Como a Metrologia Óptica Impulsiona a Eficiência na Manufatura

Recentemente, o poder da metrologia óptica combinada com automação tem sido reconhecido. O que torna a automação de operações de metrologia tão importante?

"Mover a metrologia para o processo, em vez de mantê-la apenas no laboratório de qualidade, aumentará a qualidade geral e tornará a automação da própria manufatura mais eficiente", disse Robert Wasilesky da Carl Zeiss Industrial Metrology LLC (Brighton, MI). "Metrologia Otimizada de Manufatura [MOM] é definitivamente uma tendência que estamos vendo." Ele foi cuidadoso em notar que a metrologia não habilita a manufatura — ela funciona bem agora — mas a otimiza para funcionar ainda melhor.

A metrologia óptica em suas várias formas é frequentemente o melhor método para aprimorar a automação, segundo ele, por causa de sua velocidade comparada a outros métodos. Outras vantagens dos métodos ópticos incluem sua capacidade de medir sem marcar ou deformar superfícies delicadas, como chapas de carroceria, peças compósitas ou implantes cirúrgicos delicados. Outro exemplo é usar dispositivos de metrologia para mover robôs precisamente, aumentando sua precisão de posicionamento de alguns milímetros para 100 µm ou melhor.

Para expandir MOM, Wasilesky disse, significa expandir a educação do cliente. Engenheiros de manufatura hoje podem não estar cientes de quão mais otimizada sua oficina poderia ser.

"Acho que há potencial para aumentar a eficiência de manufatura, especialmente no automotivo, por saltos comparativos através da Metrologia Otimizada de Manufatura", disse ele. O conceito deve estar alcançando fabricantes, e Wasilesky notou que o lado de automação do mercado de metrologia está crescendo perto de 20% ao ano, enquanto o resto do mercado relacionado à qualidade cresce cerca de 6%. Ele disse que isso se deve em grande parte à maior aceitação do cliente de métodos de metrologia óptica sobre sondas de contato, um sentimento compartilhado por outros em várias conversas. A tecnologia melhorou, há mais escolhas de métodos ópticos, e software de processamento hospedado em plataformas de computação cada vez mais rápidas melhorou dramaticamente. "Enquanto os princípios são os mesmos, apenas se tornou muito mais capaz", disse ele.

Um bom exemplo desta convergência de ópticas mais rápidas, melhores algoritmos e computação poderosa é o sensor óptico 3D de nuvem Zeiss AIMax. Classificado como sistema de luz estruturada, depende de apenas um projetor e um sensor. Isso faz uma cabeça de sensoriamento mais compacta, mas talvez mais significativo é que o sistema é programado para medir características rapidamente, tipicamente em menos de 0,5 seg — pense em furos, ranhuras, rebites ou pinos em T — de uma nuvem de pontos em vez de fornecer a nuvem de pontos como resultado final. Isso faz um sistema ideal para inspeção in-line, especialmente para chapas metálicas automotivas e componentes BIW (Body in White). Wasilesky afirmou que o sistema, incluindo sensor e movimento robótico, poderia fornecer 300 µm ou melhor de precisão de medição para Six Sigma.

A Zeiss também oferece soluções para medições near-line, bem como substituições ópticas mais rápidas para CMMs no chão de fábrica para medições off-line que também estão próximas ao ponto de produção. O AIBox é um sistema completo voltado a obter precisão de CMM sem uma viagem à sala de qualidade. O AIBox é capaz de medir menos de 40 µm de erro esférico no padrão VDI 2634 usando tanto um sistema de projeção de franjas digital com um dispositivo de fotogrametria padrão. É para peças grandes até 2000 mm de tamanho e 1000 kg de peso padrão.

Automação e Peças

Um dos dispositivos de metrologia óptica mais úteis para incorporar em um sistema automatizado são sistemas de vídeo em mesas de movimento de precisão, como a série Nikon iNEXIV. Como o sistema de medição inclui uma câmera, é facilmente adaptado a tarefas de visão, abrindo novas possibilidades, como leitura de códigos de barras ou QR codes comuns com peças hoje, segundo Nate Frost, gerente de produto para Nikon Metrology (Brighton, MI). "Também podemos ler dados de texto, seja um número de peça em uma peça ou em um papel impresso que pode acompanhar a peça." Isso leva a automação ao próximo nível, porque ler um código de barras e identificar a peça significa que o dispositivo pode chamar o programa de medição correto e registrar automaticamente os resultados em um relatório para aquela peça individual.

Isso poderia ser especialmente útil à medida que a Fábrica Inteligente e a Internet Industrial das Coisas continuam a se desenvolver. "Estas não são tarefas de automação tradicionais", disse Frost. "Carregamento automático de peças em um sistema de medição deve ser algo que qualquer fornecedor de metrologia possa acomodar. [Leitura de código de barras] é, em vez disso, relacionado a tomada de decisões", disse ele. Remove o fator humano enquanto aprimora a qualidade.

Um meio eficiente de criar um programa de peças é igualmente importante. Seguindo uma tendência comum na indústria, criar programas a partir da leitura de um modelo CAD offline agora está disponível no CMM-Manager 3.6 da Nikon. Esta é a versão mais recente do software de suporte para sistemas de visão da Nikon. "O software anterior usava apenas um joystick para ensinar um programa", disse Frost. "Isso é bastante novo para programas de medição por vídeo." Por quê? Porque, em contraste com programação offline de uma sonda de contato ou mesmo um sensor de linha a laser, um programa de vídeo deve considerar iluminação, efeitos de borda, reflexos de superfícies reflexivas e outros efeitos únicos ao vídeo. "Simulações podem ser executadas e resultados de inspeção podem ser verificados em tempo real. Na verdade, quanto mais completo o modelo CAD, mais eficiente o processo de inspeção se torna", disse Frost. "Com visão, laser de autofoco, indexador rotativo e entrada tátil, podemos até medir características e geometria que você não pode ver com um sistema de visão tradicional."

Por que ele acha que há um impulso para automação? "O denominador comum é que empresas estão enxugando sua equipe e operações", disse Frost. "Elas esperam que seus funcionários sejam mais flexíveis. Querem que eles sejam capazes de operar uma fresadora CNC e um sistema de metrologia. Estamos vendo isso em toda parte, mas particularmente em job shops onde funcionários precisam ser pau para toda obra." Automatizar metrologia tornará isso muito mais fácil.

Automotivo de Alto Volume

"A precisão e velocidade de técnicas de medição óptica é o que as torna tão boas para automação", concordou Andreas Blind, vice-presidente de vendas, marketing e serviços para Jenoptik (Rochester Hills, MI). A Jenoptik fornece uma ampla gama de sensores de metrologia, principalmente mas não exclusivamente para controle in-process. Estes variam de gabaritos a ar e gabaritos de contato, bem como sensores ópticos avançados de alta velocidade. "Cada um tem seu lugar. Técnicas ópticas tendem a não funcionar bem em ambientes sujos ou oleosos, no entanto, óptico é muito mais flexível e é especialmente útil quando as peças não podem ser tocadas, ou quando você precisa de velocidade", disse ele.

A série Opticline da Jenoptik é um bom exemplo de uma técnica — uma sombra gráfica — empacotada em um gabinete automatizado de alta velocidade para medição de eixos. Sistemas de sombra gráfica são ideais para medir peças rotativas, mesmo aquelas que não são axisimétricas, como comandos de válvulas e virabrequins. A empresa observa que há mais de 2500 sistemas Opticline instalados mundialmente, em uma variedade de tamanhos e capacidades para medir peças grandes ou pequenas. Por exemplo, há uma série de estações Opticline com interfaces de controle estatístico de processo (CEP) para monitoramento rápido usando o sistema CEP de escolha daquela fábrica. Precisões são reportadas como MPe e são tão boas quanto (1,5 + L/200) µm para medição de diâmetros com velocidade de medição tão rápida quanto 80 mm/s.

Outra função importante de controle óptico in-process é detecção de falhas de superfície, segundo Blind. "Nossa tecnologia Optisense usa uma combinação de sensores únicos, iluminação, automação e software que nos ajuda a detectar até os menores defeitos em superfícies e peças", disse ele. Detectar falhas de superfície nos cilindros de motores é especialmente importante com o foco atual em economia de combustível e emissões. O advento de cilindros com revestimento por plasma substituindo mangas de aço mais grossas e pesadas em blocos de alumínio torna a detecção de falhas de superfície especialmente importante. "Nossos sensores IPS para cilindros estão disponíveis em diferentes tamanhos de furo, de 4 a 150 mm, dependendo do tipo de sensor que se usaria", disse Blind. "Podem detectar falhas até 30 µm, e geralmente são automatizados, embora versões semi-automatizadas também estejam disponíveis", disse ele. Ele notou que automação é especialmente importante para o setor automotivo. "Oitenta por cento de nosso equipamento vai atualmente para automotivo", disse ele.

Novos Sensores, Mais Automação

Outra realidade desagradável para fornecedores de metrologia é que verificações de qualidade podem frequentemente ser vistas como despesa, simplesmente tempo perdido na produção. Isso segundo Stefan Scherer, presidente e CEO da Alicona (Graz, Áustria). Ele disse que a metrologia pode agregar valor. "Se formos capazes de mostrar que eles podem adaptar seu processo de manufatura usando metrologia para melhorar proativamente a manufatura e torná-la mais flexível, achamos que isso fará uma grande diferença." Ele acredita especialmente que resultados de metrologia são vitais no crescente movimento de Manufatura Inteligente ou Indústria 4.0. "Precisamos dar às máquinas um olho inteligente", afirmou.

A Alicona é uma empresa inovadora, fundada em um princípio de metrologia relativamente novo que chama de Variação de Foco. Esta técnica fornece dados de superfície de alta resolução usando profundidade de foco limitada, similar mas mais avançada que imagem confocal ou seccionamento óptico, já que também fornece dados de cor. Mede tanto forma de superfície quanto rugosidade, e é especialmente útil em configurações de produção, segundo a empresa. "Nossa tecnologia é útil para medir pequenas características com alta precisão ou características relativamente pequenas, como micro ou manufatura de precisão, sempre que tolerâncias estão na faixa de 20 µm ou menos", disse Scherer. Para funcionar otimamente, Variação de Foco requer rugosidade de superfície Ra de 9 nanômetros ou mais. Velocidade de dados é de até 1,7 milhão de pontos por segundo.

Após primeiro alcançar sucesso em medição de preparação de arestas para ferramentas de corte, a empresa expandiu suas ofertas, automatizando seus sensores.

Automação é crucial para a visão de Scherer de um olho inteligente, e a empresa recorreu a robôs colaborativos, ou cobots, para fazê-lo. Por que cobots? "Vemos uma mudança para maior precisão e ao mesmo tempo menos volume. Em tempos anteriores, um fabricante podia fazer um milhão de peças. Hoje, podem fazer 50.000 de um tipo de peça e então mudar para produzir 75.000 de outro", disse ele. Ele acredita que cobots habilitam trabalhadores nestes ambientes de manufatura flexíveis, tornando-os úteis e agregando valor. "Temos um cobot montado em uma plataforma móvel para levá-lo mais facilmente a um centro de usinagem", disse ele. O usuário verifica alguns parâmetros-chave para configurar a máquina para fazer o próximo conjunto de números de peça, e então passa para a próxima tarefa.

As ofertas mais novas da Alicona são dois novos produtos cobot para aplicações definidas, um para ferramentas longas e redondas e outro para discos de turbina. A solução de ferramentas expande a expertise da Alicona em medição de preparação de aresta com medições de nove eixos em uma plataforma portátil sobre rodas.

Com a solução de disco da Alicona, o braço robótico com sensor de medição anexado é manipulado por um operador para a posição de superfície desejada. Duas alças com joystick integrado são montadas no sensor. Por meio de um app, um smartphone exibe a visualização ao vivo para posicionamento e medição manual ou automática precisa.

Soluções Padrão, Automação Flexível

Outra tendência comum é desenvolver uma solução de automação padrão em torno de dispositivos de metrologia existentes. Empresas de metrologia agora oferecem soluções padrão que integram robôs, enclausuramentos e fixação. Geralmente voltadas a uma classe de problemas, podem ser adaptadas para atender requisitos de produtividade e tolerância de um fabricante.

Em 2014, a Hexagon Manufacturing Intelligence (North Kingston, RI) introduziu o Sistema de Medição In-Line Inteligente 360, ou 360 SIMS, usando seus dispositivos de luz estruturada WLS (white light scanner). Segundo a Hexagon, um sistema in-line construído em torno de um WLS é ideal para produção automotive body-in-white porque o WLS é relativamente insensível a vibrações próximas — coleta dados em milissegundos. Tornando-o ainda mais rápido, o 360 SIMS coleta apenas características selecionadas, como gap-and-flush ou furos, segundo Amir Grinboim, gerente de produto da Hexagon.

A Hexagon agora adicionou a essa oferta in-line com a Célula de Medição Flexível 360, ou 360 FMC, introduzida pela primeira vez em setembro de 2016. "Uma solução off-the-shelf é poderosa e custo-efetiva quando se trata de instalação, integração e incorporação de protocolos de segurança", disse Grinboim. "Reduz o custo geral de engenharia e design para fazer isso uma vez." Os protocolos de segurança no 360 FMC atendem ao padrão ANSI RIA 15.06-2012. Tamanhos de peças podem variar até 2,2 m de comprimento e pesar até 1500 kg.

A configuração básica do 360 FMC é um enclausuramento equipado com um único robô FANUC M-710iC/50 montando um sensor Hexagon WLS400A, acionado pelo pacote de software CoreView. Mede peças fixadas em uma, duas ou três mesas giratórias separadas, dependendo da configuração escolhida. "Uma solução modular e flexível permitirá que nossos clientes usem a célula não apenas para metrologia, mas também para atender a produtividade", explicou Grinboim. "Queríamos que ela se adaptasse a condições cambiantes através de todo o ciclo de vida de manufatura." Clientes podem adicionar ou reduzir o número de mesas giratórias sem um grande esforço de redesign ou re-integração, segundo Grinboim. "Adicionar — ou remover — mesas giratórias é plug-and-play."

O 360 FMC não precisa de alvos de referência na peça, confiando no movimento do robô com programas de compensação. "Mede com precisão de 100-150 µm, baseado no tipo de característica, que é adequado para aplicações típicas de chapa metálica automotiva", disse Grinboim.