Optisen tarkkuusmittalaitteen rakennesuunnittelu
Tervaniemi, Tuomas (2018)
2018
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2024051311132
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2024051311132
Tiivistelmä
Tämä opinnäytetyö tehtiin optisia tarkkuusmittalaitteita valmistavalle FocalSpec Oy:lle. Työn aiheena on uudentyyppisen optisen tarkkuusmittalaitteen mekaniikan suunnittelu. Tämä on hyvin moniulotteinen prosessi, jossa korostuu yhteis-työn merkitys eri sidosryhmien kesken.
Suunniteltava mittalaite pohjautuu patentoituun LCI-tekniikkaan, jolla kyetään kuvaamaan erittäin tarkkaan erilaisten pintojen topografiaa nykypäivän valmistusprosessien vaatimusten mukaisesti. Kajoamattoman mittauksen lisäksi optisen tekniikan kiistaton etu on mekaniikan liikkumattomuus. Kiinteä mekaniikka on hyvin kestävä ja useisiin käyttöympäristöihin sopiva ratkaisu. Lisäksi huollon tarve on käytännössä olematon, koska kuluvia osia ei rakennelmassa ole.
Suunnittelutyössä edettiin järjestelmällisen ja luovan tuotekehitysprosessin teorioita soveltaen. Alkuvaiheessa ennalta laadittujen laskelmien perusteella suunniteltiin optiikkamalli, jonka ympärille muu mekaniikan suunnittelu toteutettiin. Opinnäytetyössä käsitellään erilaisia optiikan ja mekaniikan vaatimuksia sekä komponenttien sisäisiä ja keskinäisiä epätarkkuuksia. Toleranssien sallimia epätarkkuuksia varten mittalaitteeseen suunniteltiin tarvittavat säädöt kuvantamistarkkuuden parantamiseksi.
Rakennemallien vertailun pohjalta valittiin yksityiskohtaiseen suunnitteluun jatkava perusrakenne, johon suunniteltava mekaniikka kootaan yhdeksi kokonaisuudeksi. Yksityiskohtaisessa suunnittelussa keskityttiin laitteen toiminnallisuuksien toteuttamiseen muun muassa optiikan paikoittamisen ja säätöjen suhteen. Merkittävin sovelluskohde suunniteltavalle mittalaitteelle on leikatun metallilevyn reunaan syntyvän jäysteen mittaaminen mikrometriluokan tarkkuudella.
Työssä hyödynnettiin alkuperäistä tietoa suoraan LCI-tekniikan kehittäjiltä ja suunnittelua oli tukemassa muut yrityksen mekaniikkasuunnittelijat. Tämän työn aikana SolidWorks-ohjelmalla suunniteltu ja valmistukseen asti edennyt mitta-laitteen mekaniikka todettiin katselmointien perusteella toimivaksi, minkä jälkeen kaikki tarvittavat komponentit tilattiin kahden prototyypin valmistukseen. Line Confocal Imaging (LCI) technology provides the highest measurement speed and accuracy to meet the uppermost standards of today’s high-speed smart manufacturing environments, which require continuous measurement and analysis of a large variety of surface materials. The purpose of this study is to develop and design all mechanics to a new type of an optical sensor.
The system developed in this study is based on a patented LCI-technology, which allows imaging of a surface topography with unique precision. LCI -technology is based on lateral chromatic aberration where the light beam is dispersed into a visible spectrum, and the surface is measured by the different wavelength-dependent reflections of the spectrum. The main application for this product is a fast burr-height measurement with micrometre accuracy.
Much needed support for this study came from the innovators behind the LCI-technology. From a mechanics point of view, the base for this design was created by studying previously assembled sensors and their designing techniques.
Unfortunately, there were more crucial projects going on and their mechanics were manufactured by the same manufacturer at the same time. Therefore, the manufacturing for the mechanics in this project was postponed, due to the manufacturers machining capacity.
Suunniteltava mittalaite pohjautuu patentoituun LCI-tekniikkaan, jolla kyetään kuvaamaan erittäin tarkkaan erilaisten pintojen topografiaa nykypäivän valmistusprosessien vaatimusten mukaisesti. Kajoamattoman mittauksen lisäksi optisen tekniikan kiistaton etu on mekaniikan liikkumattomuus. Kiinteä mekaniikka on hyvin kestävä ja useisiin käyttöympäristöihin sopiva ratkaisu. Lisäksi huollon tarve on käytännössä olematon, koska kuluvia osia ei rakennelmassa ole.
Suunnittelutyössä edettiin järjestelmällisen ja luovan tuotekehitysprosessin teorioita soveltaen. Alkuvaiheessa ennalta laadittujen laskelmien perusteella suunniteltiin optiikkamalli, jonka ympärille muu mekaniikan suunnittelu toteutettiin. Opinnäytetyössä käsitellään erilaisia optiikan ja mekaniikan vaatimuksia sekä komponenttien sisäisiä ja keskinäisiä epätarkkuuksia. Toleranssien sallimia epätarkkuuksia varten mittalaitteeseen suunniteltiin tarvittavat säädöt kuvantamistarkkuuden parantamiseksi.
Rakennemallien vertailun pohjalta valittiin yksityiskohtaiseen suunnitteluun jatkava perusrakenne, johon suunniteltava mekaniikka kootaan yhdeksi kokonaisuudeksi. Yksityiskohtaisessa suunnittelussa keskityttiin laitteen toiminnallisuuksien toteuttamiseen muun muassa optiikan paikoittamisen ja säätöjen suhteen. Merkittävin sovelluskohde suunniteltavalle mittalaitteelle on leikatun metallilevyn reunaan syntyvän jäysteen mittaaminen mikrometriluokan tarkkuudella.
Työssä hyödynnettiin alkuperäistä tietoa suoraan LCI-tekniikan kehittäjiltä ja suunnittelua oli tukemassa muut yrityksen mekaniikkasuunnittelijat. Tämän työn aikana SolidWorks-ohjelmalla suunniteltu ja valmistukseen asti edennyt mitta-laitteen mekaniikka todettiin katselmointien perusteella toimivaksi, minkä jälkeen kaikki tarvittavat komponentit tilattiin kahden prototyypin valmistukseen.
The system developed in this study is based on a patented LCI-technology, which allows imaging of a surface topography with unique precision. LCI -technology is based on lateral chromatic aberration where the light beam is dispersed into a visible spectrum, and the surface is measured by the different wavelength-dependent reflections of the spectrum. The main application for this product is a fast burr-height measurement with micrometre accuracy.
Much needed support for this study came from the innovators behind the LCI-technology. From a mechanics point of view, the base for this design was created by studying previously assembled sensors and their designing techniques.
Unfortunately, there were more crucial projects going on and their mechanics were manufactured by the same manufacturer at the same time. Therefore, the manufacturing for the mechanics in this project was postponed, due to the manufacturers machining capacity.