סריקת תלת-ממד As-Built עבור מתקנים מורכבים
- 8 hours ago
- 5 min read
אייקון מדעי עולמי
המעבדה האירופית לפיזיקת חלקיקים(CERN), המתקן המדעי הגדול והמפורסם ביותר בעולם, הוסיף לאחרונה מתקן חדש לחינוך והסברה לציבור. ה-Science Gateway (שער המדע), המשתרע על פני שטח של למעלה מ-7,000 מ"ר, מציג תערוכות המדגישות את עבודתה של CERN בחקר חלקיקי היסוד וכוחות הטבע, וכיצד אלו חיוניים להבנתנו את היקום.
המאפיין הבולט ביותר של ה-Science Gateway הוא שני מקטעים צינוריים המדמים את מנהרות המאיץ, המחוברים באמצעות גשר זכוכית מקורה החוצה את הכביש הראשי ומסילת החשמלית המשרתים את הקמפוס המרכזי של CERN. המבנה החדש עומד בהרמוניה לצד ה-"Globe" האייקוני (גלובוס המדע והחדשנות), ומציע ניגוד מרשים לאסתטיקה הפונקציונלית יותר של הקמפוס שמסביב.
הקמפוס הראשי של CERN ממוקם ליד הכפר מרין (Meyrin), כ-10 קילומטרים מערבית למרכז ז'נבה, שווייץ. בעוד שקמפוס זה מארח רבים ממאיצי החלקיקים הקטנים ומתקני הניסוי, שני המאיצים הגדולים יותר – ה-Super Proton Synchrotron (SPS) בהיקף של 6 ק"מ וה-Large Hadron Collider (LHC) בהיקף של 27 ק"מ – שוכנים במנהרות תת-קרקעיות בעיקר תחת האזור הכפרי של צרפת השכנה. מישור מנהרת ה-LHC נטוי ב-1.4% כדי לשמור על עומק של כ-100 מטרים ככל שהשטח עולה לכיוון הרי הג'ורה. ישנם שמונה פירי גישה וארבעה ניסויים מרכזיים, שבהם נלכדות ונחקרות תוצאות ההתנגשויות הממוקדות של חלקיקים תת-אטומיים.
קנה המידה של ה-LHC והניסויים שבו הוא מדהים. מערות הניסוי גדולות מספיק כדי להכיל קתדרלות, והניסויים עצמם שוקלים כמו שלושה מגדלי אייפל.
מטרולוגיה בקנה מידה גדול
קבוצת המטרולוגיה הגאודטית (The Geodetic Metrology Group) בתוך מחלקת האלומות (Beams Department) של CERN מספקת את צורכי המטרולוגיה, המדידה והיישור עבור כל הרכיבים המותקנים במאיצים ובניסויים שלהם. הצוות משתמש בפתרונות מדידה ויישור קונבנציונליים, לצד מערכות ייעודיות המותקנות על הרכיבים הקריטיים ביותר, כגון מערכות חוט מתוח ומערכות פילוס הידרוסטטיות. מערכות בהתאמה אישית אלו רגישות מספיק כדי לרשום תזוזות עקב רעידות אדמה המתרחשות בצד השני של העולם.
בנוסף ליישור המאיץ, צוותי המדידה נקראים לעיתים קרובות ליישם את מומחיותם בתחומים אחרים, ולאחרונה ביצעו את סקר ה-as-built (מדידה לאחר ביצוע) של ה-Science Gateway החדש.
"אני במחלקת ה-BEAMS, קבוצת מטרולוגיה גאודטית, ספציפית במדור מדידות מאיץ ומדידות גאודטיות," אמר קספר וידוך (Kacper Widuch), מהנדס מדידות ב-CERN. "המדור שלי, המונה 15 אנשים, מפקח על כל משימות המדידה והיישור הקשורות לכמעט 64 ק"מ של קווי מאיץ. אנחנו מטפלים גם באיסוף נתוני ענן נקודות בדיוק גבוה לצורך מחקרים, בקרת איכות ומדידות as-built של רכיבי אלומה, אזורי מאיץ ומבנים עיליים."
וידוך מוסיף כי "כדי ליישר מכונות מסוג זה, עלינו לדאוג גם למדידות המקדימות, כמו בקרת ממדים של רכיבים חדשים שהגיעו. מדובר במדידה המקשרת בין הגאומטריה החיצונית של הרכיב לגאומטריה הפנימית שלו. זה חשוב ביותר מכיוון שיש לשמור על המגנטים בתוך סובלנות של ±0.2 מ"מ מהעקומה החלקה (Smooth Curve) לאורך כל ה-LHC."
"הקבוצה כולה מונה כ-60 איש. זה לא רק מודדים; יש לנו מהנדסי מכונות, מהנדסי אלקטרוניקה, מומחי מכטרוניקה ואנשי IT, אך עדיין הליבה היא סביב המדידות," אמר וידוך.
התמיכה המדידתית בניסויים שמעל פני הקרקע ובמתקני העזר מספקת לקבוצה הזדמנויות לצאת מעבר לפעילות המטרולוגית הרגילה שלהם. ה-Science Gateway החדש עורר התרגשות רבה בכל רחבי CERN, וזה היה נכון באותה מידה עבור קבוצתו של וידוך, שכן הם יכלו לנצל את בנייתו כדי להתנסות בטכנולוגיות חדשות למדידה מרחבית.
שילוב לכידת מציאות (Reality Capture)
"היה חשוב מאוד שיהיה מודל תלת-ממדי של ה-Gateway, כדי לבדוק את התאימות לתכנון, אך גם לצורך תכנון עתידי," אמר וידוך. "למשל, אם נרצה לשנות משהו, או עבור תערוכות והשכרת המתקן כדי לתכנן את השימוש בחללים. זה מיועד גם לניהול המתקן. בטח, אם יש לך תוכנית דו-ממדית, אתה יכול לעשות מה שאתה רוצה. אבל אם אתה יכול לראות את זה בתלת-ממד, אפילו כענן נקודות, ועוד יותר טוב כמודל תלת-ממדי, זה פשוט מקרב אותך למצב שאתה רוצה לייצג. יש לנו שרטוטים, אבל הרבה יותר קל ואפקטיבי לעבוד במודל תלת-ממדי."
וידוך ציין כי "לא בוצע מידול as-built מקיף בעבר, לעיתים קרובות רק מדידות מפתח. רצינו ללמוד כיצד לאמץ לכידת מציאות נאותה, לא רק עבור ה-Science Gateway, אלא אולי עבור מתקנים נוספים בהמשך. בחרנו בפתרונות לכידת המציאות של Leica Geosystems מכיוון שיש מגוון רחב להתנסות בו."
הצוות סרק את ה-Science Gateway באמצעות ה-Leica RTC360, סורק קרקעי המבצע רישום מוקדם אוטומטי של ענני נקודות מתחנות עוקבות באמצעות טכנולוגיית ה-Visual Inertial System (VIS) המובנית שלו. עם סריקה של עד 2 מיליון נקודות בשנייה, בטווח של 0.5 עד 130 מטרים, ל-RTC360 לא הייתה בעיה ללכוד את הפרטים הקטנים של המתקן. הוא יכול גם ללכוד תמונה ספרית ברזולוציה גבוהה בפחות מדקה בכל תחנה – מצוין לתיעוד as-built – והתמונות משמשות להוספת צבע מלא לענני הנקודות. הסורק מופעל בקלות בטאבלט או בסמארטפון באמצעות אפליקציית Leica Cyclone FIELD 360. אפליקציה ניידת אינטואיטיבית זו מספקת תצוגה מקדימה מיידית של הנתונים שנלכדו ומאפשרת קישור תחנות ורישום ענני נקודות, והכל בשטח.
"ביצענו סריקות חיצוניות עם ה-RTC360, כמה מדידות בפנים, ובעיקר לקישורים חיצוניים, כדי לגשר בין הפנים לחוץ," אמר וידוך. "עבור הפנים, השתמשנו בפתרונות לכידת מציאות נוספים, כולל מכשירי סריקה ניידים, ה-Leica BLK360 וה-Leica BLK2GO. השתמשנו גם במודול הסריקה האוטונומי Leica BLK ARC בשילוב עם הסבל הרובוטי, Spot של Boston Dynamics. היה נהדר להתנסות בכל מכשירי סריקת הלייזר ולראות כיצד ניתן ליישם כל אחד מהם בצורה הטובה ביותר. המכשירים, בשילוב עם אפליקציות השטח, שיפרו מאוד את המהירות והיעילות הכללית שלנו. ביצוע מה שעשינו בשיטות סריקת לייזר מסורתיות היה לוקח הרבה יותר זמן."
"היה מעניין מאוד לראות איך מכשירי לכידת המציאות תפקדו ב-Science Gateway, במיוחד כי זה לא מבנה פשוט," אמר וידוך. "יש הרבה חללים סגורים בזכוכית, הרבה מסדרונות ומעברי זכוכית. כמו כן, הגאומטריה עצמה, והצורה הצילינדרית של שני חללי התצוגה הללו. זה משהו שאתה לא חושב עליו כשאתה חושב על בניין, שום דבר שדומה לצורה הקובייתית הטיפוסית. פלוס, יש שפע של אלמנטים גלויים של קונסטרוקציית פלדה."
הזדמנויות מורחבות
לצוות המדידה של CERN הייתה גם הזדמנות לנסות את המכשירים הללו ללכידת מציאות בסביבת מעבדה. "SM18 הוא מתקן לבדיקת מגנטים. הוא מאכלס גם את בדיקת ה-IT String (Inner Triplet)," אמר וידוך. "זהו מוק-אפ, הדגמה של כמעט 100 מטרים של התקנה שתתבצע במנהרת ה-LHC עבור פרויקט ה-High-Luminosity. פרויקט ה-High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) נועד לשפר את ביצועי ה-LHC, במטרה להגדיל את הזדמנויות הגילוי לאחר 2029. לכן, המגנטים, הרכיבים המשניים וכל ההתקנות שנמצאות שם (כיום במנהרה), קריוגניקה, התקנות חשמל – הכל עומד להיות מוסר ואנחנו עומדים להחליף את זה בדור חדש," ממשיך וידוך. "זהו שדרוג של החומרה והתוכנה הנלווית. החזקת מודל תלת-ממדי יכולה להיות מועילה מאוד לא רק כ-as-built, אלא גם מעניקה לנו ניסיון ביכולות סריקה והדמיה בתלת-ממד עבור כל סוגי תשתיות המנהרות."
"מידול תלת-ממדי של הבניינים הללו היה קפיצה מהנה עבור הצוות שלנו, שינוי מהמדידות המיקרומטריות שאנו רגילים לבצע. זה היה גם לימודי; לחשוב כיצד נוכל להשתמש בפתרונות כאלו עבור מתקנים אחרים ואולי יום אחד עבור התשתית במנהרה."
ומה צופן העתיד? התכנון של מאיץ מוצע בהיקף של 91 קילומטרים ב-CERN נמצא כעת בבדיקת היתכנות. איזה תפקיד עשויים למלא לכידת מציאות, תאומים דיגיטליים ומערכות אוטומציה בבנייה בפרויקט כזה? האם חיישני לכידת מציאות עתידיים ינצלו טכנולוגיה קוונטית? זכרו, CERN הייתה מקום הולדתו של ה-World Wide Web; מי יודע מה הדבר הבא?
Comments