Perspektywy współczesnej metrologii

Istotną rolę w strategii przemysłu 4.0 odgrywa pomiar – na podstawie jego wyników podejmowane są decyzje związane z funkcjonowaniem systemów i ich elementów. To z kolei przekłada się na koncepcję metrologii 4.0 [4].

Takie współistnienie metrologii z przemysłem, czy szerzej: z wytwarzaniem, zachodzi od zarania dziejów. Już w starożytności pomiary długości i kąta odgrywały istotną rolę. Podczas budowy piramid egipskich przestrzegano ścisłych wymagań wymiarowych. Licząca prawie 4600 lat piramida Cheopsa, zawierająca ok. 2 300 000 kamiennych bloków o średniej masie ponad 2000 kg, została postawiona na terenie sztucznie wyrównanym w taki sposób, że różnica wysokości przeciwległych narożników wynosi 13 mm, a boki kwadratowej podstawy ustawione są względem stron świata z niepewnością 4 minut kątowych. W jednym ze starożytnych grobowców znaleziono rysunek, który można uznać za pierwsze udokumentowanie zastosowania metrologii w produkcji (rys. 1).

Rysunek ten przedstawia klasyczny przykład kontroli w trakcie produkcji, ponieważ obróbka bloku skalnego jest realizowana symultanicznie z jego pomiarami.Wynika z tego, że pomysł na kontrolę czynną powstał już dawno temu. Kontrola odbywała się za pomocą wzorców długości, które porównywano ze wzorcem wyższego rzędu. Wzorce wykorzystywane przez pracowników były drewniane, a wzorzec wyższego rzędu był z czarnego granitu. Starannie go przechowywano i wykorzystywano do porównań ze wzorcami użytkowymi. Zatem już w starożytności istniała hierarchia wzorców, której przestrzeganie było ważnym elementem prac wykonawczych.

W okresie rewolucji przemysłowych metrologia była związana ze zmianami zachodzącymi w przemyśle. Kiedy pod koniec XVIII w. stworzono pierwsze krosno mechaniczne, a później maszyny parowe – uważane dziś za wyznaczniki pierwszej rewolucji przemysłowej – pojawiła się również pierwsza suwmiarka z noniuszem. W tym czasie Francuskie Zgromadzenie Narodowe wydało uchwałę definiującą metr jako dziesięciomilionową część ćwiartki południka ziemskiego. Stała się ona podstawą do porównywania wzorców w czasach nowożytnych. Konsekwencją tego był również końcowy archiwalny wzorzec metra.

Niecałe 100 lat później druga rewolucja przemysłowa zapoczątkowała masową produkcję, linie montażowe i upowszechnienie energii elektrycznej. Metrologia w wersji 2.0 odpowiedziała na to stworzeniem dokładniejszego wzorca metra, opartego na kresach, i płytkami wzorcowymi oraz całą filozofią ich stosowania, autorstwa Carla Edvarda Johanssona (są one wykorzystywane w przemyśle nieprzerwanie od 1911 r.). Nieco później opracowano pierwsze przyrządy do pomiaru chropowatości powierzchni [5].

Kolejna, trzecia rewolucja przemysłowa – której wyznacznikiem w 1969 r. stał się pierwszy sterownik PLC, a wraz z nim: automatyzacja, komputery i gwałtowny rozwój elektroniki – mogła już skorzystać z redefinicji metra z roku 1960. Po raz pierwszy wzorzec materialny został zastąpiony wzorcem falowym, bazującym na długości fali światła emitowanego przez krypton86 (w 1983 r. XVII Generalna Konferencja Miar przyjęła obecną definicję metra jako długość drogi przebytej w próżni przez światło w czasie 1/299 792 458 s). Koniec lat 50. XX w. to także pierwsza współrzędnościowa maszyna pomiarowa (rys. 2), której kolejne wersje w różnych układach konstrukcyjnych zaczęły się pojawiać w następnych latach.

Metrologia 3.0 to dalsza automatyzacja pomiarów, minimalizacja błędów urządzeń pomiarowych i nowe pomysły, co w latach 70. Znalazło wyraz w konstrukcji głowicy przełączającej do CMM, pomiarach skaningowymi i początkach analizy topografii powierzchni.

Metrologia gra ważną rolę także od początku istnienia koncepcji przemysłu 4.0. Co więcej, można śmiało powiedzieć, że wymusiła niektóre jej elementy. Kiedy zatem rok 2011 przyniósł początki obecnej, czwartej rewolucji przemysłowej, techniki pomiarowe korzystały już z rozwoju skanowania (w tym za pomocą fal elektromagnetycznych) i związanych z nim dużych zbiorów danych oraz wkraczającej coraz powszechniej digitalizacji i pracy na kolorowych mapach odchyłek. Zaczęto powszechnie analizować powierzchnie swobodne, zastępując opis matematyczny chmurą punktów. Kolejne tendencje w metrologii 4.0 to zastosowanie multisensoryki i analizy w wielu skalach (multiscale), a także metrologia w technikach addytywnych, zaawansowane techniki filtracji, roboty współpracujące, metrologia bogata w informacje i jak najbliżej produkcji (w procesie produkcyjnym).

Metrologia 4.0 wpłynie na wiele elementów, a ich rozwój będzie podyktowany jej wymaganiami. Po pierwsze konieczność weryfikacji stanu różnych urządzeń spowoduje skonstruowanie nowych sensorów. Ich działanie będzie związane z analizą stanu elementów, podzespołów maszyn i urządzeń technologicznych, aby precyzyjnie i – co ważne – a priori określać konieczność przeprowadzenia prac konserwacyjnych czy remontowych. Dzięki temu zostaną wyeliminowane kosztowne przerwy w działaniu systemów wytwórczych oraz – spotykana w niektórych zakładach przemysłowych – tendencja do mnożenia pewnych maszyn i utrzymywania wysokiego stanu części zapasowych.

Rozwijająca się technika druku 3D pozwoli na wytwarzanie na bieżąco części zamiennych. Systemy będą realizować funkcje naprawcze, dzięki czemu – w futurystycznej wizji – system zdiagnozuje wadliwy element, zleci jego wytworzenie i dokona wymiany. Sztuczna inteligencja (AI) w urządzeniach pomiarowych po określeniu funkcjonalnych przesłanek zadania pomiarowego bądź przedmiotu dobierze najlepsze warunki do danej aplikacji (np. gęstość próbkowania, indeks zagnieżdżenia i filtr). Pozwoli też na określenie strategii pomiaru (skaningu czy próbkowania punktowego, kolejności zbierania danych albo pomiaru elementów, kątów i pozycji, z jakich skaner będzie zbierać dane itp.). Wreszcie dobierze końcówkę pomiarową lub obiektyw, optymalne z punktu widzenia kryteriów kosztowych i koniecznych wartości parametrów dokładnościowych. Elementem tego jest dalsza automatyzacja i robotyzacja, które w urządzeniach pomiarowych już i tak są zaawansowane (praca CNC współrzędnościowych maszyn pomiarowych, profilometrów, urządzeń do pomiaru błędów kształtu itp.). Robotyzacja obejmie nie tylko funkcjonujące układy skanowania (także optycznego), lecz także systemy logistyczne, związane z dostarczaniem przedmiotu do przestrzeni pomiarowej i jego przekazywaniem na kolejne stanowiska. Dodatkową opcją będą systemy kamer śledzące przebieg pomiaru. W połączeniu z elastycznym oprogramowaniem pozwolą one na ingerencję nawet fizycznie oddalonego użytkownika w proces pomiarowy, wybór cech i przerwanie procesu pomiarowego w sytuacji krytycznej niezgodności.

Bardzo istotnym elementem metrologii 4.0 jest komunikacja elementów pomiarowych z wytwórczymi, co stanowi jeden z kluczowych elementów strategii przemysłu 4.0. Podobnie jak w przypadku urządzeń technologicznych, także każde urządzenie pomiarowe będzie wyposażone w system sensorów na bieżąco monitorujących jego stan i wysyłających informacje o każdej zaobserwowanej nieprawidłowości. Sensory te będą wymuszać okresową kalibrację, która w wielu wypadkach będzie realizowana automatycznie (częściowo ma to miejsce już dziś, w zrobotyzowanych celach pomiarowych wyposażonych w systemy skanowania optycznego). Oprócz tego system pomiarowy będzie wysyłać informacje do maszyny technologicznej odnośnie do zadań już wykonanych i planowanych, a także związanych z zaobserwowanymi nieprawidłowościami. Dzięki temu centrum obróbkowe będzie w stanie automatycznie przeprowadzić działania korygujące, docelowo zapewniające uzyskanie produktu o najwyższej jakości. Takie urządzenia pomiarowe będą pracować w linii wytwórczej, co jest coraz powszechniejszą praktyką, naturalnie pod warunkiem zapewnienia odpowiednich warunków związanych z temperaturą otoczenia i gradientami (na godzinę, na dzień i na metr). Od tego już tylko krok do budowania maszyn technologiczno-pomiarowych, łączących możliwości wytwórcze i kontrolne. Ta koncepcja wymaga stworzenia wewnątrz maszyny podwójnej ramy: jednej do obróbki, a drugiej do realizacji zadań pomiarowych. Konieczne jest także zapewnienie warunków klimatycznych i izolacji drgań, niemniej w najbliższej przyszłości mogą się już pojawiać pomysły na tego typu konstrukcje.

Metrologia 4.0 to również filozoficzna zmiana procesu oceny przedmiotu – już nie na podstawie samych wymiarów, ale chmury punktów i jej zgodności z danymi CAD. Sztuczna inteligencja będzie wspomagać proces pomiarowy, m.in. dobierać bazy i dopasowywać dane pomiarowe do nominalnych. Częściowo procedura ta jest już realizowana w systemach pomiarowych.

Nowe podejście charakteryzuje także metrologię bogatą w informacje (information rich metrology). Pomysł na jej wprowadzenie wywodzi się z analizy nierówności powierzchni [7], ale jej zastosowanie wykracza daleko poza te ramy. Pomysł ten polega na wykorzystaniu przy określaniu wyników pomiaru nie tylko wartości menzurandu, ale także wiedzy związanej z jego uwarunkowaniami. Mowa tu o korekcji wyniku ze względu na warunki termiczne, dane kalibracyjne oraz dane związane z przyrządem i przedmiotem mierzonym. Już obecnie korekcja temperaturowa jest powszechna we współrzędnościowych maszynach pomiarowych, zwłaszcza tych o mniejszych maksymalnych błędach dopuszczalnych.

Wspomniane techniki przyrostowe przygotowały bazę dla nowego podejścia metrologicznego [8]. Okazało się bowiem, że to, co wystarczało w odniesieniu do przedmiotów wykonywanych technikami konwencjonalnymi, przestało być wystarczające. Specyfika procesów addytywnych wymaga innego podejścia.

W skali mikro najprostszym przykładem jest rozdzielenie sygnału z profilometru na falistość i chropowatość. W powierzchniach formowanych w wyniku obróbki skrawaniem ma to istotne znaczenie, ponieważ falistość wynika z problemów obrabiarki (np. niedostatecznej sztywności), a chropowatość z problemów narzędzia (kształtu i parametrów ostrza skrawającego). Wyszczególnienie i rozdzielenie tych dwóch składowych oraz – w konsekwencji – analiza każdej z nich osobno mają głębokie uzasadnienie. Do tego celu wykorzystuje się przede wszystkim odcinek elementarny, który z uwagi na matematyczne uzasadnienie dla niektórych nowych technik filtracji zmienił się ostatnio w indeks zagnieżdżenia. W technikach przyrostowych można co prawda teoretycznie podzielić nierówności – np. dla najpopularniejszych technik FDM – na chropowatość (czyli nierówności na nakładanej nici) i falistość (nierówności wynikające z kolejnych nici), ale praktycznie nie znajduje to uzasadnienia. Podobnie wygląda sytuacja w przypadku innych technik wytwarzania przyrostowego [9]. Przykładowy obraz powierzchni uzyskanej technikami addytywnymi pokazano na rys. 3.

W takim zatem ujęciu nierówności powierzchni albo powinny być oceniane sumarycznie, albo – co jest znacznie częstszą praktyką – filtrowane funkcjonalnie. Techniki filtracji nierówności powierzchni gwałtownie się rozwijają. Obecnie oferują użytkownikom przyrządów pomiarowych wiele opcji usuwania cech nieistotnych, zakłócających obraz powierzchni lub uwypuklania ważnych elementów. Wśród tych technik obok znanych już filtrów Gaussa są m.in. filtry odporne, falkowe, sklejane i morfologiczne, realizowane w różny sposób i za pomocą różnych kombinacji [10]. Opisy szczegółowe tych filtrów zawarto w poszczególnych częściach normy ISO 16610. Przykładowy obraz powierzchni z rys. 3 po filtracji funkcjonalnej pokazano na rys. 4. Wyraźna nieciągłość w okolicach 6. mm w kierunku osi odciętych została sprowadzona do niezbyt głębokiej rysy. Z powodu specyfiki filtracji i cech powierzchniowych do pomiarów w technikach przyrostowych chętnie stosuje się przyrządy ze skali mezo, które oferują możliwości pomiarów nierówności powierzchni (mikro) i klasycznych cech geometrycznych (makro) [11]. Dwie techniki, które w sposób szczególny się wyróżniają, to mikroskopia różnicowania ogniskowego [12] i skaningowa interferometria koherencyjna. Pomiary nierówności łączą się w ten sposób z pomiarami niektórych cech geometrycznych. Z uwagi na bardzo skomplikowane kształty wewnętrzne możliwe do uzyskania technikami przyrostowymi do pomiarów wykorzystuje się tomografię komputerową, opisaną w następnej części niniejszego artykułu.

Współrzędnościowe maszyny pomiarowe w skali makro od wielu lat cieszą się popularnością i stały się nieodzowne w różnych gałęziach przemysłu. Jednocześnie współrzędnościowa technika pomiarowa znacznie się udoskonaliła. Różnorodność, skomplikowane kształty oraz zadania pomiarowe doprowadziły do rozwoju optycznych narzędzi pomiarowych, które pozwalają na realizację zadań trudnych do wykonania metodą stykową.

Skanujące głowice optyczne, stosowane na współrzędnościowych maszynach pomiarowych, umożliwiają szybki pomiar bezstykowy i pozyskanie większej ilości informacji niż stykowe głowice pomiarowe. Z czasem głowice te rozwinęły się w samodzielne urządzenia – skanery 3D. Ich ogromną zaletą jest szybkość pozyskiwania ogromnej ilości informacji o mierzonym wyrobie oraz czytelność prezentacji wyników [13, 14]. Opierają się na zasadzie pomiaru światła odbitego bądź rozproszonego od powierzchni mierzonego obiektu.

Wyróżnia się skanery światła strukturalnego i skanery laserowe. Skanery światła strukturalnego wykorzystują projekcję światła o określonej strukturze, tzn. ich projektory rzutują na mierzoną powierzchnię wzory np. kodów Greya, prążków przesuniętych w fazie czy innych form kodu (kształtów swobodnych, kół itp.). Są to z reguły systemy umieszczane na statywach, ale zdarzają się odrębne, stacjonarne maszyny pomiarowe, do których wkłada się mierzony przedmiot i realizuje pomiar w trybie automatycznym (film 2).

Takie skanery realizują założenia metrologii 4.0 – mają uchwyt dla przedmiotu obracający się wokół osi, by umożliwić kompleksowy pomiar cech geometrycznych ze wszystkich stron, a po wzbogaceniu w automatyczną kalibrację mogą współpracować z zewnętrznym robotem, który podaje kolejne przedmioty do pomiaru. Tego typu systemy charakteryzują się stałą składową maksymalnego błędu dopuszczalnego na poziomie kilku mikrometrów, co pozwala im konkurować ze współrzędnościowymi maszynami pomiarowymi.

Promieniowanie elektromagnetyczne można w metrologii wykorzystać nie tylko w zakresie widzialnym. Tomografia komputerowa, która bazuje na promieniowaniu X, stopniowo toruje sobie drogę i coraz częściej jest stosowana nie tylko do analizy wad, ale także cech geometrycznych. Dokładny opis tej techniki można znaleźć w pracy [19].

Tomografy stosowane w medycynie mają parametry ściśle dostosowane do stawianych im zadań. Ze względu na bezpieczeństwo organizmu żywego maksymalnie redukuje się dawkę promieniowania i skraca czas pomiaru. Najlepsze tomografy do zastosowań medycznych mają rozdzielczość na poziomie 0,1 mm, jednak większość urządzeń oferuje rozdzielczość do 0,5 mm [20]. Są to wartości odpowiednie do obrazowania organizmu ludzkiego, jednak w większości przypadków niewystarczające do badań laboratoryjnych czy przemysłowych. Dlatego tomografy techniczne nazywa się często mikrotomografami – pozwalają one bowiem na obrazowanie z rozdzielczością nawet poniżej mikrometra. Nie są przeznaczone do badania organizmów żywych, więc dłuższy jest w nich czas ekspozycji na promieniowanie X (robi się więcej zdjęć, wydłuża czas ich rejestracji) i wyższa moc lampy rentgenowskiej. Sporo praktycznych informacji na temat tomografii w metrologii pojawiło się w ostatnich latach w Mechaniku w artykułach prof. E. Ratajczyka [21–24]. Tutaj warto omówić tylko kilka aspektów szczególnych.

Tomografia komputerowa w zastosowaniach niemedycznych jest na tyle nową techniką, że w wielu przypadkach trudno mówić o rozwiązaniach standardowych. Można jednak przyjąć za klasyczny układ, w którym mierzony obiekt znajduje się na stole obrotowym, a lampa i detektor są nieruchome lub wykonują ruch liniowy. Spotyka się również rozwiązania o układzie ruchu tożsamym z tomografami medycznymi. Są one przeznaczone bezpośrednio do pracy w linii produkcyjnej lub do oceny wybranych wyrobów równolegle z linią produkcyjną. Ich przykładem może być tomograf do kontroli odlewów aluminiowych (m.in. w przemyśle motoryzacyjnym), którego koncepcję przedstawiono na rys. 5.

Podstawowe zastosowanie tego tomografu to kontrola grubości ścianek wewnątrz odlewów. W dobie redukcji pojemności i podnoszenia mocy ten parametr ma krytyczne znaczenie dla wytrzymałości i żywotności silników. Ze względu na prędkość pomiaru na poziomie kilkudziesięciu milimetrów na sekundę i czas inspekcji jednej sztuki wynoszący ok. 1 min takie urządzenie nadaje się do wykorzystania bezpośrednio na (lub przy) linii produkcyjnej. Istotnym elementem w charakterystyce tomografów technicznych jest jakość obrazu. Z uwagi na specyfikę promieniowania rentgenowskiego i zjawiska zachodzące przy jego przechodzeniu przez mierzone przedmioty obraz jest zniekształcany przez różne artefakty. Dobre oprogramowanie przygotowujące plik wyjściowy do analizy powinno je usuwać. Do najbardziej zaawansowanych należy funkcja scatter correct opracowana przez specjalistów z GE (rys. 7 [26]). W ten sposób można uzyskać bardzo dobry zbiór danych wyjściowych, co ma krytyczne znaczenie dla dokładności analizy cech geometrycznych i wad.

Gdy stosuje się tomografy, zwłaszcza bez precyzyjnej kontroli parametrów temperaturowych, pojawia się pytanie o zmiany termiczne, które w metrologii długości i kąta są czynnikiem decydującym o dokładności pomiaru. Lampa rentgenowska jest bowiem istotnym źródłem ciepła, a im większa moc, tym większe jego generowanie. W badaniach przeprowadzonych w Zakładzie Metrologii i Systemów Pomiarowych Politechniki Poznańskiej stwierdzono, że temperatura na powierzchni lampy rentgenowskiej może nawet przekraczać 40°. Wyniki przykładowej analizy dla lampy kierunkowej pokazano na rys. 8. Czy zatem – z uwagi na temperaturę – niepewność pomiaru cech geometrycznych za pomocą tomografu jest tak duża, że dyskryminuje jego użycie, a układ chłodzący nie jest wystarczający? Rzeczywistość jest bardziej optymistyczna. W przypadku małych mocy po przekroczeniu zadanej temperatury układ chłodzący jest załączany, a następnie – gdy medium chłodzące osiągnie określoną temperaturę – zostaje wyłączony. Objawia się to przebiegiem charakterystyki przypominającym fale. W pozostałych przypadkach temperatura anody rośnie dynamicznie i jest utrzymywana na wyższym poziomie, co wymusza ciągłą pracę układu chłodzenia.

W omawianym przypadku przeprowadzono również badania rozkładu temperatury w funkcji odległości od czoła lampy rentgenowskiej. Wyniki pokazują, że temperatura na powierzchni czołowej lampy – w miejscu z którego emitowane jest promieniowanie rentgenowskie – rośnie bardzo wyraźnie wraz ze wzrostem mocy, jednak w pewnej odległości od lampy wpływ ten nie jest już tak silny. Dla 240 kV i 1305 µA, czyli 300 W, po godzinie pracy temperatura na czole lampy wzrasta o 24,5°C, ale już w odległości 15 mm od czoła wzrost ten wynosi jedynie 4,6°C, w odległości 30 mm jest to 3,1°C, w odległości 45 mm – 2,3°C, 60 mm – 2,0°C, 150 mm – 1,3°C, przy jednoczesnym wzroście temperatury w komorze tomografu o 0,7°C. Jest to istotna informacja, gdyż stosowanie dużych mocy lampy rentgenowskiej powoduje zwiększenie plamki w ognisku, co wymusza redukcję powiększenia geometrycznego poprzez odsunięcie mierzonego obiektu od źródła promieniowania, aby uniknąć rozmycia obrazu. Zatem w takim przypadku wpływ zmian temperatury, będących efektem emitowania promieniowania rentgenowskiego w obszarze, gdzie znajduje się element, będzie niewielki.