FlexPlace. Höchste Präzision bei der robotergestützten Positionierung von Karosserieteilen

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1 FlexPlace Höchste Präzision bei der robotergestützten Positionierung von Karosserieteilen Staff Report Im Rahmen des Unternehmenszieles, die Wertschöpfung der Kunden zu steigern, ist ABB ständig auf der Suche nach Innovationen und Verbesserungen neuen Ideen, neuen Denkweisen, neuen Lösungen und festeren Kundenbeziehungen. Ein Beispiel für dieses neue Denken ist FlexPlace. Aufgabe dieser von ABB Body-In-White in Frankreich entwickelten Softwarelösung ist es, die Effizienz und Wirtschaftlichkeit bei der Montage von Fahrzeugkarosserien deutlich zu verbessern. FlexPlace-Roboter nutzen Sensoren und Mustererkennung, um die größeren Teile eines Fahrzeugs wie Dach oder Türen mit einer Genauigkeit von Bruchteilen eines Millimeters automatisch zu montieren, und ersetzen damit die schweren und teuren Werkzeuge, wie sie bisher verwendet wurden. I n einer Montagelinie für Fahrzeugkarosserien müssen Teile wie Dach, Türen und Heckklappe vor der Montage genau positioniert werden. Für diese Arbeitsschritte, die nach der Karosserieaufbaustation und den Ausschweißstationen erfolgen, ist eine Technologie zur Korrektur der Roboterbahnen erforderlich, wenn die Teile bei jedem Zyklus anders positioniert werden. Dieser Prozess umfasst fünf Schritte 1 : Messung der Karosserieposition. Hierbei werden die Messbahnen an verschiedenen Stellen auf der Karosserie bestimmt. Profilanalyse zur Erfassung bestimmter Punkte auf der Form. Berechnung des Sensor-Offsets. Grundlage hierfür ist ein Vergleich der Messungen und der in einer vorausgehenden «Lernphase» erfassten Referenzprofilposition. Definition einer neuen Roboterposition für die Montage. Hier werden die Werte des Sensor-Offsets an die Korrelationsmatrix-Software weitergeleitet, um die richtige Roboterbahn für den Montagevorgang zu bestimmen. Positionierung des zu montierenden Teils. Einfach ausgedrückt handelt es sich bei der Roboterbahnkorrektur um eine Technologie, die eine genaue Positionierung von Bauteilen durch einen Roboter ermöglicht. Mit Hilfe von FlexPlace können schwere Maschinen, wie sie bisher verwendet wurden, durch intelligente und effiziente Roboter ersetzt werden. FlexPlace die bessere Lösung für die Roboterbahnkorrektur FlexPlace wurde entwickelt, um Karosserieteile bei der Montage mit Hilfe von Robotern effizienter und präziser zu vermessen und zu positionieren. Der FlexPlace-Arbeitsplatz besteht aus einer Windows NT/2000 Software für die Datenverarbeitung, einem PC mit einer Erfassungseinheit, einer Reihe von Sensoren, die auf dem Roboter-Greifer montiert sind, einem Anschluss für die Sensorkabel und einem Kalibrier-Werkzeug. Die Sensoren dienen dazu, die Form des Bauteils zu bestimmen (entweder mit Hilfe eines Roboters oder einer Lineareinheit). Die erfasste Form wird dann mit einer vorher gespeicherten Referenzform verglichen, um einen zweidimensionalen (2D) Offset zu bestimmen. Dieser dient als Eingabe für eine Korrelationsmatrix, aus der dann die Roboterbahnkorrektur berechnet wird. Die Parameter der Matrix werden experimentell aus aufeinander folgenden Roboterpositionen ermittelt. Dies ist die so genannte «Lernphase», 14 ABB Technik 1/2002

2 1 Die Korrektur der Roboterbahn erfolgt in fünf Schritten. Schritt 1 Messung der Karosserieposition. Definition der Messbahnen durch Bewegung des Greifers zu verschiedenen Stellen. Karosserie -Seite Roboter bewegt den Sensor des Laser-Entfernungsmesssers Dach 6.8 Sensorbewegung Y Z Informationen direkt vom Sensor Y Informationen vom Roboter Z Schritt 2 Profilanalyse zur Erfassung bestimmter Punkte auf der Form. Sensor Z-Informationen P Sensor Y-Informationen Schritt 3 Berechnung des Sensor-Offsets aus den gemessenen und den während einer vorausgehenden Lernphase erfassten Referenzprofilpositionen. Schritt 4 Definition der neuen Bahnpositionen. Die Sensor- Offsets werden an die Korrelationsmatrix übergeben, aus der die korrekte Roboterbahn für die Montage bestimmt wird. Aktuelle Profilpositionen Referenzprofilpositionen 3D- Roboterbahnkorrektur Korrelationsmatrix x = Schritt 5 Positionierung des zu montierenden Teils ABB Technik 1/

3 2 Beispiel für Messbahnen Der für FlexPlace gewählte Sensor ist im Grunde ein Laser-Entfernungsmesser. Er dient zur Erfassung der Form, wenn er von einem Roboter oder einer Lineareinheit bewegt wird. CCD-Sensor Optische Linse Laser Abstand Entfernung 30 mm 130 mm die von FlexPlace ebenfalls automatisch durchgeführt wird. die relativ zur Lage der Karosserie positioniert werden. Selbstverständlich lässt sich FlexPlace auch für andere Anwendungen So funktioniert FlexPlace Zurzeit ist FlexPlace für den Karosserierohbau, z.b. zur Montage des Daches, der Türen und der Heckklappe sowie anderer Unterbaugruppen konzipiert, einsetzen zum Beispiel in der Endmontage für das Positionieren von Teilen wie Sitzen, Kotflügeln, Stoßfängern und Frontschürzen, zur Befestigung von Verkleidungsteilen oder bei der Positionierung der Windschutzscheibe 2. Dabei kann stets die gleiche Software verwendet werden. Man muss lediglich eine andere Art von Sensor einsetzen, mit dem Messungen an einer lackierten Fahrzeugkarosserie möglich sind. «FlexPlace löst einige schwierige Probleme unserer Kunden im Karosseriebau,» sagt François Malatier, Leiter der Forschung und Entwicklung bei ABB MCAI BIW in Frankreich. «Weil FlexPlace die robotergestützte Positionierung der zu montierenden Teile übernimmt, entfallen bei unseren Kunden die Probleme und Kosten, die sich üblicherweise beim Einsatz schwerer Werkzeuge und Maschinen ergeben. FlexPlace ist eine herausragende technische Lösung und eine bahnbrechende Leistung von ABB. Das System ist eine intelligente Kombination aus Sensoranpassung, Mustererkennungssoftware und Abstimmungssoftware in einem einzigen benutzerfreundlichen Paket.» FlexPlace oder absolute Bahnkorrektur Derzeit gibt es zwei Verfahren für die Korrektur von Roboterbahnen die absolute und die relative Bahnkorrektur (siehe Glossar). Nach einem Vergleich der verschiedenen Lösungen und Auswertung der Kundenrückmeldungen und -bedürfnisse hat sich ABB schließlich für die relative Bahnkorrektur mit Hilfe von eindimensionalen optischen Lasersensoren (zur Entfernungsmessung) entschieden 3. Die Sensoren sind über eine Stromschleife mit einem gegen elektromagnetische Störungen unempfindlichen 4 20 ma Signal mit der Erfassungseinheit verbunden. Eine digitale Ausgabe der Robotersteuerung synchronisiert die Messbahn und die Erfassungseinheit. Die 16 ABB Technik 1/2002

4 4 Beispiel für Messbahnen FlexPlace Offset (Interlink-Ethernet) Robot TOP TOR-Ausgabe Sensoren (4-20 ma analog) Werte für die Korrektur der Roboterbahnen für den jeweiligen Positionierungszyklus werden über eine Ethernet-Verbindung (ABB Interlink) 4 übertragen, die auch für die Synchronisation der Roboterbewegung mit dem PC-Programm verwendet wird. Mit FlexPlace kann das Dach eines Fahrzeugs in etwa 10 Sekunden mit einer Genauigkeit von besser als +/ 0,5 mm vermessen und in die vorgesehene Montageposition gebracht werden. Die hohe Zuverlässigkeit des Tools ist in erster Linie im gewählten Sensortyp, der geringen Anzahl von Bauteilen und der geringen Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen begründet. Die Einricht- und Produktionsphasen sind benutzerfreundlich gestaltet. Die grafische Benutzeroberfläche ist intuitiv und bietet direkten Zugriff auf die verschiedenen Bildschirmmasken der Anwendungen 5, 6. Laut François Malatier basiert die FlexPlace-Lösung in erster Linie auf einer innovativen Software: «Unsere Mitbewerber lösen dieses Problem auf andere Weise. Einige verwenden einfache Sensoren und Software, andere wiederum fest installierte Sensoren bzw. Kameras. Die Investitionskosten für eine solche Technologie sind sehr hoch. Denn wenn zum Beispiel auf der gleichen Fertigungslinie mehrere Fahrzeugmodelle montiert werden sollen, sind für das System mehrere Kamerasätze erforderlich. Unsere Lösung ist in erster Linie eine Softwareentwicklung. Zwar hatten wir dabei die Möglichkeit erwogen, mit Partnern zusammenzuarbeiten, doch schließlich entschieden wir uns für eine interne Entwicklung. Wir mussten eine bildverarbeitungsorientierte Software entwickeln, doch dies erwies sich dank unseres methodischen Ansatzes und unseres jungen, zukunftsorientierten Teams als nicht allzu schwierig.» Funktionell und effizient Wie bereits erwähnt, verdankt das System seine hohe Zuverlässigkeit zum großen Teil den äußerst präzisen und bewährten eindimensionalen (1D) Lasersensoren. Zur Vermessung des Karosserieprofils werden die Sensoren entweder durch den Roboter (die Sensoren sind dann auf dem ABB Technik 1/

5 5 FlexPlace Produktions-Bildschirmmaske 6 FlexPlace Messprotokoll Greifer montiert) oder von einer kleinen, eingebauten Shuttleeinheit bewegt. Bei dem Produkt handelt es sich keineswegs um eine Art «Black Box», da der Benutzer über die Mensch-Maschine-Schnittstelle auf sämtliche Parameter zugreifen kann. Darüber hinaus bieten integrierte Prozesssteuerungs-Funktionen dem Kunden die Möglichkeit, eventuelle Störungen oder Fehler zu überprüfen oder zu diagnostizieren. FlexPlace ist fest montierten Sensoren überlegen Im Vergleich zur absoluten Bahnkorrektur, bei der fest montierte Sensoren zum Einsatz kommen, ist FlexPlace in nahezu jedem Prozessabschnitt und bei allen für den Prozess maßgebenden Faktoren die effizientere Lösung. Eine der Innovationen ist die Möglichkeit zur Offline- Kalibrierung mit Hilfe einer in der Montagestation installierten Kalibriervorrichtung. Hinzu kommt, dass bei der Erstkalibrierung die Vorkorrektur für die Geometrie des Roboterarmes berücksichtigt wird. Im Vergleich dazu ist für die absolute Bahnkorrektur ein so genanntes «goldenes Modell» und eine Koordinaten- Messmaschine (CMM) in einer anderen Station erforderlich. Mit FlexPlace besteht keine Gefahr, dass sich die Sensoren aufgrund ihrer Nähe zur Messzone gegenseitig stören. Anders als Kameras werden sie auch nicht durch Lichtblitze oder ähnliche Störungen innerhalb der Werkhalle beeinflusst. Die optischen Lasersensoren von FlexPlace kommen mit dem Teil nicht in Kontakt, sodass der Benutzer bei der Wahl der als Referenz zu vermessenden Karosserieposition relativ flexibel ist. Im Vergleich dazu sind die festen Sensoren bei der absoluten Bahnkorrektur weiter von der Messzone entfernt, so dass die Gefahr von Störungen groß ist. Außerdem sind feste Sensoren in höherem Maße von den Umweltbedingungen abhängig, und die gleichzeitige Erfassung von Messungen gestaltet sich schwieriger. Darüber hinaus ermöglicht das neue System eine flexiblere Anordnung. Zur Montage der Sensoren ist lediglich eine geringfügige Anpassung des Greifers erforderlich ein weiterer Vorteil von FlexPlace gegenüber der absoluten Bahnkorrektur, bei der die Anordnungsmöglichkeiten systembedingt begrenzt sind. So muss zum Beispiel ein Stahlgerüst konstruiert und gebaut werden, an dem die Sensoren angeordnet und befestigt werden. Dank der einfacheren Sensoren und der benutzerfreundlichen Software des FlexPlace-Systems ist die neue Lösung um einiges kostengünstiger. FlexPlace ist in der Lage, «eigenständig zu denken», und erfordert eine weniger kostspielige Infrastruktur, Vorbereitung und Wartung. Bei dem komplexeren Verfahren mit festen Sensoren muss die Kalibrierung häufig von einem externen Anbieter durchgeführt werden, und für die Überwachung des Systems ist hochqualifiziertes Bedienpersonal erforderlich. Natürlich ist beim FlexPlace-System die Gefahr einer Beschädigung der Sensoren größer, da sie direkt auf dem Greifer montiert und damit Stößen und Erschütte- 18 ABB Technik 1/2002

6 rungen ausgesetzt sind. (Bei der absoluten Bahnkorrektur werden die Sensoren außerhalb des Arbeitsbereichs der beweglichen Einrichtungen montiert.) Doch die modularen FlexPlace-Sensoren lassen sich schnell und problemlos mit Hilfe der Kalibriervorrichtung in der Station auswechseln. (Dagegen ist der Austausch von Sensoren bei der absoluten Bahnkorrektur kompliziert und zeitaufwendig, da die neuen Sensoren mit einer Koordinaten-Messmaschine oder einem Laser-Messsystem kalibriert werden müssen.) Systemkontrollen und die Qualitätsüberwachung werden mit FlexPlace ebenfalls einfacher. So kann die Kalibriervorrichtung bei Bedarf jederzeit zur Kontrolle des Systems in die Station eingebracht werden. Bei der absoluten Bahnkorrektur hingegen muss das System nach der Vermessung der Karosserie warten, bis diese in der Kontrollstation gewesen ist, bevor das Ergebnis bestätigt werden kann. Mit FlexPlace wird jede Ungenauigkeit aufgrund von Temperaturänderungen automatisch kompensiert, da die Sensoren direkt auf dem Roboter montiert sind. Bei der absoluten Bahnkorrektur ist für eine solche Kompensation ein genaues Robotermodell und eine feste Referenz in der Station erforderlich. Die neue Lösung berücksichtigt sämtliche Voreinstellungen in der Messkette, während bei der absoluten Bahnkorrektur die Lage jedes Sensors innerhalb des Koordinatensystems der Montagestation genau definiert werden muss. Glossar Absolute Bahnkorrektur: Die absolute Bahnkorrektur basiert auf der Vermessung der Karosserie mit Hilfe von Sensoren, die auf einem festen Aufbau in der Station montiert sind. Die Position des zu montierenden Teils und des Roboters werden bestimmt und die Positionierungsbewegung wird innerhalb des Fahrzeug-Koordinatensystems festgelegt. Mit Hilfe dieser zwei absoluten Positionen bestimmt der Computer den relativen Offset zur Karosserie für die Montage. Relative Bahnkorrektur: Hier sind die Sensoren auf dem Greifer des Roboters montiert. Der Roboter bewegt die Sensoren vor der Karosserie und die dabei aufgezeichneten Profile werden verarbeitet, um die Position der Karosserie zu bestimmen. Für die «Lernphase» wird das Referenzfahrzeug in der Station positioniert und die bekannten Offset-Werte werden an den Roboter weiterleitet. Die Sensorwerte werden für jede Position registriert. Am Ende dieses Vorgangs hat das System die Reaktionen der Sensoren auf Verschiebungen des Fahrzeugs gelernt, und diese Informationen werden in die Korrelationsmatrix eingegeben, aus der die korrekten Roboterpositionen bestimmt werden. Goldenes Modell: Eine Fahrzeugkarosserie, die speziell zur Reduzierung von geometrischen Abweichungen angefertigt wird. Bei der absoluten Bahnkorrektur wird ein goldenes Modell für Referenzmessungen verwendet. Koordinaten-Messmaschine (CMM): Eine Maschine zur Vermessung von Fahrzeugkarosserien und Werkzeugen. Bei der absoluten Bahnkorrektur wird ein goldenes Modell mit Hilfe einer CMM vermessen. Kalibriervorrichtung: Ein Werkzeug, das in der Montagestation montiert und für die Erstkalibrierung der Sensoren und für die Korrektur der Sensoren nach deren Austausch verwendet wird. Body-In-White (BIW): Karosserierohbau der Teil der Fahrzeugherstellung, bei dem aus Stanzteilen eine komplette Rohkarosserie mit allen Türen und Klappen montiert wird. Am Ende dieses Fertigungsschrittes ist die Karosserie bereit zur Lackierung und das glänzende Blech erscheint fast weiß. Korrelationsmatrix: Eine mathematische Vorlage, welche die Sensor-Offsets in Postitions-Offsets für den Roboter umwandelt. Die Matrix enthält Koeffizienten, die aus den Daten bestimmt werden, die während der Lernphase gesammelt wurden. In der Lernphase werden die Roboterpositionen verändert und die Sensor-Offsets für jede Position aufgezeichnet. ABB Body-In-White (ABB BIW): Zu den Kernaufgaben dieser ABB-Geschäftseinheit gehören die Konzeption des Montageprozesses, die Konstruktion oder Auswahl der Ausrüstungen, die Konstruktion der Werkzeuge, die das zu montierende Teil beim Schweißen in Position halten sowie die Montage und Spezifikation der Ausrüstung entsprechend den geforderten Leistungsanforderungen. Die Geschäftseinheit wird durch eine kreative Prozessplanungs- und Projektierungsabteilung, Simulationssoftware (für Robotik und Materialflussmanagement), eine F&E-Abteilung, die für die Standardisierung und die Produkt-, Lösungs- und Systementwicklung zuständig ist, sowie ein Projektteam unterstützt. Das Ziel von ABB BIW ist es, Lösungen zur Vereinfachung der Montage von Stanzteilen und die Vorbereitung von kompletten Fahrzeugkarosserien für die Lackierung zu entwickeln. ABB Technik 1/