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Baugruppen im Montage-Prozess prüfen

3D-Messtechnik

Baugruppen im Montage-Prozess prüfen

Die Menschen verlangen nach individuellen Produkten. Daraus erwachsen für produzierende Unternehmen Anforderungen wie kleinere Losgrößen oder hohe Variantenvielfalt. Die hierfür benötigte Flexibilität ist auch in der Qualitätssicherung gefordert. Die optische Montageprüfung auf Basis modellbasierter Technologiebausteine bietet hierfür einen möglichen Ansatz.

Bild: Fraunhofer IFF

Der Wunsch nach Individualisierung ist eine gesellschaftliche Entwicklung, die auch die industrielle Montage vor neue Herausforderungen stellt. Dieser Trend geht mit stetig sinkenden Losgrößen, kurzen Produktlebenszyklen und einer hohen Variantenvielfalt einher. Moderne Montageprozesse in der industriellen Fertigung müssen den damit verbundenen Aufgabenstellungen gerecht werden. Dies gilt ebenso für die Qualitätssicherung in der Montage. Hier ist eine hohe Flexibilität erforderlich, ohne erhöhte Aufwendungen in der Arbeitsvorbereitung zu verursachen beziehungsweise Qualitätseinbußen hinzunehmen. Flexibilität solcher Prüfsysteme kann durch einen modellbasierten Lösungsansatz erreicht werden. Dazu werden digitale Geometrie- und physikalische Funktionsmodelle aller interagierenden Komponenten und Funktionsmodule genutzt.

So kann ein Funktionsmodul zur Prüfung zum Beispiel die digitalen 3D-CAD-Modelle des zu prüfenden Bauteils und des Prüfkopfes selbst sowie ein physikalisches Funktionsmodell des Prüfkopfes nutzen, um die Prüfung zu simulieren. Auf dieser Grundlage sind dann Arbeitsschritte wie die Prüfplanung und die Bereitstellung von Soll-Zuständen vollautomatisch und damit effizient durchführbar, auch für eine Stückzahl von Eins. Klassische Prüfsysteme – basierend auf Golden-Sample- oder lernbasierten Ansätzen – sind hierfür meist nicht effizient einsetzbar. Durch die kontinuierliche Veränderung der Prüfaufgabe wäre ein stetiges manuelles Einlernen der zugrunde liegenden Sollvorgaben mit extrem hohem Aufwand verbunden.

Optische Montageprüfung

Die optische Montageprüfung umfasst die Überprüfung verschiedener Montagezustände eines einzelnen Bauteils in Bezug auf eine komplette Montagebaugruppe. Typische zu überprüfende Montagezustände sind Anwesenheit, Richtigkeit und Lage. Der Soll-Montagezustand wird durch ein 3D-CAD-Modell definiert, der Ist-Montagezustand mit optischer Sensorik erfasst. Dazu kommen dreidimensional messende Verfahren, wie die Stereo-Bildverarbeitung, das Lichtschnittverfahren oder die Streifenprojektion zum Einsatz. Die resultierende 3D-Punktwolke kann mit dem 3D-CAD-Modell verglichen werden und gibt Aufschluss über den jeweiligen Montagezustand. Da üblicherweise Kameras in diesen optischen Sensorsystemen zum Einsatz kommen, stehen ebenfalls orientierte Bildinformationen für einen Soll-Ist-Vergleich zur Verfügung. Die dazu erforderlichen Soll-Informationen werden auf der Grundlage von Modellinformationen über das Bauteil und über die Messfunktionalität des Prüfsystems durch die Berechnung synthetischer Prüfdaten berechnet.

Anwendung im Flugzeugbau

Passagierflugzeuge wie der Airbus A380 sind individuelle Einzelstücke. Darin unterscheiden sie sich kaum von anderen Investitionsgütern wie Sondermaschinen oder Anlagen. Jede Fluggesellschaft legt Wert auf eine individuelle Innenausstattung und lässt die Flugzeuge an ihre speziellen Bedürfnisse anpassen. Während die eine Airline möglichst viele Sitzreihen unterbringen möchte, setzt die andere auf Komfort und gestattet den Passagieren etwas mehr Beinfreiheit. Ebenso sieht es etwa mit Monitoren, Gepäckfächern und Lüftungsanlagen aus. All diese Wünsche führen zu einer individualisierten Produktion mit Tausenden Klein- und Kleinstelementen, die an den jeweiligen Großbauteilen stets aufs Neue positioniert und montiert werden müssen.

Das macht die Montage und anschließende Qualitätskontrolle schwierig. Die Werker entnehmen die Vorgaben dafür aus Papierunterlagen und gleichen manuell Stück für Stück ab. Bei einem Flugzeug wie dem A380 beispielsweise ist die Zahl der zu prüfenden Teile gigantisch. Bis zu 40.000 Niete halten jede der zwanzig Rumpfschalen eines Flugzeuges zusammen. Zusätzlich müssen bis zu 2.500 Anbauteile jeweils auf Richtigkeit und korrekte Lage überprüft werden. Die Fehlerkontrolle ist aufwendig, eine nachträgliche Korrektur mitunter extrem teuer.

Links: Prüfergebnis: Montage ist fehlerhaft. Rechts: Prüfergebnis: Montage ist in Ordnung. Bilder: Fraunhofer IFF

Pilotsystem entwickelt

Auf der Grundlage der modellbasierten Montageprüfung wurde ein Pilotsystem entwickelt und in die laufende Fertigung integriert, das alle montierten Anbauteile und Fügeverbindungen an Flugzeugrumpfschalen selbstständig prüft. Das System besteht aus einem 6-Achs-Industrieroboter auf einer Linearachse, der einen eigens entwickelten Sensorkopf trägt. Der Kopf ist mit Bildsensoren und 3D-messenden Sensoren ausgestattet und fährt automatisch mehrere tausend Prüfpositionen an der Rumpfschale ab, um alle Prüfmerkmale zu erfassen. Von allen Positionen erzeugt er hochauflösende Messdaten über den Montagezustand der realen Anbauteile. Die dafür benötigten Informationen entnimmt das System den 3D-CAD-Daten für die Rumpfschale. Sie geben das Soll-Ergebnis vor und beinhalten zugleich alle Koordinaten der Prüfpositionen.

Aus diesen Daten erstellt das System zugleich virtuelle Messdaten der Prüfmerkmale – in Form von synthetischen Bildern und 3D-Punktwolken. Jede Fügeverbindung und jedes einzelne Anbauteil ist darin exakt repräsentiert. Während der Prüfung überlagert das System die realen Messdaten mit den virtuellen Vorgaben. Bildausschnitt und Aufnahmewinkel berücksichtigt es automatisch. Passen die realen mit den synthetischen Daten zueinander, sind die darauf abgebildeten Bauteile also richtig montiert, markiert das System die Bauteile im Prüfprotokoll mit Grün als fehlerfrei. Findet es Unstimmigkeiten, werden sie Rot markiert, bei Unklarheiten Gelb.

Prüfsystem im Triebwerksbau

Fehler frühzeitig zu erkennen ist auch bei der Herstellung von Bauteilen für Flugzeugturbinen wichtig. Basierend auf ähnlichen Prinzipien der modellbasierten optischen Montageprüfung werden Turbinenzwischengehäuse – englisch: ‚Turbine Center Frame‘ (TCF) – geprüft. Montagefehler müssen für so ein sicherheitsrelevantes Bauteil unbedingt verhindert werden. Im Unterschied zur Montageprüfung im Flugzeugbau wurde hier ein handgeführter Prüfassistent entwickelt. Ein motorisiertes Handhabungssystem und ein externes Referenzmesssystem sind dadurch nicht erforderlich. Der Werker positioniert ein auf Rollen fahrbares C-förmiges Prüfsystem an einer ersten Stelle über das TCF-Modul, so dass es oben und unten ein Stück weit in das kegelförmige Modul hineinschaut. 14 Kameras und zwei dreidimensional messende Sensorsysteme auf der Grundlage des Messprinzips einer Streifenprojektion nehmen Bilder und 3D-Messdaten der Anbauteile aus verschiedenen Perspektiven auf und vergleichen diese mit den aus CAD-Modelldaten synthetisch generierten Prüfdaten.

Etwa fünf Sekunden dauert die Messdatenaufnahme, weitere fünf Sekunden die Auswertung pro Position. Ist die erste Position geschafft, dreht der Werker das TCF-Modul im Prüfsystem weiter auf die nächste vorgegebene Position, und das Prozedere beginnt erneut. Nach etwa fünf Minuten und zwölf Positionen ist das komplette TCF-Modul geprüft. Das optische System überprüft Vorhandensein, Richtigkeit und Lage von Anbauteilen sowie die korrekte Montage von Schraubverbindungen und Drahtsicherungen. Dabei werden pro TCF-Modul mehr als 500 verschiedene Bauteile überprüft. Fehler liegen meist in den vielen spezifischen Details des äußerlich nahezu rotationssymmetrischen Bauteils verborgen und sind bei einer manuellen Kontrolle teilweise schwer zu entdecken.

Digitale Prozessketten

Modellbasierte Technologiebausteine ermöglichen über durchgängige digitale Prozessketten eine hohe Flexibilität von optischen Prüfsystemen. Neue Anforderungen an das herzustellende Produkt werden zum Beispiel in Form von Änderungen am CAD-Modell dokumentiert. Diese Modellinformation ist Grundlage für alle weiteren Schritte in der Vorbereitung und Durchführung einer optischen Prüfung. Damit werden die Erstellung von Prüfprogrammen, die Bereitstellung von Soll-Informationen und die Durchführung eines Soll-/Ist-Vergleichs automatisiert. Änderungen am CAD-Modell führen automatisch zu einer Adaption des Prüfprozesses. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein Einlernen von Soll-Zuständen, wie bei Prüftechnologien in Massenfertigungen oft üblich, nicht mehr erforderlich ist. Damit können die Prüftechnologien auch bei geringen Losgrößen wirtschaftlich eingesetzt werden.