Metroloji Otomasyonu, Hemen ve Şimdi

Endüstriyel robotlar günlük hayatımızın ayrılmaz bir parçası haline geldi. Uluslararası Robotik Federasyonunun (IFR) yayınladığı 2013 raporuna göre, 2012 yılında bir yıllık dönem için tüm dünyada ikinci en çok satılan robot sayısına ulaşılmıştır. Satılan 159.346 adet ünitenin %70’i ABD, Japonya, Almanya, Çin ve Kore’ye satıldı. Otomotiv, gıda, kimya, kauçuk ve plastik endüstrilerinde robot siparişlerinde bir artış görülmüştür, metal ve makine endüstrilerinde ise hafif bir düşüş olmuştur.

IFR ayrıca ABD'de bir başka ilginç eğilimi bildirdi; 2012 yılında önceki yıla kıyasla robot sevkiyatları tekrar % olarak yeni zirve sayısı olan 22.414 üniteye çıktı, satışlar 2010 ve 2011'de zaten ciddi bir artış göstermişti. IFR Başkanının Raporuna göre 2013'ün ilk üç çeyreğinin piyasa verilerinde geçen yıl aynı döneme kıyasla daha fazla artış görülmüştür.

Bu robotları günlük olarak kullanmasanız ya da bunları görmeseniz de yine de arka planda çalıştıklarını bilirsiniz. Onlar sürdüğünüz arabanın, sürekli erişebildiğiniz telefonunuzun ve güvendiğiniz bilgisayarın üretimine yardımcı olmuştur. Bu mükemmel makineleri kullanarak yaratılan bir şey görmeden bir gün geçirmemiz neredeyse imkânsız hale gelmiştir. Bu düzeyde fabrika otomasyonunun kısa bir süre önce boş bir hayal olduğunu düşündüğümüzde, bu inanılmazdır. Robotlar daha hassas ve akıllı hale geldikçe, daha fazla işi yapabilmeye başladılar ve böylece kullanım alanları yeni sektör ve uygulamalara daha çok yayılmaya başladı.

Fabrika otomasyonu için endüstriyel robotların sunulmasından bu yana bu elektro-mekanik makineleri daha hassas yapmak için tükenmeyen bir istek vardır. 1970'ler ve 80'lerde robotlar otomotiv üretimine yaygın bir şekilde entegre edilmiştir, ama uzay ve havacılık endüstrisi üretiminde çok seyrek kullanılmıştır. İstenen görevleri başarmak için yeterince hassas değillerdi. 80'lerin sonunda ve 90'ların başında, robot üreticilerinin çoğu bu sorunu çözmenin yollarını aramaya başladılar.

Doğası gereği endüstriyel robotlar oldukça tekrar edilebilirdir, ancak doğruluk oranları çok zayıftır. Örneğin, bir program bir robotun son efektörünün "Y" yönünde 30 inç ilerlemesi talimatını verdiğinde, istendiği gibi 30 inç yerine 31 inç ilerleyebiliyordu. Ancak, her seferinde aynı şekilde 31 inç ilerliyordu. Eylemleri tekrar edilebilir olduğundan dolayı, robotlar kesin doğruluk seviyesine getirilebilir. Robot belli bir sayıdaki duruşta ölçülerek bağlantı uzunlukları, bükülme açıları, sıfır bağlantı yerleri, bağlantı ofsetleri ve sertlik parametreleri doğru robot modelini sağlamak için hesaplanabilir.

Esas zorluk, robotun değişken sıcaklık aralıklarında ve tüm bu duruşlarda buna değecek bir model oluşturmak için yeterince yüksek doğrulukla nasıl ölçüleceğiydi. O zamanlar, hassas mesafeler ve hatta açısal ölçümler için "alınacak" cihaz, lazer enterferometreydi. Lazer enterferometrelerdeki sorun, lazer ışını kesintisinden kaçınmak için retroreflektörün hassas kılavuzluğunu gerektirmesiydi. Reflektör lazer ışınıyla birlikte hareket ederken, hareket yönü ve dalga zirvelerinin sayısı kaydedilir. Mesafedeki kesin değişim, lazerin dalga boyunun yarısıyla çarpılarak hesaplanabilir. Ancak, eğer bu sayım süreci herhangi bir anda kesintiye uğrarsa (yani ışının kesintiye uğraması), tüm sürecin baştan ve tam ilk reflektör konumundan başlaması gerekliydi. Bu sınırlama tek başına lazer interferometrelerin, robot kompanzasyonu için yaygın olarak uygulanmasını engellemeye yetiyordu. Lazer üçgenleştirme ve optik dizi çanakları gibi eski çözümler araştırılmış ve test edilmişse de, hiçbir şey gereken kullanım kolaylığını ve doğruluğunu makul bir şekilde sunamadı.

1980'lerin başında, lazer  enterferometrenin hassasiyet kılavuzluğu sınırlamalarını çeşitli "izleme" sistemleriyle çözmeye çalışmak için bir grup kuruluş bir araya geldi. Artık NIST olan Ulusal Standartlar Ofisi (NBS), İngiltere Surrey Üniversitesi ve Almanya FhG Karlsruhe'den uzmanlar, bir lazer tarayıcı enterferometre oluşturmak için lazer enterferometreyi bir tarayıcı sistemiyle entegre etmeye dayanan projeler üzerinde çalıştılar. 1980'lerin sonuna doğru ABD ve Avrupa'daki firmalar, endüstriyel ölçüm uygulamaları için laboratuvar dışındaki bir üretim ortamında kullanılabilecek bir sistem olan lazer tarayıcı kavramı üzerinde çalışmaya başladılar. 1990'da Leica Geosystems, laboratuvar dışındaki bir üretim ortamında kullanılabilecek bir tarayıcı olan Smart 310 lazer tarayıcıyı Chicago'daki 1990 Quality fuarında dünyaya tanıtmıştır.

90'ların başından ortalarında kadar, Leica lazer tarayıcılar robot kalibrasyonunda yer almaya başladı. Kalibrasyon yazılımı, bir robotun çalışma alanında koordinasyonlu olarak hareket etmesine ve sonrasında tarayıcı tarafından ölçümlenen gerçek pozisyonları kaydetmesine olanak sağlar. Yazılım, teorik ve gerçek pozisyonları karşılaştırarak, robotun konumlandırmasını ve dolayısıyla hareketlerini düzelten kompanzasyon parametreleri oluşturabilir. Parametreler, hem hareket kalıplarındaki mekanik kusurları hem de yüklerin aşağıya doğru yol açtığı bükülme veya bozulmaları hesaba katacaktır. Bu tam doğruluk kalibrasyonu 8 ila 15 mm varyasyonlu bir robotu 0,5 mm’ye kadar düzeltebiliyordu.

Çoğu büyük robot üreticileri bu dönemde benzer şekilde kompanse edilmiş robotlar sunmuştur. Ancak her üreticinin kendine ait farklı bir süreci vardı ve müşteriler, kalibrasyon süreçleri ve platformlarını uyumlaştırma yolu olmadan farklı üreticilerin robot tipleriyle karşı karşıya kaldılar. Bu çelişki, bu durumlar için robot kalibrasyonu paketleri sunan çeşitli firmaların olmasına yol açtı. Bu yazılım modülleri her üreticinin robotunun hem harici olarak (çalışma alanında yer alan) hem de kendiliğinden (bağlantı uzunlukları, bükülme açıları, vs.) kalibre edilmesini sağlar. Bu tür yazılımın bir örneği de New River Kinematics tarafından geliştirilen SA Machine modülüdür. Ayrıca robotun üzerindeki ısıl varyasyonun etkilerini kompanse eder.

Örneğin, boş oturan bir robotu kullandığınızda, bağlantılarının ısıl genleşmesinden dolayı ısındığı için fiziksel olarak genleşecektir. Robot ısınmaya devam ettikçe, değişiklik 0,5 mm (0,020 inç) kadar olabilir ki bu da ölçümlerin tekrar edilebilirliğini büyük oranda etkileyebilir. Ancak, kalibrasyon yazılımı bu ısıl etkileri hesaplayabilir ve ölçümlerden çıkarabilir; böylece etkiler devamlı olarak tekrar edilebilir olmaktadır (tipik olarak 0,10 mm veya 0,004 inç 6 sigma aralığında).

Günümüzde, bu süreçler iyice yapılandırılmıştır ve neredeyse her gün kullanılmaktadır. Ama bu, daha fazla geliştirme için yer olmadığı anlamına gelmez. Son on yıl içince, Leica lazer tarayıcılar işlevsellik açısından büyük ölçüde gelişmiştir. Gerçekleştirilen en önemli gelişmelerden birisi Leica lazer tarayıcısının tam Altı Serbestlik Derecesi içinde ölçebilmesidir. Bu beceri, robot üreticilerinin kalibrasyon çevrimi sırasında bir robotun son efektörünün daha az pozla düzeltilmesini sağladı ve yeni imkanların ortaya çıkmasına imkan verdi. Geçmişte geleneksel 3B lazer tarayıcılar kullanılırken 6B uzayda takım merkezi noktasını hesaplamak için çeşitli pozisyonların ölçülmesi gerekiyordu. Şimdi 6DoF lazer tarayıcı AT901'i kullanarak uç efektörün 6B uzaydaki tam konumunu gerçek zamanlı olarak bilmek mümkündür. Bu inovasyon, tarayıcı son efektörün konumunu robotun "ortak uzayda" ne yaptığı konusunda endişelenmek zorunda kalmadan gerçek zamanlı olarak izleyebildiği ve düzeltebildiği için, robot kalibrasyonunu tamamen ortadan kaldırmıştır

Bu gelişmiş teknoloji son olarak Premium Aerotec'te (Nordenham, Almanya) yeni Airbus A350 XWB'nin uçak iskeleti bölümündeki kirişleri yerleştirme sürecini otomatikleştirmek için uygulamıştır. Kirişler 18 metreye kadar uzunlukta olduğu için, kullanılan robotların belirtilen tam doğruluğu hala onları doğru şekilde yerleştirmeye yeterli değildi. Ekip, 6DoF Absolute lazer tarayıcıdan gelen geribildirime göre robotları gerçek zamanlı olarak düzelterek, zorlu doğruluk gerekliliklerini karşılayabiliyordu.

Robotlara ve mobil ölçüm sistemlerine bağlı otomatikleştirilmiş hücreler artık fütüristik bir rüya değildir ve bu uygulamalar dünya çapında ciddi şekilde artmıştır. Hexagon Manufacturing Intelligence robotlara ve mobil ölçüm sistemlerine dayalı 60'tan fazla otomatikleştirilmiş hücre uygulamıştır. Bu zekanın sonucu olarak, çeşitli üreticiler ve endüstriler, kendi süreçlerine yeniden bakıyor ve dikkatlerini, ölçüm ve denetim otomasyonunun çok önemli rol oynayacağı alanlara çeviriyor. Bu paradigma değişikliğinin ortasında, üretimin tarihi gözlerimizin önünde değişmektedir.