Smart Factory Laser- und Videoprojektion plus Werkzeugtracking

Ein Gastbeitrag von Peter Keitler

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Um hohe Qualität zu liefern, müssen sich Unternehmen auf die einwandfreie Nachbearbeitung von Werkstücken verlassen können. Mit dynamischem Werkzeugtracking können Produzenten hierfür jetzt auch manuelle Prozesse mit geringem Aufwand digital und teilautomatisiert dokumentieren, um die Qualitätssicherung zu optimieren.

Eine Schmetterlingsdarstellung der Karosserie verschafft zusätzlich Übersicht.
Eine Schmetterlingsdarstellung der Karosserie verschafft zusätzlich Übersicht.
(Bild: Extend3D )

Laut einer Bitkom-Studie sind 93 Prozent der deutschen Unternehmen aus dem Maschinen- und Anlagenbau offen für Digitalisierungsprojekte. Die mittelständisch geprägte Branche zeigt, dass die Innovationsbereitschaft, die sie groß gemacht hat, weiterhin besteht. Der Wille zur Digitalisierung allein reicht jedoch nicht aus – man muss sich ihr auch annehmen.

Gerade um analoge Prozesse ins Digitale zu übertragen, braucht es intelligente Lösungen. Für das Qualitätsmanagement kann Werkzeugtracking eine passende Lösung sein: Dabei handelt es sich um eine Erweiterung der dynamischen Laser- und Videoprojektion.

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Manuelle Arbeit erleichtern

Bei der dynamischen Laser- und Videoprojektion werden CAD-Daten, Arbeitsanweisungen, Messprotokolle und weitere Daten direkt auf ein Werkstück projiziert. Der Werker muss keine physischen Schablonen mehr anlegen oder zeitaufwendige Messungen vornehmen. Die Projektion zeigt ihm, wo er welche Arbeit vollziehen muss. Kurz gesagt, digitale Informationen werden für analoge Prozesse einfach nutzbar gemacht.

Den manuellen Bearbeitungsprozess abschließend zu überprüfen und zu dokumentieren, sprich ihn wieder zu digitalisieren, war bisher allerdings noch schwierig. Mit dem dynamischen Werkzeugtracking lässt sich dies nun automatisieren. Es geht nicht nur darum, nachzuweisen, dass eine Tätigkeit an der richtigen Stelle auch wirklich ausgeführt wurde. Zudem ist es auch möglich, individuelle Prozessparameter mit einem ganz spezifischen Bauteilmerkmal im digitalen Modell zu verknüpfen. So lässt sich zum Beispiel überprüfen, ob das Werkzeug die vorgegebene Zeit auf einer Position war und ob der Werker das richtige Drehmoment oder den richtigen Schweißstrom angewendet hat.

Das Werkzeugtracking ist die logische Erweiterung der Laser- und Videoprojektion: Der Werker wird bei der Durchführung seiner Arbeit und Dokumentation des Qualitätssicherungsprozesses unterstützt. Hierbei wird ihm nicht nur angezeigt, welche Arbeitsschritte noch zu erledigen sind, sondern auch die 100-prozentige Bearbeitung sichergestellt. Denn erst wenn alle Schritte vollendet sind, verschwindet die Projektion komplett. Die erfassten Daten können dann bei eventuellen Reklamationen zum Tragen kommen, aber insbesondere helfen, Prozesse weiter zu optimieren.

Werkzeugtracking in der Lackiererei

Gerade für Hersteller von Produkten mit hochwertigen Oberflächen ist die Nachbearbeitung ein Preistreiber. Was Werkzeugtracking hier leistet, zeigt das Beispiel eines großen deutschen Automobilherstellers. Dort wird die dynamische Laserprojektion mit Werkzeugtracking in der Lackiererei bereits eingesetzt. Beim Lackieren ist die manuelle Nachbearbeitung vor allem dann notwendig, wenn Staubeinschlüsse oder Krater auf den Karosserieteilen auftreten. Bisher haben Mitarbeiter diese Stellen von Hand gesucht und ausgebessert. Mit der dynamischen Laserprojektion ließ sich dieser Prozess digitalisieren. Ein KI-unterstütztes Vision-System identifiziert vorab die nachzubearbeitenden Stellen und der Laser projiziert auf dieser Datenbasis im Anschluss Markierungen auf die nachzubearbeitenden Stellen.

Überall dort, wo der Werker ein grünes Dreieck sieht, muss er schleifen. Da das System dynamisch ist, folgt es der Karosserie, auch wenn sie sich bewegt. Wird das Teil auf einem Hubtisch angehoben, bleibt die Projektion präzise an Ort und Stelle. Das System erkennt zudem, welches Werkzeug der Werker gerade benutzt und überwacht, wie lange es an einer Stelle verweilt. Ist der Mitarbeiter fertig mit Schleifen, verändert sich die Projektion von einem grünen Dreieck zu einem grünen Kreis. Das zeigt ihm, dass er noch polieren muss. Ist auch dieser Arbeitsschritt abgeschlossen, verschwindet die Projektion ganz. Wenn schließlich die gesamte Oberfläche des Werkstücks frei von Hinweisen des Projektionssystems ist, ist die Nachbearbeitung finalisiert, was auch über die Schmetterlingsdarstellung auf einem Bildschirm angezeigt wird. Die Karosse kann nicht ausgefördert werden, bevor nicht alle Merkmale bearbeitet wurden.

Um Werkzeugtracking in einem Unternehmen umzusetzen, benötigt man Kameras sowie einen oder mehrere Laser- oder Videoprojektoren. Die Steuerungssoftware bestimmt über spezielle Tracking- und Referenzierungsverfahren die genaue Lage eines Werkstücks und projiziert Informationen präzise auf dessen Oberfläche.

Das Werkzeugtracking funktioniert über Infrarot-LEDs, die direkt auf den Werkzeugen angebracht werden. Strom erhalten sie entweder über den Akku des Geräts oder über einen externen Stromspeicher. Letzteres kommt eher bei größeren Werkzeugen in Frage, bei denen der externe Stromspeicher die Ergonomie nicht zu sehr einschränkt. Die LEDs blinken synchron mit der Belichtungszeit einer Infrarot-Kamera, wodurch die Position des Werkzeugs am Bauteil ermittelt wird. Die Infrarotkameras zur Erfassung der LEDs lassen sich schnell montieren. Einmal initial und dann von Zeit zu Zeit wieder sollten die Projektoren und Kameras zueinander kalibriert werden, dafür eignet sich eine weitgehend automatisierbare Verbundkalibrierung.

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Weitere Prozessparameter auslesen

Beim Werkzeugtracking werden erhobene Daten direkt an das Steuerungssystem übermittelt. So dokumentiert das System, wann der Arbeitsschritt abgeschlossen ist, und die Projektion kann zum nächsten Arbeitsschritt wechseln. Zusätzlich ist es möglich, weitere Prozessparameter auszulesen und an das Trackingsystem zu übermitteln – zum Beispiel die Bearbeitungsdauer, den Anpressdruck, die Drehzahl oder andere individuelle Daten. Diese Parameter können später ausgewertet werden und lassen unter Umständen Rückschlüsse auf die Qualität der Nachbearbeitung zu. Die Expertise des Werkers soll trotz aller Digitalisierung nicht außen vor bleiben. Über einen Handheld kann er auch zusätzliche Informationen in das System eingeben und mit dem Datenmodell verknüpfen.

Die Datenübermittlung vom Werkzeug zum System erfolgt über WLAN. Neue Werkzeuge verfügen häufig schon über diese Funktionalität. Sofern sie noch nicht standardmäßig vorhanden ist, können Werkzeugbauer diese Funktionalität auf Wunsch integrieren. Werden die Geräte in das Unternehmensnetzwerk integriert, sollte die IT-Abteilung einbezogen werden. Denn sie ist für den Netzbetrieb zuständig und gibt vor, welcher Kommunikationsstandard verwendet wird und ob die Verbindung gegebenenfalls zu verschlüsseln ist.

Die Möglichkeiten des Werkzeugtrackings sind vielseitig. Mit weiteren Unternehmensdaten kombiniert können erhobene Prozessdaten die Basis für Big-Data-Analysen bilden. Zudem lassen sich Simulationen an digitalen Zwillingen durchführen und Fertigungsprozesse so weiter optimieren. Vorstellbare Anknüpfungspunkte gibt es viele – es bleibt also in jedem Fall spannend, die weitere Entwicklung der Technologie zu verfolgen.

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