MĚŘICÍ SYSTÉMY VE VSN

MĚŘICÍ SYSTÉMY VE VSN

Diplomová práce

Studijní program: N2301 – Strojní inženýrství Studijní obor: 2301T030 – Výrobní systémy Autor práce: Bc. Luboš Steklý

Vedoucí práce: Ing. Petr Keller, Ph.D.

Liberec 2014

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vzta- huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tom- to případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé diplomové práce a konzultantem.

Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.

Datum:

Podpis:

8

Poděkování

Tímto bych chtěl poděkovat vedoucímu mé diplomové práce panu Ing. Petru Kellerovi, Ph.D. a Janu Paulovi ze společnosti Škoda Auto, a.s. za cenné připomínky a rady týkající se zpracování diplomové práce.

Dále bych chtěl poděkovat svým rodičům a celé rodině za jejich veškerou podporu v průběhu mého studia. A velký dík patří také mé přítelkyni za její podporu a obrovskou trpělivost.

ABSTRAKT

Tato diplomová práce analyzuje současný stav souřadnicových měřicích systémů ve firmě Škoda Auto při výrobě svařovacího a lisovacího nářadí. Hlavním cílem práce je porovnání optických měřicích systémů oproti dotykovým s dalším detailnějším srovnáním pracovišť s optickým měřicím systémem v manuálním a robotizovaném režimu. V samém závěru jsou obsaženy návrhy optimalizace souřadnicových měřicích systémů, zabývajících se problematikou této práce.

Klíčová slova :

SOUŘADNICOVÉ MĚŘICÍ SYSTÉMY, SVAŘOVACÍ A LISOVACÍ NÁŘADÍ, OPTIMALIZACE

ABSTRACT

This diploma thesis analyzes the current state of coordinate measuring systems in the company ŠkodaAuto at the production of welding and stamping tools. The main goal of this work is to compare the optical measuring systems against touch with more detailed comparasion workpalces with optical measuring system in manual and robotic mode. In the very end are contained proposals optimization of coordinate measuring systems, dealing with this issue of work.

Key words:

COORDINATE MEASURING SYSTEMS, WELDING AND STAMPING TOOLS, OPTIMIZATION

7

OBSAH

1 ÚVOD ... 10

2 SOUŘADNICOVÉ MĚŘICÍ SYSTÉMY ... 11

2.1 DOTYKOVÉ MĚŘENÍ NA SMS ... 11

2.1.1 KONSTRUKCE SMS PRO DOTYKOVÉ MĚŘENÍ ... 11

2.1.2 ODMĚŘOVACÍ SYSTÉM ... 13

2.1.3 PŘÍSLUŠENSTVÍ SMS ... 16

2.2 BEZDOTYKOVÉ MĚŘENÍ (OPTICKÉ MĚŘICÍ SYSTÉMY)... 19

2.2.1 OBRAZOVÝ SNÍMAČ CCD ... 19

2.2.2 METODA ZÍSKÁNÍ TŘETÍHO ROZMĚRU (TRIANGULACE) ... 20

2.2.3 OPTICKÉ MĚŘICÍ SYSTÉMY ... 23

3 ANALÝZA SOUČASNÉHO STAVU MĚŘICÍCH SYSTÉMŮ VE VSN ... 32

3.1 OPTICKÉ MĚŘICÍ SYSTÉMY ... 32

3.1.1 PRACOVIŠTĚ VMANUÁLNÍM REŽIMU (ATOSIIITRIPLESCAN) ... 32

3.1.2 PRACOVIŠTĚ VMANUÁLNÍM REŽIMU (ATOS2M|350) ... 32

3.1.3 ROBOTIZOVANÉ PRACOVIŠTĚ (ATOSIIITRIPLESCAN) ... 33

3.2 DOTYKOVÉ MĚŘICÍ SYSTÉMY (SMS) ... 33

4 POROVNÁNÍ OPTICKÝCH MĚŘICÍCH SYSTÉMŮ OPROTI DOTYKOVÝM ... 37

4.1 MĚŘENÍ ROZMĚRŮ PLECHOVÉHO VÝLISKU VNITŘNÍCH DVEŘÍ ... 37

4.1.1 SNÍMÁNÍ VÝLISKU VNITŘNÍCH DVEŘÍ NA DOTYKOVÉM SMS–ZETTMESS ... 38

4.1.2 SNÍMÁNÍ VÝLISKU VNITŘNÍCH DVEŘÍ POMOCÍ OPTICKÉHO MĚŘICÍHO SYSTÉMU V MANUÁLNÍM REŽIMU ... 39

4.1.1 SNÍMÁNÍ VÝLISKU VNITŘNÍCH DVEŘÍ POMOCÍ OPTICKÉHO MĚŘICÍHO SYSTÉMU V ROBOTIZOVANÉM REŽIMU ... 41

4.1.2 POROVNÁNÍ MĚŘENÍ – PLECHOVÝ VÝLISEK VNITŘNÍCH DVEŘÍ ... 42

4.2 MĚŘENÍ ROZMĚRŮ RAZNICE POSTRANICE ... 45

8

4.2.1 SNÍMÁNÍ RAZNICE POSTRANICE NA DOTYKOVÉM SMS–DEAALPHA ... 45

4.2.2 SNÍMÁNÍ RAZNICE POSTRANICE POMOCÍ OPTICKÉHO MĚŘICÍHO SYSTÉMU V MANUÁLNÍM REŽIMU ... 46

4.2.3 SNÍMÁNÍ RAZNICE POSTRANICE POMOCÍ OPTICKÉHO MĚŘICÍHO SYSTÉMU V ROBOTIZOVANÉM REŽIM ... 47

4.2.4 POROVNÁNÍ MĚŘENÍ – RAZNICE POSTRANICE ... 49

4.3 CELKOVÉ SHRNUTÍ HLAVNÍCH ROZDÍLŮ OPTICKÝCH A DOTYKOVÝCH MĚŘICÍCH SYSTÉMŮ ... 51

5 KAPACITNÍ SROVNÁNÍ PRACOVIŠŤ S OPTICKÝM MĚŘICÍM SYSTÉMEM ... 53

5.1 KAPACITNÍ SROVNÁNÍ PRACOVIŠŤ PŘI IDEALIZOVANÉM STAVU ... 53

5.2 KAPACITNÍ SROVNÁNÍ PRACOVIŠŤ – DATA Z PROVOZU ... 56

5.2.1 PRACOVIŠTĚ SOPTICKÝM MĚŘICÍM SYSTÉMEM VMANUÁLNÍM REŽIMU ... 56

5.2.2 ROBOTIZOVANÉ PRACOVIŠTĚ SOPTICKÝM MĚŘICÍM SYSTÉMEM ... 56

5.2.3 SHRNUTÍ ... 57

6 VYHODNOCENÍ PŘÍNOSŮ ROBOTIZOVANÉHO PRACOVIŠTĚ S OPTICKÝM MĚŘICÍM SYSTÉMEM ... 59

7 NÁVRHY OPTIMALIZACE MĚŘICÍCH SYSTÉMŮ VE VSN ... 61

7.1 ZLEPŠENÍ STÁVAJÍCÍCH PODMÍNEK PRO MĚŘENÍ ... 61

7.2 PŘESUN ČINNOSTÍ NA JINÝ ÚTVAR ... 62

8 ZÁVĚR ... 63

9

Seznam použitých zkratek a symbolů

Zkratka Význam zkratky (v cizím jazyce) česky 1D (1- dimensional) Jednorozměrný

2D (2- dimensional) Dvourozměrný 3D (3- dimensional) Trojrozměrný

ATOS (Advanced Topometric Senzor) Druh 3D skeneru

CAD (Computer Aided Design) Počítačová podpora konstrukce CAM (Computer Aided Manufacturing) Počítačová podpora výroby CCD (Charge Coupled Device) Snímač s vázanými náboji

CMM (Coordinate Measuring Machine) Souřadnicový měřicí stroj

CSV (Comma Separated Value) Textový soubor s hodnoty oddělené znakem FEM (Finite Elements Metod) Metoda konečných prvků

LED (Light-Emitting Diode) Dioda emitující světlo MPT (Multi-pixel Technology) Vícepixelová technologie PC (Personal Computer) Osobní počítač

PDF (Portable Document Format) Formát pro přenositelné dokumenty RPS (Reference Point System) Systém referenčních bodů

SMS Souřadnicový měřicí systém

STL (Standard Tessellation Language) Optimalizovaná polygonální síť TOF (Time of Flight) Měření času doletu paprsku

TXT Textový soubor

VRML (Virtual Reality Modeling Language) Jazyk virtuálního modelování VSN Výroba svařovacího a lisovacího nářadí

10

1 Ú

Ve všech strojírenských odvětvích je zajištění kontroly kvality tím nejdůležitějším prvkem k dosáhnutí konkurenceschopnosti podniku na trhu. V těchto odvětvích, jako jsou například výroba automobilů, výroba strojů a jejich součástí a jiné podobné, je přesnost výroby tím hlavním rozhodujícím faktorem pro dosažení její kvality. A proto, aby bylo dosaženo této požadované kvality, je nedílnou součástí použití souřadnicové měřicí techniky – používaný termín: souřadnicové měřicí systémy (zkr. SMS; v cizím jazyce označované jako coordinate measuring machine – CMM).

S neustálým rozvojem tohoto oboru se objevují stále nové poznatky, které se dále implementují v praxi. Především se jedná o vývoj optických systémů, kde se dále vyvíjejí různá specifická zařízení, díky kterým se dostává stále vyššího rozlišení snímacích kamer, které jde ruku v ruce s přesností a rychlostí snímání objektů. Právě nasazením optiky na strojích SMS je možné dosáhnout mj. výrazného zvýšení produktivity práce. Z hlediska poměrně vysoké pořizovací ceny těchto strojů je především produktivita práce jedním z hlavních faktorů pro jejich rentabilitu.

V úvodu této práce je čtenář seznámen s tím, co to vlastně 3D měřicí systémy jsou a jaké jsou jejich možnosti a principy použití. Dále, v takzvané praktické části je kapitola blíže zaměřená na měřicí systémy používané v útvaru výroby svařovacího a lisovacího nářadí ve firmě Škoda Auto a.s.. Následuje srovnání dvou hlavních skupin měřicích systémů, dotykových a bezdotykových (optických). Poukazuje se zde na jejich hlavní výhody a nevýhody oproti sobě. V závěru této práce se nachází část návrhová, ve které jsou obsaženy možné návrhy na optimalizaci měřicích systémů v útvaru VSN.

Tyto návrhy jsou (až na některé výjimky) snadno proveditelné a vedou k určitému usnadnění práce a tím pádem i ke zvýšení její produktivity, což spolu opět úzce souvisí s konkurenceschopností podniku.

11

2 S

Souřadnicové měřicí systémy – souřadnicové měřicí stroje (zkráceně SMS) jsou v dnešní době určitě hlavním a poměrně často využívaným prvkem v kontrole kvality rozměrovosti daného výrobku. Princip měření na SMS spočívá v tom, že se stanoví základní bod v prostoru a polohy dalších bodů na měřeném objektu se měří ve formě souřadnicových rozměrů v osách X, Y, Z. Díky možnosti určení základního bodu v kterémkoliv místě pracovního prostoru dává velkou výhodu oproti konvenčním metodám měření. [1]

SMS je možné dle zásadního rozdílu metody získávání rozměru rozdělit na dvě velké skupiny, a to na měřicí systémy dotykové a bezdotykové (též nazývané jako optické).

2.1 Dotykové měření na SMS

Jedná se v podstatě o měření, které vyžaduje ke své funkci fyzický kontakt dotyku s měřeným povrchem součásti. Metoda spočívá ve snímání jednotlivých bodů dotykovou sondou na povrchu měřeného předmětu bod po bodu. Poté po nasnímání požadovaných bodů porovná měřicí software jejich rozměry a polohu s rozměry a polohou jmenovitého útvaru nacházejícího se na modelu, pomocí kterých je software také následně schopen určit odchylku skutečných rozměrů měřeného předmětu od ideálního.

Pro každý souřadnicový měřicí stroj je typická jeho konstrukce, typ odměřovacího systému a součástí každého stoje je základní příslušenství (např. snímací hlavice se sadou dotyků), které je možno dále rozšiřovat. Tyto tři hlavní znaky jsou dále vysvětleny v následujících kapitolách.

2.1.1 Konstrukce SMS pro dotykové měření

SMS je zařízení skládající se z vlastní příměrné desky doplněné měřicím mechanismem. Tento mechanismus je v každém případě opatřen měřicím dotekem, který v podstatě ohmatává povrch měřené součásti. Výslednou polohu měřicího doteku je dále možné identifikovat na číslicovém ukazateli (např. prostřednictvím obrazovky PC) anebo opticky. [1]

Souřadnicových měřicích strojů je nepřeberné množství, které lze na základě různých hledisek uspořádat dle určitých požadavků do několika skupin. Zvláště největší

12

potřebou je získání maximálního přístupu do měřicího prostoru stroje, dle tohoto požadavku se stroje dělí dle konstrukčního uspořádání:

- konzolové (výložníkové) SMS - portálové SMS

- mostové SMS

- stojanové (sloupové) SMS - pinolové SMS

Konzolová konstrukce SMS se vyznačuje dobrou přístupností k měřenému objektu. Značnou nevýhodou je zde poměrné krátká osa „y“; s rostoucí délkou osy klesá tuhost konstrukce a tím samozřejmě přesnost měření. Proto se tento typ používá pro měření dlouhých úzkých součástí. [2]

Použití pro střední až velké rozsahy měření.

Konstrukce se vyznačuje dobrou tuhostí, což umožňuje vysokou přesnost měření. Dostupnost k měřenému objektu je omezena konstrukcí stroje. Konstrukce je možná ve dvou provedeních, a to varianta stroje s pevným portálem (tužší konstrukce – nutnost pohyblivého stolu) a varianta stroje s pohyblivým portálem. [2]

Konstrukce používaná pro největší rozsahy měření (v ose „x“ možno až 24m). Tuhost konstrukce je zde zaručena silně dimenzovanými nosníky a sloupy.

Přístupnost k měřenému objektu je dobrá a přesnost měření je nižší, než je tomu například u portálové konstrukce. [2]

Obr. 2.3 Mostový SMS [1]

Obr. 2.2 Portálový SMS [1]

Obr. 2.1 Konzolový (výložníkový) SMS [1]

13

Využití pro malé rozsahy měření, obvykle pro laboratorní SMS, kde při dobré přístupnosti k měřenému objektu se dosahuje největších přesností. Měřený předmět se zde upíná na stůl, který je pohyblivý v osách „x“ a „y“.

Navíc mohou být tyto stroje vybavené měřicími dělícími stoly k měření v polárních (válcových) souřadnicích. [2]

Jedná se o obdobu stojanové konstrukce s dobrou přístupností k měřenému objektu. Jen s tím rozdílem, že koncový pohyb zde vykonává tzv. pinola (v ose „y“) oproti předchozí konstrukci, kde je koncová změna polohy zajišťována ve svislé ose „z“. Tato konstrukce je možná ve dvou variantách – a to buď s pevným či pohyblivým stolem.

Poloha pinoly ve vodorovné ose je značnou nevýhodou – pinola je zatížena na ohyb vlastní hmotností a hmotností snímací hlavy – nutnost kompenzace pomocí mechanického vyvažovacího zařízení, které snižuje chyby zapříčiněné rozdílnou délkou vysunutí pinoly. [2]

2.1.2 Odměřovací systém

Dalším důležitým faktorem, který do jisté míry ovlivňuje výslednou přesnost měření, je odměřovací systém. Výsledek měření v závislosti na měřené délce ovlivňuje rozlišovací schopnost a periodická chyba měřítka. Například u dělení měřítek (skládaných) se chyba projevuje jako chyba s dlouhou periodou. [1]

Principů odměřování délky (aktuální hodnoty souřadnice) je více druhů, mezi základní odměřovací systémy patří například: závitový hřídel s úhlovým převodníkem, lineární induktosyn, inkrementální délková stupnice či snímání na principu laserinterferometrie. Cílem této práce není informovat o všech možných systémech, které existují a tak jsou zde vysvětleny dva asi nejvíce používané principy odměřování, jimiž je snímání fotoelektrické vyráběné rozdílnými podniky – Heidenhein a Renishaw.

Obr. 2.4 Stojanový (sloupový) SMS [1]

Obr. 2.5 Pinolový SMS [1]

14

FOTOELEKTRICKÉ SNÍMÁNÍ

(firma Heidenhein)

Tento typ fotoelektrického snímání pracuje se skleněným měřítkem opatřeným mřížkou, která se vytváří nanášením extra tenké vrstvy chromu na skleněný podklad (přesnost dělení této struktury se nachází v řádech µm, někdy i méně a perioda dělení této mřížky je 10 nebo 20 µm). Takto vzniklá mřížka se vyznačuje vysokou odolností proti chemickým a mechanickým vlivům. Jak je tomu vidět na obrázku níže, mřížka se skládá z rysek, které nepropouštějí světlo a z rysek, které světlo propouštějí a to vše o stejné šířce jdoucí za sebou v jedné stopě. [1] [3]

Snímací hlava se skládá ze zdroje světla, čočky (která má za úkol paralelní nasměrování světelných paprsků), snímací destičky se snímací mřížkou a fotočlánků.

Při pohybu snímací hlavy vůči skleněnému měřítku se začnou střídavě překrývat mezery a rysky mřížky měřítka a snímací destičky. Tím vznikají změny světla a tmy, které se zachycují na fotočláncích, a fotočlánky mění tuto proměnlivou intenzitu světla na výstupní sinusové elektrické signály Ie1 a Ie2, které jsou navzájem fázově posunuty o 90° elektrických. Zároveň s tím se zaznamenává referenční signál Ie0. [1]

Obr. 2.6 Princip fotoelektrického snímání- Heidenhein [3]

Obr. 2.7 Výstupní signál fotočlánků [1]

15 (firma Renishaw)

Odměřovací systém u lineárních systémů vyráběný firmou Renishaw používá mřížku na ocelovém pásku. Mřížka (měřítko) se sestává ze zlatých rysek, zajišťující odraz světelného záření, a z mezer záření pohlcujících. Přenos světelného záření zajišťuje infračervená LED dioda, která vyzařuje světlo na šikmé fazety pokovené zlatem a odtud se odráží do čtecí hlavy skrze průhlednou difrakční mřížku. Na detekční ploše čtecí hlavy (fotodetektoru) tak vznikají sinusové elektrické signály, pomocí kterých se dále určí hledaná poloha měřicího zařízení. [4] [5]

Čtecí hlavy pracují s páskovou stupnicí, kterou lze uříznout na jakoukoli uživatelem definovanou délku a která se přizpůsobuje chování podkladu při změně teploty. Díky tomu, že je stupnice opatřená vrstvou laku, na rozdíl od většiny jiných stupnic, nevyžaduje speciálně opatrné zacházení a čištění. Pro snadnou a rychlou instalace je zadní strana měřítka opatřena samolepící vrstvou. [4] [5]

Obr. 2.8 Princip fotoelektrického snímání - Renishaw [4]

Obr. 2.9 Měřítko - Renishaw [4]

16 2.1.3 Příslušenství SMS

Součástí každého stroje je základní vybavení, které je dále možno rozšířit dle požadavků koncového uživatele.

Příslušenství ke většině strojů je následující:

- snímací hlavice se sadou dotyků

- zařízení pro ustavení obrobku (při nasazení PC není nutností)

- počítače (pracovní stanice s předem nainstalovaným programem, vhodným pro požadované měřičské úlohy a operace na SMS)

- zařízení pro komunikaci obsluhy s PC (většinou přenosná ovládací zařízení) - a jiné další příslušenství (např. otočné stoly a případné speciální zařízení pro

kontinuální snímaní)

SNÍMACÍ HLAVICE [7],[6]

Dle základního rozdělení snímacích hlavic existují dva typy:

- hlavice pevné

Nedají se v prostoru natáčet, což způsobuje horší přístupnost k měření složitějších součásti, ale na druhou stranu se s těmito hlavicemi dosahuje vyšších přesností, než je tomu u hlavic indexovatelných. Nejvhodnější pro aplikace, kde k určení každého prvku dílce postačí několik dotekových bodů (např. prizmatické součásti se snadno definovanými prvky – drážky, rovná čela a výstupky).

- hlavice indexovatelné (polohovatelné, natáčecí) Jsou určeny k přesnému polohování

snímacích sond v pracovním prostoru stroje.

Umožňují manuálně nebo motoricky natáčet sondu v požadovaných osách spolu se zajištěním v potřebné poloze. Výhodou motorické hlavice je možnost opakovaně vyvolat potřebnou polohu pod předem danými úhly, což šetří čas obsluze a aplikuje sondu k povrchu v nejlepším úhlu k dosažení co nejpřesnějšího výsledku.

Obr. 2.10 Pevná hlavice [7]

Obr. 2.11 Indexovatelné hlavice [7]

MAN MOT

17 SPÍNACÍ SONDA [2]

Na snímací hlavici je zašroubován element – spínací sonda. Tuto sondu je dále možno rozložit na tři základní části a to na tělo sondy, modul a měřicí dotyk (viz Obr.

2.12 Popis spínací sondy TP20). Modul je spojen s tělem sondy magneticky, což poskytuje jeho snadnou automatickou výměnu a navíc je tím zajištěna i jeho ochrana před poškozením (při upadnutí sondy – rozpojení magnetického kontaktu dojde k zastavení pojezdových motorů a tím se zabrání nežádoucímu nárazu do materiálu).

Pro zajištění přesného dosednutí modulu a těla sondy jsou navíc jejich dosedací plochy opatřeny klínovými drážkami a výstupky, spolu s vyobrazenými stejnými symboly.

MĚŘICÍ DOTYK [7]

Měřicí dotyk, jako „koncová“ součást měřicího systému, zprostředkovává kontakt mezi měřeným dílem a sondou. Způsobuje sepnutí (rozepnutí) v mechanismu sondy. A následně se v těle sondy generuje signál, pomocí kterého je možno zaznamenávat souřadnice nasnímaných bodů.

Měřicích dotyků je více druhů a výběr správného typu a velikosti záleží především na složitosti a velikosti měřeném objektu.

Obr. 2.12 Popis spínací sondy TP20 [2]

18

Asi nejdůležitějšími vlastnostmi dotyku je tuhost dotyku a dokonalý tvar měřicí kuličky. Dalšími zásady a vlastnostmi, kterými bychom se měli řídit při výběru měřicího dotyku (pro dosažení co nejvyšší přesnosti měření) jsou:

- volit co možná nejkratší dotyk (eliminace průhybu stopky doteku)

- volit co nejméně prodlužovacích nástavců (co spoj – to zvýšení nepřesnosti) - volit největší možnou kuličku (minimalizace vlivu kvality povrchu součásti)

Materiály kuliček doteků

RUBÍN – používá se ve velké většině měřicích aplikací. Jedná se o materiál velmi tvrdý a odolný proti opotřebení.

NITRID KŘEMÍKU – materiál podobných vlastností jako rubín. Jeho nasazení v případech skenování hliníku v cyklu těžkého provozu – materiál odolává jevu nazývanému „adhezní otěr“.

OXID ZIRKONIČITÝ – použití při snímání předmětů ze šedé litiny v cyklech těžkého provozu. Jedná se o velmi pevný keramický materiál odolnější k opotřebení otěrem.

Materiály stopky doteků

OCEL – stopka z nemagnetické nerezavějící oceli s průměrem kuličky větším než 2 mm a délkou až 30 mm. Představuje nejběžnější volbu materiálu stopky.

KARBID WOLFRAMU – materiál nabízející nejlepší tuhost. Použití při průměru kuličky do 1mm a délky stopky do 50mm.

KERAMIKA – stopky s keramických materiálů zaručují dostatečnou ochranu při havárii (roztříštění stopky v případě kolize). Průměr kuličky větší než 3mm a délka hrotu přes 30mm.

UHLÍKOVÁ VLÁKNA – použití v případě potřeby dlouhých stopek (až 800mm).

Materiál vykazuje vynikající charakteristiku tlumení vibrací a zanedbatelný koeficient tepelné roztažnosti.

19

2.2 Bezdotykové měření (optické měřicí systémy)

Jak již vyplývá z názvu, tato metoda měření je založena na bezkontaktním způsobu měření, při kterém se skenovaného předmětu přímo nedotýkáme. Tato metoda s sebou nese řadu výhod. Například kratší doba měření dílů velkých rozměrů, není třeba se snímaných předmětů dotýkat speciálními sondami a jiné další výhody, které si zhodnotíme zvláště u každé metody měření. K tomu, aby se získalo tvarových a rozměrových informací, slouží snímače CCD (viz následující kapitola 2.2.1). Snímače ale podávají jen dvojrozměrný obraz, chybí tedy určit vzdálenost měřeného dílu od snímače. Tu je možné získat pomocí jedné ze třech základních metod, jimiž jsou triangulace, interferometrie a měření doby letu světla.

2.2.1 Obrazový snímač CCD

Obrazový snímač je nejdůležitější a nedílnou součástí většiny skenerů.

V současné době představují obrazové snímače velmi početnou skupinu, která se neustále rozrůstá. Jeden z nejvíce rozšířených a nejpoužívanějších snímačů je snímač CCD. Snímače jako takové zde slouží ke snímání povrchu předmětů a k vytváření datových informací.

CCD(CHARGE-COUPLED DEVICE)[8]

Charge coupled device, v překladu snímač s vázanými náboji, je tvořen pravoúhlou maticí světlocitlivých polovodičových buněk, které v konečné fázi vytváří obrazové body neboli pixely. Jednotlivé buňky jsou zde uspořádány do matice a celkové rozlišení se obdrží po vynásobení počtu buněk v jejich vertikálním a horizontálním směru. Samozřejmě, že čím bude mít snímač větší rozlišení, tím bude jeho zpracování obrazu jemnější a detailnější.

Obr. 2.13 CCD snímač [8]

20

Odražené světlo ve snímači prochází řadou zrcadel a čoček a dopadá na jednotlivé buňky. Důsledkem toho v nich vzniká elektrický náboj. Jeho velikost je přímo úměrná intenzitě dopadajícího světla. Takto vzniklý náboj je krátkodobě zachycen a prostřednictvím analogově digitálního převodníku převeden na odpovídající digitální hodnotu.

2.2.2 Metoda získání třetího rozměru (triangulace)

Jak již bylo zmíněno výše, CCD snímače poskytují pouze dvojrozměrný obraz.

A při 3D měření je samozřejmě potřeba dosáhnout trojrozměrného modelu, tudíž je nezbytně nutné použít metodu, která chybějící rozměr co možná nejlépe určí. V případě této práce, zabývající se problematikou měření pomocí optických měřicích systémů, které využívají metody triangulace, není nutností vysvětlovat zbylé dvě metody (TOF – Time of Flight a interferometrie), o těchto metodách je možné se dočíst ve spoustě jiných publikací.

Triangulační metody lze ještě dále rozdělit do dvou skupin, jsou to pasivní triangulační metody a aktivní triangulační metody.

PASIVNÍ TRIANGULAČNÍ METODA [9]

Tato metoda spočívá v použití dvou CCD snímačů, kdy se vzdálenost od středu těchto dvou snímačů k měřenému objektu určí následovně:

vzájemná vzdálenost dvojice CCD snímačů je předem známa a je konstantní, pomocí ní se dále získají dva stereoskopické snímky představující dva perspektivní obrazy. Dále pomocí úhlu (viz Obr. 2.14), který sdružené paprsky svírají, se jednoduchým přepočtem určí třetí potřebná souřadnice bodu. Tento způsob získávání vzdálenosti je velmi blízký určování odhadu prostorové vzdálenosti pomocí lidského zrakového systému.

Obr. 2.14 Pasivní triangulace [9]

21 AKTIVNÍ TRIANGULAČNÍ METODA [9]

Metoda aktivní triangulace spočívá v přeměně snímaného objektu nasvícením jeho povrchu světelným zdrojem a současným snímáním CCD snímačem. CCD snímač spolu se světelným zdrojem a s osvětleným bodem vytváří na měřeném objektu tzv.

triangulační trojúhelník (Obr. 2.15). Vzájemná spojnice mezi světelným zdrojem a CCD snímačem se nazývá triangulační báze (jinak také triangulační základna, jejíž velikost je předem známa). Úhel, který svírá světelný zdroj s triangulační bází je neměnný, kdežto úhel na druhé straně (svírající snímač s bází) je stanoven proměnnou pozicí vysvíceného bodu CCD snímače. Za pomoci známé velikosti tohoto úhlu a velikosti triangulační báze je již snadné námi hledaný třetí rozměr určit.

K osvícení tvarové plochy (povrchu) se používají následující techniky:

- světelný paprsek (1D triangulace) - světelný pruh (2D triangulace)

- strukturovaný světelný svazek (3D triangulace)

Obr. 2.15 Triangulační trojúhelník (1D triangulace) [9]

22

Mezi základní nevýhody triangulace patří to, že kvůli různým prohlubeninám a vydutím v měřeném objektu nemusí být promítaný prvek vždy viditelný a tím pádem nelze o místě snímaného povrchu, kam není „vidět“, nic říci (pozn.: objekt je tím pádem nutno snímat z více úhlů pohledu). Problém je znázorněn na obrázku (Obr. 2.16), kde je osvícení snímané roviny tvořeno laserovým proužkem a scénu snímá kamera. Na obrázku jsou šedé plochy (stín), které znázorňují oblast, kam kamera nevidí a

„přerušený“ laserový proužek pod dolní částí koule. Při triangulaci je také důležité správné natočení světelného pruhu. Při snímání povrchů rovnoběžných s rovinou proužku dochází k degradaci kvality snímku.

Při použití strukturovaného světelného svazku (3D triangulace) je celý měřený objekt (nebo alespoň jeho větší část) označen najednou, to můžeme zařadit mezi hlavní výhody 3D triangulace oproti metodám 1D a 2D, kde se musí pracně a zdlouhavě snímat bod po bodu, či přímka po přímce.

Techniky založené na 3D triangulaci:

- použití moiré proužků, - použití světelného vzoru, - použití barevného kódu, - použití fázového posuvu.

Obr. 2.16 Problém viditelnosti - 2D triangulace [9]

23

Na obrázku 2.17 je znázorněna jedna z možností 3D triangulace, kde na měřený objekt je promítnut světelný vzor. Poté podle deformovaného vzoru na snímaném předmětu lze určit tvar objektu.

2.2.3 Optické měřicí systémy

Optických souřadnicových měřicích systémů je v dnešní době nepřeberné množství, v této práci si především objasníme problematiku skenování na měřicích systémech od německé společnosti GOM, jimiž hlavními představiteli jsou optické měřicí stroje ATOS a TRITOP. V závěru této kapitoly jsou stručné informace o vybraných dalších možných měřicích systémech, kterých je opět početné kvantum.

ATOS

(Advanced Topometric Senzor)

ATOS je mobilní bezdotykový optický 3D skener od firmy GOM, který nalézá velmi široké uplatnění v mnoha technologiích. Nejširší využití systému ATOS je v oblastech CAD, CAM a FEM, kde je hlavně vyžadováno měření reálných objektů a jejich následné srovnání s teoretickými modely. [10]

Systém užívá pro získání třetího rozměru metody triangulace a pro zlepšení kvality pořízeného záznamu využívá digitálního image processingu. Každý systém Atos je vybaven kvalitními CCD snímači, které mohou v současné době disponovat rozlišením od 800 000 obrazových bodů na jeden záběr až po nejnovější snímače, které dosahují 12 000 000 body na záběr. Tím, že je systém založen na principech bezkontaktního měření, nám umožňuje skenovat a měřit měkké materiály a horké formy. I když se jedná o optické skenování je možnost snímat i materiály průhledné,

Obr. 2.17 Technika světelného vzoru (3D triangulace) [9]

24

které ale musíme před započetím skenování náležitě povrchově upravit (nástřik křídovým sprejem). Měřicí rozsahy, odvíjející se od použitých modelů snímačů, se pohybují od 38 x 29 mm až do 2000 x 1500 mm, při použití kombinace systému Atos spolu se systémem Tritop (viz následující kapitola) je prakticky možné snímat a měřit objekty neomezených rozměrů. Samotné rozlišení přístroje může činit až 90 bodů na 1 mm. Celé zařízení má relativně nízkou hmotnost a je dostatečně mobilní, díky tomu lze systém převážet v osobním automobilu. [10]

Proces měření

Před započetím samotného procesu měření je důležité umístit objekt před tmavé pozadí (nebo před pozadí, které s měřeným objektem vytváří vysoký kontrast). Poté můžeme na objekt umístit pomocné referenční značky, které nám poslouží k výpočtu polohy snímaného objektu. V případě skenování objektu z průhledného nebo vysoce lesklého materiálu se musí provést povrchová úprava nástřikem ploch křídovým sprejem (pro zvýšenou přesnost se použije nástřik titanovým prachem). Po případné povrchové úpravě je nezbytně nutné očištění lihem již předem nalepených referenčních značek. Poté již po vhodném nasvícení objektu se na jeho povrch vyšlou proužky světla a pomocí dvou vzájemně posunutých digitálních kamer se objekt snímá. Tímto se získají dva obrazy z různých úhlů a dalším digitálním zpracováním se s danou přesností vypočte poloha každého obrazového bodu. Objekt není nutné snímat po pravidelných úsecích, ale stačí snímky pořídit z libovolných pohledů, tak aby byly zobrazeny všechny plochy potřebné ke zpracování. Vzájemná poloha snímků a jejich návaznost je zpracována prostřednictvím předem umístěných pomocných značek. Podmínkou je, aby každý nový pohled obsahoval minimálně tři pomocné značky, které se vyskytovaly na předcházejícím pohledu. Celé zařízení je koncipováno tak, aby jeho zvládnutí kladlo minimální požadavky na uživatele. Měřicí hlava přístroje se snadno nastavuje kolem

Obr. 2.18 Skenovací hlava ATOS [10]

25

snímaného objektu, jelikož je umístěna na fotografickém stativu, nebo může být součástí průmyslového robota.

Výstupy z digitalizace [10]

 optimalizovaná polygonální síť (STL)

 mrak bodů

 řezy (body)

 obrysové a kontrastní křivky (body)

 barevná mapy odchylek od CAD modelu (obrázky)

 délkové a úhlové kóty, tolerance tvaru a polohy, primitiva (roviny, válce, koule…)

 protokol měření (ASC, CSV, PDF)

 Export do prohlížeče GOM Inspect

Obr. 2.19 ATOS – Výstupy z digitalizace [10]

26 Oblasti využití digitalizovaných dat [10]

 kontrola kvality (Quality Control)

 reverzní inženýrství (Reverse Engineering)

 rychlá výroba prototypů (Rapid Prototyping)

 virtuální realita (Virtual Reality)

 přímé obrábění (Direct Milling)

 simulace vstřikování plastů (Simulation of Injection Molding)

 simulace tažení plechu (Simulation of Sheet Metal Forming)

 kontrola kolizí dílu (Digital Mock Up)

Rozdělení systémů ATOS [10]

ATOS II Triple Scan je průmyslový optický 3D skener, který má oproti systému ATOS Compact Scan vyšší rozlišení, přesnější projekční jednotku s modrým světlem, laserové odměřování vzdálenosti skeneru od objektu a robustnější design.

Systém ATOS II Triple Scan

Rozlišení CCD čipu [MegaPixelů] 2 x 5 MPx

Plocha měření [mm²] 38x29 až 1500x1130

Rozlišení [mm] 0,02 až 0,79

Počet naměřených bodů na jeden záběr _{5 miliónů} Tab. 2.1 ATOS II Triple Scan

ATOS III Triple Scan je průmyslový optický 3D skener s nejvyšším rozlišením CCD. Je určen pro nejnáročnější aplikace, jako je měření velkých dílů s malými detaily na povrchu.

Systém ATOS III Triple Scan

Rozlišení CCD čipu [MegaPixelů] ^{2 x 8 MPx}

Plocha měření [mm²] 38x29 až 2000x1500

Rozlišení [mm] 0,01 až 0,61

Počet naměřených bodů na jeden záběr _{8 miliónů} Tab. 2.2 ATOS III Triple Scan

27

ATOS SO je systém pro měření malých dílů o rozsahu 24 x 30 mm do 300 x 300 mm s rozlišením až 0,15 mm.

ATOS XL je kombinace systému ATOS se systémem TRITOP. Hlavním přínosem kombinace těchto dvou systémů je zvýšení celkové přesnosti měření a realizace složitějších úloh. Další výhodou je prakticky neomezená velikost měřeného objektu, rychlejší měření nebo možnost získání barevné textury měřeného povrchu.

Doplňky k systémům Atos

Ke zvýšení efektivity měření mohou být všechny systémy Atos doplněny o řízené rotační stoly, různé upínací desky, vztažné soustavy a v případě požadavku plné automatizace měření je k dispozici počítačem řízený průmyslový robot.

Řízený rotační stůl – tento stůl umožňuje snímat předměty při soustředném, respektive excentrické umístění. Jeho ovládání je zprostředkováno motorkem, který je ovládán prostřednictvím počítače. Použití tohoto stolu je vhodné zejména pro opakovaná měření stejných dílů.

Vztažná soustava – jejím použitím dosáhneme velkého zjednodušení v podobě odpadající nutnosti opatřovat snímané objekty pomocnými značkami. Jejich úlohu zde totiž plní předdefinované indikátory (kódované referenční body) umístěné na rámu vztažné soustavy. Poté již všechna měření vychází z předem známého souřadného systému. Je tak tedy dosaženo velmi přesného a snadného měření.

TRITOP

Tritop je přenosný optický měřicí systém, který je určen k vysoce přesnému bezkontaktnímu měření polohy diskrétních bodů, kontrastních linií a viditelných značek na objektu. Systém se skládá z digitálního fotoaparátu, kalibračních tyčí, samolepících značek a samozřejmě nesmí chybět vyhodnocovací počítač, či notebook. Princip měření je založen na tzv.

fotogrammetrii, což je měření předmětů a určování

jejich polohy za pomoci fotografických snímků. [11] Obr. 2.20 Fotoaparát TRITOP [11]

28

Díky tomu, že se jedná o bezkontaktní měření, je možnost snímat objekty o různých rozsazích teplot (-40 až 180°C), aniž by došlo ke zkreslení měřených rozměrů. Získaná data mohou posloužit k digitalizaci, k měření deformací nebo k jejich porovnání s teoretickým CAD modelem k určení odchylek (pomocí softwaru mohou být barevně odlišeny). Systémem Tritop lze zpracovávat na objekty dosahující rozměrů až desítek metrů (prakticky až neomezených rozměrů). Stejně jako je tomu u systémů Atos, jsou i tyto systémy kompaktních rozměrů, a proto k jejich přepravě postačí i osobní automobil. [11]

Proces měření

Před započetím skenování se na měřený objekt umístí speciální kruhové značky (jejichž počet závisí na složitosti tvaru snímaného objektu). Poté následuje nezbytné umístění kalibrační tyče vedle snímaného předmětu, tak aby ji bylo možné zachytit spolu s celým snímaným objektem. Následně se snímaný objekt naskenuje z různých pohledů. Počet pohledů (snímků) může být libovolný, ale musí jich být minimálně tolik, aby se každá značka vyskytla na snímaném objektu na alespoň třech snímcích z různých úhlů pohledu. Takto získaná data (fotografie) se přenáší ke zpracování do počítače a to buď prostřednictvím bezdrátového spojení anebo přes paměťovou kartu. Tyto data se dále zpracují speciálním programem, který má za úkol vyhodnotit prostorové souřadnice bodů a prostřednictvím kalibrační tyče přiřadí odpovídající rozměrové hodnoty. Výsledkem měření je takzvaný mrak 3D bodů, mezi nimiž se dají přesně měřit vzdálenosti. Doba trvání celého procesu je přibližně půl hodiny, to celé ale samozřejmě závisí na velikosti a složitosti snímaných objektů. Jak je tedy vidět, celý postup měření není nikterak složitý, není ale kvůli ručnímu pořizování jednotlivých snímků příliš vhodný k snímání velkých sérií objektů. Ke skenování větších sérií a k dosažení vysoké automatizace je možné použití průmyslového robota.

Obr. 2.22 Měření pomocí TRITOP [11]

Obr. 2.21 Příslušenství TRITOP [11]

29 DALŠÍ MOŽNÉ OPTICKÉ MĚŘICÍ SYSTÉMY

(výběr z mnoha optických měřicích systémů) COMET 6 [12]

Měřicí zařízení Comet 6 je vysoce flexibilní a mobilní systém, který využívá ke snímání dílu promítání bílého světla (Light Fringe Projection) a fotogrammetrii. Díky kombinaci jedné kamery a integrované projekční technologie je zaručena vysoká rychlost měření a výborná kvalita dat. Nejenže je konstrukce celého systému velmi pevná a mobilní, ale je i vysoce teplotně stabilní, což umožňuje její nasazení v širokém rozsahu teplot. Měřicí soustavu lze případně vybavit řadou různých manipulačních doplňků – např. flexibilním polohovacím ponkem, otočným stolem pro automatické polohování, či stojanem fotoaparátu pro snímače polohy.

Systém Comet 6

Rozlišení 16 Mega-Pixelů (4896 x 3264)

Měřicí rozsahy [mm³]

100 200 400 700 1200

118x79x60 233x155x140 382x254x200 656x437x400 1235x823x600

Přesnost [µm] 24 µm 47 µm 78 µm 134 µm 252 µm

Měřicí vzdálenost _{510 510 785 785 1400}

Nejrychlejší doba

měření ^{1.2 sec}

Software Steinbichler colin3D / COMETplus

Obr. 2.23 Měřicí systém COMET 6 [12]

Tab. 2.3 COMET 6 – technická specifikace [12]

30 STEREO SCAN [13]

Přístroj skládající se z plně integrované kombinace patentované MPT projekční jednotky a dvou digitálních CCD kamer s vysokým rozlišením, které jsou asymetricky umístěny na obou stranách zakřivené lišty projektoru. Asymetrické nastavení digitálních kamer je zajištěno triangulačními úhly (10°, 20° a 30°). Díky možnosti nastavení kamer, které definují základní délku a přibližnou úhlopříčku obrazu, jsou získávány různé měřicí rozsahy. Tímto je možné nasnímat i jinak těžko přístupné oblasti. Konfigurace tohoto zařízení umožňuje maximální výkon s ohledem na jeho přesnost měření. Měřicí zařízení je možné doplnit otočným stolem s reflexními značkami, pomocí nichž je systém schopný vypočítat natočení stolu a seřadit pořízené snímky.

HANDYSCAN [14]

Jedná se mobilní měřicí systém, který určuje polohu skenovací sondy v prostoru pomocí laserové technologie. Díky tomuto systému je během snímání umožněn vzájemný pohyb objektu a skeneru. Měření na tomto ručním skeneru Handyscan je

Systém StereoScan

Rozlišení senzoru Až 16 Mega-Pixelů

Přesnost [µm] Dle rozestupu vnitřních kamer a výsledné uhlopříčky obrazu od 20 µm do 150 µm

Hmotnost _{6.0 kg}

Zdroj světla 120 W LED žárovka, bílá, zelená, modrá, červená

Nejrychlejší doba

měření < 1 sec

Software OPTOCAT pro Windows

Výstupní formáty BRE, STL, PLY, VRML

Obr. 2.24 Měřicí systém STEREO SCAN [13]

Tab. 2.4 STEREO SCAN – technická specifikace [13]

31

založeno na principu triangulace a ke zjištění aktuální polohy skeneru vzhledem k měřenému objektu jsou použity nahodile rozmístěné orientační značky přímo na snímané součásti anebo na měřicí podložce. Na měřený povrch součástí a na tyto značky je vysílán laserový kříž, který má za úkol snímat několik CCD kamer umístěných na ručním skeneru. Hlavní podmínkou pro správné určení polohy snímaného tělesa je, aby při skenování předmětu bylo vidět minimálně 3 tyto reflexní značky. A poté díky snímání těchto značek spolu se skenovaným povrchem je možné nasnímaná data dále zpřesňovat a jinak upravovat.

Při snímání povrchu objektu je okamžitě možné vidět na obrazovce počítače naskenovaná data a to nám zároveň urychluje vyhledávání míst, které chybí pro celkové nasnímání objektu. Výsledky snímání se pak automaticky přepočítají a vygeneruje se polygonová síť.

REVscan EXAscan MAXscan VIUscan

Hlavní odlišnosti Dostupná cena a snadné použití

Vysoké rozlišení a přesnost

Vysoká přesnost na větší části

Snímání barevných dat

Hmotnost 0,98 kg 1,25 kg 1,27 kg 1,3 kg

Rozměry [mm] 160 x 260 x 210 172 x 260 x 216 172 x 260 x 216 172 x 260 x 216

Měřicí frekvence

[snímků / s] 18000 snímků / s 25000 snímků / s 18000 snímků / s 18000 snímků / s

Rozlišení _{0,100 mm 0,050 mm 0,100 mm 0,100 mm}

Přesnost Až 0,050 mm Až 0,040 mm Až 0,050 mm Až 0,050 mm

Laserový kříž [mm]

(Laser Cross Area) ^{210 x 210}

210 x 210

Hi-res: 60 x 60 210 x 210 210 x 210

Třída laseru _II

Měřicí vzdálenost _{300 mm}

Software _VXelements

Výstupní formáty . Dae,. FBX,. Ma,. Obj,. Vrstev,. STL,. Txt,. WRL,. X3d,. X3dz,. Zpr

Tab. 2.5 HANDYSCAN – technická specifikace [14]

32

3 A

VSN

3.1 Optické měřicí systémy

3.1.1 Pracoviště v manuálním režimu (ATOS III TripleScan)

Na manuálním pracovišti s optickým měřicím systémem se nachází 3 počítače se stejným počtem licencí programu GOM, jež slouží k měření, vyhodnocování a k tvorbě výstupních protokolů. Pracovní prostor, místo kde probíhá samotný proces skenování, je z důvodu zlepšení světelných podmínek částečně zakryto mobilním přístřeškem.

Hlavní částí pracoviště je měřicí hlava ATOS III TripleScan (rozlišitelnost kamery 2 x 8mil. bodů), která je připevněna k pojízdnému stativu. K měřicí hlavě dále náleží vždy dvojice měřicích objektivů o následujících měřicích objemech:

1500x1130x1130 mm³, 1000x750x750 mm³, 700x530x530 mm³, 320x240x240 mm³, ke kterým přísluší vlastní kalibrační element (pro menší měřicí objemy – kalibrační panel, pro větší objemy – kalibrační kříž).

Přesnost měření je závislá na použití měřicího objemu a velikosti snímaného předmětu a její rozmezí se pohybuje v řádu stovek až desítek µm.

Pracoviště disponuje také optickým měřicím systémem TRITOP, který samozřejmě obsahuje všechny potřebné příslušenství k umožnění měření tímto systémem.

Probíhá zde měření modelů, odlitků, raznic a výlisků.

3.1.2 Pracoviště v manuálním režimu (ATOS 2M | 350)

Pracoviště s optickým měřicím systémem, nacházející se v oddělené klimatizované místnosti, ve které se také nachází dotykový měřicím stroj DEA IOTA.

Na pojízdném stativu se nachází měřicí hlava ATOS 2M | 350 (s rozlišením kamer 2MegaPixely). K měřicí hlavě zde přísluší dvojice měřicích objektivů o měřicím objemu 400x400x350 mm³.

Toto pracoviště slouží především pro snímání návarů na lisovacím nářadí.

Přesnost měření je zde 0,1mm na měřené délce 0,5m.

33

3.1.3 Robotizované pracoviště (ATOS III TripleScan)

Situace s počtem měřicích stanic je zde obdobná, jak je tomu na manuálním pracovišti. Zásadní rozdíl je ale v tom, že zde proces měření probíhá za pomoci průmyslového robota (robota KUKA s prodlouženou paží, který je posazen na lineárním 6-ti metrovém pojezdu). Z důvodu zabezpečení optimálních světelných podmínek, důležitých při optickém snímání dílu, je celé pracoviště uzavřené do speciální místnosti, která je uzpůsobena tak, aby zde v případě potřeby mohlo probíhat i manuální měření.

Součástí pracoviště je dále Witte deska, která slouží k měření samotných plechových výlisků. A pro plechové svařence panelových dílů je zde aplikován, jako další řízená osa, rotační stůl.

Na uzavřené pracoviště určené pro snímání dílů robotem navazuje oddělená klimatizovaná místnost pro velín (zázemí pro obsluhu měřicích stanic) zabezpečená možností vniknutí do prostoru robota elektronickým sledovacím systémem ve dveřích a systémem sledování nežádoucího pohybu po podlaze

Robot je osazen skenovací hlavou ATOS III TripleScan (s rozlišením 2x8 MegaPixelů), ve které je navíc implementována kamera pro automatické měření systémem TRITOP.

Přesnost měření stovky až desítky µm.

Na tomto pracovišti probíhá měření modelů, odlitků, raznic a výlisků.

3.2 Dotykové měřicí systémy (SMS)

V útvaru zabývajícím se výrobou svařovacího a lisovacího nářadí se nachází 7 pracovišť pro dotykové měření. Většina měřicích stanic je portálové konstrukce, až na výjimku měřicího systému Zettmess (zde je konstrukce stroje výložníkového typu) a měřicího systém DEA IOTA s mostovou konstrukcí pro měření dílů menších rozměrů (měřicí rozsah 2000x1000x600 mm). Všechny pracovní stanice dotykových měřicích systémů jsou vybaveny měřicím softwarem PC_DMIS 2013, což představuje snadnou zaměnitelnost a podporu pracovníků mezi jednotlivými pracovišti. Jsou zde aplikovány měřicí systémy od třech různých firem a to již zmiňovaný měřicí systém od společnosti Zettmess, dalším představitelem je měřicí systém DEA zastoupený třemi stroji o rozdílném maximálním měřicím rozsahu. A od společnosti POLI jsou zde další tři měřicí stroje s rozdílným měřicím rozsahem 3000, 3500 a 6000 mm v ose x.

34

Jaký je měřený sortiment na určitých strojích, jaký mají stroje měřicí rozsah a jak je určena jeho přesnost měření – obsahuje následující výčet měřicích systémů a jejich stručné shrnutí v závěru kapitoly (v porovnání spolu s optickými měřicími systémy).

ZETTMESS

Pracoviště se souřadnicovým měřicím strojem výložníkové konstrukce s pevným stolem. Stroj disponuje dvěma rameny, což umožňuje měřit nezávisle na sobě dvě rozdílné součásti – např. levou a pravou stranu postranice, anebo spolu mohou tyto ramena spolupracovat.

Měřený sortiment: výlisky, panelové díly a kontrolní přípravky Měřicí rozsah: 4500x1500x1500 mm

Přesnost měření: E 50 + (L/25) …pro L = 1m tj.90 µm (1. rameno) E 50 + (L/40) …pro L = 1m tj.75 µm (2. rameno) DEAALPHA

Konstrukce měřicího stroje: portálová Měřený sortiment: raznice, modely a výlisky Měřicí rozsah: 5000x2500x1500 mm

Přesnost měření: E 12 + (L/80) …pro L = 1m tj. 24,5 µm

DEADELTA

Portálová konstrukce

Měřený sortiment: raznice, modely a odlitky Měřicí rozsah: 4000x2000x1500 mm

Přesnost měření: E 20 + (L/350) …pro L = 1m tj. 23 µm

DEAIOTA

Mostová konstrukce

Měřený sortiment: odlitky, šablony, modely, zápustky Měřicí rozsah: 2000x1000x600

Přesnost měření: E 6 + (L/167) …pro L = 1m tj. 12 µm

35 POLI3000

Portálová konstrukce

Měřený sortiment: lemovky, panelové díly a výlisky Měřicí rozsah: 3000x1800x1500 mm

Přesnost měření: E 16 + (L/200) …pro L = 1m tj. 21 µm

POLI3500

Portálová konstrukce

Měřený sortiment: formy, zápustky, modely Měřicí rozsah: 3500x2000x1500 mm

Přesnost měření: E 12 + (L/200) …pro L = 1m tj. 17 µm

POLI6000

Portálová konstrukce

Měřený sortiment: raznice, modely a odlitky Měřicí rozsah: 6000x3000x2000 mm

Přesnost měření: E 14 + (L/143) …pro L = 1m tj. 21 µm

36

Tab. 3.1 Měřicí systémy ve VSN

37

4 P

Porovnání měřicích systémů je v této kapitole demonstrováno na vzorových příkladech měření dvou rozdílných předmětů. V první části je měřeným předmětem výlisek (plech) vnitřních dveří, a druhým měřeným předmětem je raznice postranice.

Níže uvedené časy jsou výsledkem průměrných hodnot získaných během měření velmi podobných dílů, ale i rozdílných modelových variant. V samém závěru kapitoly jsou vyzdviženy hlavní rozdíly při měření dílů na optických a dotykových měřicích systémech.

4.1 Měření rozměrů plechového výlisku vnitřních dveří

Přibližné rozměry měřeného výlisku: 1100x1000 mm

Plechové výlisky se měří ve stejné poloze, jako se nachází na komplet zhotoveném automobilu – zde, v případě měření dveří, se jedná o polohu svislou.

Měřený předmět (plechový výlisek) se ustavuje na speciální ustavovací přípravky, které jsou připevněny k měřicí desce Witte. Ustavovací přípravky jsou řešeny jako pohyblivé stojany s možností nastavení jejich koncových tvarových ploch do požadovaných souřadnic v prostoru. A právě tyto nastavitelné stojany slouží k přesnému vyrovnání plechového výlisku do systému souřadnic referenčních bodů (RPS), na které je důležité před započetím procesu měření tyto souřadnice nastavit.

Před každým novým měřením je zapotřebí výlisek vizuálně zkontrolovat, zda nejeví jakékoliv známky poškození a případně jej odmastit od zbytků oleje – tyto časy jsou na optických a dotykových měřicích systémech srovnatelné a nemají dlouhého trvání (okolo 1 minuty) – budou tedy dále zanedbatelné.

Obr. 4.1 Výlisek – přední vnitřní dveře [16]

38

4.1.1 Snímání výlisku vnitřních dveří na dotykovém SMS – Zettmess Prvotní měření

Při prvotním měření dílu musí vždy proběhnout tyto následující hlavní úkony:

- příprava, která obsahuje:

o načtení a úprava CAD dat měřeného dílu

o načtení a úprava inspekčních prvků - probíhající zde současně s tvorbou programu

Celkový čas přípravy má trvání v průměru 26hodin 30minut.

- proces měření:

o ještě než začne samotný proces měření, je důležité vyrovnat plech na RPS body, což celé v průměru trvá 30minut

o samotný proces měření pak je 2hodiny 30minut

Celkový čas vyrovnání výlisku na RPS body a jeho změření je tedy 3hodiny.

- vyhodnocení měření po prvotním měření (v trvání 10minut),

zde ale navíc zahrnuje tvorbu vzorových šablon protokolů (40hodin) Čas pro vyhodnocení při prvotním měření tak trvá cca 40hodin 10minut.

Součtem všech dílčích úkonů výše se dostane celkový čas, který činí 69hodin 40minut.

Opakované měření

Opakované měření stejného dílu probíhá následovně:

- přípravou se zde rozumí pouze upnutí plechového výlisku do ustavovacích přípravků; CAD data, inspekční prvky a měřicí program jsou již upravená z předešlého měření

Čas přípravy je zde zanedbatelný (méně než 1minuta).

- změření dílu

vyrovnání výlisku na RPS body a jeho následné změření

Čas pro změření dílu s předchozím vyrovnáním má stejného trvání, jak je tomu u prvotního měření (3hodiny).

- vyhodnocení měření

obsahuje již pouze tvorbu protokolů do předem hotových šablon (výstup ve formátu PDF)

Celkový čas pro vyhodnocení je už jen 10minut.

Sečtením všech dílčích úkonů při opakovaném měření se dosáhne celkového času 3hodin 10minut.

39

Při srovnání předchozí analýzy časů při prvotním a opakovaném měření vychází časová diference 66hodin 30minut, která je výsledkem odečtením časů operací nevstupujících do procesu opakovaného měření (jimiž je příprava dat a tvorba programu a protokolů).

4.1.2 Snímání výlisku vnitřních dveří pomocí optického měřicího systému v manuálním režimu

Prvotní měření

U prvotního měření dílu probíhají tyto následující hlavní úkony:

- příprava, zahrnující

o nastříkání plechu křídovým sprejem (20minut)

o nalepení referenčních bodů na snímaný předmět (5minut) o načtení a úprava CAD dat (30minut)

o načtení a úprava inspekčních prvků (8hodin) Celkový čas přípravy trvá 8hodin 55minut.

- proces měření

o vyrovnání plechového výlisku na RPS body (2hodiny) o změření dílu (3hodiny)

Celkový čas ustavení výlisku dveří a jeho následné změření odpovídá 5 hodinám Graf 4.1 Měření výlisku vnitřních dveří na SMS Zettmess

0:00 12:00 24:00 36:00 48:00 60:00 72:00 84:00

Vyhodnocení měření [40:10 - 0:10]

Proces měření [3:00]

Příprava [26:30 - 0:00]

Prvotní měření Opakované měření

Operace [hh:mm]

69:40

3:10 26:30

+ 3:00 + 40:10

3:00 + 0:10 hh:mm

načtení a úprava CAD dat a inspekčních prvků

zahrnuje tvorbu vzorových šablon protokolů

40 - vyhodnocení po prvotním měření obsahuje:

o zpracování skenu a vyhlazení naskenovaného povrchu (1hodina) o tvorba vzorových šablon protokolů (4hodiny)

Čas pro vyhodnocení měření zabere celkem 5hodin.

Suma veškerých činností výše odpovídá celkovému času 18hodin 55minut.

Opakované měření

Hlavní odlišnost při opakovaném měření stejného dílu se skrývá při přípravě, kde není třeba nijak upravovat CAD data a inspekční prvky náležící měřenému dílu a dále při vyhodnocování naskenovaného dílu, kde není třeba vytvářet vzorové šablony protokolů (toto je již hotové z předešlého prvotního měření).

Při opakovaném měření je tedy zapotřebí:

o nastříkat plech křídovým sprejem (20minut) o nalepit referenční body (5minut)

o vyrovnat plech na RPS body (2hodiny) o naskenovat povrch dílu – změření (3hodiny)

o vyhodnocení = zpracování skenu a tvorba protokolů (1hodina) Při opakovaném měření je dosaženo celkového času 6hodin 25minut.

Jak je možné odečíst z následujícího grafu - časový rozdíl mezi prvotním a opakovaným měření výlisku vnitřních dveří činí 12hodin 30minut.

0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00

Vyhodnocení měření [5:00 - 1:00]

Proces měření [5:00]

Příprava [8:55 - 0:25]

Graf 4.2 Měření výlisku vnitř. dveří na optickém měřicím stroji – manuální režim

Operace [hh:mm]

Prvotní měření Opakované měření 18:55

6:25 hh:mm

8:55

0:25 +5:00

+5:00 +5:00

+1:00

načtení a úprava CAD dat a inspekčních prvků

zahrnuje tvorbu vzorových šablon protokolů

41

4.1.1 Snímání výlisku vnitřních dveří pomocí optického měřicího systému v robotizovaném režimu

Prvotní měření

Příprava při prvotním měření dílu postupuje podle shodných činností, jak je tomu u pracoviště s optickým měřicím systémem v manuálním režimu (8hodin 25minut), jen s tím zásadním rozdílem oproti pracovišti v manuálním režimu, že je nezbytně nutné naprogramování dráhy snímací hlavy. Čas tvorby programu u tohoto předmětu (plechový výlisek dveří) zabírá průměrně 2hodiny.

Poté již po naprogramování dráhy stroje má samotný proces měření čas trvání 10minut (+ vyrovnání výlisku na RPS body zabere 30minut).

Čas vyhodnocení měření po prvotním měření na robotizované stanici se nikterak neliší od stanice v manuálním režimu – celkem 5hodin.

Součtu všech dílčích úkonů výše odpovídá celkový čas 16hodin 35minut.

Opakované měření

Při opakovaném měření dílu odpadá samozřejmě nutnost vytváření předlohových šablon protokolů spolu s načtením a úpravou inspekčních prvků (podobně jak je tomu u manuálního režimu optického měřicího systému), což ušetří stejný čas 12hodin 30minut. Ale navíc díky tomu, že se jedná o automatické snímání předmětu pomocí robota, zde odpadá potřebné programování jeho dráhy, což ušetří další 2hodiny.

0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00

Vyhodnocení měření [5:00 - 1:00]

Proces měření [0:40]

Příprava [10:55 - 0:25]

Graf 4.3 Měření výlisku vnitř. dveří na optickém měřicím stroji – robotizovaný režim Prvotní měření Opakované měření

16:35

2:05

Operace [hh:mm]

hh:mm

10:55

0:25 +0:40

+0:40 +5:00

+1:00

načtení a úprava CAD dat a inspekčních prvků

zahrnuje tvorbu vzorových šablon protokolů

42

4.1.2 Porovnání měření – plechový výlisek vnitřních dveří

(uvedené časy v tabulce jsou výsledkem průměrných hodnot získaných během měření velmi podobných dílů, ale i rozdílných modelových variant)

Činnost

Režim měření – výlisek vnitřních dveří

SMS Zettmess Manuální prac. – optický měř. systém

Robotizované prac. – optický měř. systém Odmaštění plechu

(+ nástřik křídou a nalepení ref. bodů)

- 25´ 25´

Načtení CAD dat 30´ 30´ 30´

Úprava inspekčních prvků

(+ tvorba programu) 26 h 8 h 8 h

Proces měření 3 h 5 h 40´

Čas vyhodnocení

po prvotním měření 40 h 10´ 5 h 5 h

Čas vyhodnocení

po opakovaném měření 10´ 1 h 1 h

Celkový čas

po prvotním měření 69 h 40´ 18 h 55´ 16 h 35´

Celkový čas

po opakovaném měření 4 h 10´ 6 h 25´ 2 h 5´

Úspora času v % při

prvotním měření - úspora 73%

oproti SMS

úspora 76%

oproti SMS úspora 12%

oproti man. prac.

Úspora času v % při opakovaném měření

úspora 35%

oproti man. prac. -

úspora 50%

oproti SMS úspora 67%

oproti man. prac.

Tab. 4.1 Porovnání měření – plechový výlisek vnitřních dveří

43

Porovnání měřicích systémů po prvotním měření plechového výlisku vnitřních dveří

Ze srovnání celkových časů po prvotním měření vyplývají tyto skutečnosti:

- měření rozměrů výlisku na optických měřicích systémech je více než 4 krát rychlejší než na měřicích stanicích s dotykovým snímáním (měřením se zde rozumí čas trvající od přípravy dílu, až po jeho celkové vyhodnocení s výstupním protokolem ve formátu PDF)

- za povšimnutí stojí i fakt, že měření dílu na robotizovaném pracovišti s optickým měřicím systémem má o více jak 2hodiny kratšího trvání než na manuálním pracovišti s optickým měřicím systémem, i když se musí před samotným měřením naprogramovat dráhy stroje

- značnou výhodou optických měřících systémů oproti dotykovým je cca o polovinu kratší doba kalibrace měřicí hlavy :

o o 25minut méně než u dotykového měřicího systému je tomu tak u pracoviště s optickým měřicím systémem v manuálním režimu

o a dokonce o 45minut kratší doba kalibrace než u dotykového měřicího systému je u robotizovaného pracoviště s optickým měřicím systémem Graf 4.4 Porovnání prvotního měření – výlisek (plech) vnitřních dveří hh:mm

-73%

oproti SMS

-76%

oproti SMS