Automatisering van metrologie is gearriveerd

Industriële robots zijn deel uit gaan maken van ons dagelijks leven. Volgens een rapport uit 2013 van de International Federation of Robotics (IFR) was 2012 het jaar waarin wereldwijd het op één na hoogste aantal robots verkocht werd binnen één jaar. Van de 159.346 verkochte eenheden ging bijna 70% naar de Verenigde Staten, Japan, Duitsland, China en Zuid-Korea. De auto-, voedsel-, chemische, rubber- en plasticindustrie zagen een grote toename van het aantal bestelde robots, terwijl de metaal- en machine-industrie een lichte daling doormaakten.

De IFR rapporteerde ook een andere interessante trend voor de Verenigde Staten: in 2012 nam het percentage verscheepte robots wederom toe in vergelijking met het jaar ervoor, tot een nieuw hoogtepunt van 22.414 eenheden, terwijl de verkopen ook al substantieel waren toegenomen in 2010 en 2011. In het rapport van de IFR werd gesteld dat marktgegevens voor de eerste drie kwartalen van 2013 een verdere toename lieten zien in vergelijking met dezelfde periode van het jaar ervoor.

Ook al ziet of gebruikt u deze robots niet dagelijks, ze zijn achter de schermen hard aan het werk. Ze hielpen bij het maken van de auto waarin u rijdt, van de telefoon die u steeds binnen handbereik hebt en van de computer waarvan u afhankelijk bent. Het is vrijwel onmogelijk om een hele dag niet in aanraking te komen met iets dat met deze geweldige machines gemaakt is. De geboekte vooruitgang is ongelofelijk als je bedenkt dat dit niveau van automatisering nog niet zo lang geleden slechts een droom was. Hoe nauwkeuriger en slimmer robots worden, hoe meer taken ze kunnen uitvoeren, waardoor het gebruik verder zal verspreiden naar nieuwe industrieën en toepassingen.

Al sinds de introductie van industriële robots voor automatisering van fabrieken bestaat al de vurige wens om deze elektromechanische machines nog nauwkeuriger te maken. In de jaren 70 en 80 werden robots al veel gebruikt bij de autoproductie, maar werden ze nog maar zelden gebruikt in de luchtvaartindustrie. Ze waren gewoon nog niet nauwkeurig genoeg om de vereiste taken uit te voeren. Eind jaren 80 en begin jaren 90 zochten robotfabrikanten manieren om dit probleem op te lossen.

Van nature bezitten industriële robots een behoorlijke herhaalbaarheid, maar hun absolute nauwkeurigheid is erg slecht. Als een programma bijvoorbeeld de eindeffector van een robot instrueert om 30 millimeter in de Y-richting te bewegen, kan hij 31 millimeter bewegen in plaats van de gewenste 30 millimeter. Hij zou echter iedere keer dezelfde 31 millimeter bewegen. Omdat hun acties herhaalbaar zijn, kunnen robots gecompenseerd worden tot een niveau van absolute nauwkeurigheid. Door de robot in een vast aantal posities te meten, kunnen de segmentlengtes, draaihoeken, nulposities van gewrichten, as-lijnen van segmenten en stijfheidparameters intrinsiek berekend worden om het robotmodel te corrigeren.

Het belangrijkste probleem was het meten van de robot in al deze posities bij een variërend temperatuurbereik met genoeg nauwkeurigheid om een werkbaar model te creëren. Op dat moment was de laserinterferometer het standaardapparaat voor nauwkeurige metingen van afstanden en zelfs helling. Het probleem met laserinterferometers was dat ze nauwkeurige begeleiding nodig hadden van een retroreflector om onderbreking van de laserstraal te voorkomen. Terwijl de reflector bewogen wordt in lijn met de laserstraal, worden de bewegingsrichting en het aantal golfpieken vastgelegd. De exacte verandering in afstand kan dan worden berekend door vermenigvuldiging met de helft van de golflengte van de laser. Als het tellen op een gegeven moment echter wordt onderbroken (bijvoorbeeld door onderbreking van de straal), moet het hele proces van voren af aan opnieuw worden uitgevoerd vanaf exact dezelfde initiële reflectorpositie. Deze beperking alleen was voldoende om te voorkomen dat laserinterferometers breed toegepast konden worden voor robotcompensatie. Andere vroege oplossingen zoals lasertriangulatie en optische potentiometers met trekkoord werden onderzocht en getest, maar er was niets dat het gebruiksgemak en de nauwkeurigheid bood die nodig was.

Begin jaren 80 bundelden enkele organisaties hun krachten om te proberen de beperkingen op te lossen van de nauwkeurige begeleiding van de laserinterferometer met verschillende trackingsystemen. Experts van het National Bureau of Standards (NBS), tegenwoordig het NIST, de universiteit van Surrey in Engeland en FhG Karlsruhe in Duitsland werkten aan projecten op basis van de integratie van een laserinterferometer met een trackingsysteem om een interferometer met lasertracking te ontwikkelen. Tegen het einde van het decennium begonnen bedrijven in de VS en Europa te werken aan het concept van een lasertracker voor industriële metingen, een systeem dat gebruikt zou kunnen worden in een productieomgeving buiten het laboratorium. In 1990 werd de Leica Geosystems Smart 310-lasertracker geïntroduceerd, een tracker die gebruikt kon worden in een productieomgeving buiten het laboratorium, dit gebeurde in 1990 op de beurs Quality Show in Chicago.

Leica-lasertrackers begonnen in de eerste helft van de jaren 90 hun plek te krijgen binnen de robotkalibratie. Er werd kalibratiesoftware ontwikkeld om een robot opdracht te geven om te bewegen naar coördinatenlocaties in een werkgebied om vervolgens de daadwerkelijke posities vast te leggen zoals gemeten door de tracker. Door de theoretische en daadwerkelijke posities te vergelijken, kan de software een set compenserende parameters creëren om de positionering en daarmee de bewegingen van de robot te corrigeren. De parameters houden rekening met zowel de mechanische tekortkomingen in het bewegingspatroon als omlaag gerichte verbuigingen en vervormingen veroorzaakt door de belasting. Deze absolute nauwkeurigheidskalibratie corrigeert een robot met een variabiliteit tussen 8 en 15 mm tot ongeveer 0,5 mm.

De meeste grote robotfabrikanten boden tijdens deze periode vergelijkbare gecompenseerde robots aan. Iedere fabrikant had echter zijn eigen proces en klanten met robottypes van verschillende fabrikanten hadden geen mogelijkheden om de kalibratieprocessen en platforms te harmoniseren. Door dit dilemma ging een aantal bedrijven robotkalibratiepakketten aanbieden voor deze gevallen. Met deze softwaremodules kan een robot van elke fabrikant gekalibreerd worden, zowel extrinsiek (op locatie in de werkruimte) als intrinsiek (segmentlengtes, draaihoeken, enz.). Een voorbeeld van zulke software is de SA Machine-module ontwikkeld door New River Kinematics. Deze module compenseert ook de effecten van thermische variatie op de robot.

Als u bijvoorbeeld een robot gebruikt die heeft stilgestaan, zal deze fysiek uitzetten als hij opwarmt door de thermische expansie van de segmenten. Tijdens het opwarmen van de robot kan de verandering wel 0,5 mm of meer zijn, wat een significante invloed kan hebben op de reproduceerbaarheid van metingen. De kalibratiesoftware kan deze thermische effecten echter berekenen en wegnemen uit de metingen, zodat ze toch consistent gereproduceerd kunnen worden (typisch binnen 0,10 mm).

Tegenwoordig zijn deze processen helemaal ingeburgerd en worden ze vrijwel dagelijks gebruikt. Dat betekent echter niet dat er geen ruimte voor verdere ontwikkelingen is. De afgelopen 10 jaar zijn de Leica-lasertrackers flink verbeterd in functionaliteit. Een van de meest significante verbeteringen is de mogelijkheid van de Leica-lasertracker om volledig te meten binnen het principe van zes vrijheidsgraden, (Engels: 6 Degrees of Freedom, 6DoF). Deze mogelijkheid stelt fabrikanten in staat om de eindeffector van de robot te corrigeren tijdens een kalibratiecyclus met minder posities, maar heeft ook nieuwe mogelijkheden gecreëerd. Voorheen moesten bij het gebruik van een traditionele 3D-lasertracker meerdere posities gemeten worden om het TCP (Tool Center Point) te berekenen in de 6D-ruimte. Door het gebruik van de 6DoF-lasertracker AT901 is het nu mogelijk om in real-time de exacte locatie te kennen van de eindeffector in de 6D-ruimte. Deze innovatie maakt de robotkalibratie volledig overbodig aangezien de tracker de positie van de eindeffector in real-time kan bewaken en corrigeren zonder zorgen over wat de robot doet in de "gewrichtsruimte".

Deze geavanceerde technologie is onlangs toegepast bij Premium Aerotec (Nordenahm, Duitsland) voor de automatisering van het plaatsen van langsliggers in de romp van de nieuwe Airbus A350 XWB. Omdat de langsliggers tot wel 18 meter lang zijn, was de gespecificeerde absolute nauwkeurigheid van de gebruikte robots nog niet nauwkeurig genoeg om ze goed te plaatsen. Het team was in staat om te voldoen aan de strenge nauwkeurigheidsvereisten door de robots in real-time te corrigeren op basis van de feedback van de 6DoF Absolute-lasertracker.

Geautomatiseerde cellen op basis van robots en mobiele meetsystemen zijn geen toekomstmuziek meer en deze implementaties zijn wereldwijd substantieel toegenomen. Wereldwijd heeft Hexagon Metrology meer dan 60 geautomatiseerde cellen geïmplementeerd op basis van robots en mobiele meetsystemen. Op basis van deze kennis bekijken verscheidene fabrikanten en industrieën hun processen met een frisse blik, op zoek naar gebieden waar automatisering van metingen en inspecties een essentiële rol kan spelen. Te midden van deze paradigmaverschuiving zijn we getuige van een stukje productiegeschiedenis.