Лазерно позициониране

Механични системиСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2006

 

Проверка на формата и взаимното разположение на машинни елементи и възли

Че наклонената кула в Пиза е една от най-големите европейски атракции, всеки знае. Само инженерите, обаче, са категорични, че ако строителите й разполагаха с лазерна система за контрол на 3D геометрия, вероятно днес светът щеше да е лишен от това чудо на инженерната мисъл. Просто защото лазерната система би им осигурила информация във всеки един момент за отклонението на кулата по вертикала спрямо базовата повърхност - земята. Както в абсолютни, така и в относителни единици. При това с микронна точност. Ако направим скок във времето и се озовем в днешните реалности, ще видим, че лазерните позициониращи системи са важна част от съвременните високоскоростни и прецизни машини, съоръжения и поточни линии. В статията ще ви запознаем накратко с ролята, начина на работа и някои важни приложения на лазерните позициониращи системи. Без претенции за изчерпателност и с уверенията, че ще разгледаме този актуален инженерен въпрос с подобаващата му сериозност и в следващи броеве.

 

Традициите в контрола

Всички машини и възли, имащи подвижни елементи от конструкцията, подлежат на проверка и настройка на взаимното разположение на движещите се части с цел ефективна, надеждна и безшумна работа на цялото съоръжение. За съжаление, честа практика в някои механични производства е на периодичната настройка на машините и съоръженията да не се обръща нужното внимание докато определено събитие, свидетелстващо за неефективна и дори опасна работа, не привлече вниманието на инженерния персонал. Събитията от подобен характер биха могли да бъдат категоризирани в две основни групи. В първата попадат индикации, свързани с незначително понижение на производителността и качеството на изработваните изделия или по-висок от нормалното шум при работа. Втората категория включва опасни индикации, криещи опасност от сериозно повреждане на машинното оборудване или още по-недопустимите аварии с нараняване на хора. Преди да навлязат лазерните позициониращи системи, настройката на взаимното разположение между подвижните части на машините се прави чрез оптични или още по-старите изцяло механични решения. Специалистите с дълъг професионален опит вероятно си спомнят по-старите технически средства за осигуряване на съосност между центъра на въртене на инструмента и детайла при металообработващите машини от предишното поколение. Ограниченият брой технически решения за позициониране и големите им метрологични несъвършенства преди години обясняваха и съществената роля, която имаше опитът на персонала за постигане на добро центроване.

Защо лазерни системи?

С разработването на лазерните позициониращи системи бе намерено високопрецизно и ефективно предвид краткия период на настройка техническо решение. Допълнително предимство на лазерните позициониращи системи е сравнително лесната им експлоатация, изискваща минимален набор от квалификационни умения на персонала по поддръжката на металообработващите машини. Навлизането на лазерните позициониращи системи превърна в история субективността, така характерна за предишното поколение технически средства. Лазерните системи не просто осигуряват качествено позициониране, но и необходимата информация за отстраняване на дефекти при работата на машината. По тези причини лазерните позициониращи системи се нареждат сред важния инструментариум в много индустриални заводи.

Лазерният източник

Основен конструктивен елемент на лазерните позициониращи системи е лазерен трансмитер, който излъчва колимиран светлинен сноп, имащ строго определен цвят и специфична дължина на вълната. Лазерът се използва в позициониращи системи, тъй като колимираният светлинен сноп е особено подходящ във функцията на тънък, опорен лъч. В зависимост от това дали излъчваният от лазера светлинен сноп има дължина на вълната от видимата или невидимата част от електромагнитния спектър, системите за позициониране могат да се класифицират в две категории. В първата попадат лазерните позициониращи системи с видим от човешкото око лазерен сноп, който най-често е с дължина на вълната, съответстваща на червения цвят. Предлагат се и лазерни позициониращи системи, които работят с инфрачервени и ултравиолетови светлинни снопове. Независимо от конкретната дължина на вълната на лазерния сноп, той изпълнява ролята на опорна линия по същия начин, по който обикновеният метален проводник е бил използван в миналото.

Оптическият приемник

Лазерът се монтира в корпуса на машината върху дефинирани опорни повърхности и монтажни точки. Благодарение на него, всяка точка от машината би могла да бъде проектирана с много висока точност върху определена повърхнина. Това прави лазерът оптимално техническо решение за позициониране на движещите се части на машини. Въпреки че проектирането на лазерния сноп върху определен обект осигурява достатъчно висока точност дори и при визуално позициониране, в най-отговорните приложения системите разполагат с оптически детектор. Във функцията на оптически детектор се използва светлочувствително устройство, което определя в цифров вид точното местоположение на лазерния сноп в зависимост от дължината му - между източника и точката от опорната равнина, до която достига. Този детектор също се монтира в корпуса на машината.

Принцип на работа на системата

Ако трансмитерът и приемникът са монтирани един срещу друг върху две идеално гладки хоризонтални повърхности, системата би отчела нула. В случай че лазерният сноп се отклони или приемникът се премести, системата ще отчете отместването с висока точност. На този принцип работят всички лазерни системи за позициониране, включително измерване на отклонения от формата и взаимното разположение - успоредност, перпендикулярност и т.н.

Чрез комбиниране на лазерния предавател, оптическия приемник и съответното електронно показващо устройство с различни монтажни фиксиращи и затягащи приспособления, системата намира приложение за позициониране на валцоващи системи, роботизирани линии, стрелата на кранове и т.н. В приложения, при които е необходимо прецизно да се дефинира базова равнина, лазерният източник се монтира върху въртяща се основа. Ориентацията на дефинираната с помощта на лазера равнина може бъде настроена да съвпадне с три или повече опорни точки в равнината на машината. По този начин се извършва прецизна калибровка на машинните съоръжения. В редица приложения лазерният трансмитер се оборудва с нивелир, за да се хоризонтира прецизно дефинираната чрез лазера равнина.

При проверка на отклонения от взаимното разположение, като

успоредност и перпендикулярност

се използват прецизни приспособления за дефиниране на прави ъгли - петостенни призми, разделящи лазерния сноп в два взаимно перпендикулярни снопа. Приспособлението намира успешно приложение при позиционирането на изпълнителни механизми, роботизирани системи, различни металообработващи машини, както и на различни валцоващи системи. Петостенната призма е самонастройваща се, така че операторът може да постави приспособлението за прав ъгъл на произволно място по направлението на разпространение на лазерния лъч, като по този начин създаде множество повторяеми опорни прави ъгли.

Лазерните позициониращи системи намират успешно приложение и при проверка успоредността на две или повече направляващи в различни механични системи. В такива случаи, лазерният сноп се насочва през краищата на релсите. Поставя се приставката за прави ъгли, чрез която лазерният лъч се отклонява така, че да бъде успореден на първата направляваща. След това приспособлението за прав ъгъл се премества, докато лазерният лъч пресече края на втората релса. Правят се отчитания. Съвсем логично, ако двете направляващи са успоредни, системата ще сравни двете показания и резултатът ще е нула.

В противен случай чрез лазерните позициониращи системи е възможно получаването на точна и повторяема информация за отклонението от успоредност на двете направляващи. На базата на тази информация се определят мероприятията, които трябва да се предприемат, за да се осигури успоредност на направляващите. Комбинирането на различни монтажни и фиксиращи приспособления с лазерна позиционираща система осигурява високо качество на взаимното разположение на отвори, разпробити върху плочи, зъбни колела, съосяване на валове, контрол на хода на стрелата на кранове и други приложения в индустрията.

Позициониране
на манипулатори

Сред най-важните приложения на лазерните позициониращи системи е проверката на формата и взаимното разположение на ролкови и дискови манипулатори. Обикновено материалите се пренасят от едно до друго място в завода или се обработват по време на движението им по различни транспортни системи. При производството на ламарина, например, горещата заготовка преминава през система от валци, които я пресоват и разтеглят до необходимата дебелина. Съответно, децентроването на отделните ролки в системата би могло да доведе до производството на ламарина с ниско качество и съответно бракуване на материал и икономически загуби. Центроването на ролките в транспортните системи също е от съществено значение за оптималната им и безаварийна работа.

Три са основните метрологични характеристики, които подлежат на контрол за всяка ролка от системата за валцоване. Едната характеристика е праволинейността на ролката. Тази характеристика се проверява, за да се установи степента на провисване на ролката под действието на собственото й тегло. Другите две характеристики са успоредността на страничните й повърхности във вертикално и хоризонтално направление.

И трите характеристики в действителност обединяват обща характеристика - цилиндричността на ролката. Сред най-често срещаните отклонения от формата на ролките е бъчвообразност, т.е. широчината на ролката в средата е по-голяма от тази в краищата й. Резултатът е различна дебелина в хоризонтално направление на произвежданите стоманени листове.

Праволинейността
на ролката

се проверява сравнително елементарно с помощта на лазерна система. В подобни приложения лазерът се насочва успоредно на предното напречно сечение на ролката. Системата се настройва така, че приемникът отчита нула в края на ролката. След това, системата обхожда последователно цялата линия, свързваща двата края на ролката, отчитайки отклоненията в плюс и минус спрямо базовото, крайно положение. Следователно лазерните системи не просто правят отчитания в една, две или три точки, но безпроблемно анализират профила на ролките.

Логично, при ролка с праволинейна повърхност по целия път на преместване на лазера, системата ще отчете относително еднакви показания, докато при бъчвообразна ролка показанията в средата ще бъдат по-малки в сравнение с тези в двата края. Това е така, въпреки че дебелината на ролката в средата е по-голяма от тази в краищата й, защото системата отчита разстоянието между лазерния източник и изследваната повърхност. Методът е особено успешен за изследване работните повърхности на ролките, защото предоставя точни данни за отклоненията вследствие на износването или претоварването им.

Чрез лазерна система би било безпроблемно да се определи и отклонението от кръглост на ролката в произволно избрана равнина. Схемата за това включва настройване на системата на нула в дадена точка от напречното сечение на ролката и обхождане на повърхността й в това сечение. При това системата ще определи отклонението във всяка точка спрямо предварително въведената базова точка.

Както бе подчертано

успоредността на ролките

се дефинира в две взаимно перпендикулярни равнини - хоризонтална и вертикална. По принцип успоредността във вертикално направление би могла да се провери и с ниворегулираща либела. Често, обаче, поради слягане на производствената линия, част от конструкцията на която е ролката, това решение не е достатъчно прецизно. В случай че ролките са със значителни отклонения от праволинейност, либелата също не е оптимално техническо решение. Лазерните системи се използват успешно за проверка успоредността на ролките във вертикална равнина. Лазерният сноп се насочва срещу предната страна на ролките. Прецизно се определят крайните точки, достатъчни да се дефинират линиите на вертикалното сечение на ролката и да се изчисли отклонението в успоредността им. Успоредността на ролката в хоризонтална равнина е също толкова важна с оглед оптималната и безаварийната й работа. В този случай лазерната система включва петостенна призма, благодарение на която се създава прецизен и повторяем лазерен опорен лъч под прав ъгъл. Посредством специалното приспособление за прав ъгъл, лазерният лъч се насочва успоредно и перпендикулярно на страничната повърхност на ролката. Първоначално системата прави отчет по едната от линиите, формиращи хоризонталното сечение, след това по втората. Системата съпоставя получените данни и определя отклонението в успоредността на ролките в хоризонталната равнина.

Петостенната призма, наричана още пентапризма, е важен елемент от лазерните позициониращи системи, тъй като благодарение на нея се създават прецизни, повторяеми прави ъгли. Благодарение на използването на лазерни системи, става възможно да се намали износването на подвижните части на машините поради оптималното им позициониране, да се намалят значително аварийните спирания и в крайна сметка да се повиши производителността.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top