Echtzeitdiagnose der Radmontage an NFZ mit PAC-Automatisierungssystem Compact FieldPoint senkt Kosten für Nacharbeit

Author(s):
Dr.-Ing. Gregor Diehl - GADV mbH

Industry:
ATE/Instrumentation, Industrial Controls/ Devices/ Systems, Automotive

Products:
Compact FieldPoint, Controllers, LabVIEW, Compact FieldPoint Controllers, Real-Time, Digital I/O

The Challenge:
Beispiel für die Integration und Erweiterung eines Diagnosesystems für Prüfprozesse anhand einer Schraubsteuerung für die Radmontage in der Automobilindustrie

The Solution:
Die eingesetzte Lösung, basierend auf standardbasierenden Hard- und Softwaretools (cFP-Systeme und LabVIEW-RT) und erfüllt sowohl die sicherheits- als auch messtechnischen Anforderungen und Vor¬schriften.

Kurzfassung

Wegen des internationalen Wettbewerbsdrucks sind Unternehmen kontinuierlich gefordert, ihre Fertigungsprozesse zu verbessern. Diese Prozesse setzen sich sowohl aus produktiven als auch unproduktiven Zeiten zusammen. Untersuchungen belegen, dass gerade die unproduktiven Zeiten für Transport, Bereitstellung, Rüsten und Prüfen die produktiv wertschöpfenden Zeiten für Montage und Bearbeitung bei weitem übersteigen.

Durch eine Automatisierung der Prüfprozesse und die direkte Integration in den Montageablauf werden Fehler dort erkannt, wo sie entstehen. Dies erlaubt eine zeitnahe Korrektur und Beseitigung der Fehler schon zum Entstehungs-Zeitpunkt. Eine aufwändige zusätzliche qualitative Überprüfung der Montagearbeit end of line wird somit überflüssig. Die hohen Nacharbeitskosten am Fertigprodukt entfallen, da die Fehler räumlich wie zeitlich am Ursprung eliminiert oder korrigiert werden konnten.

Ergänzend zur vorhandenen Schraubersteuerung bei der Radmontage an Nutzfahrzeugen wurde das Diagnosesystem als redundantes Steuerungssystem direkt in den Montageprozess integriert. Die über den gesamten Zeitverlauf des Montagevorgangs korrekte Datenerfassung und -verarbeitung in den einzelnen Prozessmodulen bildete die Grundlage für eine Qualitätssteigerung des Radschraub-Prozesses, da die Fehlerhäufigkeit erheblich gesenkt wurde. Durch die IT-Kopplung zum übergeordneten Montage- und Fertigungsleitrechner wurde zudem die geforderte Datenrückverfolgbarkeit und Langzeitauswertung sichergestellt.

Aufgabenstellung und Zielsetzung

Die Automatisierung des Prüfprozesses und die Integration in den Montageablauf erlaubt das Erkennen von Fehlern bereits zum Entstehungs-Zeitpunkt und erlaubt die zeitnahe Korrektur oder die Beseitigung der Mängel. Eine zusätzliche qualitative Überprüfung der Montagearbeit am Bandende wird überflüssig und hohe Nacharbeitskosten entfallen.

Bei der Radmontage an Nutzfahrzeugen stand folgende Aufgabenstellung sowie Zielsetzung im Vordergrund:

• Erweitertes automatisiertes Überwachen des Radschraubprozesses
  • Vollständigkeitskontrolle (alle Schrauben eingeschraubt?),
  • korrekte Rädermontage (alle Schrauben mit Mindestdrehmoment angezogen?),
  • eindeutiges Erkennen von Fehlschraubungen und des verursachenden Schraubers.
• Erhöhen des Sicherheitsstandards
  • automatisiertes Überwachen und Aufzeichnen des zeitlichen Montagevorgangs,
  • eindeutiges und prozessnahes Erkennen von Montagefehlern mit zeitnaher Reaktion und Identifikation der verursachenden Komponente,
  • Berücksichtigen der Vorschriften der VDI-Richtlinie „Einsatz von Schraubsystemen in der Automobilindustrie“.
• Datenrückverfolgbarkeit
  • Speichern und Archivieren der Mess-Daten zur Nachweispflicht sowie für langfristige Auswertungen.
• Rationalisierung
  • Einsparen der separaten Radkontrolle am Bandende.

Jedes Montageband ist mit 2 handgeführten Schraubstationen ausgestattet. Jede einzelne Schraubstation besitzt 5 voneinander unabhängig gesteuerte Schraubsysteme (Bild 1).

Vorschriften und Anforderungen

Für das Erstellen der Steuerungs- und Diagnosestruktur sowie für die Auswahl der Hardware sind sowohl geltende Sicherheitsvorschriften als auch messtechnische Anforderungen zu berücksichti­gen. Die messtechnischen Anforderungen basieren auf der vorhandenen installierten Technik.

Sicherheitsvorschriften:

• Einhalten der VDI-Richtlinie 2862 – Einsatz von Schraubsystemen in der Automobilindustrie
• Kategorie A: Gefahr für Leib und Leben

Ein Versagen führt zu einem sicherheitstechnischen Versagen oder Zerstören des Fahrzeugs und stellt eine Gefahr für Leib und Leben dar

Die VDI-Richtlinie gemäß Kategorie A wiederum fordert das Erfüllen von gewissen Mindestkriterien:

Technische Mindestanforderungen:

• direktes Messen einer Steuergröße (z. B. Drehmoment, Drehwinkel),
• direktes Messen einer Kontrollgröße (z. B. Stromverlauf, Zeitverhalten),
• Steuergröße und Kontrollgröße dürfen nicht identisch sein,
• Bereitstellen der Schraubergebnisse zur Weiterverarbeitung.

Mindestanforderungen an die Überwachung des Schraubsystems:

• redundanter Aufbau zum Erfassen der Steuer- bzw. Kontrollgrößen,
• Selbsttest aller für die Steuer- und Kontrollgrößen relevanten Systemkomponenten,
• regelmäßige dynamische Prüfungen der Mess- und Wiederholgenauigkeit des Schraubsystems durch den Anwender.

Mindestanforderungen an die Entdeckung von IO-bewerteten NIO-Verschraubungen:

• stichprobenartige Untersuchung von Serienverschraubungen durch geschulte Mitarbeiter mit geeigneten Prüfmethoden.

Messtechnische Anforderungen an die Mess-Signal-Erfassung:

• Amplitudendifferenz der Stromwerte: ca. 250 mV,
• Signallänge (Strom-Peak bei Erreichen des Anziehmoments): ca. 7 ms,
• Anziehdrehmoment: MDMin < MDSoll ≤ MDMax,
• Anzugszeitdauer: tMin < tSoll ≤ tMax (nach Start des Anziehvorgangs).

Lösung

Gemäß Aufgabenstellung sowie vorgegebener technischen Randbedingungen und einzuhaltender Sicherheitsvorschriften wurde ein redundantes Diagnosesystem zur eigentlichen Schraubersteuerung installiert. Das Diagnosesystem arbeitet autonom unter Echtzeitanforderungen zur Kontrolle des Schraubprozesses sowie zur Blockade des Schraubmontageablaufs im Fehlerfall.

Eine Störung im Diagnosesystem selbst darf jedoch die Radmontage und somit den Schraubprozess nicht beeinträchtigen.

Unter Berücksichtigung industrieller Umgebungsbedingungen sowie der geforderten Robust- und Zuverlässigkeit der Hardware verbunden mit hoher Flexibilität in der Softwareumsetzung, basiert die Hardware des Diagnosesystems auf der PAC-Lösung Compact FieldPoint. Das Prozessormodul cFP-2120 erfüllt sämtliche Anforderungen. Zum Erfassen der Kontrollgrößen Strom-/Drehmomentenverlauf ist das 12 bit AI-102-Modul bestens geeignet. Die Istwerte der Kontroll­größen werden analysiert nach vorgegebenen Min./Max.-Grenzwerten sowie deren Verlauf über die Zeit verifiziert. Fehlschraubungen werden optisch dem Bediener sofort signalisiert und der weitere Schraubprozess über separate Stellglieder blockiert. Die separate Diagnosesteuerungsperipherie wird mit einer dynamischen Funktionsüberwachung kontrolliert. Fehler in der Steuerungsperipherie sowie Fehler im Diagnosesystem selbst führen zu einer Stör- und Fehlermeldung, aber zu keiner Blockade des Schraubprozesses.

Mit der verwendeten Hardware lassen sich folgende Werte erreichen:

• Auflösung Amplitude: ca. 10 mV,
• Abtastintervall: ca. 3 ms.

Die Überwachungs- und Diagnosefunktionen sind realisiert unter LabVIEW-RT.

Für die geforderte Datenrückverfolgbarkeit der Prozessdaten aus der Montage sowie zur Langzeit­auswertung über aufgetretene Störungen und zur Datenarchivierung ist das Diagnosesystem mit dem übergeordneten Montage- und Fertigungsleitrechner und in den CAQ- Verbund über das Ethernet-Netzwerk integriert. Bild 2 verdeutlicht die Steuerungs- und Diagnose-Systemstruktur.

Steuerungsarchitektur und –funktion

Die eigentliche Steuerung des Schraubprozesses erfolgt über eine SPS als Primär-System. Die Steuerungsarchitektur des Primär-Systems sieht wie folgt aus:

SPS-Steuerung

• Betriebsarten,
• Ablaufprogramm,
• Schrauberüberwachung (Strom/ Drehmoment und Drehwinkel).

Bedienen und Anzeigen über Touch-Monitor

• Sollvorgaben,
• Parametrisierung,
• Istwert-Anzeige (numerisch).

Antriebstechnik: Servomotoren

Im autonom arbeitenden Diagnosesystem als redundantes System ist folgende Funktionalität implementiert:

PAC-System basierend auf Compact FieldPoint

• Echtzeit-Überwachung des Schraubprozesses über Strom-/Drehmomentenverlauf
• Zeitverhalten (Zeitüberwachung des Schraub-Prozesses),
• Lokalisierung fehlerhafter Schrauber,
• Reaktionsmassnahme: Blockieren des Schraubprozesses,
• dynamische Funktionsüberwachung der Diagnosesteuerungsperipherie.

Bedienen und Anzeigen über Touch-Monitor

• Sollvorgaben (Anlege-/ Anziehmoment, Überwachungszeiten),
• Parametrisierungen / Kalibrierungen,
• Istwert-Anzeigen (numerisch und als Kurvenverlauf),
• Fehlermeldung (Verursacher und Fehlerort).

Speichern und Bereitstellen der Messwerte an CAQ-System

Die prinzipielle Struktur des im Radmontageprozess integrierten Diagnosesystems zeigt Bild 3 auf.

Ergebnisse

Bild 4 zeigt den Signalverlauf über einen kompletten Schraubvorgang. Alle vorhandenen Schraub­systeme müssen innerhalb der vorgegebenen Zeit das festgelegte Mindestdrehmoment erreichen. Dabei darf eine Mindestzeit zum Erreichen des Anlegemoments jedoch nicht unterschritten werden. Erst nach positivem Abschluss dieses Vorgangs wird der Anziehprozess eingeleitet. Liegen alle Schrauberwerte im vorgegebenen Zeitfenster innerhalb des Anzugsdrehmomentfensters, so ist der Schraubprozess erfolgreich. Die Radmontage vollzieht sich in zwei Teilen: im ersten Prozess-Schritt werden die Schrauben 1-5, im zweiten Schritt die Schrauben 6-10 befestigt.

Tritt während des Schraubvorgangs eine Störung bzw. ein Fehler auf, wird der Monteur optisch informiert und der Schraubprozess blockiert. Nach Lösen aller Schrauben wird der Schraubvorgang komplett neu gestartet. Der eigentliche Prozess zum Erreichen des Anziehmoments erfolgt innerhalb von 7 ms. Die gemessenen Größen sowie deren Zeitverlauf jeder Schraubung werden mit vorgegebenen Grenzwerten angezeigt, dokumentiert und archiviert. Bild 5 zeigt einen fehlerhaften Signalverlauf. Dieser tritt beispielsweise dann auf, wenn die Schrauben im Gewindegang verkantet sind und das Drehmoment ohne den typischen Verlauf über die Zeit sofort einen Maximalwert annimmt.

Zusammenfassung

Die eingesetzte Lösung, basierend auf standardbasierenden Hard- und Softwaretools (cFP-Systeme und LabVIEW-RT) erfüllt sowohl die sicherheits- als auch messtechnischen Anforderungen und Vor­schriften. Fehlschraubungen werden sicher und zuverlässig erkannt. Insbesondere die Online-Darstellung der Prozess-Signale über den gesamten Zeitverlauf des Montagevorgangs sowie die Möglichkeit, den die Störung verursachenden Schrauber eindeutig zu identifizieren, führte innerhalb kurzer Zeit zu einer Optimierung des Radmontage-Prozesses sowie der mechatronischen Kompo­nenten. Alle Schraubungen für Vorder- und Hinterräder je Fahrzeug werden in Dateien zusammen­gefasst und mit den dazugehörenden Werten wie den eingestellten Grenzwerten und den gemesse­nen Prozesskenngrößen über die Zeit lokal im Compact FieldPoint-System gespeichert und an­schließend an den Leitrechner zur Archivierung übertragen.

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