Im Autobau kommt es auf jedes ­Detail an. Und damit auch darauf, wie sich Schalter und Tasten anfühlen. Ein Prüfsystem sorgt für das richtige Drück-Gefühl.

Im Autobau kommt es auf jedes ­Detail an. Und damit auch darauf, wie sich Schalter und Tasten anfühlen. Ein Prüfsystem sorgt für das richtige Drück-Gefühl.Syda Productions – Fotolia.com

Die Anforderungen eines Automobilzulieferers an ein neues Prüfsystem konnten sich sehen lassen: Gefordert war die 100-%-Prüfung von Kfz-Schaltern – von der Funktionsfähigkeit bis zum richtig Drück-Gefühl. Wichtige Faktoren der End-of-Line(EOL)-Prüfungen waren Zuverlässigkeit der Prüfungen, geringe System- und Upgrade-Kosten und ein hoher Prüfdurchsatz. Weitere Anforderungen betrafen die Anbindung an die Produktionssteuerung, kurze Inbetriebnahmezeiten und die enge Integration in übergeordnete IT-Systeme. Nur vier Monate hatten die Entwickler von MCD-Elektronik Zeit die Wünsche ihres Kunden zu erfüllen.

Das Ergebnis ist ein Prüfsystem in Rundschalttisch-Anordnung, das die verschiedenen Testdisziplinen vereint – und das auf etwa 1,2 m2 und 2 m in der Höhe. In einer Taktrate von 5 s prüft die Anlage Kraftfahrzeugschalter auf Herz und Nieren. An der Frontseite der Prüfeinheit befindet sich die manuelle Einlege-Station. Die genannten 5 s hat der Bediener Zeit, um die ungeprüften Teile einzulegen. Im Drehteller sind dafür auswechselbare Prüflingsaufnahmen eingelassen. Nach dem Einlegen werden die Bauteile pneumatisch kontaktiert, damit die elektrischen Parameter des Schalters gemessen werden können.

Das Prüfsystem misst nicht nur die elektrischen Parameter der Schalter, sondern auch ­deren Haptik.

Das Prüfsystem misst nicht nur die elektrischen Parameter der Schalter, sondern auch ­deren Haptik.MCD

Drei Tests in einem

Die zweite Station überprüft die Montagefähigkeit der Schalter. Hier messen die Tester die Geradheit der Steckerstifte mit einer mechanischen Taumelkreisprüfung. Der Taumelkreis beschreibt, wie weit die Kontaktstifte von der Soll-Position in X- und Y-Richtung abweichen dürfen. Auch die Steckkraft des schwimmend gelagerten Steckergehäuses (Steckermaske) wird an dieser Station gemessen. Die Steckerstifte werden auf eine Genauigkeit von +/- 0,4 mm Toleranz bei einer Steckkraft von etwa 2,5 N überpürft.

An der dritten Station findet die optische Auswertung statt. Hier wird das Aussehen des Schalters genau unter die Lupe genommen. Geprüft werden die Leuchtdichte, die LED-Farbe des Tastensymbols, seine Lage und die Qualität der Ausführung. Dazu kommt ein Cognex-Farb-Kamerasystem mit einer Auflösung von 1.280 mal 1.024 zum Einsatz. Die große Langzeitstabilität dieser Kamera erlaubt die Messung der Leuchtdichte (Einheit: Candela/Quadratmeter). So soll die Homogenität des sichtbaren Lichteindrucks sichergestellt werden. Cognex-Funktionen, wie beispielsweise Patmax (geometrischer Mustervergleich zur Teilelokalisierung), Easybuilder (Konfigurations-Assistent) und ihre graphische Benutzeroberfläche wurden in die MCD-Bildverarbeitungs-Software eingebunden. Darüber hinaus unterstützen statistische Aufzeichnungen und Auswertungen die Dokumentation der Prüfergebnisse. Eine spezielle Abschottung sorgt dafür, dass diese Prüfungen nicht durch Fremdlicht gestört werden.

Station vier ist das Herzstück des Testsystems, der ‚Haptik-Check‘ mit elektrischer Widerstandsprüfung. Dieser misst die zur Betätigung des Schalters notwendige Kraft und die Leitfähigkeit der Kontakte. Hierbei handelt es sich um eine Doppelmessung: Die Schalter werden auf dem Hin- und Rückweg gemessen. Die Schalterbetätigung übernehmen ein Präzisionsantrieb und ein Motion Controller von Faulhaber. Sie wurden mit eigenentwickelten Komponenten erweitert, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Ein mechanischer Tastkopf simuliert dabei einen menschlichen Finger. Er wird mit einer wählbaren Geschwindigkeit verfahren und der Kraftverlauf gemeinsam mit der aktuellen Position aufgezeichnet. Die Abarbeitung des Bewegungsablaufs erfolgt direkt im Motion Controller. Ist die maximale Kraft oder eine bestimmte Position erreicht, stoppen der Antrieb und somit auch die Messung. Anschließend erfolgt der Start der Messung für den Rückweg. Eine integrierte Routine führt bei Typwechsel, Neustart oder Fehler eine Kalibrierung durch.

Der Prüf-Finger: Haptikprüfung mit Servo­antrieb.

Der Prüf-Finger: Haptikprüfung mit Servo­antrieb.MCD

Bei der Haptik-Prüfung zeichnen Präzisionssensoren und ein Winkelencoder den Kraftverlauf auf. Für die Kraftmessung wählten die Fachleute von MCD einen robusten piezoelektrischen Kraftsensor, der sich besonders zum Messen von sich rasch ändernden Druckkräften mit einer Obergrenze von 50 N eignet. Parallel zur Kraftmessung erfolgt zur Bestimmung des Schaltpunktes eine Vier-Pol-Widerstandsmessung mit einem Präzisions-Resistomat (Milliohmmeter). Alle physikalischen Messgrößen, wie Kraft, die Wege und Widerstandsverläufe (Kodierwiderstände) und Schaltpunktlagen werden simultan aufgezeichnet und bewertet. Die Widerstände bewegen sich zwischen 0 und 5.000 mOhm mit einem Messfehler von ≤ 0,03 % . Die Betätigungskraft liegt im Bereich von 0 bis 20 N. Die Werte werden dem Messweg zugeordnet, der mit einer Genauigkeit von 0,01 mm aufgezeichnet wird. Besonders wichtig ist hier die zeitsynchrone Aufzeichnung aller Signale.

Kraftmessung des Schalters: Die Markierungen zeigen die Schaltpunkte. Die Störimpulse und das Hintergrundrauschen der Produktionsumgebung werden durch einen Tiefpass ausgefiltert.

Kraftmessung des Schalters: Die Markierungen zeigen die Schaltpunkte. Die Störimpulse und das Hintergrundrauschen der Produktionsumgebung werden durch einen Tiefpass ausgefiltert.MCD

Fehlerfrei identifiziert mit Fingerabdruck

Hüllkurven definieren die Bereiche, durch die die Messkurve verlaufen muss, sowie solche Bereiche, die nicht berührt werden dürfen. Verletzt die gemessene Kurve den vorgegebenen Bereich, so wird das Bedienteil mit ‚Fail‘ bewertet. Die tatsächliche gemessene Kurve eines sogenannten ‚Golden Device‘ lässt sich dazu als Referenzkurve wählen. Die Bewertung erfolgt wahlweise getrennt oder gemeinsam für den Hin- und Rückweg. Das Prüfsystem bearbeitet und bewertet die Ergebnisse, statistischen Aufzeichnungen und Auswertungen mit einer hauseigenen Lösung, der MCD FDM (Force Distance Measurement) Software.

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MCD

Nachdem die Kfz-Schalter mit Fingerspitzengefühl geprüft wurden, bekommen sie in Station Nummer fünf noch den Fingerabdruck des Testsystems. Ein Beschriftungssystem kennzeichnet die IO-Teile mit kundenspezifischen Daten. Die NIO-Teile erhalten einen Fehlercode.

Eine wichtige Rolle spielt der MCD Datenmanager. Das Programm sammelt die Messdaten aller Prüfstationen und setzt für jeden Prüfling einen eigenen Datensatz zusammen. Für die manuelle oder automatisierte Auswertung stehen dem Anwender verschiedene Statistik- und Analysefunktionen zur Verfügung. Zu den gefragten Informationen gehören die Testzeiten, die Fehlerstatistik (Häufigkeit, Verteilung), Statistik der Messwerte (Verteilung, Varianz nach verschiedenen Sigma-Bewertungen) sowie die Analyse der Maschinen und Prozessfähigkeit. Der Anwender kann die Projektdateien mit eigenen Auswertungen ergänzen. Den Export in übergeordnete Auswertungs-Systeme übernehmen integrierte Reportmodule in verschiedenen Formaten, zum Beispiel Word, Excel, PDF, Text, XML oder HTML. Die integrierte Scriptengine erstellt und speichert alle Auswertungen und Reports vollautomatisch. Alle erforderlichen Funktionen stehen als Web-Reports zur Verfügung und dienen dem IT-System zur Übergabe und Empfang der notwendigen Daten.

Die Prüfvorrichtung für Dauerlauftests im ­Klimaschrank für Schalterbaugruppen.

Die Prüfvorrichtung für Dauerlauftests im ­Klimaschrank für Schalterbaugruppen.MCD

Bedeutsam für das Produktionsmanagement ist die integrierte Trenderkennung. Sie hilft, Veränderungen der Stabilität vorzeitig zu erkennen. Wenn beispielsweise der Trend von Messwerten in Richtung Grenzwertüberschreitung geht, deutet das auf Toleranzen der Bauteile oder Störungen in der Anlage hin. Mögliche Betriebsunterbrechungen lassen sich so bereits im Vorfeld vermeiden.

Der Werker muss sich dann nicht darum kümmern, wie es mit den Schaltern weitergeht. Das besorgt ein automatisches pneumatisches Handling-System an der letzten Station des Testsystems. Egal ob die Teile einen Kraft/Weg-, elektrischen Widerstands-, Bildverarbeitungs- oder Taumelkreisfehler aufweisen, hier werden sie vollautomatisch aus dem Verkehr gezogen und in eine Fehlerschublade abgelegt. Das IO-System entnimmt die gutgeprüften Teile und platziert sie auf einem SPS-gesteuerten Austrageband mit Stückzahlüberwachung und Überprüfung des Füllzustands. Parallel zur Serienprüfung werden außerdem chargenweise Prüfungen in den Klimakammern durchgeführt. Auch diese Prüfeinrichtungen werden von MCD entwickelt und geliefert.

Um die Zuverlässigkeit der Messsysteme vor dem Einsatz zu testen, unterzieht das Messtechnikunternehmen seine Geräte einer Messsystemanalyse (Measurement Systems Analysis, MSA) nach Verfahren 1 und 3. Denn Bruno Hörter, geschäftsführender Gesellschafter von MCD-Elektronik, weiß wie wichtig die Zuverlässigkeit bei Prüfsysteme ist: „Außerdem begleiten wir die Konstruktion mit einer Risikobewertung mittels einer ‚Failure Mode and Effects Analysis‘ (FMEA) und führen eine Gefahrenanalyse der Vorrichtung durch.“