La CMM multisensore consente un rapido controllo di qualità della linea di produzione

 

Fin dalla costruzione della prima auto Lotus nel 1948, l'azienda è stata un faro nell'industria automobilistica per la progettazione e la produzione di auto ad alte prestazioni nate dal leggendario successo sui circuiti. L'ultima auto sportiva, la Emira, è di gran lunga il modello più accurato mai costruito da Lotus grazie a un miglioramento dei controlli di qualità presso lo stabilimento di Norfolk, in Inghilterra. L'investimento comprende una macchina di misura a coordinate (CMM) a 5 assi HC-90TR a doppio braccio di LK Metrology. La cella di ispezione automatizzata e multisensore, che fa parte degli investimenti multimilionari effettuati da Lotus a partire dal 2017, offre un'ispezione dimensionale assoluta, al 100% e senza contatto, alla velocità della linea di produzione, consentendo un controllo qualità in tempo reale.

La CMM installata è inserita nel pavimento per un metro su una speciale fondazione. Ciò significa che un'auto da ispezionare trasportata da un veicolo a guida automatica (AGV) è in grado di accedere all'area senza bisogno di attrezzature di sollevamento. La macchina ha un volume di misura nominale di 6,3 m x 1,6 m x 2,5 m, abbastanza grande da contenere un'intera carrozzeria. Su entrambi i bracci sono installati avanzati scanner trasversali a triplo laser che misurano automaticamente le caratteristiche su entrambi i lati del veicolo Lotus Emira. La LK HC-90 è considerata la gamma di CMM a braccio orizzontale più precisa al mondo, in grado di misurare con una precisione volumetrica di 10,0 μm + L/200 e con una ripetibilità di 6 μm. La macchina combina le elevate prestazioni di una CMM a portale con la flessibilità della configurazione a braccio orizzontale, ampiamente utilizzata negli impianti di produzione di veicoli.

La CMM completa i cicli di misura automatizzati così rapidamente da essere al passo con il tempo TAKT, che definisce la velocità della linea di produzione Emira. La velocità di produzione consente di ispezionare ogni vettura, rendendo questo modello Lotus il primo la cui produzione è supportata da un controllo di qualità così completo. In due visite all'LK HC-90TR dell'auto in diverse fasi della sua costruzione, vengono effettuate 130 misurazioni in totale con routine di scansione che richiedono rispettivamente circa 12 e 8 minuti. I cicli di ispezione rapidi lasciano tutto il tempo necessario a un AGV che ha consegnato un telaio alla CMM per caricarlo e poi riportarlo in linea. Prima dell'inizio della misura, c'è anche il tempo di verificare l'allineamento della vettura rispetto al sistema di punti di riferimento della linea della CMM, nonché di calibrare gli scanner laser utilizzando sfere di calibrazione dedicate. Per garantire velocità e precisione, vengono tastati utilizzando sensori che vengono scambiati automaticamente dai bracci da una rastrelliera automatica. Lo stesso sensore viene utilizzato per sondare alcune dimensioni interne critiche della carrozzeria del veicolo, mentre il laser scanner esegue la scansione ad alta velocità delle superfici libere.

Rispetto alle pratiche tradizionali di controllo qualità alla base della produzione di queste auto sportive, costruite in gran parte a mano e realizzate con pannelli compositi leggeri e ad alta tecnologia, i vantaggi dell'acquisizione rapida delle nuvole di punti e della digitalizzazione nella cella LK sono enormi. In passato, un telaio campione sarebbe stato sottoposto a misurazioni in linea su una CMM manuale con un braccio dotato di tastatore. Sarebbe stato controllato un numero minore di caratteristiche in un tempo massimo di cinque ore su un telaio ogni due dozzine, il quale doveva essere eliminato dalla produzione e reinserito successivamente. Il potenziale di errore era dovuto non solo all'intervento umano, ma anche alla necessità di riposizionare la macchina durante l'ispezione per compensare le corse limitate degli assi della CMM a braccio manuale. Inoltre, qualsiasi macchina non controllata tra i campioni poteva risultare fuori tolleranza, causando una rilavorazione costosa e dispendiosa in termini di tempo.

Tom Mackrill, Dimensional Quality Manager dello stabilimento, ha commentato: "La Lotus Emira è la nostra ultima auto nuova con motore a combustione interna, perché in futuro passeremo all'elettrico. Il prodotto è destinato al segmento premium del mercato globale, quindi è necessario un processo di produzione molto stabile per garantire un'elevata qualità di costruzione".

E' necessaria una soluzione di controllo qualità per adeguarsi al ritmo di produzione dei veicoli

"Il tasso di produzione di questo modello di auto nel 2022 è sostanzialmente superiore a quello dell'anno scorso, quando stavamo terminando la produzione dei modelli Elise, Exige ed Evora, ed è in forte aumento. Abbiamo quindi bisogno di una soluzione di controllo qualità che non solo supporti l'alta precisione, ma che sia anche abbastanza veloce da generare rapidamente grandi quantità di dati per adeguarsi al ritmo di produzione. Abbiamo esaminato altre tecnologie di ispezione, tra cui quelle che prevedono l'impiego di varie teste di misura montate su robot; tuttavia abbiamo concluso che i robot, soprattutto se mobili, introdurrebbero un ulteriore errore potenziale oltre a quello dei dispositivi di misura che trasportano e avrebbero bisogno di un sistema di misura di riferimento per calibrarli e riallinearli".

"Siamo quindi giunti alla conclusione che una CMM statica era la strada da percorrere per la produzione della nostra nuova auto, con una configurazione a due bracci e laser scanner trasversali in grado di fornire la velocità metrologica richiesta".

Ha aggiunto che l'affidabilità e la ripetibilità sono alla base della qualità dimensionale dell'Emira, fornendo dati alla linea di produzione per convalidare e controllare il processo, garantendo che ogni veicolo sia costruito correttamente al primo tentativo. Questo feedback è particolarmente importante per l'impianto di intelaiatura dei pannelli compositi per via della potenziale variabilità dei legami adesivi.

Laser scanner a posizionamento infinito

I polsi CNC a due assi PHS-2 di Renishaw che trasportano i laser scanner sono in grado di ruotare in modo continuo e di avere un posizionamento infinito, a differenza delle teste della sonda tradizionali che si regolano solo a passi incrementali. Ogni scanner può quindi essere angolato con estrema precisione durante un ciclo di ispezione, consentendo un posizionamento ottimale sia all'interno sia all'esterno del telaio per una rapida acquisizione di dati geometrici e a forma libera. Quando si trova all'interno del veicolo, il PHS-2 è in grado di ruotare sotto il controllo del programma per guardare verso l'esterno della carrozzeria e prendere le misure. I programmi DMIS che controllano ciascun braccio sono essenzialmente immagini speculari l'uno dell'altro, con movimenti aggiuntivi inseriti separatamente per verificare le piccole differenze uniche di ciascun lato della carrozzeria del veicolo.

Il multi-laser scanner Nikon XC65DX-LS con tre linee laser acquisisce in un unico orientamento e passaggio di scansione una quantità di dati tre volte superiore a quella acquisibile con uno scanner laser a linea singola. Consente cicli di ispezione brevi sull'LK HC-90TR per supportare il controllo di qualità al 100% del corpo Emira. La tecnologia integrata fa sì che il sensore non sia influenzato dal colore o dalla riflettività dell'oggetto da misurare. Inoltre, consente la regolazione automatica in tempo reale delle impostazioni non solo tra strisce laser successive, ma anche per i singoli punti lungo ciascuna linea. La variante LS dello scanner è caratterizzata da una maggiore distanza di rilevamento, fino a 170 mm, che consente di accedere a elementi difficili da raggiungere.

Ispezione della carrozzeria del veicolo in due fasi

Gli AGV consegnano ogni Emira alla CMM dalla linea di produzione, sia all'inizio della linea di intelaiatura (fase 1) sia quando il veicolo è completamente assemblato (fase 2). Il veicolo viene depositato senza intervento manuale nella carline e un lettore di codici a barre, noto come sistema di scripting, ne verifica il numero di identificazione, il colore, la guida a destra o a sinistra e l'eventuale esecuzione di un programma di metrologia di fase 1 o 2. Il veicolo nella sua condizione di fase 1 non è una carrozzeria convenzionale, in quanto i pannelli della carrozzeria sono già verniciati e il piantone dello sterzo e i cablaggi sono al loro posto.

Dopo la calibrazione automatica dei laser scanner, vengono effettuate 130 misurazioni intorno all'auto nel corso delle due fasi per valutare la precisione del veicolo. I punti di montaggio delle sospensioni e del motore sono aree critiche da ispezionare. Il controllo del gap-and-flush è particolarmente importante, poiché la distanza tra i pannelli ha un impatto diretto sulla qualità percepita del veicolo nello showroom.

I programmi vengono creati in modo ampiamente automatico dai modelli CAD dell'Emira nel software LK CAMIO . Il software garantisce che i laser scanner si muovano lungo percorsi tali da garantire che le superfici da misurare siano sempre all'interno del loro campo visivo. Le nuvole di punti a basso rumore acquisite vengono filtrate per produrre maglie lisce e altamente dettagliate che possono essere allineate per consentire il confronto dei dati misurati con il modello CAD. Sono inclusi strumenti di ispezione per l'estrazione intelligente delle caratteristiche, il calcolo delle tolleranze GD&T e l'analisi dei profili, supportati da un rapido feedback dei risultati alla linea di produzione e da una reportistica completa.

Lotus Cars ha scelto di implementare questa soluzione di metrologia in-process a due fasi, offline, perché è la più conveniente per le esigenze dell'azienda. Tuttavia, in altri scenari, uno o più HC-90TR potrebbero essere posizionati all'interno della linea di produzione stessa, per controllare le dimensioni prima che il veicolo passi alla successiva operazione di costruzione. Altre applicazioni offline includono audit di qualità e controlli di verifica.

Soluzione automatizzata chiavi in mano

La cella metrologica è stata installata e messa in funzione da LK nello stabilimento britannico nel gennaio 2021, prima dell'inizio della produzione di Emira. L'apparecchiatura automatizzata ha contribuito ad aumentare l'efficienza produttiva e a ridurre il costo della manodopera delle vetture, garantendo che l'ispezione dimensionale controlli il processo di produzione, anziché limitarsi a qualificare la conformità dei dati misurati. La strategia di produzione è orientata al miglioramento continuo dei singoli pezzi e dell'intero processo, con l'obiettivo di una produzione a zero difetti, come previsto dal sito Industria 4.0 , con il quale l'hardware e il software LK sono compatibili.

Mackrill ha concluso: "Lotus non aveva mai avuto a che fare con LK, ma avevo già avuto un'esperienza precedente con il marchio CMM durante il mio impiego in un altro stabilimento automobilistico. Una volta deciso che il gold standard della misurazione statica delle coordinate era la strada metrologica giusta da percorrere, abbiamo esaminato una serie di offerte di diversi potenziali fornitori. LK si è distinta come la migliore in termini di tecnologia di alto livello. La struttura in ceramica della macchina garantisce un'eccellente stabilità unita a un peso ridotto per garantire precisione e velocità. LK ha fornito una soluzione chiavi in mano completamente configurata e multisensore, completa di programmi di misura di prima stesura e di accessori. Solo le attrezzature di supporto della carrozzeria sono state fornite da noi".

Per sottolineare la fiducia che Lotus Cars ripone in LK, il costruttore di veicoli ha investito di recente in altre quattro CMM, tutte macchine più piccole a portale, per la vicina divisione Lotus Advanced Structures. Utilizzate per il controllo qualità dei componenti del telaio, l'ulteriore investimento comprendeva tre macchine LK ALTERA M, con un volume di misura rispettivamente di 3 m x 2 m x 1,5 m, 2 x 1,5 x 1,2 m e 1,5 m x 1,0 m x 0,8 m, e una CMM LK ULTIMA, più grande e di maggiore precisione, con un volume di ispezione di 4 m x 2 m x 2 m.

Fonte: Metrology News