ROBOT DI MISURA E SISTEMI DMIS

Introduzione : Robot di Misura e sistemi DMIS
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Argomenti trattati :

Introduzione

Le Parole

Le Etichette

I Parametri

Le Variabili

Gli Enti

Le Tolleranze

I Sistemi di Coordinate

I Sensori

INTRODUZIONE :

Un Robot di misura per il collaudo dimensionale è un sistema automatico o semiautomatico che consente il rilevamento e la comparazione delle dimensioni reali ottenute con una lavorazione , con i dati teorici richiesti dal progetto .
In particolare poi , un Robot equipaggiato con il sistema DMIS , dove DMIS è l'acronimo di Dimensional Measuring Interface Specifiche , cioè Specifica interfaccia misure dimensionali , ha a disposizione un "vocabolario di parole" che permettono di comunicare alla macchina di misura , attraverso un programma precedentemente realizzato , informazioni riguardanti le modalità di svolgimento del collaudo , le comparazioni da eseguire e i risultati da emettere (outputs del processo di collaudo).
Il Sistema DMIS può essere installato su vari tipi di dispositivi di misura dimensionale , indicati genericamente con il termine DME (Dimensional Measuring equipment).
Il termine DME comprende quindi vari tipi di sistemi di rilevazione : ad esempio abbiamo le Macchine di Misura a Coordinate ( identificate con l'acronimo CMM , cioè Coordinate Measuring Machine ), le apparecchiature di collaudo video , i comparatori ottici , i dispositivi di misura robotizzati ed altri ancora. L'oggetto del successivo studio è però specificatamente riferito ai soli dispositivi di misura a coordinate .
Tali apparecchiature sono caratterizzate da un sistema computerizzato di collaudo per la raccolta e l'elaborazione dei dati , ottenuti attraverso la rilevazione di punti significativi di un dato particolare da collaudare ; tali punti sono rilevati con l'ausilio di un sensore a contatto , chiamato specificatamente palpatore , o con un sensore a scansione . Ci occuperemo esclusivamente di sistemi CMM a contatto .
Diamo ora qualche informazione di base circa il sistema DMIS e i suoi aspetti fondamentali , iniziando con un po' di storia .

Il DMIS nasce nel 1986 da un iniziativa della Computer Aided Manufactur International Inc.(CAM-I), con lo scopo di fornire a tutti i costruttori di Sistemi di rilevamento dimensionale , uno standard per la comunicazione bidirezionale dei dati di collaudo tra sistemi di computer adibiti a tale scopo .
Benchè destinato inizialmente alla comunicazione tra equipaggiamenti automatizzati , DMIS è stato progettato anche per essere leggibile e scrivibile da un operatore umano , condizione che ha permesso una programmazione svincolata da Preprocessori ( algoritmi di conversione files da formato sorgente , ad esempio formati di file di modelli CAD , a formato DMIS ) , che a tutt'oggi risultano ancora poco diffusi e poco affidabili . Attualmente ,nello sviluppo e nelle revisioni del sistema ,siamo giunti alla versione 3.
Tutti gli aggiornamenti ( 1987 Versione 2 , 1989 Versione 2.1 , 1996 versione 3 ) oltre ad incrementare le possibilità del DMIS attraverso l'introduzione di nuove istruzioni e a migliorare gli inevitabili aspetti meno funzionali e gli eventuali errori di funzionamento segnalati dagli utenti , sono stati realizzati anche per seguire l'evoluzione delle tecnologie e delle metodologie del processo di collaudo dimensionale , rispettando l'intento di mantenere intatti gli scopi per i quali il Sistema è nato , cioè quelli di fornire un valido standard di comunicazione per tutti i produttori e sviluppatori di apparecchiature per misure dimensionali .

Il vocabolario DMIS , intendendo con tale termine l'insieme di tutte le parole chiave e di tutte le regole di sintassi utilizzate dal linguaggio , è composto da caratteri ASCII combinati in modo da formare parole , etichette , parametri e variabili . Successivamente questi elementi del linguaggio vengono tra loro combinati secondo regole fisse ( sintassi del linguaggio ) in modo da formare definizioni e comandi che nel loro complesso generano il Programma DMIS . Tale programma verrà poi inviato ad un sistema di collaudo robotizzato , per l'esecuzione delle misurazioni e delle successive valutazioni richieste. Analizziamo ora brevemente il senso di alcuni enunciati precedentemente introdotti che sono alla base della programmazione secondo il Sistema DMIS .

LE PAROLE :

Con tale termine si indicano le espressioni chiave del linguaggio.Si suddividono in Parole Maggiori e Parole Minori .
Le parole maggiori indicano un particolare comando o una data classe di comandi DMIS : nel primo caso si parla di Dichiarazioni DMIS singole , che risultano caratterizzate dalla presenza di una sola parola maggiore ed eventualmente di uno o più parametri che ne specificano meglio il senso .Nel secondo caso invece si parla di Dichiarazioni di Classe di comandi DMIS , che risultano caratterizzate anche dalla presenza di una o più parole minori ed eventualmente anche di parametri , sempre con il compito di specificare meglio il senso dell'enunciato .
Da un punto di vista della sintassi , possiamo dire che le parole maggiori sono sempre separate da quelle minori tramite una barretta ( / ) . Le parole minori e /o i parametri sono tra loro separate/i attraverso virgole .

LE ETICHETTE :

Con tale termine si indicano delle stringhe alfanumeriche che vengono utilizzate per assegnare nel programma di collaudo i nomi agli enti rilevati , alle tolleranza definite e richieste , ai sistemi di coordinate impostati , ai sensori e a tutti gli ulteriori elementi necessari alla programmazione che richiedano un'identificazione univoca . Dal punto di vista della sintassi possiamo dire che le etichette sono definite da una stringa alfanumerica lunga non più di 10 caratteri , racchiusa tra parentesi tonde e fatta precedere da una lettera che identifica il tipo di elemento che si sta etichettando .
Esempi di etichette , con a fianco l'indicazione del tipo di elemento al quale si riferiscono , sono i seguenti :

	F(PUNTO_1) 		Etichetta che identifica un punto teorico 
	FA(PUNTO_1)		Etichetta che identifica un punto reale
	D(ORIG_1)		Etichetta che identifica un sistema di coordinate pezzo
	T(DIAM_1)		Etichetta che identifica una tolleranza a disegno 
	S(PALP1_EP1)	      Etichetta che identifica un dato sensore a contatto

I PARAMETRI :

Con questo termine si indicano tutti i valori , numerici o testuali, che possono essere richiesti durante la stesura di un programma di misura , nella sintassi degli enunciati DMIS utilizzati .

LE VARIABILI :

Con tale termine si indicano dei particolari enunciati DMIS , dichiarati dal programmatore , utilizzati per definire elementi di una certa rilevanza , ricorrenti più volte nel corpo del programma . Ogni variabile deve essere dichiarata prima del suo utilizzo in un dato enunciato , e necessita oltre all'Etichetta che ne identifica il nome in modo univoco, anche di una indicazione riguardante il tipo di dati che tale variabile potrà assumere ; sono previsti 3 tipi di dati : Interi , Testuali o Reali .

GLI ENTI :

Gli Enti sono tutti quegli elementi geometrici utilizzati dal sistema DMIS per lo svolgimento dei compiti di collaudo richiesti . Tali elementi possono appartenere o meno al pezzo da misurare . Se l'ente è sul pezzo può suddividersi in due tipologie : Ente Reale o Ente Teorico . Se l'ente non è sul pezzo può essere definito solo come Ente Teorico . Vediamo il significato di questi enunciati .

Un Ente si dice Teorico quando è rappresentato solamente attraverso una definizione matematica che fornisce informazioni circa il nome assegnatogli , le dimensioni teoriche , la posizione e l'orientamento .Tali informazioni ( ad eccezione del nome che viene scelto dal programmatore ) provengono da un modello CAD o dal disegno progettuale del particolare del quale l'ente fa parte. In particolare , il nome dell'ente è rappresentato tramite un etichetta racchiusa tra parentesi tonde , preceduta dalla lettera "F" .Un esempio di etichetta qualificante un ente teorico può essere la seguente :

	F(FORO_1)	    Etichetta utilizzata per identificare il nome di un ente Teorico
		    		( nella fattispecie un foro )

Un Ente si dice Reale se , oltre alla sempre necessaria definizione matematica , risulta essere misurato o costruito . DMIS mette a disposizione del programmatore apposite istruzioni per l'impostazione della misurazione o della costruzione di svariati Enti geometrici ( punti , piani , rette , cerchi ecc... ) . La definizione matematica di un Ente Reale è formalmente identica a quella di un Ente Teorico , fatta eccezione per l'etichetta rappresentante il nome : infatti al posto della lettera "F" che precede la parentesi tonda di apertura , viene inserita la coppia di lettere "FA". Un esempio di etichetta qualificante un Ente Reale è la seguente :

	FA(FORO_1)    Etichetta utilizzata per identificare il nome di un Ente Reale
		    	  ( nella fattispecie un foro )

Quando si procede alla costruzione di un Ente , affinchè tale operazione sia consentita almeno uno degli Enti che partecipano alla costruzione deve essere Reale.

LE TOLLERANZE :

Il Sistema DMIS tratta le tolleranze in conformità con le specifiche ANSI Y14.5M -1982 Standard per il Dimensionamento e Tolleranze . Precisamente le tolleranze supportate dal suo set di istruzioni sono le seguenti :

	ANGOLO				( Limite dimensionale )
	DIAMETRO			( Limite dimensionale )
	RAGGIO				( Limite dimensionale )
	CIRCOLARITA`		      ( Forma )
	PLANARITA`			( Forma )
	RETTILINEITA`		( Forma )
	PROFILO LINEARE		( Forma )
	ANGOLARITA`			( Orientamento )
	PARALLELISMO		      ( Orientamento )
	PERPENDICOLARITA`	      ( Orientamento )
	CONCENTRICITA`		( Localizzazione )
	POSIZIONE			( Localizzazione )

A queste valutazioni sono state aggiunte due relazioni che pur non essendo delle vere e proprie tolleranze , esprimono ugualmente relazioni tra enti o riferimenti . Tali relazioni sono :

	ANGOLO TRA ENTI / RIFERIMENTI
	DISTANZA TRA ENTI / RIFERIMENTI

In un qualunque programma di collaudo DMIS , sono sempre presenti due tipi differenti di relazioni riguardanti le tolleranze : una prima tipologia riguarda l'impostazione delle Tolleranze Teoriche , cioè quelle relazioni , provenienti da un modello CAD o da un disegno progettuale , che hanno la funzione di fornire i parametri di riferimento necessari per la valutazione dei risultati della misurazione . Una seconda tipologia riguarda le Tolleranze Reali , cioè quei valori calcolati sulla base delle misurazioni eseguite .
Quindi , in generale , per eseguire la valutazione di una data tolleranza presente a disegno , sarà necessario eseguire una duplice operazione : in primo luogo bisognerà definire una Tolleranza Teorica di riferimento , che rispecchi la Tolleranza progettuale a disegno . Questa operazione viene eseguita andando ad assegnare un nome alla Tolleranza Teorica in questione , attraverso l'applicazione di una etichetta , racchiusa da parentesi tonde , e preceduta dalla lettera "T". Successivamente si procede , secondo una opportuna sintassi , ad elencare la Parola Maggiore , le Parole Minori e i parametri richiesti dal caso specifico in analisi .
La seconda operazione necessaria riguarda la procedura di applicazione di una data tolleranza precedentemente definita , secondo lo schema descritto in precedenza ; Questa operazione viene eseguita utilizzando una opportuna istruzione di output che consente di associare la tolleranza teorica definita all'ente o agli enti hai quali dovrà essere applicata . Precisamente in questa istruzione , oltre ad opportune parole chiave , compariranno l'etichetta identificatrice dell'ente misurato da tollerare e l'etichetta della tolleranza da applicare; quest'ultima si distinguerà da quella teorica precedentemente definita , per la presenza , davanti alla parentesi tonda di apertura , della coppia di lettere "TA" invece che della singola lettera "T". Un sistema di gestione delle tolleranze così strutturato , viene chiamato a Tolleranze Generiche in quanto non vincola una data Tolleranza Teorica ad un ben preciso ente ma consente l'applicazione di una data definizione a più enti senza ricorrere a ripetizioni . L'esempio seguente , relativo alla definizione e ad una duplice applicazione di una tolleranza diametrale , riassume quanto sopra esposto :

	$$-------- DEFINIZIONE DELLA TOLLERANZA TEORICA
	T(DIAM_1)=TOL/DIAM,-0.015,0.025
	$$-------- APPLICAZIONE DELLA TOLLERANZA TEORICA
	OUTPUT/FA(FORO_1),TA(DIAM_1)
	OUTPUT/FA(FORO_2),TA(DIAM_1)

Si noti che il simbolo di doppio dollaro ($$) utilizzato nell'esempio precedente , ha lo scopo di inserire commenti alla programmazione : tutto ciò che è preceduto da tale simbolo non verrà interpretato dal postprocessore che si occupa della traduzione del codice sorgente DMIS .

I SISTEMI DI COORDINATE :

Il set di istruzioni DMIS consente la definizione , la manipolazione ( spostamento o rotazione ) , il salvataggio e il richiamo di differenti Sistemi di coordinate , implementati sul pezzo da collaudare .
Tutti i Sistemi di Coordinate definiti devono comunque essere compresi entro lo spazio messo a disposizione per il collaudo , dallo specifico apparato di misura utilizzato , il quale , per sua conformazione , risulta essere dotato di un proprio Sistema di Coordinate fondamentale , chiamato Sistema di Coordinate Macchina ed identificato in DMIS con l'acronimo MCS ( Machine Coordinate System ) .
Quindi , in generale , possiamo dire che ogni Sistema di Coordinate pezzo , definito dal programmatore deve essere compreso entro il Sistema di Coordinate Macchina del particolare Robot di misura utilizzato .
Ogni Sistema di Coordinate definito dal programmatore o ogni sua manipolazione , deve essere chiaramente e univocamente identificato tramite una etichetta preceduta dalla lettera "D" : ad esempio D(ORIG_1) è una identificazione valida per un dato Sistema .
Nella sua formulazione più completa , la definizione di un nuovo Sistema di Coordinate pezzo , passa attraverso tre fasi ben distinte ; descriviamole brevemente :

FASE 1 : Definizione dell'orientamento dell'asse primario
Questa definizione viene eseguita scegliendo come direzione primaria quella di un elemento del pezzo che , per sua natura o per modalità di lavorazione del pezzo stesso , rappresenta un riferimento di indubbia importanza per il collaudo che si deve eseguire , affinchè i risultato ottenuti siano realmente significativi .

FASE 2 : Allineamento dell'asse secondario
Tale allineamento , che identifica la seconda direzione significativa del sistema di coordinate ,deve essere scelto sempre tenendo presente le effettive condizioni di lavorazione del pezzo , in modo da garantire la significatività della terna impostata. Per natura di un Sistema di Coordinate , l'angolo tra il riferimento principale e quello secondario , se diverso per misura da 90° , verrà forzato dal Sistema DMIS a tale valore in quanto , per definizione , gli assi di un Sistema di Coordinate devono essere reciprocamente ortogonali . Da questa considerazione si deduce che la direzione del terzo asse viene fissata automaticamente , dovendo questa essere ortogonale alle altre due .

FASE 3 : Determinazione dell'Origine del Sistema
L'origine è definita come il punto zero di inizio dei tre assi . Solitamente la sua definizione viene ottenuta traslando di una data quantità o in un dato punto ( ad esempio un punto costruito ) , la terna precedentemente definita .

Esiste una importante regola , nota col nome di Regola della Mano Sinistra , che consente di determinare la direzione ed il verso della terna note le direzioni e i versi di due assi : questa regola consiste nel disporre il pollice , l'indice ed il medio della mano sinistra , che rappresentano rispettivamente l'asse Z , l'asse Y e l'asse X , in modo ortogonale fra loro ( si dispongono in moda da formare la figura della "pistola" , con il pollice verso l'alto, l'indice in avanti ed il medio perpendicolare al palmo della mano ) ; così facendo, tenendo conto delle corrispondenze introdotte , disponendo le dita secondo la direzione ed il verso degli assi noti ad esse associate , si ottiene la direzione ed il verso del terzo asse .

A conclusione , per meglio chiarire quanto sopra esposto si riporta un esempio di definizione di un Sistema di Coordinate pezzo , relativo al particolare in figura . Il seguente listati consente la creazione di una Terna avente gli assi Z e Y giacenti sul piano P1 della piastra , con l'asse Z allineato con i due fori ( F1 e F2 ) e con l'asse X coincidente con il versore del piano P1 ; Tale Sistema avrà poi come origine il centro del foro F3 giacente sul piano P1 .


...............
...............
$$------- Definizione del foro centrale : Ente F(CENTRO)
F(CENTRO)=FEAT/CIRCLE,INNER,CART,0,0,0,1,0,0,40
$$------- Misura del foro centrale per 4 punti , penetrazione interno foro = 1 mm 
MEAS/CIRCLE,F(CENTRO),4
	PTMEAS/CART,-1,0,20,0,0,-1
	PTMEAS/CART,-1,20,0,0,-1,0
	PTMEAS/CART,-1,0,-20,0,0,1
	PTMEAS/CART,-1,-20,0,0,1,0
ENDMES
$$-------- Salvataggio parametri ente misurato
SAVE/FA(CENTRO)
$$-------- Definizione di una prima origine per gli assi YZ 
D(ORIG_YZ)=TRANS/YORIG,FA(CENTRO),ZORIG,FA(CENTRO)
$$-------- Allontanamento dall'origine definita di 40 mm lungo l'asse X
GOTO/40,0,0
$$-------- Definizione del piano piastra 
F(PIANO_1)=FEAT/PLANE,CART,0,0,0,1,0,0
$$-------- Misurazione del piano per 4 punti
MEAS/PLANE,F(PIANO_1),4
	PTMEAS/CART,0,0,25,1,0,0
	PTMEAS/CART,0,25,0,1,0,0
	PTMEAS/CART,0,0,-25,1,0,0
	PTMEAS/CART,0,-25,0,1,0,0
ENDMEAS
$$-------- Salvataggio parametri ente misurato
SAVE/FA(PIANO_1)
$$-------- Assegnamento all'asse X della direzione del versore del PIANO_1
DATDEF/FA(PIANO_1),DAT(A)
D(ORIG_X)=DATSET/DAT(A),XDIR,XORIG
$$-------- Definizione dell'ente F(FORO_2)
F(FORO_2)=FEAT/CIRCLE,INNER,CART,0,40,40,1,0,0,10
$$-------- Misura dell'ente F(FORO_2) per 4 punti ,penetrazione 1 mm
MEAS/CIRCLE,F(FORO_2),4
	PTMEAS/CART,-1,0,45,0,0,-1
	PTMEAS/CART,-1,45,0,0,-1,0
	PTMEAS/CART,-1,0,35,0,0,1
	PTMEAS/CART,-1,35,0,0,1,0
ENDMES
$$-------- Salvataggio parametri ente misurato
SAVE/FA(FORO_2)
$$-------- Definizione dell'ente F(FORO_3)
F(FORO_3)=FEAT/CIRCLE,INNER,CART,0,40,-40,1,0,0,10
$$-------- Misura dell'ente F(FORO_3) per 4 punti ,penetrazione 1 mm
MEAS/CIRCLE,F(FORO_3),4
	PTMEAS/CART,-1,0,45,0,0,-1
	PTMEAS/CART,-1,45,0,0,-1,0
	PTMEAS/CART,-1,0,35,0,0,1
	PTMEAS/CART,-1,35,0,0,1,0
ENDMES
$$-------- Salvataggio parametri ente misurato
SAVE/FA(FORO_3)
$$-------- Definizione ente F(RETTA_1) , retta allineamento fori futuro asse Z
F(RETTA_1)=FEAT/LINE,UNBND,CART,0,40,40,0,0,1,1,0,0
$$-------- Costruzione retta allineamento fori
CONST/LINE,F(RETTA_1),BF,FA(FORO_3),FA(FORO_2)
$$-------- Salvataggio parametri ente misurato
SAVE/FA(RETTA_1)
$$-------- Allineamento asse Y con direzione RETTA_1
DATDEF/FA(RETTA_1),DAT(B)
D(ALIGN_Y)=ROTATE/XAXIS,FA(RETTA_1),YDIR
WKPALN=YZPLAN
$$-------- Definizione del punto Origine 
F(ORIGINE)=FEAT/POINT,CART,0,0,0,1,0,0
$$--------Costruzione del punto Origine 
CONST/POINT,F(ORIGINE),PROJPT,FA(ORIGINE),FA(PIANO_1)
$$-------- Salvataggio parametri ente misurato
SAVE/FA(ORIGINE)
$$--------Definizione origine pezzo finale
D(ORI1_PZ)=TRANS/XORIG,FA(ORIGINE),YORIG,FA(ORIGINE), ZORIG,FA(ORIGINE),
.............

I SENSORI :

Come già anticipato l'oggetto della Tesi è relativo ai soli Sistemi CMM a contatto . In tali Sistemi i sensori utilizzati sono rappresentati da palpatori del tipo riportato in figura

Esempi Sensori a contatto

Un palpatore è composto da uno o più steli in materiale metallico o ceramico , alle cui estremità sono riportati degli elementi di contatto a forma sferica o cilindrica realizzati in materiale sintetico ( di solito rubino sintetico ) . Questi elementi venendo a contatto con il pezzo , generano nella testina del sensore una variazione di un parametro elettrico che provoca l'emissione di un segnale indicante l'avvenuta presa punto . Il sistema di governo computerizzato registra quindi le coordinate relative alla posizione occupata dal sensore al momento dell'emissione del segnale . L'operazione ora schematicamente descritta pende il nome di Presa punti . Ogni palpatore , prima del suo utilizzo , deve essere calibrato , per tener conto delle dimensioni del suo elemento di palpazione : tale operazione viene eseguita andando a sondare un elemento di riferimento con dimensioni note ; solitamente , per tale operazione , viene utilizzata una sferetta in materiale ceramico posizionata in un punto fisso dell'apparecchiatura di collaudo , accessibile facilmente ed in modo automatico dalla macchina stessa . Ogni sensore risulta poi essere dotato di una Etichetta che lo qualifica univocamente ; nel caso di utilizzo di più sensori , posizionati in un opportuno magazzino a più posizioni , ad ogni singolo palpatore è associata una ben definita posizione , in modo da consentire al Robot di misura il richiamo automatico del sensore necessario ad un dato programma di misura , quando questo viene eseguito . Nel caso poi di sensori a più elementi , ciascuno di essi è identificato da una etichetta differente . DMIS mette a disposizione istruzioni specifiche per eseguire operazioni di definizione , selezione , richiamo ,e calibratura di un dato sensore . Oltre a queste istruzioni di base , si hanno poi altri comandi che consentono settaggi particolari come ad esempio l'impostazione della distanza di avvicinamento con velocità ridotta al punto di contatto , l'impostazione della distanza di ricerca pezzo e l'impostazione della distanza di ritorno dopo l'avvenuta presa punto.

Con questa rapida descrizione dei sensori a contatto si conclude la parte introduttiva relativa a DMIS .



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Introduzione : Robot di Misura e sistemi DMIS

Con questo termine si indicano tutti i valori , numerici o testuali, che possono essere richiesti durante la stesura di un programma di misura , nella sintassi degli enunciati DMIS utilizzati .

Esempi Sensori a contatto

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