Verfahren zur automatisierten und hochgenauen 3D-Vermessung von Bauteilen mit einem Industrieroboter in Fertigungsnähe (ROBOTCMM)

Problemstellung
Qualitätssicherungsmaßnahmen erfordern immer häufiger die nahezu lückenlose Überprüfung von Bauteilen direkt in der Produktionslinie. Die Anforderung lautet dabei, höchste Messgenauigkeit bei ausreichendem Messvolumen auch für größere Bauteile bereitzustellen. Insbesondere durch die Anordnung der Messtechnik in Fertigungsnähe könnten zahlreiche organisatorische, qualitative und wirtschaftliche Vorteile erzielt werden.
Charakteristisch für industrielle Messumgebungen insbesondere im Bereich der Umformtechnik (Pressenstrassen) sind jedoch relativ stark schwankende Temperaturen, hohe Luftfeuchtigkeit, sowie Staub, Schmutz und starke elektromagnetische Felder. Darüber hinaus können im Produktionsbereich (z.B. durch Hydraulikpressen) Vibrationen entstehen, die sich über den Boden oder das Mauerwerk auf das Messobjekt bzw. das Messsystem übertragen und dadurch eine präzise Messung erschweren oder unmöglich machen. Insbesondere im Umfeld der Spanntechnik sind hierbei investitionsintensive Maßnahmen wie schwingungsgedämpfte Fundamente erforderlich. Hohe Stückzahlen, wie beispielsweise im Automotivebereich der Fall, erfordern darüber hinaus einen hohen Automatisierungsgrad des Messsystems. Alle diese Anforderungen sind möglichst kostengünstig zu erfüllen.
Der Einsatz von Industrierobotern für Messzwecke erscheint zunächst naheliegend und wurde in der Vergangenheit bereits intensiv untersucht. Allerdings gelang es, aufgrund spezifischer Unzulänglichkeiten dieser Maschinen, nicht, ausreichende Genauigkeiten für eine präzise Vermessung von Geometrien zu erzielen. Eine permanente optische Überwachung der Position des Industrieroboters und der Spannvorrichtung für das zu messende Bauteil läßt jedoch eine erheblich gesteigerte Präzision erwarten.

Projektziele
Gesamtziel des Verbundprojektes ist die Entwicklung eines Verfahrens zur automatisierten und hochgenauen 3D-Vermessung von Bauteilen. Es setzt einen Industrieroboter ein, welcher mit einem Laserscanner die zu prüfende Oberflächengeometrie abtastet. Der Kopf des Roboters ist mit mehreren Infrarot-LED versehen. Das Messobjekt wird von einer speziellen Spannvorrichtung gehalten, welche ebenfalls über Infrarot-LED verfügt. Über eine Anordnung von Zeilenkameras lassen sich Abstand und Orientierung zwischen Roboter und Spannvorrichtung präzise bestimmen. Bei ausreichend hohen Messraten läßt sich der Einfluß von Schwingungen rechnerisch reduzieren. Eine Temperaturerfassung in der Spannvorrichtung erlaubt die Kompensation von durch Temperaturschwankungen hervorgerufene Fehler.
Im Einzelnen soll das Messsystem folgenden Anforderungen genügen:
– Steigerung der Genauigkeit von 300µm pro Meter Weglänge auf 100µm pro Meter
– Vergrößerung des Messvolumens von 11 Kubikmeter auf mehr als 20 Kubikmeter
– Erhöhung der Messrate von 80 auf 200 Hz
-Robustheit gegenüber Einflüßen in Fertigungsnähe, wie Temperaturschwankungen, Schwingungen, Luftfeuchtigkeit, Schmutz und elektromagnetische Felder
Als Ergebnis des Projektes soll ein Demonstrator, in welchem die Machbarkeit und Leistungsfähigkeit des neuen Verfahrens gezeigt wird, aufgebaut werden. Für den Demonstrator sind zunächst Teile mit Abmessungen bis 50 cm x 50 cm vorgesehen. Das geplante Bauteilspektrum umfasst dabei vor allem Blechpressteile wie Türen, Hauben, Säulen, Rahmen, Gehäuse und Verkleidungen.

Vorgehensweise
Zunächst werden die technischen Ziele weiter detailliert und sowohl die einzelnen Komponenten, als auch das Gesamtsystem entworfen. Dies ist gleichzeitig die Basis für die Definition der Testszenarien für die spätere Bewertung des Demonstrators. Anschließend erfolgt parallel die Entwicklung der Messtechnik, Spannvorrichtung sowie der Methoden und Algorithmen für die Schwingungsunterdrückung und die Temperaturkompensation. Die einzelnen Komponenten werden aufgebaut und mit einer Systemsoftware zum Demonstrator zusammengefügt und in Betrieb genommen. Abschließend erfolgt der Test und die Bewertung des Messsystems unter Produktionsbedingungen.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Als Ergebnis des Projektes soll ein hochgenaues Messsystem für die fertigungsnahe Prüfung, z. B. in unmittelbarer Umgebung von Pressstrassen, entstehen. Die Fertigungsnähe und ein hoher Automatisierungsgrad ermöglichen die kostengünstige Prüfung auch hoher Stückzahlen und ermöglichen damit dem Anwender eine effektive Qualitätssicherung. Das System zielt zunächst auf einen Einsatz in der Produktion von metallischen Pressteilen, wie Verkleidungen, Türen, usw. , welche beispielsweise von Unternehmen und Zulieferern der Automobilherstellung, der Luft- und Raumfahrt, sowie der Konsumgüterindustrie verbaut bzw. hergestellt werden. Die Lösung ist jedoch prinzipiell auf mit unterschiedlichsten Verfahren produzierte Bauteile aus Metall, Kunststoff etc. übertragbar. Damit kann sich das neue Messsverfahren einen erheblichen Anwendungsbereich erschließen.

• Burgthaler Elektronik-GmbH
• Carl Zeiss Optotechnik GmbH
• Carl Zeiss Optotechnik GmbH