Μεγάλα Εξαρτήματα, Αυστηρές Ανοχές: Διαστασιακή Επιθεώρηση από 500 έως 2000 mm

Επισκόπηση

Τα μεγάλα εξαρτήματα παραβιάζουν τις υποθέσεις που βασίζεται η επιθεώρηση μικρών εξαρτημάτων. Ένας συγκρατητής 500 χιλιοστών και ένα πλαίσιο 2000 χιλιοστών ακολουθούν την ίδια τεχνική σχεδίαση, αλλά διαφέρουν ως προς τη φυσική: το πεδίο οράσεως αυξάνεται ταχύτερα από την ανάλυση, το στήριγμα παραμορφώνεται υπό το βάρος του εξαρτήματος, και η θερμοκρασία του χώρου γίνεται μεταβλητή μέτρησης.

Η Big Bird Industrial (πρώην Shimada Big Bird Industrial) παρέχει συστήματα διαστασιακής επιθεώρησης για δομές οχημάτων και συστήματα κινήσεως από το 2001. Αυτό το άρθρο αναφέρεται στους τέσσερις περιορισμούς που διέπουν την επιθεώρηση μεγάλων εξαρτημάτων — το πεδίο οράσεως, τη συρραφή (stitching), τη θερμική συμπεριφορά και τη σταθερότητα του σημείου αναφοράς (datum) — και στο πώς ο καθένας από αυτούς επηρεάζει την επιλογή του υλικού εξοπλισμού.

Η πρακτική συνέπεια είναι ότι τα συστήματα επιθεώρησης μεγάλων εξαρτημάτων δεν είναι ποτέ απλώς μια κλιμακωτή εκδοχή ενός κελιού επιθεώρησης μικρών εξαρτημάτων. Αποτελούν μια διαφορετική αρχιτεκτονική, συνήθως έναν υβριδικό συνδυασμό φωτογραμμετρίας, δομημένου φωτός και αισθητήρων επαφής (probing).

1. Πεδίο οράσεως έναντι ανάλυσης

Μία μόνο κάμερα που καλύπτει δύο μέτρα έχει ανάλυση που μετριέται σε κλάσματα χιλιοστού ανά pixel, το πολύ. Αν η ανοχή είναι ±0,2 χιλιοστά, αυτή η ανάλυση είναι οριακή· αν η ανοχή είναι ±0,05 χιλιοστά, είναι αχρηστευμένη.

Η αριθμητική είναι ανελέητη: τα pixels ανά χιλιοστό κλιμακώνονται γραμμικά με το πλάτος του αισθητήρα και αντιστρόφως με το πλάτος του πεδίου. Η κάλυψη τετραπλάσιου πλάτους με τον ίδιο αισθητήρα μειώνει την ανάλυση στο ένα τέταρτο. Δεν υπάρχει οπτικό «κόλπο» που να ξεπερνά αυτό, γι’ αυτό τα συστήματα για μεγάλα εξαρτήματα μετακινούν την κάμερα, μετακινούν το εξάρτημα ή χρησιμοποιούν πολλαπλές κάμερες.

Η μετακίνηση της κάμερας είναι η πιο συνηθισμένη λύση, αλλά και αυτή που εισάγει τα περισσότερα σφάλματα, επειδή κάθε κίνηση πρέπει να μετρηθεί ή να βαθμονομηθεί. Η μετακίνηση του εξαρτήματος είναι συχνά χειρότερη: ένα πλαίσιο δύο μέτρων είναι βαρύ, και κάθε περιστροφή εισάγει ένα νέο σφάλμα ρύθμισης.

2. Η σύνθεση είναι μία μέτρηση, όχι μία συνένωση

Όταν πολλές εικόνες συνδυάζονται σε ένα κοινό σύστημα συντεταγμένων, το αποτέλεσμα είναι τόσο καλό όσο και η ευθυγράμμισή τους. Δύο προσεγγίσεις κυριαρχούν.

Μηχανική αναφορά

Η κάμερα βρίσκεται σε βαθμονομημένη πλατφόρμα και η θέση της είναι γνωστή από τους κωδικοποιητές. Η ακρίβεια εξαρτάται από την πλατφόρμα, από την ευθύτητά της και από τη θερμική της σταθερότητα. Είναι προβλέψιμη και ελέγξιμη, αλλά ακριβής για μεγάλες μετατοπίσεις.

Φωτογραμμετρική αναφορά

Κωδικοποιημένοι στόχοι τοποθετούνται στο αντικείμενο ή γύρω του, και η θέση της κάμερας υπολογίζεται από αυτούς. Η ακρίβεια εξαρτάται από την κατανομή των στόχων και από τον αριθμό των προβολών, και επιδεινώνεται στο κέντρο ενός μεγάλου πεδίου στόχων εάν η γεωμετρία είναι ασθενής.

Και οι δύο μέθοδοι απαιτούν ένα αντικείμενο αναφοράς για επαλήθευση. Ένα αντικείμενο αναφοράς δύο μέτρων αποτελεί αυτό καθεαυτό ένα μετρολογικό έργο: πρέπει να είναι σταθερό, βαθμονομημένο και να αποθηκεύεται σε κάποιο χώρο όπου δεν μετακινείται μεταξύ των χρήσεών του.

3. Η θερμοκρασία αποτελεί μέρος της μέτρησης

Ο χάλυβας διαστέλλεται κατά προσέγγιση έντεκα μέρη ανά εκατομμύριο ανά βαθμό. Σε ένα εξάρτημα δύο μέτρων, μια αλλαγή πέντε βαθμών μετακινεί μια λεπτομέρεια κατά περίπου ένα δέκατο του χιλιοστού — της ίδιας τάξης μεγέθους με την ανοχή. Στο αλουμίνιο, ο αριθμός είναι περίπου διπλάσιος.

Γι’ αυτό τα δωμάτια ελέγχου μεγάλων εξαρτημάτων είναι ρυθμιζόμενα ως προς τη θερμοκρασία και γι’ αυτό το εξάρτημα επιτρέπεται να εκτεθεί στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος πριν από τη μέτρηση. Ένα εξάρτημα που μετράται αμέσως μετά την κατεργασία του φέρει ένα θερμικό βαθμίδιο, και αυτό το βαθμίδιο παραμορφώνει τόσο τη γεωμετρία όσο και την κλίμακα.

Η πραγματιστική προσέγγιση είναι να καταγράφεται η θερμοκρασία του εξαρτήματος κατά τη μέτρηση και να εφαρμόζεται ένα μοντέλο διόρθωσης όταν είναι γνωστό το υλικό. Χωρίς αυτήν την καταγραφή, μια παρέκκλιση στα αποτελέσματα δεν μπορεί να διαχωριστεί από μια παρέκκλιση στη θερμοκρασία του δωματίου.

4. Το πρόστημα παραμορφώνεται υπερβολικά

Ένα μεγάλο μέρος ενός αντικειμένου φορτώνει τον αντίστοιχο σταθεροποιητή. Οι χαλύβδινες κατασκευές κάμπτονται υπό το δικό τους βάρος, και ένας σταθεροποιητής που έχει σχεδιαστεί για ακαμψία στα σημεία στήριξης μπορεί να παρουσιάζει παρόλα αυτά κάμψη στο κέντρο. Το αναφορικό σημείο (datum) μετακινείται μαζί με την κάμψη, και η μέτρηση αναφέρει ένα μέρος που βρίσκεται εντός των ορίων ανοχής σε σχέση με ένα αναφορικό σημείο το οποίο δεν βρίσκεται εκεί όπου υποθέτει το σχέδιο.

Υπάρχουν τρεις τεχνικές που βοηθούν. Στηρίζετε το μέρος στα σημεία που καθορίζει το σχέδιο, τα οποία συχνά είναι τρία σημεία συν δύο, αντί για σημεία που είναι απλώς βολικά. Μετράτε τον σταθεροποιητή με το μέρος αφαιρεμένο, σε καθορισμένα χρονικά διαστήματα, ώστε η κάμψη να είναι γνωστή ποσότητα. Και προτιμάτε μια μέθοδο σάρωσης που καταγράφει ολόκληρη την επιφάνεια αντί για ένα σύνολο διακριτών σημείων, επειδή τα δεδομένα ολόκληρης της επιφάνειας δείχνουν απευθείας το μοτίβο της κάμψης.

5. Επιλογή της τεχνολογίας

Οι τρεις κατηγορίες τεχνολογιών που έχουν σημασία για μεγάλα μέρη διαθέτουν διαφορετικά πλεονεκτήματα, και οι περισσότερες πραγματικές εγκαταστάσεις τις συνδυάζουν.

Μία κοινή αρχιτεκτονική χρησιμοποιεί φωτογραμμετρία για την εγκαθίδρυση του καθολικού συστήματος συντεταγμένων, δομημένο φως για τις επιφάνειες που απαιτούν δεδομένα μορφής και περιστασιακούς απτικούς ελέγχους ως αναφορά. Ο συνδυασμός είναι πιο ακριβής από οποιαδήποτε μεμονωμένη μέθοδο και ευκολότερο να υποστηριχθεί κατά τη διάρκεια ενός ελέγχου.

6. Χρόνος κύκλου και εφικτότητα εντός γραμμής

Η επιθεώρηση μεγάλων εξαρτημάτων γίνεται συχνά εκτός γραμμής, επειδή η μέτρηση είναι αργή και τα εξαρτήματα είναι λίγα ανά ώρα. Αυτή είναι μία απόφαση σχεδιασμού, όχι νόμος: μία σταθμός εντός γραμμής μπορεί να λειτουργήσει, εάν ο αριθμός των χαρακτηριστικών είναι μικρός και ο διαθέσιμος χρόνος κύκλου είναι επαρκής.

Ο κανόνας απόφασης είναι να συγκριθεί ο χρόνος επιθεώρησης με τον takt. Εάν η επιθεώρηση διαρκεί περισσότερο από τον takt, ο σταθμός δεν μπορεί να είναι εντός γραμμής χωρίς παράλληλες λωρίδες, και οι παράλληλες λωρίδες αυξάνουν το κόστος ταχύτερα από ό,τι αυξάνουν την παραγωγικότητα.

7. Επαλήθευση και παρέκκλιση

Ένα σύστημα για μεγάλα αντικείμενα παρεκκλίνει για λόγους που ένα μικρό κελί δεν αντιμετωπίζει ποτέ: η θερμοκρασία του χώρου αλλάζει, το ίδιο το αντικείμενο μετακινείται και η στάδιο μετακίνησης φθείρεται σε μέτρα αντί για χιλιοστά. Η επαλήθευση πρέπει να προγραμματίζεται με βάση αυτές τις χρονικές σταθερές, όχι με βάση μια γενική μηνιαία προδιαγραφή.

Το εφαρμόσιμο πρότυπο περιλαμβάνει μια σύντομη καθημερινή ελέγχου ενός σταθερού αντικειμένου, μια πληρέστερη εβδομαδιαία ελέγχου ενός αναφοράς εξαρτήματος και μια ετήσια επαναβαθμονόμηση που περιλαμβάνει τη γεωμετρία της βάσης. Ο καθημερινός έλεγχος εντοπίζει μια κάμερα που έχει μετακινηθεί κατά λάθος· ο ετήσιος έλεγχος εντοπίζει μια σταδιακή απώλεια ορθογωνιότητας που δεν θα φαινόταν με μία μόνο μέτρηση εξαρτήματος.

Η καταγραφή των αποτελεσμάτων του ελέγχου ως τάσης μετατρέπει την επαλήθευση σε πρόβλεψη. Ένας αριθμός επαναληψιμότητας που αυξάνεται σταδιακά από είκοσι σε σαράντα μικρόμετρα εντός έξι μηνών αποτελεί σήμα συντήρησης πολύ πριν μετατραπεί σε απόρριψη.

8. Ρομπότ, Γκαντρί ή Σταθερή Διάταξη

Τρεις μηχανισμοί μετακινούν έναν αισθητήρα πάνω σε ένα μεγάλο εξάρτημα, και η επιλογή βασίζεται κυρίως στο μοτίβο κάλυψης. Ένα ρομπότ είναι ευέλικτο εντός της εμβέλειάς του και χρειάζεται ράγα για να υπερβεί αυτήν. Ένα γκαντρί καλύπτει προβλέψιμα ορθογώνιο όγκο και είναι βαρύ. Μια σταθερή διάταξη με πολλές κάμερες δεν έχει κινούμενα μέρη και κανένα δυναμικό σφάλμα, με το κόστος όμως εξοπλισμού ανά προοπτική.

Για εξαρτήματα που είναι μεγάλα σε μία διάσταση, ένα ρομπότ με μοντάρισμα σε ράγα είναι συνήθως η καλύτερη συμβιβαστική λύση: η ράγα παρέχει τη μετατόπιση, ενώ η βραχίονας παρέχει τις γωνίες. Για εξαρτήματα που είναι μεγάλα σε δύο διαστάσεις, ένα γερανογεφύρωμα (gantry) ή μια σταθερή διάταξη κλιμακώνεται καλύτερα.

Όποια λύση και αν επιλεγεί, η βαθμονόμηση πρέπει να καλύπτει ολόκληρο το μηχανισμό, όχι μόνο την κάμερα. Ένα ρομπότ που είναι ακριβές σε δέκατο του χιλιοστού στον καρπό του δεν είναι επίσης ακριβές σε δέκατο του χιλιοστού στο άκρο ενός εξαρτήματος δύο μέτρων, εκτός και αν το κινηματικό μοντέλο έχει επαληθευτεί με βάση ένα αντικείμενο αναφοράς (artefact) σε εκείνη την απόσταση.

Συχνές Ερωτήσεις

Μπορεί ένα εξάρτημα των 2000 mm να μετρηθεί με ακρίβεια 0,1 mm εντός της γραμμής παραγωγής;

Ναι, για έναν μικρό αριθμό χαρακτηριστικών, με σταθερή διάταξη καμερών και σταθερή διάταξη στήριξης (fixture). Η ακρίβεια προέρχεται από τη διάταξη και τη βαθμονόμηση, όχι από τον αισθητήρα μόνο.

Πρέπει οι στόχοι (targets) να προσαρτώνται στο εξάρτημα;

Είτε στο εξάρτημα είτε στη διάταξη στήριξης (fixture), ανάλογα με τη μέθοδο. Οι στόχοι στη διάταξη στήριξης είναι ευκολότερο να διαχειριστούν, αλλά δεν καταγράφουν την παραμόρφωση του εξαρτήματος· οι στόχοι στο εξάρτημα καταγράφουν την παραμόρφωση, αλλά προσθέτουν επιπλέον εργασία χειρισμού.

Πόσο συχνά χρειάζεται επαναβαθμονόμηση ένα μεγάλο αρθρωτό αντικείμενο;

Σύμφωνα με ένα πρόγραμμα που καθορίζεται από τις απαιτήσεις ακρίβειας και από τη συχνότητα μετακίνησής του. Ένα αρθρωτό αντικείμενο που αποθηκεύεται και δεν μετακινείται ποτέ παρουσιάζει αργή παρέκκλιση· εκείνο που μεταφέρεται απαιτεί επαλήθευση πριν από κάθε χρήση.

Είναι αξιόπιστη η θερμική αντιστάθμιση;

Είναι αξιόπιστη όταν είναι γνωστό το υλικό και η κλίση, γεγονός που σπάνια ισχύει σε μια παραγωγική εγκατάσταση. Η μέτρηση σε ένα ελεγχόμενο χώρο είναι πιο αξιόπιστη από την αντιστάθμιση σε έναν μη ελεγχόμενο χώρο.

Συμπέρασμα

Η επιθεώρηση μεγάλων εξαρτημάτων είναι ένα πρόβλημα μετρολογίας με ένα αυτοματοποιημένο περίβλημα. Το πεδίο οράσεως καθορίζει την ανάλυση, η συρραφή καθορίζει την ακρίβεια, η θερμοκρασία καθορίζει την επαναληψιμότητα και το στερέωμα καθορίζει εάν οποιοδήποτε από αυτά διατηρείται κατά τη διάρκεια μιας βάρδιας.

Τα συστήματα που λειτουργούν είναι υβριδικά, βαθμονομημένα έναντι αρθρωτών αντικειμένων και ειλικρινή ως προς τα χαρακτηριστικά που μετρώνται εντός γραμμής και τα χαρακτηριστικά που ελέγχονται εκτός γραμμής. Τα συστήματα που αποτυγχάνουν υποσχέονται έναν μόνο αισθητήρα και έναν μόνο αριθμό, αλλά δεν παρέχουν ούτε το ένα ούτε το άλλο.