Bei einem großen Automobilzu­lieferer wurden frisch geschweißte Bauteile für Abgassysteme bisher in einer taktilen Messmaschine vermessen und in einer separaten manuellen Prüflehre auf Dichtheit geprüft. Nun erledigt eine vollautomatische Anlage diese Aufgabe im Takt der Schweißroboter - und damit über 20 Mal schneller als früher.

Schweißbauteile für Kfz-Abgassysteme müssen höchsten Ansprüchen an Maßgenauigkeit und Dichtheit genügen. Entsprechend wichtig sind die Qualitätssicherungsmaßnahmen in diesem Bereich. Und wichtig heißt hier oft auch aufwändig. Denn die komplette Messung aller notwendigen Parameter erfordert ein Messlabor mit einer taktilen Messmaschine und dauert rund 15 Minuten.
Ebenso exakt, aber viel schneller arbeitet dagegen die vollautomatische Inspektionslösung, die Ziemann & Urban Prüf- und Automatisierungstechnik aus Moosinning bei München für einen Zulieferer eines der weltgrößten Automobilhersteller entwickelt und als Systemlieferant realisiert hat. Sie ermöglicht innerhalb von Sekunden die Identifizierung des Bauteils über einen gelaserten Datamatrix-Code, eine 3D-Vermessung geometrischer Merkmale im Fahrzeug-Koordinatensystem und die Dichtheitsprüfung selbst für formkomplexe Bauteile. Damit kann die Inspektion exakt im Takt der Schweißroboter erfolgen.
Bei der Anlage handelt es sich um eine vollintegrierte autarke Prüfsondermaschine. Sie führt die 100%-Messung der Bauteile exakt im Produktionstakt der roboterbasierten Schweißanlagen durch. Das heißt im Takt von etwa 40 Sekunden pro Bauteil. Die Prüfkabine ist als massiver Stahl-Schweißrahmen mit Servicetüren ausgeführt. Damit ist sie den Anforderungen eines 3-Schicht-Betriebs in der rauen Umgebung einer automatisierten Schweißerei gewachsen. Die zu überprüfenden Bauteile durchlaufen diese Prüfzelle auf einem Umlaufsystem mit insgesamt 10 bauteilspezifischen Werkstückträgern. Diese verfügen über RFID-Tags, die an jeder Prüfposition zur Rückverfolgbarkeit ausgelesen werden. An zwei Prüfpositionen werden die Werkstückträger definiert ausgehoben.

3D-Vermessung mit robotergeführtem Kamerakopf
An der ersten Position erfolgt die 3D-Vermessung mit einem Stereo-Kamerakopf. Das System kombiniert zwei hochauflösende GigE-Kameras mit einzeln blitzbaren LED-Ringlichtern zur Auflichtbeleuchtung sowie mit einem Kreuzlaser der Laser-Schutzklasse 2M. Jede der beiden zueinander kalibrierten Kameras nimmt jeweils ein Bild des gleichen Merkmals auf.
Ein 6-Achs-Roboter Motoman MH5 LF von Yaskawa gewährleistet, dass die Kameras dabei jeden Punkt des Bauteils zuverlässig erreichen kann: Hängend montiert, umfährt der extrem flexible Knickarm-Manipulator das Bauteil komplett. Insgesamt werden dabei über 20 definierte Merkmale des Bauteils wie Buchsen, Flansche und Haltebleche vom Roboter über Punkt-zu-Punkt-Fahrten angefahren, damit die entsprechenden Messpunkte von den Kameras erfasst werden können. Die Messauflösung liegt bei 0,05 mm (50 µm).
Vor jedem Messvorgang wird eine Referenzmessung durchgeführt, um die absolute Positioniergenauigkeit des Roboters sicherzustellen. Der Bediener kann zusätzlich jederzeit die volle Funktionalität der Anlage schnell und einfach verifizieren. Als Referenz dient dabei ein fest auf einem Werkstückträger verschraubtes Serienteil. Dieses muss manuell eingelegt werden und wird automatisch vom Roboter erkannt. Zum Abgleich ist das Referenz-Bauteil mit separater Wertetabelle und engeren Toleranzen belegt.
Für jeden Messpunkt legt die Bildverarbeitungssoftware ZU-Vision das 3D-Fahrzeug-Koordinatensystem des Kunden zugrunde. Die bauteilspezifischen Anlagepunkte, das sog. Referenzpunktsystem (RPS), werden virtuell auf Soll-Lage zurückgerechnet. Mit dem Ergebnis dieser Rechen-Transformation korrigiert die Anlage automatisch auch die übrigen Messpunkte. Das bedeutet: Die Bauteile können relativ lose auf den Werkstückträgern aufliegen, ohne die Mess-Genauigkeit zu beeinflussen. Die Bestückung der Anlage, die derzeit noch manuell erfolgt, vereinfacht sich entsprechend.

Dichtheitsmessung und Visualisierung
An der zweiten Prüfposition erfolgt die Prüfung der volumenförmigen Bauteile auf Dichtheit. Dafür werden zunächst alle Flansche und Anschlüsse mit Zylindern verschlossen, wobei die Anzahl mit 10 Stück pro Bauteil außergewöhnlich hoch ist. Anschließend untersucht ein kalibriertes laminares Durchflussmessgerät mit Druckluft das Bauteil auf mögliche Lecks. Fehlerhafte Teile werden automatisch mit einem Drucketikett, einem sog. Rework Label, gekennzeichnet, auf dem die Fehlermerkmale angegeben sind. Später werden diese Schlechtteile an einer definierten Position separat ausgeschleust. Gutteile fahren auf den Werkstückträgern automatisch an die Entnahmeposition und werden dem nächsten Bearbeitungsschritt zugeführt.
Für statistische Auswertungen und vollständige Einzelteil-Rückverfolgbarkeit werden die Messergebnisse für jedes Bauteil als eigene Datei im CAQ-System des Kunden angelegt. Zudem verfügt die Prüfanlage als Messmittel über einen Messmittelfähigkeitsnachweis für Maschinenfähigkeit (Messmittelfähigkeitsindizes Cg/Cgk) und Wiederholbarkeit ( %RR/GRR). Sämtliche Kalibriervorgänge sind voll automatisiert.
Steuerung und Visualisierung übernimmt die Software ZU-Control PC-basiert auf einem 19-Zoll-Industrierechner mit Unterbrechungsfreier Stromversorgung (USV). Die Bedienung der Anlage erfolgt über ein 23-Zoll-Touchbedienfeld mit Schwenkgalgen. Auf dem Touchscreen ist neben der Anlagenvisualisierung eine Historie der Messergebnisse abrufbar. Die Kommunikation zwischen den einzelnen Anlagenteilen läuft über Ethercat und TCP/IP.
Bereits jetzt ist die Anlage für künftige Änderungen und Erweiterungen ausgelegt: Das Konzept bietet mit seinen einfachen Werkstückträgern und dem vielseitigen Roboter eine große Flexibilität für zukünftige Bauteilvarianten.