3D-Messsysteme: Eine Alternative zu Bildverarbeitungs-Prüfsystemen für Prüfungen innerhalb der Fertigungslinie in Smart Factories

Schlechte Prüfungen und die Auslieferung fehlerhafter Teile sind Szenarien, die Unternehmen der Fertigungsindustrie unbedingt vermeiden wollen. Daher müssen sie Anomalien erkennen, bevor sie sich zu größeren Fehlern auswachsen, und sie müssen Korrekturmaßnahmen ergreifen, bevor fehlerhafte Teile produziert und an Kunden ausgeliefert werden. Dazu stehen ihnen zwei Arten von Prüfsystemen zur Verfügung.

Bildverarbeitungs-Prüfsysteme

Ausgestattet mit Kameras, Videofunktion und Beleuchtung werden 2D- und 3D-Bildverarbeitungs-Prüfsysteme in der Regel für die automatisierte Qualitätskontrolle und die bildbasierte Prüfung innerhalb von Produktionslinien eingesetzt. Sie eignen sich besonders für die Erkennung von geometrischen Körpern und Merkmalen, wie z. B. Löchern und Schweißnähten, und werden in der Regel in Fertigungslinien integriert, um Teile zu vermessen, um zu überprüfen, ob sich die Teile in der richtigen Position befinden, und um die Form von Teilen zu erkennen.

Vorteile

Aufgrund der Fähigkeit ihrer Kameras, Bilder mit hoher Geschwindigkeit zu erfassen, sind Bildverarbeitungs-Prüfsysteme extrem schnell. Das Teil kommt an, und im Bruchteil einer Sekunde machen alle Kameras gleichzeitig ein Foto, bevor das Teil seinen Weg auf der Fertigungslinie fortsetzt. Während die Computersoftware die Bilder verarbeitet, bewertet das Bildverarbeitungssystem mittels einer „Bestanden/Nicht bestanden“-Funktion die Qualität der Teile. Mit Bildverarbeitungs-Prüfsystemen können Fertigungsunternehmen also 100 % ihrer Teile prüfen, um sicherzustellen, dass alle Produkte innerhalb der Toleranzen liegen und die Anforderungen der Kunden erfüllen.

Darüber hinaus bieten Bildverarbeitungs-Prüfsysteme mit ihrer Hochleistungsoptik eine hervorragende Genauigkeit. Auch die Einrichtung der Sensoren ist relativ einfach und erfordert nur eine Grundkalibrierung.

Nachteile

Obwohl Bildverarbeitungs-Prüfsysteme eine ausgezeichnete Genauigkeit in ihrem Sichtfeld bieten, sind sie keine zuverlässigen Hilfsmittel, um Maßabweichungen zwischen zwei Objekten zu validieren, die sich in unterschiedlichen Sichtfeldern befinden. Mit anderen Worten: Was ihnen fehlt, ist die volumetrische Genauigkeit. Da die Sichtfelder der Kameras keine volumetrische Genauigkeit bieten, ist es unmöglich, den Abstand zwischen Bohrungen zu validieren, die sich auf unterschiedlichen Seiten eines Teils befinden. Daher ist es schwierig, 100 % der zu prüfenden Abmessungen oder Merkmale zu prüfen.

Darüber hinaus erfordert ein Bildverarbeitungs-Prüfsystem die Installation mehrerer Kameras, die auf einer Spannvorrichtung oder Halterung positioniert werden, die für eine bestimmte Anwendung, ein bestimmtes Projekt oder ein bestimmtes Teil vorgesehen ist. Dieser Mangel an Flexibilität sorgt für Beschränkungen, denn wenn sich bestimmte Parameter der zu prüfenden Teile ändern, stimmt die Position der Kameras möglicherweise nicht mehr, und die Spannvorrichtung oder Halterung muss ausgetauscht werden. Da sich die Automobilindustrie in Richtung einer Produktion mit vielen Variationen in geringen Stückzahlen entwickelt – d. h. die Automodelle ändern sich jedes Jahr –, müssen die Automobilhersteller flexibel sein und ihre Fertigungslinien anpassen. Daher ist eine feste, starre, permanente und teure Anlage, die für die Produktion hoher Stückzahlen mit geringen Variationen konzipiert ist, weniger geeignet für diese neue Realität.

Als Reaktion darauf haben Fertigungsunternehmen begonnen, nach Lösungen zu suchen, mit denen sich die mangelnde Flexibilität von Bildverarbeitungssystemen überwinden lässt. Anstatt 4, 8 oder 12 fest installierte Kameras an einer Spannvorrichtung oder Halterung zu haben, können sie eine einzelne Kamera an einem Roboter fixieren, der Bilder an 4, 8 oder 12 Positionen aufnehmen kann. Der Roboter dient als externes Positionierungshilfmittel zur Erweiterung des Arbeitsvolumens der Kamera und zur Aufnahme verschiedener Bilder im 3D-Raum. Diese Vorgehensweise läuft darauf hinaus, dass man sich auf die Wiederholbarkeit des Roboters verlässt, was leider ein falsches Gefühl von Sicherheit vermitteln kann.

In der Realität führen Temperaturschwankungen und Vibrationen in der Werkhalle sowie Verschleiß dazu, dass der Roboter im Laufe der Zeit leicht driftet und nicht immer in dieselbe Position zurückkehrt. Die volumetrische Genauigkeit nimmt bei Messungen von <100µm drastisch ab. Dieses Verhalten ist verhängnisvoll, denn es kann Spezialisten in der Qualitätskontrolle zu dem Schluss gelangen lassen, dass die Abmessungen eines Teils falsch sind und es nicht richtig eingebaut werden kann, obwohl der Fehler eigentlich bei der Messung liegt.

Da das Bildverarbeitungs-Prüfsystem nur vereinfachende Informationen liefert, haben Fertigungsunternehmen darüber hinaus nicht die Möglichkeit, Auswertungen von Form-Lage-Toleranzen (GD&T) durchzuführen, d. h. das System liefert keine Oberflächenprofile oder Bohrungspositionen.

3D-Messsysteme

3D-Messsysteme werden auch häufig für die automatisierte Qualitätskontrolle und Prüfung innerhalb von Produktionslinien in Smart Factories eingesetzt. Die Automobil- und Luftfahrtindustrie nutzt diese Alternative zu Bildverarbeitungssystemen für die Abmessungsprüfung mechanischer Teile, um die Produktivität zu verbessern, die verfügbare Betriebszeit zu erhöhen und die Kosten zu senken.

Vorteile

Mit optischem Tracking und dynamischer Referenzierung bieten 3D-Messsysteme eine optimale volumetrische Genauigkeit, die bei der Kontrolle der Maßhaltigkeit und der Prüfung von Oberflächenprofilen unerlässlich ist. Darüber hinaus ist die Messgenauigkeit unempfindlich gegenüber Instabilitäten der Umgebung, wie z. B. Vibrationen und Temperaturschwankungen, die in Produktionsstätten an der Tagesordnung sind.

Dank der Leistungsfähigkeit von optischer und Blaulasertechnologie können 3D-Messsysteme auch hocheffiziente 3D-Scans von glänzenden Oberflächen oder Objekten mit unterschiedlicher Reflektivität erstellen – ohne Oberflächenvorbereitung – und verschiedene Teilegrößen und unterschiedliche Oberflächengeometrien messen.

Im Kontext von Industrie 4.0 wollen Fertigungsunternehmen nicht nur gewarnt werden, wenn es ein Problem gibt – sie wollen auch die Ursache des Problems verstehen und wissen, wie sie es beheben können. Dafür ist Tempo gefragt, vor allem aber müssen die Unternehmen ein Verständnis für das Gesamtbild erlangen. Aus diesem Grund ist es wichtig, Hilfsmittel mit hoher volumetrischer Genauigkeit und ausgezeichneter Vielseitigkeit zu verwenden, um jede Art von Oberfläche ohne Vorbereitungsaufwand vermessen zu können.

Aufgrund ihrer Bedienerfreundlichkeit und Offline-Programmierung sind 3D-Messsysteme zudem für alle nutzbar, ungeachtet von Fachkenntnissen oder Erfahrung in Robotik und 3D-Scanning. Neue Software für digitale Zwillingsumgebungen ermöglicht Benutzern aller Erfahrungsstufen die einfache und schnelle Programmierung von Roboterpfaden und die Optimierung der Sichtlinie des Robotikystems, um Programmierprobleme zu lösen.

Nachteile

Da sie viele Informationen liefern, die für das Verständnis eines Teils als Ganzes nützlicher sind, sind 3D-Messsysteme nicht dafür ausgelegt zu kontrollieren, ob bestimmte geometrische Merkmale wie Lochdurchmesser, Schweißnähte oder andere Artefakte vorhanden sind. Die Prüfung klar umrissener Teile wie z. B. Leiterplatten (PCB) ist ebenfalls besser für Bildverarbeitungs-Prüfsysteme geeignet, da die gesamte Oberfläche im Sichtfeld der Kamera liegt.

3D-Messsystem: Eine bessere Lösung für Smart Factories

Fertigungsunternehmen müssen sich heute auf die Lösung komplexer und kritischer Probleme konzentrieren, die sich auf die Produktivität und Effizienz ihrer Fertigung auswirken. Dazu gehört das Wissen, dass alle Merkmale gut positioniert sind, dass die Oberflächenprofile korrekt sind und gute Bündigkeit und Spaltmaße beim Zusammenbau der Teile gewährleisten werden, dass die Matrize wegen zu starker Abnutzung ausgetauscht werden muss, und vieles mehr. Alle diese Kontrollen sind nicht allein durch eine lokale Analyse möglich. Die Lösung von Problemen bei der Maßhaltigkeit, die in der Regel komplexer sind als die Prüfung eines Lochdurchmessers, ist nur mit volumetrischen Kontrollen und mit Farbkarten der verschiedenen Oberflächen möglich. Daher können 3D-Messsysteme das Leben für Fertigungsunternehmen entschieden einfacher machen.

Schließlich sind 3D-Messlösungen aufgrund der oben genannten Vorteile sehr effektive Hilfsmittel, die den Aufwand bei der Einrichtung einer neuen Produktion reduzieren. Dies ist ein kritischer Moment, in dem viele Maßhaltigkeitskontrollen und Prüfungen notwendig sind, in deren Ergebnis sehr kurzfristig Anpassungen erfolgen müssen. Damit helfen sie Fertigungsunternehmen, Zeit, Aufwand und Geld zu sparen.