Automatisierte optische 3D-Messtechnik zur Qualitätssicherung in der Blechverarbeitung - Innovativer Weg in der Messtechnik steigert die Prozesssicherheit
Für die serienbegleitenden Prüfungen von Haushaltsgeräten setzten die Messtechniker bei Bosch und Siemens Hausgeräte, Traunreut, früher Koordinatenmessmaschinen ein. Im vergangenen Jahr lösten sie die taktile Messtechnik durch optische 3D-Messtechnik von Steinbichler Optotechnik, Neubeuern, ab. Dadurch wurden der Fertigungsprozess sicherer und die Kosten gesenkt.
„Könnt Ihr auch Stanzteile aus Blech optisch vollautomatisch genau vermessen und auswerten?“ Das fragte Messtechniker Paul Spiel von Bosch und Siemens Hausgeräte (BSH), Traunreut, die Mitarbeiter von Steinbichler Optotechnik, Neubeuern, im November 2006 auf dem Euromold-Messestand in Frankfurt. Mit dieser scheinbar simplen Frage begann eine intensive Zusammenarbeit zwischen BSH und Steinbichler. Binnen eines Jahres wurden drei robotergestützte3D-Digitalisierungsanlagen im Messraum der zentralen Messtechnik, im Presswerk und der Fertigung installiert.
Am Standort Traunreut werden Elektroherde, Backöfen, Kochfelder, Mikrowellenkombigeräte und Warmwasserbereiter gefertigt. Dort sollte In der zweiten Jahreshälfte 2008 die Produktion einer neuen Herdserie mit höheren Designanforderungen anlaufen. Die Herde zeichnen sich im Vergleich zu den Vorgängermodellen durch kleinere Spalt- und Versatzmaße aus. Innerhalb der Toleranzkette müssen Einzeltoleranzen von bis zu +/- 0,05 mm sicher ermittelt werden.
Für den Produktionsanlauf und die anschließende Serienüberwachung war es dringend notwendig, die messtechnischen Kapazitäten zu erweitern. Damit mussten sich Anfang 2007 die Mitarbeiter in der Qualitätssicherung beschäftigen. Der bequemste Weg wäre gewesen, die vorhandene taktile Messtechnik um einige Koordinatenmessmaschinen zu erweitern. Dies hätte bedeutet: bekannte Maschinen, bekannte Vorgehensweisen, bekannte Technik. Genauso hätte dies bedeutet: keine neuen Erkenntnisse, keine Verbesserung in der serienbegleitenden Prozessüberwachung, technischer Stillstand bei BSH.
Nach intensiven Besprechungen beider Projektteams und ausführlichen Tests zur Genauigkeit, Wiederholbarkeit und der Gauge-R&R-Prüfung entschieden sich QMS-Leiter Christoph Schmitt und das Projektteam für das optische 3D-Messsystem COMET 5 4M mit Streifenprojektion. Dafür waren laut BSH-Projektleiter Thomas Rychtarik folgende Kriterien ausschlaggebend:
Die hohe Messgeschwindigkeit bringt einen deutlichen zeitlichen Vorsprung. Die Messergebnisse liegen schneller vor und können bei Abweichungen früher zur Korrektur in den Prozessparametern in der Produktion (zum Beispiel im Presswerk) herangezogen werden. Die Bauteile werden vollständig dreidimensional aufgenommen, so lassen sich auch flächige Abweichungen vom Sollmaß einfach darstellen (zum Beispiel die Auflageflächen von Klebeprofilen und Montagerahmen).
Eine zusätzliche Prüfung eines Bauteils ist mithilfe des gespeicherten 3D-Datensatzes an jeder Messposition nachträglich möglich. Die Teile müssen bei nachträglichen Messungen nicht noch einmal auf der Messmaschine aufgespannt werden.
Die optische Messung ist berührungslos. Somit eignet sich das Verfahren zur Vermessung von geklebten Teilen, die dadurch vor dem Ende der Aushärtezeit auf geometrische Abweichung (Position und Verkippung) überprüft werden können. Gegebenenfalls können Korrekturen in den Klebeprozess früher einfließen.
Die hohe absolute Messgenauigkeit und Wiederholgenauigkeit mit der Sensorik des Messsystems ermöglicht das sichere Erfassen der Messwerte innerhalb der geforderten Einzeltoleranzen. Die Prüfmittelfähigkeit und die Prüfprozesseignung wurden erfolgreich nachgewiesen.
Bild 1: Messtechniker Paul Spiel überprüft das Messergebnis an der Anlage 1
Bild 2: Auf der Anlage 2 im Presswerk werden bei Fertigungsproblemen auch Reihenmessungen durchgeführt.
Bild 3: In unmittelbarer Nähe zur Anlage 2 sind acht Pressen im Einsatz
Bild 4: Der Steckplan für die Adapter wird dem Prüfer automatisch angezeigt.
Drei Inspektionsanlagen für unterschiedliche Aufgaben:
Alle drei Inspektionsanlagen sind identisch konfiguriert und beinhalten ein Weißlichtstreifenprojektions-system COMET 5 mit einer 4-Megapixel-Kamera und einem 200er Messfeld (Bild 1). Der Sensor wird von einem Kuka-Roboter mit Armverlängerung in Position gebracht. Das zu messende Bauteil liegt auf einem Kuka-Drehtisch, der als siebte Achse vom Robotercontroller angesteuert wird. Die Oberfläche des Drehtisches ist mit einer fotogrammetrisch eingemessenen Referenzpunktliste versehen, die zur globalen Zusammenführung der einzelnen flächigen 3D-Aufnahmen genutzt wird. Die Lage des Drehtisches, des Roboters und der Kalibrierplatte ist bei allen drei Installationen identisch, deshalb können auf allen drei Anlagen alle Messprogramme der verschiedenen Bauteile ablaufen. Durch diese Redundanz ist die Verfügbarkeit der messtechnischen Prüfmöglichkeiten gesichert. Falls eine Anlage zum Beispiel wegen Wartungsarbeiten nicht genutzt werden kann, sind die notwendigen serienbegleitenden Messungen auf den beiden anderen Anlagen durchführbar.
Die erste Anlage wurde für die Messtechnik beschafft. Diese wird in einem eigens dafür vorbereiteten Raum mit Messraumqualität für folgende Aufgaben eingesetzt:
> Messungen zur akuten Problemlösung durch vollflächiges Erfassen der Prüfteile, > Programmieren der Messprogramme für die anderen Anlagen (Anlage 2 und 3).
Der Messraum mit Anlage 1 stellt die zentrale Einheit im Anlagennetzwerk dar. Hier werden die Messprogramme und Prüfanleitungen für alle zu prüfenden Teile erstellt. Bauteilpositionierung auf dem Drehtisch, Roboterbahn, Drehtischstellung, Sensorposition zum Bauteil, Makroerstellung für die Inspektionssoftware, Reporterstellung und Einbindung in die Datenbank in das BSH Qualitätsmanagement - all dies wird auf der Masteranlage festgelegt.
Die zweite Anlage wird zur Blechteilabnahme in der Vorfertigung eingesetzt und steht in einem abgetrennten, klimatisierten Raum in der Presswerkhalle, circa 15 m von den acht Pressen entfernt (Bilder 2 und 3). Durch die Schwingungen des Hallenbodens war es zwingend erforderlich, den Roboter (mit Sensor) und den Drehtisch gemeinsam auf einer massiven Betonplatte zu platzieren.
Der erhöhte bauliche Aufwand wird durch die sehr kurzen Wege für die Mitarbeiter im Presswerk kompensiert. Die zweite Anlage wird hauptsächlich für folgende Aufgaben eingesetzt:
Erst- und Letztteilprüfung in der Vorfertigungsfabrik,
PFU-Messungen (Prozessfähigkeitsuntersuchungen) aus der laufenden Serienfertigung,
Reihenmessungen bei Fertigungsproblemen.
Die zweite Anlage weist eine weitere Besonderheit auf. Nach dem Einlesen der Teilenummer des Prüfteils mit einem Barcodeleser (dieser ist bei allen drei Anlagen integriert) erscheint auf einem separaten Monitor über dem Drehtisch der bauteilspezifische Adaptersteckplan. Der Prüfer entnimmt die angezeigten Adapter aus dem Fundus unter dem Monitor, steckt diese in die entsprechende Position auf dem Drehtisch, legt das Prüfteil auf und startet die automatische Messung (Bild 4).
Die dritte Anlage dient nahezu ausschließlich der Abnahme von Klebeprozessen. Unter der Leitung von Florian Huber, Qualitätsbeauftragter bei BSH, wurden zusammen mit den Entwicklern von Steinbichler Aufspannkonzepte und Messstrategien erarbeitet, die die optische Vermessung von geklebten, noch nicht aushärteten Metallprofilen auf Glasoberflächen ohne Vorbehandlung durch Sprühen ermöglichen. Die wichtigsten Aufgaben an der dritten Anlage sind:
Überprüfung der Maßhaltigkeit des Scheibenklebeprozesses,
PFU-Messungen aus der laufenden Serienfertigung,
Reihenmessungen bei Fertigungsproblemen.
Auch bei der dritten Anlage werden die Bauteilnummern per Barcodeleser übernommen. Nur dort tragen die Bediener beim Handling der Glasscheiben Handschuhe, was Fingerabdrücke vermeiden soll.
Investition rechnet sich:
Das Messnetzwerk von automatisierten optischen 3D-Digitalisiersystemen brachte der BSH monetäre Vorteile. Vor allem die drastische Reduktion der Messzeit pro Prüfteil, die zusäztliche flächige Information im Messreport und damit eine gesteigerte Prozesssicherheit in der Fertigung, senkten die Kosten pro Prüfung und den Ausschuss. "Die Steinbichler-Anlagen machen sich täglich bezahlt", urteilt Christoph Schmitt. "Die mitgelieferte Inspektionssoftware COMETinspect ermöglicht über eine Viewer-Installation den Mitarbeitern in den Konstruktionsabteilungen Soll-Ist-Vergleiche (Messdaten zu CAD-Daten) am eigenen Rechner. „Mit der Ansammlung von Messdaten und Reports geben wir uns nicht zufrieden. Wir benötigen eine statistisch belastbare Basis für unsere Entscheidungen“, erklärt Christoph Schmitt weiter. Diesen Anspruch erfülle eine Schnittstelle zwischen der Steinbichler-Software und der Qualitätsmanagementsoftware Q-DAS.
