Mit Sensormaß gefertigt

Fertigungsautomation

Messtechnik - In keiner anderen Branche sind mehr Industrieroboter im Einsatz als in der Automobilbranche. Die Fügeprozesse erfordern genaueste Einpassungen. Laserpunktsensoren überwachen dabei die »Hochzeit« von Karosserie und Motor. Aber nicht nur hier spielen sie ihre Stärken aus.

15. Oktober 2018
Bild: Micro-Epsilon Messtechnik
Bild 1: Mit Sensormaß gefertigt (Bild: Micro-Epsilon Messtechnik )

Die moderne Industrie verlässt sich weltweit mehr und mehr auf immer intelligenter werdende Roboter, die hochpräzise Arbeiten schnell und nahezu 100 Prozent zuverlässig ausführen. Wichtig für den Einsatz intelligenter Robotik sind innovative Sensoren, die die Schnittstelle zwischen der Außenwelt und dem Roboter bilden. 

Sensoren werden in der Robotik auf zwei Arten eingesetzt. Zum einen gibt es die internen Sensoren, die den korrekten Betrieb des Roboters sichern. Sie sind nötig, um die Zustandsdaten des Roboters zu ermitteln. Das wären beispielsweise die Ausrichtung im Raum und die Kalibrierung, Geschwindigkeitsermittlung oder das Erkennen von Drehbewegungen. Eine der Anwendungen in diesem Bereich ist das Kalibrieren von Roboterachsen, welche sich zum Beispiel über Wegaufnehmer der Reihe Indusensor (LVDT) von Micro-Epsilon lösen lässt.

Bei der Inbetriebnahme und in regelmäßigen Abständen müssen im Rahmen der Qualitätssicherung die Roboterachsen justiert werden. Dazu montieren die Mitarbeiter die Messtaster an den Roboterachsen. Diese erfassen bei Drehung der Achse den Nullpunkt über einen Taststift. Die integrierte Elektronik wertet das Tastersignal schließlich aus und gibt ein Schaltsignal an die Robotersteuerung weiter.

Der Roboter ist dadurch unabhängig vom Bediener wieder zuverlässig justiert. Den Indusensor zum Kalibrieren von Roboterachsen hat Micro-Epsilon in Zusammenarbeit mit einem weltweit führenden Anbieter von Robotik entwickelt. Zum anderen gibt es in Robotik-Anwendungen aber auch die externen Sensoren, die Daten und Messwerte zur Umgebung des Roboters liefern. Sie erkennen die Lage des Werkstücks innerhalb des Raumes, machen aber auch taktile Wahrnehmungen möglich.

Die Anforderungen an die eingesetzte Sensorik sind dabei groß, denn der Anwender setzt zeitgleich Präzision, Schnelligkeit, Stabilität, direkte Kommunikation, Vollintegrität, Echtzeitmessungen, Langlebigkeit und Verschleißfreiheit der Sensoren voraus. Optische Sensoren von Micro-Epsilon erfüllen laut Angaben des Herstellers diese Voraussetzungen: Geeignet sind Laserpunkt- und Laserliniensensoren der Reihen OptoNCDT und Scancontrol. 

Steigende Anforderungen

In keiner anderen Branche sind mehr Industrieroboter im Einsatz als in der Automobilindustrie. Dabei steigen die Anforderungen im Hinblick auf Taktzeit, Automatisierungsgrad und Reproduzierbarkeit. In Fertigungs- und Fügeprozessen, vom Stoßdämpfer über die Frontschürze bis hin zur Beleuchtung: Die Produktion eines Automobils erfolgt in vielen Schritten, bei denen unterschiedlichste Teile miteinander verbunden werden. 

Früher gab es starre Fertigungsprozesse, heute werden diese mittels Sensorik in Echtzeit geregelt. Dadurch haben sich die Toleranzen bei Spaltmaßen mittlerweile halbiert und liegen inzwischen bei 0,5 bis zwei Millimetern. Um solche Toleranzen zu ermöglichen, müssen sämtliche Arbeitsschritte exakt ausgeführt werden. Beispielsweise erfordern die Fügeprozesse in der Fertigungsautomation genaueste Einpassungen. Daher übernehmen Roboter mittlerweile einen Großteil dieser Arbeitsschritte.

Präzise Messwerte im Mikrometerbereich

Laserpunktsensoren der Reihe OptoNCDT überwachen beispielsweise die Hochzeit von Karosserie und Motor. Sogenannte Hochzeitsanlagen verbinden hier Karosserie und Motor beziehungsweise den gesamten Antriebsstrang miteinander. Dazu wird der Antriebsstrang auf einem Gestell liegend innerhalb der Produktions-linie eingefahren. Die Karosserie hängt zu diesem Zeitpunkt bereits an einer Vorrichtung, die ein Roboter zeitgleich von oben einschwenkt, sodass sie sich über dem Antriebsstrang befindet und auf diesen herabgelassen werden kann.

An der Vorrichtung montierte Lasertriangulationssensoren messen den Abstand zwischen Karosserie und Motor. Nun muss die Karosserie exakt auf den Antriebsstrang aufgesetzt und dort verschraubt werden. Die Laserpunktsensoren der Reihe werden zur Weg-, Abstandsmessung und Dickenmessung eingesetzt.

Dank der Oberflächenkompensation, der Realtime Surface Compensation (kurz: RTSC), arbeiten sie nahezu material- und farbunabhängig, so der Hersteller. Der sehr kleine Messfleck lässt außerdem die Vermessung winziger Objekte zu und liefert gleichzeitig präzise Messwerte im Mikrometerbereich. Die Messdaten stehen in der Regel in Echtzeit zur Verfügung und können somit zur automatischen Korrektur und Regelung direkt im Fertigungsprozess verwendet werden. 

Einsatzbereiche und Stärken

In der Automobilindustrie gibt es Messaufgaben, bei denen das gleichzeitige Erfassen mehrerer Messwerte oder das dreidimensionale Erfassen von Messobjekten bei kurzen Taktzeiten notwendig ist. Beispielsweise wird bei der Scheibenmontage ein Laserliniensensor Scancontrol eingesetzt, der detaillierte Abstandswerte in allen Ebenen erfasst. Bei der Montage sitzt der Sensor an dem Roboter, der die Scheibe am Fahrzeug einpasst.

Wird die Scheibe aufgesetzt, erfasst der Scanner das komplette Profil der Scheibe und deren Umfeld, wodurch auf einen Schuss und damit in kürzester Zeit alle notwendigen Werte ermittelt werden. Eine weitere Messaufgabe betrifft den Klebeauftrag, der schon vor dem Einpassen der Scheibe erfolgte und ebenfalls durch einen Laserscanner geprüft wird. Der Scanner ist direkt an dem Roboter montiert, der die Kleberaupe aufträgt. Hierbei fährt der Sensor über die Stellen, auf die der Kleber bereits aufgebracht wurde.

Es entsteht ein 3D-Abbild der Kleberaupe, welches Aufschluss darüber gibt, ob die Menge des Klebers ausreicht, ob der Auftrag lückenlos erfolgt ist und ob die Kleberaupe an der richtigen Stelle angebracht wurde. Alle erfassten Messwerte werden separat gespeichert. Sollte zu einem späteren Zeitpunkt ein Fehler im Prozess auftreten, kann zur Fehleranalyse auf diese Messwerte zurückgegriffen werden. 

Die Stärken des Scancontrol-Laserscanners liegen in seiner kompakten Bauweise, wodurch er auch in geringen Bauraum integriert werden kann. Die komplette Elektronik ist im Sensorkopf untergebracht, was ihn für die Montage am Roboter prädestiniert. Dank der robotertauglichen Verkabelung ist der Sensor für die Dreh- und Torsionsbewegungen am Roboterarm geeignet. 

Echtzeit-Qualitätskontrolle

Der Scancontrol-Laserscanner besitzt zudem eine integrierte, empfindliche Empfangsmatrix. Sie ermöglicht Messungen auf fast allen industriellen Materialien und ist weitestgehend unabhängig von der Oberflächenreflexion. Der Laserscanner erkennt auf einen Schuss große Messbereiche und kann durch eine Relativbewegung vom Sensor zum Messobjekt auch dreidimensionale Profile oder Abbildungen von Oberflächen vollständig bis in den Mikrometerbereich erfassen.

Die Echtzeit-Qualitätskontrolle ermöglicht ein sofortiges Eingreifen in die Produktionssteuerung. Zur Auswahl stehen Laserscanner mit roter oder blauer Laserdiode, die in der Regel erst dann eingesetzt werden, wenn das rote Laserlicht an seine Grenzen stößt beispielsweise bei organischen Materialien, Holz, semitransparenten Materialien oder glühenden Metallen. Das blaue Laserlicht lässt sich auf bestimmten Oberflächen schärfer fokussieren und ermöglicht auch dort präzise Messergebnisse.

Die Parametrierung des Laserscanners erfolgt über die PC-Software Configuration Tools, beispielsweise für Stufen, Winkel oder Nuten. Die Parametersätze werden direkt im Sensor gespeichert. Die Ausgabe eines IO/NIO-Signals oder ein direktes Einspeisen der Messwerte in die SPS sind möglich.  

Vision: Halle 1, Stand 1B07

Erschienen in Ausgabe: 06/2018