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Messtechnik

Robotergestützte Vibrationsvermessung von Karosserien läuft völlig mannlos

16.05.2008 | Autor / Redakteur: Susanne Oberer-Treitz und Matthias Schüssler / Rüdiger Kroh

Bild 1: Der Roboter mit Vibrometer ermöglicht das automatische Aufnehmen von tausenden von Messwerten zum Schwingungsverhalten von Karosserien.

Die berührungslose Schwingungsmessung kann jetzt durch den Einsatz von Laser-Doppler-Vibrometern und die Nutzung eines Industrieroboters effizient automatisiert werden. Dabei ermöglicht die Positionierung und Auswahl von Messpunkten im Rahmen der Offline-Programmierung eine schnelle Adaption des Messprogramms auf eine spezifische Karosserie.

Der Zeit- und Kostendruck bei der Einführung neuer Automodelle sowie die Möglichkeiten der leistungsstarken Datenaufnahme und -auswertung verlangen mehr und mehr auch außerhalb der Produktionsstraßen nach Automatisierung. Mit der Anbindung von berührungslos messenden Scanning Vibrometern von Polytec an einen Industrieroboter kann das Schwingverhalten einer kompletten Karosserie in allen Entwicklungsphasen dreidimensional vermessen und so eine automatisierte und berührungslose Modalanalyse durchgeführt werden.

Im Vergleich zu herkömmlichen, mechanisch an der Karosserie angebrachten Beschleunigungsaufnehmern bieten die berührungslos messenden Schwingungssensoren große Vorteile. Einerseits durch eine deutlich höhere Anzahl von erfassbaren Messpunkten, andererseits wird die Massen- und Steifigkeitsverteilung am Messobjekt nicht beeinflusst und die Vorbereitungszeit für die Messungen verkürzt sich.

Die Messsysteme arbeiten rückwirkungsfrei, ohne Beeinflussung von Eigenfrequenzen und Dämpfungen sowie ohne Verkabelung an der Karosserie. Sie ermöglichen einen schnellen Aufbau, die direkte Messung auf FE-Knotenpunkten mit hoher Gitterdichte und verlässliche Daten.

Beim bisherigen Aufbau zur schwingungstechnischen Vermessung einer Gesamtkarosserie müssen je drei auf einzelnen Stativen montierte Scanning Vibrometer bis zu 20-mal manuell versetzt werden. Nur dann kann jeder Teil der gesamten Kontur erfasst werden. Dabei müssen jeweils die Positionen und Orientierungen der eingesetzten Laserköpfe bestimmt werden. Dieser Vorgang erfordert bei jedem Umpositionieren erneut Eingriffe des Bedieners.

Um diesen Positionieraufwand zu verringern, haben das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA und die Polytec GmbH eine Studie durchgeführt, die mittlerweile zur kommerziell verfügbaren Robo-Vib-Structural-Test-Station weiterentwickelt wurde. Dabei übernimmt ein Industrieroboter die Positionierung der Scanning Vibrometer unter Beibehaltung der relativen Position der Messköpfe zueinander.

Sensorpositionen werden in der Simulation ausgewählt

Die im Automobilbau vorhandenen Finite-Elemente-Daten der Fahrzeugkarosserie bieten die Möglichkeit, den Roboter schnell und einfach per Offline-Programmierung einzurichten. Schon mit einem großen 6-achsigen Knickarmroboter, montiert auf einer Linearachse, kann die Hälfte der Karosserie eines Mittelklassewagens komplett erfasst werden. Mit Hilfe einer Simulationsumgebung können sinnvolle Sensorpositionen zur Abdeckung der gesamten Oberfläche ausgewählt werden.

In der mit dem Scanning Vibrometer mitgelieferten Mess- und Analysesoftware PSV-Soft wird das Messgitter analysiert. Für jede in der Simulationsumgebung festgelegte Sensorposition werden die erreichbaren Messpunkte berechnet. Nicht erreichbare Messpunkte können visualisiert und durch zusätzliche Sensorpositionen abgedeckt werden. In einem iterativen Prozess kann so die Bahn des Roboters festgelegt und sein Ablaufprogramm erzeugt werden.

Die Scanning Vibrometer messen bei einem Abstand zwischen 500 und 1500 mm von der Oberfläche die Schwingungen, die durch einen elektromagnetischen Shaker eingeleitet werden. Durch einen Geo-metrieabgleich liegen alle Daten im globalen Koordinatensystem der Karosserie vor. Der Ablauf der automatisierten Messung modaler Parameter am Gesamtfahrzeug erfolgt folgendermaßen:

  • Ermittlung optimaler Messpositionen,
  • Übertragung der Messpositionen an PSV-Soft,
  • Abgleich der realen Fahrzeugposition,
  • automatische Abarbeitung des Messprogramms und
  • Auswertung und Export der Daten.

Am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA wurde mit der Firma Polytec das Messsystem installiert und die Kompatibilität der Komponenten getestet. Die Kopplung von PSV-Soft und Robotersteuerung ermöglicht einen automatisierten Ablauf ohne Bedienereingriff.

Der Demonstrator besteht aus einem Kuka-Roboter KR120, der kopfüber an eine Linearachse montiert ist. Auf der Flanschplatte ist ein Sensorkranz, bestehend aus drei PSV-400, montiert. Die Positionsbestimmung der Karosserie relativ zum Roboter erfolgt durch Abgleichen markanter Punkte an der Karosserie. Unweigerlich auftretende kleine Abweichungen zum Simulationsszenario können so ausgeglichen werden.

Schwingungsdaten werden automatisch aufgenommen

Anschließend fährt der Roboter definierte Positionen über der durch einen Shaker angeregten Karosserie an. Das Messsystem wird bei Erreichen einer definierten Messposition aktiviert. Nach Abschluss der Messung erhält der Roboter die Freigabe zur Weiterfahrt. So können die Schwingungsmessdaten automatisch und mannlos aufgenommen und dann direkt ausgewertet werden. Damit ist eine Messung über Nacht und somit eine optimale Ausnutzung der Testfelder erreichbar.

Die Ergebnisse aus den Versuchsmessungen zeigen, dass die Modalanalyse automatisierbar ist. Sie lässt sich in den CAE-Workflow integrieren und der integrierte 3-D-Geometriescanner ermöglicht ein Benchmarking. In einem automatisierten Durchlauf können somit tausende von Messpunkten ohne manuellen Eingriff erfasst und ausgewertet werden.

Aufgrund der großen Toleranzen in Abstand und Winkel zur Messoberfläche, mit denen die Vibrometer umgehen können, lassen sich skalierbare Roboterbahnen für eine bestimmte Fahrzeugklasse aufstellen, so dass Karosserien verschiedener Modelle ähnlicher Größe und Form in den Versuchsstand eingebracht werden können, ohne dass der Roboter umprogrammiert werden muss.

Dipl.-Math. techn. Susanne Oberer-Treitz ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 70569 Stuttgart, Dipl.-Ing. Matthias Schüssler leitet die Abteilung Neue Technologien in der Entwicklung der Polytec GmbH, 76337 Waldbronn.

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