Robuste und hochpräzise optische Inline Messtechnik BentelerOpticalGauge

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1 Robuste und hochpräzise optische Inline Messtechnik BentelerOpticalGauge Nicht erst durch die Notwendigkeiten, die die internationalen Produkthaftungsgesetze an die Fertigungsqualität und zuverlässigkeit stellen, haben Prozessintegrierte Prüfund Messaufgaben eine wachsende Bedeutung in vielen Industrien gewonnen. Auf Seiten der optischen Technologien sind unterschiedlichste Lösungen am Markt verfügbar von einfachen Aufgaben in der Vollständigkeits- und Positionserkennung bis hin zu präzisen, messenden Systemen, die vergleichbare Genauigkeiten wie taktile Verfahren gestatten. Im folgenden Beitrag wird die messaufgabenabhängige Integration verschiedener Messtechnologien in das Gesamtkonzept BentelerOpticalGauge vorgestellt. Dabei wird anhand von Beispielen gezeigt, wie sich Forderungen nach höchsten Genauigkeiten in einem wirtschaftlich vorteilhaften Rahmen für die industrielle Produktion umsetzen lassen. 1. Taktile, hochgenaue Bauteilvermessung von Komponenten Am Beispiel der messenden Qualitätssicherung an geometrisch komplexen Produkten aus dem Automobilbau wird die Motivation für das optische Inline-Messsystem BentelerOpticalGauge erläutert, dessen Anwendungsfelder sich selbstverständlich nicht auf diese Industrie beschränken. Um den Toleranz- und Zuverlässigkeitsforderungen für das gewählte Beispiel eines Schweißzusammenbaus (Achsträger) nachzukommen, ist vielfach die hundertprozentige Vermessung einer Vielzahl von Attributen in kürzester Zeit zu realisieren. Häufig müssen mehr als zwanzig Merkmale innerhalb weniger Sekunden erfasst und visualisiert werden. Die erforderliche Messgenauigkeit orientiert sich dabei an der von Koordinatenmessmaschinen bereitgestellten Performance es handelt sich damit nicht um ein triviales, sondern um ein hochgenaues Ermitteln geometrischer Größen in der Produktion. Um diesen Forderungen nachzukommen, wurden bislang kinematisch zustellbare Messköpfe in taktil messenden Anlagen verwendet (? Bild 1). Abhängig von Art und Umfang der Messaufgabe können hier ergänzend attributive Merkmale mittels ebenfalls verführbarer Formteile erfasst werden. Bild 1: Stand der Technik - taktile messende Lehre für Inline-Messaufgaben

2 Diese Art der Vorgehensweise offenbart eine Vielzahl von Schwachstellen; die gravierendsten finden sich nachfolgend zusammengefasst: - Hoher monetärer Aufwand zur Lehrenherstellung und damit ungünstiger ROI - Unflexibel und aufwendig bei Bauteiländerungen, die insbesondere in der Automobilindustrie üblich sind - Lange Herstelldauer von mindestens 4 Monaten - Eingeschränkte Bauteilinformationen, da nur Regelgeometrien ermittelbar sind. Eine Erfassung von Flächen- und Oberflächeninformationen ist nicht durchführbar. Motivation zur Nutzung optischer Systeme Optische Systeme verfügen über das Potential, diese Nachteile zu eliminieren. Entscheidend ist dabei die Umsetzung der geforderten Messgenauigkeiten nicht nur innerhalb eng umgrenzter einzelner Bereiche, sondern auch die exakte Ermittlung von Messwerten über das gesamte Bauteil. Zusätzlich wird häufig eine Auswertung gefordert, die Unterbezüge zum Hauptkoordinatensystem mit einschließt. Ferner gilt es, das mit taktilen Systemen eingeschränkte Attributespektrum durch optische Techniken deutlich zu erweitern. Dazu zählt beispielsweise die prozessintegrierte Erfassung von Flächeninformationen (Ebenheit, Winkeligkeit, Parallelität), die beim Einsatz von taktilen Lehren vielfach zusätzlich auf Koordinatenmessmaschinen erfolgen muß und damit nicht mehr inline möglich sind. Ebenso besteht die Möglichkeit, Oberflächeninformationen zu erfassen. Als Beispiel seien hier Farb- oder Fehleranalysen zu nennen. Darüber hinaus ist für das betrachtete Beispiel eine Erfassung von Fügeergebnissen (Schweißnähte) von großer Bedeutung. Der Forderungskatalog, der hinter der Entwicklung der BentelerOpticalGauge stand, findet sich in Bild 2 zusammengefasst. - Erfassung von Lage und Form von Regelgeometrien - Ermittlung und Auswertung von Punktewolken für Flächeninformationen - Analyse von Oberflächeninformationen (Farb-, Fehleranalyse) - Robuste Informationsverarbeitung, um schwankenden Produkt- und Umweltbedingungen Rechnung zu tragen - Anwesenheits- bzw. Vollständigkeitsprüfungen - Messzeit bei 20 Attributen unter 5 Sekunden - Unbeschränktes Messvolumen - Hohe Flexibilität durch Sicherstellung eines Multiproduktansatzes, bei dem mehrere Bauteile in einer Lehre geprüft werden können - Messgenauigkeit bis zu 20 µm Bild 2: Systemforderungen an die BentelerOpticalGauge Um den hohen Anforderungen an Genauigkeit, Prozesszeit und Anzahl der Attribute gerecht zu werden, fiel die Entscheidung gegen Robotergeführte Systeme und für

3 einen flexibel gestalteten stationären Aufbau, der sich für die hier vorgestellte Messaufgabe als insgesamt vorteilhafter erweist. 3. Integration verschiedener Messtechnologien in ein Gesamtkonzept Zur Umsetzung des komplexen Anforderungsprofils mit den vielfältigen oben beschriebenen Messaufgaben fiel die Entscheidung, die BentelerOpticalGauge mit verschiedenen, untereinander kombinierbaren Messtechnologien auszurüsten. Diese reichen vom einfachen 2D Image Processing über den Einsatz kodierten Lichtes und der Photogrammetrie bis zur Laserlichtschnitttriangulation. Bild 3 zeigt eine mögliche Ausführung und die einsetzbaren optischen Verfahren. Photogrammetry Coded light Laser- and Patterntriangulation 2D/3D Image processing Bild 3: Messtechnologien der BentelerOpticalGauge (Ausführung Messende Lehre ) D Image Processing unter Einsatz morphologischer Techniken Die klassischen Messaufgaben werden mit dem Einsatz des 2D Image processing umgesetzt. Dazu zählen die 2D-Vermessung von Regelgeometrien, die Anwesenheits- und Positionskontrolle sowie die Erkennung von Oberflächenfehlern. Im beschriebenen Beispiel der Vermessung eines Schweißzusammenbaus kommt diese Technologie zur Auswertung von Positionen von einfachen Löchern und Bohrungen, sowie zur Vollständigkeitskontrolle zweier Halter zum Tragen.

4 Insbesondere durch die Nutzung der hinterlegten morphologischen Methoden zur Auswertung wird ein hohes Maß an Robustheit gegen Störeinflüsse sichergestellt. Solche Störeinflüsse stellen sich im Produktionsalltag beispielsweise in Form unterschiedlicher Oberflächenzustände oder Lichtverhältnisse dar. Das zugrunde liegende Prinzip lässt sich komprimiert als mathematische Bestimmung von Transformationen von Objekten im 3-dimensionalen Raum charakterisieren. Beispielsweise lässt sich durch die Erfassung einer Ellipse Rückschlüsse auf die Lage und Abmessung eines Kreises im Raum ziehen Photogrammetrie robuste dreidimensionale Messtechnik durch Morphologie Die Ermittlung dreidimensionaler Bauteilinformationen kann über photogrammetrische Verfahren erfolgen. Mittels einer Stereokamera lassen sich im einfachsten Fall Regelgeometrien ermitteln, wie dies im Anwendungsbeispiel für verschiedene Löcher erfolgt. Ist die zusätzliche Erkennung von Oberflächeninformationen notwendig, kommen verschiedene Zusatzbeleuchtungen bzw. Projektoren zur Anwendung. Damit können entweder dreidimensionale Regelgeometrien, wiederum unter Verwendung morphologischer Methoden, robust vermessen werden (Beispiel: Lage und Orientierung von Rohrabschnitten / Hülsen). Handelt es sich bei den auszuwertenden Elementen nicht um Regelgeometrien, so gestattet es die BentelerOpticalGauge alternativ, die 3D-Informationen auch als Punktewolke weiterzuverarbeiten. Dazu kommt die Softwarelösung Rapidform XO der Firma Inus Technologies, Inc., zum Einsatz. Basierend auf CAD- oder Referenzbauteildaten ist es möglich, beliebige Flächen hinsichtlich Abweichung von der Sollgeometrie zu analysieren. Bild 4 zeigt einen solchen Abgleich für einen Halter am ausgewählten Beispiel. Bild 4: Verarbeitung von 3D-Punktewolken am Beispiel einer Lenkeraufnahme eines Achsträgers

5 3.3. Einsatz kodierten Lichtes Für die Fälle, in denen die Oberflächen- und Umgebungsbedingungen in besonderem Masse variieren und die Möglichkeiten der Photogrammetrie ausgeschöpft sind, ist der Einsatz kodierten Lichtes vorgesehen. Das Prinzip beruht auf der definierten, kodierten Projektion von Licht auf die Bauteiloberfläche und der optischen Auswertung der ent stehenden Oberflächensituation. Da sich kodierte Lichtprojektoren als wirtschaftlich ungünstiger als die oberflächenbestimmenden Verfahren der Photogrammetrie gestalten, kommt kodiertes Licht nur zur Anwendung, wenn die Messbedingungen dies zwingend verlangen Laserlichtschnitttriangulation Die Laserlichtschnitttriangulation als weitere Messtechnologie der BentelerOptical- Gauge stellt die grösstmögliche Oberflächeninformation zur Verfügung. Mit Sensoren der Auflösung von 4 MPixeln, die nach dem Flying-Spot-Verfahren arbeiten, sind hochauflösende Auswertungen realisierbar. Im Sinne der heutigen Anforderungen an die geometrische Inline-Messtechnik darf diese Technologie als High End Verfahren angesehen werden, dessen Anwendung in diesem Zusammenhang nicht standardmäßig, sondern nur in Sonderfällen eingesetzt wird. 4. Beispiel aus der industriellen Umsetzung Die Umsetzung der BentelerOpticalGauge in den Produktionsprozess ist bereits realisiert. Entsprechend der Entwicklungshistorie lag die erste Anwendung im Automobilbau. Als Messaufgabe an einem Achsträger galt es, Löcher und Hülsen hinsichtlich Lage und Abmessung zu analysieren. Realisierte Messtechnologie in diesem Fall ist die Photogrammetrie. Die notwendige Reproduzierbarkeit und die geforderten Messgenauigkeiten wurden damit erfüllt. Der Qualitätsnachweis als Voraussetzung für den Produktionseinsatz war in diesem Fall der Abgleich zur taktilen Messung mit einer Koordinatenmessmaschine. In diesen Fällen ist den unterschiedlichen Messprinzipien und den sich daraus ableitenden Besonderheiten in jedem Fall Rechnung zu tragen. 5. Beispiele für weitere Anwendungsfelder Der Aufbau und die Integration der Techniken der BentelerOpticalGauge sind nicht auf das hier beschriebene Beispiel Messende Lehre beschränkt. Anwendungsfelder ergeben sich allen denjenigen Fällen, in denen im Sekundentakt eine Vielzahl geometrischer Attribute oder Oberflächeninformationen inline im Produktionsprozess zu ermitteln sind. Durch die morphologische Bildverarbeitung sind Anwendungen möglich, in denen ein besonderes Maß an Robustheit des optischen Systems erforderlich ist. Die Bilder 7-9 zeigen schematisch eine Auswahl möglicher Konstellationen.

6 2 1 3 Der Aufbau Messende Lehre ist als Beispiel im vorliegenden Beitrag verwendet worden. Bild 7: Messende Lehre Die Anwendung Konstanter Materialfluss zeigt einen für die Messung dem Prüfkörper nachgeführten Aufbau, der bei geringsten Taktzeiten und bewegten Prüfkörpern zur Anwendung kommt. ma Bild 8: Konstanter Materialfluss Die Integration im Fertigungsprozess stellt die mehrfache Anwendung in einem gesamten Fertigungsverbund dar, bei der je nach Fertigungsfortschritt unterschiedlichen Messtechnologien je Station Anwendung finden. Pre-inspectionin Fertigungsschritt A Pre-inspectionin Fertigungsschritt B Pre-inspection in Fertigungsschritt C Operation A Operation B Operation C Sub-Operation A Produktionsfluss Komponente A Komponente B Komponente C Bild 9: Integration in Fertigungsprozess

7 6. Kostenvorteile Das dargestellte Konzept der BentelerOpticalGauge bietet damit nicht nur erhebliche technische Vorteile, sondern reduziert auch nachhaltig die Betriebs- und Investitionskosten. Im Vergleich zu einer herkömmlichen taktilen Lehre, die bei einem Investitionsvolumen von ca. 325 T für übliche Bauteile liegt, ist die BentelerOpticalGauge schon bei den Anschaffungskosten mit ca. 300 T deutlich günstiger (? Bild 10) Tactile Gauge BOG Bild 10: Vergleich der Investitionskosten einer taktilen Lehre zur BOG Rechnet man zusätzlich noch die erheblich kürzere Messdauer im Vergleich zur taktilen Messmaschine ergibt sich ein zusätzliches Einsparvolumen von ca. 40 T pro Produktzyklus. Damit reduziert sich der Stückpreis bereits deutlich. Aufgrund der systembedingten Flexibilität, die besonders deutlich bei einem Produktwechsel zum Tragen kommt, lässt sich die BOG mit sehr wenig Aufwand umrüsten. Hier fallen jetzt lediglich noch Kosten für eine neue Spannvorrichtung für das Bauteil und eine Anpassung der Software an. Die zusätzlichen Investitionskosten und damit der Stückpreis für jedes Produkt liegen jetzt deutlich unter denen einer taktilen Lehre. Bild 11: Kosten pro Teil bei mehreren Produkten 2 1,8 Tactile Gauge BOG 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1 product 2 products (Berechnungsgrundlage: Investition 300 T, zusätzlich 100 T für Umrüstung der BOG / Basis: Stück/Jahr)

8 7. Zusammenfassung Das Konzept der BentelerOpticalGauge bietet durch die je nach Messaufgabe frei konfigurierbaren Anordnung verschiedenster Messmethoden nahezu unbegrenzte Möglichkeiten. Die hochgenaue Vermessung komplexer Baugruppen innerhalb weniger Sekunden in Produktionsumgebung erlaubt eine echte 100%-Kontrolle mit der Möglichkeit der Datenarchivierung und rückverfolgbarkeit. Die flexible Anpassung an Veränderungen und die im Vergleich zu alternativen Messmaschinen kurze Lieferzeit erlauben einen effektiven und schnellen Einsatz der Produktionsmittel mit schneller Amortisation. Benteler Maschinenbau GmbH Frachstraße D Bielefeld +49 (0)