Forschungsprojekt „HoQaB“

Aufwand verringern, Kosten sparen

Qualitätsprüfung von Blechaußenhautbauteilen. In einem Forschungsprojekt wird eine modulare Messzelle zur 100-prozentigen Prüfung der Bauteile entwickelt, in der eine vollständige Bauteilüberprüfung direkt im Produktionsprozess stattfindet.

ABIS II-Sensor der Firma Carl Zeiss Optotechnik. (Foto: Carl Zeiss Optotechnik)

In der Autoindustrie eingesetzte Pressen können bis zu 160 Außenhautbauteile pro Minute umformen. Für diese Bauteile – Motorhauben oder Türbleche – sind sichtbare Oberflächenfehler das Hauptkriterium für die Beurteilung der Bauteilqualität. Um eine spätere Auswechslung dieser Bleche zu vermeiden, sind diese Fehler so früh wie möglich zu detektieren und zu beheben. Folglich ist es geplant, die Überprüfung am Rohblech, also direkt nach der Presse und noch vor Montage und Lackierung, durchzuführen. Der aktuelle Stand der Technik ermöglicht derzeit nur die stichprobenartige Überprüfung von Blechen, indem einzelne Bauteile aus der Produktionslinie entnommen und verifiziert werden. Diese Überprüfung erfolgt mittels Vermessung mit dem ABIS II-Sensor der Carl Zeiss Optotechnik, der mit dem Streifenlichtprojektionsverfahren arbeitet. Die bisherige stichprobenartige Vermessungsmethode ist den hohen Taktzeiten der derzeit verwendeten Servopresslinien zuzuschreiben. Eine Prüfung aller Bauteile ist im Produktionstakt aktuell nicht möglich.

Den ABIS II-Sensor führt ein Industrieroboter. Die zugehörigen Bahnen müssen manuell programmiert und für jede Bauteilvariation individuell erstellt werden; das bedeutet einen hohen Programmieraufwand für jedes neu zu messende Blechteil. Die Messdaten, die durch die Streifenlichtprojektion entstehen, werden automatisch ausgewertet. Mittels dieser Messdaten sind Oberflächenfehler detektierbar und analysierbar.

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Prüfung direkt im Produktionsprozess
Im Forschungsprojekt „HoQaB“, das durch die AiF gefördert und mit dem Projektpartner Carl Zeiss Optotechnik zusammen bearbeitet wird, wird eine modulare Messzelle zur 100-prozentigen Prüfung der Bauteile entwickelt. Hierin findet eine vollständige Überprüfung der Bauteile direkt im Produktionsprozess statt, was zu erheblicher Kostenersparnis und deutlich verringertem Aufwand beim Ausschuss führt. Der modulare Aufbau der Zellen soll eine einfache Erweiterbarkeit und Integration in den Produktionsprozess ermöglichen. Die Messung der Außenhautblechteile erfolgt direkt auf dem Transportförderband, das von der Presse wegführt. Bei der Entwicklung der Zellen wurden diverse Anforderungen berücksichtigt: Zum einen sind dies Restriktionen, die sich aus äußeren Umständen ergeben, etwa der Platzbedarf. Außerdem ergeben sich Einschränkungen aus dem Pressprozess, beispielsweise der Geschwindigkeitsverlauf des Förderbands, das von der Presse kommt. Es ergeben sich auch Anforderungen aus dem zu vermessenden Bauteilspektrum. Dabei sind besonders die Bauteilgröße und die Anzahl, Orientierung und Verteilung der Messpunkte auf der Bauteiloberfläche von Bedeutung. Zuletzt müssen noch die Restriktionen aus den Sensoreigenschaften berücksichtigt werden – beispielsweise die mögliche Relativgeschwindigkeit des Sensors bei einer Messung und das Gewicht des Sensors.

Simulation der Vermessungsbahn in ABB RobotStudio. (Abb.: LPS)

Die Forschen mussten gemäß dieser Anforderungen zunächst einen geeigneten Roboter auswählen, der die benötigte Geschwindigkeit und Beschleunigung leistet. Da für die Messung der Bauteile auf dem Förderband eine Synchronisation des Roboters mit dem Förderband notwendig ist, wurde die Auswahl des Roboters mit Simulationsstudien unterschiedlicher Roboterhersteller unterstützt und verifiziert. Da die Simulationen in den herstellerspezifischen Simulationsprogrammen durchgeführt werden sollten und dennoch vergleichbare Ergebnisse benötigt wurden, musste die Testbahn vereinfacht werden. Da die eigentliche Bahn die Abfahrt von Messpunkten eines Bauteils auf dem Förderband sein sollte und die Kopplung des Bands mit der Robotersteuerung unterschiedlich von den Roboterherstellern umgesetzt wird, musste die Bahn abstrahiert werden. Dazu wurde die ursprüngliche Testbahn samt Förderband mittels Conveyor-Tracking im System ABB RobotStudio simuliert und die erreichten Bahnpunkte für die Sensordatenaufnahme aufgezeichnet. Diese Punkte bilden eine Prozessbahn, die vom Conveyor-Tracking abstrahiert und von den Robotern unterschiedlicher Hersteller abgefahren werden können. Als zweiter generischer Testfall wurde eine Bahn mit verschiedenen Umorientierungen generiert, da diese eine der Hauptursache für Geschwindigkeitsverluste des Roboters sind. Aufgrund der Simulationsergebnisse fiel die Wahl auf einen IRB 1200 von ABB.

Bahn muss möglichst schnell abgefahren werden
Ein weiterer entscheidender Faktor zur Zeitersparnis ist die Roboterbahnplanung. Die anzufahrenden Messpunkte auf der Bauteiloberfläche müssen durch einen Bahnplanungsalgorithmus so miteinander verbunden werden, dass die Bahn möglichst schnell abgefahren werden kann. Das heißt, der zu optimierende Parameter ist die benötigte Zeit für die Abfahrt aller Messpunkte und nicht die kürzeste Strecke. Die zeitliche Bahnoptimierung wird durch unterschiedliche Parameter beeinflusst – etwa bewegen sich die Messpunkte dynamisch auf einem ungleichmäßig beschleunigt und abgebremsten Förderband. Deshalb ist dieses Problem nicht mit einem üblichen Ansatz für das Traveling-Salesman-Prolem lösbar. Der stattdessen gewählte Ansatz ist ein genetischer Algorithmus in Kombination mit der simulativen Abbildung unterschiedlicher Bahnvarianten. Zusätzlich sollen später die Messpunkte möglichst so auf mehrere Roboter aufgeteilt werden, dass eine vollständige Prüfung aller Bauteile im Produktionstakt mit einer möglichst geringen Anzahl an Robotern umgesetzt werden kann.

Weitere Herausforderungen bei der Realisierung der Messzelle sind die Bahngenauigkeit des Roboters bei hoher Geschwindigkeit, die hohen dynamischen Kräfte und das hohe Handhabungsgewicht. Außerdem ist die Genauigkeit der Signalsetzung beim Erreichen der Messpunkte zu überprüfen, da der Roboter an den Messpunkten nicht anhält. Zur Validierung des Konzepts wird derzeit ein Demonstrator zur Verifizierung der Simulationsresultate. Obendrein lässt sich so eine industrienahe Überprüfung der Ergebnisse sicherstellen, insbesondere nicht simulierbare Parameter wie die Absolutgenauigkeit des Roboters.

LPS/pb


Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.)

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 TU Dortmund, 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.


Lehrstuhls für Produktionssysteme (LPS) an der Ruhr-Universität Bochum

Kurz erklärt: Der LPS
Die wissenschaftliche Ausrichtung des Lehrstuhls für Produktionssysteme (LPS), den Prof. Dr.-Ing. Bernd Kuhlenkötter an der Ruhr-Universität Bochum leitet, umfasst die für die moderne Produktionstechnik wichtigen Themenfelder Produktionsmanagement, Produktionsautomatisierung sowie Industrielle Robotik. Im Fokus stehen Entwicklung und Umsetzung neuartiger Technologien für robotergestützte Produktionssysteme, innovative Automatisierungslösungen und Virtuelle Inbetriebnahme. Dabei ist besonders die Mensch-Roboter-Kollaboration ein Kernthema der LPS-Forschungsaktivitäten. Dank diverser Projekte hat der LPS tiefgreifendes Verständnis im Bereich Industrie 4.0 und Service-Robotik. Darüber hinaus ist der LPS an Standardisierungs-Initiativen wie Automation ML aktiv beteiligt. Weitere Infos: www.lps.ruhr-uni-bochum.de.

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