Il Robot come calibro di controllo

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CONTROLLI DIMENSIONALI

Luigi Berri

Il robot come calibro di controllo

Controlli dimensionali in linea con l’ausilio di robot antropomorfi

THE ROBOT AS A CONTROL GAUGE Articulated robots are increasingly widespread within the economy of se - veral industrial processes also thanks to their reasonably low cost and extremely high flexibility. Nevertheless, deploying them effectively in the specific field of dimensional quality inspection raises some relevant concerns: can we actually use them in place of standard dimensional gauges? Are there any techniques to make them accurate enough? Ultimately, could they represent the winning response to face growing needs of in-line inspection for a wide range of manufacturing processes? According to the undertaken research efforts, the answer to this question appears to be positive.

RIASSUNTO I robot antropomorfi sono sempre più diffusi nelle nostre aziende anche grazie a un costo di acquisto mediamente contenuto e sono destinati alle più svariate attività. I robot possono anche essere considerati validi sostituti dei comuni calibri di controllo? Quali sono i sistemi per renderli sufficientemente accurati per lo scopo? Possono essere la risposta ideale per affrontare le crescenti esigenze di controllo in linea dei manufatti di una larga parte di settori industriali? Gli sviluppi intrapresi sembrano indicare che questa sarà la soluzione.

transponder per l’invio dei dati con protocollo Bluetooth o wi-fi, riducendo sensibilmente il tempo di misura e di compilazione

dei report e, cosa molto significativa, azzerando le possibilità di errore in fase di trascrizione. La progettazione dei calibri si è dovuta adeguare in considerazione del crescente numero di quote Qh e, conseguentemente, anche il loro costo. Il costo dei calibri, infatti, non è un problema secondario, considerato che ciascuno di essi è dedicato a un solo elemento o a un sottogruppo: terminata la produzione di questi componenti (si pensi al caso di un modello di autoveicolo) i calibri destinati a quella commessa cessano di essere usati.

IL ROBOT COME CALIBRO DI CONTROLLO

L’orientamento in tutti gli ambiti pro-

INTRODUZIONE

I processi produttivi di aziende manufatturiere di settori differenti (automotive in primis) richiedono una serie di controlli dimensionali che devono es - sere condotti direttamente sulle linee di produzione o di montaggio, a ope - ra di personale non particolarmente qualificato. A questo scopo vengono diffusamente utilizzati i calibri di controllo, categoria di attrezzi che è progettata per fornire risultati veloci e attendibili. I calibri sono prodotti in resina o in alluminio e si compongono di parti che replicano i riferimenti e i fissaggi del componente in misura, di forme modellate che riproducono le su perfici perimetrali del componente, in modo da misurarne lo scostamento dal no mi nale, e di di spo sitivi di controllo puntuale, i comparatori, che, mon tati su supporti meccanici, permettono di verificare i punti di controllo più im portanti no ti co me punti Qh o Q+. I comparatori di ultima generazione sono dotati di

Figura 1 – Studio di calibro di controllo

Managing Director – AXIST srl lberri@axist.it

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Figura 2 – Esempio di calibro di controllo

Questa seconda c a r a t t e r i s t i c a rende i calibri e - s t r e m a m e n t e complessi da pro - gettare e costosi da realizzare. Di - sporre di un com - paratore per ciascun punto Qh di controllo non è solo costoso, ma talvolta difficile da realizzare da un punto di vista pratico. D’altra parte, le comuni macchine di misura a coordinate (CMMs) non possono essere considerate validi sostituti dei calibri per manifesti problemi logistici (considerato che non possono essere distriduttivi

è quello di aumentare le verifiche in linea sia in termini di frequenza sia di numerosità delle caratteristiche di controllo.

Figura 3 – Misura di elemento tramite robot con testa combinata laser + touch trigger

buite lungo la linea produttiva), di cadenza produttiva e di conoscenze tecniche del personale preposto. Axist ha affrontato il problema di rim-

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piazzare i ca libri di controllo, operando congiuntamente alla Tecnocad, azienda di grande e sperienza nel campo della progettazione di queste attrezzature. Il risultato del lavoro si è concretizzato nel progetto Avris, che prevede l’im piego di robot antropomorfi per eseguire i controlli dimensionali in linea. Il particolare viene bloccato su un “supporto” molto più semplice di un ca libro, in cui vengono replicati solo i riferimenti e i fissaggi, risultando quindi di costruzione estremamente economica. Inoltre, il ricorso a strutture modulari rende possibile il riutilizzo di questi supporti per successive produzioni. Per quanto riguarda la sensoristica, il robot è tipicamente dotato di testa compatta operante con lama laser op - pure in luce strutturata e può avere, in aggiunta, un tastatore tradizionale di tipo touch trigger. L’acquisizione tramite sensore ottico presenta vantaggi dovuti alla velocità di acquisizione alla lettura diretta sulla “pelle” dell’oggetto, senza l’introduzione di offset tipico del tastatore meccanico. Nel caso del robot, l’impiego del sen sore stripe laser presenta un altro fondamentale vantaggio, ovvero quel lo di permettere di acquisire un insieme di punti con un solo posizionamento: la misura viene effettuata mantenendo tutti i giunti del robot fer mi. Vedremo nel seguito che ciò garantisce la massima accuratezza nelle misure condotte con questo tipo di macchine. Per ciascun posizionamento il robot ac quisisce centinaia di punti dai quali è immediato estrarre la caratteristica Qh desiderata. Contrariamente a quanto accade nel caso dei calibri tradizionali, dove ogni singola misura aggiuntiva risulta costosa, con il robot la fase di acquisizione degli elementi da misurare ha durata e costi trascurabili, ragione per cui conviene acquisire un maggior numero di elementi e operare eventualmente un filtraggio successivo. La lama laser si presenta estremamente efficace nel caso di misure di giochi e profili perché permette di estrarre

con facilità le quote richieste, mentre nei calibri tradizionali la misura dei giochi avviene usando spessori calibrati e quindi non dà luogo a risultati numerici oggettivi.

IL CORREDO DEL ROBOT E LA SUA PROGRAMMAZIONE

Solo i particolari di minori dimensioni possono essere misurati impiegando il robot in configurazione stand-alone Frequentemente i prodotti che si in - contrano nelle aziende manifatturiere presentano forme allungate o a parallelepipedo, mentre il volume del robot ha una forma quasi sferica. Per questo è frequente che si debba corredare il robot con guide lineari o tavole girevoli per movimentare il ro - bot stesso o il misurando, in modo da estendere il volume di misura. Il caricamento dei particolari potrà av - venire manualmente, all’esterno del - l’area di lavoro, oppure asservito, per esempio, tramite gripper destinati alla movimentazione del pezzo lungo la linea. La programmazione del percorso di misura non è altrettanta semplice come nel sistemico cartesiano. D’altra parte, la maggior complessità della preparazione del part program fa da contrasto alla minore variabilità dei programmi di mi - sura stessi. Trattandosi di un sistema destinato alla verifica di produzione, il robot è destinato a ripetere un numero limitato di programmi: non lo si deve confondere con una CMM che invece viene tanto più apprezzata quanto più semplice si presenta la programmazione e la facilità d’uso. Il modo più sempliceper programmare il robot rimane quello di tipo

off-line, tramite uno dei numerosi tool di simulazione di processo che il mercato mette a disposizione oltre a quelli, proprietari, dei principali costruttori di robot. Programmare un robot nell’ambiente di simulazione permette altresì di disporre già dei programmi prima ancora di produrre il primo pezzo. Axist, in aggiunta, ha sviluppato sistemi di programmazione per autoapprendimento particolarmente facili da usare, pur trattandosi d’indirizzare i 6 assi dei robot. Uno dei sistemi è stato sviluppato impiegando un Joystick a 6 gradi di libertà cui corrispondono al - trettanti movimenti dell’end effector del robot. Un secondo sistema consiste nel dotare il robot di un tastatore dotato di sensori di forza e tasto co - siddetto di “uomo morto” che permette d’indirizzare in sicurezza l’end ef - fector del robot nella posizione e con l’orientazione desiderata.

OTTENERE MISURE PRECISE DAL ROBOT

Nessun robot antropomorfo attualmente in commercio è intrinsecamente adatto a operazioni di misura di - mensionale, considerato che la sua precisione volumetrica in pochi casi si avvicina a 0,1 mm. Molte delle

Figura 4 – Errori presenti sui giunti dei robot considerati nel modello Denavit-Hartenberg

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caratteristiche peculiari dei robot antropomorfi, come valori alti di payload, alte velocità e accelerazioni non sono interessanti per il suo im - piego come sostituto dei calibri di controllo. Al contrario, alcuni modelli di robot presentano ottimi valori di ripetibilità di posizionamento e questa caratteristica li rende idonei a introdurre metodi di compensazione cinematica per raggiungere gli obiettivi desiderati in termini di precisione volumetrica. Axist ha sviluppato un proprio software per la compensazione cinematica dei robot, che serve a determinare i parametri D-H (Denavit-Hartenberg) che identificano gli errori che sono presenti nei vari giunti di un robot. Definire il modello cinematico del robot significa infatti parametrizzare le relazioni tra i vari link adiacenti in

modo tale da ottenere una relazione tra la base del robot e il polso. I controlli numerici dei robot prevedono matrici di compensazione che leggendo in ingresso i valori D-H restituiscono la posizione corretta dell’end effector (cinematica diretta). L’identificazione del set di parametri D-H dev’essere effettuata tramite l’impiego di uno strumento con accuratezza superiore al robot e in gra - do di operare agevolmente nel volume del robot che si intende compensare. Axist im - piega un comune laser tracker. Per ogni posa del robot, viene acquisito un set di tre punti,

ovvero tre retroriflettori, come si vede in Fig. 5 vincolati a una piastra solidale al polso del robot. Questo metodo consente di ottenere in un’unica

Figura 5 – La flangia con i riflettori misurati dal laser tracker

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Figura 6 – Il diagramma della compensazione cinematica e termica

sequenza di misura la posizione e l’orientamento del polso. Qualora i valori di compensazione non possano essere direttamente elaborati nel controllo del robot, è tuttavia sempre possibile applicare la compensazione dalla conoscenza del - la posizione angolare dei singoli giun - ti, ossia risalire alla posizione corretta dell’end effector. La compensazione inversa sarebbe poco utile nel caso di robot che debbano effettuare operazioni per le

Figura 7 – Risultati della compensazione cinematica

quali sia necessario raggiungere una determinata posizione; nel caso delle applicazioni di collaudo dimensionale, invece, non è tanto importante la precisione con cui si raggiunge una posizione, quanto conoscere con precisione il valore raggiunto, risultato che si ottiene sommando gli errori risultanti dalla compensazione secondo modello Denavit-Hartenberg al valore letto dagli encoder del robot. Grande contributo all’incertezza di misura nei robot è dato dalle de - formazioni indotte da cau se termiche, che nel caso specifico di queste macchine usate per la nostra applicazione sono di tipo endogeno, dovuto al calore prodotto dai gruppi motore-riduttore, piuttosto che di tipo esogeno (l’ambiente). La mappatura della di - stribuzione della temperatura lungo la struttura del robot è stata effettuata installando una serie di sensori wireless e ripetendo il processo di compensazione geometrica

del robot con differenti profili termici. La Fig. 6 descrive la struttura della compensazione cinematica e termica così come è stata sviluppata nel progetto Avris. La riduzione dell’effetto combinato degli errori cinematici e di quelli termici ha permesso di raggiungere risultati ragguardevoli anche su robot certamente non destinati alle misure dimensionali. Il grafico di Fig. 7 riporta i valori iniziali letti in condizioni termiche differenti con quelli ottenuti dopo la compensazione. Il valore medio delle misure è sceso da oltre 2,8 mm a 0,27 mm. Nel caso di robot più piccoli e con grande rigidezza meccanica come lo Staubli TX90 che Axist utilizza per le applicazioni descritte, gli errori dopo la compensazione sono contenuti in un range di 0,09 mm. È evidente che i punti di controllo usati per validare il modello di compensazione non sono gli stessi che sono stati misurati dal laser tracker, altrimenti i risultati sarebbero ancora migliori. Tuttavia, ove possibile, si può effettivamente mappare lo stato del robot in corrispondenza dei punti che verranno usati nella misura, ovvero mappare in corrispondenza delle posizioni Qh. Un altro sistema per migliorare sensibilmente le prestazioni del robot è quello di dotarlo di trasduttori angolari (encoder) aggiuntivi in modo da poter leggere lo spostamento effettivo dei bracci.

Luigi Berri, 58 anni, dopo la Laurea in Ingegneria Meccanica ha iniziato il suo percorso professionale presso COORD3, costruttore italiano di macchine di misura a coordinate, uscendone nel 2000 dopo aver ricoperto la carica di Di - rettore Industriale. Dopo aver avviato e gestito la CAM2, filiale italiana della FARO, ha fondato la AXIST srl, società specializzata nei collaudi dimensionali e di metrologia dimensionale per i principali settori industriali.

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