Von der Hochzeit bis zur Prüfung von Ziernähten

Einsatzbereiche von Micro-Epsilon-Sensoren in der Automobilfertigung

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Einer der Wettbewerbsvorteile der deutschen Automobilindustrie ist der hohe Automatisierungsgrad in der Fertigung. Für die vollautomatisierte Bearbeitung ist eine Vielzahl von Sensoren erforderlich, die Überwachungs- und Regelungsaufgaben übernehmen. Aufgrund der zunehmenden Forderung nach Prozessstabilität, Produktionssicherheit und Qualität werden zudem immer mehr Präzision und höhere Datenraten benötigt.

Erich Winkler, Produktmanagement Lasertriangulationssensoren, und Dipl.-Ing. Christian Kämmerer, MBA, Leiter Vertrieb 2D/3D Optische Messtechnik, Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG in Ortenburg

Im Kontext von Industrie 4.0 sorgen Sensoren der Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG mit Sitz in Ortenburg dafür, dass Daten in Echtzeit erfasst und zielgerichtet für die Applikation genutzt werden. Vom Presswerk über die Montage bis hin zur Qualitätssicherung werden Sensoren zur Prozesssteuerung, Überwachung von Zulieferteilen und zur Endkontrolle eingesetzt. Sie perfektionieren die Fertigung über verschiedene Messaufgaben:

Messung des Blecheinzugs beim Pressvorgang

Ein Kernprozess der automobilen Fertigung ist die Herstellung der Rahmen-, Fahrwerks- und Karosserieteile im Presswerk. Dabei wird eine zu formende Platine vom Werkzeugstempel in die Form, die sogenannte Matrize, gedrückt. Hier wird der Flansch des Blechs teilweise nach innen gezogen, da die Bauteildicke durch den Tiefziehprozess abnimmt und verdrängtes Material vom Rand der Platine nachfließt. Dieser Verzug lässt sich als Abstandsänderung erfassen. Sein Wert ist wichtig für die Qualitätsbeurteilung des Pressteils sowie für die Regelung des Werkzeugstempels.

Die Messung des Verzugs wird mit mehreren Laser-Triangulations-Sensoren der Serie OptoNCDT 1420 durchgeführt, die um das Blech herum entweder im Werkzeug oder seitlich am Werkzeug platziert sind. Aufgrund ihrer kompakten Bauweise lassen sich die Lasersensoren in diese beengte Umgebung integrieren. Die Anordnung wird dabei so gewählt, dass der Laserstrahl auf die Kanten des Blechs misst, welches sich zwischen der Ober- und Unterseite des Werkzeugs befindet. Aufgrund des kleinen Messflecks ist der Sensor dann in der Lage, in den engen Spalt zwischen den beiden Werkzeugteilen zu messen. Die Messwerte werden analog oder digital an die Steuerung übertragen und lassen einen Rückschluss darauf zu, wie viel Material nachgeflossen ist. Über diesen Wert wird der Anpressdruck im laufenden Prozess geregelt.

Hochzeit von Motor und Karosserie

Laserwegsensoren der Reihe OptoNCDT überwachen beispielsweise die „Hochzeit“ von Karosserie und Motor. Diese bzw. der gesamte Antriebsstrang werden über sogenannte Hochzeitsanlagen miteinander verbunden. Dazu wird der Antriebsstrang auf einem Gestell liegend innerhalb der Produktionslinie eingefahren. Die Karosserie hängt zu diesem Zeitpunkt bereits an einer Vorrichtung, die zeitgleich von einem Roboter von oben eingeschwenkt wird, sodass sie sich über dem Antriebsstrang befindet und auf diesen herabgelassen werden kann. An der Vorrichtung montierte Laserwegsensoren messen dabei den Abstand zwischen Karosserie und Motor. Dadurch kennt der Roboter die exakte Position des Motors und kann die Karosserie genau auf den Antriebsstrang aufgesetzt, wo sie dann verschraubt wird. Aufgrund der großen Messbereiche und der benötigten Unempfindlichkeit bei unterschiedlichen Reflektionen eignen sich die OptoNCDT Lasersensoren besonders für diese Messaufgabe. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Sensoren über einen integrierten Controller verfügen. Dadurch entfällt die Installation eines externen Steuergeräts, wodurch die mechanische Integration und Verkabelung wesentlich einfacher ist.

Genaue Cockpitpositionierung

Ein weiterer, roboterbasierter Montageschritt ist der Einbau des Cockpits in Automobile. Es besteht aus mehreren hundert Einzelteilen und wiegt bis zu 100 kg. Beim Einbau in das Fahrzeug ist deshalb eine besonders präzise Positionierung erforderlich. Dafür wird senkrecht ein viereckiger Rahmen aus Metallstreben mit zwei Greifern an den Außenseiten an einen Roboterarm montiert. Über die Greifer wird das Cockpit an beiden Außenseiten aufgenommen und zunächst waagrecht in Richtung des Fahrzeugs befördert, welches auf einem Förderband in der Montagelinie eingefahren wird. Kurz vor dem Fahrzeug neigt der Roboter die zu montierende Seite des Cockpits etwas nach unten. In dieser Position wird das Cockpit über den Roboter durch die Öffnung, die später für die Fahrertür vorgesehen ist, in den Fahrzeuginnenraum geschwenkt und anschließend wieder in die Waagrechte gedreht. Zur Positionsüberwachung wird an den vier Ecken des Metallrahmens je ein Lasersensoren der Reihe OptoNCDT angebracht. Diese Sensoren messen auf Referenzmarken im Fahrzeuginneren. Dabei kann es sich um Erhöhungen oder Vertiefungen handeln. Durch den Einsatz der vier Sensoren wird sichergestellt, dass das Cockpit in der x-, y- und z-Achse korrekt ausgerichtet ist. Haben alle Sensoren ihre jeweilige Referenzmarke erfasst, wird der Roboter gestoppt, um das Cockpit an genau dieser Position nach vorne an die Karosserie heranzufahren, dort anzudocken und zu befestigen. Für den kompletten Vorgang inklusive Befestigung des Cockpits ist eine extrem kurze Taktzeit von unter einer Minute vorgegeben.

Die Sensoren müssen dabei oberflächenunabhängig arbeiten, da durch die verschiedenen Lackierungen von dunkel bis hell und auch durch matte oder glänzende Oberflächen unterschiedliche Reflexionen auftreten. Dementsprechend muss der Lasersensor in der Lage sein, die Intensität der Reflektion in Echtzeit auszuregeln, um die Positionierung prozesssicher zu ermöglichen.

Erfassung von Messobjekten bei kurzen Taktzeiten

In der Automobilindustrie gibt es darüber hinaus Messaufgaben, bei denen die gleichzeitige Erfassung mehrerer Messwerte oder die dreidimensionale Erfassung von Messobjekten bei kurzen Taktzeiten notwendig ist. Beispielsweise wird bei der Scheibenmontage ein Laserliniensensor ScanControl eingesetzt, der detaillierte Abstandswerte in allen Ebenen erfasst. Bei der Montage sitzt der Sensor auf dem Roboter, der die Scheibe am Fahrzeug einpasst. Wird die Scheibe aufgesetzt, erfasst der Scanner das komplette Profil der Scheibe und deren Umfeld, wodurch auf einen Schuss und damit in kurzer Zeit alle notwendigen Werte ermittelt werden. So wird beispielsweise bestimmt, ob die Scheibe gerade und mittig platziert und ob sie in allen Ebenen passgenau eingesetzt ist. Das Ergebnis, in diesem Fall die Spaltgenauigkeit und die Bündigkeit, wird direkt im Sensor generiert und an die SPS ausgegeben.

3D-Abbild der Kleberaupe

Eine weitere Messaufgabe betrifft den Klebeauftrag, der schon vor dem Einpassen der Scheibe erfolgte und ebenfalls durch einen Laserscanner geprüft wird. Dazu wird der Scanner direkt am Roboter montiert, der die Kleberaupe aufträgt. Er fährt dann über jene Stellen, auf die der Kleber bereits aufgebracht wurde und es wird ein 3D-Abbild der Kleberaupe erstellt, welches Aufschluss darüber gibt, ob die Menge des Klebers konstant ist, ob der Auftrag lückenlos erfolgt ist und ob die Kleberaupe an der richtigen Stelle angebracht wurde. Alle erfassten Messwerte werden separat gespeichert. Sollte zu einem späteren Zeitpunkt ein Fehler im Prozess auftreten, kann zur Fehleranalyse auf diese Messwerte zurückgegriffen werden.

Spalt- und Bündigkeitsmessungen

Bei der Montage eines Fahrzeugs sind zudem zahlreiche Spalt- und Bündigkeitsmessungen erforderlich. Dazu zählt unter anderem die Positionsprüfung von Ziernähten an Airbags. Mit einem Roboterarm, entlang der Ziernaht geführt, erfasst ein Laserprofilscanner die Kontur der Naht und wertet mehrere Informationen gleichzeitig aus. So prüft er kontinuierlich den Abstand der Naht zur Trennstelle zwischen den Einzelteilen und gibt über die Ethernet-Schnittstelle die Bewertung direkt als 0 (NIO) oder 1 (IO) aus. Auch der Höhenversatz zwischen den Einzelteilen wird geprüft, wodurch Montagefehler, die die Sicherheit gefährden können, sofort erkannt werden.

Und auch die Spaltüberwachung im KFZ-Innenraum stellt eine Messaufgabe in der Automobilfertigung dar. Ein wichtiges Qualitätsmerkmal sind hier homogene Spaltmaße bei Cockpitelementen oder der Mittelkonsole. Je nach Prüfsituation wird dabei ein einzelner Scanner an einem Roboterarm verwendet, der unterschiedliche Spalte statisch oder auch dynamisch misst. Alternativ wird ein Gestell am Roboterarm verwendet, mit dessen Hilfe statisch eine Vielzahl verschiedener Spalte im Innenraum in Bruchteilen einer Sekunde erfasst werden. Der Sensor beurteilt diese Messwerte und gibt an die Steuerung ein Signal, ob die geprüften Werte innerhalb der kundenseitig definierten Toleranzen liegen. Weitere Spaltprüfungen erfolgen auch an der Karosserie, zum Beispiel beim Messen der Türspalte oder beim Anbau von Zierleisten. ik

www.micro-epsilon.de

Je nach Branche bieten sich unterschiedliche Sensoren an. Weitere Informationen:

hier.pro/tjnrk


Bild: Micro-Epsilon

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Stärken der Laser-Punkt-Sensoren

Laser-Punkt-Sensoren der Reihe OptoNCDT werden in der Automobilfertigung zur Weg-, Abstands- und Dickenmessung eingesetzt. Aufgrund ihrer Oberflächenkompensation, der Realtime Surface Compensation (kurz: RTSC), arbeiten sie nahezu material- und farbunabhängig. Der kleine Messfleck lässt außerdem die Vermessung winziger Objekte zu und liefert gleichzeitig präzise Messwerte mit einer Genauigkeit, die im Mikrometerbereich liegt. Die Messdaten werden über verschiedene Schnittstellen ausgegeben und können zur Regelung direkt im Fertigungsprozess verwendet werden. Erhältlich sind die Lasersensoren in unterschiedlichen Modellen, die Messbereiche von 2 bis 1000 mm und Messraten von 2 bis 49,14 kHz bei Auflösungen von bis zu 0,03 µm abdecken. Neben der Automobilindustrie werden Laser-Sensoren von Micro-Epsilon auch in anderen hochautomatisierten Bereichen wie der Halbleiterfertigung oder dem 3D-Druck eingesetzt.


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Stärken der Laser-Linien-Triangulation

Die Stärken der ScanControl-Laser-Scanner – oft auch als Laser-Profilsensoren bezeichnet – liegen in der kompakten Bauform, wodurch sie auch in engen Bauräumen integriert werden können. Die komplette Elektronik ist bereits im Sensor untergebracht, wodurch kein externes Steuergerät erforderlich ist. Aufgrund der robotertauglichen Kabel ist der Sensor zudem für Dreh- und Torsionsbewegungen am Roboter geeignet. Die Laserscanner von Micro-Epsilon verfügen außerdem über eine empfindliche Empfangsmatrix mit einer hohen Auflösung. Sie ermöglicht Messungen auf fast allen industriellen Materialien und ist weitestgehend unabhängig von der Oberflächenreflexion. Die Laser-Scanner detektieren bis zu 2048 Punkte auf einer Laserlinie. Über eine Relativbewegung vom Sensor zum Messobjekt können auch dreidimensionale Aufnahmen mit hoher Auflösung generiert werden. Zur Auswahl stehen Laserscanner mit roter oder blauer Laserdiode, die in der Regel erst dann eingesetzt werden, wenn das rote Laserlicht an seine Grenzen stößt, wie beispielsweise bei organischen Materialien, semitransparenten Materialien oder glühenden Metallen. Das blaue Laserlicht lässt sich auf bestimmten Oberflächen schärfer fokussieren und ermöglicht präzise Messergebnisse.



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