Leica Laser Trackers und SpatialAnalyzer

Determinate Assembly – Aerospace

Die determinative Montage (engl. determinate assembly, DA) ist eine Technik, die es erlaubt, Befestigungslöcher an Montageteilen variabel und den Anforderungen nach Veränderungen angepasst, zu erstellen. Diese Methode kommt besonders bei der Flugzeugmontage dann zum Einsatz, wenn präzise, genau passende Bohrmuster für die Befestigung von Fügeteilen erforderlich sind. Die DA-Technik ist insbesondere für den effektiven Bau großer Flugzeugstrukturen wichtig, da mit ihr eine einheitliche und genaue Montage und Ausrichtung der Bauteile möglich ist. Um die notwendige Präzision zum Bohren von DA-Bohrmustern zu erreichen, werden oftmals riesige NC-Maschinen oder Spannvorrichtungen verwendet. Beide Methoden sind jedoch teuer und nur schwer mit Änderungen der Konstruktion oder dem Arbeitsaufblauf (Montageprozess) zu vereinbaren. Bei einer alternativen Methode kommt ein auf einer Schiene geführter Roboter mit einem für große Entfernungen ausgelegten Präzisionsmesssystem zum Einsatz. Durch die genaue Positionierung des Roboters über das Messsystem, können DA-Bohrmuster in der Roboterzelle präzise gebohrt werden, wobei sich notwendige Konstruktionsanpassungen und Verfahrensänderungen einfach realisieren lassen. Bei dem vorliegenden Projekt wurde ein Laser Tracker mit einem Roboter verbunden, um den Roboter kinematisch zu kalibrieren und die Messungen des Laser Trackers als Feedback zur Positionskontrolle und Ausrichtung des Bohrkopfs zu nutzen. Das Ziel des Projekts bestand darin herauszufinden, ob flexible Robotersysteme dazu in der Lage sind, präzise DA-Bohrmuster innerhalb der in der Luftfahrt geforderten Toleranzen zu bohren.
 
Zum Projektaufbau gehörten ein Industrieroboter Modell Kuka KR-500, ein Leica AT901, ein Leica T-Mac-Sensor mit 6 Freiheitsgraden, eine etwa 9 Meter (30 Fuß) lange Verfahrschiene (7te Roboterachse), Flugwerkprüfstände und -prüfstücke, die Software SpatialAnalyzer (SA) als direkte Schnittstelle für Robotersteuerung und Laser Tracker sowie die Software Measurement Plans (MP) zur Prozessautomation. Die SA-Machine Software wurde zur Integration von Roboter und Laser Tracker sowie zur Herstellung einer Echtzeit-Verbindung zwischen diesen genutzt. Um eine direkte Lese- und Befehlskommunikation für Gelenkwerte zu gewährleisten, wurde der SA-Robotertreiber mit der Kuka-Steuerung verbunden. Die Trackermessungen und die Gelenkwinkelwerte des Roboters, deren Messung während der Bewegung des Roboters durch eine Reihe von Stellungen in und um die DA-Bohrmuster erfolgte, wurden als Eingangswerte für die lokale Kalibrierung verwendet.
 
Nachdem der Roboter zu einem Zielframe geschickt wurde, erfolgte eine Messung der tatsächlichen Position des Roboters mit Hilfe des T-Mac-Sensors. Die Abweichung zwischen dem tatsächlichen Frame und dem Zielframe wurde ermittelt und als Eingangswert für eine neue, inkrementelle Roboterbewegung verwendet. Im Ergebnis konnte der Bohrkopf des Roboters optimal für das Bohren der jeweiligen DA-Bohrlöcher positioniert werden. Die Abschlussergebnisse des Projekts zeigen, dass die SA-Machine Software in der Lage ist, den Laser Tracker gemeinsam mit dem Roboter zu verwenden und so eine flexible, determinative Bohrzellenlösung zu bieten. Außerdem konnte die Machbarkeit folgender Zwischenschritte verifiziert werden: die kinematische Kalibrierung des Roboters im Arbeitsbereich vor Ort sowie die Einbindung der Messungen des Laser Trackers als Feedback zur Positionskontrolle und Ausrichtung des Bohrkopfs.
 
 Die Vorteile dieser Methode sind:
 
• Optimierte Kalibrierung im relevanten Arbeitsbereich vor Ort
 
• Kinematische Kalibrierungen inklusive Abweichungsausgleich anhand der für das Bohren der Bohrmuster erforderlichen Last und Stellungen
 
• Möglichkeit zur Auswahl der zu optimierenden kinematischen Werte
 
• Möglichkeit zur Auswahl der besten Messsysteme für die Kalibrierung des Roboters in der Arbeitszelle 
 
• Es wurde eine deutlich verbesserte Prä- zision innerhalb der erforderlichen Toleranzen für DA-Bohrmuster erreicht. Im Vergleich zur Verwendung der Roboterkinematik war die Genauigkeit bei Einsatz der SA-Kinematik etwa 14-mal, bei Einsatz der Move-Measure-Correct-Technik 40-mal höher.

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