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Eine Kamera wirft den prüfenden Blick auf das Ganze

Erfahrene Werkzeugbauer beurteilen den Bearbeitungsfortschritt vor allem anhand des Erscheinungsbildes der Oberfläche. Reflexionen, sichtbare Fräsriefen, Schleifspuren und die Homogenität der Fläche zeigen ihnen, ob ein weiterer Bearbeitungsschritt notwendig ist. Um diese visuelle Prüfung zu automatisieren, wurde im Projekt ein eigenes Kamerasystem entwickelt. Der sogenannte Vision-Head kombiniert für diesen Zweck eine monochrome Industriekamera mit einer kontrollierten Beleuchtung. Ein Schutzglas und ein integriertes Druckluftsystem halten Kamera und Werkstückoberfläche möglichst frei von Schleifstaub. Für das Training des Computer-Vision-Modells wurden im BMW-Werkzeugbau rund 10.000 Bilder unterschiedlicher Oberflächenzustände aufgenommen. Mit den BMW-Fachkräften wurden diese dann in vier typische Bearbeitungsstufen eingeteilt: Vom gefrästen Ausgangszustand über zwei Zwischenstufen bis zur fertig bearbeiteten Oberfläche. Ein erstes Klassifikationsmodell konnte die vier Zustände auf zwei unabhängigen Testdatensätzen mit Genauigkeiten von rund 95 Prozent unterscheiden. Künftig soll diese Bewertung direkt in den automatisierten Ablauf einfließen. Erkennt das System noch sichtbare Bearbeitungsspuren, kann der entsprechende Bereich dann erneut geschliffen werden. Ist der gewünschte Zustand erreicht, wird die Bearbeitung beendet oder mit dem nächsten Prozessschritt fortgefahren.

Gemeinsam vom Labor in den echten Werkzeugbau

Die Partner bringen unterschiedliche Kompetenzen in das Projekt ein. BMW stellt das Prozesswissen aus dem Werkzeugbau, reale Bauteile und industrielle Referenzoberflächen zur Verfügung. Die Hochschule München verantwortet die wissenschaftliche Koordination und entwickelt den Prüfstand, die Endeffektoren, die Bahnplanung und das Computer-Vision-System. MRK Systeme unterstützt insbesondere bei der mechatronischen Integration, der Anlagensteuerung und dem Sicherheitskonzept. Tebis begleitet die Arbeiten mit Know-how in den Bereichen Oberflächendigitalisierung, CAD/CAM-Prozessketten und automatisierte Programmierung. Die wesentlichen Komponenten sind inzwischen prototypisch aufgebaut: Der Laborprüfstand ist in Betrieb, die Endeffektoren wurden erfolgreich getestet, Roboterbahnen können automatisiert erstellt werden und das Computer-Vision-Modell erkennt unterschiedliche Schleifzustände.

So geht es mit dem automatischen Oberflächenfinish weiter

Die bisherigen Ergebnisse zeigen bereits das Potenzial der entwickelten Automatisierungslösung: In aktuellen Versuchen am Laborprüfstand können bereits rund 80 % der Bauteiloberflächen automatisiert abgezogen werden. Dazu zählen insbesondere planare, konvexe und leicht konkave Oberflächenbereiche. Damit konnte bereits ein wesentlicher Teil der bislang manuellen Schleifbearbeitung erfolgreich auf den Roboter übertragen werden. In den nächsten Schritten sollen die Bearbeitungsstrategien weiter optimiert, die Endeffektoren für den industriellen Einsatz weiterentwickelt und die Schleifergebnisse unter produktionsnahen Bedingungen mit einer Pilotanlage im BMW-Werkzeugbau validiert werden. Langfristiges Ziel ist ein zuverlässiger, automatisierter Prozess, der auch einen weitgehend mannlosen Betrieb über längere Zeiträume ermöglicht. Der Roboter soll dabei die Fachkräfte nicht vollständig ersetzen, sondern insbesondere repetitive und körperlich belastende Arbeiten übernehmen. Komplexe Radien, Kanten und Sonderfälle verbleiben zunächst bei den erfahrenen Werkzeugbauern, die sich dadurch verstärkt auf anspruchsvollere Tätigkeiten und die Prozessoptimierung konzentrieren können.

Nicht nur der automobile Werkzeugbau profitiert davon

Das Potenzial der Technologie reicht dabei über den automobilen Werkzeugbau hinaus. Denn auch im Bereich Werkzeug- und Formenbau für das Spritzgießen von Kunststoffen sowie bei der Herstellung von Formen für Faserverbund-Kunststoffteile aus CFK und GFK bestehen vergleichbare Herausforderungen bei der manuellen Oberflächenbearbeitung. Die im Projekt entwickelten Technologien könnten deshalb künftig auch in diesen Industriebereichen eingesetzt werden. Die Hochschule München ist offen für weitere Forschungskooperationen und den Austausch mit interessierten Industriepartnern, um zusätzliche Anwendungsfelder zu erschließen und die Technologie gemeinsam weiterzuentwickeln. „AutoFIN“ zeigt bereits heute, wie sich ein bislang weitgehend manueller Fertigungsschritt durch das Zusammenspiel von Robotik, intelligenter Software und adaptiver Werkzeugtechnik erfolgreich automatisieren lässt.

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