Virtuelle Werkstückinformationen

Forscher arbeiten an Prüfungen

Digitalisierung mit Industrierobotern. Virtuelle Werkstückinformationen spielen in Zeiten von Industrie 4.0 mit der fortschreitenden Verknüpfung von Informationstechnik und Produktionstechnik eine zunehmende Rolle. Die Informationen dienen der Qualitätssicherung, Planung und Optimierung von Bearbeitungsprozessen in der Fertigung.

Roboterbasiertes Prüfsystem für Faserverbundkunststoffe. (Foto: WZL)

Virtuelle Werkstückinformationen werden im laufenden industriellen Betrieb zur Beurteilung von Beschädigungen oder Materialfehlern abgerufen. Für die Digitalisierung eines Bauteils kommen verschiedene optische Messverfahren in Frage. Diese unterscheiden sich aufgrund der Vielzahl an unterschiedlichen Anwendungsfeldern erheblich in ihrer Auflösung, der Messfrequenz und dem Messbereich. Eine Gemeinsamkeit aller optischen Sensoren ist jedoch, dass der Messbereich limitiert ist. Ein vollständiges Modell, frei von Abschattungen, erhält man bei komplexen Geometrien üblicherweise nur dadurch, dass mehrere Aufnahmen zu einem einzigen Modell zusammengeführt werden. Für diesen sogenannten Registrierungsprozess werden die entsprechenden Aufnahmepositionen der jeweiligen Einzelmessungen benötigt. Ein Industrieroboter kann als kostengünstiges Handhabungsgerät nicht nur die notwendigen Positionsdaten mit einer hohen Frequenz und einer relativ hohen Genauigkeit liefern, sondern aufgrund der Größe seines Arbeitsraumes und der Anzahl an Achsen einen optischen Sensor für die Digitalisierung auch optimal positionieren und orientieren. Am Institut für Flugzeug-Produktionstechnik (IFPT) der Technischen Universität Hamburg (TUHH) und am Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement des Werkzeugmaschinenlabors WZL der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule in Aachen (RWTH) werden unterschiedliche Anwendungen eines solchen Aufbaus entwickelt. In beiden Fällen dienen die Geometrieinformationen des digitalisierten Modells als Eingangsgröße für weitere sich anschließende Prozesse.

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Faserverbundkunststoffe setzen sich im industriellen Umfeld als Leichtbaualternative gegenüber konventionellen metallischen Werkstoffen immer weiter durch. Gerade im Bereichen Automotive, Aerospace und Windenergie wird der Werkstoff immer häufiger eingesetzt. Faserverbundkunststoffe entstehen unter anderem in einem mehrstufigen Prozess, in dem in einer frühen Phase aus flachen, zweidimensionalen Textilien dreidimensionale Halbzeuge, sogenannte Preforms, drapiert werden. Unvermeidbar unterliegen diese Preforms starken Qualitätsschwankungen durch die einwirkenden Scherkräfte beim Handhaben und Drapieren. Die notwendige optische Prüfung auf textile Fehlstellen kann nur erfolgen, wenn neben der Oberfläche auch die unbekannte Geometrie erfasst wird. Am WZL wurde daher ein roboterbasiertes Prüfsystem – das 3D Fiber Measurement System (3D-FMS) – entwickelt, das speziell für die schwierigen optischen Eigenschaften von Faserverbundkunststoffen, insbesondere Preforms, optimiert ist. Das System besteht aus einem Sensorkopf, der einen Laserlichtschnittsensor zur Erfassung der Geometrie und ein Machine-Vision System zur Erfassung der Faserorientierungen vereint.

Im Prüfprozess wird in einem ersten Schritt mit Hilfe des Laserlichtschnittsensors die Geometrie der Preforms erfasst. Dazu führt der Roboter den 3D-FMS-Sensorkopf über das Preform. Aus allen Einzelmessungen wird durch eine Datenfusion ein Polygonmodell des Preforms erstellt. Geometrische Fehlstellen, etwa Falten, Schlaufen oder Wellen im Höhenprofil, lassen sich bereits in diesem Modell erkennen und klassifizieren. Im zweiten Prüfprozessschritt wird der 3D-FMS-Sensorkopf ein weiteres Mal über das Bauteil geführt. Die Bahnplanung des Roboters wurde dabei bereits basierend auf dem fusionierten Preform-Modell aktualisiert, sodass die diffuse Beleuchtungseinheit immer orthogonal zur Bauteiloberfläche geführt wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Preform-Oberfläche jederzeit optimal ausgeleuchtet ist. Wie zuvor werden alle weiteren Einzelmessungen in das gleiche Modell fusioniert, um aus allen Bilddaten die 3D-Faserorientierung zu berechnen. Auf Basis dieser Information ist die Erkennung und Klassifikation weiterer Fehlstellen, beispielsweise der Faserwelligkeit in Bauteilebene, oder Abweichungen der intendierten Faserorientierung, möglich. Die roboterbasierte Digitalisierung ermöglicht somit eine vollständige Prüfung von Faserverbundkunststoff-Preforms bezüglich textiler Fehlstellen.

Projekt AutoInspect: Rissinspektion von Triebwerksbrennkammern durch Weißlichtinterferometrie. (Foto: IFPT)

Im Projekt AutoInspect forscht das IFPT in Kooperation mit Lufthansa Technik an einer automatischen Rissinspektion von Triebwerksbrennkammern durch Weißlichtinterferometrie. Die Vorteile dieser Technologie sind eine hohe Auflösung von wenigen Mikrometern und die Robustheit gegenüber Oberflächen mit unterschiedlichen Reflexionseigenschaften. Messbereich und Messabstand eines Weißlichtinterferometers (WLI) betragen jedoch jeweils nur wenige Millimeter. Diese Einschränkungen erhöhen die Genauigkeitsanforderungen an den Industrieroboter als Handhabungssystem dieses Messgerätes und erfordern eine Adaption der einzelnen Messpunkte auf die reale Oberfläche des beschädigten und individuell deformierten Bauteils. Schon kleinste Abweichungen in der Bauteilgeometrie können bei diesem Inspektionsverfahren zu Kollisionen und Leermessungen führen. Für die daher initial notwendige Adaption wird ein virtuelles Modell des jeweiligen Bauteils benötigt. In dieser konkreten Anwendung wird dazu ein klassischer Laserlichtschnittsensor verwendet. Während der Digitalisierung wird der Sensor zusammen mit dem WLI von einem Kuka KR30 HA geführt. Das erfasste virtuelle Modell stellt dann die Eingangsgröße der anschließenden komplexen Adaption des Roboterpfades für die eigentliche WLI-Messung dar. Um Schwingungen zu reduzieren, wird das Bauteil dabei ringweise mit Hilfe einer externen Hochgeschwindigkeits-Drehachse bei stillstehendem Roboter vermessen, der hauptsächlich das Umsetzen zwischen den Ringen übernimmt. Die eigentliche Adaption wird vorrangig eindimensional durch die prinzipbedingt vorhandene Präzisionsachse des WLI durchgeführt, weil sich eine punktweise Adaption durch den Roboter bei über 50.000 Messpunkten extrem negativ auf die Gesamtmesszeit auswirken würde. Speziell in Bereichen mit großer Krümmung ist eine einachsige Adaption aber nicht immer möglich, ohne blinde Bereiche zu erzeugen. Eine Herausforderung der Adaptionsstrategie liegt darin, die Bereiche, in dem eine Positionierung des WLI durch den Roboter notwendig ist, auf ein Minimum zu reduzieren. Der aktuelle Demonstrator kann inzwischen toleranzbehaftete Brennkammern mittlerer Baugröße in einem unter zwölfstündigen vollautomatischen Prozess samt Adaption robust zu einem vollständigen digitalen Modell in der Größenordnung von 140 GByte digitalisieren. Diese Daten werden dann für die anschließende Rissermittlung und im Rahmen eines Nachfolgeprojektes für die Rissreparatur genutzt.

Dipl.-Ing. Ph. Kosse, WZL
Dipl.-Ing. T. Domaschke, IFPT/pb

 


Kurz erklärt: Der MHI e.V.
Die Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.) ist ein Netzwerk renommierter Universitätsprofessoren – Institutsleiter und Lehrstuhlinhaber – aus dem deutschsprachigen Raum. Die Mitglieder forschen sowohl grundlagenorientiert als auch anwendungsnah in einem breiten Spektrum aktueller Themen aus dem Montage-, Handhabungs- und Industrierobotikbereich. Der MHI e.V. hat derzeit 18 Mitglieder, die über ihre Institute und Lehrstühle rund 1.000 Wissenschaftler repräsentieren. Gewählter Präsident ist Prof. Bernd Kuhlenkötter von der Ruhr-Universität Bochum, weitere Vorstandsmitglieder sind Prof. Alexander Verl (Fraunhofer Gesellschaft), Prof. Jörg Franke (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg) und Prof. Thorsten Schüppstuhl (Technische Universität Hamburg-Harburg). Der MHI versteht sich als enger Partner der deutschen Industrie; die Gesellschaft wird durch einen industriellen Beirat, bestehend aus Führungspersönlichkeiten großer und bekannter deutscher Unternehmen, unterstützt. Zudem besteht eine Kooperation mit dem Fachverband Robotik + Automation im VDMA. So wird die Gestaltung von Forschungs-Schwerpunktthemen angeregt. Weitere Infos zur Gesellschaft, deren Mitgliedern und Aktivitäten: www.wgmhi.de.


Kurz erklärt: Das WZL
Der Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Robert Schmitt ist Teil des Werkzeugmaschinenlabors WZL der RWTH Aachen, das weltweit für erfolgreiche und zukunftsweisende Forschung und Innovation auf dem Gebiet der Produktionstechnik bekannt ist. In diversen Forschungsbereichen werden sowohl grundlagenbezogene als auch an den Erfordernissen der Industrie ausgerichtete Forschungsvorhaben durchgeführt sowie praxisgerechte Lösungen zur Rationalisierung der Fertigung und Montage erarbeitet. Am Lehrstuhl arbeiten 120 Mitarbeiter; 44 wissenschaftliche Mitarbeiter koordinieren und bearbeiten die Forschungs- und Industrieprojekte. Der Lehrstuhlinhaber ist Mitglied des Direktoriums des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT sowie Mitglied der MHI e.V. Weitere Infos: www.wzl.rwth-aachen.de.


Kurz erklärt: Das IFPT
Das Institut für Flugzeug-Produktionstechnik (IFPT) der TU Hamburg beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Automatisierung von intelligenten, hybriden und mobilen Systemen aus den Anwendungsfeldern „Große Strukturen“, „Leichtbau“ und „Kleinstserien“. Diese Felder sind typisch für die Flugzeugproduktion und -instandhaltung, Windkraftindustrie, Schiffbau, Medizintechnik und Automobilindustrie. In den vergangenen fünf Jahren wurden sieben Drittmittelprojekte mit Schwerpunkt im Luftfahrtbereich beantragt und teilweise schon umgesetzt. Am IFPT arbeiten aktuell 23 Mitarbeiter aus den Disziplinen Maschinenbau, Elektrotechnik und Mechatronik; es wird vertreten durch Prof. Dr.-Ing. Thorsten Schüppstuhl, Vorstandsmitglied der MHI e.V. www.ifpt-tuhh.de.

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