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07. Jan 2019 // Mess- und Prüftechnik

Schwarz lackierte Kleinteile automatisch prüfen

Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz hat jetzt eine Anlage entwickelt, die schwarz lackierte Kleinteile für die Automobilbranche auf optische Fehler vollautomatisch überprüft. Die Software identifiziert dabei nicht nur bekannte Fehlermuster, sondern lernt, selbstständig Fehler zu erkennen, zu unterscheiden und zu bewerten.

Die Kameras erkennen unter anderem Unebenheiten im Mikrometerbereich. Foto: Fraunhofer IWU

"Wir haben für die Entwicklung dieser Anlage unsere Entwicklungsumgebung "Xeidana" eingesetzt", sagt Alexander Pierer, wissenschaftlicher Mitarbeiter und zuständig für Forschung und Entwicklung im Bereich Automatisierung und Überwachung von Fertigungstechnologien. Bei diesem Projekt übernahm er die Leitung und entwickelte die Software mit. "Die Software, die wir hier implementiert haben, kann zum Beispiel die Daten unterschiedlicher oder redundanter Sensorsysteme kombinieren." Diese Sensorfusion bietet die Möglichkeit, das Spektrum erkennbarer Defekte und die damit verbundene Bewertungszuverlässigkeit zu erhöhen. Mithilfe von struktur-entdeckenden Verfahren kann die Software komplexe Zusammenhänge in Datenbeständen finden und Muster identifizieren. Die Teile könnten dadurch auch anhand "weicher" Kriterien – ähnlich der menschlichen Wahrnehmung – in "in Ordnung" oder "nicht in Ordnung" klassifiziert werden.

Hochleistung mit High-Tech

19 Kameras mit jeweils 35 Bildern pro Sekunde in Full-HD-Auflösung prüfen bis zu 250 Kleinteile im Durchlauf auf optisch sichtbare Fehler. Mit 18 m/min durchläuft der Werkstückträger das System unterhalb der Kameras. Diese machen innerhalb von drei bis vier Sekunden 360
Bilder, die dann innerhalb von 30 sek ausgewertet werden. "Bei der Datenverarbeitung setzen wir auf eine sogenannte massiv-parallele Datenverarbeitung unter Einbeziehung von 14 Rechenkernen und des Grafikprozessors. Dadurch könnten wir die Anlage problemlos auf die doppelte Anzahl an Kameras oder mit weiteren Sensorprinzipien nachrüsten, um künftig weitere Merkmale wie Farbton oder Lackdicke zu prüfen. Im Anlagenkonzept sind entsprechende Reserven eingeplant", so Pierer. Die Kameras erkennen mittels Deflektometrie Unebenheiten im µm-Bereich sowie Kratzer und Einschlüsse im Zehntel-Millimeterbereich. LED-Lampen beleuchten die Produkte von drei Seiten. Um Bewegungsunschärfe und Fremdlichteinflüsse zu vermeiden, werden die Produkte sehr kurz und mit hoher Intensität durch Lichtblitze 10 µs belichtet.

Zusammenspiel von Soft- und Hardware

"Wir brauchten für die Anlage noch die Fördertechnik und die komplette Umhausung, Kamerahalterungen, Computer-Einhausungen und einen Arbeitsplatz", sagt Pierer. Aus früheren Projekten kannte er den Profil- und Fördertechnik-Spezialisten Maschinenbau Kitz (mk) aus Troisdorf, der die Entwicklung im Weiteren unterstützte. Bei diesem Projekt kam es vor allem auf sehr flexible Einstellmöglichkeiten für die Kameras an. Um eine lückenlose Prüfung der Teile zu gewährleisten, mussten sich die Kameras 1/10 mm genau und frei in drei Achsen einstellen lassen. Hier haben die mk-Konstrukteure gemeinsam mit den IWU-Mitarbeitern eine Lösung gefunden, die die Anforderungen erfüllt. Auch besondere Anforderungen waren kein Problem: So mussten die verwendeten Materialien z.B. frei von lackbenetzungsstörenden Substanzen (LABS) sowie antistatisch ausgeführt sein. Einhausungen für Computer, Halterungen für Monitor und Tastatur und ein Zahnriemenförderer "ZRF-P 2010", auf dem der Werkstückträger durch die gesamte Anlage gefördert wird, gehörten ebenfalls zum Umfang des Projekts. Der Motor ist direkt auf die Antriebswelle aufgesteckt. Dadurch verringern sich Platzbedarf und Wartungsaufwand. Die Antriebsposition kann frei auf der gesamten Länge des Förderers gewählt werden, wodurch der Förderer leicht zu integrieren ist. Ein Drehgeber am Motor des Förderers sagt der Software im Hundertstel-Millimeter-Bereich genau, wo der Werkstückträger sich auf dem Förderer befindet. Der gesamte Kamerabereich musste mit einer blickdichten Einhausung versehen sein. "Wir brauchten keine richtige Dunkelkammer, da durch die starke Kurzzeitbelichtung der Fremdlichteinfluss weitestgehend kompensiert werden kann", erklärt Dirk Hoffmann. "Dennoch musste die Einhausung blickdicht ausgeführt werden, um vor allem den Blendschutz für die Bediener zu gewährleisten und die Optik zu schützen." Zudem sollte die Anlage zu Wartungszwecken schnell zu öffnen sein. Möglich wird das durch den mk-Systembaukasten aus Profiltechnik und Fördertechnik, mit dem auch Systemlösungen einfach umsetzbar sind.

Den Endkunden im Blick

Warum das wichtig wird

Damit Industrie 4.0 funktioniert, muss die gesamte Prozesskette inklusive der Qualitätssicherung abgedeckt sein. Einen Baustein liefert das Projekt der Maschinenbau Kitz GmbH und des Fraunhofer IWU. Die eingebundene Software nutzt aufgenommenen Daten als Lernbasis. So ist eine lückenlose Kontrolle der Werkstücke umsetzbar, die zudem schneller und reproduzierbarer ausfällt.

Die Verwendung von Standard-Komponenten wirkt sich dabei günstig auf den Preis aus. Für den Endkunden bedeutet die Anlage eine lückenlose Kontrolle aller Bauteile, die bisher visuell durch Mitarbeiter ausgeführt wurde. Mit der automatisierten Prüfung soll die Qualitätssicherung noch genauer und schneller werden. Mitarbeiterkapazitäten werden für andere Aufgaben frei, die von Maschinen nicht übernommen werden können. Denn trotz aller maschineller Intelligenz – manche Fähigkeiten des Menschen werden Maschinen sie nie können. Die finale Integration der gesamten Anlage beim Endkunden steht noch aus. Sie wird zwischen den Schritten Fertigung / Lackierung und dem Aussortieren von NiO-Teilen integriert.

Zum Netzwerken:
Maschinenbau Kitz GmbH, Troisdorf, Werner Weber, Tel. +49 228 4598-440, Werner.Weber@maschinenbau-kitz.de, www.mk-group.com

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