Automatizarea metrologiei este aici, acum

Roboții industriali au devenit o parte a vieții cotidiene. În 2013, Federația Internațională de Robotică (IFR) a publicat un raport conform căruia anul 2012 a înregistrat al doilea cel mai mare număr de roboți vânduți în întreaga lume în decursul unui an. Din cele 159.346 unități vândute, aproape 70% au ajuns în Statele Unite, Japonia, Germania, China și Coreea. Industria construcțiilor de mașini, industria alimentară, chimică și a produselor din mase plastice și cauciuc au înregistrat o creștere masivă a comenzilor pentru roboți, în timp ce industriile de utilaje au scăzut ușor.

IFR a raportat, de asemenea, o altă tendință interesantă pentru SUA - transportul de roboți a crescut cu 9% la un nou nivel maxim de 22.414 unități în 2012, comparativ cu anul precedent, în timp ce vânzările au crescut semnificativ în 2010 și 2011. Raportul președintelui IFR a menționat datele de piață pentru primele trei trimestre ale anului 2013 și a indicat o creștere comparativ cu aceeași perioadă a anului precedent.

Chiar dacă nu vedeți și nu folosiți acești roboți în fiecare zi, aceștia lucrează, totuși, în culise. Roboții au ajutat la construirea mașinii pe care o conduceți, a telefonului pe care îl aveți la îndemână în orice moment sau a calculatorului de care depindeți. Ar fi aproape imposibil să treacă o zi întreagă fără a intra în contact cu ceva creat folosind aceste mașini extraordinare. Progresul a fost uimitor dacă se consideră că acest nivel de automatizare a fabricilor era, până nu demult, un vis. Pe măsură ce roboții devin mai preciși și mai inteligenți, aceștia pot realiza mai multe activități, dezvoltând utilizarea lor în noi industrii și aplicații.

S-a dorit foarte mult ca aceste mașini electro-mecanice să devină mai precise încă de la introducerea roboților industriali în automatizare. În anii 1970 și 1980, roboții erau deja introduși frecvent în producția de mașini, dar erau rareori folosiți pentru producția din industria aerospațială. Nu erau suficient de preciși pentru a îndeplini sarcinile necesare. La sfârșitul anilor 1980 și începutul anilor 1990, mulți producători de roboți au început să găsească modalități pentru a rezolva această problemă.

Prin natura lor, roboții industriali sunt repetabili, dar precizia absolută este redusă. De exemplu, dacă un program instruiește un efector final al unui robot să se deplaseze 30 de inchi în direcția "Y", acesta se poate deplasa 31 de inchi și nu cei 30 de inchi doriți. Totuși, se deplasează 31 de inchi de fiecare dată. Pentru acțiunile acestora sunt repetabile, roboții pot fi compensați la un nivel de precizie absolută. Prin măsurarea unui robot într-o serie de poziții, parametrii de lungime, unghi de răsucire, puncte zero, compensare și rigiditate pot fi calculați intrinsec pentru a corecta modelul robotului.

Cel mai dificil a fost să se măsoare robotul în toate aceste poziții în diferite intervale de temperatură cu o precizie suficient de mare pentru a crea un model valabil. În acest moment, dispozitivul de deplasare pe distanțe precise și chiar pentru măsurarea unghiului era interferometrul laser. Problema interferometrelor laser era că necesitau ghidarea precisă a unui retroreflector pentru a evita întreruperea fasciculului laser. Pe măsură ce reflectorul se mișcă în linie cu fasciculul laser, sunt înregistrate direcția de deplasare și numărul vârfurilor de undă. Schimbarea exactă a distanței poate fi apoi calculată prin multiplicarea cu jumătate din lungimea de undă a laserului. Totuși, dacă procesul de numărare este întrerupt în orice moment (adică prin întreruperea fasciculului), întregul proces trebuie reluat din poziția inițială exactă a reflectorului. Această limitare a fost suficientă pentru a limita aplicarea la scară largă a interferometrelor pentru compensarea roboților. Alte soluții de început, cum ar fi triangularea laser și șirurile optice au fost cercetate și testate, dar niciuna din metode nu a oferit o metodă fezabilă pentru facilitatea și precizia necesare.

La începutul anilor 1980, câteva organizații s-au aliat în încercarea de a rezolva problema limitelor de precizie a interferometrelor laser prin diferite sisteme de "urmărire". Experți din cadrul Biroului Național de Standarde (NBS), astăzi NIST, de la Universitatea din Surrey, Anglia și FhG Karlsruhe din Germania au lucrat la proiecte bazate pe integrarea interferometrului laser într-un sistem de urmărire pentru a crea interferometrul laser de urmărire. Spre sfârșitul deceniului, societăți din SUA și Europa au început să lucreze la un concept de urmărire laser pentru aplicații industriale de măsurare, un sistem care să poată fi folosit în medii de producție din afara laboratorului. În 1990, în cadrul Târgului Comercial de la Chicago, a fost lansat sistemul de urmărire laser Leica Geosystems Smart 310, un sistem care putea fi folosit în medii de producție din afara laboratorului.

La începutul și spre mijlocul anilor 1990, sistemele de urmărire laser Leica au pătruns și în domeniul calibrării roboților. Programele de calibrare au fost dezvoltate pentru a instrui roboții să se deplaseze în punctele de coordonate din zona de lucru, apoi să înregistreze pozițiile efective măsurate de sistem. Prin compararea poziției teoretice și a celei efective, programul putea crea o serie de parametri de compensare care să corecteze poziția robotului și, astfel, mișcările acestuia. Parametrii luau în considerare imperfecțiunile mecanice din modelul de deplasare și îndoirea sau deformarea cauzate de sarcină. Acest tip de calibrare cu precizie absolută putea corecta un robot cu o variație de 8 până la 15 mm până la aproximativ 0,5 mm.

Majoritatea marilor producători de roboți au oferit în această perioadă roboți compensați similar. Totuși, fiecare producător a avut propriul proces, iar clienții diferiților producători de tipuri diferite de roboți au rămas fără o modalitate de armonizare a proceselor și platformelor de calibrare. Dilema a determinat mai multe societăți să ofere pachete de calibrare a roboților pentru aceste situații. Aceste module software permit roboților diferiților producători să fie calibrați extrinsec (în spațiul de lucru) și intrinsec (lungime, unghi de răsucire etc.). Un exemplu de astfel de program este modulul SA Machine dezvoltat de New River Kinematics. Acesta compensează inclusiv efectele variației termice la care este supus robotul.

De exemplu, când se folosește un robot care a fost în așteptare, acesta se dilată fizic și se încălzește din cauza expansiunii termice a legăturilor sale. Pe măsură ce robotul continuă să se încălzească, modificarea poate atinge 0,05 mm (0,020 inchi) sau mai mult, ceea ce poate afecta semnificativ repetabilitatea măsurătorilor. Totuși, programul de calibrare poate calcula și elimina aceste efecte termice din măsurători, astfel încât acestea sunt repetabile în mod consistent (în mod specific, în intervalul 0,10 mm sau 0,004 inchi 6 sigma).

Astăzi, aceste procese sunt bine implementate și folosite aproape zilnic. Dar acest lucru nu înseamnă că nu pot apărea și alte îmbunătățiri. În ultimul deceniu, sistemele de urmărire Leica și-au îmbunătățit foarte mult funcționalitatea. Una din cele mai importante îmbunătățiri este capacitatea sistemului de urmărire Leica de a măsura cu o libertate completă de șase grade sau 6DoF. Această capacitate permite producătorilor de roboți să corecteze efectorul final în timpul ciclului de calibrare cu mai puține poziții, dar deschide și noi posibilități. În trecut, folosirea unui sistem de urmărire laser 3D tradițional implica măsurarea multor poziții pentru calcularea punctului central al instrumentului (TCP) într-un spațiu 6D. Astăzi, prin folosirea sistemului de urmărire 6DoF AT901, este posibil să se afle poziția exactă a efectorului final în spațiu 6D în timp real. Inovația elimină complet nevoia de calibrare a robotului, deoarece sistemul de urmărire poate monitoriza și corecta poziția efectorului final în timp real, fără griji privind acțiunea robotului în "spațiul adiacent."

Această tehnologie avansată a fost aplicată recent la Premium Aerotec (Nordenahm, Germania) pentru automatizarea procesului de instalare a lonjeroanelor la fuzelajul noilor Airbus A350 XWB. Pentru că lonjeroanele aveau până la 18 metri lungime, precizia absolută specificată a roboților folosiți nu era suficientă pentru amplasarea corectă a acestora. Echipa a putut să satisfacă cerințele stricte de precizie numai prin corectarea roboților în timp real folosind răspunsul sistemului de urmărire laser 6DoF Absolute.
Celulele automate bazate pe roboți și sistemele mobile de măsurare nu mai sunt văzute ca elemente futuriste, aceste implementări dezvoltându-se semnificativ la scară internațională. În întreaga lume, Hexagon Metrology a implementat mai mult de 60 de celule automate bazate pe roboți și sisteme mobile de măsurare. Rezultatul acestei inteligențe este acela că o varietate de producători și industrii analizează procesele cu alți ochi, privind spre zone în care automatizarea proceselor de măsurare și inspecție poate juca un rol vital. În mijlocul acestei schimbări de paradigmă, istoria producției se schimbă sub ochii noștri.