Online-Nahtführung Roboter erhält beim Abdichten in Echtzeit Korrekturdaten für die Bahnbewegung

Autor / Redakteur: Lars Westhoff und Georg Lambert / Rüdiger Kroh

Im Bereich Lackierung der Pkw-Fertigung müssen Fügenähte mit PVC-Material abgedichtet werden. Ein Nahtführungssystem ist in der Lage, die Fügenaht während der Bewegung zu detektieren und kontinuierlich Korrekturwerte zur Roboter-Bahnführung bereitzustellen. Derzeit kann die Nahtführung bei Verfahrgeschwindigkeiten des Roboters von bis zu 600 mm/s angewendet werden.

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PVC-Raupen über den Fügenähten im Radkasten sorgen für ausreichenden Korro sionsschutz. Bild: Daimler-Chrysler
PVC-Raupen über den Fügenähten im Radkasten sorgen für ausreichenden Korro sionsschutz. Bild: Daimler-Chrysler
( Archiv: Vogel Business Media )

In der Automobilindustrie ist es notwendig, die im Rohbau entstandenen Fügenähte der Karosserie (zum Beispiel Schweißnähte) mit PVC-Material abzudichten, um einen ausreichenden Korossionsschutz zu erreichen. Wie im Aufmacherbild und Bild 1 dargestellt, befinden sich diese Nähte in unterschiedlichen Bereichen der Karosserie und haben, wie in Bild 2 zu sehen ist, verschiedene Formen.

Das PVC-Material wird in Form einer Raupe durch Industrieroboter auf die Fügenähte aufgebracht. Der Auftrag des Gesamtumfangs der PVC-Raupen ist auf mehrere Roboterproduktionszellen verteilt. Die Karosserien werden dazu über ein Förderband in die einzelnen Zellen transportiert. Weil die Lage der Karosserien auf dem Förderband variieren kann, muss die jeweilige Position mit Hilfe spezieller Vermessungstechnik vor jedem Materialauftrag bestimmt und den Robotern mitgeteilt werden.

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Prozess in zwei Schritten

Dieser Prozess wird gesamtheitlich als Nahtabdichten bezeichnet und im Wesentlichen in zwei Schritten abgearbeitet:

  • Erkennen der Karosserielage und Übergabe der Korrekturwerte an die Roboter.
  • Abfahren der einzelnen Nähte und Auftrag des Materials durch die Roboter.

Derzeit wird nur die Position der gesamten Karosserie in der Produktionszelle ermittelt. Aufgrund der Fertigungstoleranzen im Rohbau variieren aber auch die Fügenähte selbst in ihrer Lage. Die Lage der einzelnen Nähte (Bild 3) wird derzeit nicht detektiert. Diese Toleranzen werden durch breitere Raupen ausgeglichen. Das ist mit erhöhtem Materialaufwand verbunden. Darüber hinaus kann das PVC-Material bei Nähten mit komplexen Geometrieformen nur grob aufgebracht werden. Im Anschluss müssen dann Mitarbeiter das Material verstreichen, damit es über die gesamte Nahtlänge hinweg die Fügenaht abdichtet.

In diesem Prozess ergibt sich damit folgende Herausforderung: Um die Lage der Fügenähte detektieren zu können, ist es notwendig, diese mit Hilfe von geeigneter Sensorik zu ermitteln. Das Ergebnis der Lagebestimmung muss dann an die Roboter übergeben werden. Weil aber die Taktzeit der jeweiligen Zelle nicht steigen darf, ist es notwendig, die Lagekorrekturwerte während der Roboterbewegung zu bestimmen und in Echtzeit an die Roboter zu übergeben.

Die Fügenaht wird während der Bewegung detektiert

Die Verfahrensentwicklung der Produktionsplanung Mercedes-Benz Pkw, die Instandhaltung der Lackierung im Daimler-Chrysler-Werk Sindelfingen und die Isra Vision AG haben ein System zur Online-Nahtführung entwickelt und zur Produktionsreife gebracht. Dieses System besteht aus einer am Roboter mitgeführten Sensorik aus Streifenlichtprojektor und Kamera, (Bild 4), einer leistungsfähigen Bildverarbeitung und einer Schnittstelle zur Echtzeitkommunikation zwischen Roboter und Bildverarbeitungsrechner.

Alle 20 ms ein neues Sensorbild

Dieses Nahtführungssystem ist in der Lage, die Fügenaht während der Bewegung zu detektieren und kontinuierlich Korrekturwerte zur Roboter-Bahnführung bereitzustellen. Das Sensorsystem akquiriert dazu nach jeweils 20 ms ein neues Bild der Nahtlage und generiert Korrekturvektoren im Abtastintervall von 1 mm Länge in Nahtrichtung.

Die Korrekturwerte werden alle 12 ms an die Robotersteuerung übergeben. Derzeit kann die Nahtführung bei Verfahrgeschwindigkeiten des Roboters von bis zu 600 mm/s angewendet werden. Zur Detektion der Fügenaht wird die beim Fügen entstandene Kante oder eine Referenzkante vom Bildverarbeitungssystem verfolgt. Die Kanten können dabei unterschiedliche Formen besitzen. Diese Formen können über eine Bahn hinweg auch stark variieren.

Die Führungskante kann beliebig definiert werden

Die Führungskante kann beliebig definiert werden, das heißt, es muss nicht zwangsläufig die eigentliche Fügenaht verwendet werden. Es kann auch eine dazu benachbarte Kante, die nicht parallel zur Fügenaht verlaufen muss, zur Bahnkorrektur herangezogen werden. Der Vorteil dieser Funktion besteht in der Möglichkeit, die Naht entlang einer Sicht- oder Funktionskante führen zu können. Insbesondere für Sichtnähte ist dies von großem Interesse. Zudem kann die Funktion zur Verwendung derjenigen Kante, die vom Sensorsystem am besten detektiert wird, von Vorteil sein. Dies ist in Bild 5 dargestellt.

Das Bildverarbeitungssystem verwendet das Messprinzip des 3D-Matching mit Hilfe strukturierten Lichts. Dadurch können die Verschiebung und die Höhenlage der Naht ermittelt und übergeben werden. Die Messung basiert auf einer Echtzeitrekonstruktion der Messmerkmale als 3D-Kanten oder Flächen aus den Bildern der auf dem Roboter mitgeführten Kamera. Dazu sind die Kamera und die Lichtquelle zum Roboterbezugskoordinatensystem kalibriert.

Zur Kalibrierung wird der Sensor vor ein 3D-Kalibriertarget gefahren und die Kalibrierung ausgelöst. Die Kalibrieralgorithmen berechnen aus den digitalen Bildern der Kamera das physikalische Modell des Sensors. Als Ergebnis der Kalibrierung kann später im Betrieb des Systems von einzelnen Bildpunkten in den Kamerabildern auf die 3D-Punkte im Raum zurückgeschlossen werden.

Die Kalibrierung des Sensors ist ein einmaliger Vorgang und gültig für eine beliebige Anzahl von Karosserietypen und Roboterbahnen. Zum Einrichten der Applikationsnähte für einen konkreten Karosserietyp wird eine Referenzfahrt durchgeführt. Diese dient dazu, die Solllage der Referenzkante zur Roboterbahn aufzunehmen. Im Betrieb steuert das Nahtführungs-Sensorsystem den Roboter dann so, dass die gleiche Lage zwischen Referenzkante und Robo-terbahn identisch zur Referenzfahrt ist.

3D-Visualisierung der Roboterbahnen

Die Applikationssoftware ermöglicht die 3D-Visualisierung der Roboterbahnen mit den benachbarten Führungskanten. Farblich gekennzeichnet sind Betriebsmodi, die entlang der Roboterbahn gewählt werden können. Die Regelgenauigkeit des Systems wurde an einer realen Karosserie im Technikum der Verfahrensentwicklung gemessen. Dabei stellte sich eine Abweichung von ±0,4 mm bei einer Geschwindigkeit von 500 mm/s ein. Ebenfalls verifiziert wurde der Einfluss der Regelung auf das Geschwindigkeitsverhalten des Roboters. Die Reproduzierbarkeit der Geschwindigkeiten und Beschleunigungen zwischen ungeregelter und geregelter Bahn liegt bei über 90%. Dieses Ergebnis gewährleistet einen stabilen Produktionsprozess.

Nach den erfolgreichen Versuchen findet aktuell ein Betriebsversuch im Grundierwerk 2 der Lackierung in Sindelfingen statt (Bild 6). Der Roboter trägt das PVC-Material auf die Dachnaht der aktuellen Mercedes- E-Klasse auf und wird dabei online geführt. Die nächsten Entwicklungsschritte sehen die Integration der Karosserielageerkennung und der nacheilenden Inspektion der Raupenqualität vor. Die Lageerkennung wird innerhalb der Bewegung zur Karosserie hin ermittelt und die Inspektion analog zur Nahtführung während der Bewegung des Roboters durchgeführt. MM

Dipl.-Ing. (FH) Lars Westhoff ist bei der Daimler-Chrysler AG im Bereich Produktionsplanung, Produktions- und Werkstofftechnik beschäftigt. Dr. Georg Lambert ist Entwicklungsleiter bei der Isra Vision AG in 64297 Darmstadt. Weitere Informationen: Lars Westhoff, 71059 Sindelfingen, Tel. (0 70 31) 90-8 53 87, Fax (0 70 31) 90-36 03, lars.westhoff@daimlerchrysler.com

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