Medir distancias más largas con alta precisión

Ahora mismo estoy involucrado en la fabricación de estructuras de acero del orden de 5-50 pies de largo. Actualmente, medimos estas estructuras con cintas métricas comerciales de variedad de jardín. La mayoría de las veces, trabajamos con una tolerancia de aproximadamente +/- 1/16 "y no tenemos ningún problema. Recientemente, estamos tratando de hacer que algunos elementos tengan una tolerancia muy alta (al menos +/- 1 / 32 ", acercándose a 1/64" o .016 ") Esta tolerancia se debe a criterios visuales, no mecánicos, pero sigue siendo muy importante para nuestra gestión.

Mi pregunta es, ¿cómo podemos medir de manera confiable este tipo de distancias con ese nivel de precisión? Estoy preparado para pedir algunas cintas métricas trazables NIST, pero no me queda claro si realmente mejorarán la situación. ¿Existen otras tecnologías o técnicas que podrían aplicarse prácticamente en un entorno de fabricación? ¿Hay herramientas topográficas lo suficientemente precisas para resolver el problema? El costo es obviamente un factor, pero nos preocupa más la repetibilidad y la solidez que el precio.

Me doy cuenta de que esta tolerancia sonará ridícula para la mayoría, pero imagino que algunas otras industrias tendrán que funcionar de manera similar, ¿quizás motores grandes para barcos o componentes de plantas de energía?

— Ethan48
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Las ubicaciones de las sondas espaciales en las afueras del sistema solar se miden con una precisión de varios cm ... por lo que depende de cuánto esté dispuesto a invertir y cuán preciso quiera llegar.

— SF.

Respuestas:

Obtener ese tipo de precisión sobre esa escala no es trivial y probablemente no sea barato.

Para un tamaño más pequeño de hasta unos pocos metros, una CMM portátil sería una opción ( aquí hay un ejemplo ). Estos tienen una precisión del orden de 10 my se utilizan para cosas como la fabricación de automóviles de alta gama / F1. $\mu$

Sin embargo, los instrumentos de tipo CMM no serían útiles para nada más grande que unos pocos metros, ya que está limitado por la longitud del brazo y deben fijarse en su lugar al medir para obtener un resultado razonable. Para piezas más grandes, la mejor opción de rendimiento sería una especie de rastreador láser ( ejemplo ). Estos también tienen una muy buena repetibilidad (~ 20 m). $\mu$

Las versiones que he visto son interferómetros de cambio de fase, que disparan un láser sobre un retro-reflector en una bola de metal que se coloca en la superficie. Son utilizados por personas como Boeing / Airbus para verificar las tolerancias en la fabricación de aviones.

Estos no son baratos, los rastreadores láser cuestan aproximadamente $ 80,000. Los telémetros láser topográficos convencionales son mucho más baratos, pero no estoy seguro de que tengan una precisión adecuada.

— nivag
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Sin embargo, el CMM portátil que enumeró también está limitado por la longitud del brazo. Puedes moverlo, pero solo es útil cuando el brazo está parado. Empiezas a moverlo entre mediciones de la misma parte y tendrás lecturas inútiles.

— Trevor Archibald

Gracias Nivag, creo que ese puede ser el tipo de cosas que estamos buscando. @TrevorArchibald, entonces, ¿está diciendo que necesitaríamos configurar la herramienta en una posición estacionaria, contra algún tipo de superficie de referencia y siempre tomar nuestra medición desde allí? Eso no es ideal, pero podría hacerse.

— Ethan48

@ Ethan48 Sí, así es como funciona el brazo Faro. Todavía es bastante portátil, no necesita calibrarse cada vez que lo mueve, pero hace todos sus cálculos en referencia a su base, por lo que si la base se mueve, sus mediciones están desactivadas.

— Trevor Archibald

@TrevorArchibald Sí, ese era mi punto. Leerlo de nuevo no estaba muy claro. Se editará

— nivag

Incluso la mejor cinta métrica de metal es susceptible a una expansión térmica significativa a grandes distancias.

Pruebe con un dispositivo de medición láser ('cinta métrica electrónica') en su lugar: http://www.engineersupply.com/Laser-Measurers.aspx

La medida de la distancia del láser, las placas planas fijadas al objeto y algunas cuñas de espesor conocido deberían ser todo lo que necesita para ubicar con precisión algo a una gran distancia.

— usuario2790167
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¡Gracias! Ciertamente usamos cintas láser para distancias muy largas, pero que yo sepa, incluso un Leica solo promete +/- .040, que no es mucho más preciso de lo que obtenemos con una cinta. La expansión térmica definitivamente se vuelve significativa por aquí. Afortunadamente, la temperatura está bastante bien regulada en nuestra tienda, por lo que puede ser manejable. Leí que el coeficiente de expansión térmica es 6.7x10 ^ -6, lo que creo que significa .004 "por grado en 50 '. Más importante aún, ya que tanto la cinta como la estructura son de acero (y están orientadas en la misma dirección) ? T se expanden de manera similar es que una afirmación ingenua?

— Ethan48

Si ambos son grados similares de acero, deberían expandirse en cantidades muy similares. Estoy de acuerdo con su ~ 0.004 "/ grado F número. Si los dispositivos láser no son lo suficientemente precisos, todo lo que puedo pensar es en algún tipo de experimento loco de Fizeau hecho a la inversa.

— user2790167

Sí, eso es lo mejor que he encontrado hasta ahora también, pero obviamente no es muy práctico. Por lo que entiendo, así es como calibran las cintas maestras en primer lugar.

— Ethan48

¿Cómo sabe cuál es la precisión / error de sus mediciones?

— SF.

@SF, no lo hago en un sentido rastreable, pero hemos comprobado una selección de cintas contra un estándar de micrómetro de 15 ", y también entre sí en grandes piezas de acero para tener una idea general.

— Ethan48

Para una alta precisión a largas distancias, es típico utilizar técnicas de topografía generales. Utiliza una estación total ( como esta ) que obtendrá una precisión de 1,5 mm en una sola toma. No son una cinta métrica láser. Las configuraciones / lecturas repetidas con algunas correcciones estadísticas deberían llevarlo fácilmente por debajo de 1 mm. Tenga en cuenta también que estos son inmunes a la expansión térmica de cualquier cinta, pero, por supuesto, el sujeto lo será. Esto también puede permitirse aunque con una compensación matemática.

Lo bueno es que no tienes que comprar una estación total. Puedes alquilarlo por unos días. Mejor aún (dependiendo del presupuesto) es conseguir que un encuestador lo haga por usted. Este puede ser el camino a seguir considerando la experiencia requerida para usar este tipo de kit. A un principiante le tomará un día simplemente pararse con precisión sobre una marca. Creo que la precisión que está solicitando se puede lograr a un costo razonable.

— Paul Uszak
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OK interesante. Así el instrumento en sí es bueno acerca de la tolerancia 1/16" Estoy tratando de superar, pero usted está diciendo que con múltiples mediciones que hay maneras de conseguir más precisa?

— Ethan48

@ Ethan48 Sí. Es lo mismo que medir la longitud de un cigarro. Repita la medición 10 veces y promedio. Obtendrá una precisión mejor que la de una sola medición. Una vez pasé un día entero en una montaña tomando 100 lecturas con algo similar a este kit.

— Paul Uszak

Su problema será la técnica y la experiencia. La estación total es muy complicada y con toda probabilidad no se puede configurar durante la fabricación. Tendrá que ser compensado. Esto conduce a una carga de geometría y técnicas de dispersión de errores. Puede lograr algo como una mejora en la precisión de la raíz (n) donde n es el número de lecturas (rondas). Luego hay margen para los movimientos térmicos de la fabricación. Podría ser mejor conseguir un chico por un día.

— Paul Uszak

Sí, estoy a favor de traer a alguien con el conocimiento. Mi comprensión anterior había sido que los métodos estadísticos podrían aumentar la confianza en una medición, pero en realidad no aumentar la precisión, pero no es un área que haya estudiado realmente.

— Ethan48