Berührungslose Lasermesssysteme Anwendungen in der Roboterindustrie

ROBO-SPY SENSOR Was kann der Robo-spy Sensor ? Der Robo-spy Sensor vermisst das Werkstück und liefert eine Position für den TCP des Roboters sowie Angaben zur Geometrie wie Spalthöhe, Spaltbreite, etc. je nach Einstellung. Diese Daten können zur Steuerung des Bearbeitungsprogrammes sowie zur adaptiven Regelung des Prozesses verwendet werden. Einsetzbar ist der Robo-spy Sensor für Aufgabenstellungen des Karosseriebaus wie Schweißen, Löten, Kleben, Handling oder Vermessungsaufgaben. Der Robo-spy Sensor wurde entwickelt um den Aufgabenstellungen in der Automobilindustrie Rechnung zu tragen. Der Sensor kann in Kombination mit allen Kuka - Robotern (KRC1 / VKRC1 oder KRC2 / VKRC2) eingesetzt werden. Der Robo-spy Sensor ist auf verschiedenen Materialien wie Aluminium, beschichtetem oder unbeschichtetem Stahl (elektrolytisch verzinkt, feuerverzinkt, aber auch zusätzlich organisch beschichteten Blechen „Bonazinc“) einsetzbar. Die gelieferten Daten können aufgezeichnet und später zur Qualitätsbeurteilung oder Trendanalyse herangezogen werden. Die Programmierung des Robo-spy Sensors ist einfach und verständlich auch für ungeübte Anwender. An der Programmierung des Roboters ändert sich nichts. Für die Kalibrierung stehen automatisierte Methoden zur Verfügung, die Justagearbeiten unnötig machen. Sämtliche Parameter zum sicheren Betrieb des Sensors werden für den Anwender in der jeweiligen Landessprache visualisiert. Wie ist der Robo-spy Sensor am Roboter montiert ? Darstellung des Schweißbrenners mit dem Sensorkopf Der Sensor ist parallel zur Pistolenachse aufgebaut. Der Tiefenerfassungsbereich ab dem Sensorkopfende beträgt je nach Typ des verwendeten Sensorkopfes zwischen 100 mm und 200 mm. Die Auswahl des Sensorkopfes richtet sich nach den zu bearbeitenden Grundwerkstoffen und räumlichen Gegebenheiten. Speziell wurde das System für die Fronius Robacta300 Brenner mit 22 und 36 Grad Krümmung entwickelt. Es sind jedoch auch andere Lösungen außerhalb der Schweißtechnik möglich, wie z.B. Kleben, Handling oder Vermessungsaufgaben. Wie funktioniert die Messung ? Der Messkopf besteht funktionell aus einer Laser - Sendediode und einem CCD - Aufnehmer und liefert mittels Triangulation eine der Entfernung entsprechende Spannung. Durch Bewegung des Sensorkopfes mit dem Roboter quer über eine Naht kann durch sehr schnelle Abtastung des Sensorsignals ein Höhenprofil des zu vermessenden Objektes generiert und ausgewertet werden. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters ( = Suchgeschwindigkeit) kann hierbei 100 mm/sec betragen oder falls erforderlich auch mehr, je nach Anwendung. Die Suchfahrt wird hierbei so gewählt, dass die zu suchende Kante oder Charakteristik vom Laserstrahl überstrichen wird. Danach kann mittels Bildverarbeitung die Position des TCP und das Spaltmaß erkannt und an die Robotersteuerung übermittelt werden. Der Roboter fährt danach auf die berechnete Position und führt das Arbeitsprogramm aus, wobei die Anstellung oder der Winkel des Brenners von der Orientierung bei der Suchfahrt völlig unabhängig ist. Für jede Naht oder Suchfahrt kann ein eigenes Nahtmuster definiert werden. Dieses Nahtmuster wird dann an der erforderlichen Stelle im Roboterprogramm aufgerufen. Die gesicherte serielle Kommunikation zwischen Sensor und Robotersteuerung stellt sicher, dass der Nahttyp eindeutig erkannt wird, womit eine universelle Programmierung möglich ist. Wie funktioniert die Erkennung ? Beispiele von Auswertungen: Vermessung I-Naht am Stumpfstoß an verschiedenen Objekten. (Blechstärke = 1 mm) Vermessung Kehlnaht am Überlappstoß 2 Bleche (links) und 3 Bleche (rechts). (Blechstärke = 1 mm)

rot:

Messsignal (Höhenprofil)

gelb:

aufgesetztes Nahtmuster

gelbes X :

gefundene Position für den TCP

Die Auswertung bearbeitet zuerst das aufgenommene Messsignal (Filter, Gültigkeitsbewertung,..). Danach wird das ausgewählte Nahtmuster nach Analyse und mathematischer Berechnung auf das Signal „aufgesetzt“. Je nach Charakteristik besteht das Nahtmuster aus unterschiedlich vielen Segmenten (gelbe Linien). Die Erkennung und Auswertung ist sehr schnell (< 50 Millisekunden) und zuverlässig. Die 2 Vermessungen in Abb. 2 verwenden das gleiche Nahtmuster und obwohl die Winkel und Geometrieverhältnisse sehr unterschiedlich sind, stimmt das Findergebnis (Toleranz +/- 0,1 mm). Welche technischen Eigenschaften besitzt der Messkopf ?

Nominalabstand Sensor:

150 mm

Erfassungsbereich:

110 - 190 mm

Laserwellenlänge:

675 nm

Laserklasse:

3A

Leistung Laser:

4,5 mW

Auflösung Tiefe:

0,03 mm

Auflösung Seite:

0,05 mm

Suchgeschwindigkeit:

100 mm/sec

Um Verschmutzung der Optik zu vermeiden, ist der Sensorkopf mit einer pneumatisch angesteuerten Klappe verschlossen, die nur zum Messen geöffnet wird. Überdies wird der Kopf ständig mit geringem Druck ausgeblasen um im Inneren einen Überdruck zu erzeugen, der Verschmutzung durch Schmauchniederschlag verhindert. Zur Sicherheit wird der Zustand der Klappe (offen / zu) abgefragt. Die Auswahl der verwendeten Materialien für Klappe und Gehäuse verhindert weitestgehend ein Festkleben von Löt - oder Schweißspritzern. Die Zuleitungen zur Versorgungseinheit laufen parallel zum Roboterschlauchpaket in einem eigenen flexiblen Schutzschlauch. Durch die Laserklasse 3A sind keine teuren Schutzeinrichtungen erforderlich. Aus welchen Komponenten besteht das Robo-spy-System ? Kuka 6-Achs-Roboter mit Schaltschrank Sensorkopf mit mechanischen Komponenten Schutzschlauch mit Versorgungsleitungen, Sensorkabel + Stecker Versorgungs / Verstärkerbox an der 3. Achse PC mit entsprechender DSP -Meßkarte für Echtzeitdatenerfassung Windows - Software für PC zur Programmierung und Auswertung Robotersoftware Besonderes Augenmerk wurde bei der Entwicklung auf eine hohe Standfestigkeit der einzelnen Komponenten wie Schlauchpaket, Laserkabel und dergleichen gelegt um den Wartungsaufwand möglichst gering zu halten und eine hohe Verfügbarkeit zu erreichen. Wie sieht die Roboterintegration aus ? Das System ist für KUKA KRC1 / VKRC1 ab der Softwareversion 1.3.17 Patch f einsetzbar. Es sind zur Zeit Erweiterungen für KRC2 / VKRC2 in Arbeit. Bei der Erstellung der Benutzeroberfläche wurde besonderes Augenmerk auf die Anforderungen der Automobilindustrie gelegt. Mit den Messergebnissen des Sensors kann die Arbeitsposition gegenüber der ursprünglichen Referenz verschoben werden. Desweiteren können die Prozessparameter dem Spaltmaß entsprechend verändert werden (z.B. Strom, Spannung, Geschwindigkeit). Ebenso ist es möglich andere Programme aufgrund der Messergebnisse aufzurufen (z.B. Pendeln). All dies verbirgt sich hinter Makros und bedarf keiner besonderen Schulung oder Änderung der bekannten Bedienung. Die Programmierung mit dem Sensor ist ohne Mehraufwand möglich. Das Grundsystem KUKA VKRC1 und KRC1 ist tausendfach erprobt. Die Robo-spy - Technologie ist als technische Zusatzfunktion (eigenständige Technologie) entwickelt worden. Durch den Einsatz von Standardkomponenten (Industrie-PC mit Standardhardware) rund um diese Applikation sind die Installationskosten gering. Nachrüstungen in bestehenden Zellen sind mit zeitlich geringem Aufwand durchführbar und dort zu empfehlen, wo sich durch den Einsatz des Systems Nacharbeit und Kosten vermeiden lassen. Sämtliche Unterlagen und Dokumentationen stehen in Landessprache zur Verfügung. Wie sieht eine typische Folge aus ? Da der Robo-spy Sensor zuerst misst und dann den entsprechenden Programmteil verschiebt, hat ein typisches Programm in etwa folgendes Aussehen:

Aktion

Tätigkeit

Zeitaufwand

Zustellen

Roboter & Sensor bewegen sich zum Startpunkt der Suchfahrt

Gesamt ca. 3 Sekunden

Suchfahrt

Roboter bewegt den Sensor vom Startschritt zum Endpunkt der Suchfahrt; der Sensor scannt das Objekt

Arbeitsposition anfahren

Sensor berechnet das Ergebnis, der Roboter kalkuliert die Verschiebung und die Prozessparameter. Die berechnete Position wird angefahren

Prozeß

Arbeitsprogramm wird ausgeführt

Nach Anwendung

Wegfahren

Roboter fährt zum nächsten Schritt

Nach Anwendung

Bildschirm zu einer Folge mit Verwendung des Robo-spy - Sensors. Es wird die Suchfahrt Nr. 21 (SF_21) ausgeführt. Bildschirm mit einer typischen Folge mit dem Robo-spy Sensor (VKRC1) Welche Optionen können angeboten werden ? Optimierung der Prozesstechnik: Aufgrund der Spaltmaße können die Prozessparameter adaptiv verändert werden. Statistische Auswertung der einzelnen Suchpositionen: Es können die statistischen Abweichungen über die Zeit ausgewertet werden. Trendauswertung der Geometriepositionen: Die Findpositionen und Spaltmaße können protokolliert werden um eine spätere Auswertung in MS - Excel zu ermöglichen. 3D-Raumverschiebung: Durch mehrere Messungen entlang einer Naht kann eine Verschiebung im Raum durchgeführt werden. Ebenso kann hiermit eine Ecke vermessen werden. Bei sich änderndem Spaltmaß können die Prozessparameter entsprechend interpoliert werden. Höhennachführung: Auf Anfrage und nach Aufgabenstellung kann der Abstand des Werkzeuges nachgeregelt werden. Autokalibrierung des Sensors: Um dem Roboter mitzuteilen, wo sich der Ursprung des Sensorkoordinatensystems befindet bzw. wie die Winkellage zur 6.ten Achse aussieht, sind normalerweise zeitaufwändige und schwierige manuelle Einstellverfahren notwendig. Durch die Autokalibrierung kann die geometrische Lage des Sensors zum TCP durch einfaches Abfahren eines Serviceprogrammes bestimmt werden. Es sind somit keine Einstelllehren oder Probiermethoden notwendig. Welche Einsatzmöglichkeiten bestehen ? Löt und Schweißaufgaben von toleranzbehafteten Baugruppen z.B. im Bereich von Unterbau, Aufbau oder Untergruppen im Rohbau. Positions, - Parameter - und Programmkorrektur zur Anpassung an die geometrischen Gegebenheiten. Speziell bei Anlauf neuer Modelle von Vorteil ! Nachrüstung in bestehenden Zellen, wenn immer wieder Nacharbeit erforderlich ist. Ausschöpfung von Einsparungspotential. Messaufgaben von Strukturen außerhalb der Schweißtechnik (z.B. Breite / Position / Tiefe A-Säule, Dachkanal, Radhaus, ...). Die Auswertung kann später in MS - Excel erfolgen. Einsatz in bestehenden Zellen möglich, somit sind keine zusätzlichen Zellen nötig. Handling und Klebeaufgaben können von dem System ebenfalls abgedeckt werden. Qualitätskontolle durch Aufzeichnung der Suchergebnisse beim Schweißen ohne zusätzliche Messstation. Statistische Auswertungsmöglichkeit in MS - Excel. Online - Überwachung von der Karossenqualität oder Trendanalyse durch Vernetzung und Fernsteuerprogramme möglich. Sonderaufgaben wie Vermessung von komplexen Strukturen wie Radien, Löchern, Übergängen, Bolzen oder Nahtoberflächen. Referenz: Derzeit ist der Robo-spy Sensor bei VW - Sachsen im Einsatz.

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