Przez wiele lat kontrola jakości w procesach produkcyjnych wyglądała podobnie: detal po obróbce trafiał do klimatyzowanej izby pomiarowej, czekał w kolejce, był mierzony, a następnie wracał – do dalszej produkcji lub na złom. Dziś, gdy liczy się czas, model ten stał się anachronizmem. Technologia pomiarów inline polega na bezpośredniej integracji systemów pomiarowych z linią produkcyjną. Umożliwia to ciągłe i cykliczne pozyskiwanie danych pomiarowych podczas procesu produkcyjnego.

Powiązane firmy

– W metrologii inline kluczowa jest całkowita rezygnacja z izolowania kontroli jakości jako osobnego etapu. W praktyce oznacza to, że technologie Hexagon stają się integralną częścią linii, pracując w tempie narzuconym przez roboty spawalnicze czy montażowe – tłumaczy Piotr Pietraszek, country leader Poland & Baltics w Hexagon Manufacturing Intelligence. 

Co istotne, nie chodzi tylko o przeniesienie maszyny na halę produkcyjną z miejsc, w których wykonywano pomiary. Jak wyjaśnia Pietraszek, główną różnicą jest praca w trudnym środowisku hali – przy zmiennej temperaturze i wibracjach – gdzie system musi zachować precyzję izby pomiarowej.

To jest właśnie sedno zmian w pomiarach przemysłowych, które muszą zachować najwyższą precyzję także w środowisku, które tradycyjnie uważano za wrogie dla metrologii. Kurz, wibracje, wahania temperatury, mgła chłodziwa – wszystko musi zostać zneutralizowane, aby wyniki pomiarów były wiarygodne.

Prewencja zamiast reakcji

Tradycyjna metrologia wykrywa problem, gdy setki wadliwych detali już opuściły linię produkcyjną. Natomiast metrologia inline wykrywa zagrożenie, zanim stanie się ono faktem.

Według Piotra Pietraszka największą zaletą jest możliwość natychmiastowej korekty procesu. Jeśli system wykryje, że punkty montażowe zaczynają „płynąć” w stronę granicy tolerancji, linia może zostać skorygowana automatycznie, zanim powstanie jakikolwiek wadliwy egzemplarz. To przejście z trybu wykrywania błędów na tryb aktywnego zapobiegania im, co w skali masowej diametralnie obniża koszty produkcji.

W produkcji masowej, gdzie z linii montażowej gotowy produkt zjeżdża co 60 s, wykrycie błędu po 2 godzinach oznaczałoby 120 wadliwych produktów. W niektórych branżach, które wytwarzają dobra o dużej wartości, może to oznaczać straty sięgające milionów złotych.

Również Piotr Mężyński, business director IM/PM w Renishaw, dostrzega te zalety metrologii inline, która pozwala na natychmiastową weryfikację skomplikowanych geometrii bez konieczności kosztownego i czasochłonnego transportu detali do izb pomiarowych.

Mężyński dodaje też: – Dziś każda minuta przestoju lub ryzyko powstania niezgodności to straty liczone w tysiącach euro, dlatego kontrola w czasie rzeczywistym jest standardem, a nie wyborem.

Metrologia inline – liderzy zmian

Choć metrologia inline powoli staje się standardem w każdej branży produkcyjnej, dziś można wymienić kilku liderów, którzy już mocno stawiają na pomiary w trakcie procesu. Według Piotra Mężyńskiego w polskim przemyśle liderami są sektory aerospace, defence, medyczny i energetyczny.

Ważnym motorem wzrostu jest również obszar komponentów strukturalnych dla elektromobilności. Wynika to w głównej mierze z bezkompromisowych wymogów bezpieczeństwa i ogromnej wartości obrabianych komponentów. Wykonywane często z trudnoobrabialnych materiałów, wymagają wielu pomiarów w trakcie cyklu produkcyjnego. 

Bez wątpienia metrologia inline będzie jednym z filarów nowoczesnych zakładów produkcyjnych. Jak przekonuje przedstawiciel firmy Renishaw, będzie to integralny element każdej nowoczesnej linii produkcyjnej, a nie opcjonalny dodatek. Zgodnie z filozofią kompleksowego zarządzania procesem rozwiązania pomiarowe muszą być bowiem obecne na każdym etapie – od skalibrowania obrabiarki, aż po ostatni etap potwierdzenia zgodności części.

– W zaawansowanych zakładach metrologia jest wkomponowana w takt produkcji, co eliminuje powstawanie wąskich gardeł. Traktowanie jej jako elementu uzupełniającego to ryzyko skalowania błędów procesowych – przestrzega Piotr Mężyński. – W dobie walki o najwyższą wydajność i oszczędność surowców zintegrowane systemy pomiarowe stają się kręgosłupem rentownej produkcji.

Technologie w sercu systemu

Nie byłoby oczywiście mowy o metrologii inline bez nowoczesnego sprzętu pomiarowego: współrzędnościowe maszyny pomiarowe (CMM), w tym odporne na wibracje i z kompensacją temperaturową, sondy montowane na obrabiarkach CNC, skanery optyczne 3D czy systemy wizyjne – to tylko przykłady dostępnych obecnie urządzeń.

Zmiany w tym obszarze może nie są rewolucyjne, ale ich kierunek jest jednoznaczny: – Coraz większą rolę odgrywa automatyzacja procesów pomiarowych. Metrologia staje się integralną częścią produkcji. Do tego ważnym trendem na rynku pomiarów „w ogniu pracy” jest skracanie czasu przygotowania programu pomiarowego – mówi Monika Kunicki, product manager w Mitutoyo. – Dlatego coraz częściej wdrażamy MiCAT Planner, oprogramowanie, które wykorzystuje modele 3D z PMI, pozwalając tworzyć programy za pomocą jednego kliknięcia. Tak wygenerowany w ciągu kilku sekund program ładuje się na maszynę CMM, która znajduje się w linii produkcyjnej i jest  natychmiast gotowa do pracy. 

Taka zmiana pozwala zmienić programowanie z godzin do sekund. Dodatkowo, jak opisuje Monika Kunicki, wyniki dostępne są w czasie rzeczywistym w systemie SPC Measurlink, gdzie są widoczne stan i wyniki wszystkich stacji pomiarowych w firmie.

Wyzwania wdrożenia – konieczne realistyczne spojrzenie

Każda większa zmiana ma swoją cenę i wyzwania, z którymi muszą się zmierzyć firmy. Również metrologia inline stawia przed firmami poważne wyzwania. Jednym z najważniejszych jest integracja z istniejącymi liniami produkcyjnymi.

Jak wyjaśnia Maksymilian Skupień, project manager w Mitutoyo, kluczowym wyzwaniem jest integracja nowoczesnych systemów pomiarowych z procesem produkcyjnym w ramach zamkniętej pętli sterowania. W praktyce pojawiają się bowiem różnice w formatach danych i protokołach komunikacyjnych różnych producentów, konieczność użycia jednego integratora, ograniczony czas na testy oraz wymogi bhp (często bardzo restrykcyjne).

Nie są to są abstrakcyjne trudności. Często można spotkać w fabrykach sytuacje, w których maszyna CNC pochodzi od producenta A, robot od producenta B, system pomiarowy od producenta C i wreszcie system MES od producenta D. Każdy element używa własnego, innego protokołu. Pojawia się więc realny problem, żeby połączyć te elementy w działający system.

Potwierdza to Maksymilian Skupień: – Wyzwaniem jest również synchronizacja z robotami i magazynami paletowymi, kompatybilność oprogramowania sterującego z MES i SPC. Każdy projekt jest inny i wymaga indywidualnego podejścia.

Naturalnie można sobie poradzić również z takimi problemami. Jak wskazuje Skupień, niezwykle ważne podczas wdrożenia jest, aby prowadził je zespół otwarty na nowe wyzwania, a nie zamknięty w gotowych procedurach. I dodaje: – Takim partnerem są inżynierowie w naszej firmie, którzy kompleksowo podchodzą do problemów i zapewniają spójność całego systemu, minimalizując ryzyko błędów na styku poszczególnych etapów integracji.

Kolejnym poważnym wyzwaniem jest konieczność zapewnienia odpowiedniej precyzji pomiarów w zmiennym środowisku hal produkcyjnych. W warunkach laboratoryjnych temperatura jest optymalna, nie ma wibracji, a powietrze jest filtrowane. Natomiast w zakładzie produkcyjnym temperatura w ciągu dnia może się dość mocno zmieniać, występują wibracje, a w powietrzu krążą drobinki kurzu lub mgły olejowej.

Mimo to systemy pomiarowe inline muszą zachować precyzję porównywalną z tą, jaką można uzyskać w izbie pomiarowej. Rozwiązaniem są m.in. amortyzatory wibracji, aktywna kompensacja temperaturowa i obudowy ochronne.

Trzeba też mieć świadomość, że systemy pomiarów w produkcji mogą dość dużo kosztować. W przypadku małej firmy, która wytwarza miesięcznie niewiele, inwestycja w kosztowną metrologię inline może być nieopłacalne. Z kolei dla zakładu produkującego np. 10 000 detali dziennie czas zwrotu z takiej inwestycji będzie stosunkowo krótki.

Jeszcze jednym z wyzwań są kompetencje zespołu. Operator musi rozumieć zarówno sam proces produkcyjny, jak i realizowane w jego trakcie pomiary. Konieczne jest odpowiednie zarządzanie integracją systemów. To wymaga szkoleń i inwestycji w ludzi.

Przemysł 4.0 i sztuczna inteligencja

Koncepcja metrologii inline nie wzięła się znikąd. To ważny element Przemysłu 4.0 i działających w jego realiach inteligentnych fabrykach. Potwierdza to Piotr Mężyński z firmy Renishaw, według którego metrologia inline gra rolę „układu nerwowego” inteligentnej fabryki, do starczając dane niezbędne do autonomicznego podejmowania decyzji przez maszyny.

– Wdrażając kolejne elementy piramidy produktywności, pokazujemy, że pomiar podczas obróbki zamyka pętlę sprzężenia zwrotnego. Dane z pomiarów pozwalają na automatyczną korektę parametrów obróbczych i kompensację zużycia narzędzi – dodaje przedstawiciel Renishaw. – To jest przejście od pasywnej kontroli jakości do aktywnego sterowania stabilnością procesu. Dzięki temu fabryka staje się organizmem samoregulującym, co minimalizuje zapotrzebowanie na manualne interwencje i pozwala personelowi skupić się na zadaniach o wyższej wartości dodanej.

Obecnie wchodzimy na jeszcze wyższy poziom zaawansowania pomiarów przemysłowych. Jak wyjaśnia bowiem Piotr Pietraszek z firmy Hexagon, sztuczna inteligencja w metrologii inline przestała być futurystyczną wizją, a stała się niezbędnym narzędziem optymalizacji.

I dodaje: – W naszej firmie wykorzystujemy sztuczną inteligencję przede wszystkim do analizy predykcyjnej.  Systemy nie tylko raportują, że wymiar czy warunki środowiskowe są poza tolerancją. Potrafią też przewidzieć, kiedy to nastąpi, analizując dryf parametrów maszyny.

Zamiast komunikatu „dany wymiar jest nieprawidłowy" system może dostarczyć informację, że już za 50 detali wymiar przekroczy dopuszczalną granicę, jeśli już teraz nie zostaną skorygowane parametry procesu.

Kolejną zaletą wykorzystania sztucznej inteligencji w pomiarach jest to, że wspiera ona także filtrowanie „szumu” danych w trudnych warunkach hal produkcyjnych, gdzie wibracje czy zmiany temperatury mogłyby fałszować wyniki. Według Pietraszka to już standard w takich sektorach, jak automotive czy aerospace.

Tam, gdzie liczy się każda sekunda i mikron, sztuczna inteligencja jest podstawą autonomicznych pętli sprzężonych (closed-loop manufacturing), które same korygują ustawienia maszyn obróbczych. Dla mniejszych zakładów to wciąż etap wdrożeń, ale tempo adaptacji sugeruje, że w ciągu najbliższych lat metrologia bez wsparcia algorytmów uczenia maszynowego będzie postrzegana jako niekompletna
i nieefektywna.

Przyszłość mierzona w czasie rzeczywistym

Metrologia inline to dzisiejsza rzeczywistość nowoczesnych pomiarów przemysłowych. W najbardziej wymagających branżach (automotive, aerospace czy medycynie) stała się standardem, ale w innych branżach również szybko zyskuje na popularności. Przejście od wykrywania błędów do zapobiegania im, od kontroli wyrywkowej do 100-proc. kontroli w czasie rzeczywistym – to podstawa tej niemal rewolucyjnej zmiany.

Naturalnie nie każda firma będzie potrzebować pomiarów w trybie inline. Ale te, których produkcja wiąże się z koniecznością zapewnienia odpowiedniej precyzji, szybkości i jakości, szybko odkryją, że bez trybu inline trudno będzie sprostać wymaganiom rynku. Inwestycja w technologie pomiarowe inline to inwestycja, która ma przynieść określone korzyści – mniej błędów produkcyjnych, szybszy czas realizacji procesu, a także lepszą jakość finalnego produktu.

Jak podsumowuje Monika Kunicki z Mitutoyo: – Oto przyszłość metrologii – rozwiązania inline, które oferują analizę w czasie rzeczywistym i działania prewencyjne, a nie wyłącznie reaktywne.