Sortimat setzt den Fokus auf Gesamteffizienz, zum Beispiel beim dargestellten Montagesystem  für einen Mehrfach-Flüssigkeitsinhalator ohne Treibgas. Bild: Sortimat

Simultaneous Engineering ist kein neues Schlagwort. Seine Bedeutung ist jedoch aktuell wie nie. Wenn Hersteller und Anwender bei der Entwicklung von Montageanlagen frühzeitig zusammenarbeiten, lassen sich vielfältige Vorteile realisieren – eine verkürzte Time-to-market, höhere Prozesssicherheit und gegebenenfalls sogar kürzere Zykluszeiten. Auf der internationalen Leitmesse für Automation und Mechatronik, der AUTOMATICA 2010, die vom 8. bis 11. Juni 2010 auf dem Gelände der Messe München stattfindet, stehen alle wichtigen Anlagenbauer zu diesem Thema Rede und Antwort. Ob Kupplungsschalter für die Automobilindustrie oder Inhalatoren für die Medizintechnik produziert werden, das Wichtigste ist nicht der Produktionsprozess, sondern stets das Produkt. Für seine Funktionalität und die Vorgaben bezüglich der Qualität ist der Entwickler verantwortlich. Um das jeweilige Produkt so schnell wie möglich auf den Markt zu bringen und die Produktion effizient zu gestalten, werden immer häufiger Sondermaschinen- und Anlagenbauer frühzeitig mit in die Entwicklung einbezogen. Denn das Know-how dieser Spezialisten kann dazu beitragen, das Produkt von vorne herein so zu gestalten, dass es später einfach und automatisiert hergestellt werden kann.

Ein erfolgreicheres Simultaneous Engineering erfordert vom Montagespezialisten nicht nur Know-how bezüglich der Montage- und Automatisierungstechnik, sondern auch Kenntnisse und Erfahrungen in der Beurteilung eines Kundenproduktes hinsichtlich seiner Automatisierungsfähigkeit. Nur dann können produktionsbezogene Ideen direkt in die Produktentwicklung einfließen. Gerade bei Produkten, die für den Verbraucher gedacht sind – zum Beispiel Inhalatoren für Asthmapatienten – dominiert ein ergonomisches, ästhetisches Design. So schön und handschmeichlerisch die Formen sind, oftmals bieten sie zunächst kaum Stellen, um die Bauteile zu fixieren, was für eine automatisierte Montage unerlässlich ist.

sortimat Technology aus Winnenden zählt zu den Anbietern flexibler Lösungen für Zuführ- und Handlingsysteme sowie zu den führenden Herstellern von Montageanlagen für die Medizintechnik, Pharma- und Kosmetikindustrie. Das Unternehmen bietet das komplette Spektrum – von halbautomatisierten Maschinen bis zu komplexen vollautomatischen Systemen. Marketingleiterin Silke Fischer weist auf eine Lösungsmöglichkeit hin: „Wir arbeiten schon sehr frühzeitig mit unseren Kunden eng zusammen und versuchen, die automatisierungstechnischen Voraussetzungen des Produkts mit seinem Design deckungsgleich zu bekommen. Gelingt das, können wir dem Kunden eine höhere Prozesssicherheit garantieren, und eventuell lassen sich sogar die Zykluszeiten verkürzen.“

Austausch von CAD-Daten eröffnet Synergieeffekte

Eine solche partnerschaftliche Entwicklungsarbeit ist nicht nur in der Medizintechnik von Vorteil, auch im Automobilsektor wird diese Form von Simultaneous Engineering erfolgreich praktiziert. Festo Systemtechnic, Esslingen, kooperierte beispielsweise bei einer Montagelinie für Kupplungsschalter eng mit seinem Kunden, einem Elektronikzulieferer der Automobilindustrie. Festo übernahm die Konstruktion und Inbetriebnahme des kompletten Handling-Systems, das der Kunde einbaufertig für seine Maschinenzelle geliefert bekam. Peter Löbelenz, Leiter Angebot/Projektierung Handhabungstechnik bei Festo Systemtechnic, erklärt: „Wenn wir wie in diesem Fall auf die CAD-Modelle unseres Kunden zugreifen können, ist eine zeitnahe Abstimmung möglich. Bei den Kupplungsschaltern konnten wir so das Handling optimal in die Zelle integrieren.“

Auch Greiftechnik- und Automatisierungsspezialist Schunk, Lauffen a.N., setzt auf frühzeitige Kooperationen. Matthias Poguntke, Leitung Produktmanagement Greifsysteme und Standardkomponenten Automation, bestätigt: „Damit ist es möglich, individuelle Lösungen in einem akzeptablen Zeitrahmen umzusetzen. Kunden profitieren dann bereits in der Konzeptionsphase von unserem umfassenden Know-how in Handhabung und Montage. So kann dieses Wissen in Prozesse und Entwicklungen einfließen. Unsere Erfahrung zeigt, dass enorme Synergiepotenziale entstehen, wenn sich Kunde und Lieferant auf Augenhöhe begegnen.“

Entscheidend ist die Gesamteffizienz

Was letztendlich für den Erfolg einer Montageanlage zählt, ist ihre Gesamteffizienz. Die frühzeitige Zusammenarbeit ist lediglich ein Baustein, der dazu beiträgt, den Produktions- und Montageprozess zu optimieren. Aber auch die Flexibilität und Modularität der Anlage sowie die Möglichkeit zu einer stufenweisen Investition spielen für den Anwender wichtige Rollen. Zu diesem Paket zählen außerdem die Verfügbarkeit der Anlage, die Personal- und Servicekosten sowie die benötigten Verbrauchs-, Hilfs- und Betriebsstoffe.

Im Rahmen der gesamten Produktivität werden zudem die Rufe nach Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit immer lauter. Matthias Poguntke von Schunk bestätigt: „Die sogenannte ‚Green Automation’ spielt für unsere Kunden eine große Rolle. Mehr Geld geben sie dafür allerdings nicht aus.“ Insofern ist hier die Innovationskraft der Anbieter gefragt. Sie müssen umweltschonende Lösungen entwickeln, von denen der Kunde auch wirtschaftlich profitiert. Schunk hat zum Beispiel Mikroventile entwickelt, die Druckluft und Energie sparen. Zugleich lassen sich mit ihrer Hilfe aber auch Zykluszeiten verringern und die Produktivität erhöhen.

Ähnliche Ansätze gibt es bei Festo. Auch die Esslinger bieten Automatisierungskomponenten an, die eine Reduzierung des Luft- und Stromverbrauchs mit sich bringen. Ansätze dafür gibt es von der Ventilwelt bis hin zur hocheffizienten Druckluftaufbereitung. Peter Löbelenz ergänzt: „Effizienz heißt aber auch, die (Sub-)Systeme in Maschinen intelligent auszulegen, nicht zu überdimensionieren und auf die richtige Technologie für die jeweilige Anwendung zu setzen.“ Außerdem kann man im Betrieb der Anlage die Energieeffizienz unter die Lupe nehmen. Dafür gibt es Dienstleistungen und Energie-Monitoring, mit denen man sich direkt vor Augen führen kann, wie Ressourcen einzusparen sind.

AUTOMATICA – Plattform für neue Montagelösungen

Auf der Fachmesse AUTOMATICA werden nahezu alle wesentlichen Anbieter von Montage- und Handhabungstechnik aus Deutschland und der Schweiz sowie etliche namhafte Anbieter aus dem europäischen Ausland vertreten sein. Mit dieser Präsenz der führenden Anlagen-Anbieter und Sondermaschinenbauer erreicht die AUTOMATICA einen Spitzenplatz in Europa.

Für Silke Fischer von sortimat ist die Messe der Branchentreffpunkt schlechthin: „Auf der AUTOMATICA können Interessenten unterschiedliche Anbieter, Systeme und Lösungsansätze studieren und vergleichen. Ein solches Angebot gibt es sonst nirgends. Für sortimat ist die AUTOMATICA die optimale Messe, da auch unsere Geschäftsbereiche Zuführtechnik und Handlingsysteme auf ein interessiertes Publikum treffen.“

Die AUTOMATICA wird sich auch stark der Initiative „Green Automation“ widmen, die sie zusammen mit VDMA Robotik + Automation und dem Fraunhofer Institut Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) ins Leben gerufen hat. Hierbei geht es einerseits um die umweltfreundliche Gestaltung von Produktionsprozessen und andererseits darum, ressourcenschonenden Technologien mittels innovativen Lösungen der Robotik und Automation überhaupt zum Durchbruch zu verhelfen. Die Initiative „Green Automation“ wird auf der AUTOMATICA 2010 den Beitrag der Automatisierungstechnologien für nachhaltiges Wirtschaften in all seinen Facetten veranschaulichen.

Die Kameras der Prosilica-GX-Reihe von Allied Vision Technologies  verdoppeln die Geschwindigkeit von Gig-E-Vision durch den Einsatz der Link-Aggregation-(LAG-)Technik. Bild: Stemmer Imaging

Camera-Link war der erste Datenübertragungs-Standard, der speziell für die industrielle Bildverarbeitung entwickelt wurde. In jüngster Vergangenheit gab es eine Reihe weiterer Neuentwicklungen. Die Aufgabenstellung bestimmt, welche Technik sich für den Anwender anbietet. Die Bildverarbeitungs-Industrie hat in der Vergangenheit etliche Übertragungsmethoden aus der Computerwelt übernommen. Mit Camera-Link unternahmen die Bildverarbeiter ihren ersten eigenen Standardisierungsversuch und definierten damit die Hardware-Schnittstelle zwischen Kamera und Host. Dieses System bietet ein standardisiertes Datenformat sowie standardisierte Stecker, Kabel und Steuersignale. In der „Full“-Konfiguration stellt Camera-Link heutzutage nach wie vor eine der schnellsten Möglichkeiten der Datenübertragung in der Bildverarbeitung dar. Allerdings ist die Übertragung der Daten auf eine maximale Kabellänge von 10 m begrenzt, sofern keine Verstärker oder Glasfaserkabel eingesetzt werden.

Obwohl Camera-Link für die Bildverarbeiter einen Durchbruch markierte, deckt der Standard nicht alle notwendigen Bereiche ab. So wurde der Software-Aspekt nicht ausreichend berücksichtigt, weil diese Schnittstelle lediglich die serielle Kommunikation definiert, die Funktionalität der Kamera jedoch völlig außer Acht gelassen wurde. Camera-Link ist ein perfektes Beispiel für die vier wesentlichen Kernelemente von Datenübertragungs-Standards:

• Übertragungsgeschwindigkeit;
• Art und Kosten der Kabel und Stecker;
• Übertragungslängen sowie
• Standardisierung und Austauschbarkeit (Plug & Play) von Kameras.

Angesichts der zunehmenden Zahl von Kameras mit immer höherer Auflösung und der Weiterentwicklung von Hochgeschwindigkeits-Kameras, die Bildraten von bis zu 10 000 Bildern pro Sekunde erreichen, kann die Übertragungsgeschwindigkeit ein entscheidender Faktor sein. Die Standardisierung von Kabeln und Steckern ist ein guter Ansatz.

Datenübertragungs-Standards unter Verwendung von Standardkabeln sind preislich attraktiv

Beschränkt sich ihr Einsatz jedoch auf die Bildverarbeitungs-Industrie, so erfordert dies eine spezielle Leitungsführung in der Fabrikumgebung, um das Bildverarbeitungs-System integrieren zu können. Datenübertragungs-Standards, die Standardkabel verwenden, können in preislicher Hinsicht attraktiv sein. Die Kamera wird natürlich an der Stelle platziert, wo die jeweilige optische Prüfung stattfindet. Der auswertende Bildverarbeitungs-Rechner ist unter Umständen jedoch in einiger Entfernung von der Kamera-Position installiert, so dass die Übertragungslänge ein kritischer Punkt sein kann.

Diese Anforderung zählt übrigens zu den Antriebsfaktoren, die hinter der Entwicklung intelligenter Kameras stehen. Der Bildverarbeitungs-Prozessor ist bei dieser Produktkategorie direkt in der Kamera integriert, wodurch eine Übertragung der Daten zur Weiterverarbeitung und Analyse nicht mehr erforderlich ist. Allerdings sind nicht alle Anwendungen mit intelligenten Kameras lösbar. Wenn mehr als eine Kamera dieselbe Verarbeitungsfunktion ausführen soll, können diese sogenannten Smart-Kameras zudem im Vergleich zum PC-basierten System die teurere Option darstellen, weil das Potenzial der einzelnen Kamera meist nicht komplett ausgeschöpft wird, wohl aber bezahlt werden muss.

Wechselnde Anforderungen erfordern Austauschbarkeit der Kameras

Letztendlich ist auch die Austauschbarkeit der Kameras von Bedeutung, um auf wechselnde Anforderungen reagieren zu können. Beim Auftreten von Fehlern kann es hilfreich sein, lediglich die Kamera ersetzen zu müssen, ohne zwingend eine Kamera desselben Herstellers verwenden zu müssen. In diesen Fällen erleichtert der Camera-Link-Standard seinen Anwendern das Leben erheblich.

Eine weitere bedeutende Entwicklung für Anwender und Hersteller von Bildverarbeitungs-Systemen gleichermaßen markierte die Ankündigung der Standards Gig-E-Vision und Gen-I-Cam im Jahr 2006. Diese neuen Lösungswege ermöglichten die Verwendung von Serienkomponenten und standardisierten Protokollen sowie eine verbesserte Software- und Hardware-Kompatibilität. Die Verwendung dieser Standards erlaubt mit Hilfe der Ethernet-Technik eine reibungslose Kommunikation zwischen Hardware und Software unterschiedlicher Hersteller sowie einen schnellen und kostengünstigen Datenaustausch über lange Distanzen.

Die Bandbreite üblicher Netzwerkverbindungen reicht dabei aus, um den hohen Anforderungen vieler Bildverarbeitungs-Anwendungen gerecht zu werden. Gig-E-Vision verwendet Standard-Ethernetkabel (CAT5e oder CAT6), ist jedoch langsamer als Camera-Link. Ein wesentlicher Vorzug des Gig-E-Vision-Standards liegt in der erreichbaren Kabellänge: Er ermöglicht die Datenübertragung über Strecken von 100 m. Gig-E-Vision definiert die Kommunikation zwischen Kamera und PC, ohne die Funktionalität der Kamera festzuschreiben.

Gen-I-Cam – generische Programmierschnittstelle für alle Kamera-Typen

Gen-I-Cam bietet eine generische Programmierschnittstelle für alle Kamera-Typen, sodass die API-Schnittstelle ungeachtet der verwendeten Schnittstellentechnik oder der implementierten Funktionen immer dieselbe sein sollte. Obwohl Gen-I-Cam ursprünglich für Gig-E-Vision entwickelt worden war, wurde ihr Einsatzbereich mit dem neuen Gen-TL- oder Transport-Layer-Interface nun auch auf andere Schnittstellen erweitert. Gig-E-Vision und Gen-I-Cam haben in Bezug auf Erschwinglichkeit und Implementierung von Bildverarbeitungs-Systemen in der Industrie sowie hinsichtlich der Austauschbarkeit von Hardware dramatische Veränderungen mit sich gebracht.

Allied Vision Technologies verdoppelt Geschwindigkeit von Gig-E-Vision

Technik kennt selbstverständlich keinen Stillstand: In den vergangenen Monaten sind drei neue Lösungsansätze bekannt geworden. So hat der deutsche Kamera-Hersteller Allied Vision Technologies die Link-Aggregation-(LAG-)Technik dazu eingesetzt, um die Geschwindigkeit von Gig-E-Vision bei seiner Kamera-Reihe Prosilica GX zu verdoppeln. LAG oder IEEE 802.3ad steht für eine Netzwerktechnik, mit der die Parallelschaltung mehrerer Ethernet-Ports möglich wird.

Die Leitungsgeschwindigkeit kann somit über die Grenzen eines einzelnen Ports hinaus erhöht werden. Wenn eine Kamera der GX-Serie über zwei Kabel an einen Host-Rechner angeschlossen ist, so wird dies vom Computer als nur eine Verbindung mit doppelter Normalgeschwindigkeit angesehen.

Die neuesten Übertragungstechniken in der Bildverarbeitung heißen HS-Link und Coa-X-Press. HS-Link wurde im Wesentlichen vom kanadischen Hersteller Dalsa entwickelt. Diese Technik transportiert Bilddaten, Konfigurationsdaten und Echtzeittriggersignale mit einem Jitter im ns-Bereich über eine einfache Punkt-zu-Punkt-Verbindung, die Kameras, zwischengeschaltete Geräte und Frame Grabber unterstützt. HS-Link verbindet die Kernstärken der Camera-Link-Schnittstelle mit neuen Besonderheiten und Funktionen. Mit dieser Technik ist eine skalierbare Bandbreite von 300 bis 6000 MByte/s in Schritten von 300 MByte/s erzielbar. Sie verwendet dabei allgemein erhältliche Mehraderkabel und Standardkomponenten.

Coa-X-Press wurde von einem Konsortium entwickelt, zu dem Adimec Advanced Imaging sowie Active Silicon und CEI gehören, beides Lieferanten von Stemmer Imaging. Coa-X-Press ist in der Lage, mit einem einzigen Standard-Koaxkabel die Daten von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, Kommunikations- und Steuerdaten sowie Strom zu übertragen. Im Vergleich zu Gig-E-Vision ermöglicht Coa-X-Press dabei höhere Bildraten und Kabellängen über 100 m hinaus. Coa-X-Press arbeitet mit einem Hochgeschwindigkeits-Downlink von 6,25 Gbit/s pro Kabel für Videos, Bilder und Daten sowie einem Uplink mit einer geringeren Übertragungsgeschwindigkeit von 20 Mbit/s für Kommunikation und Steuerung. Der Jitter der Schnittstelle liegt im µs-Bereich.

Superschnelle USB 3.0-Schnittstelle ist in der Pipeline

Zusätzlich zu diesen neuen Techniken für die Bildverarbeitung hat die PC-Industrie bereits die USB-Weiterentwicklung USB 3.0 angekündigt. Dieser Standard bietet die 10-fache Übertragungsgeschwindigkeit des Vorgängers USB 2.0 und wird somit noch attraktiver für die Bildverarbeitung.

Angesichts der zunehmenden Auswahl an Optionen empfiehlt es sich, den Rat unabhängiger, erfahrener Lieferanten einzuholen. Dies stellt sicher, dass für die vorliegende Applikation die bestmögliche Auswahl des Bildverarbeitungs-Systems und der Schnittstelle getroffen wird. In Anbetracht der Entwicklung des Gen-I-Cam-Standards sehen wir leistungsfähige Möglichkeiten, diese Technik über eine Plug-&-play-Schnittstelle zu kontrollieren und anwenderfreundliche Architekturen zu verwirklichen.     

Mark Williamson ist Sales and Marketing Director der britischen Niederlassung Stemmer Imaging Ltd, Tongham/United Kingdom.

Prototyp zur Innenvermessung einer Getriebe-Schaltmuffe mit Lasertriangulations-Eintauchoptik. Bild: EHT

Große oder kompliziert geformte Bauteile lassen sich nur schwer exakt vermessen. Außer einer präzisen Mechanik ist eine hochauflösende Sensorik gefragt. Welches Messprinzip am besten passt, hängt von der Anwendung ab. Optische Methoden bieten den Vorteil des berührungslosen Messens. Die mikrometergenaue Vermessung großer Bauteile oder komplizierter Geometrien, zum Beispiel hypoidverzahnter Getriebebauteile oder Schneidwerkzeuge für Kurbelwellen, ist schwierig. Eine Kombination aus hochauflösender Sensorik und präziser Mechanik ist dafür nötig. Auf diese Kombination, angewandt für kundenspezifische Lösungen, hat sich EHR spezialisiert. Die Auswahl der richtigen Komponenten unter Berücksichtigung der Messwiederholgenauigkeit sowie des Messbereichs muss anwendungsspezifisch abgewogen werden.

Inkrementales Wegmesssystem bestimmt Positioniergenauigkeit

Kleine Messfelder sind nötig, um mikrometergenau vermessen zu können. Dies gilt für alle Messsysteme. Standardmäßige Werkzeugeinstellgeräte haben telezentrische Messaufbauten mit Messfeldern in der Größenordnung von etwa 1 cm². Laserlinien-Triangulationsgeräte, die etwa 10 µm Auflösung erreichen, haben einen Messbereich von ungefähr 2 cm. Bei anderen Sensoren sieht es ähnlich aus. Damit können Wendeschneidplatten, Bohrer, Fräser und andere Werkzeuge mit ähnlich kleinen Dimensionen vermessen werden, aber keine Bauteile oder Werkzeuge, die einige Dezimeter groß sind. Die telezentrischen Messsysteme der Werkzeugeinstellgeräte haben darüber hinaus noch den Nachteil, dass nur Außenkonturen erfasst werden können.

Zum Erfassen großer Messbereiche sind Mechaniken nötig, die das kleine Messfeld einer hochgenauen Sensorik zu einem Messort verfahren. Weil die Positioniergenauigkeit einer puren Mechanik viel zu ungenau ist, muss diese von einem inkrementalen Wegmesssystem bestimmt werden. Nur in dieser Kombination ist ein hochgenaues Gesamtmesssystem über große Distanzen möglich.

Solche wegmessenden Mechaniken werden standardmäßig in Werkzeugeinstellgeräten und Koordinatenmessmaschinen (CMM) eingesetzt. Daher ist es naheliegend, solche Mechaniken mit hochgenauer Sensorik zu bestücken. Gute Erfahrungen hat EHR mit den Basisaufbauten von Werkzeugeinstellgeräten des Schorndorfer Unternehmens Kelch, die je eine horizontale und vertikale verfahrbare Linearachse sowie eine Rotationsachse aufweisen. Verfahrwege, Positioniergenauigkeit, Stabilität des Grundgestells und Aufnahmen für schwere Messobjekte prädestinieren diese Mechanik für viele Lösungen, die bereits von EHR realisiert wurden. Die vertikale Rotationsachse ist mit einem SK-50-Kegel–Einsatz bestückt, der variabel mit verschiedenen Spann- oder Greifsystemen versehen werden kann. Alternativ können auch Einstellgeräte mit seitlicher horizontaler Rotationsachse für große und schwere Werkzeuge, beispielsweise Fräswerkzeuge für Kurbelwellen, herangezogen werden.

Anbau zusätzlicher Achsen ermöglicht Vermessen sehr komplexer Teile

Aufgrund der beiden Linearachsen und der Rotationsachse wird der Raum zylinderförmig aufgespannt. Das heißt, dass sich insbesondere die Vermessung jeder Art zylinderförmiger oder rotationssymmetrischer Bauteile anbietet. Beispiele dafür sind jede Art von Getriebebauteilen (zum Beispiel Zahnräder und -wellen mit verschiedenen Verzahnungstypen, Schiebemuffen oder Synchronringe), aber auch Kugellager, deren Lagerschalen, Flansche oder Gewinde. Natürlich können dann auch flächige Objekte so mit der zur Verfügung stehenden Messfläche abgefahren werden, bis die gesamte Fläche inspiziert oder vermessen ist.

Ist ein Bauteil kompliziert aufgebaut und schlecht zugänglich, so können auch zusätzliche Achsen angebaut werden, die entweder die Sensorik oder das Bauteil entsprechend schwenken. Außer der Mechanik ist die Sensorik von entscheidender Bedeutung. Welche Sensorik ist gemeint? Im Grunde jede Art von Sensor, der genügend Messdaten mit einer ausreichenden Wiederholgenauigkeit im Mikrometerbereich liefert.

EHR setzt ausschließlich auf optische Sensoren, die also berührungslos (und damit insitu) funktionieren. Die beiden gängigsten Sensorikprinzipien sind telezentrische Messanordnungen und die Laser-Triangulation. Weitere optische Messmethoden sind konfokal-chromatische Abstandssensoren, Weißlichtinterferometrie, Streifenlichtprojektion und Laser-Mikrometer. Induktive Abstandssensoren und taktile Sensoren könnten auch eingesetzt, sollen an dieser Stelle aber nicht weiter betrachtet werden.

Die erwähnten Messverfahren weisen Genauigkeiten in dem Bereich von Sub-Mikrometern bis einigen Hunderstelmillimetern auf und eignen sich daher für hochgenaue Vermessungen. Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren müssen natürlich anwendungsbezogen abgewogen werden.

Zentraler Bestandteil der Messanlage ist die Software, die die Einzelkomponenten steuert. Statt einer SPS setzt EHR im Allgemeinen einen oder mehrere Industrie-PC ein. Basis der Steuerungs-Software ist der EHR-eigene Systemkern Tivis, der folgende Aufgaben übernimmt:

• Aufnahme der Messwerte verschiedener Sensoren oder Kameras,
• Auswertung und Interpretation der Messwerte,
• Steuerung der Mechanik inkl. Auslesen der inkrementellen Positionsmessung,
• Synchronisierung aller Messdaten,
• Bildverarbeitung,
• Kommunikation zu übergeordneten Steuerungen,
• Kommunikation und/oder Steuerung von Robotern oder anderen Mechaniken,
• Archivierung von Messwerten oder sonstigen Daten,
• Passwortverwaltung,
• kundenspezifische Aufgaben.

Für die Auswertung der Messdaten ist die hauseigene Bildverarbeitungsbibliothek in Tivis integriert. Zusätzlich stehen noch die Bildverarbeitungs-Tools der mächtigen Bibliothek Halcon von MV-Tech, München, zur Verfügung. Mit der beschriebenen Hard- und Software-Basis wurden unterschiedliche Kombinationen zu Kundenlösungen zusammengestellt. Gar zu spezielle Anfragen, die mit standardmäßigen Werkzeugvoreinstellgeräten nicht zu lösen sind, werden gerne an EHR weitervermittelt. Eine Besonderheit der EHR-Lösungen ist die Messung von innenliegenden Eigenschaften, wie z. B. Innenverzahnungen oder großen Fräswerkzeugen für Kurbelwellen.

Zahnräder mit Laserscanner „digital auskugeln“

Besonders Kurbelwellenfräser sind ein anschauliches Beispiel für die µm-genaue Vermessung sehr großer Objekte. Dabei müssen dutzende kleiner Wendeschneidplatten positionsvermessen und unter Umständen nachgerichtet werden. Dazu wurde ein stabiler Arm an die Z-Achse eines Werkzeugvoreinstellgeräts so montiert, dass der Sensor, in diesem Fall ein Laser-Scanner von Micro-Epsilon, Ortenburg, zentral im Werkzeug positioniert ist und von dort aus die einzelnen Wendeschneidplatten exakt angefahren werden können.

Verzahnungen von Zahnrädern werden häufig taktil durch „Auskugeln“ vermessen (Rollenmaß), indem die Eindringtiefe einer Kugel zwischen die Zahnflanken gemessen wird. Dieses Verfahren ist aufwendig, weil langwierig. Mit den Algorithmen von EHR werden die Zahnräder „digital ausgekugelt“: Ein Laser-Scanner erfasst deren 3D-Kontur, in die dann Kugeln desselben Radius hineingerechnet werden. Auf diese Weise sind beide Messmethoden genau vergleichbar. Nun aber mit dem großen Vorteil, diese Messmethode automatisieren und frei von menschlichen Fehlern durchführen zu können.

Mit denselben Messdaten können meist auch weitere Messwerte ermittelt werden, beispielsweise Parallelitäten und Planläufe von Flächen, Höhen, Winkel, Durchmesser, Rundheiten und sonstige bauteilbedingte Besonderheiten. Damit ist eine schnelle und umfassende Qualitätssicherung gewährleistet. Schlecht zugängliche Innenbereiche, die mit Standard-Triangulationssensoren nicht erreichbar sind, werden mit Spiegelkonstruktionen (oder Prismen) und getrennten Kamera-Laser-Komponenten erfasst. Dabei werden dann alle wesentlichen Parameter applikationsspezifisch angepasst, wie Arbeitsabstand und Bildbereich der Kamera oder Triangulationswinkel. Nachteilig bei Spiegelkonstruktionen im Produktionsprozeß ist, dass sie meist eintauchen müssen. Dies ist aber kein Problem, wenn es bei der Konstruktion einer Gesamtanlage rechtzeitig berücksichtigt wurde.

3D-Bildverarbeitung etabliert sich

Die Bildverarbeitung (BV) wird sich wie gehabt weiter entwickeln: rasant bei der Hardware und nichts (wesentlich) Neues in der Algorithmik. Hardware-Komponenten wie Kameras, PC und optische Sensoren werden weiterhin schneller, kleiner und leistungsfähiger. Auch neue Techniken sind zu erwarten, beispielsweise Tera-Hertz-Imaging, das durch die Diskussion um die „Nacktscanner“ so langsam auch von einem breiteren Publikum wahrgenommen wird.

Hinsichtlich der Software werden hauptsächlich alte, bekannte Algorithmen eingesetzt. Dort hat sich in den letzten zehn Jahren nicht viel getan und ob in nächster Zeit viel zu erwarten ist, scheint zweifelhaft. Am ehesten ist Neues aus dem Bereich der „lernenden Bildverarbeitung“ zu erwarten, bei der über neuroinformatische und statistische Ansätze neue Algorithmen entwickelt werden müssen. Ansonsten sind die bekannten Algorithmen schon recht leistungsfähig, aber teilweise auch sehr rechenintensiv.
In Verbindung von leistungsfähiger werdender Hardware mit rechenintensiven Algorithmen können neue Anwendungen erwartet werden. Applikations-Softwerker werden noch über lange Zeit viel zu tun haben und interessante Lösungen entwickeln. In der letzten Zeit hat sich die 3D-Bildverarbeitung etabliert. Diese Entwicklung ist ganz sicher noch nicht abgeschlossen. Neue Entwicklungen sind in der zeitabhängigen Bildverarbeitung oder Bildfolgeanalyse zu erwarten. Daraus lassen sich nicht nur mehr, sondern auch neue Informationen aus dynamischen Prozessen ziehen. Anwendungsfelder finden sich dafür unter anderem in vielen Bereichen der Technik, dem Verkehrswesen und der Robotik. Ganz besonders wird davon die Service-Robotik profitieren, der ganz sicher eine große Zukunft prognostiziert werden kann.

4D-Bildverarbeitung: 3D-Bildverarbeitung mit der Bildfolgeanalyse kombiniert

Wird die 3D-Bildverarbeitung mit der Bildfolgeanalyse kombiniert, so kann mit Fug und Recht von 4D-Bildverarbeitung gesprochen werden. Spannt man zusätzlich noch den Farbraum auf, so kommt noch eine weitere Dimension hinzu. Die Zukunft wird also eine multi- oder mehrdimensionale Bildverarbeitung (MD-BV) bringen. Entsprechend starke und schnelle Recheneinheiten gibt es schon – allerdings nur in unseren Köpfen …

Glossar

Konfokal-chromatische Abstandssensoren:Bei diesen Sensoren wird der Farbfehler von Linsen (chromatische Aberration) genutzt, indem weißes Licht bei der Fokussierung auf das Messobjekt so aufgespalten wird, dass für einen Abstand nur eine Farbe scharf abgebildet ist. Die Farbe des von dem Messpunkt (Durchmesser etwa 10 bis 100 µm) gestreuten Lichts wird gemessen und einem Abstand zugeordnet. Dieses Messverfahren ist hochpräzise und liefert Messungenauigkeiten im Submikrometerbereich, selbst bei spiegelnden und transparenten Oberflächen. Aufgrund der konfokale Anordnung von Lichtquellen- und Detektionsoptik gibt es keine Abschattung, wie bei Triangulationsmesssystemen. Nachteilig ist, dass dieses Messverfahren bisher nur punktuell möglich ist.

Laser-Triangulation:Lichtschnittverfahren, bei dem zum Beispiel eine gerade Laserlinie auf ein Objekt projiziert und unter einem bestimmten Winkel (Triangulationswinkel) beispielsweise von einer Kamera aufgenommen wird. Die Abweichung der Geradheit der Laserlinie im Kamerabild ist ein Maß für die Objekthöhe entlang der Linie. Ein Scan aus vielen Linien ergibt ein Höhenbild (Oberflächenprofil) in X, Y und Z. Die Messungenauigkeit hängt im wesentlichen von der Linienlänge und der Kameraauflösung ab. Bei einer Linienlänge von etwa 20 mm und einer VGA-auflösenden Kamera erhält man eine Messungenauigkeit in der Größenordnung von 10 µm. Durch geeignete Softwareinterpolation kommt man dann auf Messwiederholgenauigkeiten um die 1 µm.
Die Laser-Triangulation ist ein sehr gängiges Messverfahren, das robust und kostengünstig ist. Allerdings ist es ein scannendes Verfahren, so dass entweder der Sensor oder das Messobjekt verfahren werden muss. Problematisch können spiegelnde oder halbtransparente Oberflächen sein.

Weißlichtinterferometer:Weißes Licht wird über zwei Wege auf das Messobjekt gelenkt. Bei bestimmten Höhen kommt es zu Überlagerungseffekten (Interferenzen) des Lichtes, die von einer Kamera aufgenommen werden. Für diese Höhen ist der Abstand bestimmt. Alle Höhen des Messobjekts erhält man, wenn es in der Höhe verfahren und jeweils ein Bild aufgenommen wird. Aus allen Bildern wird dann ein Höhenbild zusammen gesetzt. Die Messungenauigkeit liegt im Submikrometerbereich bei Messfeldern bis 25 cm². Es handelt sich um ein scannendes Verfahren, bei dem mehrere Bilder aufgenommen werden. Nachteilig ist der große und nicht leichte Aufbau, der auch eine begrenzte Robustheit aufweist.

Streifenlichtprojektion:Ebenfalls ein Triangulationsverfahren, bei dem viele parallele Linien auf das Messobjekt projiziert werden, die unter einem bestimmten Winkel von einer Kamera aufgenommen und analysiert werden. Man unterscheidet zwischen dem codierten Lichtansatz (diskrete Hell-Dunkel-Linien, die Bild für Bild enger zusammen rücken) und dem Phasenshiftverfahren (Streifen mit sinusförmiger Helligkeitsmodulation, die seitlich um Viertelperioden verschoben werden). Um daraus ein Höhenbild zu errechnen, sind mehrere Bildaufnahmen mit geändertem Streifenmuster nötig. Dieses Verfahren liefert direkt 3D-Daten ohne Scanvorrichtung. Allerdings ist ein Streifenprojektor notwendig. Die Messungenauigkeit hängt auch dabei im Wesentlichen von der Bildfeldgröße und der Kameraauflösung ab. Bei einer Bildfeldgröße von etwa 1  cm² und einer Kamera mit 1 Megapixel sind Messungenauigkeiten von etwa 10 µm typisch.

Telezentrie:Unter Telezentrie versteht man den achsparallelen Hauptstrahlenverlauf, das heißt einen Öffnungswinkel von 0°, meistens von Objektiven und Beleuchtungen. Vorteil der telezentrischen Objektive ist, dass sich die Größe der Objekte im Telezentriebereich nicht ändert. Daher werden diese Objektive häufig als Messobjektive eingesetzt, etwa bei Werkzeugvoreinstellgeräten. Dabei leuchtet eine telezentrische Beleuchtung direkt in ein telezentrisches Objektiv (mit gemeinsamer optischer Achse) und das Messobjekt befindet sich zwischen beiden.
Der große Vorteil dieser Anordnung ist, dass auch spiegelnde Objekte vermessen werden können, weil am Objekt reflektierte Strahlen nicht mehr abgebildet werden. Nachteilig ist, dass erstens lediglich Außenkontouren erfasst werden können und zweitens die Objektivdurchmesser etwa doppelt so groß sind, wie das Bildfeld oder der Messbereich. Die Messungenauigkeit hängt im wesentlichen von der Bildfeldgröße, der Kameraauflösung und der softwareseitigen Subpixelinterpolation ab. Typische Werkzeugeinstellgeräte mit einer Bildfeldgröße von knapp 1 cm² und einer Kamera mit einem Megapixel erreichen Messungenauigkeiten von einigen Mikrometern. Bei applikationsspezifischen Anpassung durch EHR können auch größere Bildfeldgrößen realisiert und höher auflösende Kameras eingesetzt werden.

Dr. Helge Moritz ist Vertriebs- und Marketingleiter der EHR GmbH, 75181 Pforzheim.

Die innovativ ausgerichtete Gebäudekonstruktion des Entwicklungszentrums wird  überragt von einem Drehturm, auf dessen Dach eine Photovoltaik -Anlage installiert ist. Bild: Wittenstein

Architektonisches Highlight des neuen Entwicklungszentrums eines Ventilherstellers ist der Drehturm, auf dessen Dach eine Photovoltaik-Anlage installiert ist. Acht High-Torque-Servoaktuatoren sorgen dafür, dass der Turm dem Stand der Sonne automatisch folgt und den optimalen Ertrag sichert. Nach nur 14 Monaten Bauzeit konnte er eingeweiht werden – der Gemü-Dome des Hohenloher Ventil-, Mess- und Regeltechnik-Herstellers Gemü. Eine der architektonischen Besonderheiten des Forschungs-, Entwicklungs- und Innovationszentrums in Waldzimmern ist ein Drehturm, der das Gebäude überragt. Auf dem Turm ist eine Photovoltaik-Anlage installiert, die Drehkonstruktion hat ein Gewicht von etwa 250 t. Insgesamt acht High-Torque-Servoaktuatoren der Baureihe TPMA 110 von Wittenstein Motion Control, einem Schwesterunternehmen der Wittenstein Alpha GmbH, sorgen dafür, dass der Turm automatisch dem Stand der Sonne folgt und die auf dem Dach installierte Photovoltaik-Anlage einen optimalen Ertrag erzielt.

Bei ersten Applikationsberechnungen Softwaretool Cymex 3.1 genutzt

Die kompakte Bauform, die Wartungsfreiheit, das geringe Motorengeräusch sowie die in der High-Torque-Ausführung optimierte Steifigkeit des Antriebes waren ausschlaggebend für die Auswahl der Servoaktuatoren als Antriebslösung für die Drehkonstruktion. Unter Nutzung des produkt- und wissensbasierenden Softwaretools Cymex 3.1 von Wittenstein Alpha wurden erste Applikationsberechnungen durchgeführt. Aufgrund der außergewöhnlichen Randbedingungen und von im Vorfeld des Projektes unvorhersehbaren Änderungen der Einflussfaktoren musste die Antriebsauslegung mehrmals in iterativen Schritten überarbeitet werden.

Im Ergebnis wurde so in ständiger Koordination mit den Projekt- und Bauverantwortlichen sowie dem Steuerungshersteller eine maßgeschneiderte Lösung für den Drehturm des Gemü-Dome realisiert. Damit sind die Architektur und die Funktionsweise des Innovationszentrums mindestens ebenso individuell wie die zahlreichen Produkt- und Systemlösungen, für die das familiengeführte Unternehmen seit mehr als vier Jahrzehnten bekannt ist.

Mit der Entwicklung des ersten Prozessventils aus PVC begann die Erfolgsgeschichte des 1964 von Fritz Müller gegründeten Unternehmens Gemü. Seit damals hat sich der Hersteller von Ventil-, Mess- und Regelsystemen als Technologieführer in wichtigen Bereichen der Ventiltechnik etabliert. Bautechnisch und gestalterisch darf der Dome durchaus als Highlight der Industriearchitektur bezeichnet werden: Von der Außenfassade empfangen den Besucher die Portraits großer Erfinder wie Einstein, Leonardo da Vinci, Carl Benz und Graf Zeppelin.

Turmzylinder in Stahl-/Holzkonstruktion überragt Dome

Großflächig aufgebrachte Konstruktionszeichnungen, die großzügige Verglasung und perspektivenreiche Sichtachsen unterstreichen die innovativ ausgerichtete Gebäudekonstruktion. Überragt wird der Dome von einem Turmzylinder in Stahl-/Holzkonstruktion, der im Inneren als Büro und Empfangsbereich dient. Auf der schrägen Dachfläche ist eine etwa 200 m² große Photovoltaik-Anlage installiert.

Die maximale Leistung der Anlage liegt bei etwa 21,3 kWp, was einem jährlichen CO2-Einsparungspotenzial von 18,1 t entspricht. Um diese Werte auch zu erzielen und nicht auf etwa ein Viertel des erwarteten Jahresertrages von 24 000 kWh verzichten zu müssen, müssen die Solarmodule und damit das ganze Dach kontinuierlich der Sonne nachgeführt werden.

Dass diese Aufgabe nur durch ein individuell ausgelegtes Konzept für den Antriebsstrang zu lösen war, wird durch außergewöhnliche Rahmenbedingungen wie das schnee- und windlastfreie Gesamtgewicht von etwa 250 t, den Drehturm-Durchmesser von 17,6 m und den erforderlichen Drehwinkel von kontinuierlich 360° deutlich.
Das Prinzip der Antriebskonstruktion ist vergleichbar dem einer Sternwarte. Die Drehbewegung wird über eine ringförmige Laufschiene durchgeführt, die nach der Montage einen maximalen Höhenschlag von 0,5 mm aufweist. Die Lastabtragung des Drehturms erfolgt über 15 Lagerpunkte, die als Fahrschemel auf der Laufschiene verfahren und von denen jeder bis zu 20 t aufnehmen kann. Acht der 15 Fahrschemel werden durch direkt angeflanschte Servoaktuatoren der Baureihe TPMA 110 angetrieben.

Die Fahrschemel sind jeweils um 45° versetzt angeordnet, werden von einer Controller- und Steuerungseinheit synchronisiert und bringen den Turm in eine harmonische Drehbewegung. Diese orientiert sich im Normalbetrieb automatisch am Sonnenstand, kann bei Bedarf aber auch individuell betrieben werden. Eine Gesamtbewegung um 360° dauert dabei nur wenige Minuten.

Rotative Servoaktuatoren der Baureihe TPMA kombinieren Planetengetriebe mit AC-Servomotor

Die rotativen Servoaktuatoren der Baureihe TPMA sind leistungsstarke, kompakte und integrierte Antriebssysteme. Die Kombination aus einem spielarmen und hoch verdrehsteifen Planetengetriebe und einem AC-Servomotor kommt ohne zusätzliche Antriebskomponenten wie Gegenlager oder Kupplungen aus. Drei verschiedene Versionen stehen zur Verfügung, darunter als größte der TPMA 110 mit einem maximalen Beschleunigungsmoment (T2B) von 2600 Nm und einer maximalen Drehzahl von 21 min-1 in der gewählten Ausführung.

Typische Einsatzgebiete dieser kupplungslosen Systeme mit integriertem High-Torque-Getriebe sind dort zu finden, wo es auf höchste Beschleunigungs-, Stillstands- und Haltemomente ankommt und gleichzeitig aus Präzisionsgründen ein Maximum an Antriebssteifigkeit bei geringer Trägheitsmasse gefordert wird. Die im Dome verbauten Einheiten wurden mit Übersetzung i=220 und integriertem Resolver-Gebersystem zur Positions- und Drehzahlerfassung ausgerüstet.

Alternativ einsetzbar sind Schnittstellen wie En-Dat und Hiperface – eine offen konzipierte Standardschnittstelle mit acht Leitungen, die die bidirektionale Kommunikation zwischen Antriebsregelung und dem Gebersystem des TPMA 110 ermöglicht. Controllertypen und Steuerungen unterschiedlicher Hersteller können individuell adaptiert werden. Einer der acht Servoaktuatoren im Dome besitzt zusätzlich eine wartungsfreie Permanentmagnet-Bremse zum Festhalten der Motorwelle im stromlosen Zustand.
Das Haltemoment, das durch die Bremse an einem der Fahrschemel bereitgestellt wird, reicht aus, um den Turm jederzeit sicher zu fixieren. Die sehr guten Gleichlaufeigenschaften sowie das niedrige Laufgeräusch der Servoaktuatoren von nur 70 dB(A) bei 3000 min-1 waren für diese Aufgabenstellung ebenfalls wichtig, weil die Antriebe offen in das Innenleben des Turms integriert sind. Auch die Fahrschemel wurden so konstruiert, dass sie zur Vermeidung von Fahrgeräuschen sowohl in der Neigung als auch im Lenkwinkel einstellbar sind.

Turmsteuerung verarbeitet komplexe Witterungsinformationen

In gleicher Weise, wie sich Sonnenblumen im Tagesverlauf nach der Sonne ausrichten, folgt auch der Drehturm der Sonnenbahn. Dafür verarbeitet die Steuerung Informationen über den Sonnenauf- und Sonnenuntergang ebenso wie aktuelle Wetterinformationen, beispielsweise Temperatur, Windgeschwindigkeit oder Luftfeuchte. Die Nachführung des Solardaches erfolgt kontinuierlich in kleinen Zeitabständen, so dass immer ein optimaler Einstrahlwinkel gegeben ist.

Beim morgendlichen Start fragt die Steuerung über die Resolver-Schnittstelle die Positionsdaten der Aktuatoren ab. Ihr Absolutwert dient der Kommutierung und der Rotorlageinformation beim Einschalten der Servoaktuatoren. Danach wird inkremental über Sinus-/Cosinussignale weitergezählt. Je nach Jahreszeit und Tageslichtverhältnissen passt die Steuerung die Drehbewegung des Turms an die aktuellen Gegebenheiten an. Nach Sonnenuntergang wird der Drehturm automatisch in die Startposition für den nächsten Morgen gebracht. Über das Bedienpanel im Turm ist es aber auch möglich, jede andere gewünschte Ausrichtung anzufahren.

Die Antriebslösung mit den rotativen Servoaktuatoren TPMA 110 ermöglicht sowohl einen automatischen wie auch einen manuellen Betrieb in unterschiedlich schnellen Verfahrmodi. Diese Flexibilität in Verbindung mit Produkteigenschaften wie Kompaktheit, hoher Laufruhe, Präzision sowie moderner Antriebs- und Steuerungstechnik wird der innovativen Designgebung und Zielsetzung des Gebäudes gerecht.

Wittenstein zeigt auf der Automatica Antriebe für die Robotik

Auf der Automatica 2010 stellt die Wittenstein Alpha GmbH spezielle Antriebslösungen für die Robotik vor. Die Produkt-Highlights V-Drive+, V-Drive Economy, Ritzel/Zahnstangensysteme und das kompakte Hochleistungsgetriebe TP+ stehen für Wirtschaftlichkeit, hohe Geschwindigkeiten und Präzision. Einsatz findet diese Getriebe- und Systemtechnologie sowohl direkt in den Roboterachsen als auch in der Peripherie.

Detailliert werden Prozesslösungen wie das Verfahren der 7. Achse oder das Greifen eines Delta-Roboters präsentiert. Ausgestellt werden darüber hinaus die Servoaktuatoren der Baureihe TPMA, die seit geraumer Zeit den Drehturm eines Entwicklungszentrums des Unternehmens Gemü steuern. Das Unternehmen ist mit seinen ressourceneffizienten Produkten zudem Teilnehmer der neuen Automatica-Initiative „Green Automation“.

Dipl.–Wirtsch.-Ing. (FH) Björn Proschinger ist Vertriebsingenieur im Technischen Büro Südwest der Wittenstein Alpha GmbH in 97999 Igersheim.

Der Serviceroboter „Friend“ ermöglicht Schwerstbehinderten mehr Autonomie und selbstbestimmtes Handeln. Bild: Schunk

Bei den Grundfunktionen von Servicerobotern spielt es zunächst keine Rolle, ob sie in der Industrie den Teiletransport übernehmen oder den Rehabilitationsprozess von Patienten unterstützen. Deshalb spricht vieles für modulare Konzepte, die Kostenvorteile mit Flexibilität kombinieren. Serviceroboter müssen sich frei im Raum bewegen, ihre Umwelt erkennen, Objekte handhaben und mit Menschen kommunizieren. Auch wenn Serviceroboter immer aufgabenspezifisch gestaltet werden, spielt es für diese Grundfunktionen zunächst keine Rolle, ob sie in der Industrie den Teiletransport übernehmen, im Labor Untersuchungsreihen abarbeiten oder den Rehabilitationsprozess von Patienten unterstützen. Es spricht also viel für modulare Konzepte: Sie verbinden die Kosten- und Qualitätsvorteile standardisierter Module mit den spezifischen Vorteilen individueller Lösungen.

Serviceroboter werden auf spezielle Aufgaben zugeschnitten

Applikationen, die aus dem Baukasten heraus konstruiert werden, sparen zudem Entwicklungszeit und verschaffen gerade auch robotikfremden Wissenschaftlern ein hohes Maß an Flexibilität und Sicherheit. In Europa und den USA gibt es einen klaren Trend zu modularen Systemen. Hard- und Softwaremodule für einzelne Funktionen werden immer weiter optimiert und lassen sich zu individuellen Applikationen zusammenfügen.

Während asiatische Konzepte bei Servicerobotern sehr stark einen humanoiden Ansatz verfolgen, bei dem Serviceroboter dem Menschen möglichst ähnlich werden sollen, reduzieren europäische und amerikanische Forscher den Serviceroboter viel stärker auf seine Funktion. Form follows function, lautet dabei die Devise. Ganz gezielt werden Lösungen auf spezielle Aufgaben zugeschnitten. Das verhindert, dass die Erwartungshaltung an den Serviceroboter zu hoch ist und Anwender enttäuscht werden, weil er eben doch nicht so individuell und vielschichtig agiert wie ein Mensch.

Modulare Plattformen beschleunigen die Gesamtentwicklung

Statt jedes Mal bei null zu beginnen und das Rad sozusagen neu zu erfinden, nutzen inzwischen viele Forschungseinrichtungen verfügbare und erprobte Basiskomponenten für ihre Anwendung. Intensiv gearbeitet wird derzeit unter anderem an Forschungsplattformen, die modular konzipiert sind. Auf ihnen wird dann ebenfalls modular die gewünschte Applikation aufgebaut.

Fachfremde Wissenschaftler, wie etwa Soziologen, Psychologen, Therapeuten, Designer oder Hauswirtschafter können sich damit voll und ganz auf die eigentliche Forschungsaufgabe konzentrieren. Davon versprechen sich alle Beteiligten eine deutliche Beschleunigung der Entwicklung, weil insbesondere Faktoren wie die sichere Mensch-Maschine-Kooperation oder die Akzeptanz technischer Hilfssysteme stärker an Gewicht gewinnen.

Der Serviceroboter „Friend aus dem Forschungsprojekt „Amarob“ ist auf Basis einer solchen Plattform entstanden. Ziel des Projekts ist es, dass körperlich schwer beeinträchtigte Menschen mit Hilfe eines autonom agierenden und damit einfach zu bedienenden Roboters im Tagesablauf für längere Zeit autonom und selbstbestimmt Aufgaben erledigen können. „Friend“ ist mit einem Leichtbauroboterarm von Schunk mit sieben Gelenken ausgestattet. Mit ihm können Nutzer trotz ihrer schweren Behinderungen Objekte in typischen Alltagsumgebungen greifen und bewegen. Er lässt sich je nach Behinderung auf unterschiedliche Art bewegen: visuell über einen Bildschirm, verbal über eine Sprachsteuerung, haptisch über eine Kinnsteuerung oder künftig sogar per Gedankenkraft über eine Messung der Hirnströme.

Inzwischen haben viele Forschungseinrichtungen erkannt, dass es unwirtschaftlich ist, immer wieder neu darüber nachzudenken, wie sich beispielsweise Dinge greifen lassen, während es längst bewährte Module gibt, die diese Aufgabe zuverlässig erledigen. Ob im Haushalt eine Tasse oder im Industriebetrieb ein Werkstück gehandhabt wird, ist schließlich durchaus vergleichbar. Aus diesem Grund wurde auch für das mobile Roboter-Assistenzsystem „Care-O-bot 3“ am Fraunhofer-IPA die Greifhand SDH-2 von Schunk eingesetzt.

Die elektrisch angetriebene Dreifingerhand verfügt über sieben unabhängige Freiheitsgrade und kann ohne Umrüstzeiten unterschiedliche Objekte greifen und positionieren. Ein taktiles Sensorsystem überwacht sensibel und sicher den optimalen Griff und liefert der Steuerung Informationen, um gegebenenfalls Greifkorrekturen zu veranlassen. So können selbst schwierige Geometrien zuverlässig gehandhabt werden. Für den industriellen Einsatz ist die Hand sogar gegen Staub und Feuchtigkeit geschützt. Zugleich bietet sie ein hohes Maß an Sicherheit für die Interaktion mit Mensch und Maschine.

Steuer- und Regelungstechnik ist in den Gelenkantrieb integriert

Bei den mechatronischen Drehmodulen und Leichtbauarmen von Schunk ist die vollständige Steuer- und Reglerelektronik in den Gelenkantrieb integriert. Position, Geschwindigkeit und Drehmoment sind flexibel regelbar. Dank integrierter Intelligenz, universeller Kommunikationsschnittstellen und einer minimalistischen Kabeltechnik für Datenübertragung und Spannungsversorgung lassen sich die Module besonders schnell und einfach in bestehende Steuerungskonzepte einbinden. So können mit minimalem Konstruktions- und Programmieraufwand selbst komplexe Systeme und mehrachsige Roboterstrukturen mit mehreren Freiheitsgraden realisiert werden.

Um den Energieverbrauch zu minimieren und die Sicherheit für den Menschen zu erhöhen, wird bei den Modulen konsequent auf eine Stromversorgung mit 24 V Gleichstrom sowie auf Leichtbau gesetzt. So erreicht der Leichtbauarm LWA ein Traglast-Eigengewicht-Verhältnis besser als 1:2. Bei herkömmlichen Robotern beträgt dieser Wert bis zu 1:20.

Mensch und Roboter sollen ohne Barrieren nebeneinander arbeiten

Mit den Modulen werden heute bereits pharmazeutische, medizintechnische und sogar baustoffliche Prüflabore automatisiert. Sie erhöhen dort die Flexibilität und die Wirtschaftlichkeit. Über den Konfigurator „Viro-Con“ ist es möglich, innerhalb kurzer Zeit aus einzelnen Modulen ein komplettes System vorab am PC zu konfigurieren und seine Eignung für die ausgewählte Aufgabe zu prüfen.

Eine besondere Herausforderung für Entwickler in der Servicerobotik besteht darin, dass Mensch und Roboter ohne Barrieren unmittelbar nebeneinander arbeiten. Hinzu kommt, dass das Personal nicht auf den Umgang mit Robotern geschult ist. Sicherheitsaspekte in der Mensch-Maschine-Kooperation gewinnen daher eine immer größere Bedeutung.

Mittlerweile werden in der Sicherheitsnorm DIN ISO EN 10218-1 für Roboter auch Standards für eine Mensch-Roboter-Kooperation im industriellen Umfeld definiert. Dazu zählt beispielsweise, wie schnell sich Baugruppen bewegen und wie sie gegen unbeabsichtigtes Bewegen abgesichert sein müssen. Auch unter diesem Aspekt spricht vieles für ein modulares Konzept, bei dem innerhalb der Module bereits konstruktiv möglichst viele Sicherheitsaspekte berücksichtigt sind.   

Christopher Parlitz ist Referent Servicerobotik bei der Schunk GmbH & Co. KG in 74348 Lauffen/Neckar.

Flexible, robotergestützte Systeme eignen sich sehr gut für komplexe Mess- und Prüfaufgaben. Bild: Stäubli

Bei der haptischen Prüfung von komplexen Automobilteilen wird eine flexible Roboterzelle eingesetzt. Sie besteht aus einem Sechsachsroboter sowie einem Kraft-Momenten-Sensor und prüft die Funktionsfähigkeit von Bedienelementen. Haptische Messsysteme gibt es schon seit Jahrzehnten, allerdings sind solche auf NC-Achsen basierenden Systeme relativ einfach strukturiert. Je komplexer die zu prüfenden Produkte sind, desto schwieriger ist es, die Mess- und Prüfaufgaben mit diesen Systemen zu bewältigen. Hochflexible Systeme mit Robotern sind für solche komplexen Aufgaben besser geeignet.

Die Weber Systemtechnik hat Mess- und Prüfsysteme überwiegend für die Automobilindustrie im Programm. Das Unternehmen liefert auch mit eigenen Mess- und Prüfsystemen ausgestattete komplette Endmontagelinien etwa für die Produktion von Autoradios, Navigations- und Infotainment-Systemen. Die Angebotsschwerpunkte liegen bei haptischen Messsystemen auf Basis von Robotern und Vision-Systemen vorwiegend für die Qualitätssicherung.

Die größten Vorteile, die eine roboterunterstützte Prüfung im Vergleich zu Systemen mit NC-Achsen mit sich bringt, sind in den Freiheitsgraden von Roboter und Kraft-Momenten-Sensor begründet, durch die sich, mit den entsprechenden Werkzeugen ausgerüstet, selbst komplizierteste Konturen abfahren lassen. Diese Flexibilität des Systems gibt dem Kunden Investitionssicherheit. Sollte sich im Laufe der Zeit sein Produktspektrum ändern, muss er die Prüfzelle nicht aufwendig an die neuen Gegebenheiten anpassen, sondern nur ein entsprechendes Werkzeug integrieren.

Stäubli-Sechsachsroboter vom Typ TX 60 ist Basis einer typischen Stand-alone-Mess- und -Prüfzelle

Die Basis einer typischen Stand-alone-Mess- und -Prüfzelle bildet ein mit einem Kraft-Momenten-Sensor ausgestatteter Stäubli-Sechsachsroboter vom Typ TX 60. Der nach dem Dehnungsmessstreifen-Prinzip arbeitende Sensor kann in den Raumachsen X, Y und Z jeweils Kräfte und Momente aufnehmen. In der Zelle lassen sich haptische Prüfungen zum Beispiel an Bedienelementen wie Drucktasten, Drehstellern, Bedienrädern, -wippen oder -schiebern durchführen. Eine Herausforderung bei der Konzeption solcher Zellen ist es beispielsweise, die vom Roboter gelieferten Positionen und die mechanischen Informationen des Sensors über Kräfte und Momente zusammenzubringen, und zwar mit einer hohen Auflösung und Geschwindigkeit.

In einer Kundenanwendung prüft das Robotersystem die einheitliche Bedienbarkeit von Lüftungsklappen. Vor Implementierung der Anlage hatte der Automobilzulieferer die Prüfung als Dienstleistung eingekauft. Prüfmerkmale sind zum einen die grundsätzliche Funktionsfähigkeit der Bedienelemente und zum anderen die Erfüllung der geforderten Spezifikationen wie aufzubringende Maximalkraft und Position der Rastungen. Diese Charakteristiken sind teilweise sehr filigran, wenig ausgeprägt und zeitlich kurz, weswegen der Roboter eine hohe Performance bei der zeitlichen Auflösung der Signale benötigt.
 
Drei Arten von Bedienelementen – Bedienrad, Bedienwippe und seitlicher Schieber – werden jeweils für die Fahrer- und Beifahrerseite auf ihre Funktionalität hin geprüft. Die gesamte Prüfung dauert etwa 1,5 min. Dazu werden die Prüflinge manuell in die Anlage eingelegt und die Prüfung wird gestartet. Der Roboter setzt sich in Bewegung, ein am Roboterarm befindliches Traktionsrad setzt auf dem Bedienrad der Lüftungsklappe auf, betätigt es jeweils einmal in beide Bedienrichtungen und nimmt dabei die erforderlichen Momente auf.

Im Hintergrund erfasste Informationen sind zu koordinieren und zusammenzuführen

Unter dem Traktionsrad befindet sich ein schraubenzieherklingenartiges Werkzeug, mit dem der Roboter die Bedienwippe der Lüftungsklappe nach oben und unten sowie den seitlichen Schieber nach links und rechts bewegt. Im Hintergrund des Prüfablaufs werden sämtliche notwendigen Weg-, Kraft- und Momenten-Informationen gesammelt, daraus entsprechende Kurven generiert und einer Analyse zugeführt. Dabei werden mit Hilfe geeigneter Analysefunktionen in definierten Suchbereichen charakteristische Punkte, zum Beispiel Rastkräfte, ermittelt, die dem Kunden die Information geben, ob sein Produkt die geforderten Qualitätskriterien erfüllt.

Außer einer automatisierten Analyse und Auswertung ist auch eine manuelle Interaktiv-Analyse möglich, wodurch sich Serviceaufgaben wahrnehmen lassen sowie die Einrichtung der automatischen Analyse. Die Datenspeicherung lässt sich ebenfalls automatisiert oder manuell vornehmen. Des Weiteren ist es jederzeit möglich, Offline-Analysen an zuvor gespeicherten Kurvendaten durchzuführen.Eine Herausforderung bei der Konzeption der Anlage war es, sämtliche im Hintergrund erfassten Informationen zeitlich zu koordinieren und zusammenzuführen. Ebenfalls keine leichte Aufgabe war es, für Stabilität und Wiederholbarkeit des Prozesses zu sorgen. Ein Beispiel ist das Sicherstellen einheitlicher Messwerte und Bewegungsmuster.

Fehlermeldungen während des Prüfprozesses betreffen beispielsweise defekte Bedienelemente. Lässt sich etwa ein Bedienrad nicht drehen, so führt die Kraftüberlast in diesem Fall zu einem Abschalten des Roboters, um den Kraft-Momenten-Sensor vor Beschädigungen zu schützen. Sogenannte Analysefehler treten auf, wenn die Kraftüberlast zwar nicht so groß ist, dass der Roboter abschaltet, die Werte während des Prüfprozesses sich aber aufgrund von Produktfehlern aus den Toleranzgrenzen bewegen, was zu einer Fehlermeldung führt. Durch die Prüfzelle selbst verursachte Fehler kommen allerdings nicht vor – und wenn, dann ist in 99,9% der Fälle ein Bedienerfehler dafür verantwortlich.

Sonja Koban ist Leiterin Marketing bei der Stäubli Tec-Systems GmbH, 95448 Bayreuth. Burkhard Weber ist Geschäftsleiter von Weber Systemtechnik e. Kfr. in 35576 Wetzlar.