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6-Achs-Roboter Automatisiertes Prüfen unter Extrembedingungen

| Autor/ Redakteur: Ralf Högel / Mag. Victoria Sonnenberg

Die Prüfung von Touchscreens im Temperaturbereich von - 40 bis 85 °C stellt höchste Anforderungen an das Prüfequipment, insbesondere an die Robotik. Erstmals stellt sich ein Stäubli-Sechsachser dieser Herausforderung ohne Verwendung eines Schutzmantels.

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Um die Funktion der Displays bei unterschiedlich starken Bedienkräften zu simulieren, ist der Roboterfinger mit einem Kraft-Momentensensor ausgestattet.
Um die Funktion der Displays bei unterschiedlich starken Bedienkräften zu simulieren, ist der Roboterfinger mit einem Kraft-Momentensensor ausgestattet.
(Bild: Stäubli)

Touchscreens ersetzen klassische Schalter und Bedienpanels in vielen Anwendungsbereichen. Auch Automobilhersteller nutzen die Vorzüge der modernen Displays bereits im Volumen-Segment. Immer öfter erfolgen die Bedienung des Infotainments, das Management aller individualisierbaren Fahrzeug- und Fahrerassistenzsysteme bis hin zur Abfrage des Ölstands ausschließlich über Touchscreen. Im ‚Connected Car‘ wird das sensible Bauteil zur zentralen Schnittstelle – um so wichtiger seine unbedingte Funktion.

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Touchscreens müssen sich deshalb bereits in der Vorserie harten Dauerlauftests unter Extrembedingungen unterziehen. Wie komplex das Prüfprocedere ist, zeigt eine vollautomatische Anlage, die die Kübrich Ingenieurgesellschaft in Priesendorf konzipiert und gebaut hat. Dabei erfüllt die Roboterzelle des auf Qualitätsprüfungen spezialisierten Anlagenbauers exakt die strengen Vorgaben von Panasonic: die Simulation zahlreicher haptischer Bedienfunktionen im Temperaturfenster von - 40 bis 85 C° bei bis zu 95 % Luftfeuchte.

Roboter in Klimakammer simuliert Bedienung

Die Prüfzelle besteht im Wesentlichen aus einem leistungsfähigen Klimaschrank, in dem ein Stäubli-Roboter TX60L in Feuchtraum-Ausführung mit unterschiedlichen Bedienfingern die haptische Bedienung der Touchscreens simuliert. Gesteuert werden Prüfzelle und Komponenten von der Kübrich-Software ‚Actere‘.

Präzision, Dynamik und vor allem thermische Robustheit waren die entscheidenden Kriterien für die Auswahl dieses Roboters. Präzision, weil der Fingerdruck in seiner Stärke und Position exakt den Vorgaben entsprechen muss. Dynamik, weil der Roboterfinger gemäß Panasonic-Vorgabe bei Touch-, Zieh- und Wischfunktionen auf der relativ kleinen Bildschirmdiagonale Geschwindigkeiten bis 1 m/s erreichen muss. Thermische Robustheit, weil die Testzyklen bei extremen, schnell wechselnden Temperatur-Feuchte-Bedingungen ablaufen.

„Abgesehen davon, dass wir uns in unseren Klimakammer-Prüfanlagen seit Jahren nur noch auf Stäubli-Roboter verlassen, gab es bei dieser Applikation auch keine Alternative“, erklärt Christian Kübrich, Chef der Ingenieurgesellschaft. „Denn nur ein Stäubli Roboter kann bei Bedingungen zwischen -40 und 85 Grad bei bis zu 95 % Luftfeuchte ohne Schutzmantel arbeiten. Und genau darauf kam es uns an.“

Undichte Schutzmäntel verfälschen Messergebnisse

Laut Kübrich bleibt kein Schutzmantel dauerhaft dicht. Dann kann die eingeblasene Warmluft entweichen. Das wirkt kontraproduktiv und schlimmer noch: Es verfälscht die Messergebnisse. Denn diese Luft besitzt auch eine abweichende Feuchte, sodass es schwierig wäre, die definierten Prüfbedingungen konstant zu halten. Bei Klimakammertests, in denen Roboter mit Schutzanzügen arbeiten, zeigen sich solche Leckagen klar durch Reifbildung. Darüber hinaus schränkt ein Schutz- anzug die Bewegungsfreiheit des Roboters ein. Zudem erhöht er die jährlichen Wartungskosten und den Serviceaufwand an der Klimatisierungseinheit und am Roboter.

Das Geheimnis der sicheren Funktion eines Stäubli Roboters bei Extremtemperaturen liegt in seinen besonderen konstruktiven Merkmalen, darunter die konsequente Leitungsführung innerhalb des Arms, die Möglichkeit zur Beaufschlagung des Gehäuses mit Druckluft und vor allem die patentierte, eigenentwickelte Antriebstechnik.

Induktiver Heizring sichert Performance auch bei -40 C°

Unter den extremen klimatischen Bedingungen gilt es, die Performance der Roboterachsen uneingeschränkt zu erhalten. Hier erweist sich das Stäubli-Alleinstellungsmerkmal, die JCM-Antriebstechnik mit im Ölbad laufenden Getrieben, als entscheidender Vorteil. Ein fest an den Gelenken anliegender, induktiver Heizring aus Aluminium reicht aus, um die Performance des Roboters auch bei -40 Grad sicherzustellen. Industrieroboter mit konventionellen Standardgetrieben aus dem Zulieferregal hingegen müssen sich unter solchen Extremtemperaturen warm anziehen und eklatante Nachteile in Kauf nehmen.

Einen entscheidenden Beitrag zur Qualität und Wirtschaftlichkeit der Prüfzelle leistet der gewählte Klimaschrank von Weiss Klimatechnik. Das Aufheizen, Abkühlen, Befeuchten und Trocknen auf die in den Prüfzyklen definierten Werte erfolgt nicht nur besonders schnell, sondern auch besonders genau. In der Produktpalette von Weiss Klimatechnik können Anlagenbauer unter verschiedenen Schrankklassen auswählen. Je nach Prüfanforderung können diese Geräte auch mal mit 20 Kelvin/min abkühlen.

In der Touchscreen-Prüfzelle von Kübrich bildet ein modifizierter Standard-Klimaschrank die Ideallösung: Das Gerät kann mit rund 5K/min bis -40 Grad abkühlen und bietet ausreichendes Innenvolumen für den Prüfaufbau, bei dem der kompakte Stäubli Sechsachser TX60L he das Prüfprogramm mit jeweils sechs Displays in einem Durchlauf schnell und zuverlässig ausführt. Die Modifikation um zusätzliche Fenster im Klimaschrank gewährt dem Bediener dabei freien Blick auf die Prüflinge.

Für die manuelle Beladung der Touchscreen-Testzelle wird das Oberteil des Klimaschranks von einem elektrischen Stellantrieb nach oben gefahren. So erhält der Bediener freien Zugang zu den Aufnahmen für die Prüflinge und zum Roboter.

Die Prüfungen können mit unterschiedlichen Test- und Prüfkriterien für bis zu sechs unterschiedliche Displaytypen erfolgen. Unter wechselnden klimatischen Bedingungen in definierten Zyklen. Die flexible, offline programmierte Anlagensteuerung erlaubt auch die Ausführung unterschiedlicher Prüfprogramme für einzelne Displays mit Ein- oder Mehrfingerbetätigung. Zahlreiche definierte Positionen werden angefahren und mit exakt vorgegebenen Parametern getestet. Dabei zählt auch die aufzubringende Bedienkraft zu den Prüfkriterien, die über einen Kraft- Momenten-Sensor im Bereich von 0,1 bis 10 N erfasst werden kann. Das häufige Drücken an einer Position sowie Zieh- und Wischbewegungen werden ebenso simuliert wie die Beaufschlagung mit Schweiß oder das Tragen von Handschuhen. Es kann ebenso individuell vorgegeben werden, bei welchen Temperaturen, bei welcher Luftfeuchte und bei welchen Versorgungsspannungen die Prüflinge zu testen sind.

Auf jedes Display kommen mehrere tausend Prüfungen

Im Durchschnitt summieren sich die Tests bei 50 verschiedenen Prüfparametern pro Display unter unterschiedlichen thermischen Bedingungen und Versorgungsspannungen schnell auf mehrere tausend Prüfungen.

Die Ergebnisse werden über die von Kübrich selbst erstellte Auswertesoftware erfasst und übersichtlich aufbereitet zur Verfügung gestellt.

Diese Anlage setzt neue Maßstäbe bei der Displayprüfung wie Kübrich betont: „Die starke Performance des Stäubli-Roboters, der unter diesen extremen Klimabedingungen ohne Schutzmantel prozesssicher arbeitet, erlaubt uns die Realisierung dieses äußerst effizientes Konzeptes, dank dessen die Qualitätssicherung in eine neue Dimension von Wirtschaftlichkeit und Flexibilität bei gleichzeitig verbesserten Messtoleranzen vordringt.“

* Dipl.-Ing. Ralf Högel ist freier Autor bei der Industrie Kommunikation Högel. Weitere Informationen: Stäubli Tec-Systems GmbH Robotics in 95448 Bayreuth, Tel. (09 21) 88 30

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