Die Gelenkwelle wird in einer vollautomatisierten Fertigung mit einer Fräsung versehen, die der Linienscanner überprüft.

Die Gelenkwelle wird in einer vollautomatisierten Fertigung mit einer Fräsung versehen, die der Linienscanner überprüft. ifm

Je später innerhalb des Produktionsprozesses ein fehlerhaftes Bauteil bemerkt wird, umso höher sind die dadurch verursachten Kosten. Im schlimmsten Fall wird der Fehler erst durch den Kunden festgestellt – Reklamation, kostspielige Reparatur und ein zusätzlicher Image-Verlust können die Folgen sein. Aus diesem Grund sind Inline-Qualitätskontrollen direkt im Anschluss an einen Fertigungsschritt weit verbreitet.

Auf die Schnelle

  • Linienscanner PMD Profiler überwacht die korrekte Fräsung bei Gelenkwellen
  • Erzeugt Höhenprofil des Bauteils und stellt so auch geringfügige Unterschiede fest
  • Einfache Lösung statt aufwendiger Bildverarbeitung
  • Erweiterte Diagnose über IO-Link

Ein typisches Beispiel für ein Bauteil, dessen Qualität gesichert werden muss, sind Gelenkwellen. Diese übertragen Drehmomente zwischen rotierenden Komponenten, die einen Versatz aufweisen oder sich sogar gegeneinander bewegen. Ein typischer Anwendungsfall ist der Antriebsstrang eines Fahrzeugs. Ein großer Automobilhersteller fertigt die Komponenten der Gelenkwellen vollautomatisiert. In einen Flansch, mit dem die verschiedenen Teile der Gelenkwelle montiert werden, wird dabei eine Verzahnung eingefräst, die für eine formschlüssige Verbindung bei der Montage sorgt. Diese Struktur fertigt ein CNC-Bearbeitungszentrum, wobei der Werkstück- und Werkzeugwechsel ebenfalls vollautomatisch ablaufen. Mitarbeiter müssen in diesem Fertigungsschritt in der Regel gar nicht eingreifen.

Die geringe Größe des Hartmetallfräsers und die Tatsache, dass er eine relativ große Fläche bearbeitet, kann zu einem Werkzeugbruch führen, der nicht sofort auffällt. Im Resultat ist die Struktur im Bauteil unvollständig oder fehlt sogar. Um die fehlerhaften Bauteile sofort aussortieren zu können, gab es in der Vergangenheit manuelle Kontrollen, bei der ein Mitarbeiter jedes Werkstück überprüft hat. Da diese visuelle Inspektion personalaufwendig und damit teuer ist, hat der Hersteller eine Inline-Qualitätskontrolle für diesen Fertigungsschritt eingeführt.

Im Video: Produktvorstellung: PMD Profiler

Einer der ersten Ansätze sah eine Lösung mit Bildverarbeitung vor. Bei den Planungen dieser Lösung offenbarten sich den Verantwortlichen des Qualitätsmanagements jedoch gleich mehrere Probleme: Eine klassische Bildverarbeitung mit einem Kamerasystem ist sehr komplex und dementsprechend schwierig zu implementieren. Gerade komplexe Geometrien, wie die Fräsungen an Gelenkwellen, erfordern ein tiefgehendes Know-how in der Bildverarbeitung. Zusätzlich sind in der Regel eine spezielle Beleuchtung sowie eine Abschirmung gegenüber Störlicht notwendig. Im Ergebnis wäre eine Lösung mit Bildverarbeitung für die geschilderte Anwendung sehr teuer geworden.

Linienscanner als Alternative zur Bildverarbeitung

Der PMD Profiler erzeugt ein Höhenprofil des Bauteils und kann so auch geringfügi-ge Unterschiede (rechtes Bild) zwischen dem Bauteil (grüne Linie) und dem einge-lernten Gutteil (weiße Linie) feststellen.

Der PMD Profiler erzeugt ein Höhenprofil des Bauteils und kann so auch geringfügige Unterschiede (rechtes Bild) zwischen dem Bauteil (weiße Linie) und dem eingelernten Gutteil (grüne Linie) feststellen. ifm

Auf der Suche nach anderen Lösungen wurde das Qualitätsmanagement des Automobilherstellers bei ifm fündig: Der Linienscanner PMD Profiler ist ein einfach zu installierender Vision-Sensor, der auf dem Triangulationsprinzip basiert. Der Sensor projiziert eine gerade Laserlinie auf die zu messende Oberfläche. Diese reflektiert das Laserlicht, das anschließend das Empfangselement (PMD-Chip) im Sensor aufnimmt. Durch einen Winkelversatz zwischen Projektionseinheit und Empfangselement erfasst der Sensor das Höhenprofil des Objekts. Im Rahmen der Qualitätskontrolle detektiert der Scanner also nicht ein Bild des Produkts oder nimmt den Abstand an einer bestimmten Stelle auf, sondern er erfasst lediglich eine Linie. Diese enthält allerdings sehr genaue Höheninformationen – die Auflösung des Linienscanners beträgt 200 µm. Mit dem aufgenommenen x-z-Diagramm lässt sich beispielsweise in der oben genannten Anwendung sehr genau erkennen, ob die Struktur auf die Oberfläche der Gelenkwelle gefräst ist. Fehlerhafte Werkstücke werden so sicher erkannt und aus der Produktion ausgeschleust.

Einfach wie ein Sensor

Der Messbereich des Linienscanners liegt im Bereich von 15 cm bis 30 cm, wobei die Proportionen des aufgenommenen Höhenprofils unabhängig vom Abstand zwischen Sensor und Objekt sind. Dadurch ist die Ausrichtung und Positionierung des Sensors unkompliziert. Angeschlossen wird der Scanner über einen 5-poligen M12-Steckverbinder. Ebenso einfach sind die Installation und die Inbetriebnahme; eine externe Beleuchtung ist genauso wenig erforderlich wie eine Abschirmung gegenüber Fremdlicht – zwei der wesentlichen Nachteile der klassischen Bildverarbeitungslösung. Das Einlernen von Referenzobjekten erfolgt mittels der drei Tasten direkt am Gerät, ohne dass ein PC oder spezielle Software benötigt wird. Dabei unterstützt das Menü im integrierten Farbdisplay den Anwender. Eine projizierte Hilfslinie erleichtert die Festlegung des passenden Bereichs auf dem Objekt. Sobald Anwender das Höhenprofil eines Referenzobjekts eingelernt haben, können sie Objekte mit der eingelernten Kontur vergleichen, wobei eine Schalt-LED direkt am Sensor das Erkennen von Gutteilen signalisiert.

Der Automobilhersteller hat mit der Installation der Inline-Qualitätskontrolle, die auf dem PMD Profiler basiert, durchweg positive Erfahrungen gemacht. Die Installation verlief problemlos und schnell, und die Qualitätskontrolle arbeitet seitdem absolut zuverlässig. Die fehlerhaften Teile werden sicher erkannt, ohne dass ein Mitarbeiter die gefertigten Werkstücke wie bisher visuell überprüfen müsste.

IO-Link für das Multitalent

Über die IO-Link-Schnittstelle kann der PMD Profiler neben dem Signal zum Aussortieren von fehlerhaften Teilen auch ausgeben, wie genau das aufgenommene Profil mit dem eingelernten übereinstimmt. Verschlechtert sich dieser Matching Value, kann dies auf einen sich anbahnenden Fehler in der Montage oder Fertigung hindeuten. Hier können Hersteller reagieren, bevor Konsequenzen auftreten. Auch die Ausschussrate lässt sich über IO-Link an übergeordnete Systeme zur Auswertung und Dokumentation übertragen.

Außer der Prozess- und Bearbeitungskontrolle – wie die Kontrolle auf richtig ausgeführte Fräsungen – hat ifm fünf weitere Anwendungsfelder für die Anwendung des Linienscanners in Montage und Fertigung definiert:

  • Orientierung: Hierbei überprüft der Scanner, ob ein Bauteil richtig herum auf einem Förderband liegt.
  • Sortierung: Der Scanner unterscheidet Bauteile mit nur kleinen Unterschieden in der Kontur.
  • Spaltkontrolle: Bei aus mehreren Teilen bestehenden Produkten überprüft der PMD Profiler, ob die Teile passend zusammengefügt sind.
  • Vollständigkeitsüberprüfung: Kontrolle, ob alle benötigten Teile vorhanden sind – etwa ein Dichtring.
  • Montageüberprüfung: Auch kleine Unterschiede lassen sich feststellen, zum Beispiel ob eine Schraube vollständig eingedreht ist.