Sep Vorteile der Automation. Dieses WhitePaper gibt einen tiefen Einblick in das Thema Automation in der optischen Messtechnik.

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1 Sep 2015 Vorteile der Dieses WhitePaper gibt einen tiefen Einblick in das Thema in der optischen Messtechnik.

2 Vorteile der Welche Vorteile ergeben sich durch den Einsatz einer automatisierten optischen Messanlage? Sie setzen bereits heute die optische Messtechnik in Ihrem Unternehmen ein und kennen die Vorteile, welche die optische Sensorik bieten kann? Um Ihren Prozess effizienter und reproduzierbarer zu gestalten, möchten Sie nun Ihre vorhandenen Messsysteme automatisieren oder den Umstieg in die automatisierte optische Messtechnik zur Steigerung Ihrer Performance wagen? Bei der Planung einer automatisierten Messlösung gibt es viele Dinge zu beachten, um unter betriebswirtschaftlichen und technischen Gesichtspunkten die richtige Entscheidung treffen zu können. Nutzen Sie unser WhitePaper als kleinen Leitfaden. 03 Inhalt: Automatisierte Lösung 4 Optimale Lösung und Integration durch anforderungsgerechte Konzepte 5 Automatisierte optische 3D - Messtechnik 6 Anforderungen an die Datenverarbeitung und Softwarestruktur 7 Wie sehen konkrete Praxisbeispiele der topometric GmbH aus? 8

3 Automatisierte Lösung Neue Fertigungstechnologien, höhere Qualitätsansprüche und immer schnellere Produktionszyklen fordern eine Anpassung der qualitätssichernden Prozesse. Fertigungszeiten werden immer kürzer und der Faktor Zeit spielt in der Qualitätssicherung eine zunehmende wichtiger Rolle. Messzeiten müssen reduziert werden, um die Gefahr der Ausschussproduktion oder den Aufwand an Nacharbeit so gering als möglich zu halten. Stillstandszeiten in der Fertigung kosten Geld. Durch den Einsatz von automatisierten Systemen ist es möglich, die Produktionszyklen zu verkürzen. Was also spricht dagegen, qualitätssichernde Maßnahmen zu automatisieren, wie es in der Serienproduktion schon gang und gäbe ist? Besondere Merkmale der optischen Messtechnik sind die Datenverfügbarkeit und die Geschwindigkeit. Optische Messsystem sind in der Lage, mehr Daten und Informationen in einer kürzeren Zeit zu erfassen. Ein weiterer entscheidender Vorteil der optischen Messtechnik ist der Erhalt einer virtuellen Kopie des Werkstücks oder Prüflings. Es können aufgrund der schnellen Aufnahmetechnik mehr Informationen erfasst werden, welche zum aktuellen Zeitpunkt nicht benötigt werden. Im Anschluss können sie für Analysezwecke genutzt werden, auch wenn das Werkstück physikalisch nicht mehr verfügbar ist. 04 Zusammen mit einer industriell eingesetzten Automatisierung oder Handlingseinheit können Anforderungen an die Anwendung optimiert werden. Zeitraubende Messungen und Analysen werden somit auf ein Minimum reduziert. In der Serienfertigung kommen automatisierte Prozesse zum Tragen, weil eine gleichbleibende Qualität durch die Reproduzierbarkeit gegeben ist. Ebenso sind automatisierte Prozesse oftmals in wesentlich kürzerer Zeit erledigt. Warum sollten diese Faktoren nicht auch im Bereich der Qualitätssicherung und Messtechnik genutzt werden? Was spricht gegen die Erhöhung der Qualität und Einsparung von Zeit in der Qualitätssicherung? Serienprozesse erfordern immer gleichbleibende Teilschritte. Dies ist in der Messtechnik ebenso gefordert. Deshalb eignen sich Automatisierungslösungen in der Messtechnik besonders gut für wiederholende Messungen. Durch die immens hohe Wiederholgenauigkeit im Vergleich zu manuellen Prüfungen und Messungen kann der Gesamtprozess inklusive Qualitätssicherung auf ein Optimum eingestellt werden. Tendenzen von Qualitätsmarkern durch Parameterveränderungen, Materialschwankungen oder anderer Prozesseinflüsse können durch einen hohen Stichprobenumfang frühzeitig identifiziert werden. Der sinnvolle Einsatz automatisierter Messapplikationen ist daher im Bereich von Wiederholmessungen oder ähnlicher wiederkehrender Prüfungen. Durch die flächenhafte Erfassung von Geometrien bietet die optische Messtechnik den besten Lösungsansatz für diese Aufgabenstellung.

4 WhitePaper Die Einsatzgebiete in Bezug auf die Herausforderung liegen in nahezu allen Industriebereichen. Hierbei ist es vernachlässigbar, ob es sich um die Luft und Raumfahrtbranche, den allgemeinen Maschinenbau, die Medizintechnik, die Automobilindustrie, die kunststoffverarbeitende Industrie, oder andere Branchen handelt. Immer komplexer werdende Geometrien mit höherer Genauigkeitsanforderung erfordern genauere Messverfahren, die auch in der Lage sind mit komplexen Strukturen umzugehen. Die 3D Messtechnik hat die einfache eindimensionale oder zweidimensionale Prüfung mit Handmessmitteln abgelöst. Schließlich finden wir immer weniger 2D Zeichnungen in der Konstruktion und Fertigung, weil diese durch 3D Datenmodelle verdrängt wurden. Fertigungsverfahren sind zunehmend auf 3D Bearbeitung ausgerichtet. Man muss dem Fortschritt in Richtung Technologie und dem Anspruch an das Objekt mit geeigneten Prüfprozessen gerecht werden. Optimale Lösung und Integration durch anforderungsgerechte Konzepte Automatisierungsanlagen in der Fertigung bestehen heute aus industrietauglichen Komponenten. Sollte man diese etablierten Komponenten, die mittlerweile schon Standards abbilden, nicht auch sinnvoll in der Qualitätssicherung einsetzen? Die Variation aus verschiedenen Standardkomponenten, wie z. B. Industrieroboter, Einzäunung, Sicherheitstechnik, Fördersysteme, Handlingseinheiten usw. bietet die Möglichkeit den vielfältig individuellen Erwartungen an den Prozess und den Kundenwünschen gerecht zu werden. Das Zusammenspiel aus bestehenden Standardkomponenten liefert keine Standardanlage - jedoch eine Anlage aus bestehenden Standards, welche sich bereits in großen Stückzahlen industriell etabliert haben. Hinzu kommt, dass durch einschlägige Richtlinien und Normen alles geregelt ist. Auch die Integration und Anbindung anderer Systeme in die Prozesse kann optimal gestaltet werden, da hier entsprechende Industriestandards existieren. Die Integration einer optischen Messzelle in den Fertigungsprozess und eine Regelparameterübergabe ist ebenso möglich, wie die einfache Anbindung an andere datenverarbeitende Systeme. Natürlich besteht auch die Möglichkeit zur Visualisierung von Messergebnissen. 05

5 Automatisierte optische 3D Messtechnik Die optische 3D Messtechnik basiert im Wesentlichen aus zwei Teilen: Es ist zum einen die dreidimensionale Digitalisierung und zum anderen die Auswertung bzw. der Soll-/Ist-Vergleich. Bei der 3D Digitalisierung werden die Geometrien der Werkstücke, Bauteile oder Prüflinge in der Regel flächenhaft erfasst. Hierbei werden Millionen von Punkten mit einer Sensorposition aufgenommen. Durch das Zusammensetzen dieser Einzelaufnahmen entsteht eine virtuelle Kopie des Werkstücks als 3D Modell. Dieser Vorgang findet in der Regel schneller statt, als es bei einer taktilen Messung oder Prüfung mit Handmessmitteln der Fall ist. Auch ist die Gefahr von Fehlmessungen oder Ausreißern in den Messmerkmalen zu erfassen wesentlich geringer, da mehr Informationen vorhanden sind als benötigt werden. Durch die Sensorführung mittels industrietauglicher Handlingseinheiten, im Speziellen durch Industrieroboter, kann die Bauteilerfassung auf das Maximum erhöht werden. Die maximalen Bauteilgrößen sind hier nur von der Handlingseinheit oder des kompletten Automatisierungssystems abhängig. Lediglich die Größe der zu erfassenden Merkmale hat einen Einfluss auf die Auswahl der Auflösung und des Messvolumens bei der Sensorik. Die Einsatzmöglichkeiten richten sich sehr stark nach den Erfordernissen, der Art der Messung und des Einsatzorts. Ob eine Anlage als Offline-Messzelle platziert werden soll oder ob es in den Fertigungsprozess als Inline-Messung integriert sein muss, ist abhängig von der Anforderung. Man muss hierbei unterscheiden, ob es um eine 100 % Kontrolle, also Überprüfung eines jeden Bauteils oder um eine 100 % Messung, nämlich die komplette Erfassung des Prüflings geht. 100 % Kontrolle und 100 % Messung zu vereinen ist stark von der erforderlichen Messzeit und der gegebenen Taktzeit abhängig. Die Entscheidung ist natürlich auch davon abhängig, wie stabil ein Prozess ist. Bei geringen Varianzen in der Fertigungsqualität und hoher Merkmalsinformation ist eine 100 % Messung zu favorisieren. Ist die Prozessstabilität mit Schwankungen behaftet, ist es unter Umständen sinnvoller die Merkmalsanteile auf relevante Merkmale zu reduzieren und dafür den Stichprobenumfang zu erhöhen. Somit ergibt sich auch der Einsatzort einer Messzelle. 06 Bemusterungsmessungen mit einer hohen Merkmalsanzahl unter stabilen Bedingungen sollten eher in einem messraumähnlichen Umfeld stattfinden, wobei die seriennahe Qualitätsprüfung durchaus in die Produktion verlagert werden kann. Unter optimalen Umständen, bei höherer Taktzeit und niedrigerer Messzeit, ist eine Integration als Inline Anlage denkbar. Hierbei gibt es jedoch einige Randbedingungen zu beachten: Welchen Einfluss haben z. B. Störungen oder Ausfälle in der Messtechnik auf die Produktion? Führt eine Fehlmessung, fehlende Messung, Systemausfall oder Ähnliches zum Stillstand der Produktion,

6 kann eine Mischform der Inline- und Offline-Messung angestrebt werden. Dies wäre eine sogenannte Bypass Lösung, welche Bauteile aus der Serie ausschleust und nach der Messung wieder in den Produktionszyklus abgibt. Je kritischer die Messung und die Anforderung an Streuung und Genauigkeit ist, desto wichtiger werden Umgebungseinflüsse. Verschmutzung, Schwingungen, Lichteinflüsse, Temperaturschwankungen und viele weitere Faktoren beeinflussen die Messergebnisse und ihre Aussagekraft erheblich. Diese umgebenden Einflüsse müssen während der Konzipierung einer Messanlage akribisch untersucht und deren Abstellmaßnahmen und Einflußgrößen definiert werden. Anforderungen an die Datenverarbeitung und Softwarestruktur Wichtig bei einer optischen, automatisierten Messzelle ist natürlich die Bedienung und Einrichtung. Vor der Produktauswahl muss geklärt sein, wie die Zelle betrieben werden soll: Gibt es Anforderungen an eine Offline Programmierung? Müssen ständig neue Bauteile gemessen werden und ist somit eine häufige Neuerstellung von Messprogrammen notwendig? Muss die Messung von Bauteilvarianten berücksichtigt werden? Welche Schnittstellen werden zu anderen Systemen benötigt? Wie sieht meine Bedienerstruktur aus? All diese Fragen gehen in die Richtung wie integriert die Bedienung an sich sein muss. Kann der Bediener damit leben, verschiedene Tätigkeiten in verschiedenen Systemen abzuarbeiten oder gibt es sogar die Anforderung, dass der Bediener eine mannigfaltige Eingriffsmöglichkeit benötigt und sich somit auf die unterste Ebene der Komponentenbedienung begeben muss? Ist es z. B. gewünscht, dass die Roboterpfadgenerierung auf dem Bediengerät des Roboters stattfinden soll oder die Auswertung in speziellen Softwarepaketen erfolgt? Je integrierter eine übergeordnete Software ist, desto einfacher ist die Bedienung. Gleichzeitig reduziert sich die Fehleranfälligkeit. Moderne Softwarepakete vereinen Offline-Programmierung des Roboters, teilweise auch automatische Pfadgenerierung, die Ansteuerung der Sensorik und der Datenweiterverarbeitung bis hin zur Auswertung und anschließenden Datenübergabe an andere Systeme. 07 Die Offline Programmierung bietet natürlich den enormen Vorteil, die Maschine bzw. Messzelle nicht für Programmierarbeiten zu blockieren. Ein Benutzermanagement kann hier auch helfen, die Aufgaben eines Programmierers von dem eines Bedieners/Bestückers zu trennen. Verschiedene Level helfen Fehler zu vermeiden und bieten die Möglichkeit fertigungsnah Mitarbeiter mit einer minimalen messtechnischen Qualifikation einzusetzen. Die Automatisierungssoftware ist ein so elementarer Bestandteil des Gesamtsystems, dass hier schon darauf geachtet werden muss, welche Peripherie mit angesteuert oder abgefragt werden soll. Hier ist entscheidend, ob die Schnittstellen zu Automatisierungskomponenten, Roboter, Sicherheitstechnik, anderen Steuerungen, SPS und auch eventuell anderer Softwarelandschaften vorhanden sind.

7 Die Kollisionskontrolle und Simulation in der Automatisierungssoftware sollte ein fester Bestandteil sein. Dies spart Zeit bei der Programmierung und auch Kosten für teure Reparaturen. Die Visualisierung in der Simulation gibt Aufschluss darüber, ob Bauteile digitalisiert und gemessen werden können, ob Sensor- bzw. Roboterpositionen erreichbar sind und auch welche Daten maximal erwartet werden. Automatisierte Datenweitergabe und Plausibilitätsüberprüfung geben die Möglichkeit, die Daten für andere statistische Auswertungen zur Verfügung zu stellen. Eine Ansteuerung einer Ampelanzeige über den Gesamtbefund eines Bauteils hilft bei schnellen Entscheidungen. Praxisbeispiele topometric GmbH Optische Doppelständer Robotermesszelle für CFK-Flugzeugteile 08 topometric hat, für einen großen Flugzeugkomponentenzulieferer, eine optische zweiarmige Robotermesszelle für sehr große Bauteile realisiert. Die Anlage dient dort zur vollflächigen Überprüfung von sicherheitsrelevanten CFK-Teilen für Flugzeuge. In der Anlage kommen zwei ATOS III TripleScan Sensoren mit 29M PlusBox zum Einsatz. Die Besonderheit bei dieser Messzelle ist, dass die Digitalisierung der Bauteile mit zwei Sensoren gleichzeitig stattfindet und so die Messzeit halbiert wird. In der Anlage können Bauteile bis zu einer Größe von x x mm gemessen werden. Um dies zu ermöglichen werden zwei KUKA Roboter der Quantec Serie mit einer Traglast von 90 kg und einer Reichweite von mm verwendet. Diese sind auf je einer vollverkleideten KUKA Linearachse mit mm Nennhub montiert und können entlang des Bauteils verfahren werden. Für die zu vermessenden Bauteile hat topometric spezielle Referenzpunktrahmen und Maßstabshalter konstruiert. Dank dieser Referenzpunktrahmen wird der Aufwand bei der Bauteilvorbereitung minimiert. Zudem wird dadurch ein stabiler und reproduzierbarer Messprozess gewährleistet.

8 Eckdaten und verwendete Komponenten Roboter 2x KUKA KR90 R3100 extra Steuerung KUKA KRC 4 Linearachse 2 x KUKA KL CV (8m Hub) Sensorik 2 x ATOS III Triple Scan Plus 29M Schutzzaun Axelent Türschalter Euchner Sicherheitssteuerung Siemens Max. Bauteilgröße x x mm 09 Optische Robotermesszelle für den Automotivebereich im Speziellen Karosserie oder Body in White-Komponenten Diese, bei einem großen Automobilzulieferer realisierte, Robotermesszelle zeichnet sich durch ihre Flexibilität und die hohen erreichbaren Taktzeiten aus. So werden an drei Messplätzen unterschiedlichste Karosserieteile vollautomatisch in Fahrzeugeinbaulage digitalisiert und ausgewertet. Zeitgleich können an zwei Rüstplätzen außerhalb des Sicherheitsbereichs die nächsten Messobjekte vorbereitet werden. Mittels luftgelagerter, drehbarer Lochrasterplatten lassen sich diese Teile anschließend in den Messbereich schwenken. Dadurch sind die Stillstandszeiten der Anlage auf ein Minimum reduziert worden.

9 WhitePaper Eckdaten und verwendete Komponenten Roboter Positionierer Steuerung Vertikales Aufspannsystem KUKA KL CV, 3m Nettoverfahrweg KUKA KR C4 2x Aluminium Sandwichplatten, beidseitig rüstbar manuell um 180 luftgelagert drehbar x mm Horizontales Aufspannsystem Schutzeinrichtungen Sensorik Max. Bauteildimensionen vertikal Max. Bauteildimensionen horizontal 10 KUKA KR90 R3100 extra Quantec Aluminium Sandwichplatte, 3000 x 1800 mm Siemens SPS, Axelent, Euchner ATOS III Triple Scan Plus 29M x mm Gesamtaufbau max. 500 kg x mm Gesamtaufbau max kg

10 11 Über die topometric GmbH Die 2001 in Uhingen gegründete topometric GmbH gilt als führender Dienstleister in der industriellen Messtechnik. Auf einer Gesamtnutzungsfläche von über 6.000m2 werden nahezu alle Bereiche der dimensionalen Messtechnik abgedeckt. Die topometric GmbH ist sowohl in der taktilen als auch optischen Messtechnik nach DIN EN ISO/IEC akkreditiert. Das Unternehmen beschäftigt aktuell rund 76 Mitarbeiter an den Standorten Göppingen und München. Autor: Thomas Reyer topometric GmbH 2015 Sämtliche Texte, Bilder und andere veröffentlichten Informationen unterliegen -sofern nicht anders gekennzeichnet- dem Urheberrecht der topometric GmbH oder werden mit Erlaubnis der Rechteinhaber veröffentlicht. Jede Verlinkung, Vervielfältigung, Verbreitung, Sendung und Wiedergabe bzw. Weitergabe der Inhalte ist ohne schriftliche Genehmigung der topometric GmbH ausdrücklich untersagt.

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