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Vollautomatische 3D Vermessungsanlage für Schweißbauteile

Über 20 Mal schneller als taktile Messmaschine

Bei einem großen Automobilzulieferer wurden frisch geschweißte Bauteile für Abgassysteme bisher in einer taktilen Messmaschine vermessen und in einer separaten manuellen Prüflehre auf Dichtheit geprüft. Eine vollautomatische Anlage von Ziemann & Urban erledigt diese Aufgabe nun im Takt der Schweißroboter – und damit über 20 Mal schneller als früher. Möglich macht’s ein Motoman-Roboter von Yaskawa, der mit einem Stereo-Kamerakopf ausgestattet ist.

Schweißbauteile für Kfz-Abgassysteme müssen höchsten Ansprüchen an Maßgenauigkeit und Dichtheit genügen. Entsprechend wichtig sind die Qualitätssicherungsmaßnahmen in diesem Bereich. Und wichtig heißt in diesem Fall oft auch: aufwendig. Denn die komplette Messung aller notwendigen Parameter erfordert ein Messlabor mit einer taktilen Messmaschine und dauert rund 15 Minuten.
Ebenso exakt, aber viel schneller arbeitet dagegen die vollautomatische Inspektionslösung, die Ziemann & Urban für den Zulieferer eines der weltgrößten Automobilherstellers entwickelt und als Systemlieferant realisiert hat. Sie ermöglicht innerhalb von Sekunden die Identifizierung des Bauteils über einen gelaserten Datamatrix-Code, eine 3D-Vermessung geometrischer Merkmale im Fahrzeug-Koordinatensystem und die Dichtheitsprüfung selbst für formkomplexe Bauteile. Damit kann die Inspektion exakt im Takt der Schweißroboter erfolgen.
Bei der Anlage handelt es sich um eine vollintegrierte autarke Prüfsondermaschine. Sie führt die 100-Prozent-Messung der Bauteile exakt im Produktionstakt der roboterbasierten Schweißanlagen durch. Das heißt im Takt von etwa 40 Sekunden pro Bauteil. Die Prüfkabine ist als massiver Stahl-Schweißrahmen mit Servicetüren ausgeführt. Damit ist sie den Anforderungen eines 3-Schicht-Betriebs in der rauen Umgebung einer automatisierten Schweißerei gewachsen. Die zu überprüfenden Bauteile durchlaufen diese Prüfzelle auf einem Umlaufsystem mit insgesamt zehn bauteilspezifischen Werkstückträgern. Diese verfügen über RFID-Tags, die an jeder Prüfposition zur Rückverfolgbarkeit ausgelesen werden. An zwei Prüfpositionen werden die Werkstückträger definiert ausgehoben.

3D-Vermessung mit robotergeführtem Kamerakopf
An der ersten Position erfolgt die 3D-Vermessung. Diese übernimmt ein Stereo-Kamerakopf. Das System kombiniert zwei hochauflösende GigE-Kameras mit einzeln blitzbaren LED-Ringlichtern zur Auflichtbeleuchtung sowie mit einem Kreuzlaser der Laser-Schutzklasse 2M. Jede der beiden zueinander kalibrierten Kameras nimmt jeweils ein Bild des gleichen Merkmals auf.
Ein 6-Achs-Roboter Motoman MH5 LF von Yaskawa gewährleistet, dass die Kameras dabei jeden Punkt des Bauteils zuverlässig erreichen kann: Hängend montiert, umfährt der extrem flexible Knickarm-Manipulator das Bauteil komplett. Insgesamt werden dabei über 20 definierte Merkmale des Bauteils wie Buchsen, Flansche und Haltebleche vom Roboter über Punkt-zu-Punkt-Fahrten angefahren, damit die entsprechenden Messpunkte von den Kameras erfasst werden können. Die Messauflösung liegt bei 0,05mm (50µm).
Vor jedem Messvorgang wird eine Referenzmessung durchgeführt, um die absolute Positioniergenauigkeit des Roboters sicherzustellen. Der Bediener kann zusätzlich jederzeit, beispielsweise bei Schichtwechsel oder nach Wartungen, die volle Funktionalität der Anlage schnell und einfach verifizieren. Als Referenz dient dabei ein fest auf einem Werkstückträger verschraubtes Serienteil. Dieses muss manuell eingelegt werden und wird automatisch vom Roboter erkannt. Zum Abgleich ist das Referenz-Bauteil mit separater Wertetabelle und engeren Toleranzen belegt.
Für jeden Messpunkt legt die Bildverarbeitungssoftware ZU-Vision von Ziemann & Urban das 3D-Fahrzeug-Koordinatensystem des Kunden zugrunde. Die bauteilspezifischen Anlagepunkte, das so genannte Referenzpunktsystem (RPS), werden virtuell auf Soll-Lage zurückgerechnet. Mit dem Ergebnis dieser Rechen-Transformation korrigiert die Anlage automatisch auch die übrigen Messpunkte. Das bedeutet: Die Bauteile können relativ lose auf den Werkstückträgern aufliegen, ohne die Mess-Genauigkeit zu beeinflussen. Die Bestückung der Anlage, die derzeit noch manuell erfolgt, vereinfacht sich entsprechend.

Dichtheitsmessung und Visualisierung
An der zweiten Prüfposition erfolgt die Prüfung der volumenförmigen Bauteile auf Dichtheit. Dafür werden zunächst alle Flansche und Anschlüsse mit Zylindern verschlossen, wobei die Anzahl mit zehn Stück pro Bauteil außergewöhnlich hoch ist. Anschließend untersucht ein kalibriertes laminares Durchflussmessgerät mit Druckluft das Bauteil auf mögliche Lecks. Fehlerhafte Teile werden automatisch mit einem Drucketikett, einem so genannten Rework Label, gekennzeichnet, auf dem die Fehlermerkmale angegeben sind. Später werden diese Schlechtteile an einer definierten Position separat ausgeschleust. Gutteile fahren auf den Werkstückträgern automatisch an die Entnahmeposition und werden dem nächsten Bearbeitungsschritt zugeführt.
Für statistische Auswertungen und vollständige Einzelteil-Rückverfolgbarkeit werden die Messergebnisse für jedes Bauteil als eigene Datei im CAQ-System des Kunden angelegt. Die Datei enthält neben der Bauteilnummer und dem Werkstückträger, auf dem geprüft wurde, auch sämtliche Sollmaße, Istmaße und Toleranzen der Messwerte.
Die Prüfanlage verfügt als Messmittel über einen Messmittelfähigkeitsnachweis für Maschinenfähigkeit (Messmittelfähigkeitsindizes Cg/Cgk) und Wiederholbarkeit (%RR/GRR). Sämtliche Kalibriervorgänge sind voll automatisiert. Genau wie andere sensible und funktionskritische Einstellschritte sind sie mit einer mehrstufigen Benutzerverwaltung vor unbefugten Zugriffen geschützt.
Im Zuge einer zyklischen Mess- bzw. Prüfmittelüberwachung (PMÜ) führt die Anlage nach jedem Bauteil eine Referenzmessung an der Home-Position des Roboters durch. Dadurch ist eine Selbstüberwachung gewährleistet. Gelieferte Messergebnisse sind somit verifiziert. Abweichungen – z. B. durch Robotercrash, Lockerung einer Kamera bzw. eines Objektives oder andere mechanische Abweichungen – werden sofort erkannt. Die Anlage warnt und stoppt selbstständig.
Steuerung und Visualisierung übernimmt die Software ZU-Control PC-basiert auf einem 19-Zoll-Industrierechner mit Unterbrechungsfreier Stromversorgung (USV). Die Bedienung der Anlage erfolgt über ein 23-Zoll-Touchbedienfeld mit Schwenkgalgen. Auf dem Touchscreen ist neben der Anlagenvisualisierung eine Historie der Messergebnisse abrufbar. Die Kommunikation zwischen den einzelnen Anlagenteilen läuft über EtherCAT und TCP/IP.

Fazit und Ausblick
Mit einer vollautomatischen Inspektionsanlage für Schweißbauteile bietet die Ziemann & Urban GmbH Prüf- und Automatisierungstechnik eine sehr viel schnellere Alternative zur klassichen taktilen Bauteilprüfung. Ein wesentlicher Bestandteil der Lösung ist ein flexibler Motoman-Handling-Roboter von Yaskawa. Er gewährleistet, dass der Kamerakopf zuverlässig an jeden der über 20 Messpunkte gelangt. Bereits jetzt ist die Anlage für künftige Änderungen und Erweiterungen ausgelegt: Das Konzept bietet mit seinen einfachen Werkstückträgern und dem vielseitigen Roboter eine große Flexibilität für zukünftige Bauteilvarianten. Für neue oder geänderte Merkmale können mit geringem Aufwand neue Punkte im Roboterprogramm und der Bildverarbeitung hinzugefügt oder geändert werden. Zudem ist die Anlage bereits für eine mögliche automatische Beladung durch Roboter bei steigenden Stückzahlen ausgestattet.

Kompletter Anwenderbericht von Motoman Yaskawa

Anlagenbeschreibung - System description
Technische Daten: 
  • vollintegrierte autarke Prüfsondermaschine
  • massiver Stahl-Schweißrahmen mit Werkstückträger Umlaufsystem (getaktet)
  • 10x bauteilspezifische Werkstückträger
  • DMC Lesekopf für gelaserte Codes
  • RFID Leseköpfe zur Werkstückträger Erkennung
  • Labeldrucker mit automatischem Applikator
  • 19" Steuerungs- und Bildverarbeitungsrechner, Betriebssystem Windows7 (64 Bit)
  • Anlagenkommunikation über EtherCAT Bus und TCP/IP
  • hochauflösende GiGE Kameras mit einzeln schaltbarer LED Auflichtbeleuchtung
  • Messauflösung ca. 0,05mm
  • Skalierteil für Messmittelfähigkeitsnachweis incl. Messprotokoll

Branche: 
Automobil
Sonstige
Aufgabenstellung: 
Messen
Prüfen
Dokumentieren
Identifizieren
Sortieren
Markieren
Automatisierung: 
vollautomatisch
Anlagentyp: 
Komplettanlage
Produktgröße: 
450mm
Messverfahren: 
Bildverarbeitung
3D Messung
Teile pro Minute: 
2.00