Veronafiere! ottobre 2014! Gli atti dei convegni e più di contenuti su

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1 Veronafiere! ottobre 2014! Gli atti dei convegni e più di contenuti su

2 Soluzioni di misura laser a triangolazione per l automazione industriale Davide Prando Panasonic Electric Works Italia 29 ottobre SAVE 2014

3 AGENDA Desiderata del mondo Industriale Tecnologie a disposizione e loro confronto Gamma prodotti Panasonic Differenze tra dati-di-targa e applicazioni specifiche (dalla sala di metrologia all applicazione reale) Case History 2

4 SENSORI DI MISURA NELL INDUSTRIA Voglio aggiungere qualcosa alla tecnica tradizionale Voglio ridurre gli effetti collaterali Misura non a contatto I prodotti da misurare NON devono essere influenzati dalla misura Voglio essere più veloce e aumentare le prestazioni Devo interrogare un elevato numero di punti Devo farlo in tempi brevi (elevata efficienza produttiva) Voglio ridurre le dimensioni del mio sistema Integrabilità dei sistemi di misura laser 3

5 LASER = MEZZO di MISURA di DISTANZA Coerenza temporale Non interessa il discorso che stiamo per fare. Può essere impiegata per misure ad esempio in interferometria Laboratorio, NON Automazione. Divergenza del fascio e Coerenza spaziale Cioè il fatto che il laser si presenta come raggio di luce estremamente collimato (o parallelo). Questa è la principale caratteristica utilizzata negli strumenti di misura ottici nell automazione industriale. Monocromaticità Sfruttata attraverso filtri ottici per limitare i disturbi di tutti le altre sorgenti luminose (es. SOLE) sul sensore a semiconduttore (CCD o CMOS) che «vede» su uno spettro ottico ampio. Brillanza Interessa SOLO per questioni di sicurezza. Nelle applicazioni a seguire possiamo approssimare il raggio laser con un «filo di luce» che viaggia in linea retta alla velocità della luce 4

6 Desiderata dell Industria Desiderata industriali sempre più spinti in termini di velocità, precisione, stabilità di segnale, ecc. Diversamente dal laboratorio, nell Industria è raro caratterizzare il prodotto da misurare I bersagli sono non-cooperanti di diverso colore, materiale, trattamento superficiale, ecc. Le condizioni ambientali sono sfavorevoli o pesanti o estreme a causa di sporcizia e polvere in sospensione, vibrazioni, ecc. (Fattori limitanti delle prestazioni da tener conto nel dimensionamento del sistema) Le applicazioni riguardano la Misura di Distanze e/o Spessori, su oggetti che vanno dal Nero Opaco (gomma pneumatici), al Metallo Lucido, al Trasparente (vetro). 5

7 Esempi Applicazioni di Misura Laser 6

8 TECNOLOGIA LASER dell AUTOMAZIONE INDUSTRIALE TELEMETRI o SENSORI DI MISURA FOTOCELLULA USCITA ANALOGICA Se l uscita è SEMPLICEMENTE proporzionale alla luce riflessa dall oggetto oggetto bianco lontano è visto come oggetto scuro vicino TECNOLOGIE PRINCIPALI TEMPO di VOLO vs TRIANGOLAZIONE OTTICA Con queste tecnologie non viene impiegata la coerenza temporale. Sfruttata la monocromaticità attraverso filtri ottici per ridurre il disturbo della luce esterna Sfruttata soprattutto la collimazione Attenzione alla brillanza che assieme ad altri parametri (pulsazione, duty cycle, ecc.) determina la classe di sicurezza del laser 7

9 CONFRONTO di TECNOLOGIE TEMPO di VOLO = T.O.F. (Time Of Flight) «Cronometro di impulsi laser» Misura il tempo in cui un flash di luce laser arriva al bersaglio e torna indietro. La velocità è nota (Velocità della luce in aria) Spazio = Velocità x Tempo Distanza sensore-target = Spazio / 2 T.O.F. NOTA Tutta la rilevazione è fatta da un unico «occhio» 8

10 CONFRONTO di TECNOLOGIE TRIANGOLAZIONE La proiezione del punto laser riflesso dal target sul sensore (CCD/CMOS) lineare identifica per triangolazione la distanza del punto dal sensore stesso Dove sono noti: L angolo del raggio laser con il target (90 ) L angolo di vista del sensore La distanza reciproca tra emettitore (laser) e ricevitore (CCD/CMOS) TRIANGOLAZIONE NOTA La rilevazione è fatta dai tanti occhi del ricevitore ed elaborata dal micro-prosessore a bordo 9

11 CONFRONTO di TECNOLOGIE TRIANGOLAZIONE è superiore per: PRECISIONE OK per Desiderata elevati RIPETIBILITÀ OK per ambiente non controllato INSENSIBILITÀ a COLORE e LUCENTEZZA OK per bersagli non cooperanti T.O.F. è consigliabile per misurazioni a lungo raggio (> 1 metro) PRECISIONE «un occhio» VS «tanti occhi» Segnale Ricevuto Segnale Inviato T.o.F.? STOP? TRIANGOLAZIONE START Ricostruzione attraverso sensore multiplo e processamento dati 10

12 GAMMA Panasonic HLC2 (TOP di GAMMA) Amplificatore Separato Fino a due teste per ogni amplificatore Software di configurazione per PC Precisione sub-micrometrica Frequenza campionamento dai 10 ai 100kHz HLG1 Controllore e Display INTEGRATI Precisione (max. 0,5 micron) Frequenza di campionamento 5kHz Modelli con Comunicazione SERIALE RS422/RS485 Librerie a disposizione per la comunicazione con HMI Panasonic (GT02/GT12) oppure PC HG-C Controllore e Display INTEGATI Ripetibilità 10 micron Compatto e Leggero Diversi range di funzionamento (da 30 a 400mm) Tutti con grado di protezione IP

13 CONFRONTO Caratteristica HG-C HL-G1 HL-C2 Tecnologia costruttiva Testa e controller integrati Testa e controller separati Tecnologia di misura Laser a triangolazione Tipo di lettura Diffuse Reflection Diffuse o Specular Reflection Tipo di misura Superficiale Superficiale, spessore vetri, differenziale Campo di misura 30 mm ± 5 / 100 mm ± mm ± 4 / 250 mm ± mm ± 1 / 350 mm ± 50 Precisione massima 10 µm 0,5 µm 0,01 µm Uscita Digitale e analogica (PNP o NPN) Interfaccia - RS-485 (Mewtocol, ASCII) Configurazione Pulsanti presenti sulla testa Software, console, pulsanti sulla testa Campionamento (max) 667 Hz 5 KHz 100 KHz USB e RS-232 o Ethernet (API, Mewtocol, ASCII, Mitsubishi) Software, console, API (Application Programming Interface) 12

14 LIMITAZIONI APPLICATIVE Warm-up: 30 minuti perlavorare con le performance indicate nel data-sheet Condizioni che limitano le prestazioni (qualitativo) 13

15 INSTALLAZIONE TELEMETRI Variazione della dimensione dello spot nel campo di misura Risultati migliori lavorare nell intorno del «Measurement center distance» Attenzione a Inclinazione telemetro rispetto all oggetto 14

16 COME LEGGERE I DATI DI TARGA 1. Resolution Fluttuazione massima del rumore dello strumento. 2. Linearity Deviazione rispetto alla retta ideale dovuta alle variazioni della proiezione dello spot laser sul sensore. 3. Temperature Characteristics L uscita analogica cambia in base alla temperatura ambiente. 4. Sampling Rate (Shutter) Nel caso si misurino oggetti poco riflettenti, quali ad esempio la gomma nera, è necessario aumentare il sampling rate per poter ricevere una quantità di luce sufficiente al ricevitore. Voltage Ideal line Actual value Linearity Resolution Distance 5. Average number of Samples Per garantire una stabilità nella misurazione effettuata, vengono eseguite diverse medie sulle misurazioni. 1 sample 256 samples 15

17 CONFRONTO DI PRESTAZIONI TEORICHE CASO PEGGGIORE NELLE MIGLIORI CONDIZIONI Somma di tutti i possibili errori su ceramica bianca con variazione di temperatura di 1 C (Quantitativo) HG-C1030-P Full Scale: 10mm (±5mm range) Resolution: 10µm Linearity: ± 0.1%F.S ±10µm Temperature characteristics: ± 0.03%F.S./ C ±3µm ERRORE MASSIMO = 10µm + 10µm + 3µm = 23µm HL-G103-S-J Full Scale: 8mm (± 4mm range) Resolution: 0.5µm Linearity: ± 0.1%F.S ±8µm Temperature characteristics: ± 0.08%F.S./ C ± 6.4µm ERRORE MASSIMO = 0.5µm + 8µm + 6.4µm = 14.9µm HL-C203F(head) + HL-C2C-P(controller) Full Scale: 10mm (±5mm range) Resolution: 0.025µm Linearity: ± 0.03%F.S ±3µm Temperature characteristics: ± 0.01%F.S./ C ± 1µm ERRORE MASSIMO = 0.025µm + 3µm + 1µm = 4.025µm 16

18 INTERFERENTI NELLA MISURAZIONE (REALI) 17 Materiale non totalmente opaco il laser penetra la superfice Riflessioni multiple dovute alla particolare geometria del target Presenza vibrazioni sul target e/o sul supporto del telemetro Presenza di forte luce esterna (> 3000lux) Presenza di gocce d acqua sul target 17

19 CASE HISTORY

20 Settore Ferroviario APPLICAZIONE Misura della rotaia (dall alto e di lato) con ispezione senza contatto da veicolo in movimento Misura delle ruote usura ed eccentricità PROBLEMI Misura su metallo Condizioni di vibrazioni elevate Necessità di acquisizione veloce per un processamento a valle Meccanica di supporto SOLUZIONI Sistema è la combinazione di diversi telemetri configurati attraverso un sistema di acquisizione dati per il post-processing. PRODOTTI HLG1 & HLC2 19

21 Controllo Parti Automotive PROBLEMI Nel settore automotive è richiesta il 100% di qualità. Ogni singolo produttore Tier2 e Tier1 deve garantire i prodotti al 100% della specifica. APPLICAZIONE In particolare per le bielle è rischiesta una misura del parallelismo delle due facce SOLUZIONE Cliente soddisfatto in base alle sue specifiche con HLG1 nel caso di misure più grossolane HLC2 nel caso di requisiti più stringenti 20

22 Lavorazioni per Ferroviario APPLICAZIONE Le ruote dei treni hanno specifiche stringenti in termini di variabilità rispetto alle loro quote nominali (richiesta accuratezza < 1/100 di mm). È necessario retroazionare con rapidità e precisione le macchine utensili che le producono (grandi dimensioni es. Diametro ruota > 1.5m). PROBLEMI Ambiente decisamente ostile per l atmosfera e le vibrazioni in gioco Ciò richiede anche una distanza importante tra il sensore e il target. Forte condizionamento dovuto alla meccanica di montaggio e movimentazione SOLUZIONE Sistema di misura con HLC1 a lungo raggio e meccanica opportuna 21

23 Montaggio per l Automotive APPLICAZIONE Nelle linee di montaggio automotive sono richiesti controlli molto precisi. Nello specifico di tratta dello spessore di bande di alluminio utilizzate come riferimento per l allineamento delle parti dell autovettura. PROBLEMI Target metallico e riflettente. La precisione richiesta è dell ordine di 0.1mm entro un range di misura di 30/50mm. SOLUZIONE Soluzione chiavi in mano con HLG1 e PLC FP0R. 22

24 Freni a Disco APPLICAZIONE Controllo lavorazione su dischi freno di diverso materiale PROBLEMI Due casi con differente trattamento superficiale e differenti tolleranze a specifica. In un caso è da favorire la stabilità, nel secondo la precisione SOLUZIONE HLG1 nel primo caso in cui si è mostrata, a parità di precisione, una stabilità maggiore rispetto alla concorrenza. HLC2 Ottima precisione e semplicità d'uso come riportatoci dal cliente 23

25 Industria dei Pneumatici APPLICAZIONE Misura del profilo di gomma del pneumatico in tre differenti punti, prima della formatura. PROBLEMI La gomma è solitamente un materiale ostico a causa del loro forte assorbimento SOLUZIONE Sistema chiavi in mano per la scansione della banda di gomma in cui sono stati integrati tutti prodotti Panasonic:.: Telemetro HLG1,.: Servo-azionamento con motore brushless.: PLC VIDEO 24

26 Misura Livello Resina 25 APPLICAZIONE Controllo livello di resina nell alloggiamento dell elettronica di iniettori per auto. PROBLEMI Poichè la temperatura a cui viene depositata la resina è elevata, l ambiente presenta dei vapori che disturbano la rilevazione e sporcano il sensore. Inoltre sono spesso presenti delle bolle che rendono instabile la misura. SOLUZIONE HLG1 a lungo raggio con cui è possibile tenere la distanza suffiicente dai vapori. Questo strumento consente anche un ottima stabilità in presenza di bolle e superficie liquida. 25

27 Ricostruzione Profilo O-ring APPLICAZIONE Il controllo qualità degli O-ring è elevato poiché questi componenti fanno parte della filiera Automotive. L applicazione prevede di ricostruire il profilo di un O-ring attraverso misure puntuali in sequenza. PROBLEMI Variabilità del colore e del materiale (es. Diversi tipi di silicone). Curvatura della superficie SOLUZIONE HLG1 ha mostrato la massima stabilità per questa applicazione 26

28 Controllo Usura utensili APPLICAZIONE Controllo usura di utensili per macchine a controllo numerico PROBLEMI Materiale metallico e multisfaccettato SOLUZIONE Acquisizione punto per punto e controllo del profilo ricostruito rispetto i valori nominali PRODOTTO HLC2 perché sono richieste molte acquisizioni e una precisione all altezza delle specifiche di un CN 27

29 Controllo Rugosità APPLICAZIONE La lavorazione dei pannelli di legno richiede una misura della rugosità superficiale come controllo di qualità. PROBLEMI Automatizzare il controllo con un sistema completo di misura il cui costo va confrontato con prodotti dedicati SOLUZIONE Sistema chiavi in mano per la scansione dei pannelli in movimento in cui sono stati integrati tutti prodotti Panasonic:.: Telemetro HLG1,.: Servo-azionamento con motore brushless.: PLC 28

30 Controllo materiale estruso APPLICAZIONE Controllo dimensionale della planarità di tavole in materiale legnoso estruso PROBLEMI Combiamento del colore e superficie leggermente irregolare. Richiesta la precisione inferiore a 5/10 di mm SOLUZIONE HLG1 in comunicazione seriale con PC e librerie per lo sviluppo di un interfaccia uomo-macchina su specifica del cliente 29

31 CONCLUSIONI Telemetro Fotocellula con Uscita Analogica Tecnologie industriali sono T.o.F. e Triangoalzione Gamma telemetri a Triangolazione Panasonic risulta avere questi vantaggi:.: PRECISIONE per soddisfare Desiderata elevati.: RIPETIBILITÀ per lavorare in ambiente non controllato.: INSENSIBILITÀ a COLORE e LUCENTEZZA, la soluzione per bersagli non cooperanti Ogni caso reale può ridurre (anche notevolmente) le caratteristiche di targa SOLUZIONI Panasonic Orientate all applicazione e non al prodotto Considerando le molti variabili in gioco per le applicazioni di misura, è consigliato un confronto tecnico con il nostro personale. Il supporto tecnico da parte della sede ha costituito un elemento cruciale nei progetti presentati. AMBITI di IMPIEGO.: Automotive OEM, Tier1 e Tier2.: Macchine Utensili.: Plastica/Gomma.: Legno.: 30

32 DOMANDE? 31

33 GRAZIE DAVIDE PRANDO Responsabile Panasonic Sensoristica Industriale Tel: 045/