Maßgenau

Dipl.-Ing. f. Vermessung (FH) Simon Moser, Leica Geosystems, München

Diese Fallstudie zeigt, auf welche Weise Laser-Tracker bei der Herstellung von Produktionsvorrichtungen in der Automobilindustrie eingesetzt werden können. Ferner wird dargelegt, wie der Laser-Tracker dem Benutzer ein besseres Verständnis des Herstellungsprozesses und damit nachhaltige Verbesserungen auf jeder Stufe, von der Entwurfs-Phase bis hin zur Inbetriebnahme, ermöglicht.

Das Produktionsziel von Pico Europa besteht darin, alle Bestandteile der Produktionsstraße wie vorbearbeitete Werkzeugbasis, Baugruppen, Blechauflagen und Positionierungsbolzen so zu montieren, dass die gewünschte Form des Automobils möglichst genau wiedergegeben wird. Dies geschieht am Firmensitz, wo auch die gesamte Produktionsstraße geprüft wird.

Die Herausforderung besteht nun darin, die ganze Produktionsstraße Stück für Stück zum Kunden zu bringen und die gleiche Konfiguration wie zuvor wieder aufzubauen, so dass die Schlussprüfung und die Inbetriebnahme erfolgen kann.

Ein Laser-Tracker entspricht einer großen tragbaren Koordinatenmessmaschine (CMM). Das System basiert auf einem Laser-Interferometer und Winkelencodern, womit die Position eines Zielreflektors mit einer Genauigkeit von 10 µm pro Meter ermittelt werden kann. Die Messrate beträgt bis zu 1000 Punkte pro Sekunde innerhalb eines Messradius von 35 Metern.

Die Messungen können statisch, z.B. zu einer Werkzeugbohrung, oder dynamisch für die Digitalisierung einer Blechauflage oder eines Presswerkzeuges erfolgen. Sobald die Messdaten bekannt sind, können sie mit eindeutigen Soll-Koordinaten x, y und z, oder mit CAD-Oberflächen verglichen werden. Normalerweise wird eine Bohrung in einem Werkzeug gemessen, indem ein hoch genau gearbeiteter Reflektorhalter darin eingesetzt wird. Der Reflektor wird auf dem magnetischen Reflektorhalter eingesetzt. Die Lage der Bohrung kann dann auf einfache Weise gemessen werden, da die geometrische Beziehung zwischen Bohrung, Reflektorhalter und Reflektor bekannt ist.

Es stehen zwei Reflektortypen zur Verfügung, entweder mit 0,5 oder mit 1,5 Zoll Durchmesser.

Die Werkzeugbasisplatten wurden nach ihrem Eintreffen bei Pico Europa auf eine fix montierte Koordinatenmessmaschine transportiert und auf Ebenheit und Lage der Montagebohrungen untersucht. War das Werkzeug zu groß für den CMM-Rahmen, wurde die Platte jeweils zur Hälfte gemessen. Nachdem eine Seite der Werkzeugbasis gemessen war, musste sie um 180° gedreht werden, um die andere Seite zu messen. Der Nachteil dieser Methode bestand in der Schwierigkeit, die durch das Umpositionieren entstandene Messunsicherheit möglichst gering zu halten.

Kleinere Werkzeuge, die in den CMM-Rahmen passten, konnten nach ihrer kompletten Montage gemessen werden. Alle Baugruppen, Blechauflagen und Positionierungsbolzen wurden zuerst auf der Werkzeugbasis platziert, anschließend legte man das montierte Werkzeug zur Prüfung auf den flachen Boden der CMM.

Größere Werkzeugbasisstücke mussten nach der Prüfung auf der CMM an einen anderen Ort in der Fabrik transportiert werden, wo die Montage beginnen konnte. Der Nachteil des Transports von großen Stahlplatten bestand darin, dass sie durch ihr Eigengewicht verformt wurden. Deshalb musste die Werkzeugbasis vor der Montage nochmals mit einem optischen Nivelliergerät horizontal ausgerichtet werden.

Nachdem sämtliche Baugruppen, Blechauflagen usw. montiert waren, wurden die Vorrichtungen mit konventionellen Stabmikrometern, Stahllinealen und Referenzwürfeln überprüft. Diese traditionellen Methoden erforderten oft ein Verschieben der montierten Baugruppen, um die Stahlkanten oder Blöcke anlegen zu können, was mit sehr viel Zeit und großem Arbeitsaufwand verbunden war. Die Messungen wurden noch zusätzlich erschwert, wenn die Werkzeugbasis nicht horizontal lag, sondern um 45° geneigt war.

Jedes einzelne Werkzeug wurde an seinem vorgesehenen Ort in der Produktionsstraße montiert. Dabei verwendete man Spanndrähte für die Ausrichtung, Stabmikrometer für die Abstände und Nivelliergeräte für das Horizontieren der gesamten Produktionsstraße.

Beim Transport vom Prüfplatz zur Produktionsstraße wurde das Werkzeug oft verformt, so dass die Abmessungen nicht mehr stimmten. Noch schwieriger war es aber, das Werkzeug auf der Produktionsstraße selbst zu vermessen.

Pico Europa prüfte die komplette Produktionsstraße, bevor sie zum Kunden gebracht und dort installiert und in Betrieb genommen wurde.

Wurde eine Baugruppe beim Transport beschädigt, war der Ersatz vor Ort problematisch, da wieder mit konventionellen Methoden geprüft werden musste. Der Austausch von Baugruppen wurde zusätzlich durch bereits installierte pneumatische und elektrische Leitungen behindert.

In vielen Fällen gab es Unstimmigkeiten, da die Produktionsteile der Kunden nicht zu den von Pico Europa gelieferten Werkzeugen passten. Dabei ergaben sich große Schwierigkeiten, festzustellen, ob die Werkzeuge den Kundenanforderungen entsprachen. Damit mussten erhebliche zeitliche und finanzielle Verluste in Kauf genommen werden.

Die vorbearbeiteten Werkzeuge kommen mit allen notwendigen Pass- und Befestigungsbohrungen in die Produktionsstätte. Die entsprechenden Referenzpunkte sind bereits in den Baugruppen integriert. Dies können je nach Kundenanforderungen Kanten, Kerben oder Bohrungen sein. Sie bilden die primären Referenzpunkte für den Leica Laser-Tracker.

Bei ausreichenden Platzverhältnissen lassen sich die Werkzeugbasisplatten direkt an ihren vorgesehenen Ort in der Produktionsstraße bringen. An jedem Ende der Produktionsstraße werden Höhenreferenzpunkte bestimmt, mit deren Hilfe der Laser-Tracker in Kombination mit der entsprechenden Leica Axyz-Software ein genaues, schwerkraftbezogenes Koordinatensystem generieren kann.

Alle Basisplatten auf der Produktionsstraße können nun gemeinsam horizontiert werden. Manchmal werden noch Spanndrähte verwendet, um die Basisplatten grob zueinander auszurichten. Die endgültige Ausrichtung wird jedoch mit einem Laser-Tracker ausgeführt, der dies dank seines radialen Arbeitsbereichs von 35 Metern ermöglicht.

Die Werkzeugbasis wird dabei mittels Stellschrauben verstellt und die Position der Pass- und Befestigungsbohrungen nachgeprüft.

Nun kann die Montage von Baugruppen, Blechauflagen und Positionierungsbolzen beginnen. Nach der Montage wird das komplette Werkzeug überprüft. Da alle Komponenten des Werkzeugs vorbearbeitet sind, sollte das montierte Teil der Sollkonfiguration möglichst nahe kommen. Mit dem Leica Laser-Tracker wird nun noch die Werkzeuggeometrie geprüft, wobei die letzten Anpassungen mit Abstimmplatten vorgenommen werden.

Werkzeugzertifizierung

In einem ersten Schritt werden die Referenzpunkte auf der Werkzeugbasis eingemessen. Da die Positionen dieser Referenzpunkte im Koordinatensystem der Produktionsstraße bekannt sind, kann der Benutzer des Laser-Trackers eine Transformation durchführen, um die Messungen direkt im Werkzeug-Koordinatensystem vorzunehmen.

Der nächste Schritt besteht darin, alle Passpunkte des Werkzeugs in der Produktionsstraße einzumessen. Diese werden nun zu primären Referenzpunkten und erhalten damit eine höhere Priorität als diejenigen auf der Werkzeugbasis. Über das ganze Werkzeug sind ungefähr 20 Referenzpunkte gleichmäßig verteilt. Sobald die Referenzpunkte ermittelt sind, können die Pass-Stift-Bohrungen und Positionierungsbolzen auf allen Baugruppen gemäß Sollwerten eingemessen und justiert werden.

Messung der Pass-Stift-Bohrung

Es sind zwei Passbohrungen zur Positionierung der Blechauflage vorhanden, wobei meistens nur eine davon eingemessen wird. Ein Reflektorhalter mit einem Reflektor wird in die Passbohrung eingesetzt und seine Position im Werkzeug-Koordinaten-System der Produktionsstraße eingemessen. Ein Vergleich mit der Sollposition dieses Punktes zeigt, ob sich die Passbohrung innerhalb der Toleranz befindet, oder ob sie mit Hilfe von Abstimmplatten verschoben werden muss.

Die Referenzbohrung soll sich einerseits am richtigen Ort befinden, andererseits muss die Oberfläche auch die korrekte Lage in Bezug auf drei Rotationen aufweisen, da dies für die Ausrichtung der Blechauflagen unabdinglich ist. Dies wird nachgeprüft, indem auf der Hauptblechauflage, dem Pico-Block, ein Bolzen angebracht wird. Anstatt einer Freiform-Oberfläche auf einer Seite hat der Pico-Block auf allen sichtbaren Seiten vorbearbeitete Präzisionsaufnahmen, in welchen Reflektorhalter angebracht werden können. Werden auf diesem Block 3 bis 4 Punkte gemessen, kann damit die Ausrichtung der Aufnahmefläche der Referenzbohrung überprüft werden.

Messung der Positionierungsbolzen

Zwei Methoden zur Messung von Positionierungsbolzen sind möglich. Eine Messung benutzt die 2-Punkte-Methode. Ein Positionierungsbolzen ist durch seine Zentralachse definiert. Um diese Achse zu bestimmen, müssen mindestens zwei Punkte darauf gemessen werden. Dies kann durch Reflektorhalter in zwei verschiedenen Höhen erreicht werden. Mittels einer einfachen Analyse lässt sich die Richtung der Achse feststellen.

Die andere Methode besteht darin, den Reflektor über der Oberfläche zu bewegen und eine Bestfit-Anpassung vorzunehmen. Die daraus resultierende Zylinderachse entspricht der Achse des Bolzens. Bei Pico Europa wird vorwiegend die erste Methode angewendet.

Sobald alle Referenzbohrungen und Positionierungsbolzen eingemessen und innerhalb der Konstruktionstoleranzen angepasst worden sind, wird ein Report ausgedruckt. Der Report enthält die effektiven Abmessungen, die Soll-Maße und die Abweichungen dazu. Auch die Passpunkte sind im Report enthalten. Sie werden für den nächsten Montagezyklus und für die Nachprüfung beim Kunden als primäre Referenzpunkte benötigt.

Nachdem die ganze Anlage bei Pico Europa geprüft wurde, wird sie Stück für Stück zerlegt und in die Produktionsstätte des Kunden transportiert, wo die definitive Montage, Prüfung und Inbetriebnahme stattfindet.

Bei der Ankunft wird jedes Werkzeug an seinen dafür vorgesehenen Platz auf der Produktionsstraße gelegt. An jedem Ende der Produktionsstraße werden Höhenbezugspunkte eingerichtet, mit Hilfe derer der Laser-Tracker ein genaues schwerkraftbezogenes Koordinatensystem generieren kann.

Mittels Spanndrähten werden die Werkzeuge grob ausgerichtet. Zur definitiven Ausrichtung und zur Einstellung der Abstände wird wiederum der Laser-Tracker eingesetzt.

Werkzeugprüfung

Sobald das Werkzeug ausgerichtet und in seine definitive Lage gebracht worden ist, werden mit dem Laser-Tracker alle Passpunkte (etwa 20) gemessen. Diese werden nun zu primären Referenzpunkten.

Anschließend wird eine Bestfit-Koordinaten-Transformation durchgeführt und deren Resultate analysiert. Sie geben dem Benutzer Auskunft über die Maßgenauigkeit des Werkzeugs. Zuerst prüft der Benutzer, ob der mittlere quadratische Fehler der Koordinaten-Transformation die definierte Toleranz von 0,13 mm nicht überschritten hat.

Liegt dieser Wert innerhalb der Toleranz, wird das Werkzeug als genau genug erachtet, so dass nur eine Nachkontrolle erforderlich ist.

Diese Kontrolle beinhaltet die Messung aller Positionierungsbolzen und von 10 Prozent der Referenzbohrungen. Liegen diese innerhalb der Toleranz, gilt das Werkzeug als akzeptiert.

Liegt jedoch der mittlere quadratische Fehler der Koordinaten-Transformation außerhalb der Toleranz, müssen alle Fehlerquellen festgestellt und die entsprechenden Punkte neu justiert und vermessen werden. Eine Wiederholungsprüfung wird notwendig, da eine Beschädigung oder Verbiegung des Werkzeugs seine Geometrie beeinträchtigt haben könnte.

Wiederholungsprüfung

Eine Wiederholungsprüfung beinhaltet die Schritte, wie sie bereits zuvor bei Pico Europa ausgeführt worden waren. Diese umfassen ein 100%-iges Prüfen aller Punkte und eventuelle Anpassungen innerhalb der vorgegebenen Toleranzen.

Alle Werkzeuge werden diesem Prozess unterzogen, bevor die Produktionsstraße getestet und für den Betrieb freigegeben wird.

Vergleichen der Freiformoberfläche von Blechauflagen mit CAD-Daten

Einige Autohersteller verlangen zusätzlich, dass Punkte auf der Freiformoberfläche der Blechauflagen gemessen und mit den CAD-Soll-Daten verglichen werden. Schlussendlich dient diese Oberfläche dazu, das Produktionsteil für die Punktschweißungen richtig zu positionieren. Grafiken zeigen die Abweichungen der Messungen am Karosserieteil mittels farbiger Nadelvektoren an. Die Nadelvektoren enthalten eine Punkt-ID und numerische Abweichdaten. Für diese Analyse kann die Leica Software Axyz-CAD und Interprog verwendet werden.

Wiederholungs- und Reproduzierbarkeits-Messungen

Hin und wieder ist es notwendig, bei Werkzeugen Wiederholungs- und Reproduzierbarkeits-Messungen durchzuführen. Ein Beispiel dafür ist das Positionieren und Befestigen eines Produktionsteils auf dem Werkzeug. Für die Messung wird das Teil entfernt und neu platziert und befestigt. Ist das Werkzeug richtig gebaut, sollte das Teil innerhalb der Toleranzen in dieselbe Position gebracht werden können. Wiederholung und Reproduzierbarkeit von Vorgängen sind in der Massenproduktion von großer Bedeutung.

Oft werden bis zu 30 Neupositionierungen vorgenommen. Laser-Tracker mit absolutem Distanzmesser (ADM) werden für solche Messungen mit großem Erfolg angewendet. Dazu werden bis zu acht Reflektoren gleichmäßig über die Oberfläche des Karosserieteils verteilt und mit Klebstoff oder Magnethaltern temporär befestigt.

Mit dem Laser-Tracker wird jeder Reflektor gemessen. Die Koordinaten des ersten Messdurchgangs dienen als Referenzkoordinaten für jeden weiteren Messzyklus. Das Karosserieteil wird gelöst, vom Werkzeug entfernt und anschließend neu positioniert und wieder befestigt. Beim zweiten und jedem weiteren Zyklus wird die Autoinspect-Software verwendet. Die Autoinspect-Funktion richtet den Laserstrahl nacheinander auf jeden mit einer Referenzkoordinate gespeicherten Punkt, misst die tatsächliche neue Position und ermittelt die Abweichungen des Reflektors. Für 30 Messzyklen von acht Punkten benötigt die Autoinspect-Funktion etwa 30 Minuten und ist damit äußerst effizient.

Seit der Einführung des Laser-Trackers bei Pico Europa im Jahr 1996 hat die Herstellung von Werkzeugen für die Automobilindustrie eine Revolution erfahren. Die Maßgenauigkeit der Werkzeuge kann von der ersten Montage und Prüfung bei Pico Europa bis zum Einsatz bei Kunden auf der ganzen Welt garantiert werden. Bei auftretenden Problemen, wie z.B. Fehlausrichtungen von Autokarosserien, können diese rasch untersucht und die genaue Ursache festgestellt werden, so dass die entsprechenden Maßnahmen zur Lösung des Problems getroffen werden können. Der Laser-Tracker spielt für Pico Europa eine bedeutende Rolle und ermöglicht, die immer strenger werdenden Genauigkeitsanforderungen der modernen Automobilindustrie zu erfüllen.

Weitere Informationen A QE 404