Ob Lüftungsklappe, Radios, Navi oder Infotainment-System - bei der Fertigung solcher Automobilteile ist es üblich, diese im Zuge ihrer Endmontage einer haptischen Prüfung zu unterziehen. „Haptische Messsysteme hierfür gibt es schon seit Jahrzehnten", weiß Burkhard Weber, Geschäftsleiter von Weber Systemtechnik in Wetzlar, und ergänzt: „Allerdings sind solche auf NC-Achsen basierenden Systeme relativ einfach strukturiert. Je komplexer die zu prüfenden Produkte sind, desto schwieriger ist es, die Mess- und Prüfaufgaben mit diesen Systemen zu bewältigen." Hochflexible Systeme mit Robotern sind nach Überzeugung von Weber für solche komplexen Aufgaben weit besser geeignet.

Die größten Vorteile, die eine roboterunterstützte Prüfung gegenüber Systemen mit NC-Achsen mit sich bringt, sind in den Freiheitsgraden von Roboter und Kraft-Momenten-Sensor begründet, durch die sich - mit den entsprechenden Werkzeugen ausgerüstet - selbst komplizierteste Konturen abfahren lassen. „Die Flexibilität des Systems sorgt zudem für Investitionssicherheit", so Weber: „Sollte sich im Laufe der Zeit das Produktspektrum ändern, muss der Anwender die Prüfzelle nicht aufwendig an die neuen Gegebenheiten anpassen, sondern nur ein entsprechendes Werkzeug integrieren." Die Basis einer typischen Stand-alone- Mess- und -Prüfzelle bildet ein mit einem Kraft-Momenten-Sensor von Schunk ausgestatteter Stäubli-Sechsachsroboter (TX 60).

Der nach dem Dehnungsmessstreifen- Prinzip arbeitende Sensor kann in den Raumachsen x, y und z jeweils Kräfte und Momente aufnehmen. In der Zelle lassen sich damit haptische Prüfungen zum Beispiel an Bedienelementen wie Drucktasten, Drehsteller, Bedienräder, -wippen oder -schieber durchführen. „Eine Herausforderung bei der Konzeption solcher Zellen ist es beispielsweise, die vom Roboter gelieferten Positionen und die mechanischen Informationen des Sensors über Kräfte und Momente zusammenzubringen, und zwar mit einer hohen Auflösung und Geschwindigkeit", erläutert Arndt- Ulrich Klein, zuständig für die Software- Entwicklung der Mess- und Prüfsysteme bei Weber Systemtechnik.

Hohe Performance notwendig

In einer aktuellen Kundenanwendung prüft das Robotersystem die einheitliche Bedienbarkeit von Lüftungsklappen. Prüfmerkmale sind hierbei zum einen die grundsätzliche Funktionsfähigkeit der Bedienelemente und zum anderen die Erfüllung der geforderten Spezifikationen wie aufzubringende Maximalkraft und Position der Rastungen.

Komplette robotergestützte Prüfzelle für Lüftungsklappen: Ein am Roboterarm befindliches Traktionsrad und ein darunter angebrachtes schraubenzieherartiges Werkzeug nehmen die notwendigen Weg-, Kraft- und Momenten- Informationen auf.

© Weber Systemtechnik

Diese Charakteristiken sind teilweise sehr filigran, wenig ausgeprägt und zeitlich kurz, weswegen der Roboter eine hohe Performance bei der zeitlichen Auflösung der Signale benötigt. Im Detail werden bei dieser Anwendung drei Arten von Bedienelementen - Bedienrad, Bedienwippe und seitlicher Schieber - jeweils für die Fahrer- und Beifahrerseite auf ihre Funktionalität hin geprüft.

Die gesamte Prüfung dauert etwa 1,5 Minuten. Dazu werden die Prüflinge manuell in die Anlage eingelegt und die Prüfung wird gestartet. Der Roboter setzt sich in Bewegung, ein am Roboterarm befindliches Traktionsrad setzt auf dem Bedienrad der Lüftungsklappe auf, betätigt es jeweils einmal in beide Bedienrichtungen und nimmt dabei die erforderlichen Momente auf.

Unter dem Traktionsrad befindet sich ein Werkzeug ähnlich einer Schraubenzieherklinge, mit dem der Roboter die Bedienwippe der Lüftungsklappe nach oben und unten sowie den seitlichen Schieber nach links und rechts bewegt. Im Hintergrund des Prüfablaufs werden sämtliche notwendigen Weg-, Kraft- und Momenten-Informationen gesammelt, daraus entsprechende Kurven generiert und einer Analyse zugeführt.

Dabei werden mit Hilfe geeigneter Analysefunktionen in definierten Suchbereichen charakteristische Punkte, zum Beispiel Rastkräfte, ermittelt, die dem Anwender die Information liefern, ob sein Produkt die geforderten Qualitätskriterien erfüllt.

Analyse und Auswertung manuell und automatisch

Neben einer voll automatisierten Analyse und Auswertung ist eine manuelle Interaktiv-Analyse möglich, wodurch sich Service-Aufgaben wahrnehmen lassen, sowie die Einrichtung der automatischen Analyse. Die Datenspeicherung ist ebenfalls automatisiert oder manuell durchführbar. Des Weiteren ist es jederzeit möglich, Offline-Analysen an zuvor gespeicherten Kurvendaten vorzunehmen.

Fehlermeldungen während des Prüfprozesses betreffen zum Beispiel defekte Bedienelemente. Lässt sich etwa ein Bedienrad nicht drehen, so führt die Kraftüberlast in diesem Fall zu einem Abschalten des Roboters, um den Kraft- Momenten-Sensor vor Beschädigungen zu schützen.

Arndt-Ulrich Klein, Software-Entwicklung Mess- und Prüfsysteme bei Weber Systemtechnik, bei der Einrichtung des in die Prüfzelle integrierten Sechsachsroboters – von ihm sind in dieser Applikation neben einer hohen Steifigkeit extrem kurze Reaktionszeiten gefordert.

© Weber Systemtechnik

So genannte Analysefehler treten auf, wenn die Kraftüberlast zwar nicht so groß ist, dass der Roboter abschaltet, die Werte während des Prüfprozesses sich aber aufgrund von Produktfehlern aus den Toleranzgrenzen bewegen, was zu einer Fehlermeldung führt. „Durch die Prüfzelle selbst verursachte Fehler kommen allerdings in der Regel nicht vor", weiß Klein aus Erfahrung. Und wenn doch, dann ist in 99,9 % der Fälle ein Bedienfehler dafür verantwortlich. „Eine Herausforderung bei der Konzeption der Anlage war es, sämtliche im Hintergrund erfassten Informationen zeitlich zu koordinieren und zusammenzuführen.

Ebenfalls keine leichte Aufgabe war es, für Stabilität und Wiederholbarkeit des Prozesses zu sorgen", erinnert sich Klein. Als Beispiel nennt er das Sicherstellen einheitlicher Messwerte und Bewegungsmuster. „Zu Hilfe kam uns, dass unser Analysetool sich schon in der Vergangenheit bei mit NC-Achsen ausgestatteten Prüfsystemen bewährt hatte", so Weber. „Einzig die Verbindung mit dem Robotersystem war wirklich Neuland für uns."

Einen Roboter als Messsystem für solche Anwendungen und nicht für Handling- und Montage- Aufgaben einzusetzen, war für alle Beteiligten eine relativ neue Erfahrung. Insbesondere die hohe Performance, sprich die hohe Geschwindigkeit der Ausgabe von Positionsdaten innerhalb von 4 ms, konnten laut Burkhard Weber die wenigsten Robotersysteme bieten.

Des Weiteren waren hohe Steifigkeit, Präzision und die Offenheit des Systems, das heißt ein Zugriff auf nahezu alle Systemfunktionen auf Applikationsebene, ein unbedingtes Muss. Aus dem auf diesen Vorgaben unter allen Roboterherstellern durchgeführten Benchmark ging letztlich Stäubli als Gewinner hervor.

Qualitätssicherung automatisiert

Prüfanlage für die Härte von Bauteilen und Fertig-Erzeugnissen

© Heywald & Peschke

Ein weiteres Beispiel für den Robotereinsatz im Bereich der Qualitätssicherung ist eine von der Firma Hegewald & Peschke realisierte Anlage, mit deren Hilfe sich die Härte von Bauteilen und Fertig-Erzeugnissen vollautomatisch prüfen lässt. Hierbei übernimmt der Roboter die zentralen Handlingaufgaben zwischen den einzelnen Prüfstationen, die zuvor nur mit hohem Zeit- und Mann-Aufwand realisiert werden konnten.

Die Härteprüfanlage, welche bei einem Baden-Württembergischen Automobilzulieferer installiert ist und dort die Härte von Motorblöcken vollautomatisch bestimmt, ist modular aufgebaut und lässt sich je nach Bedarf durch Probenbearbeitungsmodule oder zusätzliche Prüfsysteme - zum Beispiel zur geometrischen Vermessung und zur Bestimmung der Rauigkeit - ergänzen. So sind neben Motorblöcken beispielsweise Stahl- oder Aluminiumfelgen, Gehäuseteile und anderes mehr prüfbar. Die Anlage besteht aus folgenden Komponenten:

• Ein Brinell-Härteprüfer mit einem integrierten, vollautomatischen optischen System zur Vermessung der Brinell-Eindrücke. Der Härteprüfer bringt eine Last von bis zu 3000 kp stufenlos und servomotorisch auf. Bei anderen Produkten beziehungsweise Materialien ließe sich dieses System durch einen Vickersoder Rockwell-Härteprüfer ersetzen.
• Ein ABB-Roboter, der Prüflinge mit einem Gewicht von bis zu 120 kg punktgenau bewegt.
• Eine Probenvorbereitungsstation, mit der die Produktoberfläche für den Prüfvorgang vorbereitet wird - in diesem Fall eine Fräs-/ Schleifmaschine.
• Eine Identifikationsstation zur Erfassung von Bauteilkennzeichnungen über ein Kamerasystem.
• Eine Signierstation zur Kennzeichnung der Bauteile.Alternativ könnte hier beispielsweise eine Rauigkeitsmessung eingefügt werden.
• Eine Zuführ- und Magazinier-Einrichtung.

Der Prüfablauf geht wie folgt vonstatten: Die zu prüfenden Bauteile werden mit Hilfe eines Linearbandes in das Härteprüfzentrum transportiert, wo sie zuerst von einer Identifikationsstation erfasst werden. Diese scannt die Seriennummer jedes einzelnen Bauteils, das unmittelbar danach von dem Roboter aufgenommen und im Härteprüfer positioniert wird. Hier findet nun eine vollautomatische Brinell-Härteprüfung statt. Der Motorblock lässt sich über einen motorisch betriebenen X-Y-Kreuztisch automatisch in vorher definierte Prüfpositionen verfahren.

Unmittelbar danach finden eine Gut-Schlecht-Trennung sowie eine Kennzeichnung der Bauteile entsprechend ihrer Güte in der Identifikationsstation statt. Das komplette Handling übernimmt dabei der zentral positionierte Roboter. ImAnschluss daran nimmt dieser den Motorblock wieder auf, um diesen auf ein zweites Linearband abzulegen, welches ihn dann zur weiteren Bearbeitung oder zur Verpackung befördert.