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31.03.2020

Sitzt das Teil richtig?

Augmented Reality und optisches 3D-Messsystem zum Aufspüren von Bauteilabweichungen

In Bearbeitungszentren können falsch sitzende Bauteile für Ausfälle und hohe Kosten sorgen - umso wichtiger sind Maßnahmen zur frühzeitigen Überprüfung. Hier setzt das Unternehmen Kolbus GmbH & Co. KG auf eine Kombination aus Sichtkontrolle mithilfe von Augmented Reality und einem robotergestützten optischen 3D-Messsystem.

Digitale Modelle von Produkten und Prüfanlagen ermöglichen es unter anderem, via Simulation die Qualitätsprüfung parallel zur laufenden Produktion offline zu planen und damit die Verfügbarkeit der Qualitätsprüfeinrichtung zu erhalten. Vor allem für die Produktion variantenreicher Produkte in kleinen Losgrößen kann dieser Ansatz die Wirtschaftlichkeit steigern. Durch die Qualitätssicherung von Teilprozessen wird vermieden, dass unerwünschte Prozessschwankungen Folgeprozesse stören und Kosten verursachen.

Simulation statt Gutteil

Traditionelle geometrische Prüfsysteme – ob mechanisch mit Messuhren oder mit industrieller Bildverarbeitung – benötigen zur Einrichtung häufig ein Gut- oder Meisterteil oder einen vom Prüfplaner erstellten Parametersatz. Schwierig wird es, wenn sehr viele Meisterteile notwendig oder Parametersätze zu erstellen sind.

In vielen Fällen stehen die Informationen zu den Produktvarianten als strukturierte CAD-Modelle zur Verfügung, die sich dank der maschinenlesbaren Form für weitere Zwecke verwenden lassern. So können die 3D-Modelle dem Prüfer kontextabhängig visuelle Hinweise geben, um Qualitätsmängel zu vermeiden. Hier bieten sich Augmented-Reality-Lösungen an, die beispielsweise lagekorrekt die CAD-Modelle in Kamerabilder einblenden und so die Konstruktionsvorgaben direkt an den Prüfer weitergeben.

Weiterhin besteht für Prüfsysteme mit industrieller Bildverarbeitung und optischer 3D-Messtechnik die Möglichkeit, die Aufnahme eines Gutteils durch eine Messsimulation zu ersetzen. Ebenso kann durch Algorithmen, die die ebenfalls die 3D-Modelle verwenden, die manuelle Erstellung von Prüfprogrammen automatisiert und beschleunigt werden.

Prüfung von Schweißkonstruktionen auf Bauabweichungen

Die Firma Kolbus GmbH & Co. KG in Rahden behandelt eine große Vielfalt an Bauteilen in Bearbeitungszentren verschiedener Größe. Dabei kommt ein modulares Spannsystem zum Einsatz, um für jeden Bauteiltyp bei Bedarf eine passende Spannvorrichtung für die Bearbeitung montieren zu können. Bauteil, Spannvorrichtung und NC-Bearbeitung werden digital konstruiert und geplant.

Unsicherheiten entstehen durch mögliche Montagefehler oder durch Bauteilabweichungen wie den Verzug an Schweißkonstruktionen durch den Wärmeeintrag beim Schweißen. Da die NC-Bearbeitungsprogramme auf den idealisierten Soll-Geometrien der Schweißkonstruktionen basieren, sind Bauteilabweichungen unbedingt zu erkennen. Denn ungewollte Kollisionen des Werkzeugs mit Spannmitteln oder Bauteil verursachen hohe Kosten durch Werkzeugbruch und Ausfallzeiten.

Überlagerung von digitalem Kamerabild und CAD-Sollsituation in Form eines Kantenmodells (Quelle: Fraunhofer IFF)

Mit Augmented Reality groben Abweichungen auf der Spur

Deshalb ist die visuelle Sichtkontrolle eine erste Maßnahme, um Bauteilabweichungen zu vermeiden. Hier ermöglicht Augmented Reality die Aufnahme digitaler Kamerabilder, die zum Bauteilkoordinatensystem registriert sind, d. h. die Koordinatentransformationen zwischen Kamera und Bauteil sind bekannt. In diese digitalen Kamerabilder werden die aus den CAD-Vorgaben bekannten Sollsituationen von Spannmitteln und Bauteil überlagert dargestellt (Bild 1). Anhand dieser Darstellung kann ein Prüfer eine visuelle Sichtprüfung durchführen und grobe Abweichungen erkennen.

Konzept des beweglichen Prüfportals mit MRK-geführtem optischen 3D-Flächensensor und einer zu prüfenden Schweißkonstruktion (Quelle: Fraunhofer IFF)

Für eine quantitative Überprüfung der Bauteilabweichung kommt im zweiten Arbeitsschritt ein optisches 3D-Messsystem zum Einsatz. In diesem Anwendungsfall betragen die Abmessungen der Schweißkonstruktionen z. T. mehrere Meter. Deshalb kommt ein bewegliches Portalsystem zum Einsatz. Es ermöglicht dem Prüfer, die auf einer Palette liegende Schweißbaugruppe aus verschiedenen Richtungen mit einem optischen 3D-Flächensensor zu erfassen (Bild 2).

Das bewegliche Prüfportal ermöglicht eine ergonomisch unterstütze Bewegung eines optischen 3D-Flächensensors im Raum. Die Lage des Flächensensors wird durch ein externes Trackingsystem erfasst.

Roboter-gestütztes optisches 3D-Messsystem

Für die Messung einer Bauteilabweichung arretiert der Prüfer den Sensor mit einem MRK-fähigen Roboter an einer geeigneten Position und löst eine Messdatenaufnahme und -auswertung aus. Eine geeignete Position wird aus messtechnischer Sicht insbesondere dadurch bestimmt, ob sich der Sensor im zulässigen Arbeitsabstand und einer optimalen Orientierung zur Oberflächennormale des Bauteils befindet. Eine Freihandpositionierung, die zu derart guten Messdaten führt ist unter Umständen schwer zu bestimmen. Daher wird der Prüfer von Assistenzfunktionen unterstützt. Diese führen eine echtzeitfähige Messdatensimulation unter Nutzung des CAD-Bauteilmodells durch und visualisieren in einer Falschfarbendarstellung die jeweilige aktuelle erreichbare Qualität digitalisierbarer Messdaten (Bild 3).

Falschfarbendarstellung der digitalisierbaren Datenqualität eines optischen 3D-Flächensensors mittels echtzeitfähiger Messdatensimulation (Quelle: Fraunhofer IFF)

Für eine quantitative Bewertung einer Bauteilabweichung kommen Funktionen der Geometriedatenanalyse zum Einsatz. Auch hier ermöglicht die Nutzung der CAD-Modelldaten eine flexible Prüfplanung und Berechnung von Abweichungen. Die verfügbaren Messfunktionen ermöglichen entweder einen Vergleich von digitalisierten Messdaten mit simulierten Messdaten auf Basis der Sollrepräsentation im CAD-Modell oder mit dem CAD-Modell direkt.

Auf Grundlage der quantitativ ermittelten Bauteilabweichung kann der Prüfer nun entscheiden, ob Nachabreiten an der Schweißbaugruppe oder eine Anpassung des NC-Bearbeitungsprogramms erforderlich sind.

Darstellung von geometrischen Abweichungen an einer Einzelmessung. Eine Bohrung (rot) wurde nicht gesetzt. (Fraunhofer IFF)

Digitale Modelle der Produkte und Produktionsanlagen machen Assistenz- und Prüffunktionen auch bei häufig wechselnden Produkten wirtschaftlicher, da außer dem Laden eines neuen CAD-Modells kein weiterer Anpassungsaufwand notwendig ist. Die hier vorgestellten Verfahren eignen sich auch für den Einsatz in anderen Produktionszweigen für die Anleitung und Prüfung manueller Montageprozesse oder die Wareneingangsprüfung mechanischer Baugruppen. Neben manuell bedienten Prüfprozessen werden auch Planungsprozesse für die Prüfung mit robotergeführten Kameras und Streifenlichtsensoren unterstützt.

Dirkt Berndt und Steffen Sauer

Dr.-Ing. Dirk Berndt
Fraunhofer Institute for Factory Operation and Automation IFF
Business Unit of Measurement and Testing Technology, Business Unit Manager
T 0391 4090-224
Dirk.Berndt <AT> iff.fraunhofer.de
www.iff.fraunhofer.de/mpt

Unternehmensinformation

Fraunhofer Institut Fabrikbetr.u -automatisierung IFF

Sandtorstr. 22
DE 39106 Magdeburg
Tel.: 0391 4090-0
Fax: 0391 4090-596

Internet:www.mpt.iff.fraunhofer.de


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