Messtechnik Robotergestütztes Messsystem für die flexible Fertigung

Autor / Redakteur: Uwe Hildebrandt und Matthias Holzapfel / Udo Schnell

Eine flexible Fertigung kann nicht besser sein als der schlechteste Nebenprozess. Damit Messsysteme nicht zur Produktivitätsbremse werden, müssen sie in der Lage sein, sich schnell ändernden Fertigungsanforderungen anzupassen. Möglich wird dies mit robotergestützten Messsystemen.

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Robotergestützte Messzellen sind eine Alternative zu maßgeschneiderten Mess- und Prüfvorrichtungen, weil sich Änderungen im Prüfprozess einfach umsetzen lassen. Bild: OPW
Robotergestützte Messzellen sind eine Alternative zu maßgeschneiderten Mess- und Prüfvorrichtungen, weil sich Änderungen im Prüfprozess einfach umsetzen lassen. Bild: OPW
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Eine flexible Fertigung ist gerade angesichts der sich rasant ändernden Anforderungen an Zulieferer und Serienfertiger eine wesentliche Voraussetzung zur wirtschaftlichen Auslastung von Produktionsanlagen. Einer der Eckpfeiler dieses flexiblen Produktionsprozesses sind roboterunterstützte Messzellen – statt maßgeschneiderte Mess- und Prüfvorrichtungen zwischenzuschalten, die bei bereits kleinsten Prozessänderungen hohe Umrüstkosten nach sich ziehen können.

Einsatz von Standardkomponenten sichert hohe Wertschöpfung

Mit der flexiblen Roboter-Messzelle OPW-R1 kann sich der Anwender sein individuelles Messgerät genau auf die Aufgabe abstimmen und für den jeweiligen Anwendungsfall zusammenstellen.

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Durch Messung mit einem Industrieroboter in Kombination mit einzelnen Messstationen entstehen hochflexible Einheiten, mit denen sich kostengünstig qualitativ hochwertige Messergebnisse bei großer Variantenvielfalt wirtschaftlich ermitteln lassen. Der Einsatz wieder einsetzbarer Standardkomponenten sichert eine hohe Wertschöpfung dieser Anlagen und macht die Lösung von Messaufgaben unabhängig von wachsender Typenvielfalt und veränderten Produktlebenszyklen.

Die von OPW im vergangenen Jahr erstmals auf der Control in Stuttgart vorgestellte Roboter-Messzelle OPW-R1 ist ein leistungsfähiges Messsystem bestehend aus Robotik, Zellensteuerung, Messrechner sowie einer auf die Messanwendung abgestimmten Sensorik. Je nach Messaufgabe besteht die Robotermesszelle aus verschiedenen Messstationen und Messmitteln. Genutzt werden dabei stets Standard-Bauelemente — vom Standard-Industrieroboter über Standard-Messtaster bis zu Standard-Kamerasystemen.

Optische, taktile und pneumatische Sensoren können eingesetzt werden

Sowohl optische oder taktile als auch pneumatische Messsensoren können eingesetzt und so deren jeweilige Vorteile genutzt werden. Das Messsystem zeichnet sich besonders durch seine dreidimensionale Flexibilität (Teilevielfalt, Prüfschärfe, Prüfumfang) aus und erfüllt alle Anforderungen zwischen einer starren Mehrstellenmessvorrichtung und einer flexiblen Koordinatenmessmaschine. Die Anpassung an individuelle Messaufgaben erfolgt softwaregesteuert. Die Messwerte werden statisch oder scannend dynamisch aufgenommen, die Auswertung erfolgt in 2D und 3D.

Roboter macht bestimmte Messaufgaben überhaupt erst lösbar

Zentrales Element des Messsystems ist ein Industrieroboter, der jedoch nicht als reines Handlingssystem dient, sondern mit dem Messrechner kommuniziert, sodass bestimmte Messaufgaben überhaupt erst lösbar werden. Der Roboter bewegt entweder das zu messende Bauteil oder das Messmittel. Prüfumfang und -methode bestimmen sich in Abhängigkeit vom Werkstücktyp, bei hoher Werkstückvielfalt werden Wechselgreifer eingesetzt. Durch das One-Touch-Konzept wird OPW-R1 zu einer schnell arbeitenden Messzelle, die Messzeiten werden einzig durch den Prüfumfang bestimmt. Zur Abarbeitung erweiterter Prüfumfänge können Pausen, Werkzeugwechselzeiten oder Unterbrechungen in vorgelagerten Prozessen genutzt werden.

Beispiele für den Aufbau der Roboter-Messzelle OPW-R1:

  • Zuführung: Die OPW-R1 kann sowohl das Messmittel dem Werkstück als auch das Werkstück dem Messmittel über ein Transportband zuführen. Das Besondere ist die Eigenschaft, ein Werkstück ähnlich wie mit einer Hand zu reichen und dabei die Lage des Werkstückes mit in die Berechnungen einfließen zu lassen (Bilder 1 und 2). ?
  • Bauteilerkennung: Ein Kamerasystem kann beispielsweise Bauteile identifizieren und das entsprechende Messprogramm auswählen.
  • Prüfmethode Messen mit Luft: Die pneumatische Messmethode zeichnet sich durch hohe Genauigkeit und Langzeitstabilität aus. Sie ist unempfindlich gegen Umwelteinflüsse und garantiert eine ausgezeichnete Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse. Berührungsloses Messen mit Luft verhindert Beschädigungen der Werkstücke. Der Roboter führt das Bauteil einem Luftmessdorn zu.
  • Prüfmethode Messen mit Licht: In der Praxis stoßen konventionelle Messtechnologien bei spezifischen Anforderungen immer wieder an Grenzen — zum Beispiel extreme Umweltlasten, geringes Einbauvolumen, niedrige Masse, große Messbereiche und lange Übertragungsstrecken. Messen mit Licht ermöglicht berührungslose, schnelle, präzise Messungen von Strömungen und Festkörperoberflächen. Der Roboter führt dabei das Bauteil einer Optik zu, wobei verschiedene Bauteilgeometrien in der OPW-R1 gemessen werden können.
  • Prüfmethode: Messen mit Taster. Alle Tasteraufnahmen verwenden Messtaster und können mit Taststiften verschiedener Durchmesser eingesetzt werden. Der Roboter führt das Bauteil dieser Messstation zu. Besonders interessant ist der Einsatz digitaler, pneumatisch zustellbarer Taster.
  • Messrechner: Der industriegerechte Messrechner zur offenen und transparenten Datenhaltung zeichnet sich durch Flexibilität, einfache Bedienung und Konfiguration aus. Er verfügt über eine hohe Anzahl vielfältiger Schnittstellen. Softwarebasis ist die in mehr als 400 Anwendungen praxisbewährte Messsoftware OPW-QP.

Roboter-Messzelle übernimmt automatisierte Messvorgänge

Der Einsatz der Roboter-Messzelle OPW-R1 ist dann sinnvoll, wenn kein Bediener zur Verfügung steht, eine Varianz von Teilen vorliegt, es um automatisierte Messvorgänge mit engen Toleranzen geht, kurze Taktzeiten erforderlich sind, das Produktspektrum unterschiedliche Prüfmerkmale und Prüfschärfen erfordert, der Prüfumfang auslastungsorientiert ist oder Zusatzaufgaben (beispielsweise Beschriftung oder Palettierung) übernommen werden sollen.

Ein Beispiel aus der Praxis zur Veranschaulichung: Ein Automobilzulieferer beabsichtigt, Messeinrichtungen zur automatischen Prüfung von je zwei Kupplungs- und Getriebegehäusetypen zu implementieren. Die Messeinrichtungen verfügen über eine eigenständige Steuerung, sie werden nach dem Waschvorgang, jedoch vor Dichtprüfung/Montage in die roboterbeladene Fertigungslinie eingebunden. Aus Gründen der Werkstückbearbeitung, der niedrigen Toleranzen, der Werkstückgröße sowie der kratzempfindlichen Werkstückoberfläche wurde entschieden, eine Lösung mit pneumatischen Messdornen einzusetzen.

Die Vorrichtung besteht aus zwei getrennten Messstationen für die Kupplungs- oder Getriebegehäusetypen. Die Werkstücke werden getrennt voneinander von einem Handhabungsroboter auf einer Vorzentrierung mit einer Ablege-Genauigkeit von ±0,5 mm be- und entladen. Nach der Übernahme werden die Werkstücke nach unten abgesenkt. Dabei werden zuerst alle vorauslaufenden Index-Messdorne zugeführt. In dieser Position werden die Ausrichtzylinder nacheinander horizontal zugestellt und abgehoben, die Werkstücke werden gespannt gemessen, die beiden Vorrichtungen können um 180° geschwenkt werden, um dem Messroboter eine optimale Zugänglichkeit zu gewährleisten.

Nach der Werkstückübernahme werden die Bohrungen von zwei Messrobotern vermessen, denen eine Reihe von Wechselmessdornen mit zugehörigen Kalibriereinheiten zur Verfügung steht. Innerhalb eines Messzyklus (110 s ohne Be- und Entladung) wird der Messdornsatz bis zu sieben Mal gewechselt; die Wechselzeit beträgt etwa 6 s pro Messdornsatz (Bild 3). Pro Werkstücktyp existieren zwei Messabläufe, eine taktzeitkonforme Kurzversion sowie eine ausführliche Version, bei der angestrebt wird, alle Bohrungen in zwei Richtungen scannend zu prüfen.

Taktzeithemmende Bohrungen werden mit fixen Messdornen geprüft

Bei der Kurzversion werden nur die zuletzt bearbeiteten Bohrungen geprüft, je nach Messdornausführung mit einem oder zwei Messkreisen. Wegen unterschiedlicher Werkstückgeometrien und Bohrungslagen werden unzugängliche oder taktzeithemmende Bohrungen mit fixen Messdornen geprüft.

50 Wiederholmessungen für die Messmittelfähigkeit

Das Getriebegehäuse verfügt über

  • 30 Prüfstellen,
  • 3 Stufen-/Multimessdorne mit gleichzeitiger Messwertaufnahme,
  • 10 statische Dorne,
  • 8 Wechseldorne,
  • 16 Messwertaufnahmen mit Roboter.

Beim Kupplungsgehäuse ergeben sich

  • 28 Prüfstellen,
  • 6 Stufen-/Multimessdorne mit gleichzeitiger Messwertaufnahme,
  • 6 statische Dorne,
  • 8 Wechseldorne,
  • 16 Messwertaufnahmen mit Roboter.

Die Messmittelfähigkeit (V1) wird mit 50 Wiederholmessungen an den in der Anlage integrierten Einstellmeistern durchgeführt und mittels QS-Stat-Standardauswertung nachgewiesen (cg/cgk ≥ 1,33). Die Messmittelfähigkeit (V3) wird mit zehn In-Ordnung-Werkstücken mit je zwei Wiederholmessungen pro Messobjekt durchgeführt. Anschließend erfolgt die Ermittlung des R&R-Kennwertes (≤ 20%).

Messsystem ist leicht umrüst- und erweiterbar

Die Vorteile dieser Lösung bestehen zum einen in der vereinfachten Handhabung durch den Einsatz von Kalibrierringen statt komplexer Einstellmeister sowie in der Taktzeitverkürzung durch den teilweisen Einsatz von Stufen- und Multidornen (weniger Wechselzeiten). Hinzu kommt, dass das dynamische Messen der Bohrungen (scannend über 180°) möglich ist, genauso wie eine programmierbare Dornposition (Tiefe und Messpunktlage). Vorteilhaft ist außerdem der Investitionsschutz, weil das Messsystem leicht umrüst- und erweiterbar ist und eine hohe Flexibilität im Abruf der Messmittel vorhanden ist.

Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH) Uwe Hildebrandt MBA ist Geschäftsführer der Oberndorfer Präzisions-Werk GmbH & Co. KG in 78727 Oberndorf, Matthias Holzapfel ist freier Journalist in Villingen-Schwenningen.

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