Automatyzacja Metrologii. Tu i Teraz

Roboty przemysłowe stały się częścią naszego codziennego życia. Na podstawie raportu z roku 2013  opublikowanego przez Międzynarodową Federację Robotyki (ang. International Federation of Robotics – IFR), rok 2012 był drugim pod względem największej liczby sprzedanych na przestrzeni jednego roku robotów. Z 159 346 sprzedanych jednostek aż 70% trafiło do Stanów Zjednoczonych, Japonii, Niemiec, Chin i Korei. Przemysł motoryzacyjny, spożywczy, chemiczny, gumowy i tworzyw sztucznych zwiększył ilość zamówień na roboty. Natomiast niewielką tendencję spadkową odnotowano w sektorze metalowym i maszynowym.

W raporcie IFR dostrzeżono jeszcze inną interesującą tendencję - w Stanach Zjednoczonych transport robotów, w porównaniu z poprzednim rokiem, wzrósł o %, osiągając w 2012 roku nowy bardzo wysoki wynik - 22 414 jednostek. Stopniowy wzrost sprzedaży robotów odnotowano już w 2010 i 2011 roku. Raport prezesa IFR przedstawił dane rynkowe dla pierwszych trzech kwartałów 2013 roku. Na ich podstawie, w porównaniu do tego samego okresu z poprzedniego roku, można zauważyć dalszy wzrost sprzedaży robotów.

Nawet, jeśli nie tego nie dostrzegasz lub jeśli nie używasz robotów codziennie, bądź pewny - one są i działają. TU i TERAZ. To one pomogły w produkcji Twojego samochodu i telefonu, który znajduje się na wyciągnięcie Twojej ręki, oraz komputera, od którego jesteś uzależniony. Niemal niemożliwe jest, aby zaledwie w ciągu jednego dnia nie mieć kontaktu z przedmiotem wyprodukowanym za pomocą tych wspaniałych maszyn. Progres ten jest zaskakujący, biorąc pod uwagę, iż zaledwie kilka lat temu tak wysoki poziom automatyzacji fabryk pozostawał jedynie w sferze marzeń. Ponieważ roboty stały się bardziej precyzyjne i inteligentne, mogą teraz rozszerzyć swoje zastosowanie o kolejne zadania realizowane w innych branżach przemysłowych.

Od kiedy wprowadzono na rynek roboty przemysłowe umożliwiające automatyzację fabryki, bardzo intensywnie pracowano nad zwiększeniem dokładności tych elektromechanicznych maszyn. W latach 70. i 80. roboty znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, a jedynie niewielkie w branży lotniczej. Po prostu nie były wystarczająco dokładne, aby zrealizować wymagane zadania. Pod koniec las 80. i na początku 90. wielu producentów robotów zaczęło szukać sposobu na rozwiązanie tego problemu.

Roboty przemysłowe niejako z natury charakteryzuje dość wysoka powtarzalność, ale ich absolutna dokładność pozostawia wiele do życzenia. Na przykład, jeśli program wymusza przesunięcie chwytaka robota o 30 cali w kierunku osi "Y", chwytak przesunie się raczej o 31 cali niż o wymagane 30. Jednak - co ważne - za każdym razem przesunie się o te 31 cali. Dzięki temu, iż czynności robota są powtarzalne, może zostać w taki sposób skompensowany, aby był absolutnie dokładny.  Podczas pomiaru robota w zadanej ilości pozycji, samoistnie mogły być również mierzone długości łączy, kąty skręcenia, łączne (wymuszanie) zer, wartości "link offsets" oraz parametry sztywności, dzięki którym można skorygować model robota.

Podczas tworzenia wartościowego modelu, główną trudność stanowił bardzo dokładny pomiar robota we wszystkich tych pozycjach przy wahaniach temperatury. Na tym etapie "innowacyjnym" urządzeniem do wyznaczania dokładnych odległości, a nawet przeprowadzania pomiarów kątowości (nachylenia) był interferometr laserowy. Jednak interferometr laserowy wymagał  precyzyjnego naprowadzania przez reflektor pomiarowy, by zapobiec przerwaniu wiązki lasera.  Gdy reflektor poruszał się zgodnie z wiązką lasera, rejestrowany był kierunek ruchu  . Dokładna zmiana odległości mogła zostać obliczona przez pomnożenie jej przez połowę długości fali lasera. Jednak, gdy obliczenia zostały przerwane w jakimkolwiek momencie (np. wskutek przerwania wiązki lasera), cały proces musiał rozpocząć się od nowa, od dokładnej, początkowej pozycji reflektora.

Tylko ten jeden problem wystarczył, aby interferometr laserowy nie znalazł szerokiego zastosowania w kompensacji robota. Badano i testowano również inne rozwiązania pomiarowe, takie jak triangulacja (sensoryka) laserowa i potencjometry optyczne, ale żadne z nich nie zapewniało wymaganej dokładności. Ich obsługa również nie należała do najprostszych.

Na początku lat 80. kilka organizacji postanowiło połączyć swoje siły, aby rozwiązać problem z ograniczeniami związanymi z precyzyjnym naprowadzaniem interferometra laserowego za pomocą różnorodnych systemów "śledzenia". Specjaliści z Narodowego Biura Norm, które obecnie nosi nazwę Narodowego Instytutu Norm i Technologii (NIST), z Uniwersytetu Surrey z Anglii oraz z niemieckiego instytutu FhG Karlsruhe pracowali nad projektem połączenia interferometra laserowego z systemem śledzenia, aby stworzyć interferometr śledzący wiązkę laserową. Pod koniec dekady przedsiębiorstwa ze Stanów Zjednoczonych oraz Europy rozpoczęły pracę nad koncepcją trackera laserowego do pomiarów przemysłowych - systemu, który mógłby być wykorzystywany w środowisku przemysłowych, poza laboratorium pomiarowym. W 1990 roku na targach Quality w Chicago miała miejsce inauguracja trackera laserowego Leica Geosystems Smart 310. Właśnie to urządzenie to mogło być wykorzystywane w środowisku przemysłowych, poza laboratorium pomiarowym.

W pierwszej połowie lat 90. trackery laserowe Leica zaczęto powszechnie stosować do kalibracji robotów. Opracowano oprogramowanie kalibracyjne, które sterowało ruchem robota w lokalizacji współrzędnych w przestrzeni roboczej, zapisując rzeczywiste pozycje zmierzone przez tracker. Porównując teoretyczne i rzeczywiste pozycje, oprogramowanie tworzyło parametry kompensacyjne, które mogły skorygować pozycjonowanie robota, a tym samym jego ruchy. Parametry uwzględniały zarówno mechaniczne niedoskonałości w szlaku przemieszczania robota, jak również zagięcia lub odkształcenia spowodowane obciążeniem. Ta kalibrowana bezwzględna dokładność maszyny mogła spowodować korektę robota z rozbieżnością w granicach od 8 do 15 mm, zmniejszając ją o około 0,5 mm.

W tym okresie większość największych producentów robotów oferowało podobnie skompensowane roboty. Jednak każdy z nich miał swój własny opatentowany proces produkcyjny - klienci z robotami innych marek zostali pozostawieni sami sobie, bez możliwości zharmonizowania procesów kalibracji oraz platform. W rezultacie niektóre firmy wprowadziły na rynek pakiety kalibracyjne dla robotów. Te moduły oprogramowań umożliwiły kalibrację robotów każdego producenta, zarówno zewnętrzną (w obszarze roboczym), jak i wewnętrzną (długości łączy, kąty skręcenia itp.). Jednym z takich programów jest moduł SA Machine opracowany przez firmę New River Kinematics. Moduł ten umożliwia również kompensację skutków różnic temperatur robota.

Na przykład, wykorzystując robota, który pozostawał w stanie bezczynności, należy uwzględnić rozszerzalność cieplną po jego nagrzaniu. Ponieważ robot stale się nagrzewa, zmiana może wynieść nawet 0.5 mm (0.020 cala) lub więcej, co znacznie wpływa na powtarzalność pomiarów. Jednak oprogramowanie kalibracyjne może obliczyć i usunąć te skutki zmiany temperatury z procesu pomiarowego, dzięki czemu wyniki cały czas będą powtarzalne (zazwyczaj w granicach 0.10 mm lub 0.004 cala 6 sigma).
Obecnie procesy te są powszechnie stosowane, i to niemal codziennie. Jednak nie oznacza to, iż nie ma już miejsca na dalszy postęp i innowacje. W ostatnim dziesięcioleciu trackery laserowe Leica znacznie zwiększyły swoją funkcjonalność. Jednym z najbardziej znaczących udoskonaleń jest możliwość przeprowadzenia pomiarów  6DoF (o sześciu stopniach swobody) przez tracker laserowy Leica. Dzięki tego rodzaju pomiarom producenci robotów mogą dokonać korekty chwytaka robota podczas cyklu kalibracyjnego z mniejszą ilością ustawień pozycji. Pomiary 6DoF otwierają przed producentami nowe możliwości. W przeszłości, wykorzystując tradycyjny tracker laserowy 3D, należało zmierzyć wiele pozycji, aby obliczyć wartość dla Tool Center Point (TCP) w przestrzeni 6D. Obecnie stosując tracker laserowy Leica AT901 do pomiarów z zachowaniem sześciu stopni swobody (6DoF), dokładną lokalizację chwytaka robota w przestrzeni 6D poznajemy już w czasie rzeczywistym.  Dzięki tej innowacji nie jest konieczna całkowita kalibracja robota - tracker może monitorować i korygować pozycję chwytaka w czasie rzeczywistym, bez potrzeby myślenia o tym, co robi robot we "wspólnej przestrzeni".
Ta zaawansowana technologia znalazła ostatnio zastosowanie w firmie Premium Aerotec (Nordenahm, Niemcy) przy automatyzacji procesu umieszczania podłużnic na kadłubie nowego Airbusa A350 XWB. Ponieważ długość podłużnic wynosiła nawet 18 metrów, określona absolutna dokładność stosowanych robotów wciąż nie wystarczała do właściwego ich umieszczenia. Zespół inżynierów mógł jedynie spełnić restrykcyjne wymagania dotyczące ich dokładności, dokonując korekty robotów w czasie rzeczywistym w oparciu o reakcję zwrotną trackera Leica Absolute Tracker AT901 z sześcioma stopniami swobody.

Automatyczne cele pomiarowe stworzone w oparciu o roboty i przenośne systemy metrologiczne nie są już postrzegane jako pieśń przyszłości. Ich liczba z roku na rok rośnie, i to w skali całego świata. Firma Hexagon Manufacturing Intelligence na całym świecie stworzyła już 60 automatycznych celi pomiarowych opartych na robotach i przenośnych systemach metrologicznych. Wskutek wdrożenia tego inteligentnego rozwiązania wielu producentów i wiele sektorów przemysłowych ma możliwość spojrzenia świeżym okiem na swoje procesy produkcyjne, koncentrując się na miejscach, gdzie automatyczne systemy do pomiaru i kontroli mogą odegrać kluczową rolę. Jesteśmy świadkami wielkich zmian. Tak tworzy się historia metrologii.