Ein Auge für schmutzige Teile

In situ, also im laufenden Prozess verschmutzte Werkstücke zu erkennen und auszusortieren senkt den Ausschuss und damit die Produktionskosten. Kai Modrich machte sich die unterschiedlichen Reflexionseigenschaften verschmutzter und sauberer Werkstoffoberflächen zu Nutze, um während des Greifprozesses die Spreu vom Weizen zu trennen.

Saubere Bauteile sind der Garant für qualitativ hochwertige Produkte. Die Reinigung von Bauteilen und Fertigungseinrichtungen hat in den letzten Jahren aufgrund der immer kleiner und komplexer werdenden Systemkomponenten an Bedeutung drastisch zugenommen. Restverschmutzungen auf den Bauteilen beeinträchtigen nicht nur die Funktionalität der technischen Systeme, sie erhöhen auch die Produktionskosten durch Ausschuss. Bislang mussten Werkstücke für die Überprüfung der Oberflächenreinheit aus dem laufenden Produktionsprozess herausgenommen werden. Gemeinsam mit den Firmen IMT Peter Nagler GmbH, Fellbach, und der Robert Bosch GmbH, Stuttgart, haben Wissenschaftler des Fraunhofer IPA ein Robotersystem entwickelt, das produktionsbedingte Kontaminationen während des Greifprozesses online ausfindig macht und verschmutzte Werkstücke automatisch aussortiert. »Die Qualität von Reinigungsvorgängen können damit direkt am Bauteil und ohne Unterbrechung des Produktionsablaufs überprüft werden. Qualitätsbedingte Ausschusszahlen lassen sich durch den Einsatz solcher intelligenter Automatisierungskomponenten deutlich verringern«, nennt Projektleiter Kai Modrich die wichtigsten Vorteile.

Die Prüfeinheit basiert auf einem einfachen Prinzip: Treffen Lichtwellen auf einer Oberfläche auf, werden die einfallenden Strahlen in Abhängigkeit von der Oberflächenstruktur gestreut, gebrochen, absorbiert oder reflektiert. Die Intensität des reflektierten Strahls hängt vom Reflexionsvermögen, von der Oberflächenrauhigkeit, dem Absorptionsindex, der Brechzahl und der Wellenlänge der Strahlungsquelle ab. »Verändert sich die zu untersuchende Oberfläche aufgrund von Verschmutzungen, verändern sich auch ihre Reflexionseigenschaften und das lässt sich nutzen«, erkannte Modrich. Sein Sensorsystem misst diese Veränderungen und wertet sie aus. Es kann Verschmutzungen sowohl im makroskopischen als auch im mikroskopischen Bereich detektieren. Da der Sensor immer auf die zu prüfende – saubere – Oberfläche referenziert wird, spielt die Oberflächenstruktur des Materials bei der späteren In Situ-Messung keine Rolle mehr. Das Sensorprinzip eignet sich daher für beliebige Oberflächen. Sie müssen nur die einfallenden Lichtwellen zu einem noch mit dem Detektor messbaren Signal reflektieren.

Für ein gemeinsames Exponat mit den Firmen Bosch und IMT auf der diesjährigen Hannover Messe integrierte Modrich den Sensor in den Greifer eines Robotersystems. Dort untersuchte er die Nut eines kreisförmigen Bauteils auf lokale Verschmutzungen. Sie sollte in einem nachfolgenden Produktionsschritt automatisch mit Silikon ausgespritzt werden. Fettkontaminationen auf der Bauteiloberfläche führen dabei zu erheblichen Qualitätsbeeinträchtigungen, da das Silikon auf fettigem Untergrund nur schlecht haftet.

Im Messe-Aufbau erkennt ein Bosch-Vision-System die Lageorientierung der auf einem Förderband ankommenden Werkstücke und gibt die Daten an die Robotersteuerung des Scara-Roboters »SR 8« weiter. Der Roboter greift anhand dieser Informationen die Werkstücke vom bewegten Band. Während des Greifprozesses überprüft das in den Robotergreifer integrierte Sensorsystem die kreisringförmige Nut des Werkstückes auf fettige Kontaminationen. Es bestrahlt die Nutoberfläche mit einer Luminiszenzdiode im Nah-Infrarot-Bereich und detektiert die reflektierte Strahlung mittels einer Photodiode. Je nachdem, ob das Werkstück sauber oder verschmutzt ist, sortiert der Scara-Roboter die Werkstücke in das entsprechende Magazin: Ist das Werkstück sauber, kommt es in das Magazin für die weitere Produktion. Mit Restschmutz behaftete Teile werden für die Nachreinigung aussortiert.

Eines von Kai Modrichs nächsten Zielen ist es, den Sensor in ein Handgerät zu integrieren. »Damit lassen sich dann in den Betrieben Reinigungsergebnisse einfach und schnell manuell erfassen«, erklärt er. Diese Überprüfung könnte kostenintensive Laborauswertungen ergänzen oder ganz ersetzen – beispielsweise in der Lebensmittelindustrie: Die Critical Contamination Points an Verarbeitungsmaschinen und Transfereinrichtungen müssen hier ständig entsprechend den HACCP-Vorschriften überprüft werden. Daneben arbeiten er und sein Team am Prototyp eines Flächensensors. Bisher sind nur Punktmessungen möglich.

Ihr Ansprechpartner für weitere Informationen:
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Dipl.-Ing. Kai Udo Modrich
Telefon: 0711/970-1272, Telefax: 0711/970-1008, E-Mail: kom@ipa.fhg.de