Comment la métrologie optique stimule l'efficacité de la fabrication

Récemment, la puissance de la métrologie optique combinée à l'automatisation a été reconnue. Qu'est-ce qui rend l'automatisation des opérations de métrologie si importante ?

« Déplacer la métrologie vers le processus, plutôt que de la cantonner au laboratoire qualité, augmentera la qualité globale et rendra l'automatisation de la fabrication elle-même plus efficace », a déclaré Robert Wasilesky de Carl Zeiss Industrial Metrology LLC (Brighton, MI). « La Fabrication Optimisée par la Métrologie [MOM] est définitivement une tendance que nous observons. » Il a pris soin de noter que la métrologie ne permet pas la fabrication — elle fonctionne bien maintenant — mais l'optimise pour fonctionner encore mieux.

La métrologie optique sous ses diverses formes est souvent la meilleure méthode pour améliorer l'automatisation, selon lui, en raison de sa rapidité par rapport aux autres méthodes. D'autres avantages des méthodes optiques incluent leur capacité à mesurer sans marquer ni déformer les surfaces délicates, telles que la tôle de carrosserie automobile, les pièces composites ou les implants chirurgicaux délicats. Un autre exemple est l'utilisation de dispositifs de métrologie pour déplacer précisément les robots, augmentant leur précision de positionnement de quelques millimètres à 100 µm ou mieux.

Pour étendre la MOM, Wasilesky a dit, cela signifie étendre l'éducation des clients. Les ingénieurs de fabrication d'aujourd'hui peuvent ne pas être conscients de combien leur atelier pourrait être plus optimisé.

« Je pense qu'il y a un potentiel d'augmenter l'efficacité de fabrication, surtout dans l'automobile, par bonds comparatifs grâce à la Fabrication Optimisée par la Métrologie », a-t-il dit. Le concept doit atteindre les fabricants, et Wasilesky a noté que le côté automatisation du marché de la métrologie croît à près de 20 % par an, tandis que le reste du marché lié à la qualité croît à environ 6 %. Il a dit que cela est dû en grande partie à une plus grande acceptation par les clients des méthodes de métrologie optique par rapport aux palpeurs à contact, un sentiment partagé par d'autres dans plusieurs conversations. La technologie s'est améliorée, il y a plus de choix de méthodes optiques, et les logiciels de traitement hébergés sur des plateformes informatiques de plus en plus rapides se sont dramatiquement améliorés. « Bien que les principes soient les mêmes, cela est devenu beaucoup plus performant », a-t-il dit.

Un bon exemple de cette convergence d'optique plus rapide, de meilleurs algorithmes et de calcul puissant est le capteur optique 3D cloud Zeiss AIMax. Classifié comme système à lumière structurée, il ne repose que sur un projecteur et un capteur. Cela permet une tête de détection plus compacte, mais peut-être plus significatif est que le système est programmé pour mesurer des caractéristiques rapidement, généralement en moins de 0,5 seconde — pensez aux trous, rainures, rivets ou goupilles en T — à partir d'un nuage de points plutôt que de fournir le nuage de points comme résultat final. Cela en fait un système idéal pour l'inspection en ligne, particulièrement pour la tôle automobile et les composants BIW (Body in White). Wasilesky a déclaré que le système, incluant le capteur et le mouvement robotique, pouvait fournir une précision de mesure de 300 µm ou mieux au Six Sigma.

Zeiss propose également des solutions pour les mesures en near-line ainsi que des remplacements optiques plus rapides pour les MMT sur le terrain d'usine pour des mesures hors ligne qui sont également près du point de production. L'AIBox est un tel système complet visant à obtenir une précision niveau MMT sans aller en salle de métrologie. L'AIBox est capable de mesurer moins de 40 µm d'erreur sphérique selon la norme VDI 2634 en utilisant à la fois un système de projection de franges numériques avec un dispositif de photogrammétrie standard. Il est pour des pièces grandes jusqu'à 2000 mm de taille et 1000 kg de poids standard.

Automatisation et pièces

Un des dispositifs de métrologie optique les plus utiles pour l'intégration dans un système automatisé sont les systèmes vidéo sur tables de mouvement de précision, tels que la série Nikon iNEXIV. Puisque le système de mesure inclut une caméra, il est facilement adapté aux tâches de vision, ouvrant de nouvelles possibilités, telles que la lecture de codes-barres ou codes QR courants avec les pièces aujourd'hui, selon Nate Frost, chef de produit pour Nikon Metrology (Brighton, MI). « Nous pouvons également lire des données textuelles, soit un numéro de pièce sur une pièce ou sur un papier imprimé qui pourrait accompagner la pièce. » Cela porte l'automatisation au niveau supérieur, car la lecture d'un code-barres et l'identification de la pièce signifie que le dispositif peut appeler le bon programme de mesure et enregistrer automatiquement les résultats dans un rapport pour cette pièce individuelle.

Cela pourrait être particulièrement utile alors que l'Usine Intelligente et l'Internet Industriel des Objets continuent de se développer. « Ce ne sont pas des tâches d'automatisation traditionnelles », a dit Frost. « Le chargement automatique de pièces sur un système de mesure devrait être quelque chose que tout fournisseur de métrologie peut accommoder. [La lecture de code-barres] est plutôt liée à la prise de décision », a-t-il dit. Cela élimine le facteur humain tout en améliorant la qualité.

Un moyen efficace de créer un programme de pièces est tout aussi important. Suivant une tendance commune dans l'industrie, la création de programmes à partir de la lecture d'un modèle CAO hors ligne est maintenant disponible dans le CMM-Manager 3.6 de Nikon. C'est la dernière version du logiciel de support pour les systèmes de vision de Nikon. « Le logiciel précédent utilisait seulement un joystick pour enseigner un programme », a dit Frost. « C'est assez nouveau pour les programmes de mesure vidéo. » Pourquoi ? Parce qu'en contraste avec la programmation hors ligne d'un palpeur à contact ou même d'un capteur à ligne laser, un programme vidéo doit considérer l'éclairage, les effets de bord, les reflets des surfaces réfléchissantes et d'autres effets uniques à la vidéo. « Des simulations peuvent être exécutées et les résultats d'inspection peuvent être vérifiés en temps réel. En fait, plus le modèle CAO est complet, plus le processus d'inspection devient efficace », a dit Frost. « Avec la vision, le laser autofocus, l'indexeur rotatif et l'entrée tactile, nous pouvons même mesurer des caractéristiques et géométries que vous ne pouvez pas voir avec un système de vision traditionnel. »

Pourquoi pense-t-il qu'il y a une poussée pour l'automatisation ? « Le dénominateur commun est que les entreprises allègent leur personnel et leurs opérations », a dit Frost. « Ils s'attendent à ce que leurs employés soient plus flexibles. Ils veulent qu'ils puissent faire tourner une fraiseuse CNC et un système de métrologie. Nous voyons cela partout, mais particulièrement dans les ateliers de sous-traitance où les employés doivent être polyvalents. L'automatisation de la métrologie rendra cela d'autant plus facile. »

Automobile à haut volume

« La précision et la vitesse des techniques de mesure optique sont ce qui les rend si bonnes pour l'automatisation », a convenu Andreas Blind, vice-président des ventes, marketing et services pour Jenoptik (Rochester Hills, MI). Jenoptik fournit une large gamme de capteurs de métrologie, principalement mais pas exclusivement pour le contrôle en processus. Ceux-ci vont des jauges à air et jauges de contact ainsi que des capteurs optiques avancés à haute vitesse. « Chacun a sa place. Les techniques optiques ont tendance à ne pas bien fonctionner dans les environnements sales ou huileux, cependant l'optique est bien plus flexible et est particulièrement utile quand les pièces ne peuvent pas être touchées, ou quand vous avez besoin de vitesse », a-t-il dit.

La série Opticline de Jenoptik est un bon exemple d'une technique — l'ombroscopie — packagée dans une armoire automatisée à haute vitesse pour mesurer des arbres. Les systèmes d'ombroscopie sont idéaux pour mesurer des pièces rotatives, même celles qui ne sont pas axisymétriques, telles que les arbres à cames et vilebrequins. L'entreprise note qu'il y a plus de 2500 systèmes Opticline installés dans le monde, dans une variété de tailles et capacités pour mesurer des pièces grandes ou petites. Par exemple, il y a une série de stations Opticline avec interfaces de contrôle statistique de processus (SPC) pour une surveillance rapide utilisant le système SPC de choix pour cette usine. Les précisions sont rapportées en MPe et sont aussi bonnes que (1,5 + L/200) µm pour la mesure de diamètres avec une vitesse de mesure aussi rapide que 80 mm/s.

Une autre fonction importante du contrôle en processus optique est la détection de défauts de surface, selon Blind. « Notre technologie Optisense utilise une combinaison de capteurs uniques, d'éclairage, d'automatisation et de logiciel qui nous aide à détecter même les plus petits défauts dans les surfaces et sur les pièces », a-t-il dit. La détection de défauts de surface dans les alésages de cylindres de moteur est particulièrement importante avec la focalisation d'aujourd'hui sur l'économie de carburant et les émissions. L'avènement des alésages pulvérisés par plasma remplaçant les chemises en acier plus épaisses et lourdes dans les blocs en aluminium rend la détection de défauts de surface particulièrement importante. « Nos capteurs d'alésage IPS sont disponibles dans différentes tailles d'alésage, de 4 à 150 mm, selon le type de capteur utilisé », a dit Blind. « Ils peuvent détecter des défauts jusqu'à 30 µm, et sont généralement automatisés, bien qu'ils soient disponibles en versions semi-automatisées également », a-t-il dit. Il a noté que l'automatisation est particulièrement importante pour le secteur automobile. « Quatre-vingts pour cent de notre équipement va actuellement à l'automobile », a-t-il dit.

Nouveaux capteurs, plus d'automatisation

Une autre réalité désagréable pour les fournisseurs de métrologie est que les contrôles qualité peuvent souvent être vus comme une dépense, simplement du temps perdu en production. C'est selon Stefan Scherer, président et CEO d'Alicona (Graz, Autriche). Il a dit que la métrologie peut ajouter de la valeur. « Si nous sommes capables de montrer qu'ils peuvent adapter leur processus de fabrication en utilisant la métrologie pour améliorer proactivement la fabrication et la rendre plus flexible, nous pensons que cela fera une grande différence. » Il croit particulièrement que les résultats de la métrologie sont vitaux dans le mouvement croissant de la Fabrication Intelligente ou Industrie 4.0. « Nous devons donner aux machines un œil intelligent », a-t-il déclaré.

Alicona est une entreprise innovante, fondée sur un principe de métrologie relativement nouveau qu'elle appelle Variation de Focalisation. Cette technique fournit des données de surface à haute résolution en utilisant une profondeur de champ limitée, similaire mais plus avancée que l'imagerie confocale ou la section optique, car elle fournit également des données de couleur. Elle mesure à la fois la forme de surface et la rugosité, et est particulièrement utile dans les environnements de production, selon l'entreprise. « Notre technologie est utile pour mesurer de petites caractéristiques avec une haute précision ou des caractéristiques relativement petites, telles que la micro-fabrication ou la fabrication de précision, chaque fois que les tolérances sont dans la gamme de 20 µm ou moins », a dit Scherer. Pour fonctionner de manière optimale, la Variation de Focalisation nécessite une rugosité de surface Ra de 9 nanomètres ou plus. La vitesse de données est jusqu'à 1,7 million de points par seconde.

Après avoir d'abord réussi dans la mesure de préparations de arêtes pour outils de coupe, l'entreprise a étendu ses offres, automatisant ses capteurs.

L'automatisation est cruciale pour la vision de Scherer d'un œil intelligent, et l'entreprise s'est tournée vers les robots collaboratifs, ou cobots, pour ce faire. Pourquoi des cobots ? « Nous voyons un changement vers une précision plus élevée et en même temps moins de volume. Dans les temps précédents, un fabricant pourrait faire un million de pièces. Aujourd'hui, ils pourraient faire 50 000 d'un type de pièce et puis passer à la production de 75 000 d'un autre », a-t-il dit. Il croit que les cobots permettent aux travailleurs dans ces environnements de fabrication flexibles, les rendant utiles et ajoutant de la valeur. « Nous avons un cobot monté sur une plateforme mobile pour l'amener plus facilement à un centre d'usinage », a-t-il dit. L'utilisateur vérifie quelques paramètres clés pour configurer la machine pour fabriquer la prochaine série de numéros de pièce, et passe ensuite à la tâche suivante.

Les dernières offres d'Alicona sont deux nouveaux produits cobot pour applications définies, un pour outils longs ronds et l'autre pour disques de turbine. La solution outils étend l'expertise d'Alicona dans la mesure de préparation d'arêtes avec des mesures à neuf axes sur une plateforme portable sur roues.

Avec la solution disque d'Alicona, le bras robot avec capteur de mesure attaché est manipulé par un opérateur vers la position de surface désirée. Deux poignées avec joystick intégré sont montées sur le capteur. Au moyen d'une application, un smartphone affiche la vue en direct pour un positionnement et une mesure manuels ou automatiques précis.

Solutions standard, automatisation flexible

Une autre tendance commune est le développement d'une solution d'automatisation standard autour de dispositifs de métrologie existants. Les entreprises de métrologie offrent maintenant des solutions standard qui intègrent robots, enceintes et fixations. Généralement visant une classe de problèmes, elles peuvent être adaptées pour répondre aux exigences de débit et de tolérance d'un fabricant.

En 2014, Hexagon Manufacturing Intelligence (North Kingston, RI) a introduit le Système de Mesure En Ligne Intelligent 360, ou 360 SIMS, utilisant ses dispositifs WLS (scanner à lumière blanche) à lumière structurée. Selon Hexagon, un système en ligne construit autour d'un WLS est idéal pour la production automobile body-in-white car le WLS est relativement insensible aux vibrations proches — il collecte des données en millisecondes. Le rendant encore plus rapide, le 360 SIMS ne collecte que des caractéristiques sélectionnées, telles que joint-et-affleurement ou trous, selon Amir Grinboim, chef de produit Hexagon.

Hexagon a maintenant ajouté à cette offre en ligne avec la Cellule de Mesure Flexible 360, ou 360 FMC, introduite pour la première fois en septembre 2016. « Une solution clé en main est puissante et rentable quand il s'agit d'installation, d'intégration et d'incorporation de protocoles de sécurité », a dit Grinboim. « Cela réduit le coût global d'ingénierie et de conception pour le faire une fois. » Les protocoles de sécurité sur le 360 FMC respectent la norme ANSI RIA 15.06-2012. Les tailles de pièces peuvent aller jusqu'à 2,2 m de longueur et peser jusqu'à 1500 kg.

La configuration de base du 360 FMC est une enceinte équipée d'un seul robot FANUC M-710iC/50 montant un capteur Hexagon WLS400A, piloté par le paquet logiciel CoreView. Il mesure des pièces fixées sur une, deux ou trois tables tournantes séparées, selon la configuration choisie. « Une solution modulaire et flexible permettra à nos clients d'utiliser la cellule pas seulement pour la métrologie, mais aussi pour adresser le débit », a expliqué Grinboim. « Nous voulions qu'elle s'adapte aux conditions changeantes tout au long du cycle de vie de fabrication. » Les clients peuvent ajouter ou réduire le nombre de tables tournantes sans effort majeur de reconception ou de réintégration, selon Grinboim. « L'ajout — ou la suppression — de tables tournantes est plug-and-play. »

Le 360 FMC n'a pas besoin de cibles de référence sur la pièce, s'appuyant sur le mouvement du robot avec programmes de compensation. « Il mesure avec une précision de 100 à 150 µm, selon le type de caractéristique, ce qui est approprié pour les applications typiques de tôle automobile », a dit Grinboim.