Die Einhaltung von Spezifikationen bezüglich der Mikrostruktur von technischen Oberflächen stellt eine Grundvoraussetzung für die weitere Behandlung und Veredlung technischer Oberflächen dar. Somit ist eine prozessnahe Messung dieser 2D- und 3D-Strukturen für die Qualitätssicherung innerhalb des Fertigungsprozesses unabdingbar. Eine Automatisierung dieser Messprozesse für die Oberflächenmikrostruktur ist daher nicht nur technologisch erforderlich, sondern bildet auch die Grundlage für eine effiziente Kostenstruktur innerhalb des gesamten Fertigungsprozesses. Der Einsatz von Messrobotern für die Messung der Oberflächenstruktur ermöglicht eine durchgängige Automatisierung des Messprozesses und verbannt subjektive Fehlereinflüsse bei der Bestimmung oberflächenrelevanter Parameter.
Messroboter auf dem Vormarsch
Die Qualitätsanforderungen an technische Produkte der Industrie erhöhen sich im gesamten Bereich des Fertigungsprozesses ständig. Dies zeigt sich in stetig kleiner werdenden Toleranzen der geometrischen Merkmale sowie der Erhöhung der Komplexität der technischen Produkte und deren Komponenten. Damit wächst die Notwendigkeit, flexible Messtechnik zum Einsatz zu bringen, die eine automatisierte 100-Prozent-Prüfung bei gleichzeitiger Optimierung des personellen Einsatzes gewährleistet.
Hier treten zunehmend Messroboter auf den Plan. Roboter in der Fertigungstechnik sind längst zur Selbstverständlichkeit geworden. Insbesondere in Montage-, Beschichtungs- und Fügeprozessen gehören Gelenkroboter zum täglich gewohnten Bild. Roboter in der Fertigungsmesstechnik sind dagegen eher eine Seltenheit, obwohl gerade hier die Vorzüge voll zum Tragen kommen. In den vergangenen drei Jahren zeigte sich allerdings eine Zunahme des Einsatzes von messenden Robotern im Fertigungsprozess, wie zum Beispiel:
- Digitalisierung von großflächigen Baugruppen, zum Beispiel im Karosseriebau,
- Prüfung von Kräften und Drehmomenten im Fahrzeugarmaturenbau oder
- Bildverarbeitung zur automatischen Positionierung von Robotern.
In diesem Rahmen bietet microspace aus Chemnitz mit ihrer robomess-Linie Messroboter direkt für die Fertigungsmesstechnik an. Diese Messroboter sind in der Lage, durch den Einsatz von multisensorieller Messtechnik Maß-, Form- und Lageabweichungen sowie Oberflächenrauheiten zu messen (Abb. 1).
Abb. 1: robomess flexible 8+
Insbesondere die schnelle Erfassung der 3D-Oberflächenmikrostruktur bietet hervorragende Möglichkeiten, um die Qualität der technischen Oberfläche, insbesondere als Voraussetzung für die weitere Bearbeitung beziehungsweise Beschichtung, zu beurteilen (Abb. 2).
Abb. 2: 3D-Oberflächenmikrotopografie
Die Einhaltung von bestimmten Oberflächenparametern ist die Grundvoraussetzung für verschiedene Beschichtungs- und Veredlungsverfahren technischer Oberflächen. Die Messung von diesen Oberflächenmikrostrukturen gestaltet sich innerhalb laufender Fertigungsprozesse mit den heutigen konventionellen Oberflächenmesstechniksystemen noch durchaus kompliziert und aufwendig. Mit dem Messroboter für die Oberflächenrauheitsmessung gibt es hier eine echte Alternative, die auch in-prozessfähig ist.
Jedem sein Messroboter
In der Standardausführung besteht der Messroboter aus einem Sechs-Achs-Gelenkarmroboter, aufgebaut auf einem Hartgesteinsbett in dem ein Drehtisch integriert ist, der ebenfalls als ansteuerbare Achse des Roboters arbeitet. Der Gelenkarmroboter trägt an seinem Handflansch einen multisensoriellen Messkopf der entsprechend der Aufgabenstellung mit unterschiedlichen Sensoren konfiguriert ist. So können folgende Sensoren über eine automatische Wechseleinrichtung zum Einsatz gebracht werden (Abb. 3):
Abb. 3: Sensor- und Tasterwechselmagazin
- taktile Rauheitstaster (Tastschnittverfahren)
- taktile Konturtaster
- berührungsloser Rauheitssensor (konfokal-chromatische Weißlichtsensoren)
- berührungsloser Kontursensor (konfokal-chromatische Weißlichtsensoren)
- Lasersensor
- hochauflösende Kamera mit telezentrischer Optik für messende Bildverarbeitung
- Standardkamera für Bildverarbeitung zur Erkennung von alphanumerischen Zeichen, Oberflächenfehlern, Barcode- und Matrixcodedetektierung
- BV-Sensorik für die automatische Erkennung von Oberflächendefekten, zum Beispiel Lunker
- Weißlichtinterferometer zur 3D-Oberflächenmessung im Mikrostrukturbereich.
Eine umfassende und ausgereifte Software ermöglicht das einfache Erstellen von Messprogrammen, die einen vollautomatischen Messbetrieb, initiiert durch einen einzigen Befehl beziehungsweise Tastendruck, starten können. Die Software ist so strukturiert, dass das übergeordnete Robomessprogramm die Steuerung der Messwertaufnahme und die Auswerteorganisation sowie die Schnittstellenansteuerung übernimmt. Die Kommunikation mit dem Bediener beziehungsweise Administrator ist so aufgebaut, dass keinerlei Programmiersprachen oder sonstige spezielle Syntax erlernt werden muss. Die Erstellung der Messprogramme erfolgt im Rahmen einer Pfadstruktur (Abb. 4), die durch einfaches Anklicken erstellt und mit den entsprechenden Parametern konfiguriert werden kann. Der Entwurf der Vorlagen beziehungsweise Makros für die Auswertung von Oberflächenrauheiten beziehungsweise Maß-, Form- und Lageabweichungen erfolgt interaktiv mit spezieller Rauheits- und Koordinatenmesssoftware wie sie aus der konventionellen Messtechnik bekannt ist. Da alle Rohdaten im automatischen Messablauf gespeichert bleiben, besteht die Möglichkeit, im Nachhinein anhand des Summenprotokolls auch weiterführende manuelle Auswertungen in den jeweiligen Rauheits- und Koordinatenmessprogrammen durchzuführen.
Abb. 4: Software robomess
Durch die Option Einzelmessung kann der Messroboter robomess auch als normales, nicht automatisiertes Messgerät betrieben werden wie es von konventionellen Messgeräten her bekannt ist. Diverse Schnittstellen zu Prozesssteuerungen (SPS, Profibus) und Qualitätssicherungsprogrammen (z. B. QS-STAT) runden die Konfiguration des Messroboters in sich ab.
Neben zahlreichen Vorteilen, wie zum Beispiel der kontinuierlichen, bedienerlosen, automatisierten Messung besticht das System vor allem auch durch die Zugänglichkeit an die unterschiedlichsten Messstellen. Im Gegensatz zu konventionellen Messgeräten bei denen im Wesentlichen die Prüflinge in entsprechende Messpositionen transportiert werden mussten, wird beim Messroboter robomess der Messkopf an die entsprechende Messstelle geführt. Dies erweist sich als außerordentlich vorteilhaft, insbesondere bei großen, schweren Prüflingen mit einer Vielzahl von komplexen Messstellen beziehungsweise Merkmalen. Somit ist es möglich, den Messkopf beziehungsweise den Sensor, der zur Messung zum Einsatz kommen soll, in sechs Freiheitsgraden im Raum zu positionieren. Es sind also auch Überkopfmessungen bei der Rauheit beziehungsweise Konturmessung möglich. Durch den Einsatz spezieller Schwingungsisolierungssysteme auf aktiver und passiver Basis, ist neben der Nutzung im Messraum auch ein prozessnaher Einsatz direkt vor Ort in der Werkhalle in Maschinennähe möglich.
Durch den außerordentlich hohen Automatisierungsgrad sowie der gleichzeitig damit verbundenen enormen Flexibilität durch minimalste Umrüstzeiten ergeben sich zahlreiche wirtschaftliche Vorteile, die den Einsatz eines Messroboters aus betriebswirtschaftlicher Sicht außerordentlich interessant machen. So konnte in einem Einsatzfall erreicht werden, dass die Messung eines komplexen Bauteils, bei der ein Prüfer circa drei Stunden benötigte, jetzt durch den Roboter mit einer Messzeit von 30 Minuten bedienerlos realisiert wird.
Durch die effektive Verquickung von innovativer Sensorik und intelligenter Messprogrammgestaltung konnten darüber hinaus Messungen umgesetzt werden, die bisher mit konventioneller Messtechnik nicht möglich waren.
Im letzten Jahr wurde eine neue robomess-Generation vorgestellt, die wesentlich unempfindlicher gegenüber äußeren Störeinflüssen ist. Der Einsatz von speziellen Schwingungsisolierungssystemen mit Niveauregulierung ermöglicht neben der Nutzung im Messraum auch einen prozessnahen Einsatz in der Werkhalle. Der Messroboter besitzt im Gegensatz zum Vorgängermodell ein eigenes Taster- und Sensorwechselsystem mit dazugehörigem Taster- und Sensormagazin. Mechanische Taster und berührungslos arbeitende optische Sensoren können bedarfsgerecht automatisch eingewechselt werden (Abb. 5).
Abb. 5: Sensor- und Tasterwechselsystem
Das mechanische Tastsystem nutzt für die Messsignalwandlung ebenfalls das optische Messsystem, so dass die Messsignalweiterleitung rein optisch über Lichtleitkabel erfolgt und somit völlig störresistent gegenüber elektrischen beziehungsweise elektromagnetischen Kontaminationen ist.
Durch den Einsatz des Messroboters werden die Rauheits- und Konturmessungen, die bisher durch entsprechend qualifiziertes Personal durchgeführt werden, vollständig automatisiert. Dadurch entfällt die Zerstörung der Bauteile und die Messergebnisse unterliegen nicht mehr den subjektiven Einflüssen des Prüfers. Die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse ist damit gesicherter, und alle geprüften Teile können einer weiteren Bearbeitung beziehungsweise Montage zugeführt werden. Nach der automatisierten Messung steht sofort ein vollständiges Messprotokoll zur Verfügung. Die Messdaten werden darüber hinaus automatisch der Qualitätssicherung beziehungsweise statistischen Qualitätskontrolle übergeben.
microspace Messtechnik GmbH
Otto-Schmerbach-Straße 19
D-09117 Chemnitz
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