Automatizace metrologie je tu

Průmyslové roboty se staly součástí našeho každodenního života. Zpráva Mezinárodní federace robotiky (IFR – International Federation of Robotics) z roku 2013 uvádí, že v roce 2012 byl ve světě prodán druhý největší počet robotů za období jednoho roku v historii. Ze 159 346 prodaných kusů jich téměř 70 % putovalo do Spojených států, Japonska, Německa, Číny a Koreje. Náhlý vzestup objednávek robotů byl zaznamenán v automobilovém, potravinářské, chemickém a gumárenském průmyslu a také v oboru výroby plastů, zatímco kovozpracující a strojírenský průmysl zaznamenaly mírný pokles.

IFR rovněž uvedla další zajímavý trend v USA – dodávky robotů v roce 2012 opět procentuálně vzrostly na nové maximum 22 414 kusů ve srovnání s předchozím rokem, zatímco prodeje podstatně rostly již v letech 2010 a 2011. Zpráva prezidenta IFR uvádí, že údaje z trhu za první tři kvartály roku 2013 ukázaly další nárůst v porovnání se stejným obdobím loňského roku.

I když roboty nevidíte nebo je nepoužíváte každý den, přesto pracují v pozadí. Pomáhali vyrobit vůz, který řídíte, telefon, který máte stále u sebe a počítač, na kterém jste závislí. Je prakticky nemožné, abyste fungovali celý den a nepřišli přitom do kontaktu s něčím, co vyrobily tyto úžasné stroje. Tento pokrok je úžasný, když uvážíme, že taková úroveň automatizace výroby byla ještě nedávno čirou fantazií. Čím se roboti stávají přesnějšími a inteligentnějšími, tím více úkolů mohou provádět a tím se jejich využití rozšiřuje na nové obory a aplikace.

Lidé touží učinit tyto elektromechanické stroje přesnějšími již od samotného zavedení průmyslových robotů do automatizace výroby. V 70. a 80. letech došlo k široké integraci robotů do automobilové výroby, ale jen zřídka se používaly v letecké výrobě. Jednoduše proto, že nebyly pro vykonávání požadovaných úkolů dost přesné. V 80. a 90. letech začali mnozí výrobci robotů hledat cesty, jak tento problém vyřešit.

Průmyslové roboty jsou z podstaty poměrně opakovatelné, ale jejich absolutní přesnost je velmi špatná. Například pokud program instruuje koncový efektor robota, aby se pohnul o 30 palců ve směru osy Y, může se místo o požadovaných 30 palců pohnout i o 31 palců. Ovšem o 31 palců se pohne pokaždé. Protože jsou jejich akce opakovatelné, roboty mohou být kompenzovány na úroveň absolutní přesnosti. Změřením robota v daném počtu poloh lze vypočítat délky spojek, úhly zkroucení, nulové body kloubů, posuny spojek a parametry tuhosti a opravit model robota.

Nejobtížnější bylo, jak změřit robota ve všech těchto polohách v různých rozsazích teploty s dostatečnou přesností, aby bylo možné vytvořit smysluplný model. V tuto chvíli se stal tím pravým přístrojem pro přesné měření vzdáleností a také hranatosti laserový interferometr. Problém laserových interferometrů spočíval v tom, že vyžadovaly přesné navádění odrazky, aby nedošlo k přerušení laserového paprsku. Jak se odrazka pohybuje v linii s laserovým paprskem, zaznamenává se směr pohybu a počet vrcholů vlny. Přesnou změnu délky lze potom spočítat vynásobením poloviny vlnové délky laseru. Nicméně pokud je proces načítání přerušen (tj. přerušením paprsku), celý proces musí být znovu spuštěn od začátku a od přesné počáteční pozice odrazky. Už toto samotné omezení zabránilo laserovým interferometrům, aby byly ve velkém použity pro kompenzaci robotů. Zpočátku byla zkoumána a testována další řešení, jako laserová triangulace a optické potenciometry, ale žádné neposkytlo uspokojivé výsledky z hlediska požadované snadnosti použití a přesnosti.

Začátkem 80. let se spojilo několik organizací a zkusily vyřešit omezení v přesnosti navádění laserového interferometru prostřednictvím různých „sledovacích“ systémů. Odborníci z NBS (National Bureau of Standards), v současnosti NIST, University of Surrey v Anglii a FhG Karlsruhe v Německu pracovali na projektech zaměřených na integraci laserového interferometru se sledovacím systémem, s cílem vytvořit laserový sledovací interferometr. Na konci dekády začaly společnosti v USA a Evropě pracovat na koncepci laser tracker systému pro průmyslové měření, systému, který lze používat ve výrobním prostředí mimo laboratoř. V roce 1990 na obchodní výstavě 1990 Quality v Chicagu byl světu představen laser tracker Leica Geosystems Smart 310, tracker který lze používat ve výrobním prostředí mimo laboratoř.

V první polovině 90. let začaly být laser tracker systémy Leica v oblasti kalibrace robotů jako doma. Byl vyvinut kalibrační software, který instruoval robota, aby se posunul v pracovní oblasti na místo určené souřadnicemi, a potom zaznamenal skutečné pozice změřené trackerem. Porovnáním teoretických a skutečných pozic vytvořil software sadu kompenzačních parametrů, které zkorigovaly polohování robota a tudíž jeho pohyby. Parametry vzaly v úvahu jak mechanické nedokonalosti ve vzorku pohybů, tak ohyby či zkreslení způsobené zatížením. Tato kalibrace absolutní přesnosti opravila robota s rozptylem 8 až 15 mm na 0,5 mm.

Většina velkých výrobců robotů nabídla v tomto období podobně kompenzované roboty. Nicméně každý výrobce měl své vlastní procesy a zákazníci, kteří měli roboty od různých výrobců, neměli možnost harmonizovat kalibrační procesy a platformy. Toto dilema vedlo k tomu, že řada společností začala nabízet pro tyto případy balíčky pro kalibrace robotů. Tyto softwarové moduly umožňují výrobcům, aby prováděli kalibraci robotů externě (umístěných v pracovní oblasti) a interně (délky spojek, úhly natočení atd.). Jedním z příkladů takového softwaru je modul SA Machine vyvinutý společností New River Kinematics. Rovněž kompenzuje u robota efekty tepelných změn.
Například když použijete robota, který byl v nečinnosti, bude se při zahřívání fyzicky rozpínat díky tepelné rozpínavosti svých článků. Jak se robot dále zahřívá, změna může být až 0,5 mm (0,020") nebo větší, což může mít výrazný vliv na opakovatelnost měření. Nicméně kalibrační software může vypočítat a odstranit z měření tyto tepelné účinky, takže měření bude konzistentně opakovatelné (obvykle v rámci 0,10 mm nebo 0,004" 6 sigma).

Dnes jsou tyto procesy dobře zavedené a používají se téměř na denní bázi. Ale to neznamená, že není prostor pro další zlepšování. V průběhu poslední dekády se výrazně zlepšila funkčnost laser tracker systémů Leica. Jedním z nejvýraznějších zlepšení je schopnost laser tracker systému Leica měřit v plných šesti stupních volnosti, neboli 6DoF. Tato schopnost umožňuje výrobcům robotů opravit koncový efektor robota během kalibračního cyklu pomocí méně poloh, ale rovněž otevřela nové možnosti. V minulosti bylo při použití tradičního 3D laser tracker systému zapotřebí změřit více poloh, aby bylo možné vypočítat střed obrábění (TCP – tooling center point) v šestirozměrném prostoru. Nyní je možné pomocí laser tracker systému AT901 6DoF zjistit přesné umístění koncového efektoru v šestirozměrném prostoru v reálném čase. Tato inovace zcela odstraňuje nutnost kalibrace robota, protože tracker dokáže monitorovat a korigovat pozici koncového efektoru v reálném čase, aniž by bylo nutné zabývat se tím, co robot provádí v „nespojitosti“.
Tato pokročilá technologie byla naposledy použita v Premium Aerotec (Nordenahm, Německo) k automatizaci procesu umístění podélníků pro sekci trupu nového Airbus A350 XWB. Protože podélníky měly délku až 18 metrů, specifikovaná absolutní přesnost použitých robotů stále nebyla dostatečná pro jejich správné umístění. Tým byl schopen splnit přísné požadavky z hlediska přesnosti opravou robotů v reálném čase na základě zpětné vazby ze 6DoF Absolute laser tracker systému.

Automatizované buňky založené na robotech a mobilních měřicích systémech již nejsou považovány za futuristické a tyto implementace se výrazně rozšířily v celosvětovém měřítku. Hexagon Manufacturing Intelligence implementovala po celém světě více než 60 automatizovaných buněk založených na robotech a mobilních měřicích systémech. V důsledku této inteligence řada výrobců a oborů zkoumá své procesy z nového pohledu a zaměřuje se na oblasti, kde může hrát automatizace měření a kontroly zásadní roli. V rámci nového přístupu se historie výroby mění přímo před našima očima.