Es wäre der Alptraum eines jeden Autofahrers: Die Lenkung des Wagens reagiert falsch oder gar nicht mehr! Um diese Extremsituation zu verhindern, setzt der Automobilzulieferer Swoboda bei der Prüfung von Komponenten für elektronische Lenkungssteuerungen auf das Bildverarbeitungssystem trevista von OBE.
Hochpräzise Metall-Kunststoff-Verbundteile werden bei vielen Anwendungen im Automobil eingesetzt. "Solche Hybride finden sich unter anderem in den Lenkungssteuerungen nahezu aller führenden Automarken und -modelle. Die Fertigung solcher Verbundteile stellt eine Kernkompetenz der Swoboda KG dar" erklärt der Betriebsleiter des Stammwerkes in Wiggensbach bei Kempten. "Auch in Getriebesteuerungen, Steckverbindern, Magnet- und Hochstrombaugruppen sowie in vielen weiteren Kfz-Elementen sind die Baugruppen von Swoboda die Schnittstellen zwischen Elektronik und Mechanik. Im Einsatz sorgen sie für eine sichere Umsetzung der Fahrerkommandos in die Reaktionen des Fahrzeugs", so der Betriebsleiter weiter.
In seinen Produktionsanlagen setzt das Allgäuer Unternehmen auf modernste Automatisierungstechnik. Bildverarbeitung ist dabei in vielen Prüfstationen ein fester Bestandteil zur Qualitätskontrolle der Produkte. Dies gilt auch für die Herstellung von Komponenten für elektromechanische Lenkungssteuerungen in Automobilen. Diese hybriden Bauelemente mit Kunststoffanteilen, metallischen Leiterbahnen und Bondflächen sind aus den Lenkungen moderner Fahrzeuge heutzutage nicht mehr wegzudenken. Der komplette Produktionsprozess für diese komplexen Bauteile ist sehr vielfältig und erfordert eine durchdachte Kombination verschiedener Fertigungs- und Prüfverfahren.
Sämtliche Steuerungselemente eines Automobils zählen zu den wichtigsten Funktionen: Der Ausfall oder eine reduzierte Leistung der Lenkkraftunterstützung kann zu einer gefährlichen Situation im Straßenverkehr führen. Aus diesem Grund müssen alle Bauteile dieser Funktionsgruppe mit 100prozentiger Sicherheit fehlerfrei sein.
Herausforderungen an ein optisches Prüfsystem: Unterschiede der Materialoberflächen Die Qualitätskontrolle dieser Baugruppen stellt eine sehr anspruchsvolle Aufgabe dar. "Die wesentliche Herausforderung bei der Prüfung dieser Produkte besteht in den Unterschieden der Materialoberflächen", beschreibt ein Swoboda-Bildverarbeitungsspezialist der Abteilung Verfahrenstechnik die Randbedingungen der Aufgabenstellung, die er bei der Realisierung der Prüfstation zu lösen hatte. "Die optischen Schwankungen der Oberflächenqualität der metallischen Teile von Matt bis Glänzend sind mit einem üblichen Bildverarbeitungssystem aufgrund der unterschiedlichen Lichtreflexionen schwer zu analysieren. Dies führt zu einem erhöhten Pseudoausschuss und somit zu Nachsortierung und Mehrkosten. Mit dem trevista-System von OBE, das wir seit einigen Monaten an dieser Prüfstation einsetzen, sind wir jetzt in der Lage, die Oberflächenbeschaffenheit hochauflösend zu erkennen und zu analysieren."
Auf diese Weise konnte die Sicherheit der Fehlererkennung nach den Worten des BV-Experten deutlich verbessert werden: "Der Pseudoausschuss reduzierte sich schon in einem frühen Stadium des Projekts um rund zwei Drittel. Wir sehen zwar noch Optimierungspotential bei der notwendigen Erkennung von Verbiegungen und Verkippungen der Bauteil-Bondflächen, doch für diese Aufgabe suchen wir in enger Zusammenarbeit mit STEMMER IMAGING bereits nach einer geeigneten Lösung."
trevista als hilfreiche Alternative
Die Anlage, auf der die Lenkungssteuerungskomponenten von Swoboda produziert werden, ist bereits seit 2009 in Betrieb. Zunächst hatten die Ingenieure des Unternehmens die Prüfstation auf Basis eines 2D-Bildverarbeitungssystems realisiert, das jedoch einen vermehrten Pseudoausschuss zur Folge hatte. "Dieses fälschliche Ausschleusen von scheinbar fehlerhaften Teilen, die sich bei der manuellen Nachkontrolle dann doch als fehlerfrei erwiesen haben, wollten wir aus Kostengründen minimieren und nach Möglichkeit komplett ausschließen", fasst der Wiggensbacher Betriebsleiter die damalige Situation zusammen.
"Wir waren daher auf der Suche nach einem geeigneten Alternativsystem und wurden während der Fachmesse Control im Mai 2012 fündig", ergänzt einer der Systementwickler für die Swoboda-Bildverarbeitungssysteme. Dr. Tobias Henzler aus dem Vertrieb von STEMMER IMAGING, zuständig für Bildverarbeitungs-Lösungen und 3D-Technologien, führte dem Swoboda-Experten während dieser Messe erstmals das trevista-System des Herstellers OBE vor, das über STEMMER IMAGING vertrieben wird. Die während der Messe gesammelten ersten positiven Eindrücke bestätigten sich in der Folge in einigen weiteren Tests und intensiven Machbarkeitsstudien.
Speziell für die Inspektion glänzender Teile
In der Anwendung bei Swoboda spielt das Bildverarbeitungs-System trevista von OBE seine Stärken voll aus. Die Beleuchtungseinrichtung eines trevista-Systems in der Form eines Doms sorgt dabei für eine optimale Ausleuchtung der Prüfobjekte und hält störendes Fremdlicht ab. Die robuste Konstruktion erlaubt zudem eine einfache Integration in den Produktionsprozess oder einen Prüfautomaten.
Die Besonderheit dieses Systems ist jedoch ihre patentierte Shape-from-Shading-Technologie, die sich speziell für die Inspektion glänzender oder spiegelnder Oberflächen hervorragend eignet, wie sie bei den Swoboda-Hybrid-Bauteilen vorliegen. Metallische Bauteile mit unterschiedlichster Oberflächenbeschaffenheit bis hin zu schwarzem Kunststoff können damit problemlos geprüft werden.
Die clevere Idee des Systems besteht im Unterschied zu anderen Dom-Beleuchtungen darin, Prüfobjekte mit einer diffusen Beleuchtung aus vier verschiedenen Richtungen auszuleuchten und dabei jeweils ein Kamerabild aufzunehmen. Ein spezieller Berechnungsalgorithmus verarbeitet diese vier Eingangsbilder und erzeugt daraus vier hochwertige synthetische Ergebnisbilder: Die beiden ersten repräsentieren die lokale Neigung der Oberfläche in x- und y-Richtung. Das dritte, so genannte Krümmungsbild stellt die Topografie der Oberfläche richtungsunabhängig dar. Das vierte Ergebnisbild gibt die reine Textur der Oberfläche wieder und ist mit einer konventionellen 2D-Aufnahme ohne störenden Glanz vergleichbar. Hiermit lassen sich topologische Oberflächenmerkmale sicher von reinen Helligkeitsunterschieden des Materials oder auch Verunreinigungen durch Schmiermittel sowie korrodierten Bereichen unterscheiden.
Diese vier Bilder werden an das Bildverarbeitungssystem weitergegeben, welches die automatische Fehlerauswertung übernimmt. Dabei arbeitet der Berechnungsalgorithmus PC-basiert und ist in die Softwareplattformen Sherlock von Teledyne DALSA und Common Vision Blox (CVB) von STEMMER IMAGING eingebunden. In dieser Kombination können selbst Fehlermerkmale von nur wenigen Mikrometern Tiefe sichtbar gemacht werden.
"Die Parametrisierung der Bildverarbeitungssoftware gestaltet sich einfach und sicher, da die Krümmungsbilder die Formmerkmale von Oberflächen deutlich herausstellen. Dadurch lassen sich Fehler erkennen, die bisher nicht automatisch ausgesondert werden konnten. Mit trevista können flache, aber auch leicht gekrümmte Oberflächen unterschiedlichen Glanzgrades sicher erfasst werden", beschreibt Dr. Henzler die Stärken des Systems.
Bei der Kontrolle von Bauteilen im Stillstand kommen im trevista-System grundsätzlich Flächenkameras zum Einsatz. Diese Konstellation liegt in der Swoboda-Prüfzelle vor. Im Falle der Inspektion von Mantelflächen rotationssymmetrischer Bauteile erlaubt aber auch eine Kombination mit Zeilenkameras eine lückenlose Kontrolle. Das Zeitverhalten der Beleuchtung muss hierbei speziell auf die Besonderheiten dieser Kameras abgestimmt werden.
Schnelle Umsetzung
"Nach diversen applikationsspezifischen Anpassungen konnten wir das Prüfsystem dann bereits im Oktober 2012 anstelle des bisherigen 2D-Systems in die Anlage integrieren", schildert der Swoboda-Bildverarbeitungsexperte den weiteren Verlauf des Projekts im Wiggensbacher Werk. "Diese schnelle Umsetzung war äußerst hilfreich, denn unser Kunde hatte uns einen relativ engen zeitlichen Rahmen für die Produktion und Prüfung der Baugruppen gesteckt."
Der Einsatz des neuen Systems führte nach den Worten des Betriebsleiters zu einer deutlichen Reduzierung der bis dato erforderlichen manuellen Zusatzkontrolle. "Wir haben das Ziel, auf die manuelle Sichtprüfung vollständig zu verzichten, sobald die Station bewiesen hat, dass sie im Dauerbetrieb zuverlässig arbeitet." Die Taktzeit stellte dabei kein Problem dar: "Da hatten wir beim trevista-System noch genügend Spielraum, um die Zykluszeit der vorgelagerten Anlage einzuhalten."
