Métrologie at-line robotisée : quand ajouter une station optique à caméra

Divulgation des sources : cette page est un guide d'ingénierie indépendant, fondé sur les informations publiques de la société Eleven Dynamics AG. Il ne s'agit ni d'un cas client, ni d'une référence d'installation, ni d'une approbation, ni d'une déclaration de compatibilité vérifiée. Aucune caméra, aucun objectif télécentrique ni tête de mesure POMEAS n'est identifié comme installé sur la plateforme citée, et le statut d'intégration ou d'achat est UNKNOWN.

« Métrologie at-line » est une formule qui cache une décision. Une cellule robotisée qui porte une pièce devant une caméra peut produire une image, et l'image peut être traitée en un chiffre, mais ce chiffre n'est une mesure que si la chaîne entière, du datum de la pièce à la valeur publiée, a été caractérisée. La question à poser avant d'ajouter une station caméra n'est pas de savoir si le robot peut atteindre la position d'inspection. C'est de savoir si l'incertitude combinée d'une station à caméra peut rester assez petite, relativement à la tolérance, pour valoir le temps de cycle qu'elle consomme.

Cette page répond à cette question dans l'ordre où elle devrait être posée : d'abord l'incertitude, ensuite la géométrie, puis le temps de cycle, et enfin la responsabilité des interfaces. Elle indique aussi où une station caméra est le mauvais instrument, car une cellule robotisée est un endroit coûteux pour découvrir que la présentation de la pièce bouge plus que la tolérance ne le permet.

Un robot est du mouvement, pas de la métrologie

Un bras six axes se spécifie par sa répétabilité, généralement en dizaines de micromètres, et par sa précision absolue, généralement un ordre de grandeur moins bonne. Aucun de ces deux chiffres n'est une incertitude de mesure, car aucun ne décrit la géométrie du détail mesuré. Quand une caméra est montée sur le bras, l'erreur de positionnement du bras entre dans la chaîne deux fois : une fois comme changement d'angle de vue par rapport à la pièce, une fois comme changement de distance de travail. Si la pièce est au contraire tenue par le robot et présentée à une caméra fixe, les mêmes erreurs apparaissent comme un changement de pose dans le champ de vision.

C'est pourquoi une station caméra sur un robot a deux architectures possibles, qui ne sont pas équivalentes. Une caméra fixe avec une pièce présentée par un robot peut utiliser une chaîne optique rigidement montée, un étalonnage fixe et une géométrie d'éclairage stable, ce qui minimise l'incertitude optique mais exige que le robot présente la pièce de façon cohérente. Une caméra sur le bras atteint des détails qu'une station fixe ne voit pas, mais son étalonnage doit tenir compte de la pose, et chaque pose devient un état d'étalonnage. La première architecture est plus facile à qualifier ; la seconde est plus facile à justifier par l'accessibilité.

Ce qu'une plateforme ouverte intègre réellement

Eleven Dynamics décrit publiquement EDAS comme une plateforme d'automatisation ouverte qui connecte machines, capteurs et données de production pour la métrologie inline et at-line. Le mot « ouverte » décrit la capacité du logiciel à échanger des données avec des équipements ; il n'établit pas une compatibilité native avec un contrôleur optique, un schéma de déclenchement ou un bus de terrain particulier, et il n'établit certainement pas qu'une tête de mesure POMEAS a été intégrée. Ces questions doivent être tranchées par les deux fournisseurs par écrit, avec un protocole et un schéma de synchronisation, avant qu'un devis ait un sens.

Quatre questions qui décident si une station caméra a sa place

D'abord, la pièce est-elle positionnée mécaniquement ou arrive-t-elle dans une pose arbitraire ? Une caméra mesure ce qu'elle voit d'une seule direction : les détails d'une face cachée exigent une seconde vue ou une réorientation, et cette dernière coûte du temps de cycle. Ensuite, quelle est la tolérance et quelle part la mesure peut-elle en consommer ? Une station caméra qui consomme l'essentiel d'une tolérance a détruit la marge de procédé qu'elle devait protéger. Troisièmement, quel temps de cycle est disponible par pièce, y compris stabilisation, exposition et traitement ? Quatrièmement, qui possède le repère de coordonnées et la décision de rejet quand la plateforme, la caméra et l'automate ont chacun un avis ?

Une réponse négative à la première question n'est pas fatale, mais elle change la conception : un logement de positionnement ou une butée cinématique coûte habituellement moins cher qu'un algorithme de vision qui gère une pose arbitraire, et se valide bien plus facilement. Une réponse négative à la quatrième est fatale en pratique, car deux systèmes qui prétendent tous deux décider conforme ou non finiront par diverger sur une pièce réelle.

Le bilan d'incertitude, avec des chiffres

Prenons une tolérance hypothétique de plus ou moins 0.10 mm sur une dimension plane. Supposons que l'étalonnage de la caméra contribue une incertitude-type de 0.015 mm, le bridage et le positionnement de la pièce 0.025 mm, et les effets thermiques sur la plage de travail 0.010 mm, traités comme indépendants. L'incertitude-type combinée est la racine de la somme des carrés.

Face à une tolérance de plus ou moins 0.10 mm, une incertitude élargie de 0.0616 mm représente 31 pour cent de la largeur de tolérance, ou 62 pour cent de la tolérance unilatérale. La règle empirique habituelle veut que l'incertitude de mesure consomme au plus environ un dixième de la tolérance : ce bilan ne passe donc pas, et l'arithmétique dit pourquoi : le seul bridage contribue 0.025 mm en incertitude-type, un quart de la tolérance avant d'ajouter quoi que ce soit. La réponse n'est pas un meilleur objectif. C'est un logement de positionnement, un datum répétable, ou une tolérance plus lâche sur cette dimension.

Notez ce que le bilan exclut : la pose du robot, la détection de bord de l'algorithme, la variation d'éclairage et l'erreur de forme pièce à pièce. Ils appartiennent au même tableau quand ils sont mesurés, et leur absence est la raison pour laquelle les chiffres ci-dessus sont illustratifs plutôt que certifiants. Un bilan qui ne liste que les termes optiques est un bilan qui a déjà écarté la moitié difficile.

Géométrie : ce qu'un champ télécentrique retire du bilan

Un terme que l'optique peut réellement supprimer est le changement d'échelle dû à la distance de travail. Un objectif télécentrique maintient le grandissement constant sur sa profondeur de champ, c'est pourquoi une pièce présentée un peu plus haut mesure la même taille. Les valeurs POMEAS publiées rendent le compromis explicite : un objectif bi-télécentrique 1.0X avec un champ objet de 18.4 mm maintient 0.75 mm de profondeur de champ à 110 mm de distance de travail, avec une télécentricité inférieure à 0.1 degré et une distorsion inférieure à 0.1 pour cent, tandis qu'un champ plus grand coûte de la profondeur de champ et qu'une distance de travail plus courte coûte du dégagement.

Cette profondeur de champ est le chiffre à comparer à l'erreur de présentation du robot, pas à sa spécification de répétabilité. Si la pièce peut arriver un millimètre plus haut ou plus bas que la position enseignée, 0.75 mm de profondeur de champ ne suffit pas et la station exige soit une butée mécanique, soit un mécanisme d'autofocus, qui changent tous deux le temps de cycle. Si la présentation est tenue par un logement, 0.75 mm est généreux.

Pour des mesures sur une gamme de tailles plutôt qu'une dimension fixe, un zoom motorisé est le compromis pratique : une plage 0.68X-5.0X à 80 mm de distance de travail couvre plusieurs familles de pièces dans une seule station. La condition, encore, est que la position de zoom soit répétable et l'échelle à chaque position étalonnée : un zoom dont le grandissement n'est connu qu'à quelques pour cent près est une aide visuelle. Là où la stabilité d'échelle compte plus que la plage, le macro zoom télécentrique 0.5X-1.0X maintient la distorsion sous 0.02 pour cent avec une distance de travail entre 75 et 106 mm.

Arithmétique du temps de cycle

Considérons un cycle illustratif : 2.0 s de mouvement du robot jusqu'à la position d'inspection, 0.3 s de stabilisation, une exposition en dizaines de microsecondes et 0.15 s de traitement d'image et de transmission du résultat. La station occupe 2.45 s par pièce, soit 1469 pièces par heure si la cellule n'attend jamais. À 80 pour cent de disponibilité réaliste, cela devient environ 1175 pièces par heure, et si la ligne va plus vite, la station caméra devient la contrainte.

Deux conclusions suivent. Le mouvement et la stabilisation dominent le bilan, pas l'imagerie : l'exposition est négligeable et le traitement petit, donc acheter une caméra plus rapide achète rarement du temps de cycle, tandis que raccourcir le déplacement ou raidir le bridage en achète souvent. Et un temps de stabilisation spécifié plutôt que mesuré est une conjecture : la vibration après un mouvement rapide s'amortit sur une durée qui dépend de la structure, et la seule façon fiable de régler le délai de déclenchement est d'imager une cible de référence de façon répétée à des délais décroissants jusqu'à ce que la valeur mesurée cesse de bouger.

Frontières d'interface et de responsabilité

Écrivez avant l'installation qui fournit le déclenchement, quelle est sa latence, quel est le protocole de résultat, où vivent les constantes d'étalonnage, et quel système décide d'un rejet. Le mode de défaillance à éviter est une station où la caméra calcule une valeur, la plateforme applique une correction, et l'automate en applique une seconde : trois systèmes corrects chacun et une dimension publiée qui n'appartient à aucun.

Deux points appartiennent au même document. L'éclairage doit être sous le contrôle du même déclenchement que la caméra, car un stroboscope qui se déclenche au mauvais moment produit une image plausible à la mauvaise échelle. Et le résultat de mesure doit porter la révision d'étalonnage et la position de zoom éventuelle, pour qu'un résultat soit traçable vers l'état de la station qui l'a produit.

Protocole pilote

Répétez des mesures sur une pièce de référence à plusieurs positions du volume de travail et sur au moins deux équipes. Journalisez la pose du robot, la température ambiante, l'exposition, la date d'étalonnage, l'opérateur et le détail mesuré, car une dérive qu'on ne peut pas attribuer est une dérive qu'on ne peut pas corriger. Comparez les résultats à un instrument de référence traçable, et mesurez le temps de cycle complet de la station plutôt que le temps d'imagerie. Si la même pièce mesurée à la même position sur deux équipes diverge de plus que ce que le bilan prédit, il manque un terme au bilan, et ce terme est habituellement thermique ou mécanique plutôt qu'optique.

Questions fréquentes

La répétabilité du robot équivaut-elle à la précision de mesure ?

Non. La répétabilité décrit la régularité avec laquelle le bras revient à une pose enseignée ; la précision décrit la proximité de cette pose avec la pose visée dans le repère machine. Aucune des deux n'est une incertitude de mesure d'un détail, car toutes deux omettent la chaîne optique, le datum de la pièce et l'algorithme. Un robot répétable qui présente une pièce à une station caméra mal étalonnée produit un chiffre faux répétable, le pire résultat parce qu'il paraît stable.

Une tête de mesure HM peut-elle se monter sur n'importe quel robot ?

La faisabilité mécanique et d'interface n'est pas vérifiée pour un robot précis. La série HM publiée couvre des étendues de mesure de 15 mm à 120 mm avec une répétabilité entre 0.05 µm et 0.2 µm selon le modèle, et une tête à ce niveau de performance exige un support dont la flexion et le comportement thermique sont connus, plus une interface de communication réellement supportée par la plateforme. Ces deux questions doivent être tranchées par les deux fournisseurs plutôt que supposées à partir d'un dessin de fixation.

Quelle part de la tolérance une station caméra peut-elle consommer ?

Une règle de travail courante veut que l'incertitude de mesure consomme environ un dixième de la tolérance. Dans le bilan illustratif de cette page, l'incertitude élargie atteint 0.0616 mm face à une tolérance de plus ou moins 0.10 mm, soit 31 pour cent de la largeur de tolérance, bien au-delà de la règle. Le contributeur dominant y est le bridage plutôt que l'optique, ce qui est typique : l'amélioration la moins chère est habituellement un meilleur datum, pas un meilleur objectif.

Une caméra sur le bras du robot est-elle meilleure qu'une station fixe ?

Elles résolvent des problèmes différents. Une caméra sur le bras atteint des détails qu'une station fixe ne voit pas, au prix d'un état d'étalonnage par pose et d'un bilan d'incertitude plus grand. Une station fixe avec pièce présentée par le robot garde la chaîne optique rigide et la géométrie d'éclairage stable, ce qui rend la qualification bien plus facile, mais exige une présentation répétable. Choisissez sur la mesure, pas sur la commodité mécanique.

Prochaine étape

Envoyez le plan coté des détails, la méthode de présentation, le temps de cycle disponible et la méthode de mesure actuelle. La première réponse est un bilan, pas une recommandation d'objectif, car le bilan décide si une station caméra est capable avant que l'optique soit choisie. Pour la chaîne autour, le guide du système de mesure dimensionnelle en ligne couvre la configuration d'une station fixe, le bilan d'erreur de mesure de diamètre en ligne déroule les mêmes contributeurs sur un détail cylindrique, et la comparaison entre jauge, confocal et vision couvre les classes d'instruments en concurrence pour ce travail. La note sur l'intégration automate et le triage couvre la frontière d'interface, et l'analyse de la dérive télécentrique quand la pièce bouge couvre ce qui arrive quand l'erreur de présentation dépasse la tolérance optique. Le système de mesure télécentrique HM et la gamme d'objectifs télécentriques portent les données actuelles des modèles, et la page contact est l'endroit où envoyer le plan.