Automatisierte Prüfsysteme für Massen- und Serienteile

| Autor / Redakteur: Ferenc Toth * / Gerd Kucera

Bild 1: Bis zu 500 Teile pro Minute vermisst der Drehteller-Prüfautomat und kontrolliert die Oberflächenqualität (hier Distanzhülsen).
Bild 1: Bis zu 500 Teile pro Minute vermisst der Drehteller-Prüfautomat und kontrolliert die Oberflächenqualität (hier Distanzhülsen). (Bild: Kistler Vision Systems)

Die 100%-Inline-Kontrolle durch bildbasierende Prüfautomaten sichert nicht nur die Produktqualität bei hohen Stückzahlen und kurzen Zykluszeiten. Auch Rückschlüsse auf die Fertigung sind möglich.

Strengste Qualitätskontrollen sind in der Serienfertigung Pflicht geworden, insbesondere bei sicherheitskritischen Produkten. Bei der 100%-Kontrolle durch industrielle Bildverarbeitung (IBV) ist jeder einzelne Produktionsschritt dokumentiert. Wirtschaftlich umsetzbar ist dies nur mit automatisierten Bildverarbeitungssystemen, die im Fertigungstakt die Qualität überwachen. Das vermeidet teure Rückrufaktionen, Produkthaftungsfälle und Image-Schäden.

Die Qualitätssicherung entwickelt sich damit in Richtung Produktionsoptimierung, bei der bereits in der Linie selbst reagiert werden kann. Etwa durch die Möglichkeit, in die Software Warngrenzen für die Klassifizierung von Fehlerarten, Größen, Maßen und weiteren Prüfkriterien einzulernen. Schleichende Änderungen im Produktionsprozess sind dann früh erkennbar. Durch die kontinuierliche Fertigungsdokumentation aller qualitätsrelevanten Merkmale im Zeitverlauf und in Langzeitanalysen gibt es Hinweise auf die Ursachen auftretender Fehler. Diese lassen sich dann gezielt vermeiden. Zur Digitalisierung der Produktion im Sinne einer Industrie 4.0 spielt die IBV eine Schlüsselrolle.

Prüflösungen am Beispiel der Software KiVision

Die erfolgreiche Bewältigung aller Anforderungen steht und fällt mit einer Software, die den Entwicklungen bei Optosensorik, Kamera, Schnittstellen und Hardware folgt. Durch höhere Auflösungen der Kameras, stetig steigende Prozessorleistung, etwa durch Mehrkernprozessortechnologie, und standardisierte Schnittstellen steigt die Leistungsfähigkeit von Bildverarbeitungssystemen, um höhere Inspektionsgeschwindigkeiten und Prüfgenauigkeiten zu erreichen.

In vielen Anwendungen ist die Erkennung von Farben von großem Vorteil. Hierbei ist die einfache Bedienbarkeit des Systems von besonderer Bedeutung. Früher waren ausgewiesene Experten gefordert, um eine Bildverarbeitungslösung einzurichten. Inzwischen lassen sich heute durch intuitive Konfigurationsmöglichkeiten und ergonomische Software-Oberflächen viele Anpassungen ohne besondere Vorkenntnisse der Thematik durchführen.

KiVision ist beispielsweise eine solche Software, die auf aktuelle Forderungen der Prüftechnik zur Qualitätssicherung optimiert wurde. Sie basiert auf einfach zu bedienenden Tools und schnellen Algorithmen. Ihre Flexibilität erlaubt individuelle Kundenwünsche und auch die Durchführung komplexer, anwendungsspezifischer Prüfabläufe. Die Software KiVision wird auch im Hause Vester Elektronik verwendet, die im Herbst 2017 in die Kistler Gruppe integriert wurde – samt 30 Jahren Bildverarbeitungs-Kompetenz des Unternehmens in Straubenhardt. Seitdem ist die industrielle Bildverarbeitung Teil der umfassenden Prüftechnik-Kompetenz der Kistler Gruppe.

Das Portfolio wird ständig weiterentwickelt. Mit dem Einstieg in die optische Messtechnik etablierte Kistler in Karlsruhe das Competence Center Vision Systems mit eigener Software-Entwicklung, um die Schlüsseltechnologie Industrielle Bildverarbeitung weiter auszubauen. Damit können Kundenansprüche und Anforderungen schnell und gezielt erfüllt werden.

Bedeutende Fortschritte beim Vermessen und Prüfen von beispielsweise Dreh-, Stanz-, Press- und Kunststoffteilen flossen in die Prüfautomaten von Kistler ein, die bis zu acht digitale Kameras für eine Messaufgabe nutzen. Bei Stanzautomaten etwa sind Frequenzen von 1200 Hub pro Minute keine Seltenheit – auch bei mehrfachfallenden oder doppelspurbetriebenen Werkzeugen. Damit stehen für eine solche Anwendung der Bildverarbeitung manchmal gerade einmal 30 ms (mit entsprechenden Reserven) für Bildaufnahme und Bildauswertung zur Verfügung. Das präzise Vermessen von Serienteilen mittels Durchlichtprüfung gehört zum Standard der Qualitätskontrolle; die Genauigkeitsanforderung liegen im Mikrometerbereich und wird durch Subpixel-Algorithmen erreicht.

Bild 2: Das optimierte Zusammenspiel von Beleuchtung, Optik, Kamera, Schnittstellen und Rechner erlaubt der Software maximale Prüfleistung (hier die Kontrolle von Schraubenmuttern).
Bild 2: Das optimierte Zusammenspiel von Beleuchtung, Optik, Kamera, Schnittstellen und Rechner erlaubt der Software maximale Prüfleistung (hier die Kontrolle von Schraubenmuttern). (Bild: Kistler Vision Systems)

Unter dem Strich heißt das, dass Kunden mit entsprechenden Systemen und Software heute vieles eigenständig meistern können, was vor wenigen Jahren noch spezialisierten Anbietern in der industriellen Bildverarbeitung vorbehalten war. Doch trotz aller Leistungssteigerungen sind die Erwartungen der Anwender an Leistungsstärke und Bedienbarkeit neuer Software weiterhin sehr hoch, denn es rücken immer komplexere Aufgaben in den Fokus. Bei der Weiterentwicklung der Software bleiben damit Anspruch und Ziel: schwierige Aufgaben so vereinfachen, dass sie wie Standardaufgaben durchführbar sind.

Gerade bei der Oberflächeninspektion im Auflicht ist das einfache Bedienen des Systems eine Herausforderung und bedeutet, komplexe Algorithmen in leicht interpretierbare und bedienbare Software zu übersetzen. Beispielsweise wenn es darum geht, kleinste Kratzer auf Blechteilen zu entdecken. Makel jedoch, etwa fleckige Oberflächen, sind gar nicht erst in den Fokus zu nehmen, wenn diese für die Qualität der gefertigten Teile nicht relevant sind. Damit steht zum einen die Software im Mittelpunkt, zum anderen das optimale Zusammenspiel von Beleuchtung, Optik, Kamera, Schnittstellen und Rechner.

Bild 3: Bei dieser End-of-Line-Prüfung von Serienteilen (Dreh-, Stanz-, Press- und Kunststoffteilen) überwacht KiVision alle Merkmale gemäß Vorgabe des Anwenders.
Bild 3: Bei dieser End-of-Line-Prüfung von Serienteilen (Dreh-, Stanz-, Press- und Kunststoffteilen) überwacht KiVision alle Merkmale gemäß Vorgabe des Anwenders. (Bild: Kistler Vision Systems)

In allen Prüfstationen von Kistler, die am Artikelende beispielhaft skizziert werden, ist die Bildverarbeitungs-Software KiVision integriert. Sie kommt aber auch außerhalb der Prüfautomaten zum Einsatz und ist mit anderen Messsystemen von Kistler kombinierbar. KiVision ist windows-basiert und versetzt die Bediener in den Werkhallen nach nur wenigen Stunden Training in die Lage, die Software eigenständig zu nutzen und erste Messaufgaben zu lösen. Eine komfortable, intuitive Benutzeroberfläche, viele gut strukturierte und für Praktiker entwickelte Prüf- und Makrobefehle sowie visualisierbare Parameter befähigen sie sogar, Prüfaufgaben für komplett neue Teile selbstständig einzulernen.

Komplexe Prüfsequenzen, die vor allem bei der Oberflächeninspektion anfallen, lassen sich durch wiederverwendbare Unterprogramme und Funktionsblöcke deutlich vereinfachen. Die Verschmelzung der Parametrierung-Software KVC Visu von Vester mit der Bildverarbeitungssoftware KiVision befähigt den Bediener, alle Maschinen-, Programm- und Statistikdaten in der gleichen Oberfläche zu verwalten und anlagen- oder werkstückspezifisch zu speichern.

KiVision unterstützt zudem alle wichtigen Kameraschnittstellen sowie Feldbusse und ist erweiterungsfähig. Es lassen sich beispielsweise Spezialsensoren oder eigene Algorithmen mit dem KiVision Software Development Kit einbringen, ohne eigene Algorithmen offenlegen zu müssen – ein großer Vorteil gerade bei geplanten Patentanmeldungen. Auch eine Datenübertragung an externe CAQ-Systeme sowie die Integration in das eigene Firmennetzwerk sind möglich. Damit lassen sich Prüfprogramme extern am PC-Arbeitsplatz programmieren sowie Programmdaten und Messwerte zentral verwalten. Wenn gewünscht, lassen sich weitere Software-Bausteine integrieren, die eine Ferndiagnose und Fernwartung der Prüf- und Sortierautomation erlauben.

In Hochleistungsprozessoren nimmt die Zahl der CPU-Kerne zu, um die immer größeren Datenmengen verarbeiten zu können. Die Grundarchitektur von KiVision ist darauf ausgelegt, die Leistung der Kerne parallel abzurufen, um dadurch die Leistungssteigerungen bei PCs für eine schnellere Bildverarbeitung zu nutzen. Dies ermöglicht den asynchronen Bildeinzug aller im Einsatz befindlichen Kameras und die parallele Abarbeitung der jeweils dafür notwendigen Prüfprogramme. Mit herkömmlichen Bildverarbeitungsprogrammen ist dies nur seriell und dadurch mit erheblichen Leistungseinbußen möglich.

Bild 4: Sowohl einfache Maßprüfungen als auch komplexe Prüfaufgaben sind möglich; mithilfe des Editors (links) wird das Prüfprogramm (rechts) anhand der Kamerabilder erstellt.
Bild 4: Sowohl einfache Maßprüfungen als auch komplexe Prüfaufgaben sind möglich; mithilfe des Editors (links) wird das Prüfprogramm (rechts) anhand der Kamerabilder erstellt. (Bild: Kistler Vision Systems)

Zuverlässigkeit und Präzision ist Pflicht für kritische Teile

Essenziell für die Qualitätsprüfung sicherheitskritischer Teile – und damit einer Null-Fehler-Produktion – ist die zuverlässige Aussortierung aller schlechten Teile – auch in Ausnahmesituationen. Kistler legt deshalb bei den Prüfautomaten und Stanzteilprüfzellen höchsten Wert darauf, nicht allein im Regelfall, sondern auch in einer Vielzahl denkbarer Störsituationen dafür zu sorgen, dass fehlerhafte Teile unter keinen Umständen im Behälter für O.K.-Teile landen – ohne dabei Einbußen an der Prüfgeschwindigkeit hinnehmen zu müssen.

Kistler erreicht diese Sicherheit durch das reibungslose Zusammenspiel von gut programmierter SPS, asynchronem Handling, dem Einsatz eigens dafür gefertigter Auswurfkontrollen und der KiVision-Software, die das asynchrone Handling unterstützt. Etwa mit virtuellen Teilnummern, die helfen, zeitlich auseinander liegende aber zusammengehörige Bilder dem richtigen Prüfteil zuzuordnen. Dabei sammelt die SPS als übergeordnete Instanz die Ergebnisse der einzelnen Prüfungen und kann eine sichere Gut-Schlecht-Entscheidung treffen oder notfalls sogar die Maschine in einem erkannten Risikobereich stoppen. Um Lösungen für neue, weitergehende Kundenwünsche zur Verfügung zu stellen, entwickelt Kistler seine Software KiVision im Karlsruher Competence Center Vision weiter und bietet selbstverständlich entsprechende Schulungen an.

Die Karlsruher Bildverarbeitungs-Spezialisten arbeiten eng mit den Teams von Kistler im nur 30 km entfernten Straubenhardt zusammen, die ihre Branchen-Kenntnisse einbringen, um KiVision mit kunden- und anwendungsspezifischen Routinen zu erweitern. Die Software ist dabei Teil eines abgestimmten Gesamtpakets aus einer Hand: Maschinenbau-, Elektronik-, Bildverarbeitungs-, Statistik- und Software-Kompetenz sorgen für immer neue Impulse und Lösungen. Neben individuellen Machbarkeitsanalysen und einem intensiven Dialog mit den Kunden ist dabei auch die Entwicklung eigener Sensorik und optischen Komponenten ein wichtiger Pluspunkt.

Beispielhafte Prüfautomaten für Serienteile

Der Sortierautomat Visioncheck KVC-121 sorgt für eine lagestabile Zuführung und Handhabung von Massenteilen in schnell wechselbaren, geneigten Prüf- und Transportschienen. Telezentrische Blitzbeleuchtungskomponenten und bi-telezentrische Präzisionsobjektive garantieren eine präzise optische Prüfung bei hohem Durchsatz. Bedient wird der vollverkleidete und geräuschgedämmte Automat über einen 24-Zoll-Touchscreen; integriert werden können bis zu vier Kameras mit unterschiedlicher Auflösung bei einem Durchsatz von bis zu 250 Teilen pro Minute.

Visioncheck KVC-621 ist eine Stanzteil-Prüfzelle für endlos produzierte Teile, vor allem aus den Bereichen Stanzen, Laminieren, Ätztechnik und Spritzgießen. Anwendungen wie die klassische Maßkontrolle, eine komplette Konturprüfung sowie die Erkennung von Oberflächendefekten sind für diesen Automaten Routine. Dem Anwender stehen viele weitere Prüfmöglichkeiten zur Verfügung. Außerdem kann er selbst festlegen, was im Fehlerfall geschehen soll; vom Stoppen der laufenden Produktion bis hin zum Austrennen oder Markieren von Schlechtteilen.

Die beiden Systeme Visioncheck KVC 821/C und Visioncheck KVC 821/E wurden besonders für anspruchsvolle Maß- und Oberflächenprüfungen von Massenteilen konstruiert und sind mit einem Drehteller mit bis zu acht Kameras ausgerüstet. Je nach Größe und Gewicht der Prüfteile wird die Zuführung über ein integriertes (KVC 821/C) oder beigestelltes (KVC 821/E) Zuführsystem realisiert; außerdem sorgen Ausblasdüsen für eine automatische Sortierung von Gut- und Schlechtteilen inklusive Auswurfkontrolle über eigens entwickelte Mehrstrahllichtschranken.

Telezentrische Messobjektive für den blauen Spektralbereich

Telezentrische Messobjektive für den blauen Spektralbereich

05.11.18 - Telezentrische Messobjektive bilden dreidimensionale Objekte ohne perspektivische Verzerrung ab. Die Baureihen vicotar TO18 und TO30 sind für den blauen Bereich optimiert. Warum, skizziert dieser Artikel. lesen

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 20/2019 (Download PDF)

* Ferenc Toth ist Leiter des Bereichs Kistler Vision Systems der Kistler Gruppe.

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