Vollautomatische Montage

Manuel Zürn, u.a. /am,

Leitungen automatisch im Kfz montieren

In einem Gemeinschaftsprojekt soll ein Verfahren zur automatisierten Montage von Leitungssätzen in Kraftfahrzeugen entwickelt werden. Bei dem komplexen Vorgang spielen Bildverarbeitung und Roboter eine wichtige Rolle.

Kuka LBR iiwa 14 R820 bei der Montage eines Leitungssatzes im Fahrzeug. © Arena2036

Die Leitungssatzproduktion und -montage ist nach wie vor von einer Vielzahl manueller Prozesse geprägt. Ein Teilprojekt der Innovationsinitiative Leitungssatz (IILS) der Arena2036 widmet sich daher der Untersuchung zur Realisierung einer automatisierten Montage des Leitungssatzes im Fahrzeug. Aufgrund der hohe Variantenvielfalt und der damit verbundenen Komplexität des Leitungssatzes müssen dabei möglichst flexible Ansätze zur Automatisierung angestrebt werden. Dazu schließen sich BMW, Mercedes-Benz, Kuka, Rosenberger und das Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) zusammen, um mithilfe eines auf sensitive Montagearbeiten spezialisierten Roboters und einem neu entwickelten Kamerakonzept einen Referenzleitungssatz vollautomatisiert in einer Fahrzeugkarosse zu montieren. Der Forschungscampus Arena2036 ist eine vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Partnerschaft aus Wissenschaft und Industrie zur Entwicklung und Erprobung von Konzepten der Automobilproduktion von morgen.

Technische Möglichkeiten ausloten

Ziel des Teilprojekts ist die Evaluation technischer Möglichkeiten und Grenzen einer automatisierten Montage des Leitungssatzes. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen besteht die Möglichkeit der Ableitung von Gestaltungsrichtlinien sowie Standards. Diese können für neue Leitungssatzgenerationen im Entwicklungsprozess berücksichtigt werden und ermöglichen dadurch eine Simplifizierung der automatisierten Leitungssatzmontage im Fahrzeug. Ein erstes Konzept mittels Anlieferung des Leitungssatzes auf einer Trägerfolie anstatt der üblichen Packtasche bietet Vorteile hinsichtlich einer automatisierten Montage. Durch das Trägermedium hat der Leitungssatz eine definierte Ausgangsposition, was eine anschließende Handhabung durch einen Roboter deutlich vereinfacht.

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Weiter verhindert die Trägerfolie nicht eindeutige Zustände, wie beispielsweise Überlappung von Verzweigungen, und schafft damit die Möglichkeit, den gesamten Zustand des Leitungssatzes optisch zu erfassen. Gewonnene Erkenntnisse aus diesem Teilprojekt sind darüber hinaus relevant für die gesamte Wertschöpfungskette des Leitungssatzes, da Schnittstellen zur Automatisierung bereits in der Leitungssatzproduktion genutzt werden könnten. Mithilfe eines Demonstrators sollen Anforderungen an einen automatisierbaren Leitungssatz abgeleitet und evaluiert werden. Im konkret untersuchten Fall der automatisierten Leitungssatzmontage besteht dabei die Herausforderung, Befestigungselemente für den Leitungssatz sowie am Leitungssatz befestigte Stecker zuverlässig zu erkennen und zu greifen.

Am ISW wurde bereits eine Lösung zur Lokalisierung und zum Tracking von Kabeln erforscht. Diese Lösung wird nun in diesem Teilprojekt auf verzweigte Leitungssätze erweitert und ebnet damit den Weg zur automatisierten Leitungssatzmontage durch das prozessbegleitete Tracking des Leitungssatzes.

Groblokalisierung eines Leitungssatzes

Zur Groblokalisierung des Leitungssatzes wird eine Mehrkörpersimulation genutzt, welche mithilfe einer Stereokamera den Leitungssatz erkennt. Dazu wird die über einen Stereo-Matching-Algorithmus berechnete Punktwolke zuerst segmentiert und geeignet gefiltert, um den Leitungssatz aus der Umgebung herauszustellen. Anschließend wird über einen modellbasierten Lokalisierungsansatz der Leitungssatz getrackt, um jederzeit Greifinformationen aus den Bilddaten zur Verfügung zu haben. Besonders ist hierbei, dass keinerlei zusätzliche optische Marker am Kabelstrang angebracht werden.

Groblokalisierung des Leitungssatzes mithilfe einer Mehrkörpersimulation. Die grobe Position der Stecker und Clips am Leitungssatz (blau) lassen sich damit zu jedem Zeitpunkt auslesen. © Arena2036

Durch die prozessbegleitende Lokalisierung des Leitungssatzes ist es zu jedem Zeitpunkt möglich, die grobe Position der Clips auszulesen. Diese Clips werden dazu benötigt, den Leitungssatz an definierten Stellen in der Karosserie zu fixieren. Mithilfe der Groblokalisierung soll es dann möglich sein, einen Kuka LBR iiwa 14 R820 mit montierter Kamera am Endeffektor über einen Clip zu fahren, um mit einer anschließenden Feinlokalisierung die für eine Automatisierung speziell designten Clips am Leitungssatz zu erkennen.

Feinlokalisierung des Leitungssatzes

Die Clips werden dann von der am Endeffektor montierten Kamera erkannt, gegriffen und platziert. Da dieser Prozess bisher manuell ausgeführt wurde, müssen die Clips für eine automatisierte Handhabung entsprechend angepasst werden. Wichtig hierbei ist, dass es mithilfe des Prüfstands möglich ist, verschiedene Designs an Clips für die automatisierte Montage praktisch zu validieren.

Durch das zweistufige Lokalisierungskonzept sind zu jedem Zeitpunkt der Montage die Grobpositionen der Clips im Raum bekannt, wodurch der Suchbereich für die nötige Feinlokalisierung stark eingeschränkt werden kann. Da sich durch die reine Groblokalisierung noch keine Orientierung der Clips erkennen lässt, muss die Feinlokalisierung mithilfe eines deutlich kleineren Bildbereichs hinzugezogen werden. Zusätzlich ist die Position der Kamera für die Feinlokalisierung am Endeffektor sehr hilfreich, um Unsicherheiten durch die Roboterkinematik auszugleichen, da sie die Griffposition relativ zum Endeffektor berechnen kann.

Test am Demonstrator

Um die Komplexität einer solchen Automatisierung zu beherrschen, ist es nötig, die gesamte Wertschöpfungskette zu betrachten. Dabei greift das Projekt auf ein sehr großes, erfahrenes und gemischtes Konsortium zurück. Durch die unterschiedlichen Sichtweisen aus den einzelnen Stationen der Wertschöpfungskette lassen sich damit Maßnahmen ergreifen, welche konform mit der gesamten Wertschöpfungskette sind. Gemeinsam ist es damit möglich, die Grundsteine für eine automatisierte Montage eines Leitungssatzes in einem Fahrzeug zu legen. Dazu werden aktuelle Erkenntnisse aus Forschung und Industrie genutzt, um im Sommer 2021 den Demonstrator aufzubauen. Nachdem das beschriebene Anwendungs-szenario der Montage im Fahrzeug evaluiert wurde, soll der Demonstrator ebenfalls dazu genutzt werden, manuelle Tätigkeiten in der Wertschöpfungskette zu analysieren. Diese lassen sich mithilfe des Demonstrators auf eine Automatisierbarkeit überprüfen. Denkbar wäre dabei zum Beispiel, die Herstellung am Baubrett zu betrachten, welche heutzutage noch durch ein hohes Maß an manueller Arbeit geprägt ist. Programmabläufe lassen sich dazu direkt aus einem digitalen Abbild, dem digitalen Zwilling, ableiten, um effizient und vorausschauend die einzelnen Handhabungsschritte zu planen. Zusätzlich können durch die Automatisierung konsistent Informationen zum Leitungssatz gespeichert und ausgewertet werden, um nachhaltig Fehler zu identifizieren und zu reduzieren sowie die Rückverfolgbarkeit zu gewährleisten.

Versuchsaufbau von Kuka zur Feinlokalisierung des Leitungssatzes mithilfe einer am Greifer angebrachten Kamera. © Arena2036

Manuel Zürn, Markus Wnuk, Dr.-Ing. Armin Lechler, Institut für Steuerungstechnik (ISW), Universität Stuttgart; Christian Steiler, BMW Group; Matthias Paukner, Kuka Systems; Jerome Trommnau, Bernd Weiß, Dr.-Ing. Niklas Minsch, Mercedes-Benz; Manfred Mittermeier, Rosenberger Hochfrequenztechnik; Georg Schnauffer, Arena2036; Uwe Hessler, Kromberg & Schubert; Roland Pollner, Dräxlmeier

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