Sensorkonzepte Qualität muss nicht teuer sein – innovative Prüfverfahren machen’s möglich

Autor / Redakteur: Dr. Volker Engels, Andrea Memminger-Wäsch* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Qualitätsprüfungen und -kontrollen, wie die Vermessung von Objektgeometrien, spielen in automatisierten Produktionsprozessen eine immer wichtigere Rolle. Baumer schließt mit seinen kalibrierten Lichtschnittsensoren die Lücke zwischen taktilen Sensoren und aufwändigen 3D-Messystemen.

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Die Lichtschnittsensoren von Baumer eignen sich für die Kontrolle metallischer, glänzender Formteile. Sie kontrollieren beispielsweise die korrekte Form der Autotür.
Die Lichtschnittsensoren von Baumer eignen sich für die Kontrolle metallischer, glänzender Formteile. Sie kontrollieren beispielsweise die korrekte Form der Autotür.
(Bild: Baumer)

Der moderne Produktionsprozess hat sich in den vergangenen Jahren deutlich gewandelt. Die fortschreitende Digitalisierung und der Trend zu individualisierten Produkten erfordern auch in der Teileinspektion zunehmend flexible und möglichst automatisierte Prüfverfahren. Hier geht es primär darum festzustellen, ob gewisse Produktionsparameter innerhalb vorgegebener Grenzwerte liegen. Die Inspektion kann dabei sowohl durch die Entnahme der zu kontrollierenden Teile aus dem Produktionsprozess (At-Line oder Off-Line z.B. im Prüflabor) als auch kontinuierlich im Produktionsprozess selbst (In-Line) erfolgen. Die In-Line Methode ermöglicht im Gegensatz zu den beiden anderen Methoden eine kontinuierliche Prozesssteuerung, da Resultate sofort verwertet werden können.

Die Gründe für die Qualitätskontrollen sind vielfältig.

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Je besser und gleichbleibend die Qualität der produzierten Teile ist, desto weniger Nachbearbeitung wird notwendig und Lieferfristen können termingerecht eingehalten werden. Ausschussmengen und Produktions-Stillstandzeiten gehen gegen Null und teure Rücksendungen bzw. Ersatzlieferungen gehören der Vergangenheit an. Kurzum, Kosten werden eingespart.

Die Daten aus den Messungen helfen zudem, die Produktionsprozesse kontinuierlich zu optimieren um das Ziel einer 0-Fehler-Produktion so schnell als möglich zu erreichen. Die Qualitätskontrolle umfasst aber nicht nur die Produkte selber, auch das Werkzeug wird kontinuierlich überwacht. Wartungsintervalle können somit vorausschauend geplant und optimiert werden.

Bei der Auswahl der Methoden steht der Anwender vor einer Fülle an Instrumenten. Diese reichen von individuell konfigurierten Sensorlösungen, über taktile Messmethoden, kompakte Bildverarbeitungssysteme oder 3D-Profilsensoren bis hin zu leistungsfähigen Industriekameras mit PC-basierten Bildverarbeitungsprogrammen. Alle diese Lösungen liefern Messergebnisse mit hoher Präzision, sind aber mit unterschiedlichem Aufwand und Kosten verbunden.

Innovative Sensorkonzepte in der Teileinspektion

Jede dieser Methoden hat seine Berechtigung. Der Kostendruck in der Produktion erfordert aber zunehmend einfache, flexible Lösungen zu attraktiven Preisen. Genau diese Lösung bietet Baumer mit seiner neuen Generation der Poscon Lichtschnittsensoren. Sie bieten komplexe Funktionen wie z.B. Kanten- oder Höhenmessung. Die Sensoren funktionieren ohne Reflektor und lassen sich mittels sichtbarer Laserline und einer optisch ausgerichteten Achse schnell in Betrieb nehmen. Nach der Installation müssen dank der vordefinierten Messfunktionen nur noch wenige Parameter eingestellt werden, ganz ohne externe Software. Ein weiterer Vorteil liegt in der direkten Ausgabe der Messwerte in mm. Die Werte lassen sich direkt in der Steuerung weiterverarbeiten. Wegen der intelligenten Auswertung ermöglichen die Sensoren nicht nur die effiziente Vermessung von Formteilen oder die präzise Positionierung von Werkzeugen oder Robotern, sondern auch die Realisierung effizienter Check & Sort Funktionalität auf Basis von Schwellwertvergleichen.

Vermessung von Kanten, Breiten und Lücke für die Materialkontrolle

Der Poscon 3D ist speziell auf die Vermessung von Objektkanten, Breiten und Lücken spezialisiert und eignet sich unter anderem für den Einsatz in der Materialzuführung oder der Endkontrolle. Die Vermessung erfolgt unabhängig von Farbe, Oberflächen und Höhenschlag. Die Sensoren sind in Relation zur Standardmontage bis zu ±30° in einem beliebigen Winkel geneigt montierbar. Dies bietet Vorteile, wenn die Platzverhältnisse keine andere Montagemöglichkeit zulassen, vor allem, da die Sensoren keinen Reflektor benötigen.

Die Einsatzmöglichkeiten sind vielseitig. Ein Beispiel ist die effiziente Bestimmung von Blechdicken in der In-Line Qualitätskontrolle bei der Materialzuführung. Der Sensor ermöglicht dabei den automatischen Abgleich mit Toleranz-Schwellenwerten, selbst bei schnellen Transportgeschwindigkeiten. Bleche, die den Spezifikationen nicht entsprechen werde sofort identifiziert und aussortiert. Teure Nacharbeiten oder sogar ein später Umtausch fehlerhafter Produkte können so vermieden werden. Eine direkte Doppelblechkontrolle reduziert Produktions-Stillständen und verhindert Beschädigungen des Werkzeuges bei der weiteren Verarbeitung der Bleche.

Dank spezifischer Algorithmen misst der Poscon 3D auch präzise auf sehr dunkle Oberflächen aus hoch absorbierenden Materialien wie z.B. Gummi. Das macht ihn zu einem beliebten Werkzeug für die Reifenindustrie. Im Bereich der Materialzuführung führt der Sensor z.B. Toleranzprüfungen bei schwarzen Gummibändern mit Stahlgewebe ohne komplexe Programmierungen durch und ermöglicht eine schnelle Weiterverarbeitung dank direkter Auswertungen.

Höhe mal clever gemessen

Auch die Vermessung von Objekthöhen ist eine wichtige Kennzahl in der Qualitätskontrolle. Der Poscon HM bietet hierfür eine intelligente Höhenmessung von Objekten mit gleich fünf Kennzahlen ohne exakte Positionierung der Messobjekte. Und das selbst auf sehr dunkle oder glänzende Oberflächen. In Kombination mit seiner hohen Messgenauigkeit von bis zu 2 μm eignet er sich für eine Vielzahl von Anwendungen in der At-Line und Inline Kontrolle.

Ein Beispiel ist die Kontrolle von schwarzen Gummidichtungen für Seitenscheiben in der Automobilindustrie. Die Prüfung erfolgt in diesem Fall stichprobenartig Off-Line an einem speziellen Prüfstand. Die Dichtungen werden in spezielle Halterungen an einem Messplatz montiert. Die Form und die Rundungen der Dichtung können dabei variieren, dürfen jedoch spezielle Grenzwerte nicht überschreiten. Die Herausforderung für den Sensor liegt hier sowohl in der Form, genauer gesagt den Rundungen als auch im schwarzen, lichtabsorbierenden Material. Leistungsfähige Algorithmen analysieren bis zu 600 Höheninformationen pro Messung und ermitteln die maximale Objekthöhe unabhängig von der Lage des Objektes. Nur der Poscon HM erlaubt es, diese Messung überhaupt durchzuführen und liefert präzise, zuverlässige Messergebnisse mit einer Messrate bis zu 1540 Hz.

Auch für die Kontrolle metallischer, glänzender Formteile wie z.B. die Kontrolle von Autotüren eignet sich der Poscon HM. Die Sensoren kontrollieren beispielsweise die korrekte Form der Autotür durch Messungen an zahlreichen Prüfpunkten. Sie können dafür auch nah nebeneinander montiert werden ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Der Sensor liefert die Messwerte direkt in mm und erlaubt damit eine sofortige OK/nicht OK Kontrolle für jeden Prüfpunkt.

Formfehler gut erkannt

Der Poscon HM eignet sich aber nicht nur für die Vermessung von Formteilen aus anspruchsvollen Materialen. Dank der integrierten Auswertealgorithmen sind die Sensoren eine kostengünstige Alternative für eine Vielzahl von Check & Sort Applikationen. Der Sensor identifiziert im Mode „Delta“ fehlerhafte Produkte aufgrund einer abweichenden Form. Ein Beispiel hierfür ist die Kontrolle der Versiegelung von Joghurtbechern. Eine starke Wölbung der Versiegelung deutet auf einen falschen Gärungsprozess hin. Durch die Check & Sort Funktion werden fehlerhafte Produkte in der Produktion direkt aussortiert und gelangen nicht in den Handel. Die Inbetriebnahme des Sensors ist hierfür denkbar einfach und erfordert weder externe Software noch Programmier-Know-how. Nach der Auswahl der Funktion und dem Modus, was auch direkt über das intuitive Touch-Display am Sensor selber erfolgen kann, muss nur noch der digitale Ausgang parametriert werden und schon liefert er das Prüfergebnis (OK/Not OK).

Ein weiteres Beispiel ist die Kontrolle von Ultraschallschweissungen, z.B. bei der Herstellung von Zahnpastatuben. Das weisse Material bzw. die sehr schwachen Kontraste bei offenen Falzstellen stellt für viele Messwerkzeuge eine große Herausforderung dar. Nicht so für den Poscon HM. Dank der farbunabhängigen Messung werden die Höheninformationen im Sensor analysiert und das Messergebnis in Form eines Deltawertes ausgewertet. Offene Schweissnähte werden so zuverlässig erkannt und fehlerhafte Produkte aussortiert.

Qualitätskontrollen bei runden Objekten ohne Reflektor

Der dritte Sensor im Portfolio, der Poscon CM ermöglicht das problemlose Vermessen von Mittelpunkt, Durchmesser und Außenpositionen bei runden Objekten mit einem Außendurchmesser von 30 bis 130 mm. Der Sensor benötigt dabei weder einen Reflektor noch externe Software. Dank der Kalibrierung ab Werk werden die Messwerte automatisch in mm ermittelt.

Ein wichtiger Einsatzbereich für einen solchen Sensor ist die End- bzw. Abnahmekontrolle von Stahlrohren. Der Sensor kontrolliert den Durchmesser der Stahlrohre durch die Ermittlung absoluter Messwerte. Dies ermöglicht eine frühzeitige Nachjustierung der Werkzeuge, sobald die Messwerte außerhalb eines festgesetzten Schwellenwertes liegen. Die Ausschussrate wird so deutlich minimiert. Die Messwerte liefern darüber hinaus Informationen über die Abnutzung des Werkzeuges und somit Daten für einen geplanten, vorausschauenden Wartungsprozess (Predictive Maintenance).

Auch in der Materialzuführung ist der Poscon CM ein wichtiges Kontrollwerkzeug. Statt eines Barcodes werden bei runden Metallteilen oft codierte Messringe eingesetzt, um das richtige Material für die Weiterverarbeitung zu identifizieren. Durch die Ermittlung von Außenpositionen und Mittelpunkt ist eine schnelle Prüfung der Objektorientierung der runden Teile direkt in der Produktion möglich. Der Sensor liefert somit die Basis um Ausschussraten in der Produktion zu minimieren und kostspielige Rückläufe zu vermeiden.

Effiziente Qualitätskontrolle mit Baumer – Einfach, hochpräzise und kostengünstig

Poscon Lichtschnittsensoren ermöglichen dank der Kombination aus technischer Funktion, schneller Inbetriebnahme und einfacher Handhabung neue und effiziente Lösungsansätze in der Teileinspektion. Sie liefern präzise Messergebnisse für eine direkte Auswertung, ohne komplexe Datenwolken oder teure externe Auswertungssoftware. Die Einsatzbereiche liegen heute schwerpunktmäßig im Automotivbereich (Zulieferer sowie Endkunden) sowie der Metall- und Plastikverarbeitenden Industrie. Darüber hinaus sind die Sensoren dank der Check & Sort Applikationen auch in der Verpackungs- und Pharmaindustrie zu Hause. Aber sie sind auch für alle anderen Industrien geeignet. Dank der günstigen Anschaffungs- und Unterhaltskosten sind sie in vielen Fällen eine gute Alternative zu komplexen Messlösungen und machen Qualität in immer mehr Einsatzbereichen möglich und bezahlbar.

* Dr. Volker Engels, Business Unit Manager Advanced Sensors und Andrea Memminger-Wäsch, Senior Marketing Manager Sensor Solutions; beide Business Unit Sensor Solutions bei Baumer Electric AG

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