Tecnologie Laser di Rilevazione e Misura per l Industria DAVIDE PRANDO

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1 Tecnologie Laser di Rilevazione e Misura per l Industria DAVIDE PRANDO Responsabile Panasonic Sensoristica Industriale davide.prando@eu.panasonic.com

2 Perché un Workshop Sensori Realizzare macchine e impianti significa risolvere problemi molto diversi: - velocità di risposta, - tipologia materiali impiegati, - ingombri ridotti, - ecc. Per la sensoristica, ciò significa impiegare dispositivi, spesso NON semplici da individuare. NON basta sfogliare un catalogo per individuare il sensore che serve più spesso serve un un occasione di scambio: Panasonic (Experts in sensing) e VOI gli Esperti dell automazione in macchina Eventi NON commerciali, ma formativi tecnico-applicativi e di scambio

3 FOTOCELLULA A RIFLESSIONE DIFFUSA Utilizzata per la sua semplicità Solo un cablaggio Nessun allineamento CASI PROBLEMATICI (quelli più frequenti in molti settori) Impostazione con oggetto chiaro vicino Non vedo oggetti scuri lontani Impostazione con oggetto scuro vicino Oggetti chiari vicini saturano il ricevitore (uscita commuta in ritardo) Non rilevo oggetti scuri in prossimità di sfondi chiaro.

4 ELEMENTO BASE DELLA TRIANGOLAZIONE OTTICA (BGS) Passo da 1 elemento ricevitore a 2 elementi ricevitori Permette di fissare in modo molto preciso la massima distanza di rilevazione. Regolazione distanza NON basata su sensibilità ricevitore, ma per SOLA regolazione ottica (principio della triangolazione) BGS = BackGround Suppression (Soppressione dello Sfondo)

5 PLUS della TRIANGOLAZINE Panasonic Estratto dal catalogo Panasonic AFFIDABILITA E STABILITA Regolazione solo ottica che consente il miglior rapporto segnale rumore, che si evidenzia nel cambio colore di: - target su tutto il range del sensore - sfondo più o meno prossimo al target PRECISIONE Spot piccolo: - Inferiore a 2mm nello short range - Piccolo anche nel long range (<5cm a 2 m)

6 GENERALIZZAZIONE dei BGS Nei BGS passo da 1 elemento ricevitore a 2 elementi ricevitori e se gli elementi fossero 10, 100, 1000? e se per ogni elemento ricevente potessi avere una corrispettiva uscita? e se utilizzassi luce LASER per essere più preciso sul target? TELEMETRIA

7 MISURARE SENZA CONTATTO PERCHE? I prodotti da misurare NON devono essere influenzati dalla misura Il sistema di misura NON deve mantenere le sue caratteristiche (NON si deve usurare) Devo interrogare un elevato numero di punti Devo farlo in tempi brevi (elevata efficienza produttiva) Devo farlo senza fermare il transito dei pezzi (efficienza elevata) Voglio ridurre ingombri, dimensioni, asservimenti del mio sistema (Integrabilità dei sistemi di misura laser )

8 Telemetria nell Industria Desiderata industriali 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. - dal nero opaco (gomma pneumatici), al metallo lucido, al trasparente (vetro). Le condizioni ambientali spesso non sono a favore (polvere in sospensione, vibrazioni, ecc.) NON è sufficiente sfogliare un catalogo per risolvere problemi di controllo lavorazione, posizionamento, allineamento. Le soluzioni non sono immediatamente individuabili, perché bisogna sapere leggere i diversi dati di targa per integrare i prodotti disponibili in un sistema automatico di controllo.

9 MISURA PER TRIANGOLAZIONE La proiezione del punto laser riflesso dal target sul sensore (CCD/CMOS) lineare identifica per triangolazione la distanza del punto dal sensore stesso Sono noti: Angolo del raggio laser con il target (90 ) Angolo di vista del sensore Distanza reciproca tra emettitore (laser) e ricevitore (CCD/CMOS) Rilevazione è fatta dai «tanti occhi» ed elaborata dal micro-processore a bordo PRECISIONE garantita dalle dimensioni ridotte dei pixel del CMOS (tecnologia dei semiconduttori) RIPETIBILITÀ elevata grazie all elevato numero di elementi sensibili (512 pixel nel caso Panasonic) e al processing di segnale INSENSIBILITÀ a COLORE e LUCENTEZZA grazie alla tecnologia a triangolazione

10 ALTA GAMMA Serie HLC2 Amplificatore Separato Fino a due teste per ogni amplificatore Software di configurazione per PC Prodotti dedicati per la gomma dei pneumatici Prodotti dedicati per il trasparente Precisione sub-micrometrica Frequenza campionamento dai 10 ai 100kHz LINKs HLC2 :

11 HLG1 Telemetro All-in-One Controllore e Display INTEGRATI 5 range di funzionamento per oggetti opachi: 30±4, 50±10, 85±20, 120±60, 250±150 mm 3 range di funzionamento per oggetti lucidi e trasparenti: 26.3±2, 47.3±5, 82.9±10 mm Precisione (max. 0,5µm) Frequenza di campionamento 5kHz Uscita analogica + 3 uscite digitali Modelli con Comunicazione SERIALE RS422/RS485 Librerie a disposizione per la comunicazione con HMI Panasonic (GT02/GT12) oppure PC/PLC LINK :

12 HG-C 3 range di funzionamento (30±5, 50±15, 100±35, 200±80, 400±200 mm) Ripetibilità massima 10µm Diametro dello spot a centro-campo <120µm Controllore e Display INTEGRATI Uscita Analogica 0-5V Uscita Digitale PNP o NPN Compatto e Leggero Segnale Stabile LINK :

13 ACCURATEZZA del SENSORE

14 RISOLUZIONE Anche quando si misura un oggetto statico, l uscita analogica fluttua in un determinato range a causa di rumore interno. Questa fluttuazione viene convertita in distanza e determina una limitazione per il minimo oggetto rilevabile. Misura in condizioni statiche Fermo Valori misurati Valori misurati Fermo Time Range tra valore massimo e minimo (range tra i punti rossi) = Capacità di distinguere la variazione di distanza minimo.

15 LINEARITA Uscita telemetro Valori misurati Uscita ideale Measuring range I valori misurati dal telemetro NON sono proporzionali alla distanza del telemetetro dal target (NON c è una relazione lineare y = mx + q) Distanza reale ESEMPIO (HL-C203F, range 30±5mm F.S = 10mm) Linearità = ±0.03% F.S. = = mm = 3 μm L andamento della curva dipende dalla testa del sensore. Una variazione di massimo ±0.01mm (±10μm) rispetto alla linea ideale in alcuni casi è possibile. E possibile che non vi siano variazioni (misura = reale).

16 TEMPERATURA Il valore misurato dal telemetro cambia se ci sono variazioni di temperatura Componente di errore legata alla temperatura ambiente, che non dipende da eventuali variazioni di dimensioni dell oggetto (es. Dilatazione termica) L elettronica del telemetro, all aumentare della temperatura, aumenta la sua rumorosità. Viene riportato come dato di targa il massimo errore per una variazione di temperatura. ESEMPIO (HL-C203B-BK, range 30±5mm F.S = 10mm) Fondo Scala (F.S.) = 10mm (Measuring range) Caratteristica in Temperatura = 0.01% F.S./ = = mm/ = 1 μm/ Una variazione di 1 comporta una variazione nella misura di 0.002mm (2μm) max. TABELLA Esempio di misure del telemetro al variare della temperatura. In realtà i valori in uscita potrebbero essere più vicini al valore di riferimento (@ 25 C) poiché si riporta sempre il valore massimo dell errore dovuto alla variazione di temperatura.

17 ACCURATEZZA ACCURATEZZA Grado di corrispondenza delle misure rispetto al dato teorico L errore tra riferimento e misurato è dato dalla somma degli errori dovuti a RISOLUZIONE del SENSORE dovuta principalmente al rumore elettronico LINEARITA del SISTEMA OTTICO + SENSORE dovuta agli elementi ottici CARATTERISTICA in TEMPERATURA dovuta al condizionamento ambientale Max. differenza rispetto al valore reale. Data Diverse misure a campione statico

18 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

19 LIMITI nella MISURA

20 DISTURBI ELETTRICI Consigli di installazione per ridurre i disturbi ELETTRICI: - Installare il telemetro lontano da linee ad alta tensione, linee di potenza, saldatrici, inverter - Installare il telemetro lontano da sistemi radio (es. dispositivi radio amatoriali) - Distanziare il cavo del telemetro di almeno 100 mm da altri cavi e verificare che non sia in parallelo con essi - Separare i segnali di I/O di almeno 100 mm da linee e sistemi di potenza. Ridurre la lunghezza dei cavi il più possibile - L uscita analogica è fortemente influenzabile dai disturbi presenti nell alimentazione del telemetro. Utilizzare opportuni filtri o trasformatori per isolare i disturbi. Ridurre la lunghezza dei cavi il più possibile

21 CORRETTO MONTAGGIO 1/2 Warm-up: 30 minuti perlavorare con le performance indicate nel data-sheet Condizioni che limitano le prestazioni (qualitativo)

22 CORRETTO MONTAGGIO 2/2 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

23 INTERFERENTI NELLA MISURAZIONE (REALI) 23 Materiale non totalmente opaco il laser penetra la superfice Riflessioni multiple dovute alla particolare geometria del target

24 INTERFERENTI NELLA MISURAZIONE (REALI) 24 Presenza vibrazioni sul target e/o sul supporto del telemetro Presenza di forte luce esterna (> 3000lux) Presenza di gocce d acqua sul target

25 CASE HISTORY Esempi di applicazioni tratti da diversi settori industriali

26 Controllo Parti Automotive Nel settore automotive è richiesta il 100% di qualità. Ogni singolo produttore Tier2 e Tier1 deve garantire i prodotti al 100% della specifica. APPLICAZIONI Misura del parallelismo delle due facce di una biella Misura della regolarita dei dischi freno Misura a specifica degli alberi a camme PROBLEMI Materiale metallico con diversi trattamenti superficiali (diversa riflettività) Angoli di incidenza non sempre perpendicolari ( fuori specifica ) Tempi di acquisizione ridotti SOLUZIONE In base alle specifiche di velocità e precisione abbiamo tarato la soluzione più indicata.

27 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

28 Misura Livello Resina 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.

29 Lavorazione Utensile APPLICAZIONI 1. Controllo usura di utensili per macchine a controllo numerico. 2. Zero-set per un utensile 3. Verifica di lavorazione (indiretta) PROBLEMI Materiale metallico e multisfaccettato. Non solo misura, ma anche controllo intelligente. SOLUZIONI 1. Acquisizione punto per punto e controllo del profilo ricostruito rispetto i valori nominali 2. Compatto e quindi semplice da alloggiare all interno di una macchina utensile. Possibile rilevazione con comparatore per discriminare solo specifiche lavorazioni del metallo 3. Controllo indiretto di lavorazione: misurando una quota, è possibile verificare se il diametro dell oggetto lavorato è a specifica. Alternativa a sistemi di visione, attraverso comparatore a finestra

30 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

31 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

32 Controllo materiale estruso APPLICAZIONE Controllo dimensionale della planarità di tavole in materiale legnoso estruso Analogo al controllo assoluto o differenziale (anche attraverso il supporto di un PLC) PROBLEMI Combiamento del colore e superficie irregolare. Controllo continuo e non a campione (es. Precisione < 0.2 mm per avere delle tavole conformi la qualità ) SOLUZIONE HLG1 in comunicazione seriale con PC e librerie per lo sviluppo di un interfaccia uomo-macchina su specifica del cliente Senza contatto e quindi senza usura di target e strumento di misura Soluzione molto compatta per un applicazione avanzata. Insensibilità al cambio colore

33 Assemblaggio Guarnizioni APPLICAZIONE Rilevazione e controllo di particolari montati su diversi supporti anche metallici. Questa situazione avviene spesso nei settori gomma, assemblaggio automatico, automotive, utensile. PROBLEMI I riflessi rendono instabile la rilevazione, specialmente quando il target da controllare è molto opaco (es. gomma nera) SOLUZIONE Compattezza, precisione e funzionalità avanzate (timer e comparatore a finestra) consentono di configurare l applicazione in base alle esigenze. Insensibilità al cambio colore, grazie alla tecnologia a triangolazione ottica. Il telemetro individua in target in gomma nera solo per il suo spessore, senza risentire della riflettività dei materiali metallici su cui la gomma viene depositata, alloggiata, montata. Grazie alle ridotte dimensioni dello spot laser, il sensore non risente della presenza di oggetti in prossimità.

34 Controllo ON/OFF preciso e stabile SETTORE Montaggio, Assemblaggio, Packaging Pharma (anche in sostituzione di sistema visione) APPLICAZIONE Rilevazione di piccoli oggetti sovrapposti o di particolari su un pezzo. (Es. sticker su particolare in plastica) PROBLEMA Spessore minimo e variabilità colore. PLUS Triangolazione laser, assieme ad un sensore CMOS, raggiungono alte sensibilità anche per piccole variazioni di spessore Indipendenza al cambio colore del target.

35 Siamo a disposizione: per chiarire i contenuti della presentazione per supportarvi nella vostra attività (studi fattibilità c/o Bussolengo - VERONA) DAVIDE PRANDO Responsabile Panasonic Sensoristica Industriale Tel: 045/ davide.prando@eu.panasonic.com