Schroefdraadrobot zorgt voor waterdichte verificatie gaten en traceerbaarheid

Hittech Multin ontwikkelde een geavanceerde testrobot voor de controle van schroefgaten. De verificatie is nu waterdicht, de betrouwbaarheid is sterk verbeterd en saai belastend werk is voortaan overbodig. Vanaf nu is elk schroefgat ook traceerbaar.

Ard Geelkerken is teamleider value engineering bij Hittech Multin.

Koen Mentink is directeur van Hittech Bihca.

Reinder Uuldriks is directeur van Hittech MPP.

Casper van Wezel is software-engineer bij Hittech Multin.

30 augustus

De afgelopen decennia was de trend in verspanen van onderdelen voor complexe machines onontkoombaar: samenstellingen van tientallen of zelfs honderden componenten werden gereduceerd tot soms één werkstuk. Zo’n sterk geïntegreerd onderdeel is dan meestal zeer bewerkelijk en peperduur. Foutloos werken is dan vanzelf topprioriteit.

Een voorbeeld zijn de carriers die Hittech in meerdere varianten fabriceert voor ASML. Deze verspanen we uit een groot blok titanium, waarna we er ruim zeshonderd schroefgaten in aanbrengen. Die controleren we vervolgens allemaal met de hand.

Daarmee hebben we een nieuw probleem. Honderden schroefgaten betekent een hoge kans of fouten, maar schroefgaten kalibreren is een omvangrijke en foutgevoelige exercitie. Het is bovendien zwaar en eentonig werk. Vandaar dat we zijn gaan nadenken over automatisering.

Het lag voor de hand om eerst te polsen bij vooraanstaande metrologieleveranciers, maar die bleken geen oplossing in huis te hebben. Daarna zijn we gaan overwegen om zelf een robot te bouwen. Dat bleek al snel de weg naar een goede oplossing. We hadden immers de technologie en ontwikkelcapaciteit in huis. Bovendien hadden we ervaring met de software die nodig is voor geautomatiseerde kwalificatie. Na een jaar ontwikkeling en bouw staat er nu een resultaat: de Torque Verification Robot.

Tappen en frezen

Gaten met schroefdraad worden gemaakt met tappen of frezen. Bij tappen hoeven, zolang de tap niet breekt, in principe alleen het eerste en het laatste gat te worden gecontroleerd. Bij draadfrezen moet elk gat worden gecontroleerd, want als de frees toevallig een extra hard stukje materiaal tegenkomt, dan bestaat de kans dat de schroefdraad niet voldoet.

Veel klanten schrijven frezen voor omdat bij problemen het uitvoeren van een reparatie eenvoudiger is. Het nadeel is dat er meer variatie zit in het bewerkingsproces. Ook loopt een gefreesd gat naar beneden altijd iets taps toe. Beide zorgen ervoor dat elk gat dient te worden gecontroleerd en daardoor is de kalibratie arbeidsintensief.

Kaliber

Het robotconcept is gebaseerd op de handmatige werkwijze. Voor het koppel waarmee het kaliber moet worden ingedraaid is een norm vastgesteld, gebaseerd op een gemiddelde waarde waarmee de mens schroeven indraait. Randvoorwaarde is dat de robot kan werken met de bestaande kalibers, gelet op hun hoge kosten.

Bijzondere aandacht is besteed aan de veiligheid van de meetprocedure, om te voorkomen dat product, kaliber of machine tijdens de meting beschadigd raakt. Ook is een gebruikersvriendelijke interface nodig.

Gat zoeken

Voor de robot is een xyz-tafel geselecteerd die met een reproduceerbaarheid van 20 μm de positionering verzorgt. Op basis van het cad-model van de carrier wordt de tafel naar de juiste xy-positie gestuurd. De uitdaging is vervolgens het vinden van het gat. Om de bovenste gang van de schroefdraad te detecteren, laat de robot de kop met kaliber langzaam – zwaartekrachtgecompenseerd om te hoge impact te voorkomen – in de z-richting zakken, totdat contact wordt waargenomen; dit moet voorzichtig gebeuren om het dunne uiteinde van de gang niet te beschadigen.

Het zoeken wordt vergemakkelijkt doordat er xy-speling is ingebouwd in de koppeling tussen de kaliberhouder en de meetkop. Het kaliber wordt vervolgens iets teruggedraaid, in de richting tegengesteld aan die van de schroefdraad. Op een gegeven moment valt het kaliber in de eerste gang. Dat definieert het startpunt van de meting en het referentiepunt voor bepaling van de diepte van het gat. Het indraaien van het kaliber kan beginnen. Deze procedure is vergelijkbaar met de manier waarop een deksel op een jampot wordt gedraaid: deksel op de pot zetten, terugdraaien tot de schroefdraad van het deksel in de eerste gang van de schroefdraad van de pot valt en vervolgens aandraaien.

De meetkop is ingesteld op een snelheid van één rotatie per seconde, vergelijkbaar met de snelheid van een menselijke tester. Bij deze snelheid moet de regeling van de robot ervoor zorgen dat het kaliber niet hard ergens tegenaan botst en zich niet vastdraait in een gat. De indicatie daarvoor is een oplopend koppel dat we met 4 kHz meten en terugkoppelen naar de regeling. Zodra de robot wrijving voelt, gaat hij langzamer draaien.

Meetprocedure

Bij een complete kwalificatieronde voor een carrier worden alle schroefgaten in de boven- en onderzijde gemeten. Gaten aan de zijkanten doen we nog handmatig. Dit vereenvoudigt het robotontwerp aanzienlijk en verkleint het meetvolume.

De robot meet elk gat twee keer. Eén keer met een passend kaliber, de tweede keer met het kaliber één maatje groter. Het laatste mag niet verder komen dan de eerste gang van de schroefdraad. Zo worden alle schroefgaten afgewerkt, van M3 tot en met M10.

Schroefgaten worden gespecificeerd met een diepte en een maximumwaarde voor het koppel dat nodig is om een schroef of een kaliber in het gat te draaien. Bij handmatig testen gaat dat op gevoel. Een complete meting levert dan een lijst met verdachte gaten op. Deze worden nader onderzocht en zo nodig nagesneden.

De robot draait het kaliber in het gat, waarbij hij het maximaal toegestane koppel niet mag overschrijden voordat de voorgeschreven diepte is bereikt.

Deze grafiek toont de meting van een gat waarvan de draad niet goed is gesneden. De eerste paar millimeter van het gat is het koppel laag, zoals verwacht, maar daarna neemt dat significant toe. Als het maximale koppel is bereikt (de horizontale rode lijn), stopt de robot om daarna weer terug/uit te draaien. Aangezien de minimaal gewenste diepte (de verticale rode lijn, rechts) niet is gehaald, is dit gat afgekeurd.

Administratie en analyse

Elke schroefgatmeting levert een koppelgrafiek op: het verloop van het koppel als functie van de verticale coördinaat in het gat, in zowel heen- als teruggaande richting. Daaruit valt af te leiden wat de kwaliteit van het gat is en hoe het is gemaakt. Analyse van deze grafiek geeft dus meer informatie dan alleen het wel of niet voldoen aan de kwalificatie-eis: het niet of juist wel overschrijden van het maximale koppel.

Als er een probleem is met een gat, dan leidt dat niet meteen tot afkeur, maar we kunnen eerst kijken of herstel mogelijk is met nasnijden. De carriers zijn immers veel te kostbaar om meteen tot afkeur over te gaan.

Alle informatie slaan we op in een database. Voor de dataprocessing en aansturing ontwikkelden we een eigen framework dat Hittech gebruikt voor al zijn kwalificatietooling. Het bevat standaard meetprocedures voor testen op het vlak van mechatronica, pneumatiek (lektesten), elektronica en cleanliness. Het platform heeft een gebruiksvriendelijke interface om meetprocedures uit te voeren, resultaten te bekijken en testrapporten te exporteren.

De schroefdraadrobot genereert aan de hand van parameters als positie, diameter en diepte veel bruikbare data. We vergelijken bijvoorbeeld corresponderende gaten in opeenvolgende producten en zetten die automatisch en overzichtelijk in testrapporten. Aan de hand van deze analyses nemen we onder meer besluiten over wijzigingen van het gereedschap of de freessnelheid. De Torque Verification Robot helpt daarmee om 100 procent kwaliteit te garanderen en continu te verbeteren.

Hittech zet de robot in bij de verspanende dochterbedrijven Hittech Bihca en Hittech MPP.

Kwalificatie van kwalificatietool

Op dit moment verkeert de robot in de kwalificatiefase. Daarvoor meten we carriers zowel met de hand als met de schroefdraadrobot. We vergelijken daarvoor de aantekeningen van testmedewerkers met de koppelgrafieken van de robot. Uitgangspunt zijn de specificaties voor de reproduceerbaarheid van een gat.

Inmiddels hebben we het eerste minimum viable product van de schroefdraadrobot die is geoptimaliseerd voor functionaliteit en kwaliteit. We verwachten dat we de snelheid van de meting nog flink kunnen opvoeren. Bij de huidige productiecapaciteit voor carriers vormt die snelheid echter geen beperkende factor en daarom had dit nog geen prioriteit.