Robotergestütztes Messsystem Präzise Messungen in der industriellen Fertigung

Durch Messung mit einem Industrieroboter in Kombination mit einzelnen Messstationen entstehen flexible Einheiten, mit denen sich qualitativ hochwertige Messergebnisse bei großer Variantenvielfalt wirtschaftlich ermitteln lassen. Der Einsatz wieder einsetzbarer Standardkomponenten ermöglicht eine hohe Wertschöpfung dieser Anlagen und macht die Lösung von Messaufgaben unabhängig von wachsender Typenvielfalt und veränderten Produktlebenszyklen. Präzision, Flexibilität und Wiederverwendbarkeit Die erstmals auf der Control 2009 in Stuttgart vorgestellte Roboter-Messzelle OPW-R1 ist ein Messsystem bestehend aus Robotik, Zellensteuerung, Messrechner sowie einer auf die Messanwendung abgestimmten Sensorik. Je nach Messaufgabe besteht die Robotermesszelle aus verschiedenen Messstationen und Messmitteln. Genutzt werden dabei stets Standard-Bauelemente – vom Standard-Industrieroboter über Standard-Messtaster bis zu Standard-Kamerasystemen. Sowohl optische, taktile als auch pneumatische Messsensoren können eingesetzt und so deren jeweilige Vorteile genutzt werden. Das Messsystem besitzt eine dreidimensionale Flexibilität (Teilevielfalt, Prüfschärfe, Prüfumfang) und erfüllt die Anforderungen zwischen einer starren Mehrstellenmessvorrichtung und einer flexiblen Koordinatenmessmaschine. Die Anpassung an individuelle Messaufgaben erfolgt softwaregesteuert. Die Messwerte werden statisch oder scannenddynamisch aufgenommen, die Auswertung erfolgt in 2D und 3D. Verbesserung der Messtechnik in der Fertigung Zentrales Element des Messsystems ist ein Industrieroboter, der jedoch nicht als reines Handlingssystem dient, sondern mit dem Messrechner kommuniziert, sodass bestimmte Messaufgaben überhaupt erst lösbar werden. Der Roboter bewegt entweder das zu messende Bauteil oder das Messmittel. Prüfumfang und -methode bestimmen sich in Abhängigkeit vom Werkstücktyp, bei hoher Werkstückvielfalt werden Wechselgreifer eingesetzt. Durch das \’One Touch\‘-Konzept wird OPW-R1 zu einer schnell arbeitenden Messzelle, die Messzeiten werden einzig durch den Prüfumfang bestimmt. Zur Abarbeitung erweiterter Prüfumfänge können Pausen, Werkzeugwechselzeiten oder Unterbrechungen in vorgelagerten Prozessen genutzt werden. Beispiele für den Aufbau der Roboter-Messzelle Zuführung Die Messzelle kann sowohl das Messmittel dem Werkstück als auch das Werkstück dem Messmittel über ein Transportband zuführen. Das Besondere ist die Eigenschaft, ein Werkstück \’ähnlich einer Hand\‘ zu reichen und dabei die Lage des Werkstückes mit in die Berechnungen einfließen zu lassen. Bauteilerkennung Ein Kamerasystem kann z.B. Bauteile identifizieren und das entsprechende Messprogramm auswählen. Prüfmethode: Messen mit Luft Die pneumatische Messmethode ist sowohl genau als auch langzeitstabil. Sie ist unempfindlich gegen Umwelteinflüsse und ermöglicht eine hohe Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse. Berührungsloses Messen mit Luft verhindert Beschädigungen der Werkstücke. Der Roboter führt das Bauteil einem Luftmessdorn zu. Prüfmethode: Messen mit Licht In der Praxis stoßen konventionelle Messtechnologien bei spezifischen Anforderungen immer wieder an Grenzen – wie z.B. extreme Umweltlasten, geringes Einbauvolumen, geringe Masse, große Messbereiche und lange Übertragungsstrecken. Messen mit Licht ermöglicht berührungslose und schnelle Messungen von Strömungen und Festkörperoberflächen. Der Roboter führt dabei das Bauteil einer Optik zu, wobei verschiedene Bauteilgeometrien in der OPW-R1 gemessen werden können. Prüfmethode: Messen mit Taster Alle Tasteraufnahmen verwenden Messtaster und können mit Taststiften verschiedener Durchmesser eingesetzt werden. Der Roboter führt das Bauteil dieser Messstation zu. Besonders interessant ist der Einsatz digitaler, pneumatisch zustellbarer Taster. Messrechner Der industriegerechte Messrechner zur offenen und transparenten Datenhaltung ist einfach zu bedienen und zu konfigurieren. Er verfügt über eine hohe Anzahl vielfältiger Schnittstellen. Softwarebasis ist die in mehr als 400 Anwendungen praxisbewährte Messsoftware OPW-QP. Beispielhafte Einsatzgebiete Der Einsatz der Roboter-Messzelle ist dann sinnvoll, wenn kein Bediener zur Verfügung steht, eine Varianz von Teilen vorliegt, es um automatisierte Messvorgänge mit engen Toleranzen geht, kurze Taktzeiten erforderlich sind, das Produktspektrum unterschiedliche Prüfmerkmale und Prüfschärfen erfordert, der Prüfumfang auslastungsorientiert ist oder Zusatzaufgaben (wie Beschriftung, Palettierung usw.) übernommen werden sollen. Ein Beispiel aus der Praxis zur Veranschaulichung: Ein Automobilzulieferer beabsichtigt, Messeinrichtungen zur vollautomatischen Prüfung von je zwei Kupplungs- und Getriebegehäusetypen zu implementieren. Die Messeinrichtungen verfügen über eine eigenständige Steuerung – sie werden nach dem Waschvorgang jedoch vor Dichtprüfung/Montage in die roboterbeladene Fertigungslinie eingebunden. Aus Gründen der Werkstückbearbeitung, den geringen Toleranzen, der Werkstückgröße sowie der kratzempfindlichen Werkstückoberfläche wurde entschieden, eine Lösung mit pneumatischen Messdornen einzusetzen. Die Vorrichtung besteht aus zwei getrennten Messstationen für die Kupplungs- bzw. Getriebegehäusetypen. Die Werkstücke werden getrennt voneinander von einem Handhabungsroboter auf einer Vorzentrierung mit einer Ablege-Genauigkeit von ­± 0,5mm be- und entladen. Nach der Übernahme werden die Werkstücke nach unten abgesenkt. Hierbei werden zuerst alle vorauslaufenden Index-Messdorne zugeführt. In dieser Position werden die Ausrichtzylinder nacheinander horizontal zugestellt und abgehoben, die Werkstücke werden gespannt gemessen, die beiden Vorrichtungen können um 180Grad geschwenkt werden, um dem Messroboter eine Zugänglichkeit zu ermöglichen. Nach der Werkstückübernahme werden die Bohrungen von zwei Messrobotern vermessen, denen eine Reihe von Wechselmessdornen mit zugehörigen Kalibriereinheiten zur Verfügung steht. Innerhalb eines Messzyklusses (110s ohne Be- und Entladung) wird der Messdornsatz bis zu 7x gewechselt, die Wechselzeit beträgt ca. 6s pro Messdornsatz. Pro Werkstücktyp existieren zwei Messabläufe, eine taktzeitkonforme Kurzversion sowie eine ausführliche Version, bei der angestrebt wird, alle Bohrungen in zwei Richtungen scannend zu prüfen. Bei der Kurzversion werden nur die zuletzt bearbeiteten Bohrungen geprüft, je nach Messdornausführung mit einem oder zwei Messkreis(en). Wegen unterschiedlicher Werkstückgeometrien und Bohrungslagen werden unzugängliche bzw. taktzeithemmende Bohrungen mit fixen Messdornen geprüft. Die Messmittelfähigkeit (V1) wird mit 50 Wiederholmessungen an den in der Anlage integrierten Einstellmeistern durchgeführt und mittels qs-STAT Standardauswertung nachgewiesen (cg/cgk = 1,33). Die Messmittelfähigkeit (V3) wird mit zehn IO-Werkstücken mit je zwei Wiederholmessungen pro Messobjekt durchgeführt. Anschließend erfolgt die Ermittlung des R&R Kennwertes (= 20%). Fazit Die Eigenschaften dieser Lösung auf einen Blick sind – vereinfachte Handhabung durch den Einsatz von Kalibrierringen statt komplexer Einstellmeister – Taktzeitverkürzung durch den teilweisen Einsatz von Stufen- und Multidornen (weniger Wechselzeiten) – dynamische Messung der Bohrungen (scanend über 180Grad) möglich – programmierbare Dornposition (Tiefe und Messpunktlage) – Investitionsschutz, da leicht umrüst- und er- weiterbar – Flexibilität im Abruf der Messmittel (Kasten1) Das Getriebegehäuse verfügt über – 30 Prüfstellen – drei Stufen-/Multimessdorne mit gleichzeitiger Messwertaufnahme – zehn statische Dorne – acht Wechseldorne – 16 Messwertaufnahmen mit Roboter Beim Kupplungsgehäuse ergeben sich – 28 Prüfstellen – sechs Stufen-/Multimessdorne mit gleichzeitiger Messwertaufnahme – sechs statische Dorne – acht Wechseldorne – 16 Messwertaufnahmen mit Roboter (Kasten1 Ende) (Kasten2) Einsatz der Roboter-Messzelle – Sicherung der Produktqualität – schnelle, dem Produktionsprozess untergeordnete Messung – automatisierte Zuführung von Werkstück oder Messmittel – geringe Benutzerabhängigkeit – hoher Automatisierungsgrad – Investitionsschutz, da leicht umrüst- und erweiterbar – einmalige Anschaffung – bereits vorhandene Roboter können zusätzlich Messaufgaben übernehmen – große Bandbreite an messbaren Werkstücken durch geringen Rüstaufwand – Flexibilität im Abruf der Messmittel – auslastungsorientierter Prüfumfang – Übernahme von Zusatzaufgaben (Beschriftung, Palettierung usw.) (Kasten2 Ende)