Duże elementy, ścisłe допусki: inspekcja wymiarowa w zakresie od 500 do 2000 mm

Przegląd

Duże elementy naruszają założenia, na których opiera się inspekcja małych części. Uchwyt o długości 500 milimetrów i rama o długości 2000 milimetrów podlegają tej samej dyscyplinie rysunkowej, lecz różnią się zachowaniem fizycznym: pole widzenia rośnie szybciej niż rozdzielczość, uchwyty uginają się pod własnym ciężarem elementu, a temperatura pomieszczenia staje się zmienną pomiarową.

Big Bird Industrial (dawniej Shimada Big Bird Industrial) dostarcza od 2001 roku systemy inspekcji wymiarowej konstrukcji pojazdów oraz komponentów układu napędowego. W niniejszym artykule omówiono cztery ograniczenia rządzące inspekcją dużych elementów — pole widzenia, łączenie obrazów (stitching), zachowanie termiczne oraz stabilność punktów odniesienia — oraz sposób, w jaki każde z nich wpływa na wybór sprzętu.

Konsekwencją praktyczną jest to, że systemy do inspekcji dużych elementów nigdy nie są po prostu powiększoną wersją komórki przeznaczonej do małych elementów. Są one zupełnie inną architekturą, zwykle hybrydą fotogrametrii, światła strukturalnego i sondowania.

1. Pole widzenia w stosunku do rozdzielczości

Pojedyncza kamera obejmująca obszar o szerokości dwóch metrów ma rozdzielczość mierzoną w ułamkach milimetra na piksel – i to w najlepszym przypadku. Jeśli dopuszczalny błąd wynosi ±0,2 mm, taka rozdzielczość jest ledwo wystarczająca; jeśli dopuszczalny błąd wynosi ±0,05 mm, staje się ona bezużyteczna.

Obliczenia są bezlitosne: liczba pikseli na milimetr rośnie liniowo wraz z szerokością czujnika i maleje odwrotnie proporcjonalnie do szerokości pola widzenia. Zwiększenie szerokości pola widzenia cztery razy przy tym samym czujniku zmniejsza rozdzielczość cztery razy. Żadne rozwiązanie optyczne nie potrafi tego obejść – dlatego systemy przeznaczone do pomiaru dużych elementów przesuwają kamerę, przesuwają element lub wykorzystują wiele kamer.

Przesuwanie kamery jest najczęściej stosowanym rozwiązaniem, ale jednocześnie wprowadza najwięcej błędów, ponieważ każdy ruch musi zostać zmierzony lub skalibrowany. Przesuwanie elementu często sprawdza się jeszcze gorzej: dwumetrowa konstrukcja jest ciężka, a każda jej obrót generuje nowy błąd ustawienia.

2. Sklejanie to pomiar, a nie montaż

Gdy kilka obrazów jest łączone w jeden układ współrzędnych, jakość wyniku zależy wyłącznie od dokładności ich wzajemnego dopasowania. Dominują dwa podejścia.

Odniesienie mechaniczne

Aparat umieszczony jest na skalibrowanej platformie, a jego położenie jest znane na podstawie danych z enkoderów. Dokładność zależy od platformy, jej prostoliniowości oraz stabilności termicznej. Jest ona przewidywalna i podlega audytowi, ale przy dużych zakresach ruchu jest kosztowna.

Odniesienie fotogrametryczne

Na części lub w jej pobliżu umieszczane są zakodowane cele, a pozycja aparatu wyznaczana jest na ich podstawie. Dokładność zależy od rozmieszczenia cel oraz liczby ujęć i pogarsza się w środku dużego pola cel, jeśli geometria jest słaba.

Obie metody wymagają artefaktu do weryfikacji. Artefakt o długości dwóch metrów stanowi sam w sobie projekt metrologiczny: musi być stabilny, skalibrowany oraz przechowywany w miejscu, które nie powoduje jego przemieszczania między pomiarami.

3. Temperatura jest częścią pomiaru

Stal rozszerza się o około jedenaście części na milion na stopień. W elemencie o długości dwóch metrów zmiana temperatury o pięć stopni przesuwa cechę o około jedną dziesiątą milimetra — wartość porównywalna z dopuszczalnym odchyleniem.

Dlatego pomieszczenia do kontroli dużych elementów są klimatyzowane, a element przed pomiarem pozostaje w nich przez określony czas, aby osiągnął równowagę termiczną. Element zmierzony bezpośrednio po linii obróbkowej posiada gradient temperatury, który nie tylko zakłóca geometrię, ale także wpływa na skalę pomiaru.

Podejście praktyczne polega na rejestrowaniu temperatury elementu w momencie pomiaru oraz stosowaniu modelu korekcyjnego, jeśli znany jest rodzaj materiału. Bez takiego zapisu niemożliwe jest rozróżnienie zmian wyników pomiarowych spowodowanych zmianami temperatury pomieszczenia od innych czynników.

4. Uchwyt ulega odkształceniom zbyt silnym

Duża część zamocowana w uchwycie obciąża ten uchwyt. Ramy stalowe uginają się pod własnym ciężarem, a uchwyt zaprojektowany tak, aby być sztywny w miejscach podparcia, może nadal uginać się w środku. Punkt odniesienia przesuwa się razem z ugięciem, a pomiar wykazuje, że część mieści się w dopuszczalnych tolerancjach względem punktu odniesienia, który nie znajduje się tam, gdzie zakładano to na rysunku.

Pomagają trzy techniki. Należy mocować część w punktach określonych na rysunku – najczęściej są to trzy punkty plus dwa dodatkowe – a nie w miejscach wygodnych do montażu. Należy mierzyć uchwyt po usunięciu części w ustalonym odstępie czasowym, dzięki czemu ugięcie staje się wielkością znaną. Wreszcie należy preferować metodę skanowania obejmującą całą powierzchnię zamiast zestawu rozdzielonych punktów, ponieważ dane z całej powierzchni bezpośrednio pokazują wzór ugięcia.

5. Wybór technologii

Trzy rodziny technologii istotne dla dużych części różnią się swoimi zaletami, a większość rzeczywistych systemów łączy je ze sobą.

Typowym rozwiązaniem jest architektura wykorzystująca fotogrametrię do ustalenia globalnego układu współrzędnych, światło strukturalne do powierzchni wymagających danych o kształcie oraz okresowe dotykowe pomiary kontrolne jako odniesienie. Połączenie tych metod zapewnia większą dokładność niż każda z nich osobno i łatwiej je uzasadnić w ramach audytu.

6. Czas cyklu i możliwość zastosowania w linii produkcyjnej

Inspekcja dużych elementów odbywa się często poza linią produkcyjną, ponieważ pomiar jest wolny, a liczba elementów na godzinę niewielka. Jest to decyzja projektowa, a nie prawo fizyczne: stacja w linii produkcyjnej może działać, jeśli liczba cech do kontroli jest mała, a dostępny budżet czasowy cyklu wystarczająco duży.

Regułą decyzyjną jest porównanie czasu inspekcji z taktem. Jeśli czas inspekcji przekracza takt, stacja nie może być umieszczona w linii produkcyjnej bez zastosowania równoległych torów; natomiast dodawanie kolejnych torów zwiększa koszty szybciej niż wzrasta przepustowość.

7. Weryfikacja i dryf

System do pomiaru dużych części ulega dryfowi z powodów, których komórka do pomiaru małych części nigdy nie doświadcza: temperatura w pomieszczeniu się zmienia, sam artefakt się przesuwa, a stolik zużywa się na metrach, a nie milimetrach. Weryfikację należy planować zgodnie z tymi stałymi czasowymi, a nie według ogólnego miesięcznego schematu.

Skutecznym podejściem jest krótkie codzienne sprawdzenie stabilnego artefaktu, bardziej szczegółowe sprawdzenie tygodniowe na części odniesienia oraz coroczna rekaliczbracja obejmująca geometrię stolika. Codzienne sprawdzenie wykrywa przypadkowe przesunięcie aparatu; coroczna rekaliczbracja wykrywa powolną utratę prostopadłości, której żaden pojedynczy pomiar części nie ujawniłby.

Zapisywanie wyników sprawdzeń jako trendu przekształca weryfikację w prognozę. Wartość powtarzalności, która w ciągu sześciu miesięcy rośnie z dwudziestu do czterdziestu mikrometrów, stanowi sygnał konieczności konserwacji znacznie wcześniej niż stanie się przyczyną odrzucenia.

8. Robot, rusztowanie lub stała konstrukcja

Trzy mechanizmy przesuwają czujnik nad dużą częścią, a wybór zależy głównie od wzorca pokrycia. Robot charakteryzuje się elastycznością w granicach swojego zasięgu i wymaga szyny do poruszania się poza niego. Rusztowanie zapewnia przewidywalne pokrycie prostokątnego obszaru i jest ciężkie. Stała konstrukcja z wieloma kamerami nie zawiera części ruchomych i nie generuje błędów dynamicznych, ale wiąże się z koniecznością wyposażenia dla każdej perspektywy.

Dla części dużych w jednym wymiarze najczęściej najlepszym kompromisem jest robot zamontowany na szynie: szyna zapewnia przesuw, a ramię – możliwość ustawienia kątów. Dla części dużych w dwóch wymiarach lepszą skalowalność zapewnia rusztowanie lub stała konstrukcja.

Niezależnie od wybranego rozwiązania kalibracja musi obejmować cały mechanizm, a nie tylko kamerę. Robot dokładny z dokładnością do jednej dziesiątej milimetra w stawie nadgarstka nie zapewnia takiej samej dokładności na końcu dwumetrowej części, chyba że model kinematyczny został zweryfikowany przy użyciu artefaktu umieszczonego w tej odległości.

Najczęściej zadawane pytania

Czy część o długości 2000 mm można zmierzyć z dokładnością 0,1 mm w linii produkcyjnej?

Tak, dla niewielkiej liczby funkcji z ustaloną układem aparatu i stabilnym uchwytem. Dokładność wynika z układu i kalibracji, a nie tylko z czujnika.

Czy cele muszą być zamocowane do części?

Albo do części, albo do uchwytu – w zależności od metody. Cele zamocowane do uchwytu są łatwiejsze w obsłudze, ale nie rejestrują odkształcenia części; cele zamocowane do części rejestrują odkształcenie, ale utrudniają manipulację.

Jak często duża artefakt wymaga ponownej kalibracji?

Zgodnie z harmonogramem określonym przez wymagania dotyczące dokładności oraz częstotę przemieszczania. Artefakt przechowywany w jednym miejscu, który nigdy się nie przesuwa, powoli dryfuje; artefakt transportowany wymaga weryfikacji przed każdorazowym użyciem.

Czy kompensacja termiczna jest wiarygodna?

Jest wiarygodna, gdy znana jest materia i gradient temperatury – co rzadko ma miejsce na linii produkcyjnej. Pomiar w kontrolowanym pomieszczeniu jest bardziej niezawodny niż kompensacja w środowisku niestabilnym.

Wniosek

Inspekcja dużych elementów to problem metrologiczny z nakładką automatyzacji. Pole widzenia określa rozdzielczość, łączenie obrazów określa dokładność, temperatura określa powtarzalność, a uchwyt decyduje o tym, czy którykolwiek z tych parametrów pozostaje niezmieniony w trakcie zmiany.

Działające systemy to hybrydy, kalibrowane względem artefaktów, które jasno określają, które cechy są mierzone inline, a które są kontrolowane offline. Systemy, które zawodzą, obiecują pojedynczy czujnik i pojedynczą wartość liczbową – i nie zapewniają ani jednego, ani drugiego.