Automatiserad mätteknik är här och nu

Industrirobotar har blivit en del av vårt vardagsliv. Enligt en rapport från 2013 som utgavs av International Federation of Robotics (IFR) var 2012 året då det största antalet robotar såldes under ett år i hela världen. Av de 159 346 enheterna som såldes gick nästan 70 % till USA, Japan, Tyskland, Kina och Korea. Det beställdes ett ökat antal robotar från fordonsindustrin, livsmedelsindustrin, kemisk industri samt gummi- och plastindustrin, medan det beställdes något färre robotar till metall- och bearbetningsindustrin.

IFR rapporterade dessutom en annan intressant trend från USA—robotleveranserna ökade igen med 9 % till en ny högsta nivå på 22 414 enheter 2012 jämfört med föregående år, medan försäljningen redan hade ökat avsevärt under 2010 och 2011. VD-rapporten från IFR med marknadsdata för de första tre kvartalen 2013 visade en ytterligare ökning i jämförelse med samma period föregående år.

Även om du inte ser eller arbetar med dessa robotar dagligen, arbetar de hela tiden bakom kulisserna. De hjälpte till att bygga bilen som du kör, mobilen som du hela tiden har inom räckhåll och datorn som du är beroende av. Det går knappast en dag utan att du kommer i kontakt med någonting som har skapats av dessa fantastiska maskiner. Det har gjorts häpnadsväckande framsteg med tanke på ett den här nivån av fabriksautomatisering var en avlägsen dröm för bara några år sedan. Robotarna blir allt mer noggranna och intelligenta och ju mer uppgifter de kan utföra desto större blir deras användningsområde, de används hela tiden i nya industrier och applikationer.

Det finns en stark längtan efter att göra elektro-mekaniska maskiner ännu mer noggranna sedan industrirobotar började användas inom fabriksautomatisering. Under 1970- och 80-talet integrerades robotar inom fordonstilllverkningen, men de användes sällan inom flyg- och rymdindustrin. De var helt enkelt inte noggranna nog för att kunna utföra de erforderliga uppgifterna. I slutet av 1980- och 90-talet, började många robottillverkare att leta efter sätt att ta itu med problemet.

Industrirobotarna hade hög repeterbarhet, men deras noggrannhet var bristfällig. Om ett program instruerade en robots verktyg att flytta 30 tum i Y-riktningen, kunde det flyttas 31 tum snarare än de 30 tum som angavs. Men den flyttades 31 tum varje gång. Eftersom deras handlingar var repeterbara, kunde robotarna kompenseras så att de uppnådde en hög noggrannhet. Genom att mäta roboten i en rad ställningar, kunde parametrarna för länkarnas längder, vridningsvinklar, ledernas nollägen, länkförskjutning och stelhet beräknas internt för att korrigera robotmodellen.

Det största problemet var att mäta roboten i alla ställningar i olika omgivningstemperaturer med tillräckligt hög noggrannhet för att skapa en användbar modell. Vid den här tiden var favoritverktyget för precisionsdistanser och till och med vinkelmätning en interferometer med laser. Problemet med interferometrar med laser var att de krävde exakt styrning av en retroreflektor för att undvika att laserstrålen bröts. När reflektorn flyttades i linje med laserstrålen, registrerar rörelsens riktning och en beräkning av vågornas höjdpunkter utförs. Den exakta distansförändringen kan beräknas genom att multiplicera med halva våglängden på lasern. Men om beräkningsprocessen avbryts vid något tillfälle (t.ex. genom att strålen bryts), måste processen startas om från början och från reflektorns exakta startposition. Denna begränsning var nog för att förhindra att

interferometrarna med laser användes för robotkompensation i stor utsträckning. Andra lösningar som lasertriangulering och optiska strängpotentiometrar utforskades, men de kunde inte uppnå den erforderliga användarvänligheten och noggrannheten.

Under tidigt 1980-tal samarbetade ett antal organisationer för att lösa problemet med laserinterferometerns begränsade precisionsstyrning med olika trackingsystem. Experterna från National Bureau of Standards (NBS), numera NIST, University of Surrey i England och FhG Karlsruhe i Tyskland arbetade på projekt baserade på att integrera en laserinterferometer med ett trackingsystem för att skapa en interferometer med lasertracking. Mot slutet av årtiondet började företag i USA och Europa arbeta på att skapa en lasertracker för industriella mätningsapplikationer, ett system som kunde användas i en produktionsmiljö utanför laboratoriet. 1990 introducerades lasertrackern Leica Geosystems Smart 310 , en tracker som kan användas i en produktionsmiljö utanför laboratoriet för hela världen på kvalitetsmässan i Chicago 1990.

I början på 1990-talet började lasertrackers från Leica att bli en del av robotkalibreringen. Programvara för kalibrering utvecklades för att instruera en robot att flytta till koordinatpositioner i arbetsområdet och sedan registrera den faktiska positionen som mäts av trackern. Genom att jämföra de teoretiska och faktiska positioner kunde programvaran skapa en uppsättning med kompensationsparametrar som korrigerar robotens uppriktning och därmed dess rörelser. Parametrarna tog hänsyn till de mekaniska bristerna i rörelsemönstret och nedåtriktad böjning eller distortion på grund av lasterna. Kalibreringsproceduren för absolut precision korrigerade en robot med en variation på mellan 8 och 15 mm, med bara 0,5 mm.

De flesta stora robottillverkarna erbjuder robotar med liknande kompensation under den här perioden. Men alla tillverkare hade sin egna procedurer och kunder med robottyper från olika tillverkare saknade ett sätt att harmoniera kalibreringsproceduren och -plattformarna. Det innebar att ett stort antal företag erbjöd kalibreringspaket för sådana situationer. Programvarumodulerna gjorde att robotar från alla tillverkare kunde kalibreras externt (i arbetsmiljön) och internt (som länklängder och vridningsvinklar). Ett exempel på sådan programvara är SA Machine-modulen som utvecklats av New River Kinematics. Det kompenserar även för effekterna som temperaturförändringar har på roboten.

När du exempelvis har en robot som har varit ur drift kommer den att utvidgas fysiskt när länkarna expanderar på grund av värmen. När roboten värms upp ytterligare, kan förändringarna bli upp till 0,5 mm eller mer och det kan ha en avsevärd påverkan på mätningarnas repeterbarhet. Men kalibreringsprogramvaran kan beräkna och subtrahera värmens effekt från måtten så att de är konsekvent repeterbara (oftast inom 0,10 mm, 6 sigma).

Nuförtiden är de här processerna väletablerade och används dagligen. Men det innebär inte att det inte finns utrymme för förbättringar. Under det senaste årtiondet, har funktionen hos lasertrackers från Leica förbättrats avsevärt. En av de viktigaste förbättringarna är att lasertrackers från Leica har kapacitet att mäta inom hela sex grader av frihet, eller 6DoF. Denna funktion gör att robottillverkare kan korrigera robotens verktyg under en kalibreringscykel med färre ställningar, men den innebär också nya möjligheter. Tidigare när en traditionell 3D-lasertracker användes, behövde fler ställningar mätas för att beräkna verktygets mittpunkt (TCP) i 6D-rymd. Genom att använda lasertracker AT901 med 6DoF går det att veta den exakta positionen för verktyget i 6D-rymden i realtid. Den här innovationen eliminerar behovet av robotkalibrering fullständigt eftersom trackern kan övervaka och korrigera verktygets position i realtid utan att oroa sig för vad robotens ”ledutrymme”.

Denna avancerade teknik tillämpades nyligen av Premium Aerotec (Nordenahm, Tyskland) för att automatisera processen vid placering av stringers för flygkroppen i nya Airbus A350 XWB. Men eftersom dessa stringers var upp till 18 meter långa, var den angivna absoluta noggrannheten för de använda robotarna fortfarande inte tillräcklig för att placera dem korrekt. Teamet kunde inte uppfylla kraven på noggrannheten genom att korrigera robotarna i realtid utifrån återkopplingen från lasertracker 6DoF Absolute.

Automatiserade celler som består av robotar och mobila mätsystem betraktas inte längre som en framtidsvision, det är en implementering som har blivit allt mer utbredd. Hexagon Metrology har implementerat över 60 automatiserade celler med robotar och mobila mätsystem. Resultatet av denna intelligens är att många tillverkare och industrier undersöker sina processer med nya ögon. De riktar in sig på områden där automatisering av mätning och kontroll kan vara av avgörande betydelse. Vi befinner oss mitt i ett paradigmskifte och historia skapas mitt framför våra ögon.