IMPLEMENTAREA UNUI BRAT POLIARTICULAT DE METROLOGIE IN LABORATOR UNIVERSITAR AUTOR : VOICULESCU DAVID ALEXANDRU COORDONATORI : IONESCU ROMEO, ANTON EDOUARD UNIVERSITATEA,, STEFAN CEL MARE, SUCEAVA REZUMAT Scopul lucrării de faţă este de a explica modul de implementare a unui instrument de metrologie tip FARO GAGE, care simulează mişcările mâinii umane cu ajutorul unui braţ articulat şi realizează măsurători prin intermediul unui palpator sferic, in mediul universitar în cadrul laboratoarelor de metrologie şi nu numai, prin intermediul măsurătorilor făcute de acesta asupra unei piese din industrie. Lucrarea tratează modul de funcţionare al braţului poliarticulat cât şi modul de măsurare specific acestuia raportându-se in permanenţă la tehnicile de măsurare existente momentan, cum ar fi cele tridimensionale, fotografiere cât şi manuale, insă aduce dovezi clare şi avantaje diverse în vederea optării pentru un braţ de măsurat FARO GAGE. Lucrarea îşi propune o prezentare selectiva asupra acestuia, prezentare ce ar putea veni în sprijinul studenţilor, dar şi a profesorilor, inginerilor, tehnicienilor interesaţi. INTRODUCERE In anul al treilea al studiilor mele universitare în cadrul Universităţii,,Stefan cel Mare, Suceava, mi-a fost expusă posibilitatea plecării în Franţa cu ajutorul unei mobilităţi de studii in cadrul programului european Socrates-Erasmus. Acceptând această oportunitate, am fost încadrat în Anul Special al Institutului Universitar de Tehnologie B din Lyon, universitate cu care există relaţii tradiţionale şi foarte bune cu universitatea noastră. Incă din primele săptămâni petrecute în cadrul Universităţii,,Claude Bernard, am manifestat un viu interes pentru laboratoarele de robotică şi cel de metrologie, echipamentele prezente acolo satisfăcând intr-o oarecare măsură setea mea de cunoaştere şi înţelegere a tehnologiei viitoare, concretizată în percepţia mea prin realizarea si implementarea roboticii în cele mai vaste aplicaţii şi domenii de studiu. De aceea m-am decis să mă implic mai mult în studierea si înţelegerea funcţionării lor cât şi a posibilităţii de a implementa robotica în viaţa de zi cu zi cu scopul facilitării lucrului. Cum mă interesa metrologia şi robotica în acelaşi timp, studiul braţului FARO GAGE a venit pentru a completa şi fixa cunoştinţele mele din ambele domenii. Fiind un material relativ nou pe piaţă şi in cadrul Institutului, mi s-a incredinţat sarcina de a-l studia şi de a pune la punct un dosar complet de utilizare, cu exemplificări şi măsurători concrete realizate de acesta pentru a îi dovedi fiabilitatea şi pentru a putea fi integrat complet în cadrul laboratului de metrologie, alături de alte dispozitive metrologice, în scopul utilizării lui de către profesori şi studenţi. STUDIUL PROBLEMEI In timpul petrecut în Franţa, datorită interesului manifestat în mod repetat în domeniul roboticii, mi s-a dat un subiect de cercetare destul de inedit şi interesant. In cadrul laboratorului de metrologie fusese achiziţionat un braţ poliarticulat (fig 1), asemănător cu un robot de metrologie, FARO GAGE, care este prevăzut cu encodori ce pot realiza măsurarea si verificarea unor măsurători cu o precizie de cinci microni. Acest braţ poliarticulat, asemănător unui braţ uman putea realiza toate mişcările acestuia, singurul dezavantaj fiind faptul că nefiind automat trebuia purtat pentru fiecare măsurătoare de către un operator. Trebuie menţionat că era vorba de un echipament nou aflat in dotarea laboratorului şi numai unul dintre profesori avea idee despre funcţionarea
acestuia. In contextul în care multe alte firme exterioare Institutului erau interesate de avantajele acestua şi de viabilitatea si fezabilitatea implantării unui astfel de instrument de măsură în domeniul industrial, munca mea de cercetare devenea mult mai importantă şi trebuia realizată cât mai repede şi în cele mai optime condiţii. Fig1. Braţ poliarticulat FARO GAGE In concluzie pentru acest paragraf, sarcina ce mi-a fost încredinţată a fost să studiez modul de funcţionare al instrumentului de metrologie, capacităţile de măsurare urmând ca apoi să realizez o prezentare şi o exemplificare pentru studenţi şi profesori în care explicam şi demonstram avantajele aduse de acest dispozitiv de măsură raportate la celelalte mijloace de măsură existente în laborator. Toate observaţiile şi cercetările mele urmau să aibă ca suport măsurile şi observaţiile asupra unei piese uzuale din industria curentă. Este de menţionat faptul că piesa în cauză trebuia să aibă o geometrie destul de complexă pentru a pune în valoare toate capabilităţile braţului şi pentru a demonstra fiabilitatea acestuia în mediul universitar sau în diferite alte aplicaţii diverse din domeniul mecanic. Ceea ce a trezit pentru mine interes era faptul că acest instrument de dimensiuni reduse putea face o mulţime de măsurători diverse, ocupa un spaţiu redus şi mai mult, putea fi aplicat în diferite domenii de lucru plecând de la laboratoare de cercetare până la verificare calităţii pieselor intr-un atelier mecanic sau de prelucrare cu maşini cu comandă numerică. ANALIZA SI ABORDAREA PROBLEMEI MASURARII CU BRAT POLIARTICULAT FARO Munca mea de cercetare în cadrul laboratului a constat în mai multe etape succesive care aveau ca scop iniţierea progresivă, cunoaşterea instrumentului, înţelegerea modului de funcţionare cât şi dobândirea abilităţii de a lucra cu el în vederea transmiterii şi a punerii in practică a informaţiilor dobândite in timpul lucrului. Prima etapă a constat în studierea manualului de utilizare al braţului FARO GAGE. Prima analiză a pus in vedere faptul că acest manual era complet realizat în limba engleză deci a fost o muncă în plus de a redacta nişte instrucţiuni de utilizare in limba franceză accesibile oricărei persoane din cadrul Institutului. Acest lucru presupunea o cunoaştere a celor două limbi destul de avansată astfel incât să pot fi făcut o traducere de calitate şi in termeni tehnici adecvaţi. Cunoaşterea braţului poliarticulat s-a axat pe mai multe linii principale: - studierea manualului de utilizare; - asimilarea principalelor comenzi; - asimilarea manevrării braţului poliarticulat; - realizarea de măsurători; - prelucrarea datelor culese. Studierea manualului de utilizare a implicat o adâncire treptată în studierea robotului, a funcţiilor şi a componentelor sale. In tabelul din fig 3 putem observa câteva caracteristici tehnice ale acestui braţ poliarticulat folosit ca şi instrument în metrologie.
Fig 2 Braţ poliarticulat FARO CARACTERISTICI TEHNICE Volum de lucru 1.2 metri Acurateţe ±0.005 mm Masă 15 kg Poziţie de lucru 3D,orice poziţie Fixare Orice poziţie Diametru palpator 3 mm, 6 mm Temperatură de lucru 10 la 40 C Temperatură ciclu 5 C/5 min Umiditate 95% Unghi de permitivitate >105 rad/s2 Fig 3. Tabel cu caracteristici tehnice Astfel am descoperit că instrumentul face parte din categoria aparatelor de metrologie cu axe multiple cu un volum sferic de lucru. Este un braţ ce are encodori rotativi în dreptul articulaţiilor. Datorită acestor encodori, robotul poate atinge orice poziţie din volumul său de lucru fără vreo dificultate. Semnalele ce vin de la aceşti encodori sunt analizate ca şi informaţii de poziţie şi sunt transmise prin cablul USB la calculator. In categoria roboţilor de măsură există roboţi tridimensionali sau cu cameră de luat vederi, însă tipul de instrument prezentat în această lucrare are câteva avantaje pe care le voi trata pe parcurs. Modul de măsurare al acestuia constă intr-un palpator invelit intr-o bilă ceramică cu diametrul de 3 mm; există şi un cap de măsură cu bilă de 6 milimetri.aparatul realizează raportarea la un sistem de referinţă fixat prealabil într-un punct din interiorul sferei de lucru. Orice punct în care vom face o măsurare ulterioară va fi în permanenţă raportat la acest punct fix luat ca origine. Este de menţionat că in manualul de utilizare am întâlnit multe informaţii care îşi găseau ulterior explicaţia în lucrul efectiv cu braţul. Un alt lucru care l-am descoperit pe parcursul studiului individual a fost faptul că braţul lucrează interactiv cu calculatorul, el venind împreună cu un soft care îi permitea să transpună toate rezultatele măsurătorilor pe calculator urmând apoi etapa de prelucrare. Acest lucru implica o nouă abordare a strategiei de lucru cu el în care trebuia să mai introduc o etapă intermediară de cunoaştere şi utilizare a softului cu care lucra braţul. Insă datorită modului de prezentare grafic şi simplist al acestuia, cât şi a schemelor abundente, realizarea măsurătorilor devenea un lucru accesibil oricărui student sau profesor ce dorea să acorde puţin timp înţelegerii şi lucrului cu acest instrument de metrologie. A doua etapă a proiectului în care am fost implicat era constituită din asimilarea şi cunoaşterea tuturor comenzilor acestui braţ poliarticulat. După cum se poate vedea în fig 4, acest instrument de metrologie are diferite tipuri de măsurători întâlnite de mine in cadrul disciplinei Toleranţe şi Control Dimensional: - măsurarea de unghiuri între diferite entităţi ale piesei; - măsurarea de distanţe între diferite faţete sau goluri practicate in piesă; - măsurarea de geometrii diferite cum ar fi diametrul unui cilindru sau aria unui pătrat; - toleranţe geometrice putând verifica piesa din punct de vedere al toleranţelor impuse pe desenul de definiţie al piesei. Fig 4. Meniul interactiv cu comenzi
Cum în momentul de faţă aveam cunoştinţe despre tipurile de măsurători aferente acestui braţ poliarticulat, etapa următoare consta în a învăţa manevrarea acestuia cât şi efectuarea de măsurători cu acesta. Etapa aceasta, fiind cea mai complexă, a implicat lucrul pe mai multe fronturi şi anume : manevrarea braţului, studierea şi alegerea unei piese de măsurat capabile să pună in valoare toate aptitudinile acestuia, realizarea modelului tridimensional al piesei şi desenul de definiţie al piesei alegând în acelaşi timp specificaţiile sau cotele pe care doream să le verificăm, interpretarea şi verificarea datelor obţinute prin raportarea la alte metode de măsurare. După cum se vede în imaginea alăturată(fig 5), instrumentul este uşor de utilizat, nu implică mişcări prea complicate însă implică o susţinere permanentă de către utilizator în momentul realizării măsurătorilor. Un lucru pe care îl consider ca un atu este dimensiunile reduse ale acestuia şi capabilitatea lui de a ocupa diferite poziţii şi de a măsura diferite forme geometrice. Se poate observa de asemenea pe imagine prezenţa a două butoane la nivelul palpatorului, unul verde si unul roşu, butoane ce servesc la realizarea măsurilor. Insă despre acestea voi vorbi în rândurile următoare. Fig 5. Utilizare braţ FARO După o prealabilă acomodare cu mişcările braţului, următoarea etapă consta în a executa câteva dintre comenzile acestuia concretizate în câteva măsurători reale. Când am inceput să fac aceste măsurători am observat că robotul îmi cerea în mod imperativ să realizez o etalonare a palpatorului de măsurat. Aceasta era necesară pentru a stabili o poziţie de referinţă faţă de care se făceau toate măsurătorile, acest lucru lua în calcul şi eroarea pe care o putea introduce braţul. Un alt lucru care trebuia remarcat şi pentru care trebuia găsită o soluţie era faptul ca piesa de măsurat trebuia fixată de masa de marmură. Astfel a trebuit să mă gândesc la o posibilitate de a fixa piesa pentru că orice modificare a poziţiei acesteia în timpul măsurătorii implica după sine o eroare a măsurătorii, lucru pe care nu mi-l puteam permite. Fig 6. Sfera de etalonare Fig 7. Fixarea piesei cu două bride In Fig 6 se poate vedea sfera de etalonaj al carui sistem de prindere a fost de asemenea un lucru pe care trebuia să îl gândesc şi să il pun în aplicare. Am optat pentru un şurub cu piuliţă si şaibă pentru că adesea am fost in situaţia de a schimba poziţia acestui asamblaj şi acest montaj permite acest lucru. In fig 7 am reprezentat modul de prindere. Intrucât orice modificare a poziţiei piesei atrage după sine o eroare a măsurătorii am optat pentru 2 bride prinse cu şuruburi în placa de marmură a masei. Astfel putem mobiliza piesa prin blocarea ei către cele 2 bride şi putem realiza o masurătoare foarte precisă. Etalonarea braţului presupune preluarea coordonatelor unui punct fix de pe sferă şi apoi a altor 4 puncte dispuse pe o direcţie perpendiculară direcţiei primului punct.
Această operaţie se va face de trei ori pe trei direcţii reciproc perpendiculare cum se poate vedea în fig 8. Fig 8. Etalonarea instrumentului folosind 3 direcţii reciproc perpendiculare In momentul în care etalonarea este reuşită softul braţului ne va indica printr-un led verde că avem o etalonare în limitele de toleranţă acceptabile pentru a avea o măsurătoare destul de precisă. Este de menţionat faptul că instrumentul considera etalonarea corectă când eroarea introdusă era inferioară la 0.0035 mm. Etapa următoare implica un studiu precis şi o alegere a unei piese cu o geometrie destul de complexă care să permită punerea în evidenţă a tuturor capabilităţilor instrumentului de metrologie. Astfel am optat pentru o piesă reală existentă în industrie şi anume batiul unei pompe hidraulice. Datorită constrângerilor existente la fabricarea şi uzinarea acestei piese pentru ca funcţionarea pompei să fie fără probleme, am considerat ca alegerea aceasta era una viabilă. Această alegere fiind făcută, a urmat pregătirea suportului scris pentru măsurătoare. Astfel, ca urmare a cercetării mele am pus în practică cunoştinţele din modelarea 3D şi am realizat astfel modelul tridimensional al piesei de controlat (fig 9). Fig 9. Modelarea tridimensională a piesei de controlat Insă ceea ce ne interesa în mod special era obţinerea desenului de definiţie şi a unor dimensiuni pe care să le putem folosi pentru a pune la test instrumentul de metrologie achiziţionat. Astfel am proiectat modelul tridimensional în plan şi am realizat desenul aferent modelului(fig 10 şi 11). Fig 10. Vedere din faţă Fig 11. Secţiune
Interesul de a face o vedere în secţiune venea din necesitatea de a arăta un diametru interior şi de asemenea o înţelegere cât mai uşoară a desenului. Având modelul tridimensional cât şi desenul de definiţie discuţia se punea în vederea alegerii unor dimensiuni care să pună in valoare capabilităţile instrumentului şi să arate acurateţea, timpul de lucru cât şi manevrabilitatea acestuia. Pentru aceasta am luat în vedere faptul că în meniul interactiv de unelte sunt patru categorii de măsurători astfel că am decis să realizez câte o măsurătoare din fiecare categorie. In fig 12 se pot vedea cele patru specificaţii care trebuiau controlate. Fig 12. Alegerea specificaţiilor geometrice de verificat După cum se poate vedea am optat pentru o distanţă intre 2 feţe paralele, o distanţă între axele a 2 cilindri cu axe paralele, un diametru al unui cilindru şi pentru a folosi şi toleranţele geometrice am introdus şi o verificare de paralelism între 2 feţe paralele ale piesei. Este de menţionat că piesa era bine realizată din punct de vedere al toleranţelor impuse de către desenul de definiţie. Intrucât lucrarea mea avea ca scop şi adresarea către studenţii ce invăţau metrologia în laborator şi pentru ei era foarte important noţiunea de a se încadra sau nu în limitele de toleranţă, am introdus deliberat o eroare în desen, anume, pentru distanţa de 115 mm am luat o toleranţă mult mai mică decât cea înscrisă pe desen, astfel încât studenţii să înţeleagă conceptul de eroare şi depăşire a toleranţei dimensionale. După etapele de pregătire şi studiu al postului de lucru şi însuşirea cunoştinţelor şi limbajului instrumentului de măsură am început măsurarea. In rândurile următoare voi explica modul de funcţionare şi realizare al unei măsurători prin raportarea la un caz real. Am decis să folosesc ca şi exemplificare cazul măsurării unui cilindru. Fig 11 prezintă un cilindru şi câteva sfere de diferite culori. In rândurile anterioare am adus vorba de cele 2 butoane roşu şi verde existente pe braţul poliarticulat. Rolul acestora este următorul: - butonul verde serveşte la palparea de puncte succesive pentru generarea suprafeţei sau a geometriei de măsurat; - butonul roşu serveşte la finalizarea măsurătorii şi la poziţionarea suprafeţei in spaţiu. Este de menţionat că nu există o Fig 11. Măsurarea diametrului unui cilindru limită pentru punctele de palpare. Acest
lucru se traduce prin faptul că cu cât obţinem mai multe puncte de palpare, cu atât acurateţea măsurătorii va fi mai mare deci precizia şi corectitudinea acesteia va creşte considerabil. Totuşi programul impune un număr minim de puncte pentru ca măsurătoarea să se desfăşoare corect. După timpul petrecut în cercetare şi înţelegerea acestui instrument de metrologie a urmat faza experimentală. Scopul pe care îl urmăream era de a compara metodele clasice reprezentate de şubler şi micrometru, acest instrument de măsură şi robotul de măsură MMT tridimensional. Fig 12. Diferite instrumente din laboratorul de metrologie Pentru a exemplifica voi reprezenta în continuare calculul pentru determinarea distanţei intre cele 2 axe cu cele 3 tipuri de instrumente de metrologie. Pentru şubler nu puteam obţine o valoare imediată, ci numai una prin calcul, ceea ce implica deja din start o eroare suplimentară. Formula pe care am folosit-o a fost : Unde: ( R R ) D Dt + = 1 - D = distanţa intre cele 2 axe paralele; - D t = distanţa între extremităţile celor 2 cilindri; - R 1 = raza primului cilindru; - R 2 = raza celui de-al doilea cilindru. Putem observa că acest calcul va introduce şi o anumită eroare datorată mijloacelor de calcul. Acurateţea acestei măsurători va fi influenţată şi de acest lucru. Instrumentul de măsură FARO Gage are o funcţie care realizează acest lucru automat. Astfel definim minim şase puncte pentru primul cilindru, apoi încă şase pentru cel de-al doilea şi apoi softul ne va da automat răspunsul cu eroarea aferentă. Lucrul cu robotul tridimensional MMT este un pic mai complicat datorită softului destul de complicat, însă acesta realizează măsurătoarea mult mai rapid ca cel FARO. Pentru măsurătoare palpăm primul punct al primului cilindru, apoi robotul palpează singur celelalte puncte ale cilindrului, apoi ni se cere definirea primului punct al celui deal doilea cilindru urmând ca robotul să continue singur operaţia de măsurare. In tabelul următor (fig 12)sunt prezentate câteva date cu rezultate obţinute comparând cele trei metode de măsură. Tip instrument metrologie Diametru calculat (mm) Timp de lucru (minute) Manevrabilitate Calcul efectuat manual Subler 41.98 6 + da FARO GAGE 41.955 1 +++ - MMT 41.962 2 ++ - Fig 13. Tabel date obţinute experimental După cum se poate vedea în tabelul următor, deşi cu robotul tridimensional am obţinut o acurateţe mult mai bună decât celelalte două metode, totuşi braţul poliarticulat FARO are multe alte avantaje, un timp de lucru inferior, manevrabilitate mult mai bună cât şi o acurateţe destul de bună pentru toleranţele pe care le aveam impuse de desen.
CONCLUZII Consider că trăim într-o eră a informaţiei şi a tehnologiei din ce în ce mai avansate şi în consecinţă trebuie să ţinem pasul cu noile achiziţii. Pentru a concluziona asupra proiectului de cercetare depus în cadrul mobilităţii de studii în Franţa aş dori să reiau câteva din calităţile acestui braţ articulat. Scopul proiectului a fost cunoaşterea şi realizarea de notiţe de utilizare în limba franceză, în acelaşi timp realizând experimentarea şi testarea lui în laboratorul universitar în raport cu alte metode de măsurare existente la momentul dat în dotarea Institutului. Pentru aceasta am petrecut timp să studiez braţul FARO, componentele sale, softul de lucru, comenzile şi modul de măsurare cât şi piesa de măsurat. Consider că mi-am adus aportul ca inginer în cadrul implementării acestui braţ poliarticulat in laboratorul universitar de tehnologie. Braţul poliarticulat FARO Gage are câteva calităţi care nu îi pot fi negate: - acurateţe de măsurare de 5 microni; - posibilitate de montare în orice poziţie; - instrument portabil; - masă şi dimensiuni reduse; - meniu interactiv şi uşor de utilizat; - lipsa nevoii unui stagiu de pregătire pentru utilizare; - volum de lucru : sferă cu raza de 1.2 metri; - sistem intern de contrabalans pentru evitarea oboselii; - preţ redus de achiziţie. Acestea sunt numai câteva din calităţile ce fac din aces braţ poliarticulat unul din instrumentele de metrologie cel mai des folosite. In fig 14 se poate vedea o largă paletă de măsurători pe care acest braţ le poate realiza. Fig 14. Lista de comenzi de măsurare ale braţului FARO In contextul unei dezvoltări continue a laboratoarelor de metrologie cât şi a industriei, un astfel de braţ est cu adevărat indispensabil datorită multor calităţi şi avantaje pe care le oferă utilizatorilor lui, putând fi prezent în orice sector de activitate plecând de la laboratoare universitare până la secţiile de verificare a calităţii în inteprinderi şi fabrici. Lucrul cu acest braţ poliarticulat FARO Gage m-a ajutat foarte mult în înţelegerea şi aplicarea conceptelor din metrologie cum ar fi toleranţă dimensională sau calitatea de execuţie. De aceea îl recomand cu căldură şi cred că ar putea fi implementat cu succes şi în laboratorul de metrologie al Universităţii,,Stefan cel Mare, Suceava. Mai mult, consider că poate fi un element indispensabil formării de ingineri şi tehnicieni care să fie capabili să se lanseze pe piaţa muncii cu un bagaj de cunoştinţe complet şi care să stăpânească ultimile tehnici şi tehnologii existente în industrie în ceea ce priveşte calitatea pieselor.