Qualitätsmaßstab Schattenwurf

Qualitätsmaßstab
Schattenwurf

Die Automobilindustrie setzt hohe Maßstäbe für die Teilefertigung ihrer Zulieferer. Eine 100%-Qualitätsprüfung ist daher oftmals unverzichtbar. Um den exakten Rundlauf der Spitze von gehärteten Stiften für den Einsatz in Kfz zu gewährleisten, nutzt ein Unternehmen aus Thüringen seit Anfang des Jahres ein automatisiertes Prüfsystem, bei dem eine Zeilensensorlösung eine entscheidende Rolle spielt.
Die Präzisionsdrehteile Barchfeld GmbH produziert ausnahmslos Drehteile in hoher Präzision. Michael Grobe, Geschäftsführer des mittelständischen Unternehmens präzisiert: „Wir sind eine Dreherei mit Automatenfertigung, wobei sich die Losgrößen von kleinen Stückzahlen bis hin zu Großserien bewegen. Der Arbeitsbereich fängt bei einem Werkstückdurchmesser von 2mm an und reicht bis 42mm. Hierbei bearbeiten wir ausnahmslos zerspanbare Materialien, also Metalle.“ Im Auftrag eines Systemlieferanten fertigt die Firma u.a. auch Metallstifte für den Einsatz in Kfz. „Die Spitze dieser Stifte mit 3mm Durchmesser muss nach dem Härten und Schleifen in einem engen Toleranzband bis maximal 0,06mm einen exakten Rundlauf aufweisen. Um eine hohe Fertigungsqualität sicherzustellen, ist daher eine durchgängig Prüfung aller Fertigteile unumgänglich. Aus diesem Grunde beauftragten wir ein Ingenieurbüro, eine Lösung zur vollautomatischen Rundlaufprüfung der Stiftspitze zu entwickeln“, erklärt Grobe. Eine Aufgabe für Konstruktion & Musterbau Wohlgemuth, denn das Ingenieurbüro ist auf die Entwicklung und Fertigung von Sondermaschinen spezialisiert. Uwe Wohlgemuth, Juniorchef des Unternehmens: „Zur Entwicklung der Prüfanlage für Präzisionsdrehteile Barchfeld benötigten wir eine Sensorlösung, die sich problemlos in ein vollautomatisches System integrieren ließ, mit Blick auf kurze Taktzeiten schnell sein musste und natürlich in der Lage war, mit hoher Präzision die anspruchsvolle Prüfaufgabe zu erfüllen. Der Kontakt zu IPF Electronic hat uns dabei sehr geholfen, denn hier bekamen wir kompetente Beratung und die Antwort, dass für unsere Entwicklung im Grunde nur ein Zeilensensor in Frage kommt.“

Objektkante im Fokus

Die Zeilensensoren eignen sich vor allem für eine präzise Teilepositionierung oder zur genauen Ermittlung von Objektabmessungen. Mit Blick auf eine hohe Einsatzflexibilität werden die Sensoren als tastende Systeme (Reflex-Zeilensensoren) und Sender-Empfänger-Systeme (Laser-Zeilensensoren) angeboten, wobei die letztgenannten auch als Gabel-Varianten verfügbar sind. Das Gabel-System PG400140 empfahl IPF Electronic für die automatische Prüfanlage. Warum, wird u.a. deutlich, wenn man den Aufbau und die Funktion der Zeilensensoren kennt. Der Empfänger besteht aus einem CCD-Zeilendetektor, der aus eng beieinander angeordneten Empfangselementen bzw. Pixeln aufgebaut ist. Auf diesen Zeilendetektor wird der auf der Senderseite erzeugte linienförmige homogene Laserlichtstrahl abgebildet. Befindet sich ein Objekt im Lichtstrahl des Sensorsystems, wird bei dem Zeilendetektor des Empfängers das Schattenbild des Objektes auf die einzelnen Pixel der CCD-Zeile abgebildet. Da der Abstand der Pixel zueinander auf der jeweiligen CCD-Zeile bekannt ist, lässt sich z.B. die Größe des erzeugten Schattenbereichs und damit der Durchmesser eines Objektes ermitteln. Parametriert werden die Zeilensensoren über eine spezielle Software, in deren Oberfläche u.a. eine Belichtungskurve der CCD-Zeile dargestellt wird, in der die Helligkeitsinformation jedes einzelnen Pixels der Zeile wiedergegeben ist. Somit sieht der Anwender, ob und wo Bereiche des CCD-Zeilendetektors durch ein Objekt abgeschattet werden. Dieses sogenannte Videosignal kann je nach Messaufgabe über verschiedenste Betriebsarten ausgewertet werden. Dazu wird die Auswertebetriebsart über die Software definiert und an den Zeilensensor übertragen. Nach der Parametrierung arbeiten die Sensor-Systeme ohne PC-Anbindung im Stand-Alone-Betrieb. Der in der Prüfanlage integrierte Zeilensensor verfügt über eine 6x1mm starke Rotlicht-Laserlinie als Sendeelement, während die aktive Sensorfläche aus einem CCD-Zeilendetektor mit 512 Pixeln besteht. Die Auflösung des Sensorsystems beträgt 2µm. Uwe Wohlgemuth erläutert die Funktionsweise der Anlage: „Aus einem Vorratsbunker werden die Stifte zunächst an einen Wendelförderer übergeben, um die Teile längsgerichtet einer linearen Förderstrecke mit einem Teilepuffer zuzuführen. Da die Teile in diesem Anlagenbereich für eine Prüfung der Stiftspitze noch nicht lagerichtig angeordnet sind, werden sie nach dem Puffer in einer Drehstation ausgerichtet und gelangen von dort in die Prüfstation.“

Auswertebetriebsart Center

Jeder Stift vollzieht in dieser Station eine eineinhalbmalige Umdrehung, um zweifelsfreie Prüfergebnisse zu erhalten. Der Rundlauf der Stiftspitze wird anhand der Durchbiegung der Stifte kontrolliert, wobei die Prüfung in der Auswertebetriebsart Center erfolgt. Mit dieser Betriebsart wird die Mitten-Position eines Schattenwurfs bestimmt, den ein Bauteil (hier die Stiftspitze) im Messsystem erzeugt. Ergänzend hierzu kommt der Auswertemodus Min-Max zum Einsatz, der über einen Messzyklus die absolute Bewegung der Bauteilmitte innerhalb des Zeilensystems ermittelt. Im konkreten Fall bedeutet das: Weist die Stiftspitze bedingt durch eine Verbiegung bei einer Drehbewegung einen sogenannten Höhenschlag auf, dann verändert sich auch die Position der Bauteilmitte während der Drehbewegung. Die Positionsveränderung wird beobachtet, wobei das Sensorsystem die jeweiligen Extremwerte in beiden Auslenkungsrichtungen speichert. Die aus diesen Werten ermittelte Differenz entspricht dem Höhenschlag des aktuell geprüften Bauteils und wird zur Auswertung in ein Analogsignal umgewandelt, das an die SPS der Prüfanlage weitergeleitet wird, um NIO- von IO-Teilen separieren zu können. Damit bei jedem neu zu prüfenden Stift nicht die vorangegangenen Min/Max-Werte zur Bewertung des Rundlaufs herangezogen werden, sind bei jedem Prüfling die Grenzwerte zurückzusetzen. Dies geschieht über einen externen Eingang am System, der nach dem Zuführen eines neuen Stifts in die Prüfstation kurzzeitig mit 24V beaufschlagt wird.

Integrierte Signalverstärkung

Das in der Prüfanlage verwendete Sensorsystem hat eine Messbereichsbreite von 6mm. Die Messbreite ist doppelt so groß wie der Bauteildurchmesser und sehr viel größer, als der zu erwartende Höhenschlag der Stiftspitze. Der Vorteil: Um sicher zu stellen, dass die Stiftspitze in den Lichtstrahl ragt, muss das System nicht so exakt positioniert werden. Der Nachteil: Für die SPS stehen nur kleine aus dem Höhenschlag resultierende Analogsignale zur Auswertung bereit. Diesem Problem begegnet das System mit einer integrierten Zoom-Funktion, die beim Analogausgang kleine Veränderungen der Bauteillage in große Signalauslenkungen umsetzt. „Der eigentliche Prüfvorgang pro Stift benötigt lediglich Zehntelsekunden“, erklärt Uwe Wohlgemuth. Unter Berücksichtigung der mechanischen Komponenten für die Ein- und Ausschleusung der Stifte im Bereich der Prüfstation werden somit Taktzeiten von 2,5sek/Prüfling erreicht. Ein Ergebnis, das Michael Grobe von Präzisionsdrehteile Barchfeld vollauf überzeugt hat: „Wir haben die Anlage seit Februar 2015 im Einsatz und können seither eine lückenlose Qualitätskontrolle realisieren, wobei wir pro Stunde rund 1.400 gehärtete Stifte prüfen.“

IPF Electronic GmbH
http://www.ipf-electronic.de

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