5 1 o C A bélyegeket felragasztják a mérendő deformációjú testre, mely mechanikai igénybevétel hatására deformációt szenved. Példaként határozzuk meg, egy állandó keresztmetszetű, nyomásnak igénybevett próbatestre felragasztott bélyeg érzékenységét! Bemenet mennyiség: nyomófeszültség Kimeneti mennyiség: ellenállásváltozás. dR Ez a bélyeg állandó g = R összefüggés alapján látható dl l dl ΔR ≅ g R = gε R , viszont a Hooke törvényből a mechanikai feszültség l

σ = Eε → ε = az ellenállás változás

ΔR = Rg ebből az érzékenység

σ

E

σ E

így

,

d (ΔR ) Rg = = állandó . dσ E Mivel a gyakorlatban R = 10 2 − 103 Ω és g = 2 − 2,7 konkrétan Ω 2 nagyon kicsiny ≈ 10 −5 E ′ = 100 6 N 2 2,1 ⋅ 10 cm Ω Ω Ω Ω E ′ ≅ 10 −5 = 10 −3 = 10 −5 4 = 10 −9 N 2 Pa MPa 10 N 2 cm m Mekkora az ellenállás változás ? Legyen σ = 10 4 N 2 cm ΔR = E ′σ ≅ 10 −5 ⋅ 10 −4 ≈ 10 −1 Ω nagyon kicsiny, Ennek az oka a nagy rugalmassági modulusz. A kis érzékenység nem jelent különösebb gondot, viszont sokkal nagyobb problémát jelent a hőmérsékletváltozásból eredő hiba. A bélyeg hőmérsékletfüggése (ohmos ellenállás változása) a következő összefüggés szerint számítható: ΔR = αRΔv , E′ =

12

ahol Δν a hőmérséklet változás °C - ban. A hőmérsékletváltozás okozta érzékenység d (ΔR ) = αR = E ′ , mivel dv α ≈ 10 −5 o C konstantán-nál, R = 100 − 1000Ω , így E ′′ = 10 −5 ⋅ 10 2 = 10 −3 Ω o C , míg a hasonló alap ellenállású bélyeg mechanikai feszültség-ellenállás karakterisztikájának érzékenysége: E ′ ≅ 10 −5 Ω N cm 2 volt. Az 1o C hatására bekövetkező ellenállás változás 2 nagyságrenddel nagyobb, mint az 1 N cm 2 mechanikai feszültségváltozás esetén. Ebből adódik, hogy a bélyegeket csak olyan mérőkapcsolásban szabad használni, mely csökkenti a hőmérséklet változás okozta hibát. Ilyen kapcsolás a különbségi mérés elvét megvalósító HÍDKAPCSOLÁS. Hogyan csökkenti a hídkapcsolás a hőmérséklet változás okozta hibát ? A próbadarabon egy aktív és egy kompenzáló bélyeget két kiegészítő ellenállással (R0) hídba kapcsoljuk. Az aktív bélyeg főtengelye (terhelési tengelye) egybeesik vagy párhuzamos a terhelés irányával, míg a kompenzáló bélyeg erre merőlegesen van elhelyezve.

5. ábra. Wheatstone hídkapcsolás nyúlásmérõ bélyegekhez Feltételezzük, hogy a bélyegek (aktív és kompenzáló) - ellenállása, - hőmérséklet tényezője, - bélyegállandója, megegyezik. A bélyegek mechanikai feszültség és hőmérséklet változás okozta együttes ellenállás változásai: g ⎞ ⎛ R A = R(1 + αΔv )⎜1 + σ ⎟ , illetve ⎝ E ⎠ g ⎛ ⎞ R K = R(1 + αΔv )⎜1 + K σ ⎟ , ahol E ⎠ ⎝ R - bélyegek 0o C -on mért ellenállása, α - a bélyegek anyagának hőmérsékleti tényezője, Δv - hőmérséklet változás,

13

g- bélyegállandó, g K - keresztirányú bélyegállandó ( g K << g ) A híd üresjárati kimeneti feszültsége: U R A − RK , U Ki = 2 R A + RK mivel az egyik hídág két teljesen azonos elemű áll. Behelyettesítve: gk ⎞ g ⎞ ⎛ ⎛ σ⎟ R(1 + α ⋅ Δv )⎜1 + σ ⎟ − R(1 + α ⋅ Δv )⎜1 + U E ⎠ E ⎠ ⎝ ⎝ , U Ki = gk ⎞ g ⎞ 2 ⎛ ⎛ σ⎟ R(1 + α ⋅ Δv )⎜1 + σ ⎟ + R(1 + α ⋅ Δv )⎜1 + E ⎠ ⎝ E ⎠ ⎝ lehet az R (1 + α ⋅ Δv ) kifejezéssel egyszerűsíteni, így U Ki nem függ az alapellenállástól és a hőmérséklettől sem.

σ

U = 2

U Ki összefüggést kapjuk. Mivel g k << g és mert 2 >>

σ E

E 2+

(g − g k )

σ E

(g + g k )

(g + g k ) , ezért U Ki ≈

U gσ Ug σ, = 4 E 4E

illetve

g ΔR σ ≈ , E R

így U Ki ≅

U ΔR 4 R

Tehát ha aktív és kompenzáló bélyeget, továbbá két azonos nagyságú kiegészítő ellenállást használunk, továbbá a próbatest keresztirányú méretváltozásától eltekintünk g k ≈ 0 , akkor a kimeneti feszültség a mechanikai feszültséggel lineárisan változik, illetve a kimeneti feszültség a tápfeszültségtől és az aktív bélyeg relatív ellenállás változásától függ, és nem függ a hőmérsékletváltozástól , így teljes hőmérséklet kompenzációt sikerült megvalósítani. Néhány jellegzetes bélyegelrendezési mód: Létezik két aktív bélyeges illetve négy aktív bélyeges kapcsolás is. A két aktív bélyeges hídkapcsolásnál a kimeneti feszültség meghatározására szolgáló kiinduló összefüggésbe a g k helyett g értéket kell behelyettesíteni (a negatív előjel az ellentétes irányú mechanikai igénybevételt veszi figyelembe). A híd kimeneti feszültsége: U ΔR U Ki ≅ lesz. 2 R Ez az egy aktív bélyeges kapcsolási híd kimeneti feszültségének kétszerese, feltéve, hogy az aktív bélyegek alapellenállása, hőmérsékleti tényezője és bélyegállandója megegyezik. Összefoglalva a fém nyúlásmérő bélyegek előnyeit:

14

• kis méret (2x3 mm méret is létezik), • stabilitás, • pontosság, • kis belső impedancia miatt jó • 0 Hz-től néhány ezer Hz-ig dinamikus mérésekre is alkalmas, • kis keresztirányú érzékenység (1-2%). A fém bélyeges átalakítók alkalmazásának hátrányai: • hőmérsékletfüggés – kompenzáció megvalósítható, • a próbatest hőtágulásából származó hiba, • ragasztásból származó hiba (kúszás), • kis érzékenység. A hátrányok jó része megfelelő villamos kapcsolással (hőmérsékletfüggés – érzékenység), gondos kivitelezéssel (ragasztás) kiküszöbölhető. A hídkapcsolásoknál a statikus karakterisztika, közel lineáris A nyúlás mérőbélyeges átalakítók mind statikus, mind dinamikus mérésre alkalmasak. A mérőhidak egyenárammal vagy váltakozófeszültséggel egyaránt megtáplálhatók. A Mellékletben további részletek találhatók a nyúlásmérő bélyegek típusairól, ragasztásuk módjáról és alkalmazási területeikről. 2.2. INDUKTÍV JELÁTALAKÍTÓK

N menetű, A keresztmetszetű egyenes tekercs (solenoid) hossza l, melyet μ = μ o μ r mágneses permeabilitású térbe helyezünk (7.ábra), öninduktivitása a következőképpen határozható meg: Α A 1 1 vagy az μ = , L = μ ⋅N2 L = N2 l Rm Rm l ahol Rm - mágneses ellenállás. Az öninduktivitás tehát változhat, ha változik: V sec - a μ = mágneses permeabilitás: μ=μ0.μr, ahol μ o = 4π ⋅ 10 −7 ( a vákuum Am mágneses permeabilitása, μr = relatív permeabilitás), - az N tekercs menetszám, A - az „geometria” valamelyik tagja , vagy mindkettő, l − mechanikai feszültség hatására a ferromágneses anyag mágneses permeabilitása változik (magnetoelasztikus jelenség). A gyakorlatban erõs hõmérsékletfüggése, nemlinaritása és hiszterézise miatt nagy mechanikai feszültségek mérésére korlátozott pontossággal alkalmas. − menetszám változtatásával az öninduktivitás változik (mûködési elv hasonló a huzalos potenciométeréhez).A lineáris csúszkás (solenoid) és forgó csúszkás (toroid) kialakítás elmozdulás és elfordulás mérésére alkalmasak. Pontosságuk igen szerény. A − az hányados az érzékelõ vasmagjának mozgatásával változik. Ebben a csoportban négy l alaptípus terjedt el, igen széles körben, a gyakorlatban (6. ábra)

15

a.

b.

c.

d.

6. ábra. Induktív érzékelõk fõbb típusai A kölcsönös induktivitás változás két tekercs (vezető) esetén definiálható, jelölése M 12 = M 21 , meghatározása bonyolult összefüggéssel lehetséges. Megállapítható, hogy M is a menetszám, a mágneses permeabilitás illetve a „geometria” változásával változik. A gyakorlatban mind két típusú jelátalakító lehet: • egyszerű jelátalakító, • különbségi (differenciál) jelátalakító. A fenti két típus további fajtái különböztethetők meg a mágneskör kialakítása szerint: • nyitott mágneskörű (légmagos), zárt mágneskörű (vasmagos). • A 6. ábrán látható átalakítókat tárgyaljuk, ezek fordulnak elő a gyakorlatban a leggyakrabban. A kölcsönös induktivitás változáson alapuló és a mágneses permeabilitás megváltozását felhasználó jelátalakítók tárgyalása matematikailag bonyolult. Ezek a jelátalakítók a gyakorlatban ritkán fordulnak elő. A táblázatba foglalt jelátalakítók kimeneti mennyisége többféleképpen mérhető. Öninduktivitás változás, vagy öninduktivitás különbség mérésére használhatók: • kiegyenlített hídkapcsolások, kiegyenlítetlen hídkapcsolások, • egyéb impedancia mérő módszerek. • • Kölcsönös induktivitás vagy induktivitás különbség mérhető: • eredő induktivitásként a fenti módszerrel, vagy változó áttételű transzformátorként használva a kimeneti feszültség feszültségmérési • módszerekkel (aktív jelátalakító). Az induktív átalakítók főbb típusait a következőkben tárgyaljuk.

16

2.2.1. Nyitott mágneskörű egyszerű átalakító

Vegyünk egy A [mm2] keresztmetszetű, l [mm] hosszúságú egyenes, vasmagos tekercset (7. ábra). Tekercs hossza: l Keresztmetszete: A Menetszáma: N

7.ábra.Nyitott mágneskörű egyszerű átalakító Az induktivitás meghatározható az:

L = (Lmax − Lo )e

⎛x⎞ −k ⎜ ⎟ ⎝l⎠

2

+ Lo összefüggésből.

A jelleggörbe: - nemlineáris, x ≅ ±∞ - nél L = Lo ≠ 0 , Külső mágneses terekre érzékeny, helyette a különbségi (differenciál) kialakítás terjedt el. 2.2.2. Nyitott mágneskörű különbségi átalakító (6.ábra, c. rész):

Ha a két tekercset (impedanciát) két azonos nagyságú kiegészítő impedanciával (Z) váltóáramú Wheatstone hídba kötjük (5. ábra), akkor a híd kimeneti feszültsége a U Z1 − Z 2 U Ki = 2 Z1 + Z 2 összefüggésből határozható meg. Behelyettesítve a következő összefüggéseket: Z 1 = jω (L1 + M ) Z 2 = jω (L2 + M ) , ahol ω – a tápfeszültség körfrekvenciája, akkor végeredményként az L1 − L2 U U Ki = , 2 L1 + L2 + 2 M összefüggést kapjuk, ahol M = a kölcsönös induktivitás a két tekercs között.

A

nyitott

mágneskörű ⎛x⎞ −k ⎜ ⎟

egyszerű

átalakító

statikus

átviteli

függvényét

2

( L = (Lmax − Lo )e ⎝ l ⎠ + Lo ), felhasználva, behelyettesítve az Uki grafikusan ábrázolható. Az eredő függvény azt mutatja, hogy az összefüggés szűk elmozdulási tartományban közel lineáris. Sajnos zavarérzékenysége a nyitott mágneskör miatt nem javult.

17

2.2.3. Zárt mágneskörű, egyszerű átalakító:

Az átalakító U-alakú vasmagon lévő tekercsből és egy x-irányban mozgatható záróelemből áll. Ennek mozgatása során a légrések egyformán változnak.

8.ábra. Zárt mágneskörű egyszerű átalakító Az állórész, a mozgórész(ferromágneses anyagból készülnek) és a két légrés mágneses ellenállásának összege: Rm = Rm1 + Rm 2 + Rm 3 + Rm 4 , ahol 1 l v1 Rm1 = (állórész), μ o μ r A1 1 lv 2 Rm 2 = (mozgórész), μ o μ r A2 1 δ Rm 3 = (légrés), μo A 1 δ Rm 4 = (légrés) μo A mágneses ellenállás értékei. Feltételezzük, hogy az állórész és a mozgórész anyagának relatív permeabilitása megegyezik, továbbá feltételezzük, hogy a légrés effektív keresztmetszete A, mely az erővonal torzulás miatt eltér A1 -től és A2 -től. Eredő mágneses ellenállás: 1 ⎛ l v1 l v 2 ⎞ 2 δ ⎟+ ⎜ + , Rm = μ o μ r ⎜⎝ A1 A2 ⎟⎠ μ o A így az induktivitás 1 L = N2 1 ⎛ l v1 l v 2 ⎞ 2 δ ⎜ + ⎟+ μ o μ r ⎜⎝ A1 A2 ⎟⎠ μ o A

Látható, hogy az induktivitás a légrésméretnek (δ ) nem lineáris függvénye. Ismert, hogy vasmag esetén μ o μ r >> μ o , hiszen μ r ~ 103-104, így Rm1 ≈ Rm 2 ≈ 0 illetve elhanyagolható a légrés mágneses ellenállásához viszonyítva, így a mágneses ellenállás közelítőleg: 2 δ , Rm ≈ μo A így az induktivitás 18

L≅

1 N 2 μA 1 =K 2 δ δ

A statikus karakterisztika hiperbolikus, még kis tartományban sem lineáris, a zavaró mágneses terek hatásának csökkentésére nincs mód. A gyakorlatban ritkán használjuk ezt a típust. Hogyan lehet a fenti negatív tulajdonságokat megváltoztatni, a zavaró hatásokat csökkenteni ? A megoldás: különbségi elven működő zárt mágneskörű mérőátalakító alkalmazása. 2.2.4. Zárt mágneskörű induktív jelátalakító

Tulajdonképpen két egyszerű zárt mágneskörű induktív átalakító szembekapcsolásával alakítható ki (9.ábra).

9.ábra. Zárt mágneskörű, különbségi átalakító Az átalakító kimeneti mennyisége a két tekercs induktivitásának különbsége. Hogyan lehet ezt mérni ? Váltakozó áramú kiegyenlítetlen hídkapcsolásban. Ez a hídkapcsolás a különbségi átalakító esetén a zavaró hatásokat csökkenti és a statikus karakterisztikát linearizálja. A két tekercset és két, azonos nagyságú Z impedanciát váltóáramú Wheatstone hídba kapcsoljuk. Korábban felírtuk már az ilyen híd kimeneti feszültségét: U Z1 − Z 2 U Ki = , 2 Z1 + Z 2 Z1 = jωL1 + R (váltakozó áramú impedancia), Z 2 = jωL2 + R (váltakozó áramú impedancia), innen jω (L1 − L2 ) U U Ki = , 2 jω (L1 + L2 ) + 2 R Tételezzük fel, hogy az öninduktivitás kiszámításakor a vasmagok mágneses ellenállását elhanyagoljuk, így: K K L1 ≅ és L2 ≅

δ1

(lásd előző fejezet)lesz, így U Ki = vegyük észre, hogy

δ2

jω (δ 2 − δ 1 ) U , 2 jω (δ 1 + δ 2 ) + 2 Rδ 1δ 2

δ 1 + δ 2 = 2δ o , ahol 19

δ o - a közepes légrésméret, innen δ 2 = 2δ o − δ 1 , tehát az U Ki (δ 1 ) függvény jωK (δ o − δ 1 ) U U Ki = alakú lesz. 2 jωKδ o + Rδ 1 (2δ o − δ 1 )

δ1 relatív δo δo légrésméret összefüggéseket, a számlálót és a nevezőt az U Ki kifejezésben osztva δ o2 -tel,

Vezessük be Lo =

K

, közepes légrésmérethez tartozó öninduktivitás és a ε =

kapjuk:

jωLo (1 − ε ) U , vezessük be a 2 jωLo + Rε (2 − ε ) ωL Qo = o = tg ϕ jósági tényezőt, R osszuk el a számlálót és a nevezőt jωLo -lal, így a következő kifejezést kapjuk: U 1−ε U Ki = 2 1 − j 1 ε (2 − ε ) Qo U Ki =

Ha Qo >> 1 , akkor a nevezőben a képzetes tag elhanyagolható, így ϕ ≈ 90o , mert ωLo >> R ; cos ϕ ≈ 0 . Ez akkor teljesül, ha a hídat nagyfrekvenciájú feszültséggel (Ube) tápláljuk meg. Ekkor f >> 1 és így ω >> 1. A gyakorlatban f= 5 kHz vagy 50 kHz frekvenciájú tápfeszültséget használnak. Ezek után U U Ki = (1 − ε ) , mivel 2 δ − δ1 δ 1−ε = 1− 1 = o , ezért

δo

U Ki

δo U δ o − δ1 = 2 δo

a δ0-δ1 a vasmag x elmozdulása. A kimeneti feszültség tulajdonképpen az elmozdulással (x) lineáris kapcsolatban van. Miért érdekes ez? Az induktivitás légrésméret nemlineáris függvénye, mégis a híd kimeneti feszültsége bizonyos feltételek esetén a légrésváltozással lineárisan változik. A linearitási hiba annál kisebb, minél nagyobb a jósági tényező, azaz minél nagyobb az ω o , azaz minél nagyobb a tápfeszültség frekvenciája. Összefoglalva: az ipari méréstechnikában általában a különbségi mérőátalakítók használata terjedt el, mert • karakterisztikájuk lineáris, vagy linearizálható, • küső zavaró hatásokra kevésbé érzékenyek, • érzékenységük általában nagyobb, mint az egyszerű átalakítóké. Alkalmazástechnikai területek

Alapvetően induktív szenzorokat elmozdulás, deformáció mérésre lehet használni.

20

Léteznek a gyakorlatban kis méréstartományú L=0,1-1 mm és nagy felbontó képességű (1-0,1 –0,01 μm) induktív precíziós, hosszmérő műszerek. Ezeket főleg mérőszobai célokra alkalmaznak. Felületi érdességmérésre (részletek a Mellékletben), az ún. Metszettapintós módszer esetén a felületi profil letapogatására induktív, zárt mágnemeskörű, differenciál kapcsolású induktív szenzort használnak. Átlagos érdesség: Ra: 0,1 – 250 μm-ig mérhető. Deformáció előidézhető mechanikus terheléssel: erővel, nyomatékkal, nyomással. Igy erő- és nyomatékmérésre is használható, ahol is a mechanikai terhelés által előidézett deformációt mérjük. Mérés során a szenzor-mérőerősítő rendszer kalibrálni kell. Kalibrálás során ismert (általában egységnyi) erővel vagy nyomatékkal terheljük a szenzort és az erősítést úgy szabályozzuk, hogy a mutatott villamos jel(feszültség) kerek egész, esetleg egységnyi legyen. Nyomásmérés esetén egy membránra ható nyomás hatására előálló membrán elmozdulást, deformációt mérjük induktív szenzorral. A kalibrálást hasonlóan az erőméréshez itt is el kell végezni, annak érdekében, hogy a kimenő jelet nyomásértékben tudjuk leolvasni.

A gyártásautomatizálásban induktív jelenlét érzékelőket (Proximity sensor) használnak a munkadarab, a szerszám és egyéb elem (szállítószalagon megérkezett-e a paletta, tároló tálca, nyitva van-e a robotmegfogó szerkezet szorító pofája, stb.) jelenlétének ellenőrzésére, számlálásra. Ezek a szenzorok egyszerű bináris (igen/nem - alacsony szint vagy magas szint: 0 - 24 volt DC) jelet adnak . Ezek a szenzorok csak ferromágneses anyagból készült elemet, darabot képesek detektálni: általában 1-5 mm-en belül. 2.3. HŐMÉRSÉKLETMÉRŐ SZENZOROK

A gépgyártás területén számtalan alkalommal kell hőmérsékletet mérni és szabályozni. Itt villamos hőmérsékletmérési módszerekkel foglalkozunk csak. Két, klasszikus módszer létezik: 1. Passzív érzékelők: hőmérsékletfüggő ellenállások, 2. Aktív érzékelők: termoelemek. 2.3.2. Hőmérsékletfüggő ellenállások Hőmérsékletvált ozás

Ellenállás változás

Milyen ellenállásanyagok jöhetnek szóba? Főbb követelmények: -

nagy hőmérséklettényező, nagy fajlagos ellenállás, lineáris statikus karakterisztika, megfelelő rövid és hosszú stabilitás.

Felhasznált anyagok:

21

-

fémes vezetők félvezetők

Fém ellenállás-hőmérők

Működés fizikai alapjai:

[

]

R (t ) = R0 1 + α (t − t 0 ) + β (t − t 0 ) + ..... 2

ahol - R0 a t 0 hőmérsékleten mért ellenállás, - α és β hőmérsékleti tényezők. Szabványos esetek: t 0 = 0 0 C , ekkor

R (t ) = R0 (1 + αt + βt 2 + .....), Az alkalmazott anyagoknál a gyakorlatban elegendő csak az elsőfokú tagot figyelembe venni, így R (t ) = R0 (1 + αt ). Érzékenység: É =

dR(t ) = R0 ⋅ α dt

Az összefüggés lineáris, az érzékenység annál nagyobb, minél nagyobb az R0 és az α . Fontosabb, elterjedten használt ellenállás anyagok: - Platina α = 4 ⋅ 10 −3 °C −1 , - Réz α = 4 ⋅ 10 −3 °C −1 , - Nikkel α = 6.17 ⋅ 10 −3 °C −1 . Az iparban és a méréstechnikában legelterjedtebben a platinát használják. A platina ellenállás-hőmérő jellemző adatai: - mérési tartomány −190°C - + 630°C , - ellenállás változás 100°C -ra 40%, - ellenállás 0° C-on R0 = 100Ω. Előnyei: - vegyi ellenálló képesség, - magas olvadáspont, - lineáris statikus karakterisztika, - reprodukálhatóan gyártható. Hátránya: drága. A nikkel ellenállás hőmérő jellemző adatai: - mérési tartomány 0°C - + 150°C , - ellenállás változás 100°C -ra 60%, - ellenállás 0° C-on R0 = 100Ω. 22

Előnyei: -

a hőmérséklet együtthatója ( α ) magasabb, mint a platináé. olcsóbb.

-

nem lineáris, gyártása nem jól reprodukálható.

Hátrányai:

700 600 500 400

Pl

300

Ni

200 100 0 -200

0

200

400

600

10. ábra. Fém ellenállás-hőmérők statikus karakterisztikája Réz ellenállás-hőmérő jellemző adatai: - mérési tartomány 0 oC – 150 oC, - ellenállás-változás 100°C -ra 40%, - ellenállás 0° C-on R0 = 10Ω. Előnyei: - lineáris karakterisztika, - olcsó, - reprodukálható a gyártása. Hátrányai: - erősen oxidálódik, - fajlagos ellenállása kicsiny, így R0 kicsiny, tehát érzékenysége (E=R ⋅ α ) is kicsi. Ellenállások szerkezeti kialakítása: - csillámlemezre felcsévélve

11. ábra. Csillámlemezre csévélt ellenálláshuzal -

csillámkeresztre, kerámia csévetestre felcsévélve, üvegrúdra bifilárisan felcsévélve (platina ellenállásos hőmérő)

Ellenállás hőmérők közös jellemzői: 1. Pontosság a. ipari mérésnél 0,5-1% b. precíziós mérésnél 0,05-0,1%, 2. Időállandó 0,05 sec – néhány perc, 3.Maximális áram 10 mA (az átfolyó áram melegíti az ellenállás hőmérőt – Joule hatás)

23

Félvezető ellenállás-hőmérők (Termisztorok)

Működés fizikai alapja: a félvezető ellenállása függ a hőmérséklettől: R b T

R ≅ a⋅e . a

R

Érzékenység: b

É=

dR = a ⋅ eT dT

T [ °K ] T [ °K ]

b ⎛ b ⎞ ⋅ ⎜ − 2 ⎟ = −R ⋅ 2 ; T ⎝ T ⎠

12. ábra. Termisztor statikus jelleggörbéje(felül) és érzékenysége A katalógusok általában egységnyi ellenálláshoz tartozó érzékenységet adnak meg: É0 =

É b = − 2 = α (hőmérséklet együttható) R T

Statikus karakterisztika jellegzetessége: - nem lineáris, - negatív érzékenység. Anyagai: - nehézfémek oxidjai, termisztor. - germánium, szilícium. Szerkezeti kialakítás: Burkolat

Burkolat

Termisztor

Platina

Termisztor

13. ábra. Termisztorok szerkezeti kialakítása

24

Platina

Termisztor jellemzői: - ellenállás: -

ellenállás 80 °C -on:

-

hőmérséklet együttható 25 °C -on: max. teljesítmény: időállandó: mérési tartomány: nagy a gyártási szóródás.

25 °C -on 100-5000 Ω 11 1 az R25°C értéke − -ad része, 5 8 α = −0,04... − 0,15 / °C , néhány tíz μW - néhány W, 10 −2 sec – néhány perc, -200 °C és +200 °C között,

Az ellenállás-hőmérőket kiegyenlítetlen hídkapcsolásba helyezve használják hőmérséklet mérésre, de egyéb közvetett ellenállás-mérési módszerek is szóba jöhetnek. 2.3.2. Termoelemek

Az ilyen érzékelők aktív érzékelők. Hatásvázlatuk a következő: Hőmérsékletkül önbség

Villamos feszültség

A hőmérsékletkülönbség a testek belső energiájának különbségét fejezi ki. A termoelektromos átalakítók tulajdonképpen hőenergiát alakítanak át elektromos energiává. A jelenség fizikai alapjai: Két különböző anyagi minőségű villamos vezető érintkezési pontjain potenciál jön létre. Ez az u.n. kontakt potenciál. Létrejöttének oka a különböző anyagi minőségű villamos vezetők kilépési munkájuknak különbözősége. (A kilépési munka = egy adott minőségű anyag elektronjának az elektronhéjból való eltávolításához, kiléptetéséhez szükséges munka, melyet eV-ban mérünk.) Kontaktpotenciál=

kilépési _ munkák _ különbsége , az _ elektron _ töltése(1.6 ⋅ 10 −19 C )

Mivel a kilépési munka függ a hőmérséklettől, így a kontaktpotenciál is hőmérsékletfüggő. [A termoelektromos jelenségek feltárásában, Seebeck, Peltier és W. Thomson (Lord Kelvin) végzett úttörő munkát. A termoelektromos jelenség fizikai törvényszerűségei, az u.n. Peltier – és a Thomson jelenségen, illetve Seebeck hatáson alapulnak (lásd a megadott irodalom)]. Tekintsük a következő elvi vázlatot: 1 t1

UAB(t1)

UAB(t2)

2 t2

14. ábra. Vázlat a termoelektromos jelenség magyarázatához

25

Az 1 jelű és a 2 jelű pontban más és más a hőmérséklet, így a kontaktpotenciál is, jelölése: UAB(t). Az index sorrendje anyagsorrendet jelöl a haladási irányban. Ezért igaz, hogy UAB(t)= - UBA(t). A fenti ábrán látható összeállítást termoelemnek nevezzük. A magasabb hőmérsékletű csatlakozási pont a melegpont, a másik a hidegpont. A fenti ábrán, ha t1 ≠ t 2 , akkor UAB(t1) ≠ UBA(t2), UAB(t1; t2)

Azaz

t1

t2

UAB(t1) + UBA(t2) ≠ 0; UAB(t1) - UAB(t2) ≠ 0; 15. ábra. Vázlat a termofeszültség méréséhez Kontakt potenciálok különbsége = termofeszültség. UAB(t1) - UAB(t2) = UAB(t1; t2) Hogyan függ a termofeszültség a hőmérséklettől? A 0 °C - hoz viszonyított termofeszültség meghatározható a következő összefüggésből: U AB (t ;0) = α ⋅ t +

β

2

t2 +

γ

3

t3

Érzékenység É=

dU AB = α + β ⋅t +γ ⋅t2 dt

Az érzékenység függ a hőmérséklettől és ennek nemlineáris függvénye. (Az α , β , γ együtthatók méréssel határozhatók meg, három különböző hőmérsékleten kell termofeszültséget mérni ehhez.) A termofeszültség UAB(t1; t2) összefüggés felírásánál figyelembe vettük, hogy az csak - a kezdő és végpontok hőmérsékletétől (t1 és t2) és - a huzalok anyagi minőségétől (A és B) függ, de független a huzal mentén kialakuló hőmérsékleteloszlástól.

A

3 t3

4 t4

t1

A t2

B

UAB(t1;t2)=UAB(t1)-UAB(t2)

16. ábra. Vázlat a homogén áramkörök törvényéhez

26

Ez a tétel (a homogén áramkörök törvénye) csak akkor igaz, ha az A és B huzalok anyaga homogén. Ha az anyag inhomogén, akkor UAC(t3)+UCA(t4)=UAC(t3)- UAC(t4) járulékos, parazita termofeszültséget okoz, így

UAB(t1;t2; t3;t4)=UAB(t1;t2)+UAC(t3;t4). Tehát a termofeszültség nem csak a melegpont hőmérsékletétől (t1) és a hidegpont hőmérsékletétől (t2), hanem a következő t3 és t4 hőmérséklettől is függ, ha a huzal anyaga inhomogén. Az inhomogén szakaszok, akkor nem okoznak járulékos termofeszültséget, ha végpontjaik azonos hőmérsékleten vannak.

t3 t1

t3

A

C

B

V

A

t2

17. ábra. Vázlat a „közbeeső” vezetékek törvényéhez UAB(t1;t2)=UAB(t1)-UAB(t2)+ UAC(t3)- UAC(t3) UAB(t1;t2) ≠ f(t3); Ez az u.n. közbeeső vezetők törvénye. A törvény azt fejezi ki, ha A és B anyagból álló termoelemet megszakítunk és egy harmadik C jelű anyagból álló vezetőt iktatunk be a körbe úgy, hogy végpontjai azonos hőmérsékleten legyenek, akkor a harmadik vezető a teljes áramkör eredő termofeszültségét nem befolyásolja. Azaz a C jelű anyag u.n. termikus rövidzár. Ebből fontos méréstechnikai következtetések vonhatók le, éspedig: - a termoelemek gyártásakor a termoelemet képző anyagok csatlakozási pontja forrasztható („C” anyag), B

t1

t

UAB = f(t;t1),

C t

A t1

18. ábra. Közbeeső vezetők törvényének alkalmazása: a „C” anyag, mint termikus rövidzár ha a termofeszültség mérésére használt mérőműszer termikus rövidzár (azaz kapcsai, csatlakozási pontjai azonos hőmérsékleten vannak), akkor a műszer „anyaga” nem befolyásolja a termofeszültség nagyságát. A termofeszültség mérésének legegyszerűbb módja a következő ábrán látható: -

27

t0 B t

Melegpont

Hidegpont

V

A t0

19. ábra. Mérőműszer, mint termikus rövidzár Lényege, hogy az A és B huzalok egyik érintkezési pontját egy termikus rövidzárt képviselő műszeren keresztül zárjuk le. (A műszer akkor termikus rövidzár, ha csatlakozási pontjai azonos hőmérsékleten vannak.) A műszerrel zárt termoelem áramkörében áram folyik, melynek nagysága: RA

Feszültség generátor

R műszer

=

I=

U AB (t ; t 0 ) R A + R B + Rm

I

RB

20. ábra. Vázlat a körben folyó áram meghatározásához A körben folyó áram nagysága függ: - a termofeszültségtől, - az RA+RB+Rm eredő ellenállástól Az áram hatásai: - a huzalok melegednek (Joule-hatás), - az érintkezési pontok hőmérséklete megváltozik úgy, hogy a (t-t0) hőmérsékletkülönbség csökken (Peltier-hatás). Mit jelent a Peltier-hatás? - a melegpont lehűl, csökken a hőmérséklete, - a hidegpont felmelegszik, nő a hőmérséklete. Az áram hatásai mérési hibát okoznak, ezért törekedni kell az áram csökkentésére. Az áram csökkenthető: - nagy belső ellenállású műszer alkalmazásával, - kompenzációs feszültségmérési módszerek alkalmazásával. A célnak megfelelő egyenfeszültségű digitális voltmérők belső ellenállása 103 – 104 M Ω és zömmel automatikus kompenzográfként működnek. Termoelemek anyagai: - fém, - félvezető lehet. A gyakorlatban, ma elsősorban fémből készült termoelemeket használnak. Az anyagkiválasztás fő szempontjai: 28

- nagy érzékenység, - széles alkalmazási hőmérséklettartomány, - korrózióállóság, - stabil és reprodukálható mérés. Fémek kiválasztása az u.n. termopotenciális sor segítségével lehet. Ezt a sort tiszta platina és az egyes fémek között 0 °C - 100 °C közötti hőmérsékletkülönbség hatására fellépő termofeszültségek alapján állítják össze. A leggyakrabban használt termoelem anyagpárok: -

Platinarhodium (+) és platina (-) a. 0 °C - 1300 °C között használható, b. érzékenysége kicsiny; függ ahőmérséklettől (U1300 °C =13.17 mV) c. stabil és reprodukálható. d. Drága.

-

vas (+) és konstantán (-) a. 0 °C - 600 °C között használható, b. nagy érzékenység 5.5-5.8 mV/100 °C , c. közel lineáris, d. korrózióálló, e. az egyes elemek szórása viszonylag nagy f. olcsó.

-

krómnikkel (+) és nikkel (-) a. 0 °C - 1200 °C között használható, b. nagy érzékenység 4.05-4.15 mV/100 °C , c. közel lineáris, d. kevésbé stabil, mint a PtRh-Pt, de olcsóbb.

-

Réz (+) konstantán (-) 1. 0 °C - 500 °C között használható, 2. érzékenység 4.25-5.5 mV/100 °C , 3. nem lineáris, 4. nem korrozióálló.

Termoelemek alkalmazásának méréstechnikai problémái

A gyakorlatban számtalan hibalehetőség létezik, éspedig: • Hidegpont hőmérsékletének változása Oka: ƒ hővezetés a huzal mentén, ƒ környezet hőmérsékletváltozása. Megoldás: ƒ a termoelem melegpontját és a műszert egymástól távol helyezzük el, ƒ stabilizáljuk a hidegponti hőmérsékletet Alkalmazástechnikai probléma: hosszú vezeték platinából drága, más vezető bekapcsolása inhomogenitást visz a termoelem áramkörébe.

29

D B t

tk

t0

A C

21. ábra. Új vezetők(C;D) beiktatása az áramkörbe inhomogenitást okoz U = U AB (t ; t k ) + U CD (t k ; t 0 ) U CD (t k ; t 0 ) - járulékos termofeszültség probléma. Megoldás: olyan C és D vezetéket kell választani, amely a[tk;t0] intervallumban, ugyanakkora feszültséget ad, mint a termoelem. Az ilyen vezeték a KOMPENZÁLÓ VEZETÉK. A feltétel matematikai alapja U AB (t k ; t 0 ) = U CD (t k ; t 0 ), így az eredő termofeszültség U=UAB(t;tk) + UAB(tk;t0) azaz U=UAB(t;t0). Lehetőséges áramköri kapcsolások stabilizált hidegponti hőmérséklet alkalmazásával: a.) B

U = U AB (t ; t 0 )

t0

U

t 0 = áll.

A

22. ábra. Mérés pótvezeték nélkül ( a termoelem elektródái a „műszerig” érnek) b.) D B t

tk

rézvezeték

t0

U

U = UAB (t;tk) + Urr(tk; t0) tk = áll t0 = azonos

A C

23. ábra. Stabilizált hőmérsékletek rézből készült mérővezetékek alkalmazásánál

30

c.) D B t

U = U AB (t ; t 0 )

Kompenzáló vezeték t0

tk

t 0 = áll.

U

A

t k = azonoshőz .

C

24. ábra. Stabilizált hőmérsékletek kompenzáló mérővezetékek alkalmazásánál Bizonyos kompenzáló vezetékek szabványosítottak, a szabványos termoelemekhez kereskedelemben is beszerezhetők. Stabilizált hidegpont kialakításának egy – a gyakorlatban elterjedt – megoldása a következő ábrán látható. d.) azonos hőmérséklet

azonos hőmérséklet

réz B

1 tk

t A

t0 3

réz

4

tk

U

réz

2 A

B referencia termoelem tr = állandó

tr

25. ábra. Stabilizált hőmérsékletek referencia termolem alkalmazásánál Kirchoff II. törvénye szerint: U=UAB(t;tk)+UBréz(tk;t0)+ UrézB(tk;t0)+ UAB(tk;tr); Ha 1; 2; 3; 4 pontok azonos tk hőmérsékleten illetve a műszer végződései azonos t0 hőmérsékleten vannak, akkor a fenti összefüggésben UrézB(tk;t0)= - UrézB(tk;t0); Azaz mindkét termoelemet AZONOS TERMIKUS RÖVIDZÁRRAL csatlakoztattuk a műszerhez, így a tk hőmérsékletet nem kell stabilizálni. A fenti alapján U = UAB(t;tk) - UAB(tk;tr) = UAB(t;tr);

31

A termofeszültség csak a melegpont és a referencia pont hőmérséklettől függ. Termoelemek dinamikai tulajdonságait vizsgálva megállapíthatjuk, hogy időállandójuk tokozás nélkül néhány másodperc, tokozással tíz perc nagyságrendű is lehet. Alkalmazástechnikai példák

A gépgyártásban számtalan helyen kell villamos úton hőmérsékletet mérni és szabályozni. Melegüzemi technológiáknál kemencék hőmérsékletét kell mérni és szabályozni. Erre a célra a hőmérséklet tartomány és a pontosság ismeretében kell szenzort választani. Szabványos ellenállás hőmérők és termoelemek, kompenzáló vezetékek kaphatók mérő- és szabályozó (kétpont- és hárompont szabályozók) elektronikával együtt. Vannak esetek, amikor hidraulikában a használt olaj hőmérsékletét szűk tartományban kell tartani (mérni és szabályozni). A hőmérséklet ilyen rendszerekben 30-50°C között lehet. Erre kitűnően alkalmasak az ellenállás hőmérők. Vannak speciális alkalmazási példák, ilyen például a forgácsolási hőmérséklet mérése. Forgácsolási hőmérséklet mérése

Forgácsolás során a szerszám és munkadarab érintkezési zónájában kell hőmérsékletet mérni. Az irodalomból többféle módszer ismeretes: - természetes termoelemes módszer 1.) egykéses 2.) kétkéses; - miniatűr termoelem (termocoax) - infravörös kamera, - egyéb (kalorimetrikus, hőjelzőfesték). Egykéses módszer, kritikája és korszerűsítése: Az egykéses módszer lényege az, hogy a kés és a munkadarab érintkezési zónájában kialakuló hőmérséklet hatására fellépő villamos feszültség méréséhez a jelet a szerszám „száráról” és a munkadarab „végéről” vesszük le. Ezt a módszert Gottwein 1925-ben találta ki. A mérési elrendezés a 17. ábrán látható. szigetelés

melegpont

hidegpont szigetelés V

26. ábra. Az egykéses természetes termoelem pár esztergálásnál

32

Problémák: - termofeszültség elvezetése forgó munkadarabról vagy forgó szerszámról parazita termofeszültséget okoz, - hidegponti hőmérséklet stabilizálása nehézkes megoldású lehet, - egyéb (szigetelés, parazita termofeszültségek) - természetes termoelempár hitelesítése, Termofeszültség elvezetése szerszámról és munkadarabról: 1.

Álló szerszám vagy álló munkadarab esetén A jel elvezetés rézvezetékkel oldható meg, de a csatlakoztatási pontokat állandó illetve azonos hőmérsékleten kell tartani: réz

mdb.

szerszám

V

t1

t2

t

réz 1

2

t0=áll.

t1=azonos

27. ábra. Jelelvezetés rézvezeték alkalmazásával Az (1) számú csatlakozási hely állandó hőmérsékleten tartása problémát okozhat – járulékos termofeszültség. A jel elvezetéséhez speciális szerszámtartó szükséges. 2. Forgó munkadarab vagy szerszám esetén A jel elvezetés csúszó érintkezővel oldható meg általában, ilyen esetben. A hagyományos fém (ezüst) csúszókontaktusos érintkező termoelektromos inhomogenitást jelent – parazita termofeszültség. Megszüntethető vagy csökkenthető a parazita termofeszültség speciális forgó higanyérintkező alkalmazásával, ahol a jelelvezetés higanyfürdőbe merülő forgó és álló elektródával történik, itt a higany termikus rövidzárnak tekinthető a közbeeső vezetők törvénye alapján. Az érintkező általában a főorsó végén van elhelyezve. 3.) Hidegponti hőmérséklet stabilizálása A mérések pontossága, a mérendő hőmérséklet abszolút értéke 0.1 –0.2 °C hőmérsékletingadozást megenged a hidegponti hőmérsékletben, így az olvadó jég, Dewar edényben (termosz) alkalmas a hidegponti hőmérséklet stabilizálására. 4.) Mérőműszer, adatrögzítés

2 ⋅ 10 4 MΩ bemeneti ellenállású digitális egyenfeszültség-mérő, igen kis áramú ( 10 −10 − 10 −12 A ), nincs Joule hatás, nincs Peltier hatás. A voltmérő felbontóképessége (1-10 μV ) – (1-2 °C is érzékelhető, leolvasható). Mivel a hőmérséklet ingadozás a voltmérőn nem olvasható le, digitális adatrögzítés

33

alkalmazandó: off-line mérőrendszer mérőlyukasztóval – lyukszalag vagy on-line, adatrögzítés és számítógépes adatfeldolgozás. 5.) Hitelesítés: Mindenegyes munkadarab – szerszámanyag párosítást hitelesíteni kell, azaz meg kell állapítani az érzékenységet, illetve fel kell venni a statikus jelleggörbét, mely az U(mV)=U(t)[ °C ] függvény felvételét jelenti. A hitelesítéshez a természetes termoelem melegpontját fel kell melegíteni, mérni kell a termofeszültséget és a melegpont hőmérsékletét (referencia termoelemmel), így a hitelesítési diagram (statikus jelleggörbe) felvehető. [ °C ] 1000

(α − γ ) átalakulás AC 3

C 45 – DA 20 6 – 10 % hiszterézis

≈ 20

U [mV]

28. ábra. Hőmérséklet-feszültség hitelesítési diagram C45 jelű munkadarab- és DA 20 szerszámanyag esetén Problémák: -

a jelleggörbe erősen függ az anyag összetevőitől, hiszterézist mutat, függ az anyag hőkezelési állapotától, [ °C ] 650

C 60 – R 60 (edzetlen)

C 60 – R 60 (edzett) 15 – 20 % eltérés

≈4

U [mV]

29. ábra. Hőmérséklet-feszültség hitelesítési diagram C60 jelű munkadarab- és R6 jelű szerszámanyag esetén

34

Megállapítható, hogy - a termofeszültség függ a természetes termoelempár melegpontjában fellépő nyomáskülönbségtől (megmunkálás közben a munkadarab és a szerszám érintkezési zónájában akár (7.5 millió – 10 millió Pa = 7.5 – 10 MPa felületi nyomás is felléphet), tehát úgy kell hitelesíteni, hogy az elektródákat különböző nyomóerővel lehet összenyomni. A hitelesítési diagramok különböző összenyomó erők(nyomások) esetén a 21. ábrán láthatók.

30. ábra. Hitelesítési diagramok különböző felületi nyomások esetén A hőmérsékletmérés eredményeként felvett hőmérsékletegyenlet:

θ=

106.3 ⋅ v 0.458 − s 0.196 ⋅ a 0.023 ⋅ χ 0.170 [°C ] α 0.223 ⋅ γ 0.430

Érvényességi tartomány: v=86 – 334 m/min, s=0.1 – 0.5 mm/ford, a=1 – 5 mm, α = 1 − 10° , γ = +3° − +15° , χ = 30° − 90° .

35

2.4. PIEZOELEKTROMOS JELÁTALAKÍTÓK

A piezoelektromos jelátalakító blokkvázlata:

VILLAMOS

ERŐ

FESZÜLTSÉG

A piezoelektromosság (piezoelektromos hatás) felfedezése J. és R. Curie nevéhez fűződik (1880). A jelenség fizikai alapja: Piezoelektromos hatás: egyes szigetelő kristályokból megfelelően kivágott hasábok

meghatározott felületein erő hatására töltések jelennek meg. A legfontosabb piezoelektromos jelenséget mutató anyag a kvarckristály (hegyikristálynak is nevezik). A kvarckristály alakja hatoldalú szabályos hasáb, hatszögalapú gúlával:

31. ábra. A kvarckristály geometriája

36

Metszete:

Y

X

32. ábra. A kvarckristály z tengelyre merőleges metszete A tengelyek a kristály kitüntetett irányai: •

x tengely: villamos tengely (az erő hatására megjelenő töltések az x tengelyre

merőleges felületen jelennek meg; •

y tengely: mechanikai tengely (a kvarckristály az x-re merőleges felületre felvitt

töltések hatására az y tengely irányában méretváltozást szenved. Ez a jelenség az ún. elektrostrikció);

•

z tengely: optikai tengely.

A z irány mechanikai és villamos szempontból közömbös. Semleges tengelynek is nevezik. Piezoelektromos átalakítók céljaira megfelelő mérőtestet úgy kell a kristályból készíteni, hogy mindig legyen az x tengelyre merőleges felülete. Érdekességképpen megjegyezhető, hogy a szabályos hatszögű kristályrendszer miatt a kvarckristálynak három villamos és három mechanikai tengelye van. Ezek egymással 120ºos szöget zárnak be (33. ábra). Ha a kristályt az x tengely irányában Fx erővel megnyomjuk, a keletkező töltés (Q) nagysága: Q = k ⋅ Fx [Cb]

ahol: •

Cb ⎡ Cb ⎤ k ⎢ ⎥ → töltésérzékenység; k = 2,26 ⋅ 10−10 = állandó. N ⎣N⎦

A töltés csak az erőtől függ és független a geometriai méretektől. A kvarckristályt az y tengely irányában Fy erővel megnyomva a keletkező töltés (Q) nagysága:

37

Q = −k ⋅

Ax dy ⋅ Fy = −k ⋅ ⋅ Fy [Cb ] , ahol Ay dx

•

Ax és Ay az x és y tengelyre merőleges felületek;

•

dx a kristály hossza x tengely irányában;

•

dy a kristály hossza y tengely irányában.

A töltés a méretektől is függ és negatív előjelű. A fentiek konkrét formában csak a kvarckristályra érvényesek. A gyakorlatban elsősorban kvarckristályt használnak előnyös tulajdonságai miatt, de léteznek más anyagok is (pl.: Bariumtitanát, Seignette só, stb.).

120°

1 1

2 1 Y

Y 1

X

120°

Y 120°

2

X

3

X

33. 33. ábra. A villamos és mechanikai tengelyek elrendeződése Piezoelektromos erőmérőcella vázlata:

F

Flexibilis szigetelés

Kvarckristályok

34. ábra. Piezoelektromos erőmérő cella vázlata

38

Két kristályt tartalmaz, párhuzamosan kötve. Így kétszeres az érzékenység és egyszerűbbek a szigetelési problémák. Piezoelektromos átalakítók villamos tulajdonságai, helyettesítő képe, jellemzői: A kimeneti mennyiség feszültség lesz, mert a kristályon keletkező töltések feltöltik a kristályt, annak „kapacitását”. A feszültség nagysága: Uc =

Q [V ] Cc

ahol: •

Q az erőhatás által kiváltott töltés;

•

Cc a kristály kapacitása.

A kristály kapacitása: Cc = ε ⋅

Ax [F] dx

ahol: •

Ax az x tengelyre merőleges kristályfelület;

•

dx a kristály x tengely irányú hossza.

x irányú terhelés esetén a keletkező töltés és feszültség: Q = k ⋅ Fx [Cb ]

Uc =

az érzékenység:

Éx =

k F k ⋅ Fx = ⋅ dx ⋅ x [V ] A ε Ax ε⋅ x dx

dU c k dx k dx = ⋅ = ⋅ dFx ε A x ε dy ⋅ dz

ahol: •

dy a kristály y irányú mérete;

•

dz a kristály z irányú mérete.

y irányú terhelés esetén a keletkető töltés,és feszültség:

Q = −k ⋅

Ax ⋅ Fy [Cb] Ay

39

⎡V⎤ ⎢⎣ N ⎥⎦

Ax ⋅ Fy Ay Fy k [V] Uc = − = − ⋅ dx ⋅ Ax ε A y ε⋅ dx k⋅

Éy =

az érzékenység:

dU c k dx k 1 ⎡V⎤ =− ⋅ =− ⋅ dFy ε Ay ε dz ⎢⎣ N ⎥⎦

A kristályon fellépő feszültségek abszolút értéke mindkét esetben: Uc =

k ⋅ dx ⋅ σ [V ] ε

Azaz Uc annál nagyobb, minél nagyobb a kristály dx hossza. Villamos helyettesítő kép: A terhelés rákapcsolásának pillanatában a kristály egy feltöltött kondenzátor, melyet Rc [Ω ] ellenállás zár le.

Cc

-Q

+Q

Uc

Rc

35. ábra. A kristály villamos helyettesítő képe Ebből adódik, hogy a piezoelektromos átalakító állandósult erőhatás mérésére nem alkalmas folyamatosan, hiszen a feltöltött kondenzátor az Rc ellenálláson keresztül kisül, a feszültség megszűnik. Mennyi idő alatt sül ki a kondenzátor? Ez a kristály R c ⋅ Cc időállandójától függ. Mennyi az időállandó értéke? A következő összefüggésekből számítható:

40

Rc = ρ ⋅

dx [Ω] Ax

Cc = ε 0 ⋅ ε r

Ax [F] dx

R c ⋅ Cc = ρ ⋅ ε 0 ⋅ ε r [Ω ] Adatok: ρ = 1014 Ωcm = 1012 Ωm 1 ⎡ A ⋅s ⎤ ⎡ s ⎤ ⎡ A ⋅s ⎤ =⎢ ⋅ 10− 9 ⎢ ε 0 = 8,856 ⋅ 10−12 ⎢ vagy ⎥ ⎥ ⎥ 9⋅4⋅π ⎣V ⋅ m⎦ ⎣V ⋅ m⎦ ⎣Ω ⋅ m ⎦ ε r = 4,5

A ⋅s , így V⋅m

Tc ≈ 4,5 ⋅ 8,856 ⋅ 1012 ⋅ 10−12 ≈ 40 sec

Bár az időállandó viszonylag nagy, azonban nem elég nagy ahhoz, hogy állandósult, vagy igen lassan változó erőhatás mérhető legyen. Így a piezoelektromos átalakító változó erőhatások, gyorsulások mérésére alkalmas.

Az alsó határfrekvencia megállapítására felrajzolandó a mérőkör villamos helyettesítő képe:

Cc

Uc

Cs

Rc

ÁTALAKÍTÓ

Cm

Rm

MÉRŐMŰSZER

36. A mérőkör villamos helyettesítő képe Cs – a befoglaló szerelvény kapacitása [F] ; Cm – a mérőműszer kapacitása [F] ; Rm – a mérőműszer bemeneti ellenállása [Ω ].

41

A kristály Rc ellenállása ≈ 1010 - 1012 Ω igen nagy, a további számításokban elhanyagolható, így az Rm -re vonatkozó helyettesítő kép egyszerűsített vázlata a következő:

CB Rm

UT

37. ábra. Egyszerűsített helyettesítő kép A fentiek alapján: UT = Uc ⋅

Cc C = U c ⋅ c [V ] C c + Cs + C m CB

ahol: •

CB a belső kapacitás ( C B = Cc + Cs + C m ) [F] .

A helyettesítő kép alapján megadható a váltakozó mechanikai terhelés mérésére érvényes alsó határfrekvencia: fa =

1 1 [Hz] ⋅ 2 ⋅ π R m ⋅ CB

Az Rm-től és a CB-től függő alsó határfrekvencia a gyakorlatban 1-10 Hz között van. A piezoelektromos érzékelők alkalmazásának méréstechnikai problémái: 1. Hőmérséklet:

A

kvarc

viselkedése

a

hőmérsékletváltozás

szempontjából

igen

kedvező.

A

töltésérzékenysége igen kis mértékben függ a hőmérséklettől. A fajlagos ellenállás hőmérsékletfüggő, de a kvarc saját ellenállása a mérési eredményben nem játszik szerepet. A gyakorlatban ±200°C-ig a hőmérséklet hatása a kvarcnál elhanyagolható. Egyéb piezoelektromos anyagok hőmérséklet érzékenysége sokkal nagyobb, így érzékelők gyártására nem terjedt el. 2. A mérőműszer bemeneti ellenállása:

Az érzékelő, illetve a vele végezhető mérésnél az igénybevétel alsó határfrekvenciája az Rmtől függ. Így kívánatos az Rm értékét minél nagyobbra választani. 42

3. Árnyékolás

Az átalakító és a mérőkör nagy kapacitív impedanciái miatt gondoskodni kell a zavarok elhárításáról, ez az átalakító, az összekötő vezeték és a mérőműszer bemenetének együttes árnyékolásával oldható meg. 4. Energiaigény:

Mivel gyakorlatilag elmozdulás nélkül mérnek erőt, így viszonylag kis mechanikai energiával működtethetők. A nyomó igénybevételt jól bírják, így nagy erők mérésére is alkalmasak. Hajlító igénybevételre érzékenyek, könnyen törnek. Összefoglalva:

A piezoátalakítók előnyei: •

kis méret;

•

kis mechanikai energiaigény (nagy erőre kicsi deformáció);

•

nagy mérési tartomány (10-2-105 N);

hátrányai: •

nagy bemeneti ellenállású feszültségmérő szükséges;

•

hajlító igénybevételre érzékenyek;

•

drága (szenzor + töltéserősítő).

Példák alkalmazási területekre: Alapvető alkalmazási területe a változó, dinamikus mennyiségek mérése 1-10 Hz fölötti

frekvencia tartományban: lengés, rezgés erő, nyomaték. Széles tartományban használható. 1. Forgácsolási erők mérése

Forgácsolás közben a szerszámkopások, törések vagy szerszámgéprezgések mérésére, felügyeletére lehet piezoelektromos szenzort alkalmazni. Ezek a kereskedelemben beszerezhető szenzorok. Mindig a komplett mérőelektronikát kell megvenni (speciális mérőerősítő kell hozzá). Forgácsoló erők mérése esztergálásnál:

Az esztergagép késtartójára 3 dimenziós (X-Y-Z irányú erőkomponenst mérő) erőmérő szenzor van felszerelve. A főforgácsoló, az előtolásirányú és a fogásvétel irányú erőt képes mérni. Mérési tartomány mindhárom irányban 200.000 N.

43

38. Ábra. Forgácsolási erő mérése esztergálásnál: Forgácsolási erő mérése marásnál:

A marógép asztalára 3 komponenses piezoelektromos erőmérő szenzort fogunk fel. Erre erősíthető fel a munkadarab. A szenzor a marás során fellépő 3 erőkomponenst tudja mérni.

39. Ábra. Erőmérés marásnál 3D-s piezoelektromos erőmérő szenzorral

44

•

Rezgésmérés

Az erre a célra kialakított szenzorban az érzékelő házához piezokerámia lapkán keresztül van kötve egy benne levő kisebb fém tömeg. Ha a ház gyorsul, a tömeg gyorsításához szükséges erő mechanikai feszültséget kelt a kerámiában, amitől villamos töltés jelenik meg.

40. Ábra. Piezoelektromos, egy komponenses rezgésérzékelő Alkalmas töltéserősítőhöz csatlakozva a gyorsulással arányos villamos feszültség képzésére, de integráló erősítőt használva a rezgés sebességét és amplitudóját is mérni tudják. A szenzor főbb paraméterei: Mérési tartománya: ± 5000 g; Érzékenysége: - 4,95 pC/g; Üzemi hőmérséklettartománya: - 150 és 240 ºC között. Rezgésérzékelők (gyorsulásérzékelők) alkalmazása különböző eszközök dinamikus

jellemzőinek meghatározására: Pl.: szerelő robotok szerszámcserélőjének dinamikus vizsgálata, amely az alábbi képen látható dinamikus jellemzők meghatározására alkalmas mérőállomással végezhető el:

41. Ábra. Robotos szerszámcserélő sajátfrekvenciáinak mérése piezo rezgésszenzorral

45

A

mérőállomás

alacsony

frekvenciás

generátorból

(0,1-1100

Hz),

teljesítményerősítőből, elektrodinamikus rezgetőből és 2 db piezoelektromos rezgésmérő szenzorból, valamint a hozzá tartozó töltés és integráló erősítőből áll. A készülékkel a dinamikus jellemzők közül a saját frekvenciák mérésére történtek mérések. A vizsgálat során a szinuszos feszültségjelet adó generátor frekvenciáját növelve elérünk egy saját frekvencia közelébe, ahol a rendszer gyakorlatilag csillapítás nélkül (elvileg végtelen) helyileg maximális amplitudójú rezgőmozgást végez. Ehhez a maximális rezgés amplitudóhoz tartozó pontos frekvencia értéket a rendszerhez csatolt digitális frekvenciamérővel lehet mérni. A felharmonikusok is ily módon mérhetők. A mérési eredményeket a következő táblázat mutatja: 1. Táblázat. Sajátfrekvenciák Mérési irány

Saját frekvencia f1 (Hz)

Saját frekvencia f2 (Hz)

Saját frekvencia f3 (Hz)

X

189

725

1043

Y

131

242

908

46

2.5. INKREMENTÁLIS MÉRÉSTECHNIKA

A méréstechnika fejlődése, a numerikus vezérlésű szerszámgépek alkalmazásának előtérbe kerülése, a robotok alkalmazása, a gyártás-automatizálás, magasabb fokon a rugalmas gyártási rendszerek igénylik a nagy felbontású érzékelőket. Kis méreteik és nagy felbontásuk miatt előnyösen alkalmazzák az optoelektronikus megoldásokat. Ha a mérőrendszer egy tengely körül fordul el, akkor forgó jeladókról, ha pedig egyenes vonal mentén mozog, akkor lineáris jeladókról beszélhetünk. Az inkrementális rendszer egyik fontos előnye, hogy nagy felbontásokat lehet elérni. A szilícium fényérzékelők és a GaAs fényforrások alkalmazásának eredményeképpen nagyon jó a megbízhatóságuk. Az inkrementális elv inkrementumok (növekmények), más szóval mérőlépések irányhelyes megszámlálását jelenti. A kapott periódusok száma arányos az elmozdulással vagy elfordulással. Moire-effektus: Ha két párhuzamos vonalakból álló rácsot egymás mögé helyezve néhány fokkal elfordítunk un. Moire csíkokat látunk, ha legalább az egyik léc átlátszó. Ha az egyik rácsot a 42. Ábrán látható vázlat szerint „vízszintesen” elmozdítjuk a csíkok felfelé vagy lefelé mozdulnak el. A két rácsot felhasználva hosszmérő (lineáris inkrementális mérőelem) vagy szögmérő (inkrementális szögadó) elemet lehet kialakítani.

42.ábra. Moire csíkok vázlata Működési elv: Az érzékelő lemezt és a hozzá képest elmozduló kódhordozót (kódtárcsa vagy kódléc) infravörös fényforrások világítják át. A fényt fotótranzisztorok érzékelik. Az elmozdulás vagy elfordulás következtében a fotótranzisztorok periodikus, közel szinuszos fényerősségváltozásokat észlelnek. A fényforrások és fényérzékelők megfelelő elrendezése és az érzékelő lemez megfelelő kiképezése következtében, a Moire-effektus hatására az egyes fényérzékelők egymáshoz képest 90°-kal eltolt, közel szinuszos villamos jelek keletkezhetnek. Ezekből megfelelő erősítéssel, komparálással és jelformálással olyan négyszögimpulzus-jelsorozatok állítható elő, melyek egymáshoz képest 90°-kal el vannak tolva. A két egymáshoz képest 90°kal eltolt jelsor erre alkalmas logikai kapcsolással egyben az elmozdulás irányának meghatározását is lehetővé teszi. Az inkrementális rendszerből következik, hogy

47

bekapcsoláskor a korábban maghatározott és tárolt vonatkoztatási pontot ismét vissza kell nyerni. Erre a célra szolgál az ún. referenciaimpulzus. Az inkrementális mérőelemek elvi vázlata: -

lineáris jeladó elvi működése A jeladó felépítése a 43. ábrán látható. A fénysugarakat a kondenzor lencse párhuzamosítja, így esnek rá a mérőrácsra, mely átlátszó (üvegből-plexi üvegből készül, ugyanúgy, mint a letapogató rács). Ez az un. Áteső fényes módszer. A ráeső fény a Moire effektus(sötét-világos mezők miatt) miatt vagy megvilágítja teljesen a fotodióda sort vagy nem vagy, csak részlegesen. Ezért a fotodiódán folyó áram időben közel szinuszos lefutást mutat.

Miniaturlampe-fényforrás; Maßstab-mérőléc; Kondensor-kondensor lencse; Maßstab Referenzmarke-referencia jel; Abtastplatte-letapogató lap; Photoelemente-fototranzisztor

43.ábra. Lineáris inkrementális útmérő működési vázlata - forgó jeladó elvi működése

44. ábra. Forgó inkrementális mérőelem vázlata 48

Gitter-mérőrács;

A forgó jeladók esetén a mérő és letapogató rácsot körgyűrűre vagy körgyűrű cikkre viszik fel, az egyik forgása miatt a Moire csíkok vándorolnak lefelé vagy felfelé. A működés, hasonló, mint a lineáris inkrementális útadónál. A közel szinuszos lefolyású jelet négyszögesítik, a felfutó és lefutó éleket számlálják, frekvencia aláosztást is alkalmazva, előre-hátra számlálóra vezetve, igen nagy felbontóképességű hossz- és szögmérő elemhez jutunk. A felbontó képesség elmozdulás esetén akár 0,1 μm, szögelfordulás esetén 0,1’’ (szögmásodperc)is lehet.

45.ábra. Forgó inkrementális szögadó felépítése - Reflexiós (visszavert fénnyel működő) inkrementális mérőelem

A gyakorlatban szerkezeti és egyéb okokból készíthetnek ún. Reflexiós eljárással dolgozó inkrementális mérőelemet. Itt a mérőléc acélból, a letapogató rács plexiből készül (46. Ábra). Ennél a megoldásnál a fényforrás és a „letapogató” elektronika is azonos oldalon helyezkedik el.

Abbildungsoptik-leképző optika; Photoelemente-fototranzisztorok; Beleuchtungsoptik-megvilágítás optikája; Abtastplatte (Glas)-letapintó lap (üveg); Impulsmaßstab (Stahl)-impulzus mérőléc (acél)

46.ábra. Ráeső fényes (reflexiós) mérőelrendezés vázlata 49

Inkrementális mérőrendszerek alkalmazási módja: a., Közvetlen útmérés: közvetlen útmérés esetén a gépszán helyzetét, ill. helyzetének változását mechanikai áttétel nélkül állapítjuk meg. Jellemzői:

- mechanikai hiba nem teszi pontatlanná a mérést (orsóemelkedési hiba, orsójáték) - pontosabb mérést eredményez, mint a közvetett útmérés

Inkrementális hosszmérésre, elmozdulás mérésre alkalmas eszközök 0-3000mm-ig képesek mérni: 0,1-0,5-1-5 –10….μm-es felbontóképességgel. Ilyen mérőelemekkel rendelkeznek a korszerű NC- és CNC vezérlésű szerszámgépek, többkoordinátás mérőgépek, ipari robotok(főleg koordináta és portál robotok), stb. Ilyen elemeket alkalmazhatunk mérőórák helyett a hagyományos egykoordinátás mérőeszközeinkben, mérőmikroszkópjainkban, stb. A következőkben bemutatunk néhány mérőelemet.

47.ábra. Inkrementális útmérőlécek

48. ábra. Lineáris inkrementális mérőelemek

50

b., Közvetett útmérés: közvetett útmérés esetén nem közvetlen a mérendő mennyiséget mérjük, hanem egy átalakított mennyiséget (mechanikai áttétel) Példa: egy gépszán lineáris elmozdulását meghatározhatjuk úgy is, hogy a mozgató golyósorsó tengelyére szerelt forgó jeladó számlálja a fordulatokat, és a menetemelkedés függvényében ismerjük az elmozdulást. Digitális szerszámmikroszkóp útmérő rendszere is egy forgó inkrementális jeladóból és precíziós menetes orsóból áll. Elmozdulásokat mér. Jellemzői: - pontatlanabb, mint a közvetlen útmérés - szennyeződésekre kevésbé érzékeny - olcsóbb, mint a közvetlen útmérés

49.ábra. Forgó inkrementális jeladók Az inkrementális méréstechnika jellemzői: -

nagy felbontóképesség (0,1 - 1 μm) nagy mérési tartomány (0 – 3000 mm) kis mérési bizonytalanság nagy adatfeldolgozási sebesség kis geometriai méret számítógépes környezetbe könnyen illeszthető

A mérőelemek műszaki jellemzői: A mérőléc üvegből vagy acélból készül. Üvegnél az osztásvonalakat karcolással, felgőzöléssel vagy fototechnikai úton viszik fel. A már említett 3000 mm-es maximális mérési hossz acél mérőléccel érhető el. A mérőléc osztásainak távolsága általában 10 – 40 μm között van, ettől függ a műszer felbontóképessége 10 μm-es osztásközzel 0,1-0,5 μm felbontóképesség érhető el. A geometriai méréstechnikában hosszmérésre használt lineáris inkrementális mérőelemek 1100 mm méréstartományúak, felbontóképességük 0,5-1 μm. (Preciziós többkoordinátás mérőgépen 0,1 μm is lehet) Legtöbbjük PC kompatibilis mérőelektronikával rendelkezik, így a mérési adatfeldolgozás gyorsan és komfortosan végezhető el. 51

Alkalmazási példák inkrementális méréstechnikára: 1. CARL ZEISS digitális szerszámmikroszkóp A forgó inkrementális jeladókat szintén használják hosszmérésre, amennyiben precíziós menetes orsó elfordulását mérik és a szögelfordulást a menetemelkedéssel összevetve meghatározható a menetes orsó által mozgatott „mérőszán” elmozdulása.

50.ábra. Digitális szerszámmikroszkóp A mérőmikroszkóp méréstartománya X és Y irányban: Felbontás X és Y irányban:

25 mm 0,5 μm

A mikroszkóp csak mérőrendszerében tér el a hagyományos szerszámmikroszkóptól. Szögmérésre hagyományos, 1’ felbontó képességű analóg szögmérőt használ. Körasztallal is rendelkezik, az elfordulás 1’-es felbontóképességgel történhet,elyet ugyancsak analóg mérőrendszer mér. 2. Lineáris inkrementális útmérő A hagyományos mérőóra helyére illeszthető mérőelem, amely a mérőórák általában 0,01-0,001 mm-es pontossága helyett 1μm-es felbontó képességgel rendelkezik. A precíziós geometriai mérésekhez fejlesztett mérőeszköz rendelkezik egy tapintómozgató egységgel, így a mérőszemélyzet nem érintkezik közvetlenül a mérendő munkadarabbal, így a tapintó és a munkadarab hőmérséklete állandó értéken tartható. Mérési tartomány: 30mm Felbontás: 1μm A mérőeszköz abszolút és relatív (eltérés) mérésre is alkalmas. Bárhol nullázjató, maximum és minimum tárolási üzemmódja is van.

52

51.ábra. Lineáris inkrementális mérőtapintó, mérés közben (mérőorsó emelése bowden-nel, manuálisan történhet) 3. Hagyományos szerszám marógépen utólagosan elhelyezett lineáris útmérő rendszer A hagyományos függőleges főorsójú marógép eredeti nóniuszos skáláján a legkisebb állítható érték 0,05 mm volt. Utólagosan elhelyeztek a gépen két tengely (X –Y) mentén inkrementális lineáris útmérőket. Így a gép felbontása, a méretre állás pontossága 10-ed részére, 5 μm –re csökkent. A marógép mérési tartománya: Felbontás:

1100 illetve 370 mm 5 μm

A pótlólag felszerelt 2 mérőrendszerrel a szerszámmarás pontosságát lehet növelni (a pontosabb méretre állással) és a szubjektív hibák (digitális kijelzés miatt) lehetősége is csökkent.

53

52. ábra. Szerszámmarógép pótlólag felszerelt 2 lineáris inkrementális léccel és kijelző display-vel

FELHASZNÁLT IRODALOM (1. és 2. Fejezetekhez) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

V.V.Kondasevszkij; W. Lotze: Forgácsoló szerszámgépek mérő-vezérlő műszerei. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1978. Dr. Boross Andor: Villamos mérések a gépészetben. Műszaki Könyvkiadó1978. Helm László: Ipari folyamatok műszerezése. Műszaki Könyvkiadó1966. Dr. Schnell László: Jelek és rendszerek méréstechnikája. Műszaki Könyvkiadó 1985. H.F. Grave: Elektrische Messung nichtelektrischer Grössen. Akademischer Verlaggesellschaft, Leipzig 1962. Dr. Szilágyi László: Gépipari hosszmérések. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1982. Dr. Kaposvári Zoltán: Ipari mérések. Tankönykiadó, Budapest, 1977. Dr.Dietrich Hofmann: Az ipari méréstechnika. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1982 54

10. Hargittay Emil: A hőmérséklet mérése. Műszaki kiadó, 1980, Budapest 9. Nagy Dénes: Hőmérsékletmérés. Műszaki kiadó, 1969, Budapest 12. Hans Walcher: Winkel- und Wegmessung im Maschinenbau VDI Verlag, Düsseldorf 1985

55

3. MÉRÉSAUTOMATIZÁLÁS A GÉPGYÁRTÁSBAN BEVEZETÉS Napjainkban az automatizálás élet minden területén tért hódít. Az ipari, így a gyártási folyamatok zöme is részben vagy teljesen automatizált. Az automatizálás célja a részben gyártás megbízhatóságának és a termék minőségének növelése, továbbá a termék árának csökkentése. A folyamat, a gyártás felügyeletszegény vagy emberi felügyelet nélküli, azaz a kezelőszemélyzet csak korlátozott mértékben vagy egyáltalán nincs jelen a közvetlen folyamatban. A gyártásautomatizálás során a közvetlen gyártási folyamatban részben vagy teljes mértékben az embert helyettesíteni kell. Csak a gyártástervezésben, a gyártás előkészítésben, a hibaelhárításban és a karbantartásban van jelen az ember. Szinte valamennyi gyártási műveletet automatikusan kell végrehajtani. Az automatizáltsági szint szempontjából a rendszereket osztályozhatjuk, mint felügyeletszegény (hibrid rendszer, az ember részben jelen van, bizonyos műveleteket manuálisan végzünk) vagy felügyelet nélküli (ember nélküli) rendszerek. Az automatizáltsági szint azt jelzi, hogy az összes művelet hány százalékát végzik emberi közreműködés nélkül. Annak eldöntése, hogy melyik műveletet kell, célszerű és indokolt automatikusan végezni komoly elemző munkát igényel. Ez természetesen a gyártás tömegszerűségűtől is függ: egyedi, kis- és középsorozat gyártást, valamint nagysorozatgyártást különböztettünk meg. Az egyedi gyártásban értelemszerűen nem kell, ésszerűtlen automatizálni. A fentiek a különböző mérési feladatokra is vonatkoznak. Kétféle alapfeladatot különböztetünk meg a mérésautomatizálásban: : 1. Munkadarabok mérésének automatizálása 2. Az automatizált gyártás egyéb méréstechnikai feladatai: • Folyamatmérés, folyamat felügyelet (monitoring) automatizálása • Az automatizált gyártás eszközeinek méréstechnikai tesztelése, felülvizsgálata.

3.1.

A MUNKADARABOK MÉRÉSÉNEK AUTOMATIZÁLÁSA

A gyártás tömegszerűségétől függően két fontos területtel kell foglalkoznunk (53. ábra): • munkadarabok mérése a kis- és középsorozat gyártásban és • munkadarabok mérése a tömeggyártásban. Az egyedi gyártásban valamennyi műveletnél, így a mérésnél is közreműködik az ember, a gépkezelő. A mérést is ő végzi kézi működtetésű mérőeszközökkel. Az egyedi gyártásban készült darabok mérése nem része ezen anyagnak. A gyártott darabszámtól függően vagy minden darabot megmérünk vagy csak mintavétellel bizonyos darabokat. A mérés gyakorisága bizonyos események (selejt, ütközések, károsodás, szerszámcsere, stb.) bekövetkezésével változhat. A gyártás tömegszerűségének növekedésével csökken a gyártás rugalmassága, ugyanez igaz a munkadarabmérésre is. A rugalmasság a más gyártmány megmunkálására, mérésére való gyors átállás képességét jelzi. A rugalmasság a költségek csökkentése érdekében is rendkívül fontos, hiszen ha ugyanazon szerszámgép többféle munkadarabot képes megmunkálni vagy 56

ugyanazon mérőberendezés többféle darab mérésére is alkalmas, akkor a bekerülési költségeik többfelé oszthatók. Komoly elemzést igényel az, hogy megállapítsuk hányféle munkadarab megmunkálására és mérésére lehetséges még az adott gépet, eszközt használni.

53. ábra. A gyártás tömegszerűsége és a mérésautomatizálásra használt eszközök, módszerek kapcsolata A tömeggyártásban a gyártás automaták segítségével történik. A mérendő méretek tűrésétől függően általában csak bizonyos, előre meghatározott sorszámú darabokat mérünk meg. Legyen bár a tömeggyártás teljesen automatikus, a munkadarabok mérése (minősítése) történhet manuálisan, idomszerrel illetve cél mérőberendezéssel kézi vagy gépi kiszolgálással. Ezt a műveletet részben a gépkiszolgáló végzi, segíti mialatt a gép dolgozik, a következő munkadarabot munkálja meg. (Az idomszeres mérés elvi alapjait és a főbb idomszerek működési elvét a Melléklet tartalmazza). Az idomszeres és a cél mérőeszközökkel végzett mérés művelet utáni, Post-Process mérés, miközben mérünk, a gép már a következő munkadarabot munkálja meg (pl. eszterga automaták). Cél mérőberendezések csak egyfajta munkadarab mérésére alkalmasak. Míg a rugalmas mérőberendezések már vagy manuálisan, vagy automatikusan átállíthatók más, azonos „családba” tartozó(tengely jellegű vagy tárcsa jellegű, stb.) munkadarabok mérésére is.

57

A kis- és középsorozat gyártásban találkozhatunk igazi automatizált munkadarabméréssel. Napjainkban az ilyen gyártás során a munkadarabok, a gyártmányok NC, CNC szerszámgépeken, robottal kiszolgált gyártó, szerelő cellákban, gyártórendszerekben készülnek. Ezekben a részben vagy teljesen automatizált rendszerekben a munkadarabok mérése, a szerelt egységek végellenőrzése (funkcionális tesztelése) zömmel automatikusan történik.

A munkadarabmérést vagy a szerszámgépen a gyártási folyamat közben vagy annak szünetében végzik, de lehet a művelet előtt vagy utána a szerszámgép közvetlen környezetében is mérni (54. ábra). A gépen, a gép környezetében egyszerűbb méréseket végeznek általában. Bonyolultabb darabok mérése többkoordinátás mérőgépen, speciális mérőállomáson történik.

54. ábra. Méretszabályozás elve, fokozatai. A munkadarabmérés és visszacsatolás lehetséges esetei időben és térben A mérés időpontja szerint osztályozhatjuk a mérést: • a gyártási művelet előtti (prea-process mérés) • a gyártási műveletek közbeni (in-process mérés) • a gyártási művelet utáni(post-process mérés) mérésről beszélhetünk. A mérést követő esetleges visszacsatolás a mérésautomatizálásban zömmel automatikusan történik, de ritkán fennáll a kézi vezérlés esete is. A visszacsatolás során az előírt és a tényleges méret különbsége alapján a szabályozó beavatkozhat a folyamatba, ha selejtet mérünk vagy megelőzésként, ha a selejt határ közelébe kerül a méret, de még „jó” minősítésű a darab. Ennek egyik legkézenfekvőbb oka szerszámkopás lehet. In-process mérést csak megmunkálási műveletek közben vagy ezek szünetében, a gépen végezhetjük.

58

Prea- és a Post-process munkadarab mérési módszer esetén mérhetünk a gépen, a gép közelében erre a célra kialakított mérőhelyen vagy mérőszobában is.

A munkadarabok mérésének automatizálása során a következő főbb mozgásokat, műveleteket kell automatizálni: • a mérőeszköz, a mérőállomás munkadarabbal való ellátását, kiszolgálását, • a mérőeszközök cseréjét, mérőmozgásokat, • a mérési adatfelvételt, • a mérési adatok kiértékelését, • az esetleges visszacsatolást a vezérlésbe. • A mérőhelyek munkadarabbal való automatikus ellátása történhet manipulátorral vagy ipari robottal. Bár számtalan olyan egy- vagy több mérőhelyes mérőkészülék van, mely automatikusan mér (azonos időben több méretet is), de munkadarabbal való ellátását manuálisan végzik. (Hibrid rendszer). Képzeljünk el tengelyek átmérőinek mérésére alkalmas, induktív hosszmérő elemekkel ellátott mérőkészüléket, mely azonos időben több különböző átmérőt képes letapintani. A tengelyt két csúcs közé lehet befogni, mérés közben forgatni is lehet, így az átmérők mellé még köralak eltérést is képes mérni. A mérőelem felbontóképessége 1 μm, méréstartomány 1 mm. A mérőelemek egy előre beállított mérethez képest eltérést mérnek a munkadarab vízszintes átmérő síkjában, sugárirányban. A mérőkészülék darabbak való ellátását, a darabok forgatását kézzel végezzük. Az adatfelvételre kézi villamos impulzust adunk, az adatfelvétel, az adatfeldolgozás és a mérési jegyzőkönyv automatikusan készül. • a mérési adatfelvételre és a mérési adatok kiértékelésére kereskedelemben kapható érzékelők (szenzorok) és mérőinterfészek állnak rendelkezésre. A hossz- és szögméretek mérésére induktív útmérő, illetve inkrementális elmozdulás-mérők és szögadók szolgálnak. Hosszmérésben 1 μm, míg szögmérésben 1”-5” maximális felbontóképességű elemek kaphatók. • Számunkra és a felhasználó számára a mérőkészülék építése és a mérőmozgások automatizálása a legfontosabb feladat. A mérőkészülék építésének elvi alapjaival a Gyártóeszközök tárgy, Készülékszerkesztés fejezetei foglalkoznak, éspedig: • a helyzet meghatározás (pozicionálás), • a szorítás, rögzítés és • a készüléktájolás kérdéseivel. A mérőmozgások automatizálása és vezérlése több féleképpen történhet: • NC; CNC vezérlésű szerszámgép vezérlése segítségével (In-process, gépen végzett mérésnél), • pneumatikus, követő vezérléssel, úton, PLC vezérléssel, proximity szenzorok • elektropneumatikus (közelítésérzékelők) alkalmazásával, • villamos hajtással (léptetőmotorral, DC motorral) PLC; CNC vezérléssel, proximity szenzorok alkalmazásával, • egyéb úton (pl. mérőrobottal, CNC koordináta mérőgépen, robottal segített munkadarabmérés).

59

3.1.1. A kis- és középsorozat gyártásban a szerszámgépen végzett, inprocess munkadarabmérés Az ilyen jellegű gyártásban általában NC, CNC szerszámgépeket használnak. A mérőelemet jellemzően a gép szerszámtartójában helyezik el. A mérés során a mérőmozgást végezheti a mérőelem, de végezheti a munkadarab is. A 55. ábra egy egyszerű, kevésbé pontos megoldást mutat, mely már 2-3 évtizede ismert. A munkadarabhoz megmunkálás után egy, a szánszerkezetre szerelt dörzskerekes tapintót nyomnak. A forgó darab a súrlódás közvetítésével a tapintókereket is megforgatja. Azonos időben mérjük a főorsó és a tapintókerék fordulatszámát. A két fordulatszám fordítottan arányos az átmérőkkel. A tapintó dörzskerék átmérője ismert, így a munkadarab átmérője meghatározható. Az irodalom szerint csak IT 9-IT 10 tűrésű átmérők mérésére alkalmas. Külső és belső átmérők egyaránt mérhetők vele. Ha lépcsős munkadarabon több átmérőt kell mérni a mérőelemet hátrahúzott helyzetben a munkadarab tengelyével párhuzamosan „utaztatni” kell, az előtoló mozgást a tapintó szánja végzi addig, míg a következő, mérendő felületet eléri. Mérési hibaként jelentkezik a dörzskerék csúszása és deformációja miatti hiba.

55. ábra. In-process dörzskerekes átmérő mérés NC esztergán Tengelyszerű darabok külső átmérőinek mérésére fejlesztették a 56. ábrán látható megoldást. A mérőelem kör-három pont mérést valósít meg (a letapintó prizma szimmetria síkjába elhelyezett egy dimenziós kapcsoló típusú tapintóval). A mérés során a prizma 2 ponton (élen), a tapintó pedig egy ponton érintkezik a munkadarabbal (kör három pont mérés elve). A mérés kezdetén a szán a mérőelemmel megközelíti, és a prizma érinti az álló munkadarabot. Ekkor a baloldali mikrokapcsoló kapcsol, kiolvassa a mérőelem aktuális értékét. A szán továbbhalad és eközben a tapintó csúcs is eléri a darab palást felületét. Ekkor a baloldali mikrokapcsoló is kapcsol. Kiolvassa a mérőelem itteni aktuális értékét és megáll, majd hátra jár. A két leolvasott érték különbségéből és a prizma nyílásszögéből az átmérő

60

egyszerű számítással meghatározható. Ha mérés után a darabot a vezérlés elfordítja, akkor újabb helyen mérhető meg ugyanaz az átmérő. A mozgatást DC motorok végzik. A hosszán elmozgatásával más nagyságú átmérő is mérhető. A forgástengellyel párhuzamos mozgás során a mérőelem a következő, mérendő lépcsőig mozdul el. A mérhető átmérőtartomány a prizma nyílásszögétől és a mérőelem löketétől is függ.

56. ábra. In-process mérés egy-dimenziós tapintóval Léteznek korszerűbb módszerek is. Munkadarabmérésre napjainkban in-process üzemmódban főleg háromdimenziós (3D-s) kapcsoló típusú, gömbős vagy hasábvégződésű tapintókat alkalmaznak. Az ilyen tapintó elektromechanikus kapcsoló, melynek tapintó felülete (57. ábra) a munkadarab megfelelő felületével érintkezve kapcsoló impulzust ad és ez kiolvassa a szerszámgép útmérő rendszerének (zömmel inkrementális mérőelemek, felbontóképességük: 1-5 μm) aktuális értékeit. Ezekből az értékekből számítja ki a hozzácsatolt számítógép a megfelelő méretet (átmérőt, tengelyhosszt, stb.). Alapvetően forgásszimmetrikus (esztergált darabok, furatok) és szekrényes (marással készült) darabok mérésére használatosak. Az 57. ábra tengely és tárcsa jellegű darabok külső és belső átmérőinek mérésére alkalmas két módszert mutat be. Az „egy pont” mérési módszer (felső ábra) esetén, a szerszámgépen a forgástengellyel párhuzamos referencia felületet kell kialakítani. A referencia felület sugárirányú távolsága a forgástengelytől ismert (kalibrálással etalont használva megállapítható). Mérés során először ezt a referencia felületet tapintjuk le, ekkor lenullázhatjuk a mérőrendszert és utána a munkadarabot letapintva, sugárkülönbséget mérünk. Ebből és a referencia felület sugárirányú távolságából, továbbá a tapintó gömb átmérőjéből a munkadarab sugara és az átmérő meghatározható. Mérés közben a munkadarab áll, nem forog. A mérőmozgást a revolverszán végzi, mely a tapintót hordozza. A mérőtapintó a szerszámtartóban (revolverfej) helyezkedik el, méréskor munkapozícióba fordul. Ha a munkadarabot mérés után automatikusan elfordul, és a mérést megismétljük, másik átmérő értéket mérhetünk, kaphatunk. Ebből átlagot számíthatunk, illetve a darab köralak hibájára (körkeresztmetszetű-e, elliptikus-e, poligon profilú-e a tengely?) következtethetünk. Evvel a módszerrel egy második referencia felület kialakításával (mely a forgástengelyre merőleges) tengelyirányú hosszméret (lépcsők hossza) is mérhető. 61

A „két pont” módszer esetén nincs referencia felület. A mérőtapintó az előzőekben közölt módon két egymással szemben lévő átmérő pontban letapintja a felületet. A letapintás pillanatában kiolvasott koordináta értékekből az átmérő azonnal, különbségképzéssel megállapítható. Evvel a módszerrel tengelyirányú hosszméret és természetesen külső átmérő is mérhető (57. ábra alul és 58. ábra)

57. ábra. „Egy-pont”(fent) és „két pont” mérési módszerek alkalmazása forgásszimmetrikus darabok átmérőinek mérésére

62

58. ábra. „Két pont” mérés 3D-s kapcsoló típusú tapintóval Egyéb in-process mérési módszer prizmatikus, szekrényes munkadarabok (hajtómű ház, stb.) mérése a megmunkáló központon kapcsoló típusú tapintóval. A 3 D-s tapintót a szerszámtárban helyezik el, a megmunkálási művelet után a szerszámcserélő beváltja azt a főorsóba (58. ábra). A mérés során a programozott mérőmozgást részben a munkadarab végzi, Z irányban végezheti a mérőtapintó is. A mérés során külső és belső átmérőt, tengelytávolságot (másik furattól, síktól), két síklap távolságát, stb. lehet mérni. A mérés során a koordináta méréstechnika módszereit használjuk. Ez azt jelenti, hogy felületeket pontok halmazával (képezzünk) tapintjuk le, majd az analitikus geometria módszereit használva határozzuk meg a méreteket, alakhibákat, helyzethibákat. (Például furatmérés esetén a furatban egy vagy több forgástengelyre merőleges síkmetszetben legalább 3 vagy több pontot tapintunk le. A számítógép generálja a legjobban ráfekvő kört, megadja annak átmérőjét és az attól való legnagyobb pozitív és negatív eltérést. Az ilyen mérés sokkal több információt ad, mintha tolómérővel mérnénk átmérőt. Ha több körmetszetben végezzük el ismételten a furat letapintását, akkor információt kapunk arról, hogy a furat egyenes alkotójú, esetleg hordós, stb.). Megmunkáló központon a mérés „főidőben” történik, ameddig mérünk, addig a gép nem tud megmunkálni. A mérés pontosságát a gép mérőelemeinek felbontóképessége, a munkadarabgép-szerszám-készülék rendszer termikus deformációja erősen befolyásolja. Ha a mérés gépen kívül mérőállomáson, több koordinátás mérőgépen, mérőrobottal végezzük, akkor visszacsatolni az adatokat már csak a következő munkadarabra tudjuk. Emellett hátrányként jelentkezik a külön mérőberendezés költsége is. Előny lehet a nagyobb felbontóképesség, a nagyobb pontosság és a gépi idő megtakarítás is. Az alkalmazni kívánt módszer kiválasztása gondos elemzést igényel (tűrések, költségek, ciklus idő, stb.).

63

59. ábra. Szekrényes munkadarab mérése megmunkáló központon 3D-s kapcsoló típusú tapintóval

3.1.2. Megmunkáló gépen kívüli Prea- és Post-process mérés a kis- és a középsorozat gyártásban Az 60. ábrát elemezve látható, hogy az ott taglalt 5 lehetséges mérési módból 4 gépen kívül alkalmazott módszer. Ezen módszerek közül a rugalmas cél mérőberendezések, a koordináta mérőgépek és a rugalmas mérőberendezések (mérőállomások, mérőcellák, mérőrobotok, stb.) tartoznak ehhez a nagy fejezethez.

60. ábra. Rugalmas cél mérőberendezés tengelyjellegű darabok mérésére A mérést a megmunkálási művelet előtt (prea-process) vagy a megmunkálás után (postprocess) lehet lebonyolítani. Gyakorlatban azonban zömmel a megmunkálás után mérünk.

64

A 60. ábrán egy rugalmas cél mérőberendezés látható, mely egy tengely család, azonos felépítésű, de különböző tengelyeinek átmérőjét és lépcsőinek hosszát képes mérni. Korlátozottan rugalmas a berendezés. A mérőberendezés kiszolgálható manuálisan vagy robottal. A behelyezett tengelyt két csúcsfészkén központosítja a két, vízszintesen elhelyezett léghenger (bal oldali ábra). Ezután a mérőkengyelt, mely induktív hosszmérő elemeket hordoz, a függőlegesen elhelyezett harmadik léghenger a darab felé fordítja, billenti (bal oldali ábra). A mérőkengyel ütközőig fordulva megáll a vízszintes ármérő síkban. A bemutatott ábrán 4 mérőelem pár van elhelyezve a mérőkengyelen, ezáltal azonos időben 4 féle átmérő mérhető. A mérőelemeket etalon darabra nullázzuk és az ehhez képesti eltérést mérjük. Ebből és az etalon méretéből határozható meg az ármérő. Hosszméretmérésre tengelyirányban vezérelten mozgatható induktív szögtapintó, mint hosszmérő elem szolgál. Mozgatása léptető motorral történik. Amikor a mérőelem az etalon bemérésénél szükséges lépéseket (inkrementumokat) megtette, a mérőelem az attól való pozitív vagy negatív eltérést méri. A kijelző készülék a kalibrálást segíti, míg a jelzőlámpa a selejtet jelezheti. Saját PLC vezérlése van. Más tengelyméretre álláskor az induktív útmérőket manuálisan át kell állítani (hibrid rendszer-csak részben automatizált). A 61. ábrán egy másik rugalmas cél mérőberendezés vázlata látható, mely tárcsa- és tengelyjellegű darabok külső átmérőinek mérésére alkalmas. Két lineáris inkrementális mérőeleme van.

61. ábra. Rugalmas mérőkészülék tengelyek és tárcsák külső átmérőinek mérésére A mérőkészülék kiszolgálható robottal vagy manuálisan. A központosításra egy pneumatikus tokmány szolgál. A tengelyek pneumatikus léghengerrel mozgatott csúcs segítségével megtámaszthatók. Több átmérőlépcső mérése esetén a mérőszán a darab hossztengelye mentén léptető motoros vagy DC hajtással a tengellyel párhuzamosan mozgatható a mérendő felületig. A munkadarab pneumatikus forgatómű segítségével 90º-kal elforgatható, így

65

szűkebb tűrésű átmérők esetén egy tengelymetszetben két átmérőérték mérhető. Mivel a lineáris inkrementális elemek mérési tartomány akár 30 mm is lehet, a készülék rugalmasabb, mint az előző. A mérési idő viszont nagyobb, mint az előző berendezésnél, hiszen itt egymás után kell a különböző átmérőket mérni. Másik rugalmas cél mérőkészüléket mutat a 62. ábra. A készülék tárcsa jellegű darabok külső átmérőinek mérésére alkalmas. A készülék kiszolgálható manuálisan vagy robottal. PLC vezérléssel rendelkezik.

62. ábra. Rugalmas mérőállomás tárcsa jellegű darabok külső átmérőinek mérésére A mérőállomás működése során először a mérendő darabot központosítja és rögzíti. Erre szolgál a szorító prizma, mely a léghengerrel mozgatott mérőszánon helyezkedik el. Ahogy a prizma a darabot elérve azt központosítja. A léghenger a prizma mögötti rugót összenyomva tovább tolja előre a mérőelemeket, mialatt a prizma belül felütközik, a szán megáll. Ez alatt az inkrementális mérőelemek letapintják a darabot egy sugár mentén. A mérőelemekről automatikusan leolvasott értéket összevetve az etalonnal (mesterdarabbal) végzett kalibrálás adataival, az átmérő kiszámítható. A munkadarab csak kézzel forgatható, így egy átmérő automatikusan csak egyszer tapintható le. A 63. ábrán látható rugalmas mérőállomás tengelyek átmérőinek automatikus mérésére alkalmas. A mérőállomás a Drezdai Műszaki Egyetem esztergacellájában post-process mérőállomásként dolgozott. A mérőállomás kiszolgálását az esztergacella robotja végezte. A robot által a mérőállomásra szállított tengelyszerű darabot pneumatikusan működtetett csúcsbakon és tokmányon elhelyezett csúccsal központosítják és menesztik. A munkadarab, mérés közben lassan forgatható. Mérés során egy pneumatikusan billenthető kétkarú emelőn elhelyezett prizma fordul a mérendő henger felületre. A prizma szimmetria síkjában elhelyezett lineáris inkrementális hosszmérő (méréstartomány 30 mm, felbontóképesség 1 μm) él-végződésű tapintója letapintja a felületet (kör-három pont mérés). A prizma

66

nyílásszögéből, a mutatott értékből és a kalibrálás adataiból az átmérő gyorsan számítható. Ha több különböző átmérőt akarunk a tengelyen mérni, a mérőelemet tartó kétkarú emelő utaztatható tengelyirányban léptető motor, vezérorsó páros segítségével. A mérőprizma nyílásszöge 60º, így az adatok szerint IT 7-es tűrés is mérhető, viszont a kis szög miatt az átfogható, mérhető átmérő tartomány 30 mm lehet. A mérőállomás Ø50-80 mm között képes mérni. Saját vezérlése van, mely a cellavezérlő alá rendelt. A mérési adatok feldolgozása számítógéppel történt.

63. ábra. Rugalmas mérőállomás tengelyek átmérőinek mérésére Számtalan ilyen és hasonló mérőberendezés, állomás és cella létezik. A következőben egy új működési elvű mérőállomást mutatunk be.

3.1.3. Robottal segített munkadarabmérés A cél olyan mérési módszerek kifejlesztése, ahol az ipari robot munkadarabok méreteinek ellenőrzésében is részt vesz. Kétféle módszer létezik: • az ipari robot mérési segédműveleteket végez, • az ipari robot kapcsoló típusú tapintót alkalmazva saját útmérő rendszerét használja a méretek megállapítására. Mindkét módszer esetén a cél a költségek csökkentése, az ipari robotok kihasználtságának növelése volt. 3.1.3.1. Mérési segédműveletek végzése ipari robottal

Ennek a módszernek a lényege az, hogy az anyagmozgató robot a megmunkáló cellában a forgácsoló mûveletek közben nem dolgozik, áll, így ez alatt az idõ alatt igénybe vehetõ egyéb, segéd műveletek: például mérés elvégzésére. Tanszékünk két robotos mérőállomást épített eddig. Robottal segített mérés külső mérőállomáson A feladat olyan mérõállomás kialakítása volt, mely eszterga cellában tárcsajellegû munkadarabok külsõ és belsõ átmérõinek automatikus mérésére alkalmas.

67

Az alábbiakban bemutatott példában olyan elképzelés megvalósítása történt, mely szerint a robot egy mérõállomás kiszolgálása, anyagellátása (ki-be rakodás) mellett mérési segédműveleteket hajt végre, éspedig: • •

mérõszánokat mérõpozícióba mozgat, majd alaphelyzetbe húzza őket vissza.

A mérõelem megvezetését a mérõszán saját vezetéke végzi, a mérést pedig a véghelyzetütközõre tolt mérõszánon elhelyezett mérõelem. Így a mérõállomásnak a szánmozgatáshoz sem vezérlésre, sem hajtásra nincs szüksége, ezáltal jóval egyszerûbb és olcsóbb lesz kialakítása. A mérés pontossága nem függ a robot pozicionálási és ismétlési pontosságától. A mérõállomás összeállításához hét különleges mechanikus periféria (készülék) kialakítása volt a feladat. A következõ eszközöket kellett kifejleszteni (64. és 67. ábra): • Automatikusan működõ, szenzorokkal felszerelt központosító (tokmányszerû) készülék (3), mely akár belső, akár külső palást felületen képes a tárcsajellegű darabot központosítani és rögzíteni, • Két vízszintes mérőszán (7), ezeken kell elhelyezni az 1 µm felbontóképességű lineáris inkrementális mérőelemmel rendelkező, PC-kompatibilis mérőfejeket, • Két függőleges mérőszán (3), melyek pneumatikus rögzítő elemmel (fékkel) különböző magassági pozícióban rögzíthetők. Ez azért szükséges, hogy a külső és belső felületen egymás felett elhelyezkedő különböző átmérők is letapinthatók és mérhetők legyenek. • Mérőfejek külső és belső átmérők mérésére (6; 9). A külső és a belső átmérők mérésére külön-külön mérőszánokat kellett kialakítani, különben igen bonyolult lett volna a rendszer. A 64. ábrán a mérőállomás külső átmérők mérésére alkalmas része, míg a 65. ábrán maga a működő mérőállomás látható. A mérőállomáson háromféle kereskedelemben beszerezhető részegységet használtunk, éspedig • • •

Kettõ darab Leibfried LLA 50P típusú pneumatikus előtoló, lineáris egységet, melyek bizonyos kiegészítés és átalakítás után vízszintes mérőszánként (7) dolgoztak, FESTO ST 300 típusú pneumatikus körasztalt (5), mely a hengeres felületek többszöri letapintásához szükséges osztómozgást végezte, Kettõ darab Feinprüf Millitron 1500 IC típusú lineáris inkrementális mérőelemet (6; 9) (mérési tartomány 30 mm, felbontóképesség 1 µm) a mérőfej kialakításához.

A mérőelemek PC kompatibilisak voltak. A mérési adatok kiolvasása és feldolgozása automatikusan történt. Az ERI 250 típusú CNC eszterga mellett a mérőállomáson az anyagmozgatást és a mérési segédműveleteket is egy Fanuc M Model 3 típusú robot végezte. A robot számára a függőleges mérőszán tetején mechanikus interface-ként speciális fogantyú (1) lett kialakítva, ennél fogva mozgatta a robot a szánokat (felemelte, majd alaphelyzetbe tolta vissza a függőleges mérőszánokat).

68

A befogó- (központosító) készülék három központosító és szorító pofával rendelkezett, ugyanúgy, mint egy hárompofás esztergatokmány. A központosító mozgást pneumatikus működtetésű forgatómű (270°-os elfordulási szögű) végezte, a tengelyére szerelt vezértárcsa (három archimedeszi spirál profilú vezérpálya) segítségével. A készülék automatikusan nyitható és zárható készülék volt. Működtetését a robotvezérlő végezte Output csatornáin keresztül. Az elektropneumatikus vezérlés rajza a 66. Ábrán látható. A nyitott és a zárt állapot felügyeletét mikrokapcsoló segítségével lehetett felügyelni. A munkadarab jelenlétét optokapuval (proximity szenzor) ellenőrizték. Az érzékelők a robotvezérlő Input csatornáin keresztül szállítanak információt a robotvezérlőbe. A készülék szorító lökete 90 mm volt. A szorító pofák olyan kialakításúak, hogy mind külső, mind belső átmérőn képesek központosítani és rögzíteni a darabot. A kereskedelemben beszerzett Leibfried lineáris egységet kis 64. ábra. Robottal kiszolgált mérőállomás vázlata átalakítás és bemérés után vízszintes (külső átmérők mérése) mérőszánként használtuk. Az 1-fogantyú a robotnak; 2-függõleges mérőszán; átalakítás során a véghelyzetek elé 3-munkadarabbefogó készülék; 4-fékhenger; pneumatikus csillapítású fékező 5-körasztal; 6-mérõelem; 7-vizszintes mérőszán; elemet építettünk, továbbá ráhelyeztük 8- munkadarab a függőleges mérőszánt is. A függőleges mérőszán egyedi fejlesztésű, hasáb alakú oszlopon vezetett egység, mely a mérőfejet hordozza. Két egyszeres működésű pneumatikus léghengerből és 2-2 bronz fékhasábból álló fékberendezés segítségével rögzíthető a robot által különböző magasságokba felemelt függőleges mérőszán. A fékhengereket működtető szelepeket a robotvezérlő működteti Output csatornáin keresztül. A féknyomás értéke nyomáskapcsolóval felügyelt, míg a mérőszán alsó helyzetét mikrokapcsoló ellenőrzi. A külső és a belső átmérők ellenőrzésére fejlesztett mérőfejek önbeálló kialakításúak, pontosságuk részben független a mérőszánok megvezetési pontosságától, mert az alkalmazott un. „kör három pont”-mérés(prizma + mérõtapintó, két speciális mérõél + mérõtapintó) elvén alapuló mérõfejeknél a mérõerõ-folyam a mérendõ munkadarabon és a mérõelem mechanikus részén keresztül záródik

69

65. ábra. Külsõ átmérõ mérése robotos mérõállomáson Az anyagmozgató robot pontossága nem befolyásolja a mérés pontosságát, hiszen a robot vezeték mentén ütközőig mozgatja a szánokat. A mérõelemek 120º-os nyílásszögű prizmánál IT 8- IT 9 és ennél nagyobb tűrésű átmérõk mérésére alkalmasak. Méréstartomány 50 - 200 mm külsõ átmérõknél, míg furatok ellenõrzése 30 -120 mm-es tartományban lehetséges. Az átmérőtartományok és az egy munkadarabon mérendő külső és belső átmérők számának meghatározására 128, NC tárcsaesztergán gyártandó munkadarab elemzését végeztük el. A fenti átmérő tartományok és általában 2-3 külső és 1-2 furatátmérő (IT 8-IT 9) mérése szükséges darabonként. A furatok mérésére kialakított mérőállomás a 66. és a 67. ábrán látható. Furatmérés során a hátsó helyzetben lévő vízszintes mérőszánon (6) helyet foglaló függőleges mérőszánt (2) a robot a fogantyú (1) segítségével felső véghelyzetbe emeli. Itt két pneumatikus henger (4) által működtetett fék rögzíti a szánt. Ezután a vízszintes mérőszánt pneumatikus léghenger ütközőig előretolja. Ebben a helyzetben a mérőfej szimmetria tengelye és a furat forgástengelye egybeesik. Ekkor a robot újra megfogja a fogantyút, a robot vezérlő oldja a fékhengereket és a robot a furatmérő fejet a mérendő furatátmérőig betolja a furatba. Fékhengerek zárnak, rögzítik a pozíciót. Majd a vízszintes mérőszán léghengere visszafelé tolja a szánt egy mérőütközőig mialatt a speciális furatmérő-fej letapintja a furatot. Ha másik furatot is kell mérnünk, akkor a robot a furatmérő fejet a leírt módon más magasságba kell emelje, ezután minden mozgás a korábban leírt módon zajlik. A teljes mérősorozat után a robot segítségével mindkét mérőszán visszatér kiinduló, alaphelyzetébe. A mért értékből az átmérő számítható. A mérendõ darab pontosságától függõen vagy egyszer tapintottuk le az átmérõt, vagy 3-6szor. A mérõelemrõl leolvasott értékbõl lehet meghatározni az aktuális átmérõt. Többszöri letapintás esetén a munkadarabot a körasztal elfordította, majd a mérési folyamat újra lejátszódott. A körasztal vezérlését a robotvezérlõ látta el Output csatornáin keresztül.

70

A körasztal pozícióját mikrokapcsoló felügyelte (alaphelyzet, aktuális pozíció), a körasztal helyzetérõl a robot információt Input csatornáin keresztül kapott. A mérőelem PC kompatibilis, az adatfeldolgozás, a jegyzőkönyvezés automatikus volt. A mérőállomás csak elektropneumatikus vezérléssel rendelkezett (24 V / DC) és a robotvezérlő volt a cellavezérlő. Minden szelepet a robotvezérlõ aktivált Output csatornáin keresztül. Ahogy említettük már minden mozgást, minden fontosabb állapotot (nyitva-zárva, fenn-lenn, elől-hátul) egyszerű szenzorokkal felügyeltek a megbízható, felügyelet-nélküli működés érdekében. A robotvezérlőnek 16-16 Input és Output csatornája volt, melyek galvanikus kapcsolat nélkül, optocsatolókkal vitték át a jelet. A vezérlés látszólag bonyolult, de ha belegondolunk hányféle mozgást kell megfelelő sorrendben vezérelnünk és felügyelnünk, akkor ez érthető. A hét különleges és a három különböző, kereskedelemben beszerezhetõ perifériából álló rendszer megbízhatóan működött fél üzemi körülmények között, kívánalmak csak a mérési sebességgel kapcsolatban merültek fel. Egy mérési művelet, csak egy mérési pont letapintása esetén 14-16 sec-ig tartott. 66. ábra. Robottal kiszolgált mérõállomás vázlata Egy felület többszöri letapintása (belsõ átmérõk mérése) esetén a teljes mérési idő arányosan 1-fogantyú a robotnak; 2-függõleges mérõszán; kevesebb volt, hiszen a felület 3-munkadarabbefogó készülék; 4-fékhenger; közelébe érés és a kiinduló helyzetbe 5-körasztal; 6-furatmérõszán; 7-vizszintes mérõszán; érés tart sokáig. A teljes mérési idő 8-munkadarab; 9-mérõelem elérhette a 2 percet is, de ez nem jelentett gondot, hiszen a tárcsa jellegű darab megmunkálása az NC gépen 5-7 percig tartott. Igy a mérés már régen befejeződött, amire a következő darab megérkezett. A mérõállomás által jónak minõsített munkadarabokat az anyagmozgató robot egy VF-1 TC típusú, CNC vezérlésû megmunkáló központ munkadarab befogó készülékébe helyezi be, míg a selejtet a robot a selejtlerakó helyre viszi. A megmunkáló központ nem forgástengelybe eső furatokat fúr (fedelek, stb.) és hornyokat, lemarásokat, stb. készíthet. Ezeket, amennyiben szükséges, 3D-s tapintóval ellenőrizheti (lásd 59. ábra) a megmunkáló központ. A tárcsajellegű darabok pozicionálására és rögzítésére speciális, pneumatikus szorítású, szenzorokkal ellátott satuszerű befogó készüléket fejlesztettek ki (68. ábra). A fejlesztésnél a fõbb célkitűzések a következők voltak:

71

• automatikus helyezõ és rögzítõ szorítás megvalósítása. Maximális szorítóerõ: 20000 N, • szorítóerõ szabályozás (nem folytonos), • szorítóerõ felügyelet, • munkadarab- jelenlét érzékelés, • a készülék nyitott-zárt állapotának felügyelete, • szorítási tartomány állíthatósága. A kialakított készülék a 68. ábrán látható. A készülék központosító eleme 120°-os mozgó prizma, míg álló eleme sík kialakítású (három pont szorítás). Szorítóelemként kettõ darab Leibfried gyártmányú LSE 609 típusú hidro-pneumatikus nyomásfokozót építettek be, így a készülék szorító ereje 6 bar tápnyomásnál 24000 N, míg szorító lökete 9mm. A szorítóerõ folyamatos szabályozása nem indokolt és drága. Szabályozása a tápnyomás szabályozásával lehetséges. 0,5 bar nyomáskülönbségű lépcsõkben elegendõ a nyomást szabályozni 3-6 bar között. Műszakilag legegyszerűbb megoldás nyomásszabályozóból, reduktorból, nyomáskapcsolóból, visszacsapó szelepből és egy 3/2 utú mágnes szelepből álló hat szabályozóblokk alkalmazása, melyek egymástól 0,5 bar nyomáskülönbséggel eltérő nyomásra vannak beállítva. Aktualizálásuk a robotvezérlő Output csatornáin keresztül történik. A nyomáskapcsoló (nyomásőr) a minimális szorító nyomást felügyeli, míg a visszacsapó szelep nyomáskiesés esetén akadályozza meg a munkadarab kirepülését a készülékből. A nyitott és a zárt állapot felügyelete mikrokapcsolóval, míg a munkadarab jelenlétének ellenőrzése reflexiós 67.ábra. Furatmérõfej munka közben optoszenzorral (proximity szenzorral) történik. ( háttérben a cellakiszolgáló robot )

68. ábra. Pneumatikusan működtetett, szenzorokkal felszerelt satu

72

A mozgó prizma sebessége fojtószeleppel szabályozható. A készülékbe épített fúvóka segítségével a forgácsolás befejezése után automatikusan ki lehet fújni a forgácsot. Bár a folyamatos szorítóerő szabályozás nem mindig indokolt, megkezdtük egy léptetőmotoros szorítóerő szabályozó fejlesztését. 3.1.3.2. Robotos mérő- és egyengető cella

A tanszék által épített második cellában a feladat személygépkocsi ablaktörlő motorjainál a forgórész (rotor) körfutás hibájának mérése és azt ezt követő egyengetés teljes robotizálása volt. A célra egy mérőcellát építettünk, mely 2 robotból (egy SCARA és egy PUMA robot), egy, görgős-láncos elven működő kettős szállítószalagból, két mérőkészülékből és egy egyengető présből állt. A teljes rendszer a 69. ábrán látható.

69. ábra. Robotos mérő- és egyengető cella A cella működése blokkvázlatán (70. ábra) segítségével kísérhető nyomon. A cellába érkező forgórészek két nagyságot képviselnek: első ablaktörlő motor és hátsó ablaktörlő motor (ez a kisebb) forgórésze. A forgórészek alumínium palettán lévő (speciális tálca) prizmákon vízszintesen helyezkednek el. A PUMA robot munkaterébe a szállítószalag szállítja a palettát. A palettát a megfelelő pozícióba érve pneumatikus akasztó henger (mely a szalag alatt helyezkedik) pozícionálja. A robot a forgórészeket egymás után a munkaterében lévő mérőkészülék prizmájára helyezi. A robotprogram palettázó mozgást is képes generálni. Ezáltal minden további nélkül egymás után képes levenni és visszatenni a darabokat a palettára. A mérőkészülék a forgórész körfutás hibáját ellenőrzi. A forgórész tengelyének végén hidegen mángorolt csiga van. Ezen művelet miatt „görbe” a tengely. A körfutás hiba miatt igen zajos lenne az ablaktörlő motor és jelentősen csökkenne élettartama. A körfutás hiba egyengetéssel csökkenthető. Ezt a műveletet eddig a BAKONY Műveknél kézi úton végezték.

73

A mérőkészülékbe (71. ábra.) prizmára helyezi a robot a forgórészt, melyet a csigavég melletti csapágyhelyen vízszintes irányból lineáris inkrementális mérőelem érint és tapint le 1 μm-es felbontó képességgel. A mérés során a maximális körfutás hibát kell meghatározni. Ehhez forgatni kell a forgórészt a saját tengelye körül. Ezt a forgatást a robot végzi. Speciális forgató keret (mint egy hegedű vonója) segítségével. Az eszközt a robot megfogója segítségével felveszi és egyszerűen használni tudja. Amikor a maximális ”ütést” érzékeli a számítógép, akkor a robot 90º-kal úgy fordítja vissza a darabot, hogy felülről nézve domború alakzatot mutasson. Erre azért van szükség, mert az egyengető, pneumatikus prés felülről nyomja meg a görbe tengelyt, igyekszik kiegyenesítve azt. Ha a tengely 180º-kal elfordított állapotban lenne, a prés tovább görbítené.

70. ábra. A mérő- egyengető cella blokkvázlata A prés lökete úgy van beállítva, hogy a középhelyzeten (nulla hibával rendelkező helyzet) túlnyomja a tengely, mely a terhelés elvétele után némileg visszarugózik. Az egyengetett forgórészt, miután a robot letette a forgató eszközt, a robot visszateszi a palettára és a következő darabot helyezi a mérőkészülékbe. A folyamat ismét lejátszódik. Ha a palettán lévő összes elem elkészült a szállítószalag elindul és a véghelyzetében átadja a másik szalagnak a palettát (erre egy motoros áttoló készülék szolgál). A másik paletta mellett elhelyezkedő SCARA robot és mérőkészüléke az egyengetett forgórészek végellenőrzését

74

végzik. Ezt a készüléket csak kiszolgálja a robot, itt nem végez segédműveletet. A kétféle munkadarab a két férőhelyes készüléknek vagy a jobb, vagy a bal részére helyezi a forgórészt, attól függően, melyik nagyság. Az „ütés” mérésére egy darab lineáris inkrementális mérő elem szolgál. Ez a tengelyvégeket alulról tapintja le, 1 μm-es felbontó képességgel. A forgórészeket a mérés során forgatni kell. Ez lehet fokozatos és folytonos. Az előbbi léptetőmotorral vagy a már előbb ismertetett „hegedűvonó” szerű segédeszköz lehet. A folytonos forgatást valósítottuk meg. Erre két léghenger szolgál, melyek dugattyú rúdjaira gumi bevonatú vonórudat helyeztünk. A megfelelő léghenger gyorsmenetben előre jár és visszafelé fékezett üzemmódban, lassan folyamatosan forgatja a forgatóművet a prizmán eközben a mérőelem méri a körfutás hibát és maximális értékét regisztrálja. A műszer selejt esetén a kimenetén kapcsoló jelet ad. Ez a robotvezérlőnek annak In-put csatornáján keresztül információt küld erről. A selejtet a robot félrerakja, a jó elemek visszakerülnek a palettára.

71. ábra. A robot forgatja a forgórészt

72. ábra. Végellenőrző készülék forgató hengerekkel

3.1.3.3. Munkadarabmérés ipari robotok közvetlen alkalmazásával

Az ipari robotokat közvetlenül munkadarab mérésre kétféleképpen lehet használni: • •

A robotmegfogó helyére 3D-s kapcsoló típusú tapintót szerelünk és a mérendő munkadarabot, azok felületeit a robot a gömbös végű tapintóval letapintja. A tapintás pillanatában a vezérlés kiolvassa a robot mérőrendszerének koordinátáit, A 3D-s mérőtapintót a robot munkaterében egy alkalmas helyre felszereljük és a darabok felületeinek letapintása céljából a robot a munkadarabot a tapintóhoz viszi. A tapintó áll, a robot a munkadarabot mozgatja úgy, hogy az a tapintó gömböt

75

érintse. Az érintkezés pillanatában a vezérlés kiolvassa a robot mérőrendszerének XY-Z koordinátáit. Elegendő számú kiolvasott koordinátából például egy furat átmérője kiszámítható, ehhez 3 vagy ennél több ponton kell a furatot letapintani. A mérési adatok kiértékelésénél az analitikus geometria módszereit kell használni. A fentiekben vázolt mindkét módszer hátránya a csekély „pontosság”. A robot mérőrendszerének felbontóképessége és a robot pozicionálási hibái általában csak IT 9-IT 10es tűréstől felfelé alkalmazhatók. Az első módszer alkalmazásánál gondot okozhat, hogy a robot megfogót és a tapintót cserélgetni kell. A cserélés geometriai hibája befolyásolhatja a mérés pontosságát. Ekkor a munkadarabnak kell a robot munkaterébe egy befogó készülék, mely az előírt pozícióban tartja a darabot és rögzíti azt. Az eszközcserélés jelentős időt, a cserélő jelentős költséget igényel. A második módszer használata esetén ezek nem merülnek fel. Tanszékünk diplomaterv keretében ezt módszert próbálta ki. A 73. ábra a robot munkaterébe, szállítószalag szélére szerelt 3D-s tapintót mutat. A tapintó prizmára van felfogva.

73. ábra. 3D-s kapcsoló típusú tapintó robottal segített munkadarab mérés végrehajtására A megvalósított robotos mérés a 74. ábrán látható. A mérés során a robot tárcsa jellegű darabok furatátmérőjét mérte. A tárcsákat a robot a tárolóból felvette és a 3D-s tapintóhoz vitte. Ott a furatot 4 különböző pontban letapintotta, ebből az átmérő kiszámítható volt. Az IT 9-es tűrésű furat gyorsan ellenőrizhető volt. Szűkebb tűrésű munkadarabok többek között speciális mérőrobotokkal mérhetők.

76

74. ábra. Az ipari robot tárcsa belső furatának letapintását végzi

3.1.4. Mérőrobotok Mérőrobotok feladata általában a munkadarabok mérése. Nagyon kevés mérőrobot dolgozik az iparban. A WORLD ROBOTICS 2001 –Statistics, Market Analysis, Forecast szerint a különböző fejlett ipari országokban az ipari robotoknak csak 1-2%-át használják mérési célokra. A mérőrobotok általában precíziós hossz- és szögmérő rendszerrel (felbontó képességük: 0,51 μm, vagy 1”) ellátott koordináta robotok, (többkoordinátás mérőgépeknek is tekinthetők), melyek a munkadarabokat 3 dimenziós kapcsoló típusú tapintóval letapintva dolgoznak. Letapintáskor a tapintó kapcsoló impulzusa kiolvastatja a mérőrendszerből a letapintott pont X-Y-Z koordinátáit. A ponthalmaz koordinátáiból a csatolt számítógép meghatározza a szükséges mérési adatokat (hosszméretek, átmérők, tengelytávolságok, alakhibák, stb.). Ez ugyanúgy történik, mint a többkoordinátás mérőgépeknél. A mérőrobotok igen költséges berendezések. Általában gyártó-, mérőcellákba integrálva dolgoznak. A munkadarabot manuálisan vagy anyagmozgató robottal vagy szállítószalagon juttatják a mérőrobot munkaterébe. Ott a darabot pozícionálni és rögzíteni kell. Ez is automatikusan történik. A mérőrobotok vagy kapcsoló, vagy mérő típusú tapintóval rendelkeznek (23. ábra). Függőleges vagy vízszintes tengelyű lehet a tapintó. Komplett szekrényes darab ellenőrzéséhez a munkadarabot át kell forgatni vagy az egyenes tapintót T-alakúra kell cserélni. Ez történhet kézzel vagy automatikusan (automatikus tapintócsere). A ScanMax mérőrobothoz tartozó speciális software alak- és helyzethibák (síklapúsági hiba, köralak-hiba, tengelytávolságok, stb.) meghatározására is alkalmas. Szögmérő rendszerének felbontóképessége 0,5”, a 250 mm-es tartományú hosszmérő rendszer felbontóképessége 0,5 μm.

77

75. ábra. Függőleges tengelyű SCARA-szerű mérőrobot (Zeiss üzemi kép) A mérőrobotok programozása elvben semmiben sem tér el az ipari robotok programozásától. Léteznek természetesen más felépítésű, főleg ún. koordináta robotok, ahol is 3 lineáris mozgást képes a robot végezni X-Y és Z irányban.

78

3. 2. ROBOTIZÁLT GYÁRTÁS MÉRÉSTECHNIKAI FELADATAI Napjainkban az automatizálás egyre inkább tért hódít. Az ipari folyamatok zöme részben vagy teljesen automatizált. A folyamat, a gyártás felügyeletszegény vagy emberi felügyelet nélküli, azaz a kezelőszemélyzet csak korlátozott mértékben vagy egyáltalán nincs jelen a közvetlen folyamatban. Ipari folyamatok, azonbelül a gyártási folyamatok zavartalan menete a végtermék szempontjából rendkívül fontos. A folyamatok megbízhatósága, a termék minősége a különböző fizikai folyamatjellemzők mérése és felügyelete (monitoring) nélkül nem garantálható. A folyamat automatizáltsági szintjétől, a folyamat specifikus jellemzőitől, az esetleges rendellenességek által okozott zavaroktól függően változik a mért, a felügyelt jellemzők száma, gyakorisága. Manuálisan végzett műveleteknél esetleg csak a tápenergia jellemzőit (feszültség, áramerősség, teljesítmény, tápnyomás stb.) mérik, míg automatizált folyamatokban, ahol az ember felügyeleti funkcióit is automatizálni kell, ott az embert, mint megfigyelőt, beavatkozó személyt szenzorok (érzékelők) alkalmazásával kell helyettesíteni. A szenzorok információt gyűjtenek a folyamatról, a műveletekről, a gyártóeszközök és a munkadarab állapotáról, továbbá a környezetről [5; 19] Gyártásautomatizálás egyik fontos területe az ipari robotok alkalmazása. Robotizált folyamatokban és rendszerekben az ésszerűség határain belül szinte minden automatizált. Bizonyos területeken az automatizáltsági szint eléri a 100%-ot (egészségre ártalmas környezet, monoton munkafolyamatok, igen nehéz fizikai munka, stb.). A megbízható működés, a minőség szinten tartása, a kis ciklusidők, stb. csak úgy garantálhatók, ha a robot állandóan és gyorsan képes reagálni a környezetében bekövetkező változásokra. Ez részben az un. rugalmasság és adaptivitás követelményének a figyelembe vételét és teljesítését jelenti. Az alkalmazkodó képesség és az intelligenciaszint szoros kapcsolatban vannak egymással. Az alkalmazkodó képesség a környezeti változások érzékelését és a rájuk adott válasz (ellenlépés ), az irányítási mód bizonyos összhangját és egységét tételezi fel. A következő fejezetekben röviden bemutatjuk a robottechnikában alkalmazott főbb szenzortípusokat, majd a fontosabb erő- és nyomatékmérési feladatok taglalása kapcsán Tanszékünk Méréstechnika csoportja által fejlesztett és alkalmazott szenzorokat ismertetjük [4; 5; 13; 15; 16; 19]. A cikk második részében a mechanikus robotperifériák méréstechnikai vizsgálatáról, adunk áttekintést és a robottal segített munkadarabmérésről is írunk [1; 3; 4; 9; 10; 11; 18; 21] 3.2.1. A Robottechnikában alkalmazott fontosabb szenzorok

A szenzorokat a robotalkalmazásokban az általuk szolgáltatott jel információ tartalma szerint célszerű osztályozni. Megkülönböztetünk • egyszerű ( bináris jelet adó ) és • intelligens ( folytonos jelet adó ) szenzorokat . Egyszerű, bináris jelet adó szenzorok

Jóllehet a bináris jelek kevés információt adnak, mégis széles körben alkalmazzák az egyszerű szenzorokat. Vannak olyan eszközök, műveletek, melyek állapota, helyzete két jelszinttel (alacsony szint - magas szint) egyértelműen jellemezhető. Egy robotmegfogó többek között akkor használható, ha az adagolási művelet előtt nyitva van (külső felületen való megfogásnál) vagy zárva van (ha belső felületen fogjuk meg a darabot). Ezt a megfogási műveletek előtt detektálni kell. Az egyszerű szenzor akár egy-két nagyságrenddel olcsóbb,

79

mint az intelligens szenzor. A szenzor kiválasztásánál a műszaki adatok mellett a költségráfordítás is fontos szempont. Az egyszerű szenzorokat a gyakorlatban proximity szenzornak, jelenlét vagy közelítésérzékelőnek nevezik. A megnevezés hűen tükrözi funkciójukat: ott van vagy nincs ott. Tehát a kívánt esemény bekövetkezett-e vagy sem. Ezek a szenzorok a kereskedelemben igen széles kínálatból szerezhetők be. A hatáselv szerint léteznek: • elektromechanikus érzékelők (mikrokapcsolók), • induktív jelenlétérzékelők, • kapacitív jelenlétérzékelők, • optoelektronikus jelenlétérzékelők. A mikrokapcsolók két állapotú ( három érintkezős ) taktilis ( érintkezéssel működő ) érzékelők, melyek működtető elemükre (nyomógomb) ható jelre két érintkezőt szétkapcsolnak és az egyiket közülük egy harmadikkal összekapcsolják (Morse érintkezők). Széles körben használják őket közvetlenül vagy más érzékelőbe építve (termokapcsoló, nyomáskapcsoló). A nyomáskapcsoló egy, rugóval előfeszíthető membrán, melynek helyzetét a beépített mikrokapcsoló érzékeli. Induktív jelenlét érzékelők csak ferromágneses anyagból készült elemeket képesek érzékelni. Az un. záró lemezt az alkalmazásokban az érzékelendő tárgy, a szerszám vagy a készülék valamelyik ferromágneses eleme testesíti meg. Hatótávolságuk igen kicsiny, 1-5 mm között van. Kapacitiv jelenlét érzékelőkről hasonló mondható el, ami a működést, a villamos megtáplálást és a geometriai kialakítást illeti. Fontos különbség az, hogy nemcsak ferromágneses anyagokat, hanem az összes fémet képes érzékelni. Átmérő mérete nagyobb: minimális átmérőjük Ø12 mm lehet. Villamos terekre, zavarokra érzékenyek. Detektálási távolsága néhány mm maximum. Optoelektronikus érzékelők hatótávolsága sokkal nagyobb. Két fő részből állnak: • fényforrásból (jeladó) és • fényre érzékeny elemből (vevő). Ha külön egységbe vannak beépítve, akkor un. áteső fényes szenzorról beszélünk, ahol működés közben a detektálandó tárgy, elem vagy megszakítja a fénysugarat vagy kilép a sugárnyalábból. Az un. reflexiós (fényvisszaverődéssel működő) szenzor magába foglalja az adót és a vevőt. Az áteső fényes szenzor hatótávolsága akár 1000 mm is lehet, míg reflexiós szenzornál ez az érték 200-500 mm között van általában. Az utóbbi érték a fényvisszaverő felület érdességétől és színétől is függ. A gyakorlat azt mutatja, hogy a fekete felületek is jól detektálhatók. Az áteső fényes szenzorok is használhatók reflexiós üzemmódban, amikor is egy felületre α szög alatt beeső fény α szög alatt verődik vissza, és ezt érzékeli a vevő szenzor. Az áteső fénnyel dolgozó szenzorok alkalmazásánál a fénynyaláb szóródása miatt a vevő pozíciója a sugárnyaláb szimmetria tengelyére merőlegesen kismértékben szórhat ( 5-10 mm/1000 mm a tapasztalok szerint). Ez azt jelenti, hogy a beálltás kis idő- és költségráfordítással oldható meg. Az egy elembe épített szenzor minimális mérete: Ø 12 - Ø 16 mm x 40-80 mm. A külön adóból és vevőből álló szenzor mérete Ø 6 - Ø 8mm-nél kezdődik, hosszúsága hasonló. Becsavarható kivitelben készülnek. Villamos megtáplálásuk, optikai (LED) visszajelzőjük, beépítési módjuk ugyanolyan, mint a kapacitív és induktív jelenlét érzékelők esetén. Általában infravörös tartományban dolgoznak, zavarérzékenységük kicsi. Az egyszerű szenzorok a robotvezérlő Input csatornáján keresztül kommunikálnak a vezérlővel, 0 V/DC vagy 12-24 V/DC jelet adva a vezérlőre, jelezve, hogy a felügyelt elem, tárgy jelen van-e, nyitva van-e a készülék, stb. 80

Ezek szenzorok (akár kettőnél több is) adott feladat esetén “ÉS” továbbá “VAGY” logikai feladat megvalósítására is felhasználhatók soros vagy párhuzamos kapcsolásban. Természetesen “negáltjuk” jelzésére is alkalmasak. Vannak alaphelyzetben nyitott, illetve zárt típusú érzékelők is. A mikrokapcsolók taktilis érzékelők (érintkezéssel működnek), míg a többi egyszerű szenzor érintés nélkül dolgozik, így nem vonnak el energiát a vizsgált folyamatból, nem hatnak vissza a folyamatra. A mikrokapcsoló beépítésével nyomáskapcsolót lehet készíteni, mely egy membránra ható nyomás és egy előfeszített rugó erőegyensúlyának megbomlása esetén mikrokapcsolót működtet, jelezvén a beállított nyomást elérte vagy túllépte vagy csökkenő nyomás esetén az alá került. Morse érintkezőivel jelet ad a PLC vezérlőnek. Nyomásőrként a rendszer felügyelet fontos tagja lehet (lásd ábra

Nyomáskapcsoló

Mikrokapcsolók (alul) és nyomáskapcsoló Robotizált gyártó vagy főleg szerelő cellában számtalan, egyszerű felügyeleti feladatra igen sok proximity szenzort alkalmaznak egymás mellett. Sokszor a robotvezérlő Input csatornáinak számát (16-32) növelni kell, mert nem képesek fogadni az adott feladathoz szükséges számú, ilyen típusú szenzorok jeleit.

Induktív proximity szenzorok

81

Kapacitív proximity szenzor

Optikai proximity szenzorok (balra reflexiós – jobbra áteső fényes szenzor) A Tanszékünkön épített gömbcsapok robotizált szerelésére alkalmas cellában 18 különböző proximity szenzort használtunk. Intelligens szenzorok

Ipari robotok alkalmazása során, robotizált gyártási és szerelési folyamatokban általában a következő fizikai mennyiségek, mint meghatározó, következő mennyiségek érzékelése a feladat: • erő és nyomaték, • nyomás, • vizuális információk. Az ipari robotokkal végezhető szinte összes művelet során az egyik legjellemzőbb mennyiség a működés, a művelet végrehajtása során fellépő erő (gépkiszolgálás, ponthegesztés, beültetés, sajtolás, szegecselés, robotos forgácsolás: fúrás, marás, sorjázás, polírozás, stb.) illetve nyomaték (fúrás, csavarozás). Léteznek esetek, ahol az erőt, a működtető nyomatékot szabályozni kell annak érdekében, hogy a munkadarab, amelyen a műveletet végezzük, ne károsodjék, ne deformálódjék (szorítóerő szabályozás). A nagyon gyakori pneumatikus rendszerekben a szorítóerőt, de esetlegesen a forgató nyomatékot is a pneumatikus tápnyomás változtatásával szabályozhatjuk. A szabályozás alkalmával a nyomás automatikus ellenőrzése, mérése szükséges. Erre a célra nyomásszenzort kell használni.

82

A vizuális információk sokasága tájékoztat bennünket arról, hogy robotos műveletek során van-e valami rendellenesség, sérült-e a darab, milyen a robot munkaterébe érkező darabok helyzete, orientációja, melyik fajta alkatrész érkezett be, stb. A látás, a vizuális információszerzés automatizálása, a gépi látás, az alak- és mintázat felismerés “gépesítése “ a robottechnikában igen fontos feladat. A felsoroltakon kívül az alkalmazott robottechnikában (a robotvizsgálatok kivételével) más egyéb szenzort nem, vagy csak igen különleges feladatok esetén használnak. A következő fejezetekben a robotizált műveletek erő-, nyomaték- és nyomásmérésével, valamint felügyeletével foglalkozunk. Bemutatunk röviden több, főleg szerelő cellában alkalmazott erő- és nyomaték szenzort, melyeket részben Tanszékünk fejlesztett, tesztelt és celláiban alkalmazott. Az azonos időben, párhuzamosan alkalmazott többféle szenzor az un. multi-szenzor technika része, mely egyszerre sok–sok információt gyűjt be a folyamatokról, dönt és beavatkozik annak érdekében, hogy a folyamatok, műveletek lefolyása zavartalan legyen. A felügyelet, a Monitoring célja a folyamat megbízhatóságának és a gyártmány minőségének növelése [2; 6;]. Robotos rendszerekben használt erő- és nyomaték szenzorok

Robotizált rendszerekben a legjellemzőbb és legfontosabb erő-, nyomaték- és nyomásmérési feladatok az alábbiak [5;6; 7; 13; 15; 16; 18; 20]: • megfogó szerkezetek és munkadarab befogó készülékek szorítóerő felügyelete és szorítóerő szabályozása, • műveletek közben fellépő erők és nyomatékok mérése, felügyelete és esetleges szabályozása ( nyomásszabályozással ). Az első feladatnál a cél az, hogy az end-effektorral megfogott illetve a készülékbe fogott munkadarabra a manipulálás illetve a rögzítés során ható erők ne okozzanak maradó deformációt, ugyanakkor a műveleti erők nem mozdíthatják ki a darabot pozíciójukból. Számítható általában a szükséges szorítóerő. Ezt kell kifejteni és ellenőrizni szorítás közben. A szenzort a megfogó szerkezetbe illetve a munkadarab befogó készülékbe kell építeni. Számítható az erő és a nyomaték közvetve a szorítást végző közeg tápnyomásának mérésével. Itt gondot jelenthet az, hogy a megfogó szerkezetek szorítóerő-szorító út függvénye nem állandó, nem lineáris. Így mérni kell a szorító utat is és ezt is figyelembe kell venni a számításnál. A második feladat sokrétűbb és bonyolultabb, mivel igen sokféle lehet a művelet és akár egyszerre több erőösszetevőt is kell mérni. Az erő és a nyomaték az utolsó robotcsuklóra, az end-effektor mögé illetve a munkadarab befogó készülékbe vagy a készülék alá épített szenzorral mérhető közvetlenül. Robotmegfogó szerkezetek erőfelügyelete

A robotmegfogó szerkezetnek, legyen azok a kereskedelemben beszerezhetőek vagy adott feladatra tervezettek, a manipulálandó darabot olyan erővel kell megfogniuk, hogy • a munkadarab maradó deformációt ne szenvedjen, felülete ne sérüljön meg, • a művelet során ne essen ki, ne mozduljon ki, ne forduljon ki a megfogóból. A szükséges és elégséges szorítóerő bizonyos adatok ismeretében (önsúly, gyorsulások, súrlódási viszonyok, a megfogó kialakítása, stb.) megközelítőleg kiszámítható.

83

A művelet biztonságos végrehajtása érdekében ezt az erőt a művelet végrehajtása előtt, esetleg közben is ellenőrizni kell. Az erő szenzort általában a megfogó szerkezet ujjaira vagy a mozgást átvivő mechanizmus valamelyik tagjára lehet szerelni. Ez a közvetlen, de költségesebb módszer. Megoldásként kínálkozik az a módszer, ahol a robotmegfogó időnként egy külső erőszenzornak erre a célra kialakított speciális elemét megfogja (megszorítja), mialatt az ellenőrzi a szorító erőt. A BME Gépgyártástechnológia Tanszéken mindkét megoldással foglalkoztak már [5,16]. A megfogó szerkezet ujjaira épített nyúlásmérő bélyeges erőmérő szenzor “mérőujj“ a Kaliber Kft, Budapest közreműködésével lett kialakítva. A feladat olyan megfogó szerkezetbe épített erőmérő kialakítása volt, mely 20-70 N közötti szorító erők mérésére alkalmas. Az un. mérő ujj kialakítása előtt 4:1 arányú feszültség optikai modellen mérésekkel meghatározták a főfeszültségek irányát (76.ábra. bal oldal). Ezzel a nyúlásmérő bélyeg felragasztásának irányát állapították meg. A kellő deformáció eléréséhez az ujjat el kellett vékonyítani, különben az erők (20-70 N) igen kis nyúlást eredményeztek volna, nagyon kis villamos jelet fejtettek volna ki. A miniatűr nyúlásmérő bélyeget ( VISHAY MA-06-062 TV350 típusú, 2x3 mm méretű ) és környezetét felragasztás után műgyantával öntötték ki [16]. A felhasználás során figyelembe kellett venni azt is, hogy a megfogó szerkezet szorító erő-szorítási út függvénye nem állandó és nem lineáris. Ez azt jelenti például, hogy ha Ø60 mm-re kinyílva a megfogó éppen 50 N erővel szorít, akkor változatlan tápnyomás esetén ez az erő Ø35 mm-es darab szorításánál nem 50 N lesz. A szorító erő-szorítási út függvényt kalibrálással (kalibráló erőmérő cella alkalmazásával) lehet meghatározni. A kialakított mérőujjas robotmegfogó szerkezet az 76. ábrán látható. A mérőujj kalibrálását elvégezve megállapítottuk, hogy a szenzor linearitási hibája 1,5-2 %, míg hiszterézise 4-5 % között van.

76.ábra. A mérőujj és feszültség optikai modellje, robotmegfogó szerkezet mérőujjal A szorító erőt nem elegendő csak mérni és felügyelni, hanem szabályozni is tudni kell. Pneumatikus megfogóknál a szorító erő szabályozásának egyetlen módja van: szabályozni és mérni kell a táplevegő nyomását. Erre két módszer létezik: • folyamatos nyomásszabályozás, • nem folyamatos szabályozás, diszkrét (lépcsőzetes) nyomásszabályozás. A szorítóerő folyamatos szabályozása nem szükséges minden esetben. A tömegerőt, a gyorsulásokat és a szorító pofák, valamint a munkadarab között fellépő csúszósurlódást minimális értékűnek feltételezve, a minimális szorító erő számítható. Ez általában jóval

84

kisebb, mint a maradó deformációt kiváltó szorító erő. Itt 1,5-2 nagyságú biztonságtényezőt kell figyelembe venni. A lépcsőzetes szabályozáshoz 0,5 bar értékű nyomáskülönbségekre beállított, speciális pneumatikus blokkokat használtunk, melyek nyomásszabályozóból, 24 V DC mágneses útszelepből, visszacsapó szelepből és nyomáskapcsolóból állnak. A blokkokat a robotprogram a vezérlő Output csatornáin keresztül kapcsolja be, aktiválja. Egy időben természetesen csak egy blokk működhet. Az aktuális nyomásértékeket nyúlásmérő bélyeges nyomásszenzor felügyeli. A szorító erő illetve a nyomás folyamatos szabályozása léptető motoros adaptív szabályozással lehetséges. Ennek megvalósítását a Maribori Egyetem Robottechnikai Intézetével folytatott együttműködés keretében megkezdtük. End-effektor mögé épített többkomponenses erő- és nyomatékszenzor és alkalmazása

Az érzékelőt leggyakrabban a robot utolsó csuklójára (az end-effektorhoz), azaz a szerszám vagy a megfogó elé szokás felszerelni. Ha azonban a robot rendelkezik szerszámcserélővel is, akkor azt a robotra szerelt érzékelőre célszerű rögzíteni, és ekkor a többi elemet a szerszámcserélővel lehet felvenni és lerakni. Ez az elrendezés azonban célszerűen módosulhat, például, ha az érzékelőt, mint külön eszközt lehet csak használni: ekkor a robot az érzékelőt a szerszámcserélő segítségével felveszi a méréshez, majd a mérés végeztével lerakja. Az IKARUSZ autóbusz hátsólámpa szerelésnél volt ilyen alkalmazás. A munkahelyre “bevonszolt” autóbusztest szerelési pozícióját nagy pozicionálási hibával veszi fel. A hiba 100 mm-es nagyságrendű lehet. A robotvezérlés minden egyes beérkezett busz pozícióját megállapítja a célszerűen letapintott felületek alapján. Erre a célra 6 komponenses erő/nyomatékmérő cellát használtunk. A tapintási erő alsó határértékére 10 N volt programozva. Ha a tapintáskor az erő elérte a 10 N értéket a robotvezérlő kiolvasta a letapintott pont aktuális x;y és z koordinátáit. 3-4 pont koordinátájából meghatározták egy lámpaüreg helyzetét vagy a hátfalsík normál vektorát, stb. Használat után a robot letette a mérés helyének közelébe a szenzort. A 77. ábrán ez az alkalmazás látható. Az alkalmazott érzékelők leggyakrabban hatkomponensesek, de adott esetben ennél kevesebb komponens mérése is elegendő lehet. 77. ábra. A robot az erőmérő szenzor segítségével helyzetmeghatározás céljából letapintja a busz hátfalat A kereskedelemben kaphatók 6 komponenses érzékelők, rendszerint cél hardware-rek. Hazánkban korábban a Kaliber Kft , majd a TARA Kft gyártott ilyen érzékelõket. A mérőelektronikát az MTA SZTAKI gyártotta (R-Force, MiniForce néven). A szenzor nyúlásmérő bélyeges kialakítású. Európában többek között a Fritz SCHUNK GmbH kínál 6 komponenses nyúlásmérõ bélyeges erő- ill. nyomatékmérõ cellát, saját mérõelektronikával. A mérési eredmények kiértékelése általában automatikus. Az eredmények alapján a robot mozgáspályája elvileg igen könnyen módosítható lenne, azonban a gyakorlati megvalósítás során igen komoly technikai problémák lépnek fel. Ennek az oka az, hogy a robotgyártók -

85

legalábbis napjainkig - zömmel zárt rendszerű robotérzékelőket gyártanak, amelyhez érzékelők illesztése (leszámítva a robotvezérlőt gyártó cég által kifejlesztett érzékelőket) igen nehézkes. Az utóbbi időben azonban az iparban is egyre növekszik az igény a nyitott rendszerű robotvezérlők iránt, melyek képesek a különböző típusú érzékelők jeleinek fogadására és feldolgozására a robotvezérlő magas szintű nyelvén. Ezek a robotvezérlők már valóban hatásosan működő, könnyen kezelhető és könnyen átlátható cellavezérlések kifejlesztését teszik lehetővé. A mérőrendszerek egyik legérzékenyebb eleme a szenzor Ma már szinte minden modell fel van szerelve statikus túlterhelés elleni védelemmel. Ez a robotok esetében akár 600%-os is lehet, mely valamelyest a dinamikai túlterhelés ellen is véd. Tanszékünk a gyártó megbízásából részt vett a bemutatott szenzor tesztelésében és alkalmazástechnikai vizsgálatában. Észrevételeink alapján a szenzort és a mérőelektronikát kis mértékben módosították. Tanszékünk a következő szenzort tesztelte és használta több szerelő cellájában: A hazai gyártású szenzor és mérőelektronika főbb jellemzői: TARA SCT-02 típusú érzékelô mûszaki jellemzôi Fx 50 N; Fy, Fz 100 N Mx 2 Nm; My, Mz 5 Nm Linearitási hiba 0.1%; Ismétlési pontosság 0.1% Megengedett túlterhelés 500% Áthallás maximum5% Méret Ø 80x30 mm Tömeg 0.4 kg. Tankszékünk a 78. ábrán látható robotos szerelő cellában gömbcsap szerelésnél használta a fenti szenzort. Cél a műveletek során fellépő erők és nyomatékok mérése és felügyelete volt.

78. ábra. Robotizált szerelő cella

79. Ábra. Nyomatékmérésre épülő működési teszt

A rendszer felügyeletére 18 proximity szenzort, három erő és nyomatékmérő szenzort, 2 nyomás szenzort és egy képfeldolgozó rendszert használtuk (multiszenzoros rendszer). A rendszer blokkvázlata a 79/a. ábrán látható.

86

. 79/a. ábra. Multiszenzoros rendszer blokkvázlata Robotos, erővezérelt pályakövetés

A kontúrkövetés során ismert vagy ismeretlen kontúrt kell megmunkálnunk vagy az ismeretlen helyzetű és nagyságú akadály kikerülését kell megoldanunk. Ezekben az esetben a robot megfogója, illetve a megfogó helyén lévő szerszám és az akadály vagy a munkadarab közötti érintkezési erőt közel állandó értéken (vagy legalábbis egy igen szűk intervallumon belül) kell tartani. A kontúrkövetés olyan technológiai műveleteknek szolgál alapul, mint pl. • sorjázás, • ragasztóanyag terítése, • ívhegesztés vagy fogyóelektródás hegesztés, • vízsugaras (vagy lézeres) kivágás, stb. A kontúrkövetés során mérni és szabályozni kell az érintkezési erőt. Az erőszenzor elhelyezhető a robot csuklójában illetve a munkadarabot tartó készülékben. Mindkettőre mutatunk példát. Az előző fejezetben bemutatott 6 komponenses erő- és nyomatékmérő szenzor használható a pályakövetés erőfelügyeletére. Az érintkezési erő maximális értékét olyan értékűre kell választani, melynél még a robotvezérlő nem kapcsol le. Ez az értéket a munkapontban mérhető lekapcsolási erőérték 70-75 %-ára célszerű választani. Saját tapasztalataink ezt mutatják. A lekapcsolási erőérték nem egyenlő a munkatér minden pontjában a robot terhelhetőségével. Vannak olyan pontok a munkatérben, ahol az átlagos

87

terhelhetőségnél akár 50-80 %-kal nagyobb a lekapcsolási erő értéke.Ezek megállapítására statikus merevségi méréseket kell végezni a munkatartomány több pontján. Ennek során a lekapcsolási erő mellett az ennél kisebb, megengedhető érintkezési erőhöz tartozó tapintó deformáció is megállapítható. Ez a deformáció befolyásolhatja a pályakövetés pontosságát. Pályakövetés 6 komponenses, robotcsuklóba épített erőmérő használatával

Tanszékünkön az előző fejezetben bemutatott 6 komponenses erőmérő használatával kétdimenziós pályakövetést valósítottunk meg. Cél egy pályakövetési stratégia kidolgozása és tesztelése volt. A tesztelés során a NOKIA Puma 760 típusú szerelő robot a megfogó helyére, a szenzorra szerelt tapintó rúddal letapintva körbejárta a futballpálya alakú próbadarabot. A tapintó állandó jelleggel érintkezésben volt a pályát hordozó munkadarabbal. A felületre merőleges érintkezési erő megengedhető maximális értékét statikus merevségi méréssel állapítottuk meg (80. ábra). Statikus merevség mérés során a robot megfogójának helyére etalon darabot szereltünk fel.

80. ábra. PUMA robot statikus merevségének mérése

81. ábra. Robotos pályakövetés erő felügyelettel

Erőmérő cellán keresztül változó erővel terheltük a darabot egyenként X és Y és Z irányban. A terheléssel szemközti oldalon, az erő hatásvonalában mértük a deformációt μmben. Méréseinknél 100 N méréshatárú, nyúlásmérő bélyeges erőmérőt és lineáris inkrementális hosszmérő elemet használtunk. A 81. ábrán látható pályakövetés során 840 mm hosszú pályát kellett letapintani, ez 192 sec ideig tartott. A pálya és a tapintóvégződés közötti csúszó súrlódás csökkentése érdekében egy golyóscsapágyat építettünk a tapintó végére. A feladat megoldása után az eredményeket elemezve megállapítható, hogy a pályakövetés túl lassú és az alkalmazott szenzorrendszer túl drága a kétdimenziós pályakövetés megoldásához. A robot megfogók szorítóerejének felügyeletére alkalmas mérőujjnál említett linearitási és hiszterézis hibák és a pályakövetés kapcsán említett hátrányok, hibák kiküszöbölésére megkezdtük egy új, end-effektorba építhető erő-és nyomatékmérő szenzor fejlesztését. End-effektorba építhető komplex erő- és nyomatékmérő szenzor fejlesztése

A cél egy olyan komplex szenzorrendszer építése, mely az alábbiak mérésére alkalmas: • Robotmegfogó szorító ereje,

88

•

Az Fx Fy és Fz erők nagyságának mérése. Ebből az F erő nagysága, iránya és hatásvonala meghatározható. • Mz forgató nyomaték mérése, • Nyomásmérés a szorítást adó légnyomás ellenőrzésére. A légnyomás ellenőrzése a nyomásszabályozás esetén is elengedhetetlen.

82. ábra. Az új end-effektor kinematikai modellje

83. ábra. Erőmérő testek (távtartó rudak)

84. ábra. Erőmérőlap kompenzáló elemekkel

nyúlásmérő

bélyegekkel

és

A szenzorizált end-effector kinematikai modellje (82. ábra.) azt mutatja, hogy a rendszer alapvetően két részből áll. Az „A” rész egy pneumatikus, olló típusú két újas megfogó. A szögemelőként működő ujjak „hajlatában” 1-1 csavarásra igénybe vett nyúlásmérő bélyeges erőmérő lap (84. ábra) helyezkedik el. Feladatuk a szorítóerő mérése. Az „A” rész egy pneumatikus, olló típusú két újas megfogó. A szögemelőként működő ujjak „hajlatában” 1-1 csavarásra igénybe vett nyúlásmérő bélyeges erőmérő lap (84. ábra) helyezkedik el. Feladatuk a szorítóerő mérése. A „B” rész 3 tárcsaszerű elemből áll. A középső tárcsát a 3-3 speciális, előfeszített távtartó rúd közti össze. A távtartó rudak speciális egykomponenses erőmérők (83. ábra). A 84. ábrán látható erőmérő lapok elkészültek, kalibrálásuk folyamatban van. Az első mérések szerint a linearitási hiba kisebb 1 %-nál és a hiszterézis sem éri el a 3 %-ot. A szenzorrendszer „B” részének tervezése folyamatban van. 3.2.2. MECHANIKUS ROBOTPERIFÉRIÁK MÉRÉSTECHNIKAI TESZTELÉSE, BEMÉRÉSE

A robotizált gyártás mechanikus robotperifériák (megfogók, szerszámok, készülékek, mérőeszközök) használata nélkül elképzelhetetlen. Ezek az eszközök a műveletek végrehajtásához szükségesek. Legtöbbjük feladatorientált. Az alkalmazás biztonsága megkívánja ezen eszközök tesztelését, bemérését. A méréstechnikai teszt során a legfontosabb műszaki jellemzőket kell mérni.

89

• Pozicionálási, ismétlési és orientációs hibát, • Statikus és dinamikus merevséget, • Teherbíró képességet. A méréstechnikai teszt alapján el lehet dönteni, hogy a vizsgált periféria az adott műveletek elvégzésére alkalmas-e vagy sem? Alapvetően kétféle módon vizsgálhatók ezek az eszközök: • Ipari robotra szerelve (mérés során a robot hibái is bekerülnek az eredménybe), • Speciális tesztpadon, mérőállomáson (csak a mechanikus periféria adatait mérjük). A következő fejezetben bemutatjuk a tanszékünk által a Kolozsvári Műszaki Egyetem közreműködésével fejlesztett robot megfogó- és szerszámcserélőt. End-effektor cserélő méréstechnikai tesztelése

Szerelő robotoknál számtalan end-effektort használunk, melyeket a műveletek után automatikusan cserélni kell. Elvégeztük az általunk fejlesztett és alkalmazott cserélő méréstechnikai vizsgálatát a második módszer alkalmazásával [8; 11; 12; 17; 19; 21]. A következő vizsgálatokat és eredményeit mutatjuk be: • Pozicionálási és ismétlési hiba, • Statikus merevség és dinamikus merevség.

85. ábra. End-effektor cserélő (bal oldal) és a cserélőre szerelt mérő újas megfogó szerkezet A méréstechnikai tesztelés során három különböző mérési összeállítást használtunk. A 86. Ábrán látható a pozicionálási és ismétlési pontosság mérésére alkalmas mérő-vizsgáló rendszer. 86. ábra. Mérőállomás cserélő pozicionálási és ismétlési hibáinak mérésére A mérőállomás egy, a cserélési műveletet automatikusan lebonyolító készülékből áll. A rendszerhez tartozó két Mitutoyo Digimatic típusú lineáris inkrementális mérőelem méri a cserélés után kiinduló pozícióba érő mérőhenger aktuális helyzetét X és Y irányban. Az első cserélési művelet előtt a mérőrendszert nulláztuk és később ettől a nulla pozíciótól mérjük az adott cserélés után az aktuális és kiinduló pozíció eltérését μm-ben. A mérést 50-szer ismételtük meg. A mérési eredményeket feldolgoztuk és az 2. táblázatban adjuk meg.

90

87. ábra. Mérőállomás end-effector cserélő statikus merevségének mérésére Statikus merevség mérés alapjait már korábban taglaltuk. A 87. ábrán látható mérőállomás egy nyúlásmérő bélyeges erőmérőből, két lineáris inkrementális mérőelemből áll. A készülék közepén emelkedő állványra van szerelve a vizsgálandó cserélő: A cserélőre van szerelve egy mérőtüske. A mérőtüskét terheljük a 100 N-os erőmérőre szerelt csavar elforgatásával, míg az inkrementális elemek mérik egy időben a cserélő és az azt tartó állvány elmozdulását (rugalmas deformációját). A méréseket X majd Y irányú terhelés esetén is elvégeztük. A mérési eredmények az 2. táblázatban láthatók. 88. ábra. Dinamikus jellemzők meghatározására alkalmas mérőállomás Dinamikus jellemzők közül a saját frekvenciák mérését végeztük el. A 88. ábrán látható mérőállomás alacsony frekvenciás generátorból (0,1-1100 Hz), teljesítményerősítőből, elektrodinamikus rezgetőből és 2 piezoelektromos rezgésmérő szenzorból, valamint a hozzá tartozó töltés és integráló erősítőből áll. A vizsgálat során a szinuszos feszültségjelet adó generátor frekvenciáját növelve elérünk egy saját frekvencia közelébe, ahol a rendszer gyakorlatilag csillapítás nélkül (elvileg végtelen) gyakorlatilag helyileg maximális amplitudójú rezgőmozgást végez. A maximumhoz tartozó pontos frekvencia értéket a rendszerhez csatolt digitális frekvenciamérővel lehet mérni. A felharmonikusok is ily módon mérhetők. A mérési eredményeket a 2. Táblázat mutatja. 2. Táblázat. End-effektor cserélő méréstechnikai tesztjének eredményei Mérési PozicionáStatikus Saját Saját Saját irány lási és merevség frekvencia f1 frekvencia f2 frekvencia f3 ismétlési (N/mm) (Hz) (Hz) (Hz) hiba (µm) X <± 13 3221 189 725 1043 Y <± 15 451 131 242 908 Összefoglalás

A robotizált gyártás területén számtalan méréstechnikai feladat elvégzése szükséges. Monitoring (felügyelet) során az automatizálásból kivont ember felügyeleti funkcióit szenzorokkal kell helyettesíteni. Egyszerre több szenzort kell alkalmaznunk a megbízható felügyelethez. Az alkalmazott multi-szenzor technika lehetővé teszi a mérendő fontosabb jellemzők egyidejű (real time) mérését és ezzel a folyamat megbízhatóságának növelését. Az ipari robotok és mechanikus robotperifériák méréstechnikai tesztelése megadja a főbb műszaki jellemzőket. Ennek alapján eldönthető- mire alkalmas az adott eszköz. A robottal segített munkadarabmérés egy új lehetőség a robotalkalmazások számának növelésére.

91

FELHASZNÁLT IRODALOM (3. Fejezethez) 1. Farkas, J., Alpek, F.: Static and dynamic features of three-dimensional touch trigger probes. 9th IMEKO World Congress, Berlin (West), 1982. May, Vol.V/II.pp.89-101. 2. Lestelle, D.: Gripper with finger build-in force/torque sensors, in Proc. of the 5th Int. Conference on Robot Vision and Sensory Controls, 1985.p. 59-68, Amsterdam, North Holland (Elsevier Science Publishers BV). 3. Alpek, F.: Entwicklung und Testen einer externen Meßstation für automatische Messung kurzer rotationssymmetrischer Teile. Dissertation TU Dresden 1987. 4. Alpek, F., Jerzsabek, P., Nagy, S., Nagy, Z., Szalay, T., Szebeni, J., Szélig, K., Zsembery, F.: Entwicklung einer robotisierten Meβ- und Richtzelle. e&i, 108. Jg. (1991), Heft 6. S. 238-241. 5. Alpek, F., Jerzsabek, P., Nagy, Z., Sallay, P., Szalay, T., Szélig, K.: Überwachungsaufgaben der Montagezelle im CAD/CAM-Pilotsystem der TU Budapest. e&i, 110. Jg. (1993), Heft 3. S. 127-134. 6. Alpek,F.; Nagy; Z.; Sallay; P.; Szalay, T.; Szélig, K.; Toth, K.: Multi-sensor Technique for Increasing Intelligence of Assembly Robots, in: P.Kopacek (Ed.), Proceedings of the 2nd RAA Workshop, (Krems, 13-15.June 1993), Krems 1993. Springer-Verlag Wien, New York. p. 138-142. 7. Alpek, F., Sallay, P., Szalay, T., Nagy, Z.: "Force and Torque Monitoring for Increasing the Flexibility and Reliability of Assembly Robots", 3rd International Workshop on Robotics in Alpe-Adria Region, Bled, July 1994, pp. 165-170. 8. Alpek,F.: Greifer - und Werkzeugwechselsysteme-Steigerung der Flexibilität von Montagerobotern -e & i, 111 Jahrgang 1994. H. 6. S. 305 - 309. 9. Wertán,Zs.: A robottal segített munkadarabmérés lehetőségei és korlátai 3 D-s kapcsoló típusú tapintó alkalmazásánál, Diplomaterv, 1996. Budapesti Műszaki Egyetem Gépgyártástechnológia Tanszék. Konzulens: Dr. Alpek Ferenc. 10. Alpek,F.; Greguss,P.; Szalay,T.; Zatykó,E.: Possibilities and Solutions of robot-aided dimensional measurement. RAAD'96 Workshop Budapest, 1996. June, pp. 273-277. 11. Kovács, Zs.: A BME-n fejlesztett end-effektor cserélő méréstechnikai tesztelése. DiplomaTerv, 1997, .Konzulens: Dr.Alpek Ferenc és Mihálcz István. 12. Alpek,F.; Szalay,T.; Mihalcz, I.; Krys,N.: Überwachung ung Messtechnische Prüfung von Mechanischen Roboterperipherien. DAAAM-CEEPUS Workshop on Intelligent Machines and Technologies in the 21st Century/Miskolc/Hungary 1999. S. 37-43. 13. Alpek, F.; Krys, N.:Possibilities and Limits of Force/Torque Measurement and Monitoring in Applied Robotics, in: B.Katalinic (ed.), Proceedings of the 10th DAAAM Symposium, (Vienna, 21-23.October 1999), Vienna, 1999. p.009-010. 14. Szalay,T.; Alpek,F.: Realization of the Quality Assurance for Robotized Assembly Cell, Proceedings of IEEE Int.Symposium ISIE’99, Bled,Slovenia, 1999, Vol.2.pp.925-928. 15. Alpek, F., Krys, N.: Increasing the Reliability of Industrial Robots Using Force and Torque Sensors. Machining 2000, Budapest, Springer Hungary, Volume 2, pp.618-622 16. Alpek,F, Kovács,S., Krys,N.: Monitoring of Robot Grippers Using Force/Torque Sensors. Proceedings of the 9th Int. Workshop, RAAD, (Maribor 1-3 June 2000), p.209-214. 17. Alpek,F.; Szalay,T.; Krys, N.:Monitoring and Testing End-Effectors for Robots. XIV IMEKO World Congress IMEKO 2000 Vienna,Volume XI. pp. 3-8. 18. Alpek, F.; Kovács,S.;Krys, N.: Development and Testing Force/Torque Sensors for Robotized Production. XIV IMEKO World Congress IMEKO 2000 Vienna,Volume XI. pp. 77-82 19. Alpek,F.; Szalay,T.; Krys,N.: Monitoring and Measurement in Robotized Production. Research News, Special Issue 2000/4 (May 2001), Budapest University of Technology and Economics.pp. 92-101. (Ed.: Dr.Bojtár, I.) 20. Alpek,F.; Kovács,S.; Krys,N.: Advanced Methods in Force Monitoring the End-Effectors . Proceedings of 10th RAAD Workshop Vienna. May 2001, Vienna, p.32. (Ed.: Kopacek, P.) 21. Alpek,F.; Kovács,S.; Krys,N., Keresztesi, G.: Measurement and Monitoring of Robotized Production. Proceedings of 5th MTeM'2001 Conference, Cluj-Napoca/Romania, October 2001, pp. 1-4. (Ed.: Gyenge, Cs.), ISBN 973-85354-1-7

92

Mellékletek 1. A nyúlásmérő bélyegek típusai A ma igen elterjedten - a legkülönbözőbb mechanikai mennyiségek mérésére - használt nyúlásmérő bélyeget a 30-as évek végén két amerikai kutató Ruge és Simmons egymástól függetlenül alkalmazták először a nyúlás mérésére. A nyúlásmérő bélyegek a bennük alkalmazott deformálódó ellenállás kivitele szerint: • • •

huzalos; fóliás félvezetős bélyegek lehetnek.

1.1.Huzalos bélyegek: A huzalos bélyegek a legrégebbi, de még ma is igen elterjedten használt típusok. Elnevezésük abból következik, hogy mérőelemük ellenálláshuzal. A huzalos mérőbélyegeket • • •

hullámvonalú (ún. Meander-típusú); helikális kereszthidas kivitelben készítik.

1.ábra a) hullámvonalú huzalos kiviteli alakja, főméretei, 1 hordozó; 2 huzal; 3 villamos csatlakozó; b) fóliás nyúlásmérő bélyeg jellegzetes alapkivitele

93

1.1.1.Hullámvonalú bélyegek: A hullámvonalú huzalos mérőbélyeg a legelterjedtebb változat, tipikus kiviteli alakját az 3.ábra mutatja. Leggyakrabban alkalmazott huzalanyag a konstansán, ezenkívül a mérés céljától függően alkalmaznak még különféle ellenállásanyagokat mint nikrom, kromel, manganin, stb. A bélyeg hordozóanyaga papír, különféle műgyanták, azbeszt, csillám, kerámiák, üvegszállal erősített gyanták, textil stb. A hordozó feladata az alakváltozás átadása a mérőhuzalra és mérés közben a huzal meneteinek egymástól való villamos szigetelése. A bélyeg ún. aktív méreteit az ábrán látható A és B méretek, a felragasztás helyszükségletét a C, D és az E méretek határozzak meg. A bélyegek névleges adatai közé tartoznak: mindenekelőtt ellenállásértékük, a bélyegtényező, ezen kívül méreteikre, pontosságukra stb. vonatkozó adatok. 1.1.2. Helikális bélyegek: A helikális mérőbélyegek szerkezete olyan, hogy külön segédhordozóra tekercselik fel a huzalt, majd ezt erősítik fel a hordozóra. A helikális bélyegeket dinamikus mérésekhez fejlesztették ki, de különösebben nem terjedtek el. 1.1.3. Kereszthidas bélyegek: A kereszthidas mérőbélyegeket azért alakították ki, hogy lecsökkentsék a hullámvonalú bélyeg keresztirányú (a 3.a ábrán a B méret irányába eső) nyúlás hatására bekövetkező ellenállásváltozását. Minthogy azonban a fóliás és a félvezetős mérőbélyegek ebből -és sok más szempontból - jelentős előnyökhöz vezettek, így a kereszthidas bélyegek sem tudtak szélesebb körben elterjedni. 1.2. Fóliás nyúlásmérő bélyegek: A fóliás nyúlásmérő bélyegek nagy lépést jelentettek előre a nyúlásmérés területén. A bélyeg készítésénél alkalmazott új technológia adott lehetőséget merőben új, korábban el nem készíthető különleges bélyegtípusok előállítására. Az egyszerű - hullámvonalú huzalos bélyeggel lényegében egyenértékű - fóliás mérőbélyeg tipikus kiviteli alakját a 3.b. ábrán láthatjuk. A fóliás mérőbélyegek előállítási technológiája lényegében megegyezik a nyomtatott áramkörük előállítására használt és igen fejlett fotokémiai és kémiai eljárással. A huzalos és fóliás - azaz mérőelemként fémes ellenállást alkalmazó - nyúlásmérő bélyegek jellegzetes adatai: A névleges ellenállás nemzetközileg szabványosított értékei: R = 120, (300), 350, 600 és 1000 Ω. A névleges ellenállásérték szokásos pontossága: ±0,25 %. A nyúlási tényező (bélyegtényező): k == 2...2.2. A mérőbélyeggel elérhető linearitás a mechanikai terheléstől függ. Értékei: 4000 με -ig.* kb. 0,1 %, 25000 με -ig kb. 1 % Mérhető legkisebb nyúlás: kb. 0,1 c A bélyegek élettartama: 106 – 107 ciklus Mérési hőmérséklettartomány: -10 - +100...150°C

94

* A nyúlásmérésben szokásos a fajlagos nyúlást με egységben megadni. A με csupán jelölés 1 με = 1 μm/m. A különleges kialakítású fóliás mérőbélyegeket speciális feladatra fejlesztették ki és alkalmazzák. Ezek vagy különleges geometriájúak, vagy egynél több mérőelemet tartalmaznak. Tipikusan ilyen bélyegek a több mérőelemet tartalmazó ún, rozetták, ezek feladata, hogy ismeretlen fűirányok esetén is elegendő információt szolgáltassanak a mért mennyiséggel összefüggő vizsgált síkbeli alakváltozási állapotról. A kételemes 90°-os bélyeg két egymásra merőleges irány nyúlásértékeinek meghatározására alkalmas (2. ábra).

2. ábra. Kételemes 90°-os mérőbélyeg

4. ábra. Delta rozetta

3. ábra Halszálka mintázatú kételemes mérőbélyeg

Hasonló célú az ún. „halszálka" mintázatú bélyeg, amelyet a 3. ábrán láthatunk. Felhasználásának egy jellegzetes területe a tengelyek csavaró igénybevételével kapcsolatos mérések (pl. torziós nyomatékmérő). A 4. ábra ún. delta-rozettát mutat. A nyúlásmérés egyik jellegzetes területe - bár itt a fellépő állapot már csak közelítőleg, kis deformációknál tekinthető síkbelinek - a membránok deformációjának mérése, ez a probléma főleg nyomásmérésnél fordul elő. Membránok tangenciális nyúlásának mérésére a 5.a ábrán, a radiális nyúlás mérésére pedig a 5.b. ábrán láthatunk alkalmas bélyegkialakításokat. Megjegyezzük, hogy a tangenciális és a radiális nyúlás mérésére alkalmas mérőelemek egyesítésével kombinált bélyeg is készült.

a. b. 5. ábra. Membrán deformáció (nyomás) mérésére alkalmas bélyegek a, tangenciális b, radiális

95

1.3. A félvezető nyúlásmérő bélyegek: A félvezető nyúlásmérő bélyegek mérőeleme olyan félvezető, amelynél a mérőelem k nyúlási tényezője is nagy. k mintegy 50 .. 60-szorosa a fémbélyegeknél szokásos értéknek. A félvezető bélyeg jellegzetes kiviteli alakját a 6. ábra mutatja. A használt félvezetőkristály leginkább Si. A félvezető bélyegek felhasználási területe elsősorban a dinamikus méréseknél van. Hőmérsékletváltozásra érzékenyebbek. A mérhető legkisebb nyúlás két nagyságrenddel kisebb mint a hagyományos bélyegeknél. Ma még kevésbé elterjedtek, ami valószínűleg azzal függ össze, hogy drágábbak is a hagyományos bélyegeknél. A 7. ábrán a félvezető bélyegek jellegzetes karakterisztikáit láthatjuk. Az ábrából kitűnik, hogy részben a karakterisztikák görbültsége-, (k ~ konst.), részben pedig a félvezetők hőmérsékletfüggő tulajdonságai miatt az ellenállás a hőmérsékletváltozás hatására is változik. További problémát jelent a ragasztó száradás okozta zsugorodása, emiatt a félvezetőbélyegek mérőköreit gondosabban kell kiválasztani és kompenzálni mint fémbélyegek használata esetén. A félvezető bélyegek jellegzetes adatai: Névleges ellenállás: 120 Ω ± 10 %. Nyúlási tényező: k = 100 ±2 % Keresztirányú nyúlási tényező: < 1 % Linearitás: 1000 με <1%, 5000 με fölött ezen érték jelentősen lecsökken. 6 Élettartam: 10 ciklus (1000 με mellett). Mérhető legkisebb nyúlás: 0,001 με. Hőmérséklettartomány: -55... +150 °C

8. ábra. Félvezető nyúlásmérő bélyeg 1 hordozó; 2 félvezető

9. ábra. Piezorezisztív félvezetők jelleggörbéi a, P-típusú félvezető; b, N-típusú félvezető

2. Nyúlásmérő bélyegek ragasztása Fontos feladat a nyúlásmérő bélyegek felragasztása. Biztosítani kell a terhelések tökéletes átvitelét, a terhelt testtel való szilárd kapcsolatot. Ehhez a gyártók általában (gyakran a bélyegekkel együtt) erre a célra szolgáló speciális, nagy kötőerejű ragasztókat szállítanak. Döntő mozzanat a felragasztásra kiszemelt felület előkészítése, a gyártó által ajánlott kötési idő (ami lehet néhány perctől 72 óráig) és nyomás betartása. 96

A nyúlásmérő bélyegek felragasztásához a gyártócégek részletes utasítást adnak, sőt gyakran a ragasztóanyagot a bélyegekkel együtt szállítják. A bélyegek felragasztására a ragasztóanyagok két nagy csoportja, a szerves-, ill. a keramikus kötőanyagok használatosak. A szerves ragasztó csoportjába a nitrocellulóz, sellak, akril, poliészter, epoxi, fenolgyanta stb. bázisú ragasztók tartoznak, a keramikus típusok pedig szilikát, foszfát, fémoxid, ill. üvegbázisú kötőanyagok. Az egyes ragasztóanyagok kötési ideje igen különböző, a néhány perctől a 72 órás időtartamig terjed és a ragasztót szállító cég rendszerint előírja a kötés megfelelő minőségének eléréséhez szükséges összeszorító nyomás értékét is.

3. Nyúlásmérő bélyegek jellegzetes felhasználási területei: • • • • •

nyúlásmérés erőmérés (pl. erőmérőcella) nyomásmérés (pl. tartány oldalára, vagy alkalmas membránra ragasztva) forgatónyomaték mérése tömegmérés (főleg nagy tömegeknél)

3.1. Erő- és nyomatékmérés

Erő- és nyomatékmérésre a gépészetben a közvetlen és a közvetett leképezésű villamos mérőmódszerek használatosak. Közvetlen leképezésűnek azokat az eljárásokat nevezzük, amelyek olyan fizikai elveket, effektusokat alkalmaznak, amelyek az erőt vagy nyomatékot közvetlenül, közbenső mennyiség használata nélkül villamos jellé alakítják. Közvetlen leképezésű villamos erő- és nyomatékmérők átalakítói közé az − átmeneti ellenállásos − a magnetoelasztikus és − a piezóelektromos átalakítókat soroljuk Közvetett leképezésű eljárások alkalmazásában közbenső mennyiség (pl. deformáció) minden esetben szerepel az átalakítások során. Közvetett leképezést alkalmazó villamos erő- és nyomatékmérési eljárások a gépészetben két nagy csoprtba sorolhatóak, ezek − az összehasonlításon és − a rugalmas deformáció alkalmazásán alapulnak. A következőkben csak a rugalmas deformáción alapuló erő- és nyomatékméréssel foglalkozunk: A nyúlásméréses erő- és a nyomatékmérőknek egy részét a kereskedelemben kapható nyúlásmérő bélyegekkel képezik ki, más fajtáikat közvetlenül a mérőtestre tekercselt ellenálláshuzallal készítik. Ez utóbbi típusokat gyakran huzalos erő(nyomaték-) mérőknek nevezzük, miután azonban elvi különbség nincs közöttük, együtt tárgyalhatók. A nyúlásmérőbélyeges erő- és nyomatékmérők legkülönfélébb fajtái a gépészeti mérés technikában igen elterjedtek. Ilyen eszközöket láthatunk a 9. és 10. ábrákon, amelyek nagy nyomóerők (főleg súly) mérésére alkalmas készülékek. A beépített nyúlásmérőbélyegeket hídba kapcsoljuk

97

Hajlításra igénybe vett mérőtesteket tartalmazó és nyúlásméréses leképezésű eszközöket láthatunk a következő ábrákon. A 11. ábra a gyűrűs erőmérő nyúlásméréses változata.

10. ábra. Erőmérőcella (10...1000)•l03N méréshatárra

9. ábra. Erőmérőcella (1...1000).103 N méréshatárra 1 négyszögkeresztmetszetű mérőtest; 2 bélyegek; 3 ház; 4 nyomófelület

1 mérőtest négy bélyeggel; 2 bélyegek; 3 ház; 4 nyomófelület

11. ábra. Gyűrűs erőmérő l mérőtest a felragasztott bélyegekkel; 2 ház; 3, 4 erőbevezetés; 5 villamos csatlakozó

A következő ábrákon néhány nyomatékmérő nyúlásmérőbélyeges változatát láthatjuk. A négybélyeges nyomatékmérő legegyszerűbb kivitelét 12. ábra tünteti fel. A négy bélyeget a nyomatékot átvivő tengelyre, a tengely geometriai középvonalához 45°-al (jobbra, ill. balra) elfogatva ragasztjuk fel. A bélyegeket teljes hídba kapcsolják, a bélyegkivezetésekre alkalmazzák az ábrán látható négy csúszógyűrűt (A, B, C, D).

98

A 12. ábrán látható alapváltozattal lényegében azonos elven, különleges mérőbélyegekkel ún. rozettákkal is fejlesztettek ki nyomatékmérőt. Példa a Philips cég készüléke (13. ábra). 1050 1/s tengelyfordulatszámig használható mindkét forgásirányban. Az elérhető pontosság jobb mint 0,5%, a linearitás < 1% . Megjegyezzük, hogy a mérőrendszer legnagyobb érdekességét 2 átvivő rendszer képviseli, amelynek segítségével a forgó tengelyről, ill. - tengelyre induktív úton csúszógyűrűk nélkül, tehát érintés nélkül - viszik át a jeleket és a teljesítményt

12. ábra. Nyomatékmérés nyúlásmérő bélyegekkel (négybélyeges teljes híd elrendezés) 1 mérő tengelyrész; 2 csúszógyűrűk; 3 bélyegek

13. ábra. Nyúlásmérő bélyeges nyomatékmérő tengely (Philips) 1 karimás tengelykötés; 2 átvivő rendszer; 3 mérőbélyeg (rozetta); 4 mérőtengely; 5 csavarhajtású kalibráló kapcsoló 3.2. Nyomásmérés

A nyúlásmérés alapján végzett nyomásmérésben a nyomást közvetlenül mechanikai alakváltozásra alakító mérőelem lehet: hajlításra igény bevett rugó-, membrán-, vékony vagy vastagfalú cső A hajlított rugón, valamint csövek deformációján alapuló nyomásmérőkre példákat a 14. , 15. ábrákon láthatunk.

99

A hajlított rugón elhelyezett négy nyúlásmérőbélyeg aktív, teljes hídba vannak kapcsolva, ∆p =p1 – p2 =0 esetén a híd kiegyenlített. Előfordul gyakorlati méréseknél, hogy az egyszerű bélyegek helyett páronként 1--.1 rozettát alkalmazunk. A mérőtestként csövet alkalmazó eszközt a 14. ábra mutatja. Az 1 érzékélő oldalára vannak felragasztva a 2 (mérő) aktív bélyegek. A hőmérsékletkompenzálást a cső lezárt vége utáni toldaton elhelyezett 3 kompenzáló bélyegek látják cl. A készülék méréshatára a cső falvastagságától függ, mintegy 5*108 Pa felső határértékekig használják.

14. ábra. Csőmembrános nyomás különbségmérő hajlításra igénybevett segédmérőtesttel 1, 2 csőmembrán (mérőtestek); 3 hajlított rugó (segédmérőtest); 4, 5 nyúlásmérő bélyegek

15. ábra. Csöves mérőelemű nyúlásmérőbélycges nyomásmérő 1 érzékelőcső; 2 aktív; 3 kompenzáló bélyegek 3.3. Robotos rendszerekben használt erő- és nyomatékérzékelők

Robotizált rendszerekben a legjellemzőbb és legfontosabb erő-, nyomaték- és nyomásmérési feladatok az alábbiak :

100

• megfogó szerkezetek és munkadarab befogó készülékek szorítóerő felügyelete és szorítóerő szabályozása, műveletek közben fellépő erők és nyomatékok mérése, felügyelete és esetleges • szabályozása ( nyomásszabályozással ). Az első feladatnál a cél az, hogy az end-effektorral megfogott illetve a készülékbe fogott munkadarabra a manipulálás illetve a rögzítés során ható erők ne okozzanak maradó deformációt, ugyanakkor a műveleti erők nem mozdíthatják ki a darabot pozíciójukból. Számítható általában a szükséges szorítóerő. Ezt kell kifejteni és ellenőrizni szorítás közben. A szenzort a megfogó szerkezetbe illetve a munkadarab befogó készülékbe kell építeni. Számítható az erő és a nyomaték közvetve a szorítást végző közeg tápnyomásának mérésével. Itt gondot jelenthet az, hogy a megfogó szerkezetek szorítóerő-szorító út függvénye nem állandó, nem lineáris. Így mérni kell a szorító utat is és ezt is figyelembe kell venni a számításnál. A második feladat sokrétűbb és bonyolultabb, mivel igen sokféle lehet a művelet és akár egyszerre több erőösszetevőt is kell mérni. Az erő és a nyomaték az utolsó robotcsuklóra, az end-effektor mögé illetve a munkadarab befogó készülékbe vagy a készülék alá épített szenzorral mérhető közvetlenül. (További részletek a 3. 2. ROBOTIZÁLT GYÁRTÁS MÉRÉSTECHNIKAI FELADATAI című fejezetben a 76. oldalon találhatók)

101

4. Piezoelektromos szenzorok egyéb alkalmazási területei . •

Forgalommérési módszer: A forgalomtechnikai paraméterek mérésére kifejlesztettek egy olyan speciális kábelt jeladóként alkalmazó detektort, amely kábelt a pályafelület alá, a járművek haladási irányára merőlegesen kell lefektetni. A járművek kerekeinek nyomására elváltozás következik be a „vonalszerűen lefektetett detektor” alapállapotához képest, esetünkben a kábelben a nyomás hatására elektromos feszültség indukálódik. Ezt a kisméretű feszültség változást érzékeli a feldolgozó elektronika. Mivel ez a detektor csak a dinamikus nyomásváltozásra „figyel”, ezért csak a mozgó járművek megfigyelésére alkalmas, ebben a kategóriában viszont lehetséges a járművek tengelyszámának meghatározása, illetve a tengelyterhelés, sőt a sebesség mérése is.

•

Bemerülő áramlásmérők: A mérőfej mozgó alkatrészt nem tartalmaz ezért kiválóan alkalmazható szennyezett közegek mérésére. Az ütközőlap éleiről leváló örvények a szárnyat rezegtetik, melynek frekvenciája az áramlási sebességgel arányos. A szárny rezgését egy piezo kristály alakítja át elektromos jellé.

•

Nyomtatóművek (számítógépek nyomtatóiban): A folyamatos festéksugaras nyomtatók az ún. reciprok piezoelektromosság elvén működnek

(ez

a

piezohatás

megfordítottja).

A

reciprok

piezoeffektus,

a

piezokristályoknak külső elektromos térben létrejövő deformálódása. A polaritástól függően a kvarckristály kitágul vagy összehúzódik az egyik irányban és ugyanekkor

összehúzódik vagy kitágul a másik irányban. Valósághű fotóminőséget ad, akár egy hajszál is élethűen ábrázolható. Ez a minőség a csak a legújabb piezoelektromos technológiával érhető el, mely rendkívül precíz és gazdaságos is, mert csak a szükséges mennyiségű festékanyag kerül a papírra. •

Pásztázó alagútmikroszkóp:

A tűt egy piezoelektromos háromdimenziós mechanikai mozgató rendszerre szereljük, amely igen finom (század nanométeres, vagy finomabb) pontossággal képes mozgatni a tűt a minta felett. •

Gázkészülékek gyújtása: A piezo gyújtó gombjának megnyomásakor nagyfeszültségű szikrát hoz létre, mellyel meggyújtja a gyújtólángot.

103

5. IDOMSZERES MÉRÉS, ELLENŐRZÉS Bevezetés

A mérés tömegszerűségét (a mérendő, azonos munkadarabok számát) tekintve a mérés lehet: a) egyedi mérés: amikor egy-egy vagy néhány munkadarab mérése a feladat. A mérés és a megmunkálás általában időben és térben nem válik el egymástól. Főleg az egyedi és kissorozatgyártásban fordul elő. A mérést legtöbbször a gépkezelő végzi univerzális mérőeszközökkel (tolómérő, mikrométer, mérőóra, stb.) a műveletek előtt vagy annak befejezése után a megmunkáló gépen vagy annak környezetében. Mérés után folytatódik a darab megmunkálása. Bonyolultabb daraboknál (pl. hajtóműházak, motorházak, stb., ahol néhány darabos szériák fordulnak elő) szükséges univerzális mérőműszerek vagy mérőgépek használata is. b) tömeges mérés: amikor nagymennyiségű, azonos alkatrész egyes méreteinek ellenőrzéséről van szó. Ez a nagysorozat - és a tömeggyártásra jellemző. A méretek ellenőrzésére, minősítésére olyan speciális, cél- mérőeszközök szükségesek, mellyel a gépkezelő vagy a gépet felügyelő személy NC; CNC szerszámgépeknél használ "gyorsmérésre", minősítésre, miközben a gép már a következő munkadarabot munkálja meg. A megmunkálás és a mérés időben és térben nem, vagy alig különül el egymástól. Az ilyen speciális mérőeszközöket, melyeket tömeges mérésre használnak, IDOMSZEREKNEK nevezzük. Természetesen itt is előfordulhat univerzális mérőeszközök használata: sorozatok indításánál a gépbeállítás ellenőrzésére, szerszámcsere utáni ellenőrzéskor, ütközés utáni újraindítás során, stb. 5.1. Az idomszeres ellenőrzés kialakulása

A nagysorozatú és a tömeges gyártás megjelenésével, a gyártandó munkadarabok számának növelésével, a XVIII. század végén (főleg a fegyvergyártásban) kialakult munkamegosztás felvetette a cserélhetőség gondolatát. Gyakran a fegyverek alkatrészeit különböző helyen gyártották, illetve ugyanazt a típusú fegyvert több helyen is készítették. Szinte követhetetlen volt az, hogy a fegyvert honnan származó alkatrészekből kell összeszerelni illetve javítani. Eleinte a különböző műhelyekben gyártott alkatrészek nem voltak cserélhetőek, mert nagyon gyakran vagy "szemre" készítették őket vagy primitív, nem hitelesített mérőeszközökkel mértek. Megoldásként védjeggyel ellátott sablonokat kezdtek használni, melyeket a "Fegyverkancellári Hivatalok" hitelesítettek. Így korlátozott cserélhetőséget lehetett elérni, mert a sablonnal való ellenőrzéssel tulajdonképpen nem konkrét méretet állapítottak meg, hanem minősítettek. Eldöntötték, hogy jó-e a darab vagy használhatatlan (ezenbelül javítható-e, vagy javíthatatlan selejt). A döntés részben szubjektív volt mindaddig, míg a tűrés és illesztés szabványosítása ezt teljesen objektívvé nem tette. 5.2. Az idomszeres ellenőrzés elvi alapjai, Taylor - elv.

A sablonnal való ellenőrzésből alakult ki a XX. század kezdetén a tömeggyártásban az idomszeres ellenőrzés. (A sablont un. normál idomszernek is nevezzük). Ezen a területen W. Taylor angol mérnök munkássága úttörőjellegű volt. A róla elnevezett un. Taylor - elv lényege, a tűréshatárok ellenőrzése, melynek eszköze a határmérő idomszer. Mivel minden méretnek két határa (alsó határmérete: AH és felső határmérete: FH) van, így a mérő-, ellenőrző eszközt (idomszert) is két méretre kell készíteni, mellyel a két határméret ellenőrizhető és minősíthető. Az egyik mérethatárt ellenőrző idomszert "megy oldali", míg a másikat "nem megy oldali" jelzővel látják el, melyek a mérés, az ellenőrzés egyetlen kritériumára utalnak: • ha jó a darab (a méret) akkor "rámegy" vagy "belemegy" (megy oldali idomszer), 104

• ha jó a darab (a méret) akkor "nem megy rá", vagy "nem megy bele" (nem megy oldali idomszer). Ha a darab selejt legalább az egyik esemény nem igaz. A fentiek alapján megállapítható, hogy az idomszer nem mér, hanem minősít. Nem abszolút méretet állapít meg, hanem osztályoz, csoportba sorol: • feltételesen jó a darab, ha az idomszer megy oldali része "rámegy" vagy "belemegy", • feltétlenül jó a darab, ha az előző minősítést követően az idomszer nem megy oldali része "nem megy bele" vagy "nem megy rá". Az ellenőrzés fordított sorrendben is megengedett. • feltétlenül selejt a darab, ha az idomszer nem megy oldali része "rámegy" vagy "belemegy" (javíthatatlan selejt: FH-méretnél nagyobb furatátmérő vagy AH-méretnél kisebb csapátmérő). • javítható selejt a darab, ha az idomszer megy oldali része "nem megy rá" vagy "nem megy bele" (AH-méretnél kisebb furatátmérő, FH-méretnél nagyobb csapátmérő: utánmunkálással általában javíthatók). A Taylor - elv szerint a megy oldali idomszert úgy kell kialakítani, hogy a munkadarab minősítendő felületének jellemző méretét (pl. átmérőjét) teljes felületen, a felület teljes kiterjedésében egyszerre ellenőrizze, míg a nem megy oldali idomszer pl. az átmérőt pontpárok távolságaként külön-külön mérje (végtelen számú variáció). Az, hogy az idomszer megy oldala rámegy a "jó" munkadarabra vagy belemegy a "jó" munkadarabba azt jelenti, hogy pl. hengeres munkadarab esetén az összes átmérőt, összes tengelyirányú metszetében egyszerre méri, így az idomszer alakhűséget is vizsgál. Az idomszer nem megy oldalának-mely nem mehet rá a darabra vagy nem mehet bele a darabbaazért kellene külön-külön ellenőrizni minden egyes méretet (minden létező pontpár távolságát, minden lehetséges átmérőt), mert a határméretek esetleges túllépése csak így mutatható ki.

FH c AH c

FH f AHf

b, Csap

a, Furat

1. ábra. Az alakeltérés "feltétlenül jó" minősítésű darab esetén a T=FH-AH tartományban bármilyen lehet, ha a darabra alaktűrést nem írtak elő. Az idomszeres mérés Taylor elvéből következik, hogy a felületek alakeltérése a tűrésmezőn belül tetszőleges lehet "feltétlenül" jó minősítésű darab esetén (1. ábra) az alakeltéréseket külön kell tűrésezni. A 1. ábrán látható furat illetve csap minősítése "jó", mert a darabra alakeltérés nincs előírva, valamennyi átmérőmetszetben lévő pontpár távolsága nagyobb az alsóhatár méretnél (AHf ; AHc) és kisebb a felső határméretnél (FHf ; Fhc). A Taylor elvből adódó követelmények maradéktalan teljesítésének a legtöbb munkadarab esetén műszaki és gazdaságossági korlátai vannak. Példaként említve hosszú tengely átmérőjének 105

ellenőrzését, ahol a Taylor elv alapján a tengellyel azonos hosszúságú furatos (gyűrűs) elem lenne a megy oldali idomszer. Ez egyrészt nagy súlyú, másrészt igen drága lenne. A hosszú, a munkadarab tűrésének csak egy tizedét kitevő tűrésű furat gyártása esetleg nem lehetséges vagy csak igen költséges technológiával gyártható. A fentiek miatt az idomszerek kialakításánál egészséges kompromisszumra kell törekedni még a nem megy oldali idomszer esetén is, ahol a pontpáronként való ellenőrzés igen hosszadalmas lenne, illetve a pontszerű mérőfelülettel rendelkező idomszer már néhány száz mérés után a gyors kopás miatt használhatatlan lesz. A kompromisszum a fentiek alapján a következőkből áll: • a megyoldali idomszer mérőfelületét (hosszát és keresztmetszetét is) ésszerűen csökkenteni kell, így a mérés nem a munkadarab teljes felületen történik, de az idomszer súlya jóval kisebb lesz és ára is elfogadhatóvá válik, (1. táblázat) • a mérőfelületek gyors kopásának elkerülésére a nem megy oldali idomszer mérőfelületeit ésszerűen növelni kell (1. táblázat). Az idomszerek kialakításánál ügyelni kell arra, hogy a Taylor elvből adódó követelményektől való eltérés a műszakilag indokolt legkisebb mértékű legyen. 5.3. Az idomszerek bemutatása

A gyakorlatban számtalan kereskedelemben beszerezhető idomszert használnak, amelyek szabványos méretekhez (Renard-számsor, R5. szerint) illetve szabványos tűrésekre (IT minőség: IT5 - IT 16 között) készülnek. Az ezektől eltérő méretek illetve nem IT-ben előírt tűrések ellenőrzéséhez az idomszert le kell gyártani. Le kell gyártani akkor is az idomszert, ha speciálisan elhelyezkedő felületek közötti méret-, alak - vagy helyzeteltérések mérése, minősítése a feladat. A nem szabványos idomszerek használata növeli a gyártás, így a termék önköltségét. Ezért törekedni kell a szabványos méretek és tűrések használatára. (Ez a konstruktőr feladata. A technológusnak a konstrukció technológiai bírálata során erre feltétlenül ki kell térnie). Az idomszerek a mérendő felület alakja és egymáshoz viszonyított elhelyezkedése szerint három főbb csoportba sorolhatók: − sima idomszerek (lyukmérő, csapmérő, lépcsősméret vagy mélységmérő idomszerek) − alakos idomszerek (szögmérő, kúpmérő, menetmérő, fogazat ellenőrző, stb. idomszerek), − komplex idomszerek alak- és helyzeteltérések ellenőrzésére (síklapúság, köralak, hengeresség, stb. illetve egytengelyűségek, tengelytávolságok, stb.). A teljesség igénye nélkül a következő fejezetben bemutatjuk a három főbb típus általánosan használt idomszereit, röviden kitérünk használatukra illetve említést teszünk használhatóságuk korlátairól is. 5.4. Sima idomszerek bemutatása és alkalmazása

Sima idomszerek mindig egy méretet (külméret, belméret, átmérő, hosszúság, mélység, lépcsőmagasság stb.) ellenőriznek. Megy és nem megy oldali (határmérő) idomszerek, egyoldalas vagy kétoldalas kivitelben készülhetnek, azaz a megy és a nem megy oldali idomszer vagy különkülön mérőelem vagy egy mérőelemen vannak elhelyezve. Az.1. táblázat összefoglalót ad ezen idomszerek típusairól, kialakításukról és mérési (alkalmazhatósági) tartományukról. Már az előző fejezet végén szóltunk azokról a kompromisszumokról, melyek a Taylor-elvből adódó követelmények ésszerű módosítását igénylik. A mérőfelület és a mérendő felület nagyságát tekintve a kis átmérőjű és kis hosszúságú furat vagy csap megy oldali idomszere esetén eltérés nem, vagy alig indokolt (gyűrűs idomszer, huzalos dugós idomszer 1. táblázat). Nem megy oldali idomszernél 106

ez az igen nagy átmérőjű furat vagy csap ellenőrzésekor valósul meg (gömbös végű idomszer, betétes egyvillás idomszer: lásd, 1. táblázat)

Átmérő csoportok mm

> 1 -3

SIMA IDOMSZEREK OSZTÁLYOZÁSA Lyukmérő idomszerek

Csapmérő idomszerek

mo

mo

nmo

nmo mo

mo

mo nmo

mo

nmo

nmo

Huzalos egyoldalas és kétoldalas idomszer > 3 -30

Mélységmérő idomszerek *

Szájas idomszer Gyűrűs idomszer

nmo

mo

nmo

Mélységmérő idomszer lépcsős mérethez

Csapos egyoldalas és kétoldalas idomszer > 30 -50

mo

nmo

mo nmo

nmo

mo nmo

nmo

Rátétgyűrűs egyoldalas és kétoldalas idomszer > 50 -100

mo

Egyvillás idomszer

Kétvillás idomszer

Nem megy oldali gömbösvégű idomszer

Mélységmérő idomszer furathoz nmo

> 100-120

> 120-180

mo nmo

Hengeresvé gű lapos megy oldali idomszer

mo

mo

Mélységmérő idomszer csaphoz nmo

Nem megy oldali gömbös idomszer > 180-315

Betétes egyvillás idomszer

Billenő mélységmérő idomszer

Hengeresvé gű lapos megyoldali idomszer Megjegyzés: mo - megy oldali; nmo - nem megy oldali; * - mérethatár nélkül 1. táblázat. Sima idomszerek osztályozása 107

A lyukmérő idomszerek alkalmazásánál 50 mm-ig csak egy dologra kell ügyelni, hogy az idomszer megy és nem megy oldala lehetőleg saját súlyánál (mint mérőerő) fogva csússzon be a vizsgálandó furatba. 50 - 315 mm között használandó idomszereknél vigyázni kell arra, hogy a hengeres furat merőleges metszetében tapintsunk le azt. Ellenkező esetben egy ellipszis nagytengelyét mérjük. Gyakorlott mérőszemélyzetnél ez már ösztönösen megy, kialakult az u.n. "mérőérzék". Csapmérő (villás) idomszerek használatánál az első követelmény (a mérőerő arányos az idomszer saját súlyával) fokozott betartása indokolt. A gyűrűs idomszer (1 - 5 mm) kivételével, valamennyi villaalakú mérőtest a mérőerő hatására deformálódik (kinyílik) és a darab felső határméreténél nagyobb méretet is jónak minősíthet. Valamennyi villás idomszer rendelkezik un. sajátos mérettel ( a nulla mérő nyomóerő melletti méret optikai mérőeszközökkel mérhető ) és u.n. működő mérettel (a mérés közbeni méret). A működő méret beállítására, ellenőrzésére léteznek olyan készülékek, ahol az idomszert saját súlyánál fogva csúsztatják rá a vizsgáló, a beállító idomszerre, elemre. Mélységmérő (lépcsőméretet mérő) idomszerek (1. táblázat) szintén határmérő idomszerek. Mérés közben a táblázatban található első 3 típus használata során az ábra szerint jobbra illetve balra toljuk az idomszert (lehetőleg a saját súlyának megfelelő erővel) és ha kell értelemszerűen átfordítjuk (az ábrán az első típus). A megy oldali és nem megy oldali méretek különbsége a mérési bázisfelülettel szemben, "lett kialakítva" (az első típusnál felül, a második és harmadiknál alul látható a különbség). A negyedik típus billentéssel mér. Az idomszert az ábrán látható vízszintesen elhelyezkedő mérőbázison 180º-kal átfordítjuk. "Jó" darab esetén a megy oldali rész akadálytalanul átfordulhat és továbbfordítható, míg a nem megy oldal mérőhelyzetébe éréskor felütközik. A fenti zömmel szabványos idomszerek mellett léteznek természetesen különleges, sima idomszerek is. Ezek általában 315 mm feletti méretek ellenőrzésére szolgálnak, illetve különleges kialakítású idomszert kell használni, ha férőhely problémák vannak, vagy költségkímélés a cél. Ide tartoznak olyan univerzális mérőeszközök, elemek melyek speciális elemmel kiegészítve idomszerként használhatók. Ilyen idomszer többek között a kétoldalas dugós idomszer, ahol egy hengeres testen elől a megy oldali dugó, mögötte pedig a nem megy odali dugó helyezkedik el. A mérés során egy mozdulattal a megy oldali és a nem megy oldali dugó is elvégzi a minősítést. Ide tartozik az ú.n. lemezidomszer, mely nagy, belső méretek ellenőrzésére szolgál. Az idomszer (a lemez) élére állítva hatol be a furatba, mérőfelületei (a lemez élei) a mérendő furat rádiuszára készülnek vagy élszerűek. Hátrányuk gyorsan kopnak és a megy oldali idomszer esetén erősen eltérnek a Taylor-elvtől.

2.ábra. Te-Bo idomszer kialakitása Bizonyos területen (csapágygyártás) elterjedten használják az SKF (Svéd Csapágy Gyár) által kifejlesztett Te-Bo elnevezésű idomszert furatok ellenőrzése. Kialakítása a 2. ábrán, míg működési elve a 3.ábrán látható. Különleges villás idomszer, az un. lemezidomszer, egyoldalas és kétoldalas kivitelben. Megfelelnek minden tekintetben a szabványos villásidomszernek. Nem szabványos méretek ellenőrzése, illetve a 108

kis- és középsorozat gyártásban használják. Sokszor maga a gyártó készíti el edzett, lemezszerű anyagból igen kis darabszámban. Léteznek állítható villás idomszerek, melyeknél a megy és nem megy oldali páros mérőfelületek egyike néhány milliméteres tartományban a kivánt méretre beállítható. A beállításhoz általában mértékhasábokat, a beállítás ellenőrzésére zömmel univerzális, precíziós mérőeszközöket használnak.

3. ábra. Mérés Te-Bo idomszerrel a, az idomszer bevezetése a furatba, megy oldali mérés, b, nem megy odali mérés, c, a furat mérete a megengedettnél nagyobb (selejt) Az állítható mérőfelület lehet sík vagy hengergörgős kialakítású. Villás és dugós idomszerként a mérés során tönkrement idomszer átmeneti pótlására vagy a kissorozatú gyártásban használható az u.n. mérőhasábos idomszer, mely a mérőhasáb készletekhez tartozékként rendelkezésre álló szorítókeretből, mérőcsőrökből (sík, hengeres, ék alakú végződésű) és a vizsgálandó mérethatárt megtestesítő mértékhasábokból áll (4. ábra).

4. ábra. Mértékhasábokból és tartozékaikból összeállított egyvillás idomszer. Megy oldali és nem megy oldali idomszerként is használható. Egy készletből percek alatt újabb méret ellenőrzésére alkalmas idomszer állítható össze 1-315 mm tartományban. Léteznek pneumatikus villás és dugós idomszerek (több mérő fúvókával vannak ellátva), de van mérőórával vagy villamos hosszmérő elemmel felszerelt villásidomszer is. Ezek taglalására itt nem térünk ki, mert ezek csak részben tekinthetők idomszereknek és csak speciális területen alkalmazzák őket. Léteznek természetesen nem szabványos mélységmérő idomszerek is: Tapintós mélységmérő - Itt körömmel kell kitapintani, hogy a hengeres tapintó homlokfelülete mérés során hol helyezkedik el (pl. “ a megy oldal ” felül tapintható és “ nem megy oldal” felül nem tapintható körömmel ⇒"jó" a darab). A szubjektív hibalehetőség nagy.

109

Mutatóvonalas mélységmérő - az előbbi változattól csak annyiban tér el, hogy a minősítés nem körömmel való letapintás utján, hanem álló és elmozduló mutatóvonalak helyzetének észlelése (vizuális ellenőrzés) utján történik. Nagy a szubjektív hibalehetőség. Mérőórás mélységmérő - Itt nincs megy és nem megy oldal. Egyszerűen adva egy mérőtest, mely megtestesít egy mérőbázist és ehhez képes a mérőóra méri a lépcsőmagasságot vagy az üreg, furat mélységét. A mérőórán jelző lovasokkal a mérési határok beállíthatók. Ez már nem tekinthető idomszernek. 5.5. Alakos idomszerek

Ide tartoznak a különböző szögmérő, kúpmérő, menetmérő és fogazat ellenőrző idomszerek is. Az alakos idomszerek zömmel határmérő idomszerek, de előfordul közöttük ún. normál idomszer, melynek nincs külön megy oldali és nem megy oldali része. Ilyen idomszerek a szögmérő idomszerek (pl. derékszögek), ahol a minősítés fényrés ellenőrzéssel történik; ez bizonyos szubjektív hibát vihet a minősítésbe. Az alakos idomszerek ellenőrizhetnek egyetlen méretet (szögmérés) vagy több méretet határmérő idomszerként megy oldali és nem megy oldali kialakításban (kúpmérésnél: a kúpszög, egy átmérő és a kúp hosszának ellenőrzése egyetlen megy és nem megy oldali idomszerrel; menetmérésnél: középátmérő ellenőrzése, a középátmérőbe kumulált (összegzett) menetemelkedési és szelvényszög hibák ellenőrzése egyetlen megy és nem megy oldali idomszerrel stb.). Szögmérésnél szinte mindig normál idomszert használnak, ahol nincs megy és nem megy oldal kialakítva. A szögeltérés fényrés-ellenőrzéssel történik. Ez komoly szubjektív hibát okozhat. Méréskor (pl. mérő derékszöggel) a mérő bázisfelületen csúsztatjuk a mérőeszközt, míg a másik szára (mérő felülete) a mérendő felület közelébe ér. Ha a fényrés (0,05 - 0,1mm vastag) párhuzamos a vizsgált szöggel, "jó" a darab, ha a szögpár egyik oldalán nagyobb vagy kisebb a fényrés, akkor a szárak elhelyezkedéstől függően a szög kisebb vagy nagyobb, mint az előírt szög. Azt, hogy a tűrésen belül van-e, így nehéz eldönteni. Ezt pontosabban csak mutatós szögmérővel (egyetemes vagy optikai szögmérővel, 10" - 1' felbontással) lehet eldönteni. Közvetett szögmérés történhet un. szinusz -vagy tangens vonalzóval is. 5.6. Kúpmérés idomszerrel

Belső és külső kúpok a következő 4 méretből bármely hárommal egyértelműen leírhatók. kis és nagyátmérő (d ; D) kúphosszúság (L), félkúpszög (α/2). A kúpmérési módszerek zöme a mérést hosszméretek ellenőrzésére vezeti vissza. Ugyanezt csinálja a kúpidomszer is, mely határmérő idomszer. Kettős feladatot lát el: •

normál idomszerként festékezéssel a kúpfelület kúposságának, alakhibájának ellenőrzését végezheti (ez kicsi vagy önzáró kúpoknál nem használható) • határmérő idomszerként a kúpszög, az egyik átmérő és a kúp hosszának méreteltérését tengelyirányú helyzet (hosszméret) ellenőrzésére vezeti vissza. Az idomszerek használatakor a vizsgálandó belső kúp vége (ez lehet a nagy átmérőt megtestesítő felület( lásd. 5. ábra. a. részlet vagy a kis átmérőt hordozó felület) az "m" magasságú lépcsőben jelenik meg "jó" darab esetén. A "m" érték a méretekből és azok tűréseiből határozható meg. A mérés során annak észlelése, hogy az említett átmérők, felületek élei hol helyezkednek el, vagy körömmel való letapintással vagy mutató vonalak felhasználásával esetleg tengelyirányú helyzetet ellenőrző mérőóra felhasználásával történhet.

110

a.

b. 5. ábra Kúpidomszerek kialakításának elve a. dugós kúpidomszer b. hüvelyes kúpidomszer Külső kúp vizsgálatakor (5. ábra b.) ugyanúgy járunk el. 5.7. Menetmérés idomszerrel

Menetes orsók és anyák felhasználása során a külső átmérők és a magátmérők nem működő felületek, itt a felületek nem érintkeznek egymással. Átmérőiket, melyek viszonylag durva a tűrésűek, villás vagy dugós idomszerrel illetve un. csúcstő mérő villás idomszerrel lehet ellenőrizni. A menetszelvény három fő jellemzője: a középátmérő, a menetemelkedés és a szelvényszög szoros összefüggésben vannak egymással. Hibás menetszelvények kapcsolódását vizsgálva megállapítható, hogyha két menet szelvényszög- vagy menetemelkedési hiba miatt nem csavarható össze az orsó középátmérőjét megmunkálással csökkentve vagy/és az anya középátmérőjét bizonyos értékkel növelve az orsó és az anya összecsavarható lesz (3. 6. ábra).

6. ábra. Hibás menetszelvények kapcsolódása 111

Az ilyen kiegyenlítés, amely a szelvényszög és a menetemelkedés eltéréseit a középátmérő változtatásával kompenzálja, a diametrális kiegyenlítés nevet viseli. A részletek taglalása nélkül a szabvány szerint a menetek középátmérőinek tűrésében beépítve megjelenik a középátmérők, a szelvényszögek és a menetemelkedés hibája. A szelvényszögre és az emelkedésre a szabvány csak névleges értéket ad meg, emellett megadja a középátmérő tűrését az anya -orsó illeszkedési fokozata (laza, átmeneti és szilárd illesztésű) és a csavarmenetek minőségének (finom, közepes és durva) figyelembevételével. A csavarmeneteket határmérő idomszerekkel mérjük. A mag és a külső átmérő méréséről már említést tettünk. A kumulatív (összegzett) tűrés (középátmérő tűrése) ellenőrzésére és minősítésére a következő idomszereket használjuk: Menetes orsók ellenőrzése kis átmérőjű meneteknél (M5 vagy kisebb) menetes gyűrűs idomszerrel történhet ( 7. a. ábra. Ez tulajdonképpen egy precíziós anya). Nagyobb méretekre un. görgőfésűs villásidomszert ( 7. f. ábra. ) használjuk, mely jelentősen megsérti a Taylor elvet, a gyűrűs idomszernél ez nem áll fenn. A görgőfésűs villás idomszer megy oldali menetprofilja teljes, míg a nem megy odal menetprofilja csonkított, az eredetinek mintegy 1/3-ad része. A görgőfésűs idomszer bizonyos tartományban állítható. A görgőpárok közül az egyik excentrikusan van felfogva, ezt elfordítva nő vagy csökken a méret. A beállításhoz beállító menetes idomszerre van szükség (7. e. és g. ábrák). A görgőfésűs idomszer mérő görgőjének szelvénye egyenlő a menet normálmetszetében mérhető szelvényével, de nem menet, hanem csak beszúrással készül. Méréskor az idomszert (a görgőfésűt) a menetemelkedési szögnek megfelelő dőlésű sík mentén rátoljuk (megy oldal esetén), áttoljuk a meneten. A görgő fésük párosával készülnek az egyiken legalább egy görgőfésű-fog, a másikon legalább két görgőfésű-fog található. Az orsómenetek magátmérőjét speciális villásidomszerrel lehet ellenőrizni ( 7. d. ábra ).

7. ábra. Az orsómenet mérés idomszerei A használat során az idomszerek, megy oldala kopik. A kopás ellenőrzése gyűrűs idomszernél kopásvizsgáló menetes dugós idomszerrel lehetséges (7.b. és c. ábrák ). Anyamenetek ellenőrzésére megy oldali (teljes menetszelvényű) és nem megy oldali (csonkított menetszelvényű) menetes dugós idomszerek szolgálnak. Lehetnek egy oldalas illetve két oldalas kivitelüek (egy idomszertest két oldalán található a megy és a nem megy oldali menetes mérőfelület). Az anyamenet ellenőrzése egyszerű. Ha a sima dugós idomszerrel a magátmérőt ellenőriztük, megpróbáljuk a menetes dugós idomszer megy oldalát becsavarni az anyába. Ha bemegy, a darab feltételesen jó. Ha nem megy oldali részt nem tudjuk becsavarni, akkor a darab feltétlenül jó minősítésű.

112

5.8. Alak- és helyzetpontosságot mérő (komplex) idomszerek

A feladat lényegében abban áll, hogy a munkadarab egyes felületeinek egymáshoz viszonyított kölcsönös helyzetét vizsgáljuk. Főbb területek a következők: • Középvonal (tengely) helyzetének ellenőrzése, • Tengelykötések elemeinek helyzetellenőrzése. Ezek az idomszerek nem méretet, hanem használhatóságot ellenőrző, komplex ("helyezkedésmérő") idomszerek, melyek egyszerre akár több alak-és helyzettűrés együttes minősítését végzik (pl. bordás tengely vagy hüvely ellenőrzése). Ezek használata előtt a mérettűréseket sima idomszerrel ellenőrizni kell (pl. bordástengely külső átmérője, belső átmérője, bordaszélesség), ha a minősítés valamennyi méretre "feltétlenül jó" csak akkor kell, akkor van értelme a használhatóságát ellenőrizni. Ez az idomszertípus a mérendő darab ellendarabját testesíti meg. Pl. bordáshüvely ellenőrzése esetén a vele illeszkedő bordástengelyt "helyettesíti" és csak "egy oldala" van. Ha rámegy vagy bele megy a darabba, a darab használható. Van olyan idomszertípus (zászlós idomszer), melynek megy és nem megy oldala is van. 5.8.1. Középvonal (tengely) helyzetének ellenőrzése

Ez alapvetően három módon történhet: • Valódi középvonal mérés határmérő idomszerrel, • Testméret mérés határmérő idomszerrel, • Középvonal mérés helyezkedés méréssel.

8. ábra. Valódi középvonalmérés elve és idomszere Valódi középvonalmérésnél először a középvonalat kell az idomszerrel megtestesíteni, utána ettől kell mérni az alsó és felső határméretet megy és nem megy odali idomszerrel. Egy furat középvonalát enyhén kúpos mérőcsappal testesítjük meg és ennek a csapnak a hengeres 113

mérőfelületétől ellenőrizzük a helyzettűrést bármilyen mélységmérő vagy külméret mérő segédidomszerrel (8. ábra). Testméret mérésnél a működés szempontjából fontos méretet (pl. furat tengelytávolsága egy sík bázis felülettől) esetében a síkkal párhuzamos legközelebbi illetve legtávolabbi alkotók távolságát ellenőrizzük és nem a középvonal távolságát. Erre a célra ú.n. zászlós idomszer szolgál, mely megy oldali és nem megy oldali mérőfelülettel rendelkezik (9.ábra). Mérés előtt természetesen a furatot dugós idomszerrel ellenőriznünk kell, csak "jó" furatátmérő esetén kell a testméret ellenőrizni. Helyezkedésmérésnél azt ellenőrizzük, hogy darabunk szerelhető -e, összeilleszthető-e a legnagyobb terjedelmű (az előírt tűréseknek megfelelő) ellendarabjával? Evvel a módszerrel főleg egytengelyűséget és tengelytávolságot lehet komplex módon ellenőrizni.

9. ábra. Zászlós idomszer Ezeknek az idomszereknek nincs külön megy és nem megy oldala. Ha "megy" az idomszer a mérés során akkor jó, használható a darab. Ellenkező esetben nem használható, selejt. A zászló mérőfelületének kialakítása az ellendarab felületének kontúrjától függ. Két furat egytengelyűségének ellenőrzésére lépcsős, egytengelyű, két precíziós csapot megtestesítő fogantyúval, vagy szárral ellátott "dugós" idomszer szolgál. Az egyik csap a vezetőcsap, a másik a mérőcsap. Mérés során először a vezető csapot toljuk be a furatba, majd továbbtolva az idomszert a mérőcsap is eléri furatát, ha belemegy akkor 360º-kal körül kell forgatnunk, ha ez sikerül a darab használható, különben selejt. (10.ábra). Értelemszerűen hasonló elvek alapján kell kialakítani két hengeres lépcsőből álló tengely egytengelyűségét ellenőrző két mérőfelülettel (furat) rendelkező gyűrűs idomszert is. Itt is van vezető és van mérőgyűrű (furat). Kezelése hasonlóan történik, mint az előző esetben. Vannak esetek, ahol furat és a vele egytengelyű külső hengeres felület külpontosságát kell ellenőrizni. A fentiek alapján ez sem lehet probléma. Az idomszer egy gyűrűből és közepén elhelyezkedő csapból áll. A mérő- és vezető felület kiválasztása a méretekből (átmérő, furatmélység vagy tengelyhosszúság) és a tűréstől függ. Cél a kis mérési idő, a legkisebb hiba és az alacsony költség elérése.

114

Komplex idomszer

Munkadarab

10. ábra. Egytengelyűség mérő idomszer 11. Tengelytávmérő idomszerek esetén az idomszer kialakítása a munkadarabtól függ. A gyakorlatban legtöbbször két furat tengelytávolságát kell ellenőrizni (ritkán fordul elő az, hogy két csap vagy csap és furat tengelytávolságát kell mérni). Itt az idomszer 2 precíziós csapból, egy idomszertestből (lemezszerű acélból) és esetleg fogantyúból áll. (11. ábra). Az egyik csap mindig a vezető csap a másik a mérőcsap. A csapok hossza függ attól, hogy milyen a darab és mi a csap szerepe. A vezető csap mérete pontosan olyan, mint a furatot (melyben a csap megvezeti az idomszert) ellenőrző dugós idomszerré. A mérőcsap mérete a neki megfelelő dugós idomszernél kisebb (általában a tengelytáv tűrésével kisebb).

11. ábra. Tengelytávmérő idomszer 5.8.2. Tengelykötések használhatóságának ellenőrzése

A tengely kötések főbb csoportjai: a, b, c, d,

reteszkötések, bordás tengelykötések, poligon tengelykötések, különleges tengelykötések.

A tengelykötéseket ellenőrző idomszerek a legbonyolultabb komplex idomszerek, amelyek egy időben alakot és helyzetpontosságot is minősítenek. Terjedelmi okokból az összes kötés vizsgálati módszerei és eszközei helyett, elvi alapok ismertetésével a bordás tengelykötések elemeinek ellenőrzését ismertetjük. 115

A bordás tengelykötések jellemző méretei: d, − belső átmérő D, − külső átmérő b, − borda szélesség n. − bordák száma Az első három méret ellenőrzése határmérő idomszerekkel oldható meg. (dugós idomszerrel: d - a bordáshüvelynél; villásidomszerrel: d és D - a bordástengelynél; lapos idomszerrel a bordáshüvely külső átmérője ellenőrizhető: ez a 13. ábrán látható, valamint lapos (dugós) illetve szájas idomszerrel a bordaszélesség ellenőrizhető). Ha a fenti három minősítés "jó", csak akkor lehet a használhatóságot, a helyezkedést ellenőrizni speciális komplex idomszerrel.

13 Bordáshüvely külső átmérőjének ellenőrzése lapos-dugós idomszerrel A bordásagy ellenőrzésére az ellendarabot, annak legnagyobb kiterjedését megtestesítő, bordástengelyszerű komplex dugós idomszert kell használni, mely használhatóságot ellenőriz. Ha a dugós idomszer bedugható a bordás agyba, akkor használható, különben selejt. A mérés gyorsítására célszerű a belső átmérő legkisebb méretére készülő, hengeres bevezető csappal ellátni az idomszert. (14. ábra). Ez bevezeti az idomszert, melyet ez után csak tengelye körül kell egy kicsit elforgatni, hogy az idomszer bordái is betaláljanak a horonyba. Bordástengely ellenőrzésére használt komplex hüvely alakú idomszer is a fenti elvek alkalmazásával készíthető el.

14. ábra. Bordáshüvely ellenőrző komplex idomszer

Irodalomjegyzék 1. Percze József: Idomszerszerkesztés. Tankönyvkiadó, Budapest, 1973. J4-814 2. Dr. Szilágyi László: Gépipari hosszmérések. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1982.

116

6. Felületi mikrogeometria (érdesség) mérése A munkadarabokkal szemben a méretpontosság mellett, felületi követelményeket is támasztanak. A munkadarabok felületi minőségét makrogeometriája (alakhiba, hullámosság), és mikrogeometriája (felületi érdesség, mikroérdesség), valamint a megmunkáláskor kialakuló felületi réteg fizikai és kémiai tulajdonságai határozzák meg. Ha bizonyos felületérdességi jellemzők meghatározásához a munkadarabot határoló teljes mértani felületet vizsgáljuk, akkor makrogeometriai vizsgálatról beszélünk, és a hibákat makrohibának nevezzük. Makrogeometrirai jellemző a hullámosság és az alakhiba. Az alakhiba a munkadarab valóságos felülete és a ráfekvő mértani felület között mért egyenetlenség. (Az egyenetlenség a tényleges felületnek egy célszerűen választott mértani felülethez viszonyított kiugrásai, illetve bemélyedései.) Alakhiba pl.: az elő nem irányzott kúposság, ovalitás, horpadás. Az alakhibák észlelése, és számszerű értékelése hossz- és szögméréssel lehetséges. A mérés makrogeometriai: vizsgálatkor a munkadarab felületének egészét, vagy annak nagy részét veszik figyelembe. A hullámosság a valóságos felületeknek az a viszonylag nagy térközű, ismétlődő felületi egyenetlensége, amelynek hullámmélysége (amplitúdója) a hullámhosszhoz viszonyítva kicsi, és amelynek hullámhossztartománya olyan, hogy az ebbe tartozó egyenetlenségeket az érdesség mérésekor már nem, az alakhiba értékelésekor pedig még nem vesszük figyelembe.

1. ábra: felület hullámossága és érdessége A hullámosság a felületnek periodikus egyenetlensége. A hullámosságot az alakhibától és az érdességtől a hullámhossz alapján lehet elválasztani. A hullámosság felső határ-hullámhosszánál nagyobb hullámhosszúságú egyenetlenségek alakhibának minősülnek. Hullámosság mérésére sávszűrős érdességmérő műszerek alkalmasak.

2. ábra: köszörült felület elektronmikroszkópos képe A felület mikrogeometriája alatt a tényleges felületnek az ideális felülettől való eltérését, szabad szemmel nem, vagy alig érzékelhető geometriai eltérését értjük. Ha a felület kis részének vizsgálata alapján tudunk meg olyan mutatókat, mellyel az egész felület minősége jellemezhető, akkor mikrogeometriai vizsgálatról beszélünk. 117

Az érdesség a munkadarab valóságos felületének viszonylag kis térközű, különféle jellegzetes mintázatot mutató, ismétlődő egyenetlensége (1. ábra), amely általában alakhibát és hullámosságot már nem tartalmazó –kiegyenesített középvonalú- profil alapján értelmezhető:

3. ábra: kiegyenesített középvonalú profil érdességének értelmezése Forgácsolt felületeken az előtolás ismétlődő, határozottan felismerhető egyenetlenségeket okoz (4. ábra). Erre halmozódik a szerszám forgácsoló éleinek egyenetlenségeiből és a szerszám – munkadarab - szerszámgép rendszer rezgéseiből adódó, az előzőhöz viszonyítva kisebb térközű egyenetlenség, amelyre halmozódva egy még kisebb nagyságrendű –a kristály kitöredezettségeiből adódó (5. ábra)- egyenetlenségek figyelhetők meg.

4. ábra: felületek különböző nagyságrendű egyenetlenségei

5.ábra:Barázdakép szétporladással

Az egyenetlenségek ilyen nagyságrendi megkülönböztetése általában a forgács nélküli alakítással készült felületeken is lehetséges. E három, nagyságrendben megkülönböztethető érdességet egymástól éles határral elválasztani nem lehet. A mikroérdesség a valóságos felület határrétegének fizikai és kémiai behatások következtében létrejött, a kristályrács elcsúszásában és egyéb megváltozásában, valamint adszorbciós jelenségekben megnyilvánuló mikroegyenetlensége. A mikroérdesség például elektronmikroszkóppal észlelhető (2. ábra). A mikrogeometriai hibák közül számunkra legfontosabb felületminőségi jellemző a felületi érdesség, amellyel az egymáson elmozduló gépalkatrészek közötti súrlódás (6. ábra), az alkatrészek kopás- és korrózióállósága stb. befolyásolható. 118

6. ábra: két érdes felület a csúszóérintkezésnek megfelelő elrendezésben A felületi érdesség kifejezésére különböző érdességi mutatók használatosak. A legfontosabb érdességi jellemzőket az MSZ 4721/2-74 számú szabvány foglalja össze. Ezek a következők: - átlagos érdesség /Ra/ - egyenetlenség magasság /Rz/ - középvonaltól mért egyenetlenség magasság /Rt/ - középvonaltól mért egyenetlenség mélység /Rf/ - maximális egyenetlenség /Rmax/ - profil-űrtényező /Kp/ - profilteljességi tényező /Kh/ - simasági mérőszám /hq/ A legfontosabb érdességi jellemzők definiálása előtt néhány alapfogalommal kell megismerkednünk. Ezek a következők: alapvonal, alaphossz, mérési hossz, középvonal /M-vonal/, tetővonal, fenékvonal. Az alapvonal az észlelt profil síkjában lévő és annak értékelésére kiválasztható vonal, amelytől az észlelt profil jellemzőinek számszerű értékeléséhez a profil egyes pontjainak távolságát mérjük. Méréstechnikai szempontból az alapvonal alakjának megkötése esetén helyzete általában nem lényeges, mert a jellemzők mérőszámai távolságkülönbségekből adódnak. Az alapvonal kis szakasza általában egyenesnek vehető. Az alaphossz / l / az érdesség értékelésére kijelölt hossz. E hossz betartásával az érdesség egyéb fajta egyenetlenségek nélkül értékelhető. A felületprofilok különböző hullámhosszúságú és amlitudójú részekből vannak egymásra szuperponálva. A profil számszerű értékelését lényegesen befolyásolja az, hogy az érdességi mérőszámban milyen hullámhosszúságú egyenetlenségek amlitudóit számítjuk be. Az alaphossz olyan határ-hullámhossz, amely a különböző hullámhosszúságú egyenetlenségeket úgy osztja kétfelé, hogy ezek egy bizonyos hullámhosszon felül már kiesnek az érdesség értékeléséből Egyazon felület mérésekor is más és más mérőszámok adódhatnak különböző alaphosszakkal, ezért csak az azonos alaphosszakhoz tartozó mérési eredmények hasonlíthatók össze. A különböző felületekhez tartozó alaphossz számértékeit az MSZ 4722-74 számú szabvány írja elő. 119

A mérési hossz /L/ az érdességi jellemzők meghatározásához méréstechnikailag szükséges felületszakaszok minimális hossza, amely általában egy vagy több alaphosszt foglal magában. A különböző felületek értékelésekor betartandó mérési hossz számértékeit az MSZ 4721/4-74 számú szabvány írja elő.

7.ábra: a középvonal értelmezése A középvonal /M-vonal/ a felületi érdesség értékeléséhez az észlelt profil alapján kijelölhető olyan alapvonal, amely kielégíti az alábbi két feltételt: - az alaphosszon belül olyan alakú, mint a mértani profil; - az észlelt profilt az alaphosszon belül úgy osztja ketté, hogy a rá vonatkoztatott és az egymástól egyenlő távolságban felvett profilordinátáknégyzetösszege minimumot ad. Ez azt jelenti, hogy a felette lévő bemélyedések területe megegyezik (7. ábra). Meghatározása regresszióanalízissel történik.

8. ábra: néhány felületi érdességi jellemző értelmezése A tetővonal az észlelt profil –alaphosszon belüli- legmagasabb pontján átmenő, az alapvonallal egyenközű /ekvidisztáns/ vonal (8. ábra). A fenékvonal az észlelt profil –alaphosszon belüli- legmélyebb pontján átmenő, az alapvonallal egyenközű /ekvidisztáns/ vonal (8. ábra). A legfontosabb érdességi jellemzők meghatározása:

Átlagos érdesség /Ra/ az észlelt profil pontjainak a középvonaltól márt átlagos távolsága az alaphossz tartományában. A középvonaltól mért távolságok mérőszámát az algebrai előjel figyelmen kívül hagyásával kell összegezni (8. ábra). 120

Az átlagos érdesség mérőszáma a következő összefüggésekből határozható meg:

1 Ra = lm

lm

∫ y dx 0

Vagy közelítőleg: Ra= 1/n Σ ⏐yi⏐ (1.)

ahol: yi /y1, y2, ….yn/ az egyes ordináták hossza a középvonaltól mérve, n az ordináták száma. Az átlagos érdesség mérőszámát μm-ben kell megadni. Egyenetlenség magasság / Rz/ az alaphosszon belül az észlelt profil 5 legmagasabb és 5 legmélyebb pontjának távolságából a következők szerint vett átlag (9. ábra): Rz = 1/5 [(Z1+Z3+Z5+Z7+Z9) - (Z2+Z4+Z6+Z8+Z10)]

(2.)

ahol: Z1, Z3, Z5, Z7, Z9 a legmagasabb profilpontok távolsága egy tetszőleges alapvonaltól, Z2, Z4, Z6, Z8, Z10 a legmélyebb profilpontok távolsága, ugyanattól az alapvonaltól.

9.ábra: vázlat az egyenetlenség magasság értelmezéséhez Az egyenetlenség magasságot μm-ben kell meghatározni. Az RZ kiszámításához a profil középvonalára nincs szükség. ábra).

A középvonaltól mért egyenetlenség magasság /Rt/ a középvonal és a tetővonal távolsága (8.

A középvonaltól mért egyenetlenség mélység /Rf/ a középvonal és a fenékvonal távolsága (8. ábra). A maximális egyenetlenség /Rmax/ a tetővonal és a fenékvonal egymástól való távolsága (8. ábra). Az alaphosszra kell vonatkoztatni. Rmax = Rf+Rt

(3.)

az észlelt profilszelvény és a tetővonal közötti üres terület, A profil-űrtényező /Kp/ valamint a tetővonal és a fenékvonal által bezárt terület aránya. A középvonal ismerete esetén a középvonaltól mért egyenetlenség magasság /Rt/, és a maximális egyenetlenség /Rmax/ aránya: (4.) Kp= Rt / Rmax < 1 121

A profilteljességi tényező /Kh/ az észlelt profilszelvény és a fenékvonal közötti üres terület, valamint a tetővonal és a fenékvonal által bezárt terület aránya. A középvonal ismeretében a középvonaltól mért egyenetlenség mélység /Rf/ és a maximális egyenetlenség /Rmax/ aránya: Kh= Rf / Rmax < 1, továbbá K = 1-Kp (5.) A simasági mérőszám / hq/ a középvonal és az észlelt profil által az alaphosszon belül meghatározott ordináták négyzeteiből alkotott számtani középérték négyzetgyöke: l

1 2 y dx l ∫0

hq =

vagy

közelítöen

(6.; 7.)

n

1 y i2 ∑ n i =1 ahol hq-t μm-ben kell megadni. hq =

A simasági mérőszám az átlagos érdességtől forgácsolt felületek esetében csak kevéssé különbözik, ezért a gyakorlatban a jellemzők kölcsönösen helyettesíthetik egymást. Forgácsolt felületeknél Ra=0,01-80 μm-es tartományban kielégítő pontosságú összefüggés áll fenn az átlagos érdesség, a maximális egyenetlenség és az egyenetlenség magasság között, az alábbiak szerint: Rz ≈ (4-5) Ra;

(8.)

1,1

Ra = 0,18 Rmax

(9.)

A felületi érdesség vizsgálata különböző módszerekkel lehetséges. A vizsgálati módszereket az MSZ 4721/4-74 számú szabvány két csoportba osztja: - összehasonlító felületi érdesség vizsgáló módszerek - profilmetszetben vizsgáló módszerek Vannak szubjektív és objektív összehasonlító módszerek. Mindkét esetben felületi érdességi etalonokat hasonlítanak össze a vizsgálandó felülettel (10. ábra). Egy szubjektív módszer németül a „Fingernagel-probe”, ami az etalon és a „mérendő” felület körömmel való letapintását, „megkaparását” jelenti. Egyik mutató új körömmel az etalont, a másik a mérendő darabot tapintja le és ebből ad becsült értéket a mérendő felületre. Az etalon átlagos felületi érdessége: Ra ismert. A hibalehetőség itt is 20-50 % között van. A profilmetszetben vizsgálandó módszerek két csoportba oszthatók: - optikai elvet alkalmazó és - az ú.n. metszettapintó módszerekre. Napjainkban a gyakorlatban főleg a metszettapintó módszereket alkalmazzák. Ezen módszereknél egy a vizsgálandó felület burkolójára merőleges elmozduló tapintócsúcs folyamatosan vagy szakaszosan letapogatja a vizsgálandó felület kétdimenziós metszetét. A tapintócsúcs elmozdulása általában villamos úton érzékelhető, ennek alapján a különböző felületi érdességmérő műszerekkel a felület profilogramja felrajzolható, illetve az érzékelőről kapott villamos jelet feldolgozva, közvetlenül analóg vagy digitális formában a különböző felületi érdességi jellemzők a műszerről leolvashatók. A módszer elvi vázlata a 11. ábrán látható. 122

10. ábra: felületi érdesség etalonok A különböző mérési hosszak (2, 5, 10, 25 mm) a műszereken beállíthatók. A vizsgálandó felülettől függően a villamos jel erősítése is 5-15 fokozatban változtatható. Mérés előtt a mérendő jellemző fajtáját (Ra; Rz; Rmax; hg, stb.) elő kell választani. A mérőelektronika az értékelést automatikusan elvégzi. A jelet, ha kell villamos szűrővel szűrni is lehet. Igy a hullámosság és az érdesség szétválasztható. A profilogram analóg vagy digitális regisztrálóval megjeleníthető. A jel mérőinterfészen keresztül számítógépbe vezethető, több statisztikai függvény határozható meg.

11. ábra. Induktiv elven müködő metszettapintós műszer elvi vázlata

123

A munkadarab letapintása a 12. ábrán, míg az előtoló egység a 13. ábrán látható.

12. ábra: tapintócsúcs és a kalibráló etalon

13. ábra: Az etelon letapogatása

A mérés során több, forgácsolással előállított munkadarab felületi érdességi jellemzői közül az átlagos érdességet a PERTHEN cég PERTH-O-METER S 4 Bd típusú felületi érdességmérő műszerével mérjük, és PERTH-O-GRAPH DWR-LP típusú regisztrálóval (15. ábra) rajzoljuk fel a profilogramot, melyről grafoanalitikus módon meghatározzuk az egyenetlenség magasságot és a maximális egyenetlenséget.

14. ábra: A két dimenziós metszet képe (profilogram) Műszeres mérés előtt etalon darabot mérve a műszert kalibrálni kell (12. ábra). Úgy állítjuk a műszer erősítését, hogy a műszer is ugyanazt az Ra-t mutassa, mint az etalon Ra értéke. Erre egy potencióméter szolgál. Mérés előtt a mérendő felület Ra értékét etalonnal való összehasonlítás után megbecsüljük és szabványból kivesszük a mérési (L) és az alaphosszúságot. Beállítjuk a mérőműszeren a mérési hosszúságot és megmérjük az Ra értéket. Ha a mért és a becsült Ra értéke jelentősen eltér, akkor a szabvány alapján módosítjuk a mérési hosszúságot. Ha a mérendő munkadarabon látható a megmunkálás iránya, mindig "barázdára" merőlegesen kell mérni. Kisérletképpen nem szabványos mérési hosszúság mellett és barázda irányban is mérhetük. Azt tapasztaljuk, hogy − kisebb mérési hosszúságnál mindig kisebb az Ra. Ha nagyobb szakaszon mérünk, mint a szabványos, nagyobb lesz az Ra, − barázdairányban mérve, mindig jelentősen kisebb Ra-t kapunk.

124

Alapvető szabályként említjük meg, hogy soha nem szabad különböző mérési hosszúság mellett mért felületi érdességi jellemzőket összehasonlítani, mert hamis megállapításra jutunk.

15. ábra: PERTH-O-METER érdességmérő (felül) és PERTH-O-GRAPH regisztráló Ha alaposabban megvizsgáljuk az Ra tulajdonságait, kiderül, hogy egyedül az Ra nem jellemzi megfelelően a felületet. Teljesen eltérő felületi struktúra esetén is kaphatunk azonos Ra értéket:

5. ábr15a. Különböző felületi 16. ábra. Különböző topográfiájú, de azonos Ra-val rendelkező felületek 125

A 16. ábra kapcsán bemutatott probléma megoldására további jellemző paramétereket vezettek be. Ezeket is kijelzik a modern mérőeszközök. A DIN 4768 szerint két összetartozó paraméter az Rmax és az Rz.

Irodalom

1. Majdán István: Gépalkatrészek felületminősége. Szabványosítási Szakkönyvtár. Szabványkiadó, Budapest 1980.

126