Metrologia w skali makro – jak zmieniają się polskie laboratoria metrologiczne

Z artykułu dowiesz się:

• na czym polega metrologia w skali makro;
• jakimi maszynami dysponuje Zakład Metrologii i Systemów Pomiarowych;
• na czym polegają rozwiązania multisensoryczne.

Dzięki programom rozwojowym polskie laboratoria pomiarowe mogą się coraz intensywniej rozwijać. W tym artykule zaglądamy do Poznania, gdzie mieści się Zakład Metrologii i Systemów Pomiarowych, i sprawdzamy jego rozwiązania dla makropomiarów.

Pierwszym etapem realizacji projektu Narodowa Sieć Metrologii Współrzędnościowej były prace zmierzające do pełnego przygotowania laboratoriów pomiarowych do uruchomienia działań badawczych. Prace te obejmowały z jednej strony doposażenie infrastrukturalne w systemy pomiarowe umożliwiające badania na granicy obecnych możliwości wykonawczych, a z drugiej odpowiednie przygotowanie pomieszczeń zapewniających stosowne warunki środowiskowe. W ten sposób zmodernizowane zostały laboratoria pomiarowe w Instytucie Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej.

Czytaj też >> Zastosowanie współrzędnościowych systemów pomiarowych w procesie inżynierii rekonstrukcyjnej

Pomiary długości i kąta

Zakład Metrologii i Systemów Pomiarowych, który stał się głównym beneficjentem projektu, od ponad 50 lat prowadzi prace związane z pomiarami długości i kąta w różnych skalach. Obecny zespół badaczy kontynuuje działalność założyciela ‒ profesora Jana Chajdy, wieloletniego kierownika zakładu jak również wybitnego specjalisty z dziedziny metrologii wielkości geometrycznych. W jednym z poprzednich artykułów [1] wspominałem, jak kiedyś w rozmowie profesor, usłyszawszy, iż producent obrabiarki deklaruje parametry dokładnościowe i w związku z tym pomiary nie są konieczne, odpowiedział: „Produkujesz, ale nie mierzysz, więc nie wiesz, co produkujesz, a jeżeli żyjesz, ale nie mierzysz, to nie żyjesz…”. To zdanie chyba najlepiej oddaje poglądy naszego mentora naukowego, dla którego metrologia była nie tylko oczkiem w głowie, ale wręcz swoistą świętością dnia powszedniego. Cały czas mamy więc wrażenie, iż profesor Chajda wspiera nas z niebiańskich ogrodów i cieszy się z laboratorium, widząc w nim godną kontynuację dzieła, które ponad pół wieku temu rozpoczął.

Wyposażenie pomiarowe, jakim dysponuje w tej chwili nasz zakład i instytut, dotyczy pomiarów wielkości geometrycznych od skali makro, obejmujące zakres rzędu kilku metrów do skali mikro i nano, w przypadku których możliwa jest analiza nierówności rzędu pojedynczych nanometrów, a choćby ich ułamków.

Metrologia w skali makro

Technika współrzędnościowa w skali makro opiera się na weryfikacji wymiarów jak również digitalizacji powierzchni. Ta druga czynność wymaga odpowiedniej szybkości zbierania danych a także ich zarządzania z punktu widzenia big data. Z tego punktu widzenia skanowanie powierzchni odbywa się najczęściej przy wykorzystaniu technik optycznych. Takie zadania są realizowane dzięki współrzędnościowych skanerów pomiarowych. Chociaż ich historia to około 20 lat, już widoczny jest znaczący postęp technologiczny. Technologia skanowania laserowego (za pomocą światła niebieskiego) systematycznie wypiera światło strukturalne stosowane w poprzedniej generacji, dając ‒ oprócz bardzo dobrych parametrów dokładnościowych ‒ przede wszystkim rozwiązania niewymagające statywów jak również znikomą wrażliwość na zmianę refleksyjności oraz oświetlenie zewnętrzne [2].

Makro pomiary: skanowanie powierzchni zewnętrznych – cela skanująca

Politechnika Poznańska dysponuje w tym zakresie szeregiem urządzeń. Z nich najbardziej zaawansowanym jest zrobotyzowana cela skanująca Creaform CUBE-R z niebieskim skanerem laserowym METRASCAN-R BLACK ELITE a także optycznym systemem śledzącym C-TRACK ELITE. Zastosowanie superszybkich kamer umożliwia skanowanie z prędkością blisko 2 milionów punktów na sekundę. Urządzenie może mierzyć elementy o średnicy do 3 m i wysokości 1,5 m. Cały cykl pomiarowy (włącznie z kalibracją) odbywa się automatycznie dzięki wykorzystaniu robota 6-osiowego i stołu obrotowego (siódma oś). Projektor skanera emituje jednocześnie trzy zestawy krzyżujących się linii (łącznie 45 linii). Daje w efekcie możliwość skanowania obiektów wielokolorowych, refleksyjnych, z różnych materiałów, bez ich uprzedniego przygotowywania poprzez matowienie czy malowanie. Maksymalny błąd dopuszczalny MPE jest na poziomie 40 µm (część stała), przy rozdzielczości 25 µm.

Położenie skanera, stołu obrotowego jak również mierzonej części w czasie rzeczywistym śledzi system C-TRACK, a wbudowana fotogrametria zapewnia automatyczną rejestrację wzajemnego położenia punktów pomiarowych bez konieczności stosowania dodatkowych elementów. Dynamiczna kompensacja temperatury jest realizowana na podstawie pomiaru fizycznego wzorca długości. Całość przedstawiono na fot. 1.

Fot. 1. Zrobotyzowana cela skanująca w ZMiSP PP; fot. z archiwum autorów

System CUBE-R jest obsługiwany przez oprogramowanie pozwalające na przygotowanie ścieżki robota, symulacje, uruchomienie programu skanowania a także pełną konfigurację parametrów skanera i kalibrację systemu. Pozwala ono także na pełną analizę metrologiczną uzyskanych danych pomiarowych. Oprócz niego w pracach instytutu są również wykorzystywane manualne skanery laserowe światła niebieskiego oraz strukturalnego.