3 misura provini e laser

7/24/2019 3 Misura Provini e Laser

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3 Misurazione dei provini e banco laser

3 Misura dei provini e messa a punto del banco di

misura laser

La misura della sezione resistente dei provini di fondamentale importanza per

scegliere la trazione da applicarvi per esercitare la tensione voluta. Nelle precedenti

campagne di prove, e per gran parte della presente, le misurazioni sono state fatte con

metodi tradizionali. E stato usato infatti un calibro digitale centesimale per la misura

della larghezza della sezione resistente ed un tradizionale micrometro per la misura

dello spessore. Questi strumenti, pur consentendo teoricamente un livello di precisione

accettabile presentano il problema di venire a contatto con il provino, potendo quindi

influire sulla finitura superficiale. Inoltre la misura di questi strumenti quella relativa

al massimo dei valori dimensionali allinterno della sezione compresa tra le guance di

misura, problema evidente in caso di provini dimensionalmente irregolari. Infine lamancanza di riferimenti precisi e ripetibili tra il provino e lo strumento di misura

causava ulteriori incertezze, dovute allimpossibilit di sapere quale punto del provino

veniva effettivamente misurato. !er risolvere definitivamente tutti questi problemi

stato deciso lutilizzo del sistema di misura per mezzo di laser descritto nel seguito.

3.1 Tipo di dispositivi di misura laser presenti sul mercato

Essenzialmente esistono due tipi di dispositivi" quelli ad #ombra$ e quelli a

#riflessione$. Quelli ad ombra consistono sempre di due elementi che operano in coppia"

un primo emette un raggio laser in direzione dell oggetto da misurare ed esegue una

scansione su di esso lungo una direzione o anche un piano. %n secondo elemento il

sensore, posto dietro loggetto, che riceve il raggio del primo in tutte le zone dove non

stato intercettato dalloggetto stesso. In questo modo quindi possibile misurare

lombra e quindi la dimensione normale al raggio laser delloggetto. Il secondo tipo

composto invece da un unico elemento, che opera emettendo un raggio laser in un solo

&'


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punto contro laggetto. Il raggio viene quindi riflesso secondo un angolo noto. %n

sensore misura quindi il punto in cui questo raggio ritorna e quindi con un calcolo

trigonometrico pu( risalire alla distanza cui posto loggetto.

3.2 Descrizione dei dispositivi scelti

E stato deciso lutilizzo di un dispositivo che opera a riflessione, perch) quelli ad

ombra hanno il difetto di non poter misurare lo spessore dei provini in singoli punti ma

solo il valore massimo lungo sezioni. Il prodotto scelto stato ilMicro-Epsilon

Messtechnic ILD1401-10. Questo dispositivo ha le dimensioni di *+-*&+mm e ha su

un lato di -*&+ sia l emettitore del raggio laser sia il sensore per effettuare la misura.

!oich) ottenere un riferimento preciso tra il dispositivo ed il provino presentava

notevoli difficolt stato deciso di utilizzarne due contrapposti, ponendo loggetto nel

centro. Il modello da noi scelto permette di misurare distanze da esso comprese tra &+ e

+mm, con un range utile di /+mm. %tilizzandone due e distanziandoli -+mm quindi

possibile misurare oggetti di dimensioni variabili tra + e &+mm. La viene ottenuta

quindi dalla differenza tra le distanza tra i dispositivi e la somma delle distanze

misurate, secondo la formula"

( )&/+ DDDA disp +=

0ove =A dimensione dell oggetto

dispD+ 1 distanza tra i punti di distanza + dei dispositivi

=/D distanza del pezzo dal primo dispositivo

=&D distanza del pezzo dal secondo dispositivo

L output che questi dispositivi forniscono sotto forma di una tensione continua

variabile linearmente tra /2 e *2 nellintervallo di misura utile. Le distanze in mm si

ricavano dalla"

*,&*,& = ii D

&3


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4ostituendo quindi le distanze con le tensioni nella formula per ricavare la dimensione

delloggetto si ha"

( )&/*,&&* A +=

3.3 Realizzazione della parte meccanica

!er poter muovere loggetto in maniera precisa rispetto ai laser di misura stato deciso

lutilizzo di un banco di movimentazione triassiale gi a disposizione del laboratorio.

4ono stati progettati quindi gli elementi di supporto per i laser e per il provino da

misurare per mezzo del programma di modellazione solida !olid"or#s$Il risultato

visibile nei disegni e nelle foto seguenti"

Figura 3.1 Supporto per i sensori laser

+


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Figura 3.2 Supporto per il provino

/


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Figura 3.3 Immagine CAD 3D del progetto, vista anteriore

Figura 3.4 Immagine CAD 3D del progetto, vista posteriore

&


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Figura 3.5 Foto del sistema finito

Figura 3.6 Foto della postaione di lavoro !ompleta


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3.4 Acquisizione delle tensioni di output

Lacquisizione delle tensioni e la relativa elaborazione per ottenere le misure stata

fatta attraverso lo stesso personal computer che controlla il banco di movimentazione

del provino, in quanto dotato di una scheda di acquisizione idonea. Il soft5are

necessario stato creato appositamente attraverso un codiceLab"ie%. !er controllare

lesattezza delle tensioni acquisite si usato un multimetro&e%lett 'ac#ard mod$

34()A collegato in parallelo alla scheda del computer.

Figura 3." #rimo piano del !omputer di a!$uisiione e del multimetro

6


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3.5 Calibrazione

La calibrazione del sistema si resa necessaria innanzitutto per compensare lerrore di

posizionamento reciproco dei sensori 7distanza !D+ 8 e in seconda battuta per

compensare errori sulla costante di proporzionalit tra tensioni misurate e distanze

effettive. Questo secondo tipo di errore pu( essere dovuto tanto ai dispositivi di misura

quanto al sistema di acqisizione, ma la correzione si effettua contemporaneamente per

mezzo della calibrazione delle stesse costanti nella formula risolutiva. Infatti si pu(

scrivere"

( )iiii *DD = +

( )+&&&+///+

D*D*DA ! +=

dove =i* costante di proporzionalit tra tensione misurate e distanza

=iD costante additiva relativa alla legge tensione9distanza del sensore i

:uttavia le costanti additive si combinano ottenendo"

( ) &&//+&+/+

**DDDA ! ++=

!onendo

( ) ++&+/+ *DDD ! =++

si ottiene"

&&//+ ***A =

Quindi ammettendo solamente la linearit tra tensioni misurate e distanze possibile

fare una calibrazione completa agendo solamente su tre parametri. In alternativa,

*


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ammettendo che i due sensori si comportino in maniera identica si pu( fare la

calibrazione con due soli parametri"

87 &/&/+ **A += +

Infine, ammettendo che la misura della tensione sia perfetta e che i sensori rispettino

perfettamente i dati dichiarati si pu( calibrare solamente la costante additiva ottenendo"

( )&/+ *,& *A +=

3. !rove di precisione dei sensori

!rima di procedere alla calibrazione dei sensori si sono effettuate alcune prove per

analizzare la precisione ottenibile con i dispositivi a nostra disposizione. !oich) era di

nostro interesse solamente indagare sulla effettiva linearit tra tensioni e distanze,

affidandoci al banco di movimentazione abbiamo spostato un oggetto dal punto in cui

veniva letta una tensione di uscita di /2 al punto in cui venivano raggiunti i * volt.

Questa prova ha dato il risultato visibile in figura, che apparentemente sembra molto

buono.

-


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Tensione in uscita

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 2 4 6 8 10

Distanza dell'oggetto da misurare

Tensione

Figura 3.% &rafi!o della legge !'e lega tensione in output e distana dell(oggetto

:uttavia a questo livello di scala possibile rilevare solo gli errori pi; grossolani. !erfare una valutazione migliore necessario confrontare direttamente la distanza effettiva

con quella misurata, dopo aver scelto ovviamente il i* che minimizza lerore medio.


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Scostamenti dal valore reale del valore misurato con

calibrazione secondo una legge lineare

-0,025

-0,02

-0,015

-0,01

-0,005

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0 2 4 6 8 10

Distanza dell'oggetto da misurare

Tensione

Figura 3.% S!ostamento tra il valore reale e $uello misurato dopo la !ali)raione

Questa prova stata ripetuta molte volte per entrambi i dispositivi, e i dati sono sempre

stati dispersi in maniera casuale nella fascia compresa tra =+,+/mm e 9+,+/mm. Il tipo

di dispersione 7apparentemente casuale appunto8 rende inutile lutilizzo di leggi di

calibrazione pi; complesse di quella lineare.

'


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3."!ro#ramma di acquisizione e calibrazione

Figura 3.% S!'ema del programma, parte relativa al !al!olo della dimensione

3


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La parte relativa alla calibrazione con parametri la seguente. 4i pu( notare come sia

sufficiente inserire i valori delle tensioni relative a tre diversi provini calibrati per

ottenere automaticamente la i tre valori dei parametri di calibrazione. Il programma

risolve infatti automaticamente il sistema lineare necessario.

Figura 3.* S!'ema del programma, parte relativa alla !ali)raione !on 3 parametri

varia)ili

analogamente per la calibrazione con due parametri"

6+


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Figura 3.1+ S!'ema del programma, parte relativa alla !ali)raione !on 2 parametri

varia)ili

Infine il pannello di controllo risultato"

Figura 3.11 #annello di !ontrollo del programma di a!$uisiione e !ali)raione

6/


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>ome si pu( notare il programma in grado di funzionare fornendo

contemporaneamente la misura con tutti e tre i modi di calibrazione prima esaminati.

6&


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3.$ Misurazioni e%%ettuate

4ono state fatte /& misurazioni per provino, 3 per la spessore della sezione resistente e

per la larghezza della stessa zona, nei punti visibili nelle figure seguenti"

.Figura 3.12 #unti in !ui si misurato lo spessore

Figura 3.13 #unti in !ui si misurata la larg'ea

6


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I punti relativi allo spessore sono stati chiamati ?L,@L,>L,0L,EL,AL,BL,CL,IL, mentre

i tre relativi alla larghezza L/,L&, L. !oich) i fianchi laterali sono bombati per prendere

le misure di larghezza risultato necessario eseguire delle scansioni lungo lo spessore e

quindi scegliere il massimo tra le serie di valori trovati.

5.& Risultati ottenuti

I risultati sono riassunti nella tabella seguente. 4i pu( notare come i le misurazioni fatte

con i laser siano quasi sempre minori di quelle eseguite con i sistemi tradizionali.

Questo spiegabile considerando che i sistemi tradizionali misurano la cresta delle

asperit di unampia zona mentre i laser permettono una misura molto pi; puntuale. !er

il calcolo dellarea si scelto di usare la media tra le misurazioni effettuate sia per

quanto riguarda lo spessore sia per quanto riguarda la larghezza.

66


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!untoDprovino @ @6 > >6 0/ 0

?L ,-& ,'* ,3' ,3- ,3 6,+/

@L ,'/ ,'- 6,// ,3< 6 ,3&

>L ,


19/19


!untoDprovino 06 A/ A& A A6 B B6

?L 6,+ ,'/ ,-* ,-/ ,

3 misura provini e laser

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