Tecnologie sistemi di triangolazione

1.4 Tecnologie sistemi di triangolazione.

Alla luce dell’analisi dello stato dell’arte delle soluzioni brevettate per la misura del ritorno elastico e della geometria finale del tubo, condotta nel paragrafo 1.3, è evidente come lo stesso approccio scelto per eseguire tali misurazioni sia stato più volte rivisitato negli anni, al passo con

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l’evoluzione dei sistemi di misura, con un netto spostamento dai sistemi a contatto meccanici ai sistemi laser o ottici.

Inoltre, nei casi illustrati, non si esegue mai direttamente la misura dell’angolo o del raggio di curvatura, ma queste grandezze vengono ricavate da delle misure di distanza o dall’integrazione del sistema di controllo numerico della macchina con rilevatori di contatto.

È stato fatto uno studio su quali siano le principali tecnologie per la misura della distanza con strumenti non a contatto, nel tentativo di individuare quelle che meglio potrebbero adattarsi alla misura del fenomeno di “Springback”.

Le tecnologie individuate sono riassunte in Fig. 1-40, e trattate in maniera più approfondita nei paragrafi successivi.

Fig. 1-40 : Tecnologie disponibili per la misura della distanza con sistemi non a contatto

Nelle operazioni di piegatura dei tubi, gli angoli del ritorno elastico variano a seconda del diametro del tubo, del raggio di piega, dell’angolo inizialmente impostato e delle caratteristiche del materiale, ma dai dati fornitici dalla BLM per le operazioni e i materiali più comuni emerge come questi varino da 1° a 13°, come riportato in Appendice B.

L’ordine di grandezza degli scostamenti da misurare, è funzione della posizione del sistema di misura, della lunghezza della piega e della sua entità e va dai decimi di millimetro fino alle decine di millimetri.

La maggior parte dei sistemi di misura non a contatto,si basano sulla misura di un segnale emesso da un “organo emettitore” e poi ricevuto e misurato da un “organo ricevitore”, dunque possono presentare in generale due diversi tipi di configurazione :

a) Emettitore/Ricevitore solidali: in questo caso lo stesso elemento potrebbe fare sia da emettitore che da ricevitore, oppure due elementi differenti potrebbero essere alloggiati nella stessa sede. Il segnale emesso rimbalza quindi sull’oggetto di cui si vuole misurare la distanza e ritorna al sistema. È questo il caso dei sistemi sonar/radar, dei sistemi a tempo di volo e dei sistemi che misurano lo sfasamento del segnale.

b) Emettitore /Ricevitore separati: In questa configurazione uno dei due elementi è posizionato in un punto fisso che funge da riferimento, mentre l’altro è alloggiato sull’elemento da cui si vuole misurare la distanza. Questo caso può essere sia quello dei sistemi a tempo di volo che dei sistemi che misurano sfasamento del segnale.

Nella configurazione a) non vi è certezza che nel caso di misurazioni successive il segnale rimbalzi sullo stesso punto dell’oggetto da misurare. Nella configurazione b), se uno dei due

Onde Radio

Tempo di volo

Sfasamento

segnale

Onde di pressione Tempo di volo

Onde luminose

Led Tracciamento Video

Laser

Tempo volo

Interferometriche

Triangolazione

Sistema inerziali

Campo Magnetico

43 elementi è solidale con un punto dell’oggetto in via di misurazione, si ha la certezza che la distanza misurata sia sempre quella corrispondente ai due elementi ricevitore ed emettitore.

1.4.1 Sistemi a tempo di volo

I sistemi basati su questa tecnologia, ricavano la misura della distanza da una misura di tempo. Un emettitore emette un qualche tipo di segnale, che può essere elettromagnetico nel caso di laser ed onde radio, oppure onde di pressione nel caso di ultrasuoni e un ricevitore ne rileva il segnale diretto o rimbalzato sull’ambiente circostante.

Viene misurato il tempo “t” che intercorre tra l’istante di emissione e l’istante di ricezione del segnale. Nota la velocità del segnale “v” nel mezzo, lo spazio percorso può essere calcolato semplicemente come :

Dove “d” è pari al doppio della distanza del sistema di misure dall’oggetto nel caso la fonte e i ricevitore del segnale siano solidali, altrimenti pari alla distanza. In questo caso la risoluzione spaziale del sistema è funzione della risoluzione temporale e dell’accuratezza con cui si conosce la velocità di propagazione del segnale nel mezzo.

Nel caso di onde elettromagnetiche la velocità di diffusione nel mezzo è costante e pari alla velocità della luce (c0=299792458 m/s), ovviamente una velocità cosi elevata richiede misure di tempi estremamente brevi, in particolare se si vuole avere la risoluzione di 1 mm sulla misura di distanza si deve avere una risoluzione sulla misura del tempo dell’ordine del picosecondo [10 -12

s]. Sistemi di misura basati su questa tecnologia sono i Telemetri a tempo di volo e i sistemi “ultra wide band”.

In Fig. 1-41, è presentato un modello commerciale di telemetro a tempo di volo, con tabella relativa alle caratteristiche tecniche.

Fig. 1-41 : Telemetro a tempo di volo commerciale prodotto dall'azienda "Micro-Epsilon", caratteristiche del fascio e tecniche. (19)

Nei sistemi di misura ad ultrasuoni il segnale è costituito da un onda di pressione, contrariamente ai segnali elettromagnetici, la loro velocità non è costante in aria. Nell'aria, la velocità del suono è di 331,45 m/s a 0 °C e di 343,8 m/s a 20 °C e in generale varia secondo la relazione v = 331,45 + 0,62 T con T misurata in °C.

Per avere una risoluzione spaziale di 1 mm, si deve avere una risoluzione temporale sull’ordine del microsecondo [10^-6s].

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1.4.2 Sistemi di misura dello sfasamento

Questi strumenti misurano la distanza dalla misura dello sfasamento tra il segnale emesso e il segnale ricevuto. Lo sfasamento del segnale può essere introdotto dall’effetto Doppler nel caso in cui si misuri la distanza di un oggetto in movimento, o può essere generato appositamente dallo strumento di misura se si misura un oggetto a distanza fissa.

In Fig. 1-42 è schematizzato quest’ultimo caso, la distanza “d1” è nota per costruzione, mentre la distanza “d2” è nota dalla misura dello sfasamento tramite discriminatori di fase. La distanza “D0” è nota dalla misura delle “n” semionde necessarie al segnale per coprire la distanza. Si emettono due onde modulate con lunghezze d’onda “λ1” e “λ2” poco diversa tra loro, in modo che nella distanza sia contenuto lo stesso numero “n” di mezze lunghezze d’onda. “n” potrà essere calcolato dalle equazioni :

Dove L1 e L2 sono le parti frazionarie degli sfasamenti e misurati per le due diverse lunghezze d’onda.

Fig. 1-42 : sistema di misura della distanza tramite misura dello sfasamento.

Questo tipo di soluzione richiede quindi un terzo elemento oltre che all’emettitore e al ricevitore, cioè un prisma riflettente bersaglio posizionato sul punto da misurare.

In Fig. 1-43 è presentato un Teodolite, come esempio, un sistema di misura basato su questa tecnologia, in grado di misurare la distanza di un prisma bersaglio. Bersaglio che il teodolite è in grado di seguire, misurandone la traiettoria che questo segue nello spazio, con accuratezza pari a quella indicata nella tabella che ne riporta le caratteristiche tecniche.

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Fig. 1-43 : Teodolite AT-402 Leica, sistema di misura interferometrico della distanza. (20)

1.4.3 Sistemi a triangolazione laser

Misure di distanze tramite fasci laser possono essere eseguite anche con il principio della triangolazione illustrato in Fig. 1-44. Viene emesso un fascio laser, che rimbalza sull’oggetto della misura e ritorna con un certo angolo funzione della distanza dell’oggetto dall’emettitore. Il fascio di ritorno colpisce un sensore formato da un “array” lineare o bidimensionale di pixel, a seconda di quale sia il pixel illuminato si misura una distanza differente.

Fig. 1-44 : Principio base triangolazione di un sistema laser. (19)

Questa tecnologia è ampliamente utilizzata in ambito industriale e diverse aziende producono e commerciano sistemi simili. In Fig. 1-45 è riportato, come esempio, un modello commerciale con le sue caratteristiche tecniche.

Il volume di misura di questi sistemi è di gran lungo interiore rispetto ai sistemi di misura basati sulle altre tecnologie laser, si hanno comunque ottime risoluzioni e costi inferiori.

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Fig. 1-45 : Esempio di strumenti di misura a triangolazione. (19)

1.4.4 Sistemi video

I sistemi video per il calcolo della distanza si basano sull’elaborazione delle immagini digitali catturate da un sensore formato da un matrice di elementi sensibili alla luce.

Nelle soluzioni di “motion capture” si fissano dei marker (ad esempio infrarossi) all’oggetto di cui si vuole seguire il movimento, si registrano le immagini che un software elaborerà andando a calcolare fotogramma per fotogramma la posizione dei marker stessi. Nel caso in cui i marker non vengano utilizzati l’elaborazione è molto più complessa, è le immagini vanno elaborate in modo differente al variare dell’oggetto e dell’obbiettivo della misurazione.

La risoluzione di un sistema video è principalmente funzione del numero di pixel e della distanza dell’oggetto da misurare. Inoltre le immagini raccolte da una telecamera sono bidimensionali, quindi adatte a rilevare correttamente solamente movimenti contenuti in un piano, nel caso in cui si vogliano registrare movimenti tridimensionali si devono utilizzare sistemi con più telecamere, con conseguente aumento della complessità dell’elaborazione delle immagini. La qualità delle immagini e quindi della misurazione è fortemente dipendente dalle condizioni di luce, che devono essere il più possibili costanti nel tempo e in molti casi sono utilizzabili solamente in ambienti schermati a luce controllata.

1.4.5 Sistemi magnetici

È possibile installare dei rilevatori di campo magnetico sull’oggetto da misurare, questi possono misurare la direzione e l’intensità del campo magnetico in cui sono immersi. Si possono installare anche degli emettitori di campo magnetico, in posizioni note, da utilizzare come riferimento per le misurazioni. Ovviamente il campo totale misurato dal rilevatore sarà la somma del campo magnetico prodotto dagli emettitori, del campo magnetico terrestre e del campo magnetico generato da altre fonti di disturbo. Essendo possibile misurare sia la direzione del campo che la sua intensità questi sistemi possono essere utilizzati direttamente per effettuare misure angolari basandosi sulla variazione di orientazione del sensore rispetto al campo magnetico nel tempo, nell’ipotesi che la direzione del campo magnetico sia costante nel tempo.

47 Nel caso delle macchine piegatrici, interamente movimentate da motori elettrici vi è il pericolo che questi siano fonti di disturbo per il campo magnetico circostante.

Questi sistemi quindi oltre ad essere sensibili ad eventuali fonti di disturbo, richiedono ripetute ricalibrazioni e non vantano buone accuratezze di misura. (21)

1.4.6 Sistemi inerziali

Questi sistemi di misura sono basati sull’utilizzo di accelerometri e giroscopi. I giroscopi misurano la velocità angolare con cui vengono ruotati, mentre gli accelerometri misurano l’accelerazione cui sono sottoposti.

Dall’integrazione della misura della velocità angolare fornita dal giroscopio nel tempo si può calcolare l’angolo di rotazione subito, mentre dall’integrazione nel tempo delle accelerazioni misurate dall’accelerometro si possono ricavare la velocità di traslazione e la distanza percorsa. L’accelerometro subisce anche l’accelerazione di gravità il cui contributo è costante in direzione è verso, è perciò possibile utilizzare le misure statiche dell’accelerometro per calcolarne l’orientazione rispetto al vettore gravità stesso.

Lo svantaggio principale è dovuto al fatto che le misure ottenute per integrazione soffrono tipicamente di un effetto di deriva, cioè di un errore accumulato nel tempo. Poiché il sistema di misura somma continuamente delle variazioni alla velocità o alla posizione precedente calcolata, ogni errore nella misura, seppur piccolo, si accumula e si somma da punto a punto nel tempo.

Per diminuire questo tipo di errori è importante effettuare calibrazioni accurate e ripetute nel tempo. La risoluzione di questi sistemi è quindi funzione della risoluzione con cui vengono misurate accelerazioni e velocità angolari, ma anche della frequenza con cui queste vengono campionate.

In commercio esistono svariati tipi di sensori di questo tipo, sia di accelerometri che giroscopi. Particolarmente interessanti sono quelli basati sulla tecnologia “MEMS” (Micro Electro-Mechanical System), caratterizzati da dimensioni, consumi e costi ridotti come vedremo nei paragrafi successivi.

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