DE10150826A1

DE10150826A1 - Verfahren und Programmsteuersystem zur Steuerung einer Beschichtungsanlage

Info

Publication number: DE10150826A1
Application number: DE10150826A
Authority: DE
Inventors: Harald Gummlich; Juergen Jost
Original assignee: Duerr Systems AG
Current assignee: Duerr Systems AG
Priority date: 2001-10-15
Filing date: 2001-10-15
Publication date: 2003-04-17
Also published as: ES2299545T3; EP1302828A3; EP1302828A2; EP1302828B1; DE50211595D1; ATE384985T1

Abstract

In einer Beschichtungsanlage für die Serienbeschichtung von Werkstücken wie z. B. Fahrzeugkarossen werden die Beschichtungsbahnen vollautomatisch auf der Basis einer Werkstückdatei und gespeicherter standardisierter Lackierregeln generiert. Hierbei werden die Werkstückdaten zur Identifizierung einzelner typischer Teilbereiche der Werkstücke analysiert und für diese Teilbereiche die jeweils benötigten Lackierregeln ausgewählt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Programmsteuersystem zur Steuerung einer Beschichtungsanlage für die Serienbeschichtung von gleichen oder unterschiedlichen Werkstücken gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche. Insbesondre handelt es sich um ein rechnergestütztes Expertensystem für die Generierung der Lackierbahnen zur Beschichtung von Kraftfahrzeugkarossen mit Lackierrobotern.

Bei der Erzeugung der komplex geformten Lackbahnen auf Fahrzeugkarossen soll der Farbauftrag möglichst gleichmäßig und vollständig mit geringstem Produktions- und Materialaufwand erfolgen. Die Generierung der dafür erforderlichen Maschinen-, insbesondere Roboterbewegungsbahnen kann entweder nach dem Teach-in-Verfahren erfolgen, wofür aber hochqualifiziertes Fachpersonal erforderlich ist, oder alternativ softwaregestützt aufgrund der vorhandenen Informationen von hochqualifizierten Programmierern errechnet werden. Die "manuelle" Bahngenerierung am Rechner ist nicht nur sehr aufwendig, sondern wegen der vielen zu berücksichtigenden Parameter auch schwierig und entsprechend fehlerbehaftet. In der Regel müssen nach zunächst probeweiser Beschichtung einzelner Karossen beispielsweise als Schichtdickenunterschiede sichtbare Fehler in nachfolgenden manuellen Optimierungsarbeiten durch Variierung der Zerstäuber- und Bahnparameter korrigiert und die Ergebnisse dann erneut getestet werden, bis sich schließlich einwandfreie Qualität ergibt. Erschwerend kommen subjektive Faktoren wie Qualifizierung und Erfahrung der Programmierer hinzu. Mit den ständig steigenden Anforderungen an die Produktivität wird der hohe Arbeits- und Zeitaufwand dieser bekannten manuellen Verfahren zunehmend unbefriedigend.

Verfahren zur Bewegungssteuerung von Anlagen für die Beschichtung von Fahrzeugkarossen sind u. a. aus EP 0 298 313, WO 93/18860, DE 43 39 748 und EP 0 829 788 bekannt. Nach der DE 101 20 272 wird aufgrund einer Simulierung des Beschichtungsvorgangs einschließlich der Bewegungsabläufe am Rechner die für den späteren tatsächlichen Beschichtungsvorgang benötigte Materialmenge vorherbestimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. ein Programmsteuersystem anzugeben, die das Generieren der für höchstmögliche Beschichtungsqualität jeweils erforderlichen Beschichtungsbahnen schneller, einfacher und zuverlässiger ermöglichen als bisher.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Durch die Erfindung wird im Gegensatz zu den "manuellen" bekannten Methoden eine vollautomatische Generierung und Prüfung der Lackierbahnen ermöglicht und dadurch u. a. der Zeitaufwand für Produktionsvorbereitung, Produktionsbegleitung und Fehlersuche deutlich reduziert. Aufwendige regelmäßige Versuche werden auf ein Mindestmaß einmaliger Situationsstudien reduziert. Durch Anwendung standardisierter und nur einmalig praktisch optimierter Prozessvorschriften erhält die Ergebnisaussage eine hohe Wahrheitskraft. Die Auswirkung von Parametervariationen auf das Prozessergebnis können einfach und entsprechend kostengünstig simuliert und dargestellt werden. Qualitätsziele und Produktivitätsziele können durch die umfassende Einbeziehung aller Prozesseinflüsse nach Ursache und Wirkung logisch optimiert werden. Es ergibt sich Unabhängigkeit von subjektiven Einflüssen und Abhängigkeiten bei der Abwicklung von Routineaufgaben.

Ferner ermöglicht das Konzept des Expertensystems auf einfache Weise einen stetigen Ausbau des automatisierten Expertenwissens. Der Gesamtprozess kann wesentlich schneller als bisher an Prozessänderungen angepasst werden (z. B. an verändertes Lackmaterial). Optimierungsprozesse können durch einen virtuellen Variantenvergleich beschleunigt werden.

Die Erfindung kann vorrangig und besonders vorteilhaft bei der Produktionsvorbereitung für die Serienlackierung von Werkstücken sehr komplexer Bauformen wie namentlich von Fahrzeugkarossen eingesetzt werden. Hierbei kann die laufende Produktion vorteilhaft optimiert werden. Potenzielle und vermutete Fehlersituationen sind mit der damit verbundenen Ergebniserwartung als Simulation darstellbar. Durch Variantensimulationen können die jeweiligen Produktionsumstände dargestellt und anschließend durch Auswahl der geeigneten Variante optimiert werden.

Lokalisierung und Behandlung unerwünschter Ergebnisabweichungen, Bewertung der Auswirkungen von Parameterabweichungen auf das Prozessergebnis durch Simulation und Visualisierung, Optimierung hinsichtlich Wirtschaftlichkeit (Prozess- und Materialaufwand) und Qualitätsergebnis (geringste Soll-Ist-Abweichungen im Schichtdickenaufbau) werden auf einfache Weise durch Bereitstellung interaktiver Softwaretools ermöglicht.

Am Beispiel einer Beschichtungsanlage für die Serienbeschichtung von Fahrzeugkarossen mit Robotern wird die Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 das Schema zur automatischen Generierung der Lackierbahnen und deren Prüfung;
Fig. 2 ein Schema zur Erläuterung der erfindungsgemäß bereitgestellten Lackierregeln;
Fig. 3 ein Schema zur Erläuterung der Karossendatenanalysierung und
Fig. 4 ein Schema zur Erläuterung der Bahnerzeugung aufgrund der Karossendatenanalyse und der Lackierregeln.
Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Schema sind in einem Werkstückdatenspeicher 1 in an sich bekannter und üblicher Weise die geometrischen und ggf. sonstige Informationen über die zu lackierenden Karossen in Form von CAD-Files gespeichert. Ferner enthält der Datenspeicher 1 eine Datei mit Analysestrategiedaten, die bei der später beschriebenen Datenanalysierung verwendet werden. Ein weiterer Datenspeicher 2 enthält Informationen und Steuerdaten über den Beschichtungsprozess, die insbesondere den Aufbau der jeweiligen Sprühkabine (Zelle), die verwendeten Roboter und Zerstäuber sowie den Prozessablauf betreffen.
Von den Speichern 1 und 2 wird eine automatisch arbeitende Programmierungseinheit 4 gespeist, die zur selbsttätigen Generierung und Verifizierung der jeweiligen Lackierbahnparameter aufgrund der Karossendaten im Speicher 1 und der Prozessvorgaben insbesondere aus dem Speicher 2 sowie aufgrund standardisierter Lackierrichtlinien (Regeln oder Algorithmen) dient, die in einer Regeldatenbank 3 gespeichert sind. Diese Datenbank kann von außerhalb der Einheit 4 von dem bei 5 dargestellten Lackierregel-Editor gesteuert werden.
Bei dem hier betrachteten Beispiel kann der Inhalt der Regeldatenbank 3 dem in Fig. 2 dargestellten Schema entsprechen. Es beruht auf der Erkenntnis, dass die komplex und an sich je nach Fahrzeugtyp unterschiedlich geformten Karossen jeweils spezielle typische Teilbereiche wie Dach, Türen, Kotflügel, Säulen, Holme usw. mit den ggf. unterschiedlichen Karossen gemeinsamen Merkmalen haben, die jeweils eigene Lackierrichtlinien erfordern.
Zunächst gibt es allgemeine Lackierrichtlinien, nach denen Großflächen (z. B. Dächer), Schmalflächen, Kanten usw. jeweils andere Bahnmuster benötigen und jeweils andere Sprühstrahl- oder "Brush"-Konzepte erforderlich sind (als "Brush" werden üblicherweise Lackierparameter wie Farbmenge, Sprühkegelformung usw. bezeichnet). Zu den allgemeinen Lackierrichtlinien gehören auch zweckmäßige Default-Regeln (automatische Parameterwahl). Ferner gibt es formbezogene Lackierrichtlinien für spezielle Lackierbahnformen an Kotflügeln, Säulen, Holmen, Türen usw. ebenfalls mit zugehörigen Default-Regeln. Schließlich gibt es verschiedene verfahrensbezogene Lackierrichtlinien, die u. a. Vorzugsrichtung der Zerstäuberbewegungen, die jeweiligen Roboterzuordnungen, die Bewegungsorientierung der Zerstäuber bezüglich der Karossenförderung, Verkettungskonzepte usw. bestimmen. Auch hierzu gehören spezielle Default-Regeln.
Gemäß einem zweckmäßigen Realisierungskonzept können die hier betrachteten Lackierrichtlinien die folgende digitale und strukturierte Form haben:

1. Allgemeine Beschichtungskonzepte:
- - Allgemeines Auftragskonzept an Großflächen (Mehrfachbeschichtung, Bahnanreihung, Toleranzen)
- - Beschichtungskonzept an Längs- und Quer-Außenkanten
- - Beschichtungskonzept an Modul-Stoßstellen
- - Beschichtungskonzept an Stoßstellen zwischen Karosserieteilen
- - Allgemeines Brush-Konzept, Brush-Staffelung, Schmalflächen-Beschichtung, Brush-Auswahlkriterien, Spritzbilder
- - Default-Großflächenkonzept, Default-Schmalflächenkonzept
2. Formbezogene Beschichtungskonzepte
- - Kotflügel, Säulen, Holme, Schürzen, Schweller
- - Default-Behandlungskonzepte
3. Technologiebezogene Beschichtungskonzepte
- - Vorzugs-Applikationsrichtungen
- - Beschichtungs-Modularisierung ("Welcher Roboter macht was?")
- - Beschichtungs-Verkettung ("In welcher Reihenfolge werden welche Module abgearbeitet?")
- - Zerstäuberabhängige Konzepte (Elektrostatische Zerstäuber, Luftzerstäuber)

Damit die verschiedenen gespeicherten Lackierrichtlinien automatisch den jeweiligen typischen Teilbereichen der Karossen zugeordnet werden können, für die sie jeweils bestimmt sind, werden die im Speicher 1 enthaltenen Karossendaten zur Identifizierung der einzelnen Karossenteilbereiche und zur Ermittlung der benötigten Richtlinien analysiert. Dies geschieht selbsttätig in der in der Einheit 4 enthaltenen Analysiereinrichtung 6.
Wie in Fig. 3 dargestellt ist, erfolgt die Analyse durch Vorverarbeitung der Karossendaten aus dem Speicher 1 (Fig. 1) in drei Schritten. Im ersten Schritt ("Job Level") erfolgt eine automatische Analyse der Karosse zur Findung der jeweils erforderlichen Beschichtungsaufgaben ("Jobs") zum Lackieren der typischen Teilbereiche der jeweiligen Karosse wie z. B. Dachfläche (einschließlich Holmen, ohne Säulen), Frontfläche (Motorhaube, Front-Grill-Fläche), Heckfläche (Heckklappe, Heckschürze) und Seitenflächen rechtslinks (Kotflügel vorne/hinten, Türen, Säulen, Holme, Schweller). Dies geschieht mit Hilfe geeigneter Softwaretools. Access-Tools ermöglichen den Zugang zu den Karossendaten, während Edge-Detection-Tools für die Identifizierung der Daten der jeweiligen Teilbereiche durch Feststellung zwei- und dreidimensionaler markanter Karossenstellen wie z. B. Außenkanten oder Aussparflächen sorgt. Im zweiten Schritt ("Module Level") werden die erwähnten Jobs automatisch zur Findung standardisierter Lackier-Module, d. h. abgeschlossene Lackierbahn-Softwarepakete für die jeweiligen Jobs analysiert. Hierbei helfen Surface-Filter-Tools, d. h. dreidimensionale Oberflächendatenfilter beispielsweise bezüglich Glättung an Sicken, Design-Kanten, Markierungslöchern, Leisten, Tankeinfüllstutzen usw. und Tools in Form von Nachschlagtabellen (LUT) für den jeweiligen Jobtyp. Die Vorgänge dieser beiden "Job Levels" können als Karossenbilder sichtbar dargestellt werden. Im dritten Schritt ("Parts Level") erfolgt die automatische Analyse der oben erwähnten, im zweiten Schritt gefundenen Module zur Findung von differenziert zu behandelnden Teilflächen, die eine entsprechende Modifizierung erfordern, beispielsweise Brush- Variationen bei fest vorgegebenen Lackierbahnen oder Modulen an kantenlosen Teilen oder zur Fehlerkorrektur mit Hilfe eines geeigneten Brush-Editors. Als weitere Softwaretools dienen Nachschlagetabellen für den Modultyp.
Aufgrund der Analyseergebnisse werden unter Verwendung der jeweils gewählten Beschichtungssteuerregeln, also der oben beschriebenen Lackierrichtlinien in der in Fig. 1 als "Path- Designer" bezeichneten Bahnerzeugungseinrichtung 7 selbsttätig die Bahnsteuerprogramme für die einzelnen Teilbereiche der Karosse erzeugt und zu dem Gesamtsteuerprogramm zusammengefügt. Wie dies im Einzelnen geschieht, ist schematisch in Fig. 4 veranschaulicht.
Vorteilhaft kann aufgrund der Erfindung das von der Einrichtung 7 erzeugte Steuerprogramm vor Beginn des Beschichtungsbetriebes selbsttätig in Hinblick darauf überprüft werden, ob es bei der Beschichtung problemlos ausführbar ist. Diese in Fig. 1 bei 10 dargestellte Kontrolle der "Machbarkeit" des Prozessablaufs erfolgt automatisch unter Berücksichtigung der relevanten Parameter der Anlagenkomponenten wie z. B. der Roboterreichweite, der Kollisionsmöglichkeiten usw. Wenn hierbei ein Fehler festgestellt wird, kann ebenfalls automatisch ein Fehlerreport erstellt werden, der extern zur Fehlerbeseitigung benutzt wird, wie bei 11 und 12 dargestellt ist. Ferner kann vorteilhaft vor Beginn des Beschichtungsbetriebes die sich aufgrund des erzeugten Steuerprogramms ergebende Beschichtungsqualität selbsttätig beispielsweise hinsichtlich der Anzahl der Beschichtungsbahnen und der Schichtdicke überprüft werden. Diese automatische Qualitätskontrolle ist in Fig. 1 bei 14 dargestellt. Bei 15 werden entsprechende Reports mit den von der Einheit 4 erzeugten Programmdaten ausgegeben. Durch die Qualitätskontrolle simulierte Schichtdickenwerte können bei 16 visualisiert und bei 17 extern optimiert werden.
Bei der beschriebenen virtuellen Machbarkeits- und Qualitätsprüfung kann zunächst anhand einer bildlichen Darstellung der generierten Bahn auf dem betreffenden Karossenbereich (z. B. Dach) überprüft werden, ob alle zu beschichtenden Teile innerhalb des dafür vorbestimmten Zeitfensters erreicht werden. Im Bedarfsfall können Fehler mit geeigneten Tools korrigiert und die einzelnen Softwaremodule modifiziert werden. Sodann kann ebenfalls mit bildlicher Darstellung durch dreidimensionale Ablaufsimulation eine Kollisionsüberprüfung und bei Bedarf eine Fehlerbehandlung mit geeigneten Tools durchgeführt werden. Zur virtuellen Qualitätsprüfung erfolgen schließlich anhandbildlicher Darstellung der Beschichtungsbahnen zweckmäßig auf der vollständigen Karosse eine Überprüfung der Beschichtungszahl, Schichtdickensimulationen und bei Bedarf Optimierungen unter Verwendung geeigneter Tools.
Beispielsweise kann die virtuelle, den tatsächlichen Beschichtungsbetrieb simulierende Kontrolle zur Fehlererkennung und Prozessoptimierung dem folgenden Schema entsprechen:

1. Machbarkeit im Sinne von Erreichbarkeit
- - Kann er Roboter die zugewiesenen Orte immer zum Bedarfszeitpunkt und in einem bestimmten Zeitfenster erreichen?
  » Markierung nicht/zeitlich limitiert erreichbarer Regionen
2. Machbarkeit im Sinne von Schadensausschluss (Kollision oder Berührung) und Risikominimierung (Annäherung)
- - Ausschluss der Kollision/unvertretbare Annäherung Roboter (bzw. Zerstäuber)-Karosse
- - Ausschluss der Kollision/unvertretbare Annäherung Roboter (bzw. Zerstäuber)-Roboter (bzw. Zerstäuber)
- - Ausschluss der Kollision/unvertretbare Annäherung Roboter (bzw. Zerstäuber) - Kabinenteile
  » 3D-Prozesssimulation mit beliebigen Betrachter- Standpunkten maximal/real/slow-Motion, Pause, Zoom, 3D-Abstandsmessung (ggf. Kollisions- Detektion), Prozess-Editor
3. Qualitätskontrolle im Sinne Schichtdickengleichmäßigkeit
- - Schichtdickensimulation im Sinne "Anzahl der Applikationsschichten"
- - Schichtdickensimulation im Sinne "Materialverteilung mit Beachtung der Brush-Bilder"
  » Karosse mit Falschfarben-Texturierung
4. Produktivitätskontrolle und Wirtschaftlichkeit
- - Zeit-Gesamtbedarf
- - Aktive Produktionszeit, Zeit für Hilfs- und Leer- Funktionen
- - Materialbedarf
  » Reports, Timing Charts

Claims

1. Verfahren zur Steuerung einer Beschichtungsanlage für die Serienbeschichtung von gleichen oder unterschiedlichen Werkstücken mit unterschiedlich geformten typischen Teilbereichen, bei dem die Bewegungsbahnen einer Beschichtungsvorrichtung in Abhängigkeit von in einer Werkstückdatei (1) gespeicherten Informationen über das Werkstück errechnet werden und die Beschichtungsvorrichtung während des Beschichtungsbetriebes durch die aufgrund der Berechnung erzeugten Bewegungsprogramme (15) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass
den einzelnen, typischen Teilbereichen der Werkstücke jeweils zugeordnete Beschichtungssteuerregeln gespeichert werden;
die gespeicherten Werkstückdaten selbsttätig zur Identifizierung der jeweiligen Informationen über die einzelnen Teilbereiche analysiert werden;
für jeden Teilbereich aus den gespeicherten Steuerregeln selbsttätig die jeweils zu verwendende Steuerregel ausgewählt wird;
aufgrund der ausgewählten Steuerregeln und der gespeicherten Werkstückdaten selbsttätig die zumindest den Bewegungsverlauf bestimmenden Bahnsteuerprogramme für die einzelnen Teilbereiche erzeugt werden; und
die einzelnen Bahnsteuerprogramme selbsttätig zu dem Gesamtsteuerprogramm (15) zusammengefügt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass neben den Bewegungssteuerregeln zusätzlich Funktionssteuerregeln für die Bahnsteuerung in Abhängigkeit von den typischen Teilbereichen gespeichert und ausgewählt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungsprozess vor Beginn des Beschichtungsbetriebes virtuell simuliert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erzeugte Steuerprogramm vor Beginn des Beschichtungsbetriebes selbsttätig in Hinblick darauf überprüft wird, ob es bei der Beschichtung problemlos ausführbar ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor Beginn des Beschichtungsbetriebes die sich aufgrund des erzeugten Steuerprogramms ergebende Beschichtungsqualität selbsttätig beispielsweise hinsichtlich der Anzahl der Beschichtungsbahnen und/oder der Schichtdicke überprüft wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der simulierte Beschichtungsprozess visualisiert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Programmtools zur Lokalisierung und Behandlung von bei der Simulierung festgestellten Fehlern, zur Bewertung der Auswirkung von Fehlern auf das Prozessergebnis und/oder zur Prozessoptimierung bereitgestellt werden.

8. Programmsteuersystem zur Steuerung einer Beschichtungsanlage für die Serienbeschichtung von gleichen oder unterschiedlichen Werkstücken mit unterschiedlich geformten typischen Teilbereichen, bei dem die Beschichtungsbahnen über Beschichtungsvorrichtung in Abhängigkeit von in einer Werkstückdatei (1) gespeicherten Informationen über das Werkstück errechnet werden und die Beschichtungsvorrichtung während des Beschichtungsbetriebes durch die aufgrund der Berechnung erzeugten Bewegungsprogramme (15) gesteuert wird, gekennzeichnet durch
einen Datenspeicher (3), in dem den einzelnen, typischen Teilbereichen der Werkstücke jeweils zugeordnete Beschichtungssteuerregeln gespeichert sind;
eine Werkstückanalysiereinrichtung (6), die die gespeicherten Werkstückdaten selbsttätig zur Identifizierung der jeweiligen Informationen über die einzelnen Teilbereiche analysiert; und
eine Bewegungsbahnerzeugungseinrichtung (7), die für jeden Teilbereich aus den gespeicherten Steuerregeln selbsttätig die jeweils zu verwendende Steuerregel auswählt, aufgrund der ausgewählten Steuerregeln und der gespeicherten Werkstückdaten selbsttätig die zumindest den Bewegungsverlauf bestimmenden Bahnsteuerprogramme für die einzelnen Teilbereiche erzeugt und die einzelnen Beschichtungssteuerprogramme selbsttätig zu dem Gesamtsteuerprogramm (15) zusammenfügt.

9. Programmsteuersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückanalysiereinrichtung (6) von der Werkstückdatei (1) in Form von CAD-Files zugeführte Werkstückinformationen analysiert.