Con l’introduzione del sistema di misura in linea sviluppato e prodotto da Hexagon Metrology, il controllo in tempo reale del processo è una realtà.
With the introduction of the inline measurement system developed and produced by Hexagon, real-time process control has become a reality.
CORSA CONTRO IL TEMPO
Con l’introduzione del sistema di misura in linea sviluppato e prodotto da Hexagon Metrology, il controllo in tempo reale del processo è una realtà. Le case automobilistiche ora dispongono di uno strumento potente e affidabile per monitorare la produzione, demandando alla sala metrologica il compito di indagare le cause di eventuali difettosità.
di Claudia Pirotta e Levio Valetti
Ci sono ambiti in cui l’automazione delle linee di produzione è una realtà consolidata: il comparto automobilistico è tra quelli che più traggono vantaggio dai sistemi altamente automatizzati. Il processo di produzione delle carrozzerie automobilistiche, scocche e parti mobili, si svolge su linee nelle quali i robot lavorano perfettamente inseriti nel contesto e assemblano, manipolano, saldano, verniciano: sono una presenza ben nota ai luoghi di produzione e agli operatori. Non così familiari e integrati con il flusso produttivo, almeno fino ad oggi, sono i sistemi di controllo dimensionale. La sala metrologica è il luogo per eccellenza dove si conducono le analisi sui prodotti, si cerca di capire l’entità dei difetti e di indagarne le cause; tuttavia, la sala metrologica con il suo ambiente controllato continua ad essere un luogo ben definito, separato dalla linea e che troppe volte ospita strumenti che non si sposano con l’ambiente ostile della produzione.
La necessità di rendere la metrologia fisicamente più vicina alla produzione è stata presa in seria considerazione dai produttori di sistemi di misura, che hanno perfezionato e adeguato le loro macchine all’ambiente spesso difficile e non compatibile con strumenti che devono giudicare la qualità dimensionale con il massimo della precisione.
Hexagon Metrology (www.hexagonmetrology.it) produce da anni sistemi di misura a braccio orizzontale funzionalmente adeguati a tali ambienti e architetturalmente compatibili con le strutture tipiche delle linee di assemblaggio. Nonostante questo, tali sistemi sono utilizzabili solo a bordo linea o in apposite aree separate dalla linea di assemblaggio, a causa della loro produttività incompatibile con gli incessanti flussi della produzione.
MISURARE SENZA ARRESTARE LA PRODUZIONE
Nelle applicazioni automotive rimaneva quindi ancora aperto un problema fondamentale: aumentare in modo significativo la frequenza di campionamento delle scocche per meglio controllare il processo. Oggi all’interno di una linea automatizzata i tempi di transito di ciascuna scocca sono spesso inferiori ai 2 minuti. Misurare in linea la scocca o un altro componente senza fermare la produzione era praticamente impossibile. I sistemi tradizionalmente usati a questo scopo non sono propriamente macchine di misura, ma apparecchi che effettuano la comparazione rispetto a un master: sono un buon compromesso tra realtà e necessità produttiva perché consentono le misure in linea, ma non risolvono il problema della misura assoluta. Lo stesso sistema Hexagon Metrology a doppio braccio orizzontale usato a bordo linea è compatibile con l’ambiente industriale e ha un’elevata precisione, ma non è abbastanza veloce per tenere testa ai ritmi produttivi della linea di assemblaggio.
OLTRE OGNI DIFFIDENZA
In più, l’uomo di produzione vive una dicotomia: da un lato vorrebbe liberarsi della soggezione che gli deriva da uno strumento di misura avanzato, ancora troppo sconosciuto ai suoi occhi; dall’altro vorrebbe poter verificare come si comporta il processo dal punto di vista qualitativo. Osservando una moderna la risposta appare semplice, oltre che scontata: perché il robot, tecnologia consolidata e conosciuta, non può anche misurare? La risposta non è semplice: il robot industriale non è un oggetto particolarmente preciso; svolge benissimo il suo mestiere di manipolare, ma la precisione intrinseca non è sufficiente per farlo diventare uno strumento di misura affidabile per il controllo di produzione. Per contro, è molto veloce e perfettamente compatibile con la linea di montaggio: partendo da queste considerazioni, Hexagon Metrology ha sviluppato la soluzione che consente di effettuare misure veloci e precise in linea con l’aiuto dei robot.
L’attività di ricerca e sperimentazione ha impegnato Hexagon negli ultimi 5 anni. Grazie al lavoro svolto in collaborazione con importanti case automobilistiche, ha implementato un sistema di misura costituito da sensori per fotogrammetria montati su robot industriali, in grado di misurare fino al 100% delle carrozzerie prodotte, che garantisce il pieno controllo del processo produttivo. Hexagon Metrology utilizza sensori prodotti da una società del Gruppo, appositamente studiati e progettati per garantire la precisione necessaria a questo tipo di applicazione e per essere compatibili con l’ambiente di produzione. I sensori scattano una serie di foto digitali 3D al misurando. Dalla combinazione dell’insieme di foto scattate si ricostruisce la nuvola di punti rappresentativa della carrozzeria in esame, che viene confrontata in tempo reale con il modello CAD teorico per evidenziare gli scostamenti. Per risolvere il problema della insufficiente precisione del robot i tecnici Hexagon Metrology hanno implementato apposite procedure di riqualifica continua del sistema sensore-robot prima della misura di ogni scocca, che avviene su appositi calibri, mentre un sistema di bloccaggio ad hoc della scocca anch’esso soggetto a ricalibrazione garantisce il riferimento assoluto del posizionamento.
Il sistema robot-sensore è quindi preciso e l’operatore dispone di un sistema di misura in linea composto da macchine che conosce perfettamente (i robot) e che sa programmare, manutenere, gestire. Le misure sono sufficientemente rapide per non interferire con il ritmo della linea di assemblaggio.
Il sistema di misura è composto da un robot sul quale sono montati i sensori per fotogrammetria 3D.
The measurement system is composed by a robot on which are assembled the sensors for 3D photogrammetry.
IMMEDIATO FEEDBACK
Il sistema permette un confronto tra il modello della carrozzeria e la nuvola di punti rilevata dal sensore. Visivamente, il risultato è una mappa colore degli scostamenti che dà all’operatore la sensazione immediata di quanto accade dal punto di vista dimensionale. Sarà poi compito dei responsabili della Qualità, dei progettisti e delle altre figure preposte indagare le cause degli scostamenti e adottare i provvedimenti necessari a correggere la produzione.
Mentre questo sistema è già operativo, ed è stato implementato con successo in alcune linee produttive di case automobilistiche, Hexagon Metrology non si ferma e lavora sull’immediato futuro per dare la possibilità di verificare con un filmato accelerato della durata di pochi secondi le variazioni intervenute nell’arco di un turno lavorativo, combinando tutte le informazioni raccolte. L’analisi della mappa colore evolutiva permetterà di capire se gli scostamenti sono localizzati o se c’è una tendenza alla difettosità.
E LA SALA METROLOGICA? È SEMPRE PIÙ IMPORTANTE
Con l’introduzione del monitoraggio del processo in linea, i sistemi di misura tradizionali non andranno in pensione, anzi: continueranno ad essere lo strumento principe di analisi delle difettosità perché sono molto più precisi. Il sistema in linea e la sala metrologica svolgono compiti simili, ma differenti: il primo permette l’analisi e il controllo istantaneo del processo, mentre la seconda analizza e verifica il singolo pezzo, di cui è stata rilevata la difettosità. Per le case costruttrici la sala metrologica acquista sempre più importanza nella progettazione: in essa i sistemi di misura certificano la qualità della carrozzeria ancora prima di metterla in produzione. Qui si fanno tutti gli studi, si approvano la produzione e l'efficacia dei processi, che d’ora in poi saranno controllati “a vista” dal sistema di misura in linea.
OCCHI VIGILI SULLA PRODUZIONE
Il sensore a luce bianca WLS400A di Hexagon Metrology è lo strumento che consente il rilievo di nuvole di punti 3D ad alta densità e con grande rapidità. La tecnologia intrinseca al sensore lo rende utilizzabile in ambienti particolarmente difficili, quali le linee di assemblaggio, dove le condizioni di illuminazione possono essere critiche ed estremamente variabili e i ridottissimi tempi di esposizione necessari allo scatto permettono una stabilità di immagine ottimale per la migliore definizione dei punti rilevati. Una completa e articolata suite di software applicativi consente all’utente di rilevare, analizzare e visualizzare i dati per ottenere in tempi rapidi la valutazione della qualità dimensionale del processo.
La versatilità del sistema robot-sensore permette il rilievo dimensionale anche all’interno delle scocche.
The versatility of the robot-sensor system permits the dimensional evaluation also within vehicle bodies.
RACE AGAINST TIME
With the introduction of the inline measurement system developed and produced by Hexagon, real-time process control has become a reality. Automotive OEMs now have a powerful and reliable tool to monitor production, leaving it up to the metrology room to investigate the causes of possible defects.
by Claudia Pirotta and Levio Valetti
There are fields where manufacturing line automation is an established practice: automotive is one of the industries that most benefits from highly automated systems. The production process of car bodies and moving parts is carried out on lines where robots perfectly fit into the working process. They assemble, handle, weld and paint; they are familiar to production areas and operators. Dimensional control systems, instead, are not so familiar and integrated in the production workflow, at least until today. The metrology room is the place where products are analyzed, trying to evaluate the entity of defect and identify their causes. However, the metrology room with its controlled atmosphere is still a clearly defined area, separated from the plant floor, all too often equipped with instruments that are not compatible with hostile production environments.
The need to bring metrology physically closer to production has been seriously considered by measurement system vendors, who have enhanced and adapted their machines to an environment that is often hard and not compatible with instruments designed to check dimensional quality with utmost accuracy.
For years, Hexagon Metrology (www.hexagonmetrology.it) has been developing horizontal arm measurement systems with suitable functionality for such environments and compatible architecture with the typical structures of assembly lines. However, these systems can only be installed along the lines or in separate areas from the assembly line, as their productivity is not compatible with the unceasing flow of production.
MEASURING WITHOUT STOPPING PRODUCTION
Automotive applications still had one essential problem to solve: significantly increase the sampling rate of car bodies to improve process control. Today, the flow time of each car body through an automated line is often below two minutes. Measuring the car body or any other component in line without stopping production is virtually impossible. The systems normally used for this purpose are not real measuring machines, but equipment that compare the unit to a master model: they offer a good tradeoff between reality and production needs, as they enable inline measurements though they don’t solve the problem of absolute measurement. Hexagon Metrology’s system with dual horizontal arm is itself compatible with industrial environments and offers high precision, but it is not fast enough to keep up with the production rates of an assembly line.
BEYOND ANY DOUBT
People in manufacturing also experience another conflict of interests: on the one hand, they don't like to be constrained by an advanced measuring instrument still relatively unknown to them; on the other, they want to be able to check process behavior from a quality point of view. Looking at modern technology, the answer seems easy and self-evident: why cannot a robot, a proven and popular technology, also measure? The answer is actually not so easy: an industrial robot is not really accurate; it is very efficient for handling operations, but its intrinsic accuracy is not enough to turn it into a reliable measurement instrument for production control. On the other hand, it is very fast and fully compatible with an assembly line. Based on this, Hexagon Metrology has develop a solution to execute fast and accurate inline measurements by means of robots.
Hexagon has been committed to research and testing for five years. In collaboration with major automotive OEMs, they have implemented a measuring system based on photogrammetry sensors mounted on industrial robots, capable of measuring up to 100% of car bodies, thus ensuring total production process control. Hexagon Metrology use sensors produced by a company of the same group, specifically designed to offer the precision required by this type of application and to be compatible with production environments. The sensors shoot a set of 3D digital pictures of the measured item. From the picture set, a point cloud representing the car body is generated and compared in real time with the CAD model to identify possible deviations. To solve the problem of inadequate accuracy levels of robots, Hexagon Metrology engineers have implemented specific continuous validation procedures for the sensor-robot system before the measurement of each car body. The procedure is based on dedicated gauges, while an ad-hoc clamping systems for the car body, also subject to continuous registration, ensures an absolute reference for positioning.
As a result, the robot-sensor system is accurate and operators have an inline measurement system comprised of equipment they know very well (robots) and they can program, maintain, manage. Measurements are fast enough not to interfere with the feed rate of the assembly line.
La soluzione 360° SIMS di Hexagon Metrology è concepita per essere integrata direttamente lungo la linea di assemblaggio.
The 360°SIMS solution by Hexagon Metrology is conceived to be directly integrate along the assembly line.
IMMEDIATE FEEDBACK
This system allows to compare the car body 3D model and the point cloud captured by the sensor. Visually, the result is a color map of deviations, providing the operator with immediate feedback about the situation from a dimensional point of view. It will then be up to quality managers, designers and other stakeholders to investigate the causes of deviations and to adopt the necessary measures to correct production.
As this system is up and running, successfully implemented in the production lines of some car manufacturers, Hexagon Metrology has not stopped and keeps working to deliver another solution: an accelerated video clip lasting few seconds to check variations occurring during a working shift, combining all the information that has been captured. By analyzing the evolutionary color map, you will be able to understand whether deviations are localized or there is a defective trend.
WHAT ABOUT METROLOGY ROOM? IT’S INCREASINGLY IMPORTANT
With the introduction of inline process monitoring, traditional measurement systems will not be retired. On the contrary, they will remain the reference tool for defect analysis, as they are much more accurate. Inline system and metrology room perform similar but different tasks: the former executes instant process control and analysis, the latter checks individual items where defects have been identified. For car manufacturers, the metrology room is more and more critical for design, as measurement systems certify the quality of car bodies even before they go into production. In the metrology room, all the studies are carried out, production and process efficiency are validated, and from then on, they will be monitored "on the fly" by the inline measuring system.
EYES WIDE OPEN ON PRODUCTION
The white light sensors WLS400A by Hexagon Metrology is designed to acquire high-density 3D point clouds at high speed. With its intrinsic technology, the sensor is suitable for particularly hostile environments, such as assembly lines, where lighting conditions might be critical and very variable: minimum exposure time required to capture an image ensure optimal image stability and a better definition of detected points. A comprehensive suite of application software allows to capture, analyze and view data in order to evaluate the dimensional quality of the process very quickly.
Un esempio di cella di misura fuori linea.
Example of measurements outside the line.
