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Testsysteme.

CyberFLEX –Cyberphysikalisches produktflexibles Testsystem für Labor und Fertigung

Abstract

 

Die Konzernlastenhefte der großen Automobilhersteller für 1st Tier Lieferanten  betreffend der Benutzerinterfacesysteme im Automobil (unter anderem Haptik-, Beleuchtungs- und Akustiklastenhefte) wurden in den letzten Jahren massiv verschärft. Direkte Folge davon ist die Weitergabe dieser Forderungen an die Hersteller von Labor- und Bandendetestsystemen. Die SYSTEC GmbH aus Nürnberg– langjähriges Mitsubishi Automation Center – hat darauf reagiert und neue innovative Lösungsansätze entwickelt, die bereits weltweit im Einsatz sind.

CyberFLEX ist ein produktflexibles Testsystem, das ideal geeignet ist um unter anderem  Bedien- und Anzeigegeräte im Labor oder am Bandende zu prüfen. Neben den elektrischen Tests sind auch Prüfungen in den Bereichen Haptik, Bildverarbeitung, Lichttechnik, Akustik (3D), Force Feedback/Sense, Vibration (3D), Multitouch, CAN, LIN, Automotive Ethernet, MOST und FlexRAY möglich. Die Systeme bestehen aus einem stabilen Stahlgestell mit integriertem 6kg 4-Achs SCARA-Roboter, der zusammen mit einer integrierten Dreh-/Schwenkeinheit einen virtuellen 6-Achs-Robotersystem mit hoher Steifigkeit und geringem Footprint ermöglicht. Dadurch ist es möglich alle relevanten lichttechnischen und haptischen Prüfungen winkelabhängig durchzuführen. Die Systeme sind selbstkalibrierend, selbstjustierend und Industrie 4.0 „kompatibel“.

 

Roboterbasierter Prüfstand mit Dreh-/Schwenkeinheit

 

Der Unterbau des universellen Prüfsystems  basiert auf einem stabilen Stahlrahmen. Mittels Stoppliftrollen ist das  System transportabel. Auf Grund  des integrierten Mitsubishi Electric 4-Achs-Scararoboter und einer Prüflingsaufnahme mit Dreh- und Schwenkeinheit, die einen virtuellen 6-Achsroboter mit extremer Steifigkeit und höchster Flexibilität abbildet ist der Footprint extrem klein. Beim Roboter setzt SYSTEC auf den 4-Achs-Scara-Hochleistungsroboter  Mitsubishi Electric RH_6FH5520, der sich durch extrem hohe Steifigkeit, hohe (Wiederhol-) genauigkeit, ausgezeichnete Zuverlässigkeit, einfache und effiziente Applikationserstellung, hohe Geschwindigkeit, weltweite Verfügbarkeit und ausgezeichnete Wartbarkeit auszeichnet.

Der Roboter wird über den skalierbaren Controller Mitsubishi Electric CR750 angesteuert. Durch die standardmäßige Möglichkeit zusätzliche Achsen anzusteuern und dem im System integrierten Servoverstärker Mitsubishi Electric MR_J4_W2_22B sind  die weiteren Achsen (Drehen und Schwenken) ohne Softwarebruch integrierbar. Die Servos Mitsubishi Electric HF_KP13B und Mitsubishi Electric HF_KP13 sind verantwortlich für die hochdynamischen Prüflingsbewegungen, die eine neue Maßstäbe im Bereich des  roboterbasierten  Testens setzen.

Durch die durchgängige Verwendung  elektrischer Komponenten kann auf Pneumatik verzichtet werden. Diese ist jedoch optional integrierbar.

Dynamisch wechselbare Roboterköpfe ermöglichen skalierbaren Funktionsumfang und diverse Handhabungs-, Sensorik- und Aktorikoptionen. Zentrale Rechner- und Messtechnikkomponenten sind ein 19“ PC mit Servermainboard und aktueller XEON-Architektur, einem optionalen PXI-Chassis mit diversen Einsteckkarten (CAN, DMM, etc.) und einem standardmäßig integrierten SYSTEC Messrack, das auf National Instruments innovativer sbRIO-Architektur basiert.

Als Softwareplattform gelangt das aktuelle SYSTEC Application Framework zum Einsatz. Es ermöglicht eine einfache und effiziente Erstellung von Testabläufen durch einfache Konfiguration. Als Inputs für die Tests werden XML, SQL oder MS-Excel akzeptiert

In LabVIEW (Windows/Realtime/FPGA) 2015 64 bit erstellte Testcases führen zusammen mit der Realtimeansteuerung des Virtuellen Roboters mittels LabVIEW RT zu synchronisierten nebenläufigen Sensorik- und Aktorikanwendungen, die eine unerreichte Prüfaussage ermöglichen.
Auch die Implementierung völlig neuartiger kundenspezifischer Anwendungen ist durch die durchgängige Design Tool Chain mit Solid Works, Mitsubishis Melfa Works, Altium Designer und LabVIEW vergleichsweise einfach möglich. Über Melfa Works und Solid Works sind automatisierte Bewegungsprofilprogrammerstellungen und Simulationen im Vorfeld effizient möglich. Die von SYSTEC entwickelte LabVIEW-basierte Echtzeitschnittstelle für Mitsubishi Electric Roboter ist hervorragend geeignet um sensorabhängige Abläufe zeitsynchron und nebenläufig  abzubilden. Mitsubishi Electric hat durch die Offenlegung der Roboter-Echtzeitschnittstelle Möglichkeiten geschaffen, die Grenzen der Robotik zu überwinden.

 

 

RH-6FH55_R

Nicht nur auf Grund des geringen Footprints ist CyberFLEX sowohl für den Laboreinsatz als auch für die Fertigung prädestiniert.

CyberFLEX-Totale

 

Das nachfolgende Bild zeigt eine zentrale Komponente dieser universellen Testplattform, das SYSTEC Drehhaptikmodul DHM2.  Mit diesem Modul ist es möglich den Drehmoment-/Drehwinkelverlauf von Drehstellern zu vermessen. Die Systeme besitzen eine ausgezeichnete Messunsicherheit, eine hohe Steifigkeit und zeichnen sich   auf Grund ihrer Konstruktion und des lagerlosen Drehmomentsensors durch einen überragenden Fluchtungsfehlerausgleich aus. Es stehen eine Vielzahl von Drei- und Vierbackengreifer zum optimalen Greifen von unterschiedlichsten Drehstellern und Knebeln zur Verfügung. Kalibrierbar sind die Drehhaptikmodule über das weltweit einzigartige SYSTEC Drehhaptiktransfernormal DTN38.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Testkopf                                                                                                   

 

Mit Hilfe der 3CCD-Kamera Jai AT200 GE ist es möglich lichttechnische Analysen (Leuchtdichte, dominante Wellenlänge, Farbort, Homgenität) und Bildverarbeitung (Shapematching, Patternmatching) effizient durchzuführen. Die Kameras sind rückführbar kalibriert und ermöglichen durch die Verwendung von CUDA-Algorithmen eine extrem kurze Analysezeit der aufgenommenen Bilder. Die Kamera ist fest am System adaptiert und ermöglicht die automatisierte Erkennung der Lage von Drehstellern durch die Verwendung fortschrittliche 3D-Technologien  und –algorithmen (Canny-Edge Filter und Hough Transformation).

 

Drehhaptik+DUT

 

CyberFLEX  ist eine Plattform , das durch die Hard- und Softwarearchitektur die Voraussetzung für eine kosteneffiziente-, produktflexible- und prozesssichere Fertigung  garantiert. Wichtige Schwerpunkte hierbei sind unter anderem die adaptive und selbstlernende Optimierung der Abläufe, die Selbstkalibrierung und Selbstjustage, der intelligente Umgang mit Problemen und der teilautomatischen Behebung, sowie die Ressourcenschonung durch optimierte Ablaufplanung und mit Hilfe modernster Halbleiter- und Antriebstechnologien. Die Systeme übertreffen alle Anforderungen der aktuellen Maschinenrichtlinie, der internationalen Gesetzgebungen, Normen und Vorschriften.

Multilingualität und automatische Anpassung an verschieden Stromnetze, sowie Umgebungsbedingungen (Temperatur und Feuchte) sind obligatorisch. Unterbrechungsfreie Stromversorgungen und Fernwartungsmöglichkeiten sind Standard.

Sensoradaptive Roboterbewegungen ermöglichen die flexible Ausführung der Qualitätsprüfungsaufgaben. Der Roboter kann sich dabei flexibel an den Prüfprozess des jeweiligen Werkstücks anpassen und den adaptiven Prüfkopf entlasten, sowie eine flexiblere Nutzung jenes Prüfkopfs ermöglichen. Hierbei ist jedoch auch die einfache Rekonfigurierbarkeit dieser Roboteraufgaben wichtig für die Akzeptanz bei Bedienern, die schnelle Umrüstung, sowie die unkomplizierte Behebung von Fehlern und Prozessmängeln. Des Weiteren können aus den Ausführungsdaten der flexiblen Roboterbewegung Informationen über Prozess- und Werkstückveränderungen über viele Takte hinweg gesammelt werden. Diese Daten in einer lernenden Komponenten zu verarbeiten, welche sowohl aus stetigen Veränderungen Probleme antizipieren und vor zukünftigen Fehlern warnen kann (predictive analysis), sowie die Roboteraufgaben stetig aus Erfahrung optimiert (Erfahrungslernen), führt zu einer robusteren, sich selbst optimierenden Anlage, welche weniger Einrichtungsaufwand und –abstimmung benötigt.

SYSTEC-Testrack

 

Controllerbereich

 

 

Bei der Verwendung der Komponenten und der Gestaltung der Abläufe wird bezugnehmend auf bestehende Low Cost Intelligent Automation – Anforderungen in Zeiten von Industrie 4.0 auf folgende Gesichtspunkte besonderer Wert gelegt:

 

  • Optimierte CPTS-Implementierung (Cyber Physical Test Systems)
  • „Plug and Produce ready“ (automatische Erkennung von Adaptern, Prüflingen)
  • Optimierung der Abläufe
  • Selbstkalibrierung, Selbstjustage, Lernfähigkeit, dynamische Prüfablaufanpassung,
  • Autoreparatursysteme durch dynamischen Austausch redundanter Subsysteme)
  • Prüftaktoptimierung durch fortgeschrittene Boundary-Scan-Technologien
  • Vereinfachte Erstellung von Testsequenzen auf Basis eines fortgeschrittenen Frameworks, das die Anforderungen von Entwicklung und Fertigung abdecken
  • Erfüllung von technischen Lastenheften der OEMs (Prüftiefe, Prüfaussage, Taktzeiten)
  • Lichttechnik (Leuchtdichte, dominante Wellenlänge, Farbort, Flicker)
  • Bildverarbeitung (Patternmatching, Shapematching, Symbollage)
  • CAN-/LIN-/Gigabit-Ethernet-/Most-/Fexray-Kommunikation
  • Force Feedback, Force Sense, Akustik, Gestenerkennung, Multitouch
  • Tastenhaptik, Wippenhaptik, Drehhaptik
  • 10 Gigabit Ethernet Switching
  • Hohe Verfügbarkeit (Langzeitverfügbarkeit von Komponenten)
  • Geringe Beschaffungsdauer der Komponenten Beschaffbarkeit der meisten Komponenten
  • Hohe Robustheit des Systems
  • Hohe Performanz und Steifigkeit der Antriebe
  • Geringe Vibrationsneigungen
  • Höchste Performanz und ausgezeichnete Zukunftsfähigkeit durch Verwendung modernster Technologien
  • Windows 10 64bit, LabVIEW 2015 64bit
  • CUDA C, C#, .net 5.0
  • CUDA Beschleunigerkarten
  • Parallele Realtime-Systeme
  • Field Programmable Gate Arrays,
  • Ökonomie und Ökologie
  • Preis-/Leistungsverhältnis hervorragend
  • Footprint-, Folgekosten-, Stromverbrauch-, Schalldruck sehr gering
  • Ergonomie ausgezeichnet
  • Maintainability hervorragend
  • Effiziente Planung und ständige Optimierung aller Abläufe (Parallelisierung der Abläufe unter möglichst maximaler Überschneidungsfreiheit bei einzelnen Aufgaben)
  • Verfügbarkeit von Redundanzen nahezu aller Ressourcen
  • PMFU mit Normalen (ausgezeichnete cgk-Werte)
  • High-End-Antriebstechnik mit fortschrittlicher Encodertechnologie
  • Antriebe im Mitsubishi-Robotermodus simulier- und teachbar

 

Fazit

Die langjährige und äußerst fruchtbare Zusammenarbeit zwischen der Firma Mitsubishi Electric und SYSTEC basiert auf dem intensiven Austausch nicht nur zwischen den Entwicklungsabteilungen. Mitsubishi Electric setzt viele Ideen und Vorschläge aus dem Anwenderumfeld um und ermöglicht somit die Basis für hochinnovative Systemlösungen. Cybertest ist eine Plattform, die den effizienten Test und zukünftig auch Montage nicht nur von Bedien- und Anzeigesystemen gestattet. Durch die Offenheit im Bereich Hard- und Software und die Supercomputing Performance (FPGA, CUDA) sind extrem kosteneffiziente Lösungen möglich, die bisher kaum denkbar erschienen.

Die verwendeten Mitsubishi-Komponenten garantieren höchste Genauigkeit, ausgezeichnete Performanz, weltweite Verfügbarkeit, Offenheit und Zukunftssicherheit. Die Vorteile der Systemplattform CyberFLEX werden sich in den nächsten Jahren in Bereichen herauskristallisieren, die bisher nicht im Focus standen, wie zum Besipiel dreidimensionale Terahertzanalyse von Werkstoffen oder intelligente Montagesysteme. Der große Vorteil des Ansatzes ist der fehlende Designbruch und die optimale Wiederverwendbarkeit der Arbeitsergebnisse zwischen Forschung-, (Vor-)Entwicklung, Qualitätssicherung und Fertigung vor allem bei den OEMs, den 1st- und 2nd-Tier Lieferanten, der Forschungsgemeinschaft, der Lehre sowie den Sondermaschinenbauern in allen relevanten Märkten. CyberFLEX schafft es eine Plattform zu etablieren, die eine optimale Wiederverwendbarkeit von Code und Arbeitsergebnissen garantiert.  Dies ist ein wichtiger Schritt zu cyberphysikalischer Testintelligenz und somit auch zu Industrie 4.0.

 

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