Prüfzelle kontrolliert Qualität von Endlos-Produkten komplett

Entlang der gesamten Wertschöpfungskette ist die Organisationsstruktur mit durchgängigem digitalen Ablauf der Arbeiten – vom Produktentwurf, den zahlreichen Fertigungsschritten bis hin zur Rückverfolgbarkeit der Produkte zum Endkunden – von größter Bedeutung für die Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens. In dieses Umfeld müssen sich auch alle Maschinen, Anlagen, Systeme, Komponenten und die Kommunikationstechnik möglichst reibungslos einfügen und zur Steigerung des Gesamtprozesses beitragen. Das kreative Denken in Prozessketten mit dem Ergebnis von ständig neuen Innovationen ist bereits seit Jahrzehnten der Leitsatz und das Erfolgsrezept der Fritz Stepper GmbH in Pforzheim, Präzisions-Werkzeuge und Stanzfertigung. Herausragendes Unternehmensergebnis ist, dass man seit 1965 durchgehend profitabel ist.

Messtechnik in der Qualitätskontrolle immer mehr gefordert

Die Anforderungen der Messtechnik in der Qualitätskontrolle werden bezüglich der Präzision, Flexibilität, Geschwindigkeit und Einbindung in die Prozess- und Unternehmenskommunikation zunehmend vielschichtiger und letztendlich immer anspruchsvoller.

In diesem Zusammenhang bemerkt Michael Stepper, Geschäftsführer des gleichnamigen Unternehmens: „Mit 45 Bildverarbeitungssystemen in unserem Unternehmen und über 25-jähriger BV-Erfahrung sind wir mit dieser Technologie vertraut. Dennoch müssen wir uns auch hier so fortschrittlich wie möglich ausrichten. Deshalb setzen wir inzwischen bei den Prüfzellen mit Bildverarbeitung konsequent auf die Digitaltechnik und seit letztem Jahr arbeiten bereits zwei neue Systeme Video-Check VVC 610 von Vester Elektronik GmbH. Der Einsatz weiterer Stanzprüfzellen dieses Typs ist bereits in Vorbereitung.“ Dahinter steckt natürlich eine ganze Reihe gewichtiger Gründe.

Bei der Herstellung von Stanzteilen für die Elektronikindustrie mit Präzisionskontakten bewegt sich das Unternehmen Stepper bis an die Grenzen des Machbaren. Beispielsweise werden aus Blechband mit einer Materialstärke von 0,35 mm komplex gestaltete Stanzteile mit 15 eng nebeneinander angeordneten, schmalen Pins gefertigt und jeder wird mit einem ausgestanzten Schlitz von nur 0,2 mm Breite versehen. Dabei erfolgt der Durchlauf durch den Stanzautomat mit 350 Teilen pro Minute. Im Dreischicht-Betrieb werden von diesem Teil im Jahr rund 50 Mio. Stück produziert.

Bildverarbeitung in der Prüfzelle kontrolliert jedes Stanzteil

In der unmittelbar hinter dem Stanzautomat installierten Prüfzelle VVC 610 erfolgt die abschließende Qualitätskontrolle und es muss innerhalb sehr kurzer Zeit mit Hilfe der Bildverarbeitung bei jedem einzelnen Stanzteil eine große Zahl von Merkmalen auf Maßhaltigkeit und Kontur kontrolliert werden. Der modulare Systemaufbau der Prüfzelle ermöglicht die schnelle Anpassung bei Anforderungserweiterungen, Wechsel der Teileproduktion oder auch von komplett neuen Aufgaben. Das erzielt ein hohes Maß an Flexibilität und minimiert die Rüstzeiten.

Beispielsweise werden bei dem bereits erwähnten Elektronikbauteil über 50 Maße plus die Teilevollständigkeit präzise und sicher mit einer Messgenauigkeit bis in den Bereich von 1/100 mm kontrolliert und protokolliert. An die gesamte Bildverarbeitung werden deshalb sehr hohe Anforderungen hinsichtlich der Präzision und Funktionssicherheit gestellt. Für Stepper hat es sich als großer Vorteil erwiesen, dass man bereits mit Vester Elektronik auf gute Erfahrungen effektiver Systemlösungen zurückblicken kann und auch einen Partner gefunden hat, der über ein umfangreiches Know-how und große Erfahrung im ganzen Umfeld der Stanzfertigung verfügt.

Digitale Hochgeschwindigkeitskameras erweitern Möglichkeiten der Qualitätskontrolle

„Die neue Prüfzelle, die ausschließlich mit digitalen CCD-Kameras ausgestattet ist, hat sich seit ihrer Installation vor etwa einem Jahr durch ihre zuverlässige und äußerst präzise Arbeitsweise bestens bewährt. Die darin konsequent umgesetzte digitale Fire-Wire-Kameratechnik erzielt gerade in der besonders anspruchsvollen Teileproduktion und deren Qualitätskontrolle viele Vorteile, die mit analoger Kameratechnik nicht zu realisieren wären. Deshalb bauen wir die Systemlösungen in dieser Richtung weiter aus“, ist das Fazit von Michael Steppers Erfahrungen.

Zwar erfolgen noch viele Anwendungen PC-basierter industrieller Bildverarbeitung mit analogen Kameras, aber der Trend zur Digitaltechnik ist ausgeprägt und bietet dem Anwender eine ganze Reihe von technischen und wirtschaftlichen Vorteilen sowie letztendlich höhere Investitionssicherheit. Die Schnittstelle von der analogen und digitalen Welt wandert immer mehr vom Framegrabber direkt in die Kamera.

Neben anderen standardisierten digitalen Schnittstellen für Kameras wie Ethernet, USB und CameraLink hat der Fire-Wire IEEE 1394a und der abwärts kompatible 1394b – mit doppeltem Datendurchsatz – den derzeit größten Marktanteil. Die VVC 610 ist ganz auf die Fire-Wire-Schnittstelle ausgerichtet.

Die Qualitätssicherung verlangt nach standardisierten Schnittstellen

Wenn die Bildverarbeitung durch komplexe Anforderungen und/oder mehrere Kameras den Einsatz eines PCs erforderlich machen, so wird man selbstverständlich den aktuellen Standard des Businterface PCI-Express mit seinen Vorteilen hoher Bandbreite und Verarbeitungsgeschwindigkeit verwenden. Damit kann man viele Gesichtspunkte gleichzeitig erfüllen. Schließlich wird es in der Qualitätssicherung immer wichtiger, leistungsfähige und standardisierte Schnittstellen zur Kommunikation mit dem Prozess, der Bilddatenübertragung und den Unternehmens-Netzwerken bis hin zur Fernwartung über das Internet zu gewährleisten.

Zu den Stärken der PC-gestützten Vision-Systeme zählt unter anderem auch die vereinfachte Einbindung spezieller Protokolle zum Datenaustausch mit der SPS sowie Anlagen- und Prozesssteuerungen. Außerdem ist mit überschaubar geringem Aufwand das kontinuierliche Archivieren von Bildern, Auswerteergebnissen und Statistiken gewährleistet.

Qualitätsmanager wollen komfortable Entwicklungsumgebung für die Bildverarbeitung

Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Benutzeroberfläche kunden- und anwendungsspezifisch leichter zu gestalten ist und deshalb auch die Verwaltung unterschiedlicher Benutzerebenen ermöglicht. Dies ist ein wichtiger Aspekt der Sicherheit für den Anwender. Komfortable Entwicklungsumgebungen ermöglichen Benutzeroberflächen, mit denen die Bildverarbeitungs-Programmierung der Applikation und Anpassungen durch einfache und schnell durchführbare Parametrierung direkt vom Maschinenpersonal erfolgen kann.

Der Anwender interessiert sich letztendlich wenig für die technischen Details einer Bildverarbeitungs-Systemlösung, denn der Trend geht hin zu fertigen Systemen aus einer Hand und einem kompetenten Ansprechpartner. Um alle Einsatzvorteile von digitalen Kameras für den Anwender in eine optimale Komplettlösung umzusetzen, ist vom Systemhaus ein umfangreiches Know-how rund um die Bildverarbeitung erforderlich. Schließlich muss das Zusammenspiel aus Beleuchtung, Optik, Kamera, Schnittstellen, Rechner, Bildverarbeitungs-Software und Prozesseinbindung reibungslos zusammenpassen.

Bildverarbeitungssysteme mit digitalen Kameras deutlich einfacher

Der Einsatz analoger Kameras engt von vornherein die Lösungsmöglichkeiten einer Bildverarbeitungs-Aufgabe drastisch ein und das Engineering kann sich gegenüber einer Lösung mit Digitalkameras deutlich aufwändiger niederschlagen. Der Anwender fordert aberbekanntlich immer höhere messtechnische Präzision mit ganz engen Toleranzen.

So kann eigentlich nur eine einzige digitale Kamera mit mehreren Megapixeln Bildauflösung platz- und kabelsparend mehrere analoge Kameras bei insgesamt gleicher Bildfeldgröße ersetzen. Digitale Kameras bieten beispielsweise bis zu 14 Bit Grauwertauflösung und können damit Konturen sicher detektieren, bei denen eine analoge Kamera bereits versagt. Das ist nicht nur ein Gewinn an Präzision und Funktionssicherheit, sondern kann auch den Beleuchtungsaufwand und das gesamte Engineering einer BV-Lösung reduzieren.

Digitale Kameras verfügen meist über die zunehmend umfangreicher und komfortabler gestaltete Funktion der RoI (Region of Interest). Dadurch muss nicht mehr jeweils das komplette Bildfeld erfasst und ausgewertet werden. Durch die RoI-Funktion können im Bildfeld beliebig in Größe und Lage definierbare Teilfenster erfasst und diese dann erheblich schneller analysiert werden. Das ergibt eine hohe Flexibilität in der Gestaltung einer BV-Aufgabe und ermöglicht die einfache Parametrierung sowie sehr schnelle Taktraten.

Fire-Wire-Kameras in vielen Varianten erhältlich

Ein weiterer enormer Vorteil, speziell bei Fire-Wire-Kameras, liegt in der extrem breiten Palette an verfügbaren Kameravarianten. Angeboten werden heute Graubild- oder Farbkameras bis über 8 Megapixel Auflösung mit CCD- oder CMOS-Bildsensoren.

Diese und weitere Vorteile der digitalen Kameratechnik sind in der Bildverarbeitung der modular aufgebauten Prüfzelle VVC 610 integriert. Spezifisch auf die Gegebenheiten in der Qualitätskontrolle von Stanz- und Hybridprodukten ausgelegt ist auch der gesamte modulare Aufbau.

Im Beispiel der Anwendung bei Stepper sind vier Kameras mit jeweils einer Bildauflösung von zwei Megapixeln und mit telezentrischen Objektiven entlang der Stanzstreifenführung sowie LED-Blitzbeleuchtung angeordnet. Die hohe Bildauflösung ermöglicht für die dabei erfasste Bildfeldgröße eine hohe Detailerkennung der zu prüfenden Stanzteile und damit eine hohe Messgenauigkeit bis in den Bereich von 1/100 mm. Mit einer Aufnahmefrequenz von 20 Bildern pro Sekunde wird ein schneller Durchsatz der zu prüfenden Stanzteile erzielt. Und das bei der sehr großen Zahl von zu kontrollierenden Maßen und Konturen.

Wechselportale bieten dem Anwender mehr als nur den Standard

Optional zur Standardausführung sind auch so genannte schnell austauschbare Wechselportale verfügbar, in denen alle Komponenten der Bildverarbeitung mit Kameras, Beleuchtung, Stanzstreifenführung und -antrieb bis hin zur Austrenn- und Markierstation der Schlechtteile produktspezifisch installiert werden können. Das ermöglicht eine hohe Flexibilität in der Fertigung und minimiert die Rüstzeiten beim häufigen Produktionswechsel.

Zu seinen Erfahrungen bemerkt Michael Stepper: „Für die Wettbewerbsfähigkeit unseres Unternehmens ist die mit hoher Funktionssicherheit arbeitende Qualitätskontrolle der Vester-Prüfzelle ein wichtiger Beitrag. Wir müssen und können unseren Kunden damit die Qualität in fortlaufender Weise dokumentieren.“