End-of-Line-Prüfung Mit dem Roboter zuverlässig die Qualität von Autositzen überprüfen

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Fehlfunktionen bei der Produktion und End-of-Line-Prüfung lassen sich oftmals nur schwer von einer Fehlbedienung unterscheiden. Roboter und Kamerasysteme erledigen die Aufgaben zuverlässig.

Bei der Produktion und End-of-Line-Prüfung von Autositzen stehen die Hersteller vor einer Reihe von Schwierigkeiten. Dazu gehört die Prüfung von elektrisch/optisch nicht unterscheidbaren Merkmalen, wie beispielsweise Schaltfunktionen von Lordosen- oder Achsschaltern. Hier lässt sich eine Fehlfunktion nur schwer von einer Fehlbedienung unterscheiden. Eng definierte Prüfparameter wie Prüfkraft und Prüfposition müssen genau überwacht und dokumentiert werden.

Nicht ergonomische Bedien- und Prüfvorgänge wie Drehen, Heben oder Pumpen können zu körperlichen Belastungen des Prüfpersonals führen und die Verfügbarkeit von qualifiziertem Personal weiter einschränken. Durch den Einsatz von Robotern und Kamerasystemen können diese Aufgaben erledigt werden.

Fallstudie: Roboterautomation bei einem führenden Automobilzulieferer

Ein End-of-Line-Prüfplatz für Autositze (Bild 1) besteht aus verschiedenen Komponenten, die zusammenwirken, um die Qualität und Konformität der gefertigten Autositze zu prüfen. Der zu prüfende Autositz (1) wird auf einem Warenträger (2) auf der Fertigungslinie transportiert und am Ende des Produktionsprozesses in den EOL-Prüfplatz gefahren. Hier befindet sich ein Testsystem zur Funktionsprüfung (3), das mit dem Autositz verbunden ist und alle Prüfaufgaben durchführt. Diese werden für den ausführenden Bediener konventionell visualisiert und am Prüfmonitor quittiert.

Beim automatisierten Prüfstand ist ein Roboterarm in das Prüfsystem integriert, der die manuellen Prüfabläufe koordiniert ausführt. Unterstützt wird er durch optische Messsysteme wie Kameras und Laser, die die Wiederholgenauigkeit erhöhen, sowie durch Sicherheitskomponenten (4), die gewährleisten, dass der Prüfstand den geltenden Sicherheitsstandards entspricht und Unfälle oder Verletzungen vermieden werden.

Die korrekte Positionsbestimmung des Prüflings

Eine der größten technischen Hürden bei der Automatisierung von Fertigungsprozessen und Qualitätsprüfungen ist die korrekte Positionsbestimmung des Prüflings. Der Prüfling ist als komplexer Körper mit mehreren Freiheitsgraden in der Positionierung zu betrachten. Der Prüfling unterliegt im Produktionsprozess vielen Toleranzen, die zu einer starken Verschiebung der Merkmalsposition führen können. An der Automatisierungsstation gehen wir von drei Koordinatensystemen zur Positionsbeschreibung aus (Bild 2).

Das Roboterkoordinatensystem TCP (A), das Prüflingskoordinatensystem (B) und das Koordinatensystem des Arbeitsplatzes/Warenträgers (C). Ziel ist es, die Position eines Merkmals aus dem Prüflingskoordinatensystem B in das Roboterkoordinatensystem A zu überführen, damit in diesem System ein bestimmter Wegpunkt p angefahren werden kann. Wie exakt dieser Wegpunkt ermittelt werden muss, hängt von der Applikation ab. So benötigen beispielsweise Interaktionen mit der Schalterblende eines Autositzes eine höhere Genauigkeit als die Ablage eines Tennisballs in einem Basketballkorb.

Ungenügende Positionserkennung mindert die Prozessfähigkeit

Die korrekte Positionserkennung ist wichtig, da sie die Kosten des Produktionsprozesses maßgeblich beeinflusst. Eine fehlerhafte Erkennung führt zu erhöhtem Bedarf an Nacharbeit, verlängerten Taktzeiten durch wiederholte Prüfungen und im schlimmsten Fall sogar zur Beschädigung des Prüflings. Wird beispielsweise Klebstoff nicht korrekt auf die Klebeflächen aufgetragen, ist das Bauteil für den weiteren Produktionsprozess unbrauchbar und muss aussortiert werden. Ähnlich verhält es sich bei Schraubanwendungen, die bei fehlerhafter Positionserkennung den Prozess nicht korrekt ausführen können und daher manuell nachgearbeitet werden müssen.

Hier ist nicht nur der manuelle Arbeitsplatz für die Nacharbeit ein Kostenpunkt. Es muss außerdem eine zusätzliche Qualitätsprüfung in den Produktionsprozess integriert werden, um solche Fehler überhaupt zu erkennen. Je nach Robustheit des Prozesses sind unterschiedliche Abweichungen bei der Positionsbestimmung tolerierbar. Der Einsatz der verschiedenen Techniken oder Maßnahmen muss daher in Abhängigkeit von deren Implementierungsaufwand, den Randbedingungen am Arbeitsplatz und der Zielgröße betrachtet werden.

Die Möglichkeiten zur genauen Positionsermittlung

Für die korrekte Positionsbestimmung gibt es verschiedene Verfahren, die einzeln oder in Kombination eingesetzt werden. Zunächst sollte der Prüfling möglichst genau im Arbeitsraumkoordinatensystem auf dem Werkstückträger positioniert werden. Darauf aufbauend kann der Prüfling bei großen Toleranzen und geeigneter Bauteil-/TCP-Struktur durch kraftgeführtes Anfahren manipuliert werden. Für genauere Ergebnisse folgt die taktile Vermessung spezifischer Punkte des Koordinatensystems mittels Kraftsensorik (Arbeitsplatz, Prüfling) und schließlich die optische Vermessung spezifischer Merkmale des Koordinatensystems mittels Kamerasystem (Arbeitsplatz, Prüfling).

Zur Bestimmung der Lage des Prüflings müssen vereinfachend bestimmte Randbedingungen angenommen werden. Die Aufstellung der Randbedingungen ist keineswegs trivial und erfordert spezielle Hilfsmittel. Für alle Koordinatensysteme wird angenommen, dass sie orthogonal zueinander stehen und der Versatz nur in der Position x-y-z und nicht in der Orientierungsrichtung rx-ry-rz auftritt. Zur Bestimmung der Prüflingsverschiebung wird aus bestimmten Prüflingsmerkmalen eine Transformationsmatrix abgeleitet. Weicht das Prüflingsmerkmal durch Beschädigung oder fehlerhafte Montage zu stark von der eingelernten Normale ab, kommt es zu einer fehlerhaften Positionsbestimmung. Im Idealfall sind die mechanischen Toleranzen dieser Bauteile minimal. Leider lässt sich dies oft nur sehr kostenintensiv für eine komplette Fertigungslinie realisieren. Gerade die Übergänge vom Produktionsband zum Werkstückträger und zum Werkstück können eine hohe Varianz aufweisen.

Fertigungslinien nachträglich automatisieren

Häufig werden bestehende Fertigungslinien nachträglich automatisiert. Neben veränderten Anforderungen an Platzbedarf und Eingriffsraum sind die Anforderungen an die Positionsgenauigkeit des Prüflings am EOL-Prüfplatz für den manuellen Prüfprozess nicht so hoch wie für einen automatisierten Prozess. Zusätzlich werden die Positionstoleranzen durch Verschleiß von Anschlägen, Warenträgern und Spannvorrichtungen weiter erhöht. Daher wählt man für jeden Automatisierungsprozess die geeigneten Werkzeuge und die Kombination aus dem richtigen Werkstoff und der Werkzeuggeometrie aus, um im besten Fall eine kraftkontrollierte Positionierung zu ermöglichen.

Bei der kraftgesteuerten Positionierung ist die Prüflingsgeometrie so ausgelegt, dass die Positionierung durch einen Einlegevorgang erfolgen kann. Dazu muss der Roboter so programmiert werden, dass er in mindestens einer Achsrichtung frei beweglich ist und mit einer definierten Kraft an den Prüfling herangeführt werden kann. Die spezielle Kombination von Werkzeug und Prüflingsgeometrie ermöglicht dann ein Einfädeln, beispielsweise das Einbringen der Gurtschlosszunge in die trichterförmige Gurtschlossöffnung.

Antasten bestimmter Prüfmerkmale mit Roboter-TCP

Ist die Prüflingsgeometrie für eine kraftgesteuerte Positionierung ungeeignet, kann das Prüflingskoordinatensystem durch Antasten bestimmter Prüfmerkmale über den Roboter-TCP (Tool Center Point) realisiert werden. Der Prüfling ist in den Achsen anzutasten, in denen eine Verschiebung des kartesischen Koordinatensystems zu erwarten ist. Die Differenz zur Standardposition wird ermittelt und zur Verschiebung des Prüflingskoordinatensystems verwendet. Dazu werden außer dem Roboter mit Kraftsensorik keine zusätzlichen Messmittel benötigt. Dadurch werden die Hardware- und Installationskosten reduziert und der Wartungsaufwand verringert.

Das Verfahren setzt voraus, dass der Prüfling über zugängliche Merkmale (größere Antastflächen) verfügt, die eine möglichst geringe Fehlervarianz aufweisen und über die eine Verschiebung in x-y-z-Richtung ermittelt werden kann. Fehler am Prüflingsmerkmal führen zu einer fehlerhaften Positionsbestimmung. Im Nachgang lässt sich ohne Hilfsmittel nicht unterscheiden, ob der Fehler am Prüfling oder an der Positionsbestimmung lag. Verfügt der Prüfling über optisch eindeutig identifizierbare Merkmale, wie ebene Flächen oder Referenzformen, ist eine optische Positionsbestimmung möglich.

Das Merkmal wird in der Referenzposition eingelernt und anschließend wird über eine Bilderkennungssoftware die Verschiebung zur Referenzposition ermittelt. Das optische Messverfahren spart Antastzeit und ist je nach Prüfling weniger fehleranfällig als die taktile Referenzierung. Allerdings wird das Kamerabild durch Lichtverhältnisse, Sichtbehinderungen, Farbvielfalt (Merkmal schwarz auf schwarz) und Einschränkungen in der Integrierbarkeit am Arbeitsplatz negativ beeinflusst. Aufgrund der beengten Platzverhältnisse ist die Integration der Kamera direkt in den Roboterarm oftmals die beste Wahl. Im Applikationsbeispiel Autositze kommt der Roboterarm UR10e mit integrierter Robotiq Wrist Camera zum Einsatz (Bild 3). Merkmalsformen lassen sich mit CAD-Datei oder einfachen geometrischen Formen einlernen (Bild 4).

Ist die Verschiebung des Prüflings zur Standardposition ermittelt, kann das Prüflingskoordinatensystem um den Differenzvektor verschoben und die korrekte Position angefahren werden. Bei der Positionsbestimmung ist darauf zu achten, die spezifischen Anforderungen des Prozesses und der Prüflingsgeometrie zu berücksichtigen. Dann ist eine effiziente Qualitätsprüfung möglich. Außerdem senkt das die Nacharbeit und den Ausschuss und es sind weniger Qualitätsprüfungen notwendig. Es lassen sich Prozessfähigkeit, Wirtschaftlichkeit und Produktqualität steigern.

* Philipp Kießlich-Köcher ist Senior Ingenieur Automotive Test Solutions bei Göpel electronic in Jena.

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