Qualitätskontrolle

Roboter prüft Köpfe

Ein Nadelöhr innerhalb von Fertigungslinien war bisher die Qualitätskontrolle, die meist außerhalb der Linie und zum Teil manuell stattfand. Inzwischen geht der Trend zur automatisierten Inline-Prüfung. Voraussetzung dafür ist, dass die Prüfmerkmale eindeutig beschrieben werden können, sodass damit ein Mess- und Prüfsystem in eine industrielle Fertigung integriert werden kann. Für einen internationalen Automobilkonzern realisiert das Heitec Tochterunternehmen Erhardt + Abt eine Fertigungszelle mit Qualitätskontrolle zur Sortierung und Dokumentation von Zylinderköpfen.

Ein digitaler Zwilling der Anlage spart Zeit und Kosten. (Quelle: Heitec)

Komplexe automatisierte Fertigungszellen bestehen zumeist aus einer Kombination von verschiedenen Arbeitsstationen, Verkettungssystemen und Robotern. Dabei kommt es auf das reibungslose Zusammenspiel aller Komponenten an. Je schneller und flexibler die Systeme arbeiten, desto mehr Daten und Prüfmerkmale müssen mit dem Fertigungsleitrechner ausgetauscht werden. Verstärkt kommen deshalb im Handlings-Bereich sogenannte Multisensorsysteme zum Einsatz, die Bildverarbeitungssysteme mit Detektionssensoren verknüpfen, die Daten vorverarbeiten und somit die Reaktionszeiten kurz halten.

Bei einem Automobilhersteller sollten in einer Fertigungslinie zwölf verschiedene Zylinderköpfe, die als Rohprodukte aus der Gießerei und einer Sandstrahlanlage kommen, sortiert abgelegt und dokumentiert werden. Anschließend sollten sie entsprechend des ermittelten Toleranzbereiches paarweise gebündelt und einer weiteren Bearbeitungsmaschine zugeführt werden, auf der dann die Motorenteile gefräst werden.

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Die Bauteile durchlaufen zuerst eine bildverarbeitungsgestützte Prüfstation, in der die Typenzuordnung des Zylinderkopfs erfolgt. Das Bildverarbeitungssystem besteht aus zwei Kameras und drei LED-Beleuchtungen. Es ermittelt den Zylinderkopftyp anhand vordefinierter Typmerkmale. Bedingt durch die unterschiedlichen Werkstückhöhen sind die Kameras in zwei verschiedenen Höhen montiert. Da der Werkstücktyp zuvor unbekannt ist, müssen beide Kameras eine Auswertung vornehmen. Im Normalfall muss eine Kamera einen Zylinderkopftyp erkennen und die andere Kamera NIO zurückmelden. In einem einzigen, typbedingten Fall melden aber beide Kameras IO zurück. Auch dieser Fall wurde in der Steuerung berücksichtigt. Die ermittelten Daten werden in der Steuerung ausgewertet, abgespeichert und die Teile mit einer eineindeutigen Nummer versehen. Ab diesem Arbeitsschritt ist die lückenlose Rückverfolgung der Teile sichergestellt. Nach der Typbestimmung erfolgt der Weitertransport zur Messmaschine. Hier werden die Bauteile entsprechend ihres Typs auf die hinterlegten Grenzwerte vermessen. Zylinderköpfe, die nicht den Toleranzbereichen entsprechen, werden über ein Band ausgeschleust. Anhand der Messdaten wird ein Korrekturschlüssel ermittelt, der zusammen mit den Teiledaten an die nachfolgenden Bearbeitungszentren weitergegeben wird. Das Messprogramm wird von einem Messrechner, der im Bedienpanel der Messmaschine verbaut ist, ausgeführt. Die Steuerung der Aktorik zum Ausheben und zum Zentrieren der Werkstücke übernimmt die SPS-Steuerung der Zellenautomation.

Die fehlerfreien Werkstücke werden nun von einem Roboter mit drehbarem Zweibackengreifer in einem Regal mit 126 Plätzen abgelegt. Der Roboter führt mittels geeigneter Sensorik außerdem eine Formatkontrolle durch. Diese dient der Plausibilitätsprüfung, ob der in der Steuerung hinterlegte Bauteiltyp dem gegriffenen Bauteil entspricht. Wenn ja, wird das Bauteil eingelagert. Wenn nicht, wird es über das Nicht-in-Ordnung-Band aussortiert. Dadurch soll verhindert werden, dass falsche Zylinderköpfe eingelagert und der Bearbeitungsmaschine zugeführt werden. Ein Laser-Distanzsensor überprüft beim Beladevorgang, ob die Fächer im Teilespeicher wirklich leer sind.

Schnell umgebaut

Da die nachfolgende Bearbeitungsmaschine eine paarweise Beladung erwartet, muss die Zellensteuerung zu jedem Zeitpunkt wissen, wo sich welcher Bauteiltyp im Speicher befindet und in welchem Toleranzbereich die Messwerte liegen. Nach Anforderung der Bearbeitungsmaschine sucht die Zellensteuerung das richtige Bauteiltypenpaar mit gleichem Toleranzbereich heraus und führt es der Maschine zu. Beim Beladen der Maschine werden die Bauteiltypen an die Maschine übergeben und in der Zellensteuerung gelöscht.

Herausforderung bei diesem Projekt war, dass nur ein geringes Zeitfenster für den Umbau der Fertigungszelle zur Verfügung stand. Deshalb untersuchten die Automatisierungsspezialisten von Heitec zuerst die Detailkonzeption kritischer Teilsysteme am virtuellen Modell. Auf diese Weise war es möglich, Fehler herauszufinden und die Frage zu klären, ob das Konzept stimmig ist. Ziel der Simulation waren das Prüfen der Erreichbarkeit aller Bahnpunkte und Stationen sowie der Roboterpositionen und das Prüfen auf Singularitäten. Vor allem aber konnte getestet werden, ob sich mit dem Roboterkonzept auch die vorgegebenen Taktzeiten einhalten lassen. Bei der Errichtung einer Roboterzelle sind besonders die Außenmaße wichtig. Deshalb testeten die Experten auch die Störkonturen und die Abstände zu benachbarten Zellen und vermeiden damit Überraschungen während der realen Inbetriebnahme.

Sicherheit dank Tests

Mit umfangreichen Tests am virtuellen Modell wurden alle denkbaren Zustände, Störfälle und Fehler inklusive eines Robotercrashs in einem virtuellen Szenario durchgespielt. Gleichzeitig wurden für die reale Inbetriebnahme am virtuellen Modell alle gegenwärtigen und künftigen Betriebsabläufe in der entsprechenden Produktionsumgebung in Echtzeit abgebildet und mit der Original-Automatisierungssoftware gesteuert. Auf diese Weise wurde sichergestellt, dass sowohl die Taktzeiten als auch die Sicherheit der Rückverfolgbarkeit eingehalten werden.

Heitec nutzt für diese Tests umfangreiche Modelle, die z.B. reale Roboter, Förderbänder und Automatisierungssysteme in Echtzeit kinematisch und funktional nachbilden. Dies erleichtern die Inbetriebnahme sowie das Testen von alternativen Lösungsmöglichkeiten. In der Regel funktioniert das auch sehr gut und verkürzt die Inbetriebnahmezeit beim Anlagenbetreiber auf ein Minimum. In einer Hardware-in-the-Loop-Simulation wird dazu die reale Steuerung über einen Feldbus direkt in einen Simulations-PC eingebunden. So können beispielsweise bei einem Spannelement die virtuellen Eingänge Zylinder steuern und die virtuellen Sensoren melden die Stellung zurück. Das Stör- und Fehlverhalten ist in einer virtuellen Baugruppe hinterlegt. Die Simulation steigert die Produkt- und Prozessqualität, denn sie gestattet auch eine direkte Rückkopplung von der Softwareerstellung in die mechanische Konstruktion. Vor allem aber ist wichtig, dass diese Tests der Automatiken und Sonderabläufe am virtuellen Modell vollkommen risikolos ablaufen. Mit der Ausweitung der virtuellen Anlage in den Bereich Logistik konnten auch Materialflüsse simuliert und die Anlagensoftware dem realen Anlagenlayout und Arbeitsabläufen angepasst werden.

Hilfe von Zwillingen

Wenn von vornherein auf die Digitalisierung der Prozesse gesetzt wird, ergeben sich entscheidende Vorteile beim Betrieb der realen Anlage. Denn man kann die Simulation als digitalen Zwilling im Büro dazu nutzen, Optimierungsstrategien für den Produktionsablauf zu entwerfen oder Analysen durchzuführen, die man an der realen Anlage nicht machen kann. Dies hält die Produktivität und Verfügbarkeit der Anlage hoch. Mit den CAD-Daten der zu verarbeitenden Vorprodukte können Betriebszustände auch dann getestet werden, wenn die Vorprodukte nicht oder nicht in ausreichender Menge zur Verfügung stehen.

ee

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