Digitale Modelle ermöglichen Montageassistenz und -prüfung bei kleinen Losgrößen und hoher Variantenvielfalt

Ein wichtiger Aspekt der Entwicklung von Industrie 4.0 ist die zunehmende Verfügbarkeit digitaler Modelle der Produktionsanlagen und Produkte und deren Nutzung für die Simulation technischer Teilprozesses zu Zwecken der Planung, Instandhaltung und Qualitätssicherung. Dies ermöglicht es zum Beispiel, neue Prozesse parallel zur laufenden Produktion offline zu planen und damit die Verfügbarkeit der physischen Produktionsanlagen zu erhalten. Vor allem für die Produktion variantenreicher Produkte in kleinen Losgrößen spielen diese Ansätze eine wichtige Rolle für eine wirtschaftliche Fertigung.
Neben der Beherrschung der einzelnen Fertigungsprozesse ist für eine hohe Prozesssicherheit hier auch deren Beherrschung beim Wechsel zwischen Produktvarianten notwendig. Durch Qualitätssicherung von Teilprozessen wird vermieden, dass unerwünschte Prozessschwankungen Folgeprozesse stören und damit verbunden Kosten verursachen. Im Bereich der automatisierten Qualitätssicherung geometrischer Produktmerkmale ergeben sich durch die Verfügbarkeit von 3D-Modellen neue Möglichkeiten.

Nutzung digitaler Modelle für automatisierte Prüfung und Assistenz

Traditionelle geometrische Prüfsysteme – ob mechanisch mit Messuhren oder mit industrieller Bildverarbeitung – benötigen zur Einrichtung häufig ein Gut- oder Meisterteil oder einen vom Prüfplaner erstellten Parametersatz. Dieser Ansatz stößt an Grenzen, wenn sehr viele Meisterteile notwendig oder Parametersätze zu erstellen sind. Bei variantenreichen Produkten, die z.B. durch die Konfiguration weniger Teilkomponenten mit einheitlichen mechanischen Schnittstellen entstehen, ist dies oft der Fall.
In vielen Fällen stehen die Informationen zu den Produktvarianten inzwischen als strukturierte CAD-Modelle zur Verfügung. Diese bereits erbrachte Arbeit durch die Konstruktion kann dank der maschinenlesbaren Form für weitere Zwecke genutzt werden. Zur Vermeidung von Montagefehlern können die 3D-Modelle genutzt werden, um kontextabhängig dem Monteur visuelle Hinweise zu geben. Hier bieten sich Augmented-Reality-Lösungen an, die beispielsweise lagekorrekt die CAD-Modelle in Kamerabilder einblenden und so die Konstruktionsvorgaben direkt an den Monteur weitergeben.

Weiterhin besteht für Prüfsysteme mit industrieller Bildverarbeitung die Möglichkeit, die Aufnahme eines Gutteils durch eine simulierte Ansicht des 3D-Modells zu ersetzen. Ebenso kann durch Algorithmen, die ebenfalls die 3D-Modelle verwenden, die manuelle Erstellung von Prüfprogrammen automatisiert und beschleunigt werden.

Anwendungsszenario Sondermaschinenbau

Am Beispiel zweier gemeinsamer Entwicklungen des Fraunhofer IFF mit der Kolbus GmbH & Co. KG soll gezeigt werden, wie Montageassistenz und Bauteilprüfung auf Basis von 3D-Modellen die Prozesssicherheit verbessern können. Bei Kolbus wird eine große Vielfalt an Bauteilen in Bearbeitungszentren verschiedener Größe bearbeitet. Wegen der Vielzahl an verschiedenen Bauteilen wird ein modulares Spannsystem verwendet, um für jeden Bauteiltyp bei Bedarf eine passende Spannvorrichtung für die Bearbeitung montieren zu können. Bauteil, Spannvorrichtung und Bearbeitung werden digital konstruiert und geplant, sodass eine optimale kollisionsfreie Bearbeitung an den digitalen Modellen abgesichert ist.
Ungewollte Kollisionen des Werkzeugs mit Spannmitteln oder Bauteil verursachen hohe Kosten durch Werkzeugbruch und Ausfallzeiten. Deshalb war die erste Maßnahme, die korrekte Montage der Spannvorrichtungen sicherzustellen. Statt einer komplizierten Endprüfung hat sich eine Montageassistenz basierend auf Augmented Reality als eine leistungsfähige Lösung herausgestellt. Dabei wird der Arbeitsbereich, in dem die Vorrichtung montiert wird, von mehreren Kameras aufgenommen und die Kamerabilder werden live auf Touch-Screens am Arbeitsplatz dargestellt. Dabei werden dem Werker die nächsten zu montierenden Bauteile als Drahtmodelle eingeblendet. Die Einblendung erfolgt lagekorrekt und zeigt intuitiv die Zielkontur der zu montierenden Teile. Entscheidend ist hierbei, dass die Zielkonturen der Teile direkt aus dem CAD-Modell abgeleitet werden und kein manueller Aufwand in der Arbeitsvorbereitung erforderlich ist. Durch diesen Ansatz fallen Fehler direkt während der Montage auf, da dann Zielkontur und Bauteilkontur nicht übereinstimmen (s. Abbildung 1).
Bearbeitet werden unter anderem größere Schweißkonstruktionen aus Profilelementen sowie Gussteile. Die NC-Bearbeitungsprogramme basieren auf den  Soll-Geometrien und berücksichtigen technologiebedingte Bauteilabweichungen, bspw. Verzug an Schweißkonstruktionen durch den Wärmeeintrag beim Schweißen, nicht. Um diese Bauteilabweichungen der unbearbeiteten Bauteile, die die Bearbeitung gefährden, sicher zu erkennen, wird ein Prüfsystem entwickelt, das die aktuelle Sichtprüfung verbessern soll. Ein bewegliches Portalsystem ermöglicht es dem Prüfer, das auf einer Palette liegende Bauteil aus verschiedenen Richtungen mit einem Streifenlichtsensor und einer Kamera zu erfassen. Nach dem Einmessen des Bauteils im Koordinatensystem des Portals kann das Livebild der Kamera wiederum mit den Konturen der Soll-Geometrie überlagert werden, um fehlende oder falsche Elemente schnell visuell zu erkennen (s. Abbildung 2).
Mit dem Streifenlichtsensor können Daten für geometrische Messungen erfasst werden. Dazu arretiert der Prüfer den Sensor mit einem Mensch-Roboter-Kollaboration-fähigen Roboter an einer beliebigen Position und löst eine Messdatenaufnahme und -auswertung aus. Über eine modellbasierte Planung von Prüfansichten, verbunden mit einer Roboterbahnplanung, werden automatisiert die Voraussetzungen geschaffen, dass relevante Bauteilbereiche aus Ansichten gemessen werden können. Dabei werden die Abstände der Messdaten zum CAD-Modell gemessen und in einer typischen Falschfarbendarstellung visualisiert. Abweichungen in der Geometrie lassen sich somit messen und Bauteile, die außerhalb der Toleranz liegen, vor der Bearbeitung aussortieren, bzw. die NC-Bearbeitungsprogramme anpassen. Um dem Prüfer auch eine einfache Bedienung dieses Sensors ohne Trial-And-Error zu ermöglichen, wird live eine Messdatensimulation visualisiert. Dabei wird in Echtzeit berechnet, welche Messdaten der Sensor am idealen Bauteil aufnehmen würde. Zusätzlich zum Ort wird auch die zu erwartende Qualität der Messdaten in Bezug auf die Ausrichtung zur Bauteiloberfläche und mögliche Totalreflexionen dargestellt. Somit wird der Prüfer in die Lage versetzt, den Sensor recht intuitiv in vorgegebene Aufnahmepositionen zu bewegen, die ein Prüfplaner in der Arbeitsvorbereitung zuvor festgelegt hat (s. Abbildung 3).

Optimierte Prüfplanung

Der Prüfplaner profitiert ebenfalls von der Nutzung der digitalen Daten. Bereits anhand der CAD-Modelle und schon bevor ein Bauteil produziert wurde, kann er zu prüfende Bereiche festlegen. Dazu steht ihm eine Software zur Verfügung, mit der er interaktiv auf der Bauteiloberfläche kritische Bereiche markiert. Die Markierung erfolgt dabei mit einem virtuellen 3D-Pinsel, mit dem die zu inspizierenden Bereiche auf dem Bauteil gezeichnet werden. Eine Messdatensimulation berechnet dann für jeden dieser Bereiche eine geeignete Sensorposition, aus der die markierten Oberflächen optimal erfasst werden können. Neben der Auswahl der Prüfpositionen kann der Prüfplaner auch die Erreichbarkeit dieser Positionen mit dem Portal und dem robotergeführten Sensor analysieren und eine günstige Reihenfolge festlegen.
Die Anleitung des Prüfvorgangs durch eine Folge von Messpositionen sichert eine wiederholbare Qualität der Prüfung und verhindert, dass eventuelle Bauteilabweichungen übersehen werden.
Ein wichtiger Vorteil dieses manuell bedienten Prüfprozesses für Kolbus ist die einfache Integration in den Materialfluss mit einem relativ geringen Flächenverbrauch. In einem anderen Fertigungsumfeld könnte eine automatisierte Lösung vorgezogen werden. Auch für eine Prüfung mit robotergeführten Kameras und Streifenlichtsensoren können die oben beschriebenen Technologien vor allem für die Prüfplanung eingesetzt werden.

Zusammenfassung und Ausblick

Digitale Modelle der Produkte und Produktionsanlagen ermöglichen Assistenz- und Prüffunktionalitäten, die auch bei häufig wechselnden Produkten wirtschaftlich realisiert werden können, da außer dem Laden eines neuen CAD-Modells kein weiterer Anpassungsaufwand notwendig ist. Die hier vorgestellten Assistenz- und Prüftechnologien eignen sich auch für den Einsatz in anderen Produktionszweigen für die Anleitung und Prüfung manueller Montageprozesse oder die Wareneingangsprüfung mechanischer Baugruppen. Neben manuell bedienten Prüfprozessen werden auch Planungsprozesse für die Prüfung mit robotergeführten Kameras und Streifenlichtsensoren unterstützt.

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