Digitalizacja powierzchni w aplikacjach mikro, mezo i makro

W artykule przedstawiono wizję metrologii długości i kąta w czwartej rewolucji przemysłowej, określanej jako Przemysł 4.0. Przedstawiono problemy i uwarunkowania z tym związane w kontekście możliwości przyrządów pomiarowych i człowieka. Zaprezentowano pojęcie skali i podział na różne jej zakresy, tzn. makro, mikro i mezo. Dla każdego z obszarów zaprezentowano na czym polega digitalizacja i jakie spełnia zadania.

Wprowadzenie

Czwarta rewolucja przemysłowa, której hasła od kilku lat przewijają się w wystąpieniach teoretycznych wielu szacownych mówców, stawia powoli pierwsze kroki na polu działań praktycznych. Podobnie jak to było w poprzednich tak również w tym przypadku jako motor podejmowanych akcji można przyjąć efekty finansowe i wizerunkowe, czyli z jednej strony wzrost produktywności, a z drugiej lepszą świadomość odnośnie własnych produktów i działania zorientowane na zaspokojenie coraz bardziej finezyjnych potrzeb odbiorców. Uważa się przy tym, że tak jak we wcześniejszych rewolucjach jeden impuls zmieniał cały łańcuch wartości, tak tym razem nakłada się równolegle szereg technologii i odmiennych zachowań, które zintegrowane prowadzą do nowego spojrzenia na produkcję dóbr i usług. A zatem, Przemysł 4.0 tym różni się od wersji poprzedniej, że łącząc istniejące technologie równocześnie zaciera granice między sferami fizyczną, cyfrową i biologiczną procesów wytwórczych [1]. Do tych wymogów musi się również dostosować metrologia, jako zestaw narzędzi weryfikujących jakość i zgodność wymiarową uzyskiwanych produktów.

Wizja metrologii w strategii Przemysł 4.0

Rosnąca swoboda i możliwości wytwórcze powodują generowanie coraz śmielszych kształtów, nie tylko w odniesieniu do elementów zewnętrznych, świadczących o wizjonerstwie projektowania (na przykład obudowy sprzętu gospodarstwa domowego, karoserie samochodowe), ale również elementów maszyn, produkowanych na wieloosiowych centrach wytwórczych. Skutkuje to w działaniach konstrukcyjnych chętnym sięganiem do powierzchni swobodnych, których nie można opisać równaniem krzywej lub powierzchni, a który to opis zastępowany jest chmurą punktów. Również bryły geometryczne, których opis sprowadzał się do parametrów charakterystycznych, przetwarzane są w formie zbioru danych, dzięki czemu operator na bieżąco ma informację również związaną z ich odchyłkami w poszczególnych miejscach. W ten sposób doktryna Przemysł 4.0 wymusza nowe podejście do metrologii, bazującej na chmurze punktów lub opartej na nich siatce trójkątów (tzw. plik .stl). Jednym z podstawowych elementów takiej strategii jest przetwarzanie dużych zbiorów danych. Sama możliwość korzystania z takich zbiorów jest wynikiem rozwoju metrologii długości i kąta i powstawania w ostatnich kilkunastu latach przyrządów pomiarowych opartych o różne zasady fizyczne, które pozwalają zbierać duże liczby współrzędnych punktów pomiarowych w stosunkowo krótkim czasie. A że w większości z nas głęboko zakorzenione jest zamiłowanie do gromadzenia rzeczy i dóbr wszelakich oraz przeświadczenie, że im więcej czegoś mamy tym lepiej (niestety przeświadczenie to nie jest zawsze słuszne), to tym chętniej słuchamy o możliwościach matryc z mega pixelami lub voxelami, łakomym okiem patrząc na powstające generacje przyrządów pomiarowych i współpracującego z nimi oprogramowania. Generowanie i obróbka dużych plików ma przy tym taką wadę, że wymaga potężnych jednostek obliczeniowych, bardzo szybkich i posiadających dużą pamięć kart graficznych, a także dużych pamięci zewnętrznych koniecznych do archiwizacji zebranych danych pomiarowych, ale przecież nie ma dymu bez ognia. Coraz częściej odchodzimy przy tym od analizy poszczególnych wymiarów, ograniczając się do nałożenia uzyskanych danych na nominalny plik pochodzący z aplikacji CAD i wizualnej oceny kolorowej mapy odchyłek, zwłaszcza przy przedmiotach zawierających dużo powierzchni swobodnych (rys.1).

Raporty z pomiarów i zapisywane dane w takim ujęciu nie są zatem liczbami i wartościami parametrów, ale powierzchniami.

Rozwijając przekonanie powstałe kilkadziesiąt lat temu przy wprowadzaniu systemów zapewnienia jakości, twierdzące że najsłabszym ogniwem nowych systemów wytwarzania i oceny produktów jest człowiek, również metrologiczna strategia Przemysłu 4.0 stara się, aby wpływ każdego z nas był istotny na etapie konstruowania i tworzenia programów dla maszyn technologicznych i urządzeń pomiarowych, ale w trakcie ich działania sprowadzał się do działań wspomagających. Coraz częściej producenci mają również świadomość tego, że dobry fachowiec dowolnego szczebla jest „towarem deficytowym”, co skłania ich do poszukiwania rozwiązań alternatywnych, w tym opartych na robotach. Aby jednak człowiek mógł bezpieczne funkcjonować w takim środowisku pojawiła się koncepcja robotów współpracujących, coraz chętniej wykorzystywanych w metrologii długości i kąta. Ich rola sprowadza się z jednej strony do realizacji zautomatyzowanych czynności pomiarowych, a z drugiej do wsparcia, zarówno przy czynnościach wymagających użycia siły jak i wytrzymałości operatora. Przykładowy skaner pomiarowy z robotem współpracującym przedstawiono na rysunku 2.

Skala w metrologii długości i kąta

Termin “skala” w nauce i życiu codziennym bywa rozumiany różnie, niemniej na ogół odnosi się do pewnego zakresu występujących zjawisk [4]. Jako skala (np. Celsjusza) będziemy zatem rozumieć zbiór liczb czy wielkości używanych do porównania wartości wielkości (lub poziomów). Skala jest też szeregiem dźwięków ułożonych według stałego schematu lub wyraża zakres dźwięków danego instrumentu albo głosu ludzkiego. W innym ujęciu skala jest stosunkiem pomiędzy wymiarem rzeczywistym a jego wielkością na mapie, modelu czy diagramie (podziałka). Wreszcie, trochę bardziej potocznie, jako skalę rozumie się poziom, zwłaszcza jeśli jest on wysoki (skala problemu). W geografii, astronomii, meteorologii i statystyce termin skala stosowany jest do opisu i klasyfikacji wymiaru wielkości (najczęściej długości, odległości lub pola powierzchni). Obiekt jest więc mikroskopowy jeśli jest zbyt mały aby zaobserwować go gołym okiem, natomiast megatrend w statystyce dotyczy globalnego zjawiska dla całej planety lub trwającego bardzo długi czas. W fizyce pojęcie skali oddaje to co trochę dokładniej rozumiemy jako rząd wielkości, przy czym rozgraniczenie ma często charakter arbitralny. Metrologicznie skala jest traktowana jako synonim długości (mała skala = mała długość), okres sygnału z powierzchni (chropowatość – mała skala, błąd kształtu – duża skala) albo fragment sygnału częstotliwościowego (okno o pewnym zakresie, które może być przemieszczane po całym uzyskanym sygnale). Metrologia długości i kąta w dużej skali (makro) odnosi się więc do pomiarów cech geometrycznych, w małej skali (nano i mikro) do nierówności powierzchni, a w skali pośredniej (mezo) do tego co otrzymujemy, kiedy nierówności zaczynają przekształcać się w elementy geometryczne. Tradycyjnie do przyrządów wykorzystywanych w skali makro zaliczano współrzędnościowe m.in. maszyny pomiarowe i skanery, a do skali mikro np. profilometry i interferometry. Skala mezo natomiast obejmowała przyrządy do pomiaru błędów kształtu. W ostatnich latach pojawiły się tendencje do rozszerzania zakresów niektórych z wymienionych przyrządów pomiarowych, co spowodowało przemieszczenie się ich zakresu aplikacyjnego. Wśród współrzędnościowych maszyn pomiarowych zaczynają pojawiać się konstrukcje aspirujące do skali mezo, a nawet mikro, z drugiej natomiast strony profilometry i interferometry światła białego o dużym zasięgu pozwalają na pomiar nie tylko nierówności powierzchni, ale także cech geometrycznych w zakresie kilkudziesięciu milimetrów.

Digitalizując powierzchnię w dowolnej skali obszar obserwowany jest obliczany jako funkcja od skali szeregu dopasowań płytek wirtualnych pokrywających ją w sposób mozaikowy [5]. Obszary płytek lub łatek reprezentują skale przestrzenne obserwacji. Dopasowania są powtarzane z płytkami o coraz mniejszych obszarach, w celu wyznaczenia obserwowanych obszarów w zależności od skali przestrzennych obserwacji (rys.4) [6].

Analiza w skali mikro i nano

Digitalizacja w obszarze mikro i nano opiera się na zupełnie innych przesłankach. Jej celem nie jest bowiem identyfikacja geometrii, ale uwypuklenie najistotniejszych cech nierówności powierzchni, polegające na obliczeniu elementu odniesienia i wartości parametrów lub charakterystyk funkcyjnych. W tym obszarze wyróżnienie skali ma największe zastosowanie. Sprowadza się ono do wyodrębnienia poszczególnych składowych z sygnału uzyskiwanego z powierzchni. Występuje tu szereg technik pomiarowych opartych o różne właściwości fizyczne, wśród których wyróżniamy profilometrię stykową i bezstykową (np. wykorzystującą głowice konfokalne), techniki interferometryczne (w tym skaningową interferometrię koherencyjną), mikroskopię optyczną (np. różnicowania ogniskowego, konfokalną), a także mikroskopię opartą o właściwości atomowe (skaningowa mikroskopia tunelowa, mikroskopia sił atomowych itp.). Niektóre z tych technik pozwalają na analizę w skali nano i mikro, inne wychodzą poza mikro i wkraczają w skalę mezo. Przykładowe przyrządy funkcjonujące w skali mikro i nano pokazano na rysunku 8.

Analiza w skali mezo

Digitalizacja w skali mezo jest połączeniem obu opisanych poprzednio. Skala mezo jest efektem wspomnianego wcześniej rozwoju przyrządów pomiarowych i będącego ich wynikiem zwiększenia zakresów pomiarowych. Oprócz zatem przyrządów do pomiaru odchyłek kształtu, które tradycyjnie znajdowały się w pół drogi pomiędzy metrologią związaną z cechami geometrycznymi, a analizą nierówności powierzchni, w ostatnich pojawiły się tu nowe przyrządy. Z jednej strony są to konstrukcje oparte na współrzędnościowych maszynach pomiarowych, a z drugiej na interferometrach światła białego. Oba te rozwiązania umożliwiają pomiar zarówno elementów nierówności powierzchni jak i pewnych cech geometrycznych. Przykładowe przyrządy funkcjonujące w skali mezo pokazano na rysunku 12.

Podsumowanie

W strategii Przemysł 4.0 metrologia ma się stać w pełni integralną częścią procesu produkcyjnego, nawet jeśli nie wszystkie systemy pomiarowe będą fizycznie w ten proces wbudowane. Zasadniczą rolę w tym procesie pełnić będzie automatyzacja, przez co kontrola po procesie produkcji zacznie być zjawiskiem coraz rzadszym. Kontrola czynna, realizowana w trakcie procesu za pomocą nowej generacji inteligentnych czujników, często zintegrowanych z liniami produkcyjnymi i urządzeniami wytwórczymi, pozwalającymi na bieżącą ingerencję sztucznej inteligencji w proces jest wyzwaniem nie tylko metrologii, ale również sensoryki i bardziej ogólnie mechatroniki. Jednym z kroków do tego celu jest przy tym automatyczna kalibracja urządzeń pomiarowych oraz prace zmierzające do uproszczenia interfejsów oprogramowania i możliwości łatwego transferu danych pomiędzy poszczególnymi aplikacjami. Ten element jest jednym z kluczowych przy tworzeniu inteligentnych fabryk w oparciu o podejście Przemysł 4.0.

Metrologia długości i kąta w różnych skalach pozwala na digitalizację wykonanych elementów, dzięki czemu wpisuje się w filozofię big data. Coraz częściej obserwowane są sytuacje, w których wytwarzany element analizowany jest na podstawie mapy odchyłek, a jego jakość postrzegana jest holistycznie w różnych skalach. Ta tendencja niewątpliwie będzie rozwijana w najbliższych latach.

Literatura

1. http://www.dlahandlu.pl/technologie-i-wyposazenie/deloitte-polska-nie-jest-jeszcze-gotowa-na-czwarta-rewolucje-przemyslowa,68401.html.
2. Panek M., Analiza dokładności odtwarzania kształtów swobodnych w inżynierii odwrotnej, Politechnika Poznańska, Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania, 2017.
3. https://www.polytec.com/int/surface-metrology/products/large-area-measuringsystems/ tms-100-topmap-metrolab/ z dnia 10.07.2018.
4. Wieczorowski M.. Pawlus P., Mathia T., Scale issue in length metrology, Proceedings of XIII International Scientific Conference Coordinate Measuring Technique, Bielsko-Biała, 2018.
5. Brown C.A., Charles P.D., Fractal Analysis of Topographic Data by the Patchwork Method, Wear, 161, 1993, 61-67.
6. ASME B46.1-2003, Surface Texture, Surface Roughness, Waviness and Lay.
7. Ratajczyk E., Tomografia komputerowa CT w zastosowaniach przemysłowych, Cz. II. Tomografy i ich parametry, przykłady zastosowań, Mechanik, 3, 2011, 226-231.
8. Gapiński B., Wieczorowski M., Marciniak-Podsadna L., Dybała B., Ziółkowski G., Comparison of Different Method of Measurement Geometry using CMM, Optical Scanner and Computed Tomography 3D, Procedia Engineering 69, 2014, 255–262.
9. https://www.creaform3d.com/en/metrology-solutions/cube-r-automated-qualitycontrol z dnia 13.07.2018.
10. PN-EN ISO 25178-2, Specyfikacje geometrii wyrobów (GPS) — Struktura geometryczna powierzchni: Przestrzenna — Część 2: Terminy, definicje i parametry struktury geometrycznej powierzchni, 2014.
11. LeGoïc G., Bigerelle M., Samper S., Favrelière H., Pillet M., Multiscale roughness analysis of engineering surfaces: A comparison of methods for the investigation of functional correlations, Mechanical Systems and Signal Processing, 66-67, 2016, 437–457.
12. Marteau J., Wieczorowski M., Xia Y., Bigerelle M., Multiscale assessment of the accuracy of surface replication, Surface Topography: Metrology and Properties, 2, 2, 2014, 044002.
13. Senin N., Leach R., Information-rich surface metrology, Commercial micro manufacturing international, 11, 4, 26-39
14. Wieczorowski M., Pomiary nierówności powierzchni: metody i aplikacje, Materiały Surface Forum, Spała, 2018.