Jste zde

Robotické 3D skenování a kontrola kvality

Antonín Vojáček, 10. Leden 2021 - 21:13

Požadavky na kvalitu výrobků se stále zvyšují a i jen dočasně zhoršená kvalita poškozuje výrobce a dává výhodu konkurujícím firmám. Vznikají tak systémy automatické kontroly kvality prováděné robotickými 3D skenery, které mohou objekt nasnímat a porovnat s 3D CAD výkresovou předlohou.

Automatické 3D skenování a kontrola

Flexibilní 3D skenery pro komplexní měření a kontrolní úkoly se již používají v různých průmyslových odvětvích. S dnešním rostoucím počtem certifikací a standardů, které je třeba splnit, se kontrola kvality stala důležitější než kdy jindy, a to pro každé odvětví. Kontrola součástí však může být časově náročný proces, pokud se provádí ručně nebo pomocí neúčinných nástrojů a strojů. V době, kdy se podniky snaží automatizovat všechny možné úkoly, není kontrola kvality výjimkou.

Automatizace kontroly dílů pomocí kombinace optického skenovacího zařízení a robotických ramen nabízí řadu výhod. Snižuje variabilitu obsluhy a lidské chyby, přičemž šetří značné množství času a poskytuje více dat. Díky integraci přímo do výrobní nebo montážní linky (in-line inspekci) pak lze zajistit, aby byla ověřena každá součást místo jen některých při namátkové kontrole. To je zvláště důležité pro vysoce regulovaná odvětví, jako je letecký průmysl, nebo pro vysoce hodnotné součásti. S využitím kolaborativních robotů pak lze automatizované 3D skenování využívat jak ve pravidelné kontrole výrobního procesu, tak i v laboratorních podmínkách a na vývojových pracovištích.

Na rozdíl od tradičních souřadnicových měřicích strojů (CMM), které získávají několik stovek 3D bodů součásti, se měření 3D skeneru počítají na miliony. To umožňuje optickým metrologickým systémům generovat plně digitální dvojčata, která lze uložit pro další analýzu nebo prediktivní údržbu. Kromě zachycení tak působivého množství bodů to 3D skenery dělají za mnohem kratší dobu, obvykle jsou třikrát až desetkrát rychlejší, když dodržují definovaný kontrolní postup. Jelikož 3D skenery používají technologie bezkontaktního skenování, jsou méně rušivé než systémy CMM a mohou digitalizovat objekty z bezpečné vzdálenosti. Optická metrologická řešení jsou také schopna snadno zachytit objekty větších rozměrů.

Konkrétně moderní technologie 3D skenování a následné kontroly rozměrů a tvarů jsou vhodné zejména při náběhu výroby a při sériové kontrole dílů vyráběných vstřikováním, odléváním, ohýbáním nebo lisováním. Tyto díly často vykazují složitou geometrii, stejně tak i jejich nástroje a formy, které je také potřeba kontrolovat. Nejpřesnější systémy na předmětech s měřícím objemem do desítek mm³ umožňují dnes měření i velice malých detailů v řádu desetiny milimetrů). Větší systémy pro inspekci dílů od velikosti 500 mm se využívají při kontrole dílů u výroby turbín, ventilátorů, lopatek a litých krytů nebo pro aerodynamické kontroly při měření ostrých rádiusů a kontur s rozlišením i přes 20 bodů na 1 mm. Velké systémy se používají pro měření dílů o velikostech i nad 2000 mm, např. díly automobilových interiérů, při inspekci odlitků, pískových jader a i celých modelů.

Výhody použití automatického 3D skenování:

  • Zajištění kvality aditivně vyráběných dílů - urychlení fáze vývoje a spuštění produktu.

  • Zajištění kvality plastových dílů- urychlení všech fází v procesech vstřikování, vyfukování a tvarování za tepla.

  • Zajištění kvality litých dílů - optimalizace lití do písku, tlakového lití a investičního lití.

  • Zajištění kvality plechových dílů - optimalizace procesních řetězů pro tváření kovů (děrování, ohýbání, tažení a lisování).

3D optický skener GOM ATOS Q

Jedním z předních výrobců 3D skenovacích automatických robotických systémů je i německá firma GOM (Gesellschaft für Optische Messtechnik), která vyvíjí, vyrábí a prodává optické měřicí systémy určené pro 3D měření tvaru objektů a deformací komponent. Měřicí systémy jsou založeny na technologii zpracování digitálního obrazu a jsou využívány např. ve vývoji, při kontrole kvality výroby nebo při testech materiálů a komponent.

V jeho nabídce je i nejnovější 3D kamerový senzor ATOS Q, který je navržen jako flexibilní 3D skener pro složité úlohy měření a kontroly v různých průmyslových odvětvích. Byl speciálně vyvinut pro průmyslové použití a poskytuje plně sledovatelné výsledky měření, dokonce i za nepříznivých podmínek. Optické a elektronické systémy robustního optického 3D senzoru jsou prachuvzdorné a odolné proti stříkající vodě, díky čemuž jsou všechny senzory ATOS Q ideální pro přesun z měřicí místnosti do dílny i hal průmyslové výroby. Uživatelskou výhodou je jeho jednoduchému a pohodlnému ovládání.

ATOS Q zachycuje kvalitní informace rychle a s vysokou mírou detailů a poskytuje spolehlivý základ pro jejich snadnou interpretaci. Například pro měřící objem 80 x 60 x 60mm³ dokáže nasnímat a kontrolovat reálné detaily o velikostech desetin milimetrů. Vyměnitelné čočky zajišťují vysokou přesnost měření od malých až po středně velké díly, přičemž změna z nejmenšího na největší měřicí objem je snadná díky pevné poloze kamery. Technologie Triple Scan pak umožňuje měření lesklých povrchů a tvarově složitých dílů.

Jako zdroj světla pro nasvícení skenovaného objektu se využívá modrých LED diod. Technologie modrého světla umožňuje promítání přesných okrajových vzorů na povrch objektu, které jsou pak zachyceny dvěma kamerami na principu stereokamery. Projekční technologie GOM pracuje s úzkopásmovým modrým světlem, což znamená, že rušivé okolní světlo může být během pořizování obrazu odfiltrováno. Navíc tzv. Ekvalizér modrého světla zvyšuje jas zdroje světla a přenáší na projekční jednotku rovnoměrné světlo bez skvrn. Umožňuje tak vysokorychlostní projekci a i na problematických površích lze dosáhnout krátkých měřících. Průmyslové porty s optickými kabely a robustními zásuvnými připojeními umožňují vysokou datovou propustnost. 3D skener ATOS Q je k dispozici ve verzích 12M a 8M, odlišující se množstvím souřadnicových bodů skenování. Senzory snímají během skenování až 2 × 12 milionů (verze 12M) nebo 2 × 8 milionů souřadnicových bodů (verze 8M). Přesnost, rozlišení a velikost měřicí oblasti lze libovolně definovat.

ATOS Q je možné použít buď samostatně jen jako senzor pro manuální nasnímání požadovaného objektu, využít v poloautomatickém snímání s pomocí motorizovaného natáčecího stolu a stativu (např. GOM ROT 350), nebo zcela automatického snímání s využitím robotického ramene kolaborativního robota. V tomto směru tedy nejlépe přímo systém dodávaný přímo výrobcem GOM ScanCobot.

Základní skenovací parametry senzoru ATOS Q 12M:

  • Světelný zdroj: LED

  • Počet bodů na záběr: 12 milionů

  • Měřená oblast: 100 × 70 až 500 × 370 mm

  • Měřicí objemy: 100 / 170 / 270 / 350 / 500 mm3

  • Vzdálenost naměřených bodů: 0,03 až 0,12 mm

  • Pracovní vzdálenost: 490 mm

  • Rozměry: cca 340 mm × 240 mm × 83 mm

  • Hmotnost: cca 4 kg

Automatický 3D skenovací systém GOM ScanCobot

GOM ScanCobot je kompletní mobilní měřicí stanice s kolaborativním robotem s opevněným 3D skenerem ATOS Q, motorizovaným rotačním stolem a výkonným softwarem. Kolaborativní robot v kombinaci s motorizovaným rotačním stolem se může co nejrychleji a velmi flexibilně pohybovat od jedné snímací pozice k druhé. Díky tomu lze tento automatický proces 3D snímání i s vyhodnocením reálného nasnímaného objektu s uloženým modelem provádět i na lince ve výrobních provozech u každého produktu. Tím lze realizovat přesný a efektivní proces kontroly kvality malých a středně velkých dílů a tak co nejrychleji identifikovat, analyzovat a eliminovat problémy s kvalitou. Automatizovaný systém s 3D skenery ATOS poskytuje celoplošné 3D souřadnice pro každé jednotlivé měření a až 16 milionů nezávislých bodů nasnímané během 1-2 sekund a měřících objemů 80 x 60 x 60mm³ lze měření měření i velice malých detailů v řádu desetiny milimetrů.

Plánování, digitalizace a vyhodnocení probíhají ve tzv. virtuální měřicí místnosti (VMR), která je součástí výkonného softwaru GOM Inspect Suite. VMR je současně softwarový modul, řídicí stanice a nástroj pro plánování měření, který umožňuje komukoli naprogramovat svého robota na základě požadovaných výsledků inspekce pomocí funkce „Auto-teach“. Složí jak pro centrální správu a plánování měření, který pokrývá celý měřicí proces. Do softwaru se nahrají 3D CAD data kontrolovaných dílů či předmětů spolu s přidruženým plánem měření. Potřebné polohy skeneru a dráhy robota, které jsou nutné pro zajištění všech ploch a částí předmětu, se pak vypočítají plně automaticky pouhým stisknutím tlačítka. Pomocí tzv. “Burn-In” funkce se zařízení pro 3D skenování i samo přizpůsobí typu získávaného povrchu automatickým nastavením expozice a ochrany okrajů.

Stručně řečeno, tyto automatické teach-in procedury tak umožňují uživateli pracovat se systémem bez potřeby specifických znalostí programování robota či problematiky optického snímání. Pokud je navíc aktivováno rozhraní Kiosk, lze díly rychle měřit pomocí existujících šablon projektů, aniž by bylo nutné provádět úpravy. Ve VMR jsou před samotným měřením všechny pohyby robota simulovány a kontrolovány. Po měření (získání dat) software vypočítá polygonální síť povrchu dílu a následně jsou tyto aktuální data porovnána s nominálními daty a vytvořen report.

Protože operátor již nemůže měnit měřicí programy a vyhodnocení, zvyšuje se spolehlivost procesu tím, že se eliminuje možné chyby lidského faktoru. Pomocí zařízení GOM ScanCobot tak lze úlohy měření a kontroly snadno převést z měřicí místnosti do výroby. K tomu lze použít i již kompletní hotové a pro průmyslovou výrobu přizpůsobené automatizované pracoviště ATOS ScanBox, které v sobě zahrnuje vše v jednom, tedy snímací, řídící a HMI ovládací hardware (včetně průmyslové bezpečnosti), software ATOS Professional a přídavný softwarový modul virtuální měřicí místnost (VMR). Tím lze realizovat jednoduchou instalaci přímo do výrobního procesu, včetně automatických výrobních linek.

Základní parametry GOM ScanCobot systému:

  • Rozměry zařízení: 975 × 755 mm

  • Pracovní výška: 1000 mm

  • Napájení: 100-240 V (1 fáze, 16A)

  • Maximální rozměry dílů:

    • průměr max. 500 mm x výška max. 500 mm

    • váha: max. 50 kg

Závěr

Aktuální trendy v průmyslové výrobě i vývoji jejich produktů ve stále kratších vývojových cyklech nutně pro zachování vysoké kvality a současně rychlé a efektivní výroby vyžadují automatizovat co nejvíce operací. Oblasti inspekce kvality samozřejmě nejsou v tomto směru výjimkou. Moderní digitální výroba i zákazník vyžaduje, aby každý produkt dosahoval shodných vlastností a kvality. Proto je nutné místo tzv. vzorkovacího režimu náhodného výběru a otestování produktů v laboratoři zajistit plně automatickou inspekci všech výrobků v rámci výrobní linky. A 3D robotické kamerové systémy jsou proto jasným řešením, jak v tomto směru realizovat přesnou vizuální kontrolu výrobků s výrobními výkresy. Nicméně v provedení s kolaborativním robotem (cobotem) mohou usnadnit i práci na vývojových pracovištích a laboratořích, kde mohou ušetřit pracovní síly nebo urychlit vývoj.

Odkazy:

Hodnocení článku: