11.08.2017

Qualitätsprüfung von zylindrischen Blechteilen

Parallele Prüfprozesse

Auf einer kompakten Prüfanlage zur optischen Kontrolle von zylindrischen Blechteilen werden Diffusoren für Kfz-Airbags in insgesamt elf Kamerastationen mit variablen Durchlaufzeiten zuverlässig inspiziert. Eine wichtige Rolle übernimmt dabei der flexible Bauteiltransport. Denn das eingesetzte Linearsystem parallelisiert die einzelnen Prüfprozesse des komplexen Testablaufs und erhöht so den Produktausstoß.


Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KG

Typischerweise sind bei der automatischen optischen Bauteilinspektion eine Reihe von Kameras in mehreren nachgeschalteten oder parallelen Kontrollstationen erforderlich, um bei komplexen Bauteilgeometrien alle Prüfkriterien abdecken zu können. Dies gilt auch für die Gefasoft-Prüfanlage Sova-VIS 16, die Diffusoren für Kfz-Airbags prüft. Diese becherförmigen, tiefgezogenen Stahlblechbauteile, in verschiedenen Varianten mit etwa 60mm Durchmesser, müssen als sicherheitskritische Bauteile vor der Weiterverarbeitung einer umfangreichen Oberflächenkontrolle der Innen- und Außenseite unterzogen werden.

Zeitunterschiede ausgleichen

Während manche der Prüfaufgaben lediglich eine einzige Aufnahme erfordern, setzen andere Anforderungen aus dem Fehlerkatalog eine ausgeklügelte Beleuchtungstechnik mit mehreren Bildaufnahmen voraus. Vor allem die Innenwand des Diffusors ist eine kritische Funktionsfläche, die detailliert auf Fehlstellen mit Abmessungen von nur einigen 10m in der Stahloberfläche geprüft werden muss. Um die dafür erforderliche Bildauflösung zu erreichen, werden Zeilenkameras eingesetzt, vor denen das Werkstück abgedreht wird. Speziell das vollständige Abdrehen des Werkstücks erfordert etwas mehr als 2s Aufnahmezeit. Damit ergibt sich eine sehr inhomogene Verteilung der Bildaufnahmezeiten zwischen den einzelnen Prüfstationen. Wären alle Kamerastationen mit einem starren Transportsystem - z.B. mit einem Rundschalttisch - verkettet, würde die Station mit der längsten Bildaufnahmedauer die kürzeste Taktzeit des Transportsystems bestimmen und damit den Produktausstoß limitieren. Das Linearsystem XTS von Beckhoff ermöglicht es hingegen, schnellere Prüfstationen sequenziell zu bedienen, während langsamere und daher mehrfach vorhandene Stationen entsprechend parallelisiert mit Bauteilen versorgt werden. "Bei der Prüfanlage führte die heterogene Bildaufnahmezeit der einzelnen Prüfschritte zur Suche nach einem Maschinenkonzept mit flexiblem, asynchronem Bauteiltransport, mit dem die gestellte Aufgabe bei begrenzten Platzverhältnissen elegant gelöst werden kann", erklärt Gefasoft-Marketingmanager Georg Schlaffer. Das XTS-System mit seinen unabhängig ansteuerbaren Movern erfülle diese Anforderungen. "So kann, trotz einzelner Prüfstationen mit längeren Testzeiten, insgesamt eine mittlere Taktzeit von 1,9s pro Bauteil erreicht werden." Durch den Einsatz des Beckhoff-Systems sei es zudem möglich gewesen, einen gegenüber anderen Lösungen deutlich kleineren Anlagen-Footprint zu realisieren und so den Platzanforderungen des Endkunden zu entsprechen.

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Prüfstationen dupliziert

"Der Endkunde hat wegen des hohen Bedarfs an diesen Bauteilen eine Taktzeit von unter 2s vorgegeben", ergänzt Christian Schärtl, Direktor Engineering von Gefasoft. "Zwei der Prüfungen dauern aber fast 4s, d.h. diese Stationen mussten dupliziert und parallelisiert werden, um die Vorgabe erfüllen zu können." Durch die Flexibilität von XTS sei dies auf einfache Weise möglich. "Alle Lösungen mit Werkstückträgern und Weichen, auf der Basis von Bändern oder Ketten, wären mechanisch ungleich komplexer gewesen und wir hätten bei deutlich mehr Platzbedarf die vorgegebene Taktzeit vermutlich nicht erreicht." Aufgrund der vielen erforderlichen Kameraprüfstationen ergibt sich eine umlaufende Länge der Transportstrecke von rund 11m, auf der insgesamt 30 Werkstückträger (Mover) bewegt werden. Die Strecke wurde wegen der vergleichsweise schweren Mover mit einem speziellen Führungssystem von Hepco ausgerüstet. Die bewegte Masse von ca. 4kg pro Mover ergibt sich aus den Anforderungen an die Bauteilaufnahme mit Hub- und Dreheinheiten. Denn die Diffusoren müssen sich vor den Zeilenkameras exakt drehen und für die Kontrolle der Ober- und Unterseite in zwei Lagen (Hut oder Becher) transportieren lassen.

Arbeitsposition einbinden

Ziel war von Anfang an eine Maschine, mit der sich die bisherige visuelle Prüfung der Diffusoren vollständig automatisieren lässt: beginnend mit der automatisierten Entnahme aus einer Palette bis hin zum Abstapeln bzw. Sortieren per Roboter. Eine alternative Auftrennung der Prüfaufgaben in mehrere unabhängige Anlagen war für den Endkunden nicht wirtschaftlich darstellbar. Neben der komplexen Logistik zwischen den Anlagen und dem erhöhten Platzbedarf wären hier auch die Vereinzelung und Zuführung der Diffusoren aus Schüttgutbehältern sehr aufwändig. Außerdem bietet die realisierte Lösung laut Schlaffer einen zusätzlichen Vorteil: "Mit XTS lassen sich weitere Arbeitspositionen entlang der Strecke flexibel einbinden. Damit ist eine Anpassung an mögliche künftige Aufgabenstellungen sichergestellt." Die Bauteile werden der Prüfanlage in Schüttgut-Gitterboxen zugeführt, nachdem zuvor die Oberfläche entfettet wurde. Ein Greifer übergibt sie dann einzeln von einem Zuführband an das XTS. Dabei erfordert die Werkstückaufnahme im XTS-Mover eine Ausrichtung der Drehlage des Bauteils. Hierfür ist eine Kamerastation in der Übergabeposition integriert, mit der die Winkelausrichtung des Werkstücks detektiert sowie zusätzlich die Typvariante des Diffusors überwacht wird. Auf der Oberseite des Diffusors ist ein Zeichen zur Chargenkennung eingeprägt, welches in einer ersten Kamerastation überprüft wird.

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Werkstücke drehen

Nach der Kontrolle der Chargenkennung wird die Innenseite des Diffusors kontrolliert. Dazu ist es zunächst erforderlich, die Bauteile im Mover zu drehen, von der Hut- in die Becher-Ausrichtung, also mit der Öffnung nach oben. Die Bauteile werden dazu mit einem Greifer vom Mover abgehoben, um 180° gedreht und wieder auf dem Mover abgesetzt. Zwischenzeitlich wurde bei diesem der Innendorn zurückgezogen, sodass das Bauteil über seinen Außendurchmesser zentriert und auf dem Flansch aufliegend fixiert ist. Der Oberflächenkontrolle dient hier eine Zeilenkamera, vor der die Innenwand des Bauteils abgedreht wird. "Eine Herausforderung war der eingeschränkte Platz, weil vier Beleuchtungsrichtungen und die Kamera innerhalb des innen ca. 60mm durchmessenden Bauteils Platz finden mussten. Die Lösung bestand einerseits im Design einer integrierten Beleuchtungs- und Kameraeinheit, die in das Bauteil eintaucht, während ein Servomotor von außen an den drehbaren Dorn im Mover ankoppelt. Hinzu kam die Entwicklung einer schnellen Ansteuerungselektronik für die Beleuchtung. Das Zustellen der Beleuchtungseinheit in das Bauteil und das Abdrehen dauern etwas mehr als 2s. Für das Erreichen des Linientaktes von 1,9s ist diese Prüfstation daher doppelt ausgeführt." Auf die Wendestationen folgen eine Kontrollstation für Materialabweichungen auf der Innenseite und eine Station zur Prüfung des Diffusorbodens. In einer letzten Kamerastation an diesem ersten linearen Abschnitt des XTS-Systems wird der Flansch des Bauteils auf Fehler geprüft. Damit gibt es sechs Kamerastationen entlang des ersten linearen Abschnitts, wobei die Zeilenkamerastationen zur Innenwandkontrolle ebenso wie die Wendestationen doppelt vorhanden sind - insgesamt sind also neun Arbeitspositionen realisiert. Nachdem die Mover die 180°-Kurve der Anlage durchfahren haben, werden auf der rückläufigen Strecke weitere Kamerastationen sowie eine Druckstation zum Markieren der geprüften Bauteile bedient. Zunächst werden die Teile am Mover von der Becher- in die Hut-Orientierung gewendet, bevor in einer ebenfalls doppelt ausgeführten Zeilenkamerastation die Außenwand des Bauteils abgedreht wird. Abschließend folgen die Prüfung der Flanschoberseite, ein mit der Bewegung der Werkstückträger synchronisierter Inkjet-Drucker zur kameraüberwachten Kennzeichnung fehlerhafter Bauteile und ein Laser-Beschrifter zur Codierung der Gut-Teile. Am Ende der zweiten linearen Strecke werden die Bauteile von einem Stäubli-Roboter entnommen und für die Weiterverarbeitung abgelegt.

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