Erschienen am: 01.10.2015, Ausgabe SPS-MAGAZIN 10 2015

Roboter für alle Fälle

Zeit ist Geld. Ein Grundsatz, der in besonderem Maße für die Materialprüfung gilt, denn zahlreiche metallverarbeitende Unternehmen stehen in der Qualitätssicherung vor großen Herausforderungen: Halb- und Fertigerzeugnisse müssen umfassende Materialanforderungen erfüllen. Dazu werden im Vorfeld bzw. fertigungsbegleitend verschiedene Versuche durchgeführt. Das führt in Branchen mit hohem Produktionsausstoß zu einem erheblichen Prüfaufkommen. Dementsprechend ist das Produktionsvolumen zunehmend an die personellen, kapazitiven und technischen Möglichkeiten in der Materialprüfung geknüpft. Der Einsatz von vollautomatischen Prüfsystemen kann hier Abhilfe schaffen und nimmt in der Qualitätssicherung weltweit zu. Immer häufiger kommen dabei spezialisierte Roboter zum Einsatz.


Robotergestützte Bewegungs- und Versuchsabläufe können heute bereits viele Anforderungen von Mess- und Prüfprozessen präzise und reproduzierbar umsetzen. Der damit verbundene Personen- sowie Zeitaufwand ist äußerst gering. Doch der Innovationsdruck auf die Hersteller von vollautomatischen Mess- und Prüfsystemen bleibt weiterhin groß. Anlagen müssen heute nicht nur ein hohes Prüfaufkommen bewältigen. Moderne Automatisierungstechnik zeichnet sich vielmehr auch dadurch aus, dass verschiedene Materialen und Prüflinge im Dauerbetrieb und ohne Unterbrechungen in einem zentralen Prüffeld untersucht werden können. Gefragt sind hier Greifmechanismen, die hochpräzise und mit einem großen Toleranzbereich für unterschiedliche Proben arbeiten.

Hohe Ansprüche an die Qualitätssicherung

Vor dieser Herausforderung stand auch ein großer deutscher Grobblechhersteller. Die Stähle, Grobbleche und Schlackenkübel des Unternehmens werden unter anderem in Stahlbrücken, Wolkenkratzern oder auch bei Offshore-Projekten eingesetzt. Weil der Erfolg mit den Anforderungen an die Belastbarkeit des Materials in den jeweiligen Einsatzgebieten einhergeht, stellt das Unternehmen hohe Ansprüche an die interne Qualitätssicherung. Hinzu kommt die Tatsache, dass der Produktionsausstoß des Unternehmens in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen ist. Die Folge ist ein ebenso gestiegenes Prüfaufkommen. Um dieses zuverlässig zu bewältigen, setzt der Grobblechhersteller auf ein neues vollautomatisches Prüffeld. Die Anlage wurde von den Firmen EKF Automation und Hegewald & Peschke gemeinsam entwickelt, um Metallzugversuche nach DIN6892-1 bei Bedarf rund um die Uhr durchzuführen. In diesem System durchlaufen Proben aus Qualitätsstahl verschiedene Stationen, wo sie vermessen und mit Prüfmarkierungen versehen werden. Da der Grobblechhersteller eine große Bandbreite an Stählen produziert und verarbeitet, müssen sechs verschiedene Probentypen, die sich in ihren Abmessungen und ihrer Materialzusammensetzung deutlich voneinander unterscheiden, hergestellt und geprüft werden. Um diesen Prozess möglichst effizient zu gestalten, werden einzelne Proben produktionsbegleitend hergestellt. Hierfür sollte ein neues Prüfzentrum entwickelt werden, das alle relevanten Proben zuverlässig und vollautomatisch prüft. Die neue Anlage sollte zudem alle für die Durchführung der Versuche notwendigen Vorbehandlungen selbst realisieren. Da die komplexe Aufgabe in einer besonders niedrigen Taktzeit zu bewältigen ist, mussten die Ingenieure eine Lösung für den störungsfreien Transport der unterschiedlichen Proben von Station zu Station ohne Umrüstungen finden. Das Herz dieser Lösung bildete ein Sechsachsroboter der Firma Kuka, für den EKF eine spezielle Greiftechnik entwickelt hat. Hinzu kamen eine optische Dicken- und Breitenmessstation sowie ein spezielles Markierungssystem für die berührungslose Dehnungsmessung. Hegewald & Peschke integrierte eine Prüfmaschine der Serie Inspekt 400 KN in das neue System, die an die speziellen Anforderungen angepasst wurde.

Spezialgreifer mit Fingerspitzengefühl

Auch der Spezialgreifer musste auf das besondere Anforderungsprofil des Kunden zugeschnitten werden. "Die Prüflinge haben relativ große Toleranzen und weisen unterschiedliche Abmessungen auf", erklärt Andreas Kuß, Konstruktionsleiter bei EKF Automation. "Zudem werden die Proben im Prüfzentrum an mehreren Stationen bearbeitet, d.h. sie müssen zwischenzeitlich abgelegt, nach bestimmten Merkmalen ausgerichtet und an anderen Greifpositionen neu aufgenommen werden." Hinzu kommt die Tatsache, dass es um eine zerstörende Prüfung geht. Der Greifer muss also auch die zerstörten Proben fehlerfrei aus der Prüfmaschine entnehmen können, ohne die Kenntnis zu haben, an welcher Stelle die Proben gerissen sind und welches Aussehen die Reststücke haben. Die EKF-Ingenieure stimmten die Bewegungs- und Greifabläufe präzise auf die einzelnen Probentypen sowie die beengten Gegebenheiten im Prüfzentrum ab. Gleichzeitig statteten sie den Spezialgreifer mit einer für die engen Platzverhältnisse hohen Greifkraft von rund 1000N aus. Die erforderliche Genauigkeit in den unterschiedlichen Greifsituationen wurde durch die Entwicklung spezieller Greifbacken möglich. Ein in den Greifer integrierter axialer Ausgleichsmechanismus sorgt dafür, dass sich der Spezialgreifer flexibel an die unterschiedlichen Probenabmessungen anpasst. So können insgesamt sechs Probentypen ohne Umrüstung und Unterbrechung geprüft werden. Das Gewicht dieser Proben wird durch die hohe Steifigkeit des Greifers ausgeglichen.

Vollautomatische Prüfungen im Dauerbetrieb

Der Prüfvorgang beginnt bei zwei Probenmagazinen, die bis zu 80 Flach- und ca. 110 Rundproben aufnehmen. Eine Neubefüllung der Magazine erfolgt in der Regel im Acht-Stunden-Takt über einzelne Schubkästen. Sie können bei Bedarf separat aus dem Magazin herausgezogen werden, ohne die Prüfvorgänge innerhalb der Roboterzelle zu unterbrechen. Nach der Aufnahme der Probe durch den Roboter wird deren Länge bestimmt. Hierfür wird die Probe an einer Lichtschranke vorbeigeführt und die jeweilige Probenlänge anhand des Verfahrwegs des Roboters ermittelt sowie auf Plausibilität mit dem zugehörigen Datensatz auf dem übergeordneten Leitrechner überprüft. Anschließend wird der Data-Matrix-Code ausgelesen, mit dem jede Probe bereits bei ihrer Herstellung versehen wird. Dieser Code enthält für die Weiterverarbeitung relevante Informationen zum Probentyp, zu den Abmessungen sowie zum Material. Für jeden Probentyp sind zudem individuelle Prüfpläne und Anforderungen hinterlegt. Diese werden mit den Informationen des Codes abgeglichen. Erst mit der entsprechenden Freigabe geht eine Probe in den nächsten Schritt. Bevor der eigentliche Zugversuch durchgeführt werden kann, muss der Probenquerschnitt an mehreren Punkten vermessen werden. Hierfür wird der Prüfling in eine Dicken- und Breitenmessstation eingebracht. Dort erfolgt die exakte Vermessung mittels Lasermikrometer - die für die Dehnungsmessung notwendige Prüffläche wird ermittelt. Nach der Querschnittsvermessung erhält der Prüfling von einem Spezialdrucker die erforderlichen Messmarkierungen. Schließlich beginnt der eigentliche Metallzugversuch nach DIN6892-1 mit einer Prüfkraft von bis zu 400KN. Dazu wird der Prüfling in die Prüfmaschine transportiert und hydraulisch gespannt. Alle innerhalb der Norm geforderten Werte können ermittelt werden. Unter anderem werden während des Zugversuches die im Vorfeld aufgebrachten Messmarkierungen von einem Laserextensometer optisch erfasst, um die Dehnungsverteilung präzise nach Probenabschnitten auswerten zu können. Somit kann beispielsweise auch der genaue Zeitpunkt des Probenbruches bestimmt werden.

330 Proben in 24 Stunden

In einer speziellen Prüf-Software kann das Personal verschiedene Programmvarianten auswählen und zwischen allen relevanten Anwendungsfällen variieren. Die Ergebnisse der Versuche können in Echtzeit am Terminal verfolgt werden. Je nach Prüfanforderung stehen verschiedene Ausgabemasken zur Verfügung. Bei Bedarf arbeitet die Prüfanlage vollautomatisch im 24h-Betrieb. Im Prüffeld können in diesem Zeitraum bis zu 330 Proben verarbeitet werden. Die ermittelten Resultate werden automatisiert und entsprechend der Prüfpläne an einen Host-Rechner übertragen und verwaltet. Im Verlauf des Zugversuches bereitet der Roboter bereits die nächste Probe vor. Nach der Prüfung werden die Probenhälften entnommen und im Schrottcontainer oder in einer separaten Schublade zur manuellen Nachkontrolle abgelegt. Die Anlage erreicht im durchgehenden Betrieb eine Taktzeit von 4 Minuten und erfüllt dabei alle sicherheitstechnischen Standards. Das Sicherheitsprogramm des Industrieroboters macht mechanische Achsbereichsüberwachungen überflüssig und verhindert, dass der Roboter aus seinem definiertem Arbeitsraum ausbrechen kann.