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Ausfallsichere robotergesteuerte 3D-Vermessung von Bauteilen: Ausgabe 19/2019, 21.11.2019

Kabellose optische Qualitätskontrolle ohne DressPacks

Fertigungslinien mit zahlreichen Industrierobotern haben eine entscheidende Achillesferse. Kabel- und Schlauchpakete am Roboter zur Übertragung von Energie und Daten, die so genannten DressPacks, sind extrem verschleissanfällig. Ein Patent zur drahtlosen Übertragung von Datensignalen zur optischen Qualitätskontrolle schafft Abhilfe.

Autor: Andreas Breyer, Vision Communications und Hans-Günter Vosseler, HGV Vosseler Pte. Ltd

Bilder: Adobe Stock

Standzeiten und Produktionsausfall durch verschnürte Kabel oder Kabelbruch in Fertigungslinien führen zu hohen Reparaturkosten. Ein Patent zur drahtlosen Übertragung von Datensignalen zur optischen Qualitätskontrolle verzichtet ganz auf DressPacks und erhöht signifikant die Produktionszuverlässigkeit.

Ausfälle führen zu Stillstandszeiten
In hochautomatisierten Produktionen wie etwa im Fahrzeugbau sind teils mehrere hundert Industrieroboter in Linien und Stationen organisiert. Mit immer kürzeren Taktzeiten und nicht selten mehr als 15 Positionsveränderungen in der Minute pro Roboter sind die Anforderungen an kabelgestützte Systeme im DressPack enorm gross. Die grossen Belastungen durch permanente Verformungen, der Kontakt zu den Robotergliedern oder im schlimmsten Fall mit den umgebenden Geometrien führen zwangsläufig zu frühzeitigem Kabelbruch meist an den Steckverbindern oder in den Robotergelenken.
Nicht nur die Energiezufuhr wird dabei unterbrochen, sondern auch der Datenfluss aus optischen Inspektionssystemen der Inline-Messtechnik oder Bildverarbeitungssystemen, die in der Robotereinheit integriert sind. Dieser Kabelbruch ereignet sich in aller Regel stochastisch und ist damit nicht vorhersehbar. Die Häufigkeit der Ausfälle von RoboterDressPacks sind eine der Hauptursachen für Ausfallzeiten und Produktionsstillstand.

Vorteile einer kabellosen Alternative
Eine Lösung der Datenübertragung und evtl. auch der Energiezufuhr ohne Kabel und damit ohne DressPack hätte somit gleich mehrere Vorteile. Die Stillstandszeiten würden sich extrem reduzieren, da jegliche Gefahr von Kabelbrüchen oder Verwicklungen um den Roboter ausgeschlossen wären. Damit verbunden würde sich der gesamte Wartungsaufwand reduzieren und die Neujustierung/-kalibrierung der optischen Qualitätsprüfungssysteme am oder im Roboter nach Instandsetzung entfallen. Nicht zuletzt hätte eine Reduzierung oder der Verzicht auf die teils sehr komplexen DressPacks positive Auswirkungen auf den Anschaffungspreis des Robotersystems. Die Beschaffung sowie Vorhaltung von Ersatzteilen der verschleissintensiven DressPacks würde zudem reduziert oder komplett entfallen.

Aufbau des robotergeführten optischen Prüfsystems ohne Kabel
Das dem Patent zugrunde liegende Prinzip umfasst einen Industrieroboter, eine Sensorbasis, die relativ zu dem zu vermessenden Bauteil bewegbar am Roboter befestigt ist, wenigstens einen an der Sensorbasis angeordneten optischen Sensor mit einem elektronischen Bildaufnahmeelement und wenigstens eine Lichtquelle, sowie eine an der Sensorbasis vorgesehene Auswerteeinheit für die erfassten Messdaten.
Mit der Auswerteeinheit direkt an der Sensorbasis können die erfassten Sensorrohdaten bereits dort zu Messergebnissen ausgewertet und etwa in 3D-Koordinaten im Raum umgewandelt werden, was die zu übertragende Datenmenge erheblich reduziert. Dadurch sinken die Anforderungen an eine Kabelverbindung bereits erheblich. Darüber hinaus kann die Auswerteeinheit mit einem Datenspeicher versehen werden, um die Ausfallsicherheit zu erhöhen. Sollte beispielsweise eine Kabelverbindung ausfallen, kann die Messung dennoch fortgesetzt werden, bis die Kabelverbindung wieder instand gesetzt ist.

Verschleissproblematik ganz umgehen
Gänzlich verzichtet werden kann auf eine Kabelverbindung, wenn die Sensorbasis am Roboter mit einem Sender zum drahtlosen Übertragen von Signaldaten aus der Auswerteeinheit versehen wird und zusätzlich ein lokaler Energiespeicher den optischen Sensor mit Energie versorgt. Damit wird die Verschleissproblematik von Kabelverbindungen für optische Prüfsysteme am Roboter vollständig umgangen, was die Ausfallsicherheit des Systems erheblich erhöht. Gewicht und Grösse eines Energiespeichers stellen bei der Integration am Roboter kein Problem dar. Wird in das System zudem eine Andockstation integriert, so kann der Roboter jeweils am Ende eines Arbeitsgangs an die Station zum Aufladen des Energiespeichers etwa durch Induktionsladung andocken. Des Weiteren sorgt die Andockstation für das Aufrechterhalten eines Notfallbetriebs zur Datenübertragung, wenn der drahtlose Sender ausfällt.

5G und alle Roboteranwendungen
Dieses Grundprinzip des angemeldeten Patents eignet sich nicht nur für alle mit dem Roboter verbundenen optischen Mess- und Inspektionssysteme. Es ist auf alle möglichen Roboterapplikationen anwendbar, bei denen sich die Problematik der verschleissintensiven DressPacks stellt. Des Weiteren passt die Patenlösung auf das Anforderungsprofil bei der Umsetzung von Industrie 4.0. Zukünftig soll der neue Mobilfunkstandard 5G die kabellose Vernetzung der Maschinen unterstützen und die Digitalisierung der Produktion vorantreiben. Damit sind hardwareseitig kabellose Sensoren eine der Voraussetzungen zur Schaffung einer 5G-kompatiblen Infrastruktur.

Patentinhaber unterstützt Umsetzung
Aus den genannten Argumenten haben Betreiber von grossen Roboteranlagen, etwa die Automobilhersteller bei der Vermessung von Rohkarosserien von Fahrzeugen in einer Fertigungslinie erhebliche Vorteile, wenn die Verschleissproblematik bei DressPacks durch eine kabellose Lösung beseitigt wird. Die kabellose optische Qualitätskontrolle oder 3DVermessung am Roboter bietet eine erhöhte Ausfallsicherheit und verringert Stillstandszeiten in der Produktion. Zugleich werden Kosten für die Anschaffung, Wartung und Ersatzteilbevorratung minimiert.
Technisch umsetzbar ist diese Lösung, wenn die Hersteller von optischen Sensoren für Messtechnik und Bildverarbeitung in ihrem Produktportfolio eine kabellose Lösung anbieten. Bei der individuellen Umsetzung des Patents können Interessierte auf die Beratungsleistung des Patentinhabers Hans-Günter Vosseler zurückgreifen.

Infoservice
HGV VOSSELER Pte. Ltd., Hans-Günter Vosseler
7A Pasir Ris Drive 4 #10-09, 19460 Singapur
vosseler@hgv.com.sg, www.hgvvosseler.com



Ein markiertes, anfälliges DressPack bei einem Industrieroboter