ITMI982145A1 - Procedimento e relativa apparecchiatura per la misurazione delle deviazioni di forma di superfici lavorate. - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE del Brevetto per Invenzione Industriale di:
Forma oggetto del presente trovato un procedimento e una relativa apparecchiatura per la misurazione dei difetti di finitura di superfici lavorate e in particolare rettificate.
E' noto nella tecnica della lavorazione di finitura di superfici di oggetti vari quali, ad esempio, corpi cilindrici costituenti organi di laminazione, calandratura o simili, la necessità di rettificare su macchine automatiche le dette superfici per ottenere un prefissato grado di lisciatura della superficie stessa. E' anche noto che, nonostante la precisione delle moderne macchine, la rettifica introduce comunque dei difetti superficiali noti con la denominazione di "deviazioni di forma".
Tali deviazioni di forma sono sostanzialmente divise in tre categorie in base al valore che assume un parametro di riferimento (G) definito dal rapporto tra l'ampiezza e il passo delle irregolarità rilevate; più in dettaglio si identificano :
- errori di forma = G < 0 , 001
- ondulazione = 0 , 001 < G < 0 , 01
- rugosità : = 0 , 01 < G < 0 , 2
nel caso di rugosità si usa anche un ulteriore parametro di misura (Ra) definito dal valore medio aritmetico dei valori assoluti delle deviazioni del profilo reale rispetto alla linea media aritmetica Sono anche noti dispositivi di misura delle deviazioni di forma che possono essere sostanzialmente suddivisi in :
- dispositivi meccanici:, basati sull'impiego di una punta tastatrice che, percorrendo la superficie da misurare, rileva le irregolarità e genera un segnale elettrico rappresentabile sotto forma di un grafico o simile; tali dispositivi presentano delle sostanziali limitazioni derivanti dal fatto che sono di tipo invasivo in quanto, essendo basati sul contatto tra una punta metallica e la superficie da misurare, possono facilmente provocare graffiature che alterano ulteriormente la superficie, rendendo la misurazione sostanzialmente non ripetibile. Oltre a ciò i dispositivi meccanici presentano una elevata approssimazione, non sono automatizzabili e necessitano di un elevato intervallo di tempo per effettuare la misura che non può pertanto essere effettuata in linea durante la lavorazione del pezzo. Per ovviare agli inconvenienti degli strumenti meccanici sono anche stati realizzati dispositivi ottici che possono essere sostanzialmente divisi in due tipologie:
- misuratori di profilo: che generano un segnale elettrico che descrive il profilo della superficie misurata. Tali dispositivi si basano su tecniche (triangolazione e/o autofocus) che rilevano l'immagine di un punto luminoso prodotto da un fascio laser focalizzato sulla superficie da misurare.
I dispositivi a triangolazione risultano adatti per misure di errori di forma ed ondulazione, ma non sono adatti per effettuare misure di rugosità se non per campi di rugosità molto elevati (Ra>5μm); i dispositivi ad autofocus presentano elevate prestazioni per i campi di rugosità molto bassi, cioè in presenza di superfici ad alta riflettività (quasi speculari), ma risultano per contro molto sensibili all'allineamento .
misuratori optoelettronici : che effettuano una misura indiretta della rugosità basata sull'analisi statistica della distribuzione di luce retrodiffusa da una superficie illuminata da un fascio laser focalizzato. Tale luce diffusa può sostanzialmente essere divisa in due campi: -- un campo riflesso: con ritorno della luce nella direzione di incidenza e
- un campo diffuso con ritorno della luce in tutte le altre direzioni;
la distribuzione angolare del campo diffuso essendo legata alla finitura superficiale del pezzo, ovvero alla presenza di difetti più o meno profondi e densi. Sulla base di tali principi sono stati realizzati strumenti ottici di misura della rugosità superficiale che prevedono la misura del campo riflesso e diffuso tramite dispositivi optoelettronici disposti a varie angolazioni rispetto alla superficie da controllare. Anche questi strumenti presentano tuttavia delle limitazioni derivanti dal fatto che, lavorando a bassa potenza ed essendo la misura affetta da rumore, risultano affidabili per misurazioni della rugosità corrispondente a valori di Ra molto minori della lunghezza d'onda della sorgente luminosa impiegata e non forniscono alcuna informazione riguardo alla ondulazione.
Oltre a ciò tali dispositivi ottici sono di difficile allineamento rispetto alla superficie da misurare.
A causa della loro struttura gli strumenti ottici noti consentono, quindi, di misurare solamente o la rugosità o la ondulazione o gli errori di forma, ma non sono atti ad effettuare misure precise e ripetibili di tutti e tre i difetti superficiali contemporaneamente.
Si pone pertanto il problema tecnico di realizzare un'apparecchiatura di rilevazione e misura dei difetti di finitura di una superficie lavorata, la quale sia atta ad effettuare misure affidabili e ripetitive sia della rugosità, sia dell'ondulazione sia degli errori di forma della superficie indipendentemente dal tipo di superficie sotto osservazione; presenti bassa sensibilità al disallineamento con la superficie stessa e sia in grado di effettuare misure sostanzialmente corrette anche in presenza di superfici non perfettamente pulite.
Nell'ambito di tale problema costituisce ulteriore necessità che lo strumento effettui le misure ad una velocità tale da consentirne l'installazione a bordo delle macchine di lavorazione per poter effettuare la misura in modo automatico e in linea.
Tali problemi tecnici sono risolti secondo il presente trovato da un procedimento di misura delle deviazioni di forma di superfici lavorate secondo quanto contenuto nella rivendicazione 1 e da una relativa apparecchiatura per la misurazione delle deviazioni di forma di superfici lavorate comprendente almeno una sorgente di emissione di un raggio laser, almeno un rivelatore di campo diffuso almeno un rivelatore di campo riflesso e un'unità centrale di elaborazione che riceve in ingresso le componenti di segnale emesse dai detti rivelatori di campo diffuso e campo riflesso e fornisce in uscita corrispondenti valori di misura, individuali e tra loro indipendenti, dei relativi parametri rappresentativi delle dette deviazioni.
Maggiori dettagli potranno essere rilevati dalla seguente descrizione di un esempio non limitativo di attuazione del trovato effettuata con riferimento ai disegni allegati nei quali si mostra:
in figura 1 : una vista .prospettica schematica dell'apparecchiatura secondo il trovato per la misura dei difetti superficiali di superfici lavorate ;
in figura 2 : una vista frontale della testa della apparecchiatura di fig.l;
in figura 3 : lo schema ottico dell'apparecchiatura secondo il trovato e
in figura 4 : uno schema a blocchi del procedimento/flusso di segnali dell'apparecchiatura secondo il presente trovato .
Come illustrato nelle figure da 1 a 3 l'apparecchiatura di rilevazione e misura secondo il trovato si compone essenzialmente di una testa 10 montata su delle guide 10a che ne consentono la movimentazione controllata secondo due o tre assi.
La movimentazione della testa può anche essere asservita e controllata tramite dispositivi a controllo numerico e simili di per sè noti e non illustrati nè descritti in dettaglio.
All'interno della testa 10 è inserita una sorgente 20 di luce laser, da parti opposte della quale sono simmetricamente disposti due rivelatori 30 di campo riflesso e due rivelatori 40 di campo diffuso posizionati esternamente ai primi.
Più in dettaglio il raggio laser emesso dalla sorgente 20 è di tipo coerente, preferibilmente, ma non esclusivamente, con lunghezza d'onda di 780nm, cioè nel campo di lunghezza d'onda del vicino infrarosso.
La testa 10 comprende anche un diodo laser 21, o analoga sorgente luminosa di tipo laser, che emette un raggio nel visibile ed è utilizzata in modo da percorrere lo stesso percorso ottico della sorgente laser principale per facilitare il corretto allineamento della testa 10 secondo una direzione perpendicolare alla superficie 11 e il suo posizionamento ad una distanza da quest'ultima corrispondente alla distanza di lavoro del sensore. Al fine di<' >evitare che la luce di detta sorgente ausiliaria 21, di posizionamento, interferisca con la misura da effettuare, la sua potenza è mantenuta a livelli molto bassi e non può raggiungere i dispositivi 40 di rivelazione del campo diffuso a causa della interposizione di filtri ottici interierenziali 22 che lasciano passare la radiazione infrarossa, ma bloccano quella nel visibile.
I rivelatori 30 di luce riflessa sono costituiti da fotodiodi a semiconduttore ad elevate prestazioni che effettuano una misura della intensità del campo riflesso emettendo un corrispondente segnale 31.
I rivelatori di luce diffusa 40 sono dei fotorivelatori sensibili alla posizione, disposti a 45° rispetto alla direzione del fascio incidente che coincide con la perpendicolare alla superficie da misurare.
Detti rivelatori 40 di campo diffuso effettuano due distinti tipi di misurazione rispettivamente costituite:
- dalla misura dell'intensità del campo diffuso con emissione di un corrispondente segnale 41 e
dalla misura del profilo di difettosità della superficie effettuata secondo la tecnica di triangolazione ottica, con emissione di un corrispondente segnale 42.
L'apparecchiatura secondo il trovato comprende inoltre una unità centrale di elaborazione 70, atta all'elaborazione e trasformazione dei segnali elettrici in valori predefiniti dei parametri rappresentativi dei differenti difetti della superficie misurata.
Alla unità 70 sono associati due filtri rispettivamente passa-basso 43 e passa-alto 44, tramite i quali, come risulterà nel seguito, è possibile dividere i segnali relativi alla ondulazione e agli errori di forma (G) dai segnali relativi alla rugosità (Ra).
Il funzionamento dell'apparecchiatura è il seguente: l'apparecchiatura viene portata in corrispondenza della superficie da controllare e tramite il raggio nel visibile emesso dal diodo laser 21 viene allineata perpendicolarmente alla superficie stessa.
Una volta ottenuto il corretto allineamento della testa, si avvicina/allontana la stessa alla/dalla superficie fino a che un segnale elettrico indica il raggiungimento della corretta distanza della testa dalla superficie i1.
Ottenuto il posizionamento inizia la scansione della superficie da parte della testa: in questa fase si attiva la sorgente 20 che emette il raggio laser focalizzato sulla superficie 11 la quale provoca il formarsi dei campi diffuso e riflesso, la cui intensità dipende dai difetti della superficie 11, i quali vengono separatamente rilevati dai corrispondenti rivelatori 30 e 40.
Il rivelatore di campo riflesso 30 converte il segnale luminoso ricevuto, la cui intensità è sostanzialmente dovuta alla sola rugosità della superficie 11, in un corrispondente segnale elettrico 31 tramite un amplificatore a transimpedenza non illustrato.
Contemporaneamente, tramite un analogo amplificatore a transimpedenza, i rivelatori di campo diffuso 40 convertono il segnale luminoso rivelato in due distinti segnali elettrici analogici di cui uno 41 dipendente sostanzialmente dalla sola rugosità della superficie 11 e l'altro 42, ottenuto per triangolazione ottica, dipendente da tutti e tre i difetti superficiali sopra definiti .
L'insieme dei segnali 31, 41 e 42 emessi dai rivelatori 30 e 40 viene inviato alla unità centrale di elaborazione 70, dotata di una scheda a microprocessore, nella quale : i segnali 42 sono filtrati sia tramite un filtro digitale del tipo passa-basso 43, sia tramite un filtro digitale del tipo passa-alto 44 .
Il segnale 43a in uscita dal filtro bassa-basso 43 viene inviato ad un analizzatore 50 che ne effettua una analisi secondo il metodo di Fourier per l'individuazione delle componenti relative ai difetti di- ondulazione e di errore di forma, e fornisce in uscita una misura in .valore assoluto del parametro convenzionale G rappresentativo dei difetti di ondulazione ed errore di forma stessi.
Il segnale 44a in uscita dal filtro passa-alto 44 viene inviato ad un analizzatore 60 che ne effettua l'analisi secondo un algoritmo atto a selezionare le sole componenti relative alla rugosità della superficie fornendo in uscita una misura in valore assoluto del parametro convenzionale Ra rappresentativo della rugosità .
Poiché il valore di Ra così ottenuto non risulta riferibile alla convenzionale misura eseguita con un tastatore meccanico è necessario effettuare una normalizzazione 'dello stesso tramite un ulteriore analizzatore 80 al quale vengono inviati in ingresso il segnale corrispondente ad Ra precedentemente ottenuto e i segnali 31 e 41 di intensità dei campi riflesso e diffuso rispettivamente, forniti dai rivelatori 30 e 40 e relativi alla sola rugosità.
In uscita dall'analizzatore 80 viene in tal modo fornito un valore di Ra rappresentativo della rugosità della superficie 11 in esame e comparabile con i valori standard definiti dalle normative.
Come illustrato in fig. 1 l'apparecchiatura sopra descritta consente di definire un procedimento che prevede le seguenti fasi:
a- disposizione dell'apparecchiatura in prossimità di una superficie da misurare,
b- posizionamento dell'apparecchiatura secondo una direzione ortogonale e ad una corretta distanza dalla superficie da misurare tramite l'emissione di un raggio luminoso nel visibile,
c- attivazione della sorgente di luce laser e scansione della superficie ;
d1- rivelazione e misura del campo riflesso generato dal raggio laser che incide sulla superficie tramite un relativo analizzatore;
d2- emissione di un corrispondente segnale (31) di rugosità,-e1- rivelazione e misura del campo diffuso generato dal raggio laser che incide sulla superficie tramite un relativo analizzatore;
e2- emissione da parte dell'analizzatore di un primo segnale elettrico ottenuto per triangolazione ottica relativo al profilo di difettosità della superficie e di un secondo segnale elettrico di intensità di campo diffuso relativo alla sola rugosità della superficie;
f- invio di tutti i segnali di misura all'unità centrale di elaborazione;
g1- filtraggio tramite filtro digitale passa-basso del segnale relativo al profilo di difettosità della superficie ;
g2- analisi del segnale in uscita dal filtro passa-basso tramite metodo di Fourier;
g3- emissione dei corrispondenti valori di (G) relativi a ondulazione e/o errori di forma.
h1- fitraggio tramite filtro digitale passa-alto dello stesso segnale di difettosità del campo diffuso ottenuto per triangolazione ottica;
h2- analisi del segnale in uscita dal filtro passa-alto tramite un convenzionale algoritmo di calcolo, per l'ottenimaento dei valori del parametro Ra di rugosità;
h3- normalizzazione del valore di Ra.
Detta normalizzazione è preferibilmente effettuata tramite un relativo analizzatore al cui ingresso vengono inviati i segnali di campo riflesso, di intensità di campo diffuso e di Ra precedentemente ottenuto e in uscita dal quale viene emesso il corrispondente valore di Ra normalizzato alle normative vigenti.
Risulta pertanto evidente come il procedimento e l'apparecchiatura secondo il trovato rendano possibile ottenere misure corrette sia dei difetti di forma, sia dell'ondulazione, sia della rugosità per tutto il campo di definizione di Ra; tali misure potendo essere ottenute indipendentemente dal tipo di superficie misurata, con elevata velocità e precisione e in modo automatico.
Rusulta inoltre che la misurazione è effettuata tramite un moto relativo tra l'apparecchiatura e il pezzo e tale moto può essere determinando muovendo la prima o il secondo in relazione alla misura da effettuare.
Claims (2)
- RIVENDICAZIONI 1) Procedimento per la misurazione delle deviazioni di forma di superfici lavorate caratterizzato dal fatto che comprende le seguenti fasi: a- disposizione in prossimità di una superficie da misurare di un'apparecchiatura di misura dotata di un emettitore di luce nel visibile, di un emettitore di un raggio laser e di rivelatori di campo riflesso e di campo diffuso rispettivamente, b- attivazione della sorgente di luce visibile e posizionamento dell'apparecchiatura secondo una direzione ortogonale e ad una corretta distanza dalla superficie da misurare, c1- attivazione della sorgente di luce laser; c2- scansione della superficie da misurare da parte della testa d1- rivelazione e misura del campo riflesso generato dal raggio laser che incide sulla superficie ; d2- emissione di un corrispondente segnale di rugosità da parte dell'analizzatore; e1- rivelazione e misura del campo diffuso generato dal raggio laser che incide sulla superficie; e2- emissione di un primo segnale elettrico di campo diffuso relativo alle deviazioni di forma della superficie e di un secondo segnale elettrico di campo diffuso relativo alla rugosità della superficie ; f1- invio di tutti i segnali emessi ad un'unità centrale di elaborazione i) - separazione delle componenti di segnale di campo diffuso e di campo riflesso in corrispondenti valori individuali ed indipendenti dei parametri rappresentativi dei difetti della superficie da misurare .
- 2) Procedimento secondo rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che comprende inoltre una fase g1- di filtraggio passa-basso e passa-alto di detto primo segnale . di campo diffuso relativo alle deviazioni di forma della superficie. 3)Procedimento secondo rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che comprende inoltre le fasi di h1- analisi del segnale in uscita dal filtro passa-basso per la determinazione del valore del parametro (G) rappresentativo dell'errore di forma e/o dell'ondulazione; h2- analisi del segnale in uscita dal filtro passa-alto per la determinazione di un valore del parametro (Ra) rappresentativo della rugosità; 4) Procedimento secondo rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto primo segnale di campo diffuso relativo alle deviazioni di forma della superficie è ottenuto per triangolazione ottica. 5) Procedimento secondo rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto secondo segnale di campo diffuso è un segnale corrispondente alla intensità del campo diffuso. 6) Procedimento secondo rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che l'analisi del segnale in uscita dal filtro passa-basso è effettuata con metodo di Fourier. 7) Procedimento secondo rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che prevede inoltre l'ulteriore fase di normalizzazione del valore del parametro di rugosità precedentemente ricavato. 8) Procedimento secondo rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detta normalizzazione del valore del parametro di rugosità è ottenuta tramite elaborazione del valore del parametro di rugosità stesso, del segnale di intensità del campo diffuso e del segnale di intensità del campo riflesso precedentemente determinati . 9) Apparecchiatura per la misurazione delle deviazioni di forma di superfici lavorate caratterizzata dal fatto che comprende almeno una sorgente (20) di emissione di un raggio laser, almeno un rivelatore (40) di campo diffuso almeno un rivelatore (30) di campo riflesso e un'unità centrale (70) di elaborazione che riceve in ingresso le componenti di segnale emesse dai detti rivelatori di campo diffuso e campo riflesso e fornisce in uscita corrispondenti valori di misura, individuali e tra loro indipendenti, dei relativi parametri (Ra,G) rappresentativi delle dette deviazioni. 10) Apparecchiatura secondo rivendicazione 9 caratterizzata dal fatto che detto rivelatore (30) di campo riflesso emette un segnale di intensità del campo riflesso stesso. 11) Apparecchiatura secondo rivendicazione 9 caratterizzata dal fatto che detto rivelatore (40) di campo diffuso emette un primo segnale (41) di intensità del campo diffuso stesso. 12) Apparecchiatura secondo rivendicazione 9 caratterizzata dal fatto che detto rivelatore (40) di campo diffuso emette un secondo segnale (42) del profilo di difettosità della superficie (11). 13) Apparecchiatura secondo rivendicazione 12 caratterizzata dal fatto che detto secondo segnale (42) relativo al profilo di difettosità della superficie (11) è un segnale di triangolazione ottica. 14) Apparecchiatura secondo rivendicazione 9 caratterizzata dal fatto che comprende un filtro passa-basso (43) per detto segnale (42) di triangolazione ottica emesso dal rivelatore (40) di campo diffuso. 15) Apparecchiatura secondo rivendicazione 9 caratterizzata dal fatto che comprende un filtro passa-alto (44) per detto segnale (42) di triangolazione ottica emesso dal rivelatore (40) di campo diffuso. 16) Apparecchiatura secondo rivendicazione 14 caratterizzata dal fatto che comprende un analizzatore (50) del segnale (43a) emesso dal filtro passa-basso (43), la cui uscita fornisce i valori del parametro (G) rappresentativo dei difetti di forma della superficie. 17) Apparecchiatura secondo rivendicazione 16 caratterizzata dal fatto che detto analizzatore (50) effettua un analisi di Fourier. 18) Apparecchiatura secondo rivendicazione 15 caratterizzata dal fatto che comprende un analizzatore (60) del segnale (44a) emesso dal filtro passa-alto (44), atto a fornire un valore del parametro (Ra) rappresentativo della rugosità della superficie (11). 19) Apparecchiatura secondo rivendicazione 9 caratterizzata dal fatto che comprende un circuito di normalizzazione del valore del parametro (Ra) rappresentativo della rugosità della superficie (11). 20) Apparecchiatura secondo rivendicazione 19 caratterizzata dal fatto che detto circuito di normalizzazione del segnale di rugosità riceve in ingresso sia il segnale emesso dall'analizzatore (60) del segnale (44a) di uscita dal filtro passa-alto (44), sia il segnale di intensità del campo diffuso, sia il segnale (31) emesso dal rilevatore (30) di campo riflesso. 21) Apparecchiatura secondo rivendicazione 9 caratterizzata dal fatto che il raggio laser è nel campo del'infrarosso. 22) Apparecchiatura secondo rivendicazione 9 caratterizzata dal fatto che comprende una sorgente di luce nel visibile per il corretto posizionamento dell'apparecchiatura relativamente alla superficie da misurare . 23) Apparecchiatura secondo rivendicazione 9 caratterizzata dal fatto che i rivelatori di campo riflesso sono due simmetricamente disposti rispetto alla sorgente del raggio laser. 24) Apparecchiatura secondo rivendicazione 9 caratterizzata dal fatto che i rivelatori di campo diffuso sono due simmetricamente disposti rispetto alla sorgente del raggio laser. 25) Apparecchiatura secondo rivendicazione 24 caratterizzata dal fatto che i rivelatori di campo diffuso sono posizionati esternamente ai rivelatori di campo riflesso..
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