Vollautomatisches Abdichten des Türfalzes mit integrierter Qualitätsprüfung. Bild: Dürr Systems

In der Automobilindustrie werden für den Kunden sichtbare Abdichtungen von Türfalz, Kofferraum-Heckdeckel und Motorhauben zunehmend durch Roboter ausgeführt. Für die Roboterführung zur kosmetischen Sichtnahtapplikation setzen die Hersteller verstärkt auf Bildverarbeitungssysteme, die ein Höchstmaß an Genauigkeit und Wirtschaftlichkeit sicherstellen. Hundertprozentig überwachte und gleichzeitig vollautomatische Abläufe sind heute im Automobilbau eine wichtige Voraussetzung für mehr Flexibilität und höhere Produktivität. Nur auf diese Weise können alle Parameter mit engen Toleranzen eingehalten werden. Auch die Türfalz-, Radhaus-, Kofferraumdeckel- und Motorhaubenabdichtungen übernehmen deswegen zunehmend Roboter. Das führt zu beträchtlichen Einsparungen – nicht zuletzt auch deshalb, weil die bisher manuell ausgeführten Nahtapplikationen aus dem Karosseriebaubereich in den automatisierten Nahtabdicht-Bereich der Lackiererei überführt werden können.

Robot-Vision-Systeme von Isra werden aus Standard-Modulen konfiguriert

An das Roboterführungssystem werden hohe Anforderungen gestellt, soll eine fehlerfreie, schnelle und wirtschaftliche PVC-Abdichtung der Karossen gewährleistet sein. Robot-Vision-Systeme aus dem Hause Isra Vision erfüllen die Ansprüche in perfekter Weise. Diese aus Standard-Sensoren und Standard-Software bestehenden Systeme lassen sich einfach und schnell in Linien sowie komplexe Sichtnahtapplikationen integrieren.

Um höchste Genauigkeiten in der Produktion zu erreichen und Beschädigungen der empfindlichen und kostenintensiven Auftragsdüsen zu verhindern, müssen vor dem Applikationsvorgang die Formkanten des Bauteils gemessen werden. Die smarten und kompakten SGS-3D-Sensoren zur 3D-Messtechnik und 3D-Roboterführung aus der Familie der Geometry Gauging/Robot-Guidance-Sensoren ermöglichen diese Messungen in optimaler Taktzeit. Die Sensoren werden direkt am Roboter, in unmittelbarer Nähe zum Applikator montiert. Messungen der Formkanten in der Bewegung können so mit einer Geschwindigkeit von bis zu 600 mm/s taktzeitoptimal realisiert werden.

Die flexiblen Standard-Sensoren kombinieren Mehrlinien- und LED-Flächenprojektion und verbinden so die exakte Ortsbestimmung beliebig geformter Flächen mit der Möglichkeit präziser 3D-Messungen. Der Streifenprojektor - ausgerüstet mit sechs LED-Linien - und die Flächen-LED stellen die im Sensor integrierte Beleuchtung dar.

Mehrlinienmessung und Formmatching sorgen für hohe Genauigkeit und Robustheit

Die Mehrlinienmessung und das Formmatching führen zu einer sehr hohen Genauigkeit und Robustheit. Für die Messung in der Bewegung wird die Beleuchtung im Blitzbetrieb eingesetzt. Der Roboter bewegt den Sensor entlang der Bauteilkante. Während der Messfahrt wird, ohne anzuhalten, eine je nach Bauteilanforderung  frei wählbare Anzahl von Punkten durch den vom Roboter getriggerten Sensor aufgenommen.

Da die Applikation in der Regel bei geschlossenen Fahrzeugteilen (Tür, Heckdeckel oder Motorhaube) am fertigen Fahrzeug erfolgt, kann an jedem Messpunkt auf der Bahn zusätzlich der Spalt zur Crash-Kontrolle gemessen werden. Dies ist deswegen erforderlich, weil die Spaltbreite zwischen den Bauteilen rund 3 bis 5 mm beträgt, in der die Applikationsdüse mit einem Durchmesser von 1 bis 2 mm vom Roboter eingebracht wird. Nach der Messfahrt wird aus den aufgenommenen Punkten für den Applikationsroboter der Offsetvektor zur 3D-Lageerkennung bestimmt und für das jeweilige Bauteil an den Roboter übergeben.

3D-Roboterbahnkorrektur verhindert leichte Deformationen an der Bauteilkante

Alternativ zur 3D-Lagekorrektur kann auch eine 3D-Roboterbahnkorrekur erfolgen. Der Vorteil der 3D-Roboterbahnkorrektur: sie steigert die Qualität der Applikation für den Fall, das an der Bauteilkante mit leichten Deformationen zu rechnen ist. Mit ihr wird die gesamte Kontur anhand der Messpunkte aufgenommen. Der Roboter kann so nach Erhalt der Bahnkorrekturpunkte die Deformationen in seinem Programm individuell für jedes Bauteil berücksichtigen.

Die Crash-Kontrolle findet über die Spaltvermessung an mehreren Punkten statt. Die Messgenauigkeit ist hoch und beträgt 0,1 mm. Die Ergebnisse der Spaltmessungen an den einzelnen Punkten werden ebenfalls an den Roboter oder an die SPS übermittelt, so dass bei einer Spaltmaßunterschreitung eine Applikationsfahrt unterbunden wer-den kann. Mit dem SGS-3D-Standard-Sensor ist die Nutzung einer Kombination aus Kanten, Konturen, Flächen und Lochmerkmalen für die exakte Messung möglich. Dabei bietet der Sensor höchste Genauigkeit auch bei gestörten Merkmalen. Die Bildauswertung startet bereits parallel während der Bewegung, was wichtige Applikationszeit spart.

Vollautomatische 3D-Kalibrierung des Sensors ist Basis für hohe Messgenauigkeit

Für jeden Bahnpunkt kann konfiguriert werden, ob er für die Gesamtlage, die Punktkorrektur und die Spaltprüfung verwendet werden soll. Die Anzahl der Messpunkte kann der Anwender frei wählen, wobei gilt: Je mehr Bahnpunkte genutzt werden, umso genauer erfolgt die Applikation. Eine Interpolation zwischen den Bahnpunkten ist ohne Messung möglich. Der Sensor schickt die komplett korrigierte Bahn für das jeweilige Bauteil an den Roboter. Dies ermöglicht eine einfache Handhabung des komplexen Prozesses und erhöht die Flexibilität. Die Ermittlung eines separaten Startpunkts (Einfädelpunkts) für die Applikation wird dabei automatisch umgesetzt. Basis für die hohe Messgenauigkeit des SGS-3D-Sensors von Isra ist die vollautomatische 3D-Kalibrierung.

Optional mit Viva-Software Applikator-Prüfung realisieren

Als Software kommt das Vivia-Vision-Automation-Paket zum Einsatz. Vor allem die extrem hohe Geschwindigkeit der Bildverarbeitung, sowie die einfache Bedienung zeichnet Viva für die Sichtnaht-Applikation aus. Als Erweiterung zur Roboterführung ist optional über Viva sehr einfach eine Applikator-Prüfung realisierbar: mit nur einer Messung wird eine vollständige 3D-TCP (Tool Center Point) Bestimmung erreicht. So ist sowohl eine Positionskontrolle als auch eine Qualitäts- und Formprüfung der Düse ermöglicht. Die Auswertzeit liegt dabei unter 1s.

Bei führenden Automobilherstellern kommen bereits Roboter in Sichtnaht-Applikationen mit Isra-Systemen zum Einsatz und realisieren dadurch Einsparpotenziale. So übernehmen zwei Isra-Systeme bei Audi in Ingolstadt die Roboterführung für die Hem-Flange-Applikationen Kofferraumklappe und S-Schlag. Bei Ford in Genk sind zwei Anlagen für die Motorhaubenabdichtung installiert und bei Daimler in Bremen sorgen zwei Anlagen zur Kostenreduzierung und Qualitätssteigerung bei der Türen- und Radhaus- sowie Heckklappenabdichtung.

Die Nothalt- und Schutzzaun-Schaltungen der Fanuc-Roboter mit Dual Check Safety erfüllen die neueste Sicherheits-Norm ISO-13849-1 und sind für die höchste Sicherheitsstufe zertifiziert (Kategorie 4, Performance Level e). Bild: Fanuc Robotics

Am 29. Dezember 2009 ist im Amtsblatt der Europäischen Union die Annahme der Konformitätsvermutung der Norm EN 954-1 (Sicherheit von Maschinen) bis zum 31. Dezember 2011 verlängert worden. In Folge erlangt die neue, verschärfte Sicherheits-Norm ISO-13849-1 ihre alleinige Gültigkeit erst zum 1. Januar 2012. Dennoch erfüllt die aktuelle Fanuc-DCS-Softwareversion schon jetzt die Anforderungen der zukünftigen Sicherheitsnorm. Doch was ist Fanuc DCS? Mit dem Begriff Dual Check Safety (DCS) wird bei Fanuc Robotics eine Software bezeichnet, mit der die Interaktion zwischen Roboter und Bediener sicher gestaltet werden kann. Mit Hilfe von Fanuc DCS lässt sich der Roboter so programmieren, dass er sich selbst überwacht, um mögliche Gefahren für den Bediener abzuwenden. Neben der Grundfunktion des Nothalts können mit der Software die Position und Geschwindigkeit des Roboters sicher überwacht werden. Sollte der Roboter den definierten Sicherheitsbereich verletzen oder das eingestellte Geschwindigkeitslimit übersteigen, werden die Servomotoren durch die Steuerung sicher gestoppt.  In der neuen Version des DCS Position und Speed Check wurden einige nützliche Eigenschaften hinzugefügt. So ist Fanuc nach eigenem Bekunden der erste Roboterhersteller, bei dem der Roboter von Achse eins bis Achse sechs mit einer virtuellen Schutzhülle umgeben wird. Auch das Werkstück kann mit diesen sogenannten „Shape Models“ umhüllt und überwacht werden.

DCS Position und Speed Check V2 erreicht Sicherheitskategorie 3 (Performance Level d) nach ISO 13849-1

Die Nothalt- und Schutzzaun-Schaltungen der Fanuc-Roboter mit Dual Check Safety erfüllen die neueste Sicherheits-Norm ISO-13849-1 und sind für die höchste Sicherheitsstufe zertifiziert (Kategorie 4, Performance Level e). Das Sicherheitsniveau wäre damit völlig ausreichend für manuelle Zuführstationen oder manuell beschickte Pressen. Die DCS-Position-Speed-Check-Software-Option erreicht die Sicherheitskategorie 3, Performance Level d nach der Norm ISO 13849-1. Dieses Niveau entspricht dem weltweit höchsten, das sich mit einem System erreichen lässt, das in einen Roboter integriert ist. Die vollständig integrierte Sicherheits-Elektronik bietet außerdem die schon bekannte Zuverlässigkeit der Fanuc-Roboter- und -CNC-Steuerungen.

DCS kann externe Sicherheitssysteme (teilweise) ersetzen

Traditionell wird der Arbeitsraum des Roboters häufig noch von Nockenschaltern begrenzt. Manuelle Zuführstationen werden durch Endschalter und Lichtschranken geschützt und die Motoren von Drehtischen und Positionierern werden durch zusätzliche Hardware abgeschaltet. Diese externen Sicherheitseinrichtungen sind nicht nur sehr kostspielig, sondern fallen auch tendenziell häufiger aus als Roboter und können damit wertvolle Produktionszeit in Anspruch nehmen. Die DCS-Position-Speed-Check-Software-Option nutzt die internen Sicherheitsfunktionen des Roboters zum Beispiel zur Begrenzung der Roboterbewegung in einem kartesischen Raum oder der Robotergeschwindigkeit. Dementsprechend kann die Nutzung von Sicherheitsfunktionen im Roboter den Einsatz externer Sicherheitssysteme verringern.

System kann Vorteile bei beschränktem Arbeitsraum des Roboters ausspielen

Darüber hinaus können „sichere Zonen“ von einem externen Gerät – beispielsweise von einer Sicherheits-SPS – aktiviert und deaktiviert werden. Die Entwicklung eines Systems mit mehreren Zonen erlaubt es dem Bediener, den Arbeitsbereich des Roboters gefahrlos zu betreten und zu verlassen. Das vereinfacht die Gestaltung von Roboter-Zellen, denn es verhindert das Hineinfahren des Roboters in eine manuelle Beladestation, wenn sich dort ein Bediener aufhält. Den wichtigsten Vorteil von DCS Position Speed Check sieht Fanuc in Anwendungen, in denen der Arbeitsraum des Roboters beschränkt werden muss – etwa wegen Platzmangels oder mit dem Ziel der Energieeinsparung. Die Beschränkung der Roboterbewegung in einem kartesischen Raum bedeutet, dass der Roboter genau in dem Bereich eingegrenzt wird, der funktionsmäßig benötigt wird. So etwas ist mit den traditionellen Systemen und ihren Endschaltern nicht möglich.

Ein Sechs-Achs- Knickarmroboter mit Wechselgreifersystem sorgt im Be- und Entladesystem für die nötige Flexibilität. Bild: Faude

Die Bestückung einer Werkzeugmaschine mit nachfolgendem Spülstand sollte automatisiert werden. Ein Be- und Entladesystem, bestehend aus einem Roboter mit individuellem Greifersystem und drei Palettierern, übernimmt diese Aufgabe innerhalb der Taktzeit der Werkzeugmaschine. Seit vierzig Jahren stellt die Moog GmbH Antriebslösungen für Maschinenbauer her und plant, liefert und betreut alles vom kleinsten Ventil bis zur maßgeschneiderten Steuerungskonsole. Ständige Prozessverbesserung und die Erhöhung der Qualität haben zur Sicherung der Marktposition oberste Priorität. Eine hohe Fertigungstiefe gehört bei Moog zum Erfolgsrezept. Jedes Einzelteil muss höchste Qualitätsanforderungen erfüllen. Deshalb ist man ständig auf der Jagd nach Chancen für Optimierungen. Eine solche boten eine Honmaschine und der anschließende Spülvorgang. Durch die Verkettung und die Bestückung von Werkzeugmaschine und Spülstand sollte in mannloser Schicht automatisch gefertigt werden.

Werkstückvielfalt fordert Automatsierer heraus

Am Ende der Fertigung bekommen die Werkstücke den letzten Feinschliff, um Maß- und Formgenauigkeit zu garantieren. Im anschließenden Spülstand werden die Teile von Gussrückständen und Spänen aus der Vorbearbeitung befreit. Was bisher in zwei Rüstvorgängen durch einen Mitarbeiter erledigt wurde, sollte künftig automatisch in einem Arbeitsschritt, innerhalb der Taktzeit der Werkzeugmaschine und automatisch in mannarmer oder mannloser Schicht erfolgen. Eine weitere Herausforderung bei der Be- und Entladung war die gesamte Moog-Werkstückfamilie mit unterschiedlichen geometrischen Formen und Gewichten von 1 bis 15 kg abzudecken. Ein echter Mehrwert konnte nur erreicht werden, wenn bestehende Transportbehälter mit integriert wurden. Hinzu kam der für die Lösung auf rund 5 m² begrenzte Platz.

Das Be- und Entladesystem von Faude besteht aus einem Roboter mit individuellem Greifersystem und drei Faude-Palettierern FP 1170. Um die Verkettung der Prozesse Beladung, Honen, Spülen und Entladen möglich zu machen, übernimmt das System folgenden Arbeitsablauf: Der Palettierer liefert dem Sechs-Achs-Roboter die Werkstücke in KLT-Boxen, den internen Transportbehältern. Diese werden zuvor von einem Mitarbeiter im gesicherten Bereich in den Palettierer eingefahren. Die sichere, ruhige und ruckfreie Beförderung garantieren die eingebaute Präzisionsführung und die Zweifachantriebskette. Besonders geeignet ist dieses System für empfindliche Teile.

Arbeitsschritte erfolgen in gesichertem Bereich

Eine Inlay-Indexierung ermöglicht die genaue Positionierung der Bauteile. Nun kann der Roboterarm mit dem entsprechenden Greifer jedes einzelne Teil greifen und es zum Kamerasystem führen. Dort werden die Teile am Robotergreifer vermessen und automatisch die Korrekturwerte ermittelt, um diese dem Roboter zu übergeben. Danach setzt der Roboter das Bauteil genau in die Honmaschine ein, wo es bearbeitet wird. Wenn ein Teil nicht in Ordnung ist, meldet die Honmaschine den Fehler und das Bauteil wird auf einer Ausschussrutsche abgelegt und ausgeschleust. Für alle korrekt gefertigten Teile geht es weiter in den Spülstand, um Gießrückstände und Späne zu entfernen. Am Schluss werden die Werkstücke vom Roboter wieder in Reih und Glied an ihrer ursprünglichen Position in der Materialbox abgelegt und die Boxen zum Abtransport automatisch aufeinander gestapelt. Nun kann der Mitarbeiter den gesicherten Prozess unterbrechen und die gestapelten, fertigen Behälter einfach entnehmen und die drei Lifter wieder mit neuen Kisten bestücken.

Um eine hohe Arbeitssicherheit zu gewährleisten, werden alle Arbeitsschritte innerhalb einer verglasten Roboterbox und somit in einem gesicherten Bereich durchgeführt. Möglich ist dies durch die Maße des Palettierers mit 1800 mm × 930 mm × 1700 mm, der auf einer Fläche von rund 3 m² integriert werden konnte. Dieser von Faude eingeführte Ablauf stellt sicher, dass trotz des hohen Automationsgrades die Maschine auch weiterhin manuell beladen und die Auslastung so an die Produktionsabläufe angepasst werden kann.

Was heute schnell, genau und automatisch erfolgt, musste früher von Hand erledigt werden. Die bis zu 15 kg schweren Werkstücke mussten trotz des hohen Gewichts mit viel Fingerspitzengefühl in die Spannvorrichtung gehoben werden — und das gleiche noch einmal am Spülstand. Dem KLT-Palettierer hingegen macht das Gewicht nichts aus. Im Gegenteil: Er kann bei gleichbleibender Genauigkeit bis zu 50 kg schwere Teile befördern.

Werker überwachen jetzt das Gesamtsystem

Zwar fällt für die Mitarbeiter an der Maschine dieser ermüdende manuelle Vorgang weg, aber auf das jahrelange Know-how der Fachleute kann trotzdem nicht verzichtet werden. Die Werker überwachen jetzt das Gesamtsystem, den Palettierer, den Roboter, die Werkzeugmaschine und den Spülstand an der von Faude mitgelieferten Steuerung und greifen dann bei Störungen individuell ein.

Durch den Einsatz der einheitlichen KLT-Transportbehälter entfällt für die Mitarbeiter ein zeitintensives und ermüdendes Umpacken und Umpalettieren. Die einzelnen Werkstücke bekommen einmal bei der Ankunft in der Fertigung ihren Platz in einer Transportkiste, den sie den ganzen Fertigungsprozess bis zur Lagerung beibehalten.

Dieter Faude
Dieter Faude ist Geschäftsführer der Faude Group, 71116 Gärtringen.

Die Automatisierungs- industrie nimmt wieder Fahrt auf. Im Bild: Optische 100%-Inspektion in der Fertigung von Solar- Dünnschichtmodulen. Bild: Isra Vision

Nachdem am Weltrobotermarkt seit dem 3. Quartal 2009 die Verkaufszahlen wieder anziehen, macht sich auch bei Deutschlands Herstellern von Robotern, Montage- und Handhabungstechnik sowie industrieller Bildverarbeitung eine „verhalten optimistische“ Stimmung breit. Wie der VDMA-Fachverband Robotik + Automation mitteilt rechnen die Hersteller von Ausrüstungen für die industrielle Bildverarbeitung, Montage- und Handhabungstechnik sowie Robotik für 2010 in den Teilbranchen sowie bei der Robotik und Automation insgesamt mit einer Umsatzsteigerung von 5% auf 6,4 Mrd. Euro. „Die Erholung ist seit dem dritten Quartal 2009 spürbar. Die Anfragen verstärken sich und auch die Auftragseingangskurve bewegt sich langsam aber kontinuierlich wieder aufwärts“, berichtete Dr. Michael Wenzel, Vorsitzender VDMA Robotik + Automation, am 24. Februar 2010 in Frankfurt am Main. VDMA meldet drastische Umsatzrückgänge im Jahr 2009 Allerdings dürfte das Jahr 2009 als eines der schwärzesten in die Branchengeschichte eingehen. „Die erfolgsverwöhnten Hersteller von Robotik und Automation mussten 2009 durch die weltweite Finanz- und Wirtschaftskrise einen Umsatzrückgang um 34% auf 6,1 Mrd. Euro verkraften und sind damit auf das Umsatzniveau des Jahres 2002 zurückgefallen“, betonte der Vorsitzende des VDMA-Fachverbandes. Zwischen 2002 und 2008 war der Branchenumsatz um mehr als 5% gewachsen und hatte zuletzt das Spitzenniveau von 9 Mrd. Euro erreicht.

Montage- und Handhabungstechnik mit besonders starken Einbußen

Von der Krise besonders stark gebeutelt wurde die Montage- und Handhabungstechnik. 2009 musste man dort ein Minus von 36% auf 3,7 Mrd. Euro (2008: 5,7 Mrd. Euro) verkraften. Der Robotikumsatz sackte im Berichtsjahr um 32% auf 1,6 Mrd. Euro (2008: 2,4 Mrd. Euro) ab, während die industrielle Bildverarbeitung mit minus 30% auf 844 Mio. Euro (2008: 1,2 Mrd. Euro) innerhalb des „Automatisierungs-Trios“ am glimpflichsten davonkam.
Nachfrageimpulse aus Asien und den USA bewirken Trendwende

„Die Impulse für die im dritten Quartal 2009 einsetzende langsame Erholung kamen zunächst überwiegend aus den südostasiatischen Ländern, vor allem aus China und Korea. Die Hersteller berichten aber auch von einer Belebung der Anfragetätigkeit sowie von steigenden Auftragseingängen aus den USA seit Ende letzten Jahres. Das Inlandsgeschäft hinkt noch hinterher, dürfte sich aber bei einer weiteren Erhöhung der Nachfrage aus dem Ausland allmählich wieder bessern“, so Wenzel.

Allerdings könnte der Weg zurück zu den Rekordumsätzen der Jahre 2007 und 2008 in Abhängigkeit von der weltwirtschaftlichen Entwicklung lang und steinig sein.

Kunden brauchen flexible Automatisierungslösungen

Voraussetzung sei außerdem, dass sich die Hersteller von Automatisierungstechnik den Bedürfnissen der Anwender stellten. So verlangten viele Märkte heute eine hohe Variantenvielfalt, was zu immer kleineren Losgrößen führe, die dann wirtschaftlich und mit nachhaltigen Produktionsprozessen realisiert werden müssten.

„Wer wie die Hersteller von industrieller Bildverarbeitung, Montage- und Handhabungstechnik sowie Robotik fertigungstechnische Lösungen für alles das bereithält, bringt seine Kunden auf die Siegerstraße“, weiß Wenzel. „Entscheidend für den Erfolg wird künftig immer weniger die Unternehmensgröße sein als vielmehr die Schnelligkeit und Flexibilität, sich auf immer dynamischere Märkte einzustellen.“

Automatica 2010 soll zum Impulsgeber für Investitionen werden

Als Impulsgeber für neue Investitionen in Automatisierungstechnik soll die Automatica 2010 fungieren, die vom 8. bis 11. Juni 2010 in München stattfindet und als Leitmesse für Robotik und Automatisierungstechnik gilt. „Die Hersteller von Robotik und Automation verfügen über eine hohe Kompetenz, fertigungstechnische Herausforderungen zu meistern. Davon können sich die Besucher der Automatica in München überzeugen. Von hier werden wesentliche Impulse für eine weitere Belebung des Marktes ausgehen“, ist der Vorsitzende von VDMA Robotik + Automation überzeugt. Stets auf dem Laufen den in Sachen Automatisierung und Automatica 2010 sind Sie als Abonnent des kostenlosen Newsletters „Robotics & Automation Report“.