Qualität nicht nur Kontrollieren, sondern Produzieren

Geregelte Qualität dank Best-Fit

Verschiedene verteilte Inline-Messkonzepte ermitteln häufig redundante Informationen. Die Nachverfolgung von Geometrie-Messpunkten über alle Fertigungsschritte sind aber nötig, um die Fertigungsprozesse möglichst durchgängig und komplett abzubilden sowie kontrollieren zu können. Häufig werden Konzepte erstellt, welche optische 2D-/3D-Messtechnik für die nachgelagerte Kontrolle der Prozesse benötigen, anstatt die zur Verfügung stehende Technologie gezielt zur Automatisierung des Fertigungsprozesses selbst einzusetzen. Warum also eine Bauqualität messen, wenn man ebenso mit der geforderten Qualität geregelt bauen kann.
Wesentlicher Bestandteil bei Industrie 4.0 ist die Smart Factory, bei der mithilfe von intelligenten Monitoring- und Entscheidungsprozessen ganze Unternehmen und Wertschöpfungsnetzwerke in quasi Echtzeit gesteuert und optimiert werden können. Dies gilt natürlich auch für die komplette Produktionskette bei der Fertigung von Automobilen. Viele System- und Lösungsanbieter gehen dabei den vertikalen Weg über Offline- und Nearline- bis hin zu Inline-Messanlagen. Hierbei gilt zu bemerken, dass sowohl bei Offline-Messanlagen, mit der geringen Stichprobe von etwa 1/500, als auch bei Nearline-Messanlagen mit einer Auswahl von etwa 1/20 keine übergreifende Prozessoptimierung oder gar Prozesssteuerung möglich ist, da die Prozesse bei der geringen Messdichte nicht darstellbar sind. Verteilte Messkonzepte, wie z.B. zusätzliche Inline-Messsysteme an ausgewiesenen Positionen in der Kette sowie zusätzliche Maschinendaten wie Druck, Temperatur, etc. – kombiniert mit einer intelligenten Software für die manuelle oder automatische gewerkübergreifende Analyse der Daten sind ein wichtiger Schritt um den Anforderungen von Industrie 4.0 gerecht zu werden. An Bedeutung gewinnen insbesondere Lösungen, die horizontal – also in der kompletten Breite und Tiefe der automobilen Fertigungsprozesse, eine Optimierung und Regelung zulassen. Das Ziel der Steuerung ist die Reduktion der zum Teil auch benutzerabhängigen Prozessstreuung, die Kompensation von Bauteilvariationen und die Minimierung des Einflusses der Toleranzkette. Eine anschließende Qualitätsmessung stellt die Abgabequalität sicher und liefert nachhaltig Daten für weitergehende Fehlerursachen-Analysen. Für diese geregelten Anwendungen findet sich ein breites Spektrum von zum größten Teil noch ungenutzten Möglichkeiten. Dieses startet bei einfachen Aufgaben wie dem Ent-/Beladen von Behältern mit Robotern, beinhaltet aber auch anspruchsvollere Roboter-Führungsaufgaben zur Regelung von Fertigungsschritten in Rohbau und Montage, wie das hochpräzise Formen und Prägen oder der Fertigung von Anbindungspunkten für Montageteile. Eine weitere bedeutende Applikation ist der Best-Fit-Anbauprozess von sowohl Türen, Klappen, Hauben, Dächern und Kotflügeln als auch Modulen wie Scheiben, Panoramadächern oder dem Cockpit- und Frontmoduleinbau in der Endmontage.

Null-Fehler-Verbau von Anbauteilen

Beim Best-Fit-Prozess ist das Ziel ein quasi Null-Fehler-Verbau von Anbauteilen. Hierfür muss unabhängig von direkten oder indirekten Benutzer- und Robotereinflüssen sowohl die Prozess- als auch die Bauteilvariation in Form und Lagetoleranzen kompensiert werden. Als Regelparameter stehen die Lage und die Dimension des einzubauenden Bauteils, die Lage und Dimension der Karosserie und die für den Best-Fit vorzugebenden Zielwerte für Position und Ausrichtung des Bauteils in der Karosserie zur Verfügung. Anhand eines Türeinbau-Prozesses soll das Best-Fit-Konzept hier genauer erläutert werden: Die Karosse befindet sich in der Prozesszelle und das System kann starten. Mit einem Roboter wird die Tür aufgenommen und ihre Lage, Position und Dimension im Greifer ermittelt. Mithilfe dieser Daten wird die Tür in eine kollisionsfreie Vorposition an die Karosse geführt. In Bezug auf die Scharniere, Spalt- und Bündigkeitsmessungen zwischen Karosse und Türe werden iterativ Korrekturen für die Position berechnet, und der Roboter – inklusive der Türe im Greifmittel – an die korrekte maßhaltige Position geführt. An welchen Stellen diese Daten erhoben werden und mit welcher Gewichtung sie in die Berechnung der Korrektur eingehen kann flexibel an das Produkt und die Vorgaben angepasst werden. Danach wird das Scharnier an der Karosse verschraubt, und anschließend an der Türe gelöst. Nun wird nochmals ein iterativer Prozess eingeleitet, der das Bauteil erneut nach Best-Fit-Vorgaben positioniert und auch ein gravitatives Verändern der Türposition oder ein Verspannen durch das Verschrauben ausgleicht. Ist diese Position erreicht – erfahrungsgemäß nach weniger als drei Iterationen – wird die Tür wiederum mit dem Scharnier verschraubt und vom Greifer gelöst. Als Zielwerte für den Anbau können sowohl die CAD-basierten Nominaldaten für die Türposition und Ausrichtung verwendet werden, als auch eine antrainierte Einbaulage die gegebenenfalls näher an der realen Fertigung orientiert ist. Das Abbruchkriterium für den iterativen Prozess kann unterschiedlich definiert werden, meist wird die Größe des nächsten Korrekturschrittes verwendet. Ist dieser kleiner als ein mit dem Kunden definierter Schwellwert, so wird die Iteration abgebrochen. Nach dem Einbau gemäß Best-Fit steht noch eine Qualitätsmessung an, um die Bauqualität, also die Qualität des Fügeprozesses zu dokumentieren. Die geforderte Toleranzbreite für die Spalte und Bündigkeiten nach dem Einbau liegt im Normalfall bei maximal +/-0,25mm. Dies wird, so lange es die Fertigungsschwankung der Einzelteile zulässt, an den zur Regelung verwendeten Maßen zu 100% erreicht. Der komplette Ablauf inklusive Qualitätsmessung dauert, abhängig von Zielwerten, Abbruchkriterium und einigen Randbedingungen, zwischen 55 und 60 Sekunden, ist somit also perfekt in den Linientakt integrierbar. Ein Vergleich eines realen Best-Fit-Konzeptes mit einem realen manuellen und ungeregelten Konzept mit anschließender Spalt- und Bündigkeitsmessung liefert auch die zwei gravierenden Vorteile des geregelten Einbaus. Zum Einen kann die nötige Nacharbeit drastisch reduziert werden – von knapp 40% auf <1,5% der produzierten Fahrzeuge, zum Anderen ist die Abgabequalität an den nächsten Prozess deutlich stabiler und weist geringere Schwankungen auf. Zudem steht eine lückenlose, und für die von Industrie 4.0 geforderte 100%-Optimierung und Steuerung nötige lückenlose Dokumentation und Durchgängigkeit der Messdaten zur Verfügung.

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Fazit

Der Best-Fit-Prozess spiegelt exakt die Vorstellung von Industrie 4.0 wieder, automatisierte und sich selbst steuernde Regelkreise aufzubauen. Bei den genannten Beispielen ist dies schon realisiert, in Zukunft wird es wichtig sein, diese gesteuerten Prozesse nach Vorbild Best-Fit möglichst breit gestreut in die automobile Fertigung zu integrieren.

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