Der Qualität von Massenartikeln wie Bolzen, Muttern, Scheiben oder Schrauben wird in der Produktion viel Beachtung geschenkt, da sie vielfach automatisch weiterverarbeitet werden. Ein kleiner Defekt, beispielsweise ein fehlerhaftes Gewinde oder ein kleiner Riss, kann eine ganze Produktionsstraße stilllegen sowie die Qualität und Sicherheit des Endproduktes gefährden. Daher ist eine 100%ige Qualitätskontrolle mit entsprechenden High-End-Geräten unerlässlich - ebenso wie die entsprechende Sensorik.

"Die Maßprüfung von Befestigungselementen ist heute keine große Kunst mehr und gehört zum Standard von hochwertigen Prüfsystemen", so Thomas Rothweiler, Geschäftsführer der Gefra GmbH - ein Unternehmen, das sich auf die Entwicklung und Produktion von optischen Prüfsystemen in den Bereichen Messen, Prüfen und Sortieren von Fertigungsteilen aus Metall und Kunststoff spezialisiert hat. Seit über 10 Jahren zählen auch High-End-Prüfsysteme der eigenen Marke Optisort zum Portfolio des Unternehmens. Thomas Rothweiler erklärt warum: „Die Anforderungen unserer Kunden steigen stetig, daher richten wir unsere Aufmerksamkeit bei der Entwicklung auf die berührungslose optische High-End-Qualitätskontrolle mit 0 ppm Fehlerquote. Wo bislang einfache massliche Prüfungen ausreichten, werden heute komplexe Geometrien auf Beschädigungen wie Dellen, Kratzer und Schlagstellen geprüft, Risse an diversen Positionen am Prüfteil gesucht sowie Beschichtungs- und Farbfehler wie auch Verschmutzungen detektiert." Die Basis hierfür bilden die Optisort-Produktlinien, die sich flexibel nach Kundenwunsch anpassen lassen. „Das Herzstück unserer Prüfsysteme ist die von uns entwickelte Software Autocontrol, mit der sich aufwändige Analysen vornehmen und mit hoher Geschwindigkeit auswerten lassen. Mit dieser Software sind wir zudem in der Lage, sehr individuell auf Kundenwünsche einzugehen und diese nahtlos in das Gesamtsystem einzubinden", erklärt Dr. Thomas M. Bock, Prüftechnik-Leiter bei Gefra.

Die Anwendung bestimmt die Technik

Für die optische Prüfung werden CMOS-Kameras mit Firewire-Schnittstelle sowie entsprechende Beleuchtungssysteme verwendet. Wie viele Kameras letztlich in einer Prüfzelle zum Einsatz kommen, bestimmt die zukünftige Anwendung. „Im einfachsten Fall durchläuft ein Prüfling eine Station, in der komplexesten Ausbaustufe bis zu sieben Stationen", ergänzt Dr. Thomas M. Bock. So lässt sich mit einem System mit bis zu 10 Kameras beispielsweise auch eine 360°-Prüfung realisieren, um etwa die Vollständigkeit eines Gewindes oder die Oberflächenbeschaffenheit eines zylindrischen Körpers zu analysieren.
„Die hohe Zuverlässigkeit der optischen Prüfung muss mit einer hohen Prüfgeschwindigkeit einhergehen. Keine leichte Aufgabe, wenn man bedenkt, dass mit jeder Kamera zur Laufzeit ein weiteres zu analysierendes Bild hinzukommt, was die Datenverarbeitung entsprechend aufwändig macht. Unsere Software ist aber so leistungsfähig, dass wir selbst mit zahlreichen Kameras sowie bei sehr komplexen Kontrollen Teile mit sehr hoher Geschwindigkeit von bis zu 1.200 Teilen pro Minute prüfen können", so Dr. Thomas M. Bock.

Besondere Situationen erfordern besondere Lösungen

Die Grundausstattung einer Prüfanlage besteht in der Regel aus einer Messstation mit zwei Kameras, ausgestattet mit einer Messoptik inklusive Beleuchtung. Die zu prüfenden Befestigungselemente werden der Messstation über einen Drehteller aus Glas zugeführt. Denkbar ist aber auch der Einsatz eines sog. Kulissentellers, in den sich seitlich Schrauben einhängen lassen, oder aber ein Band. Um den Prüfvorgang zu starten, muss entsprechende Sensorik dem System das Signal übermitteln, dass sich ein Prüfling im Bereich der Messposition befindet. „Ein Glasdrehteller ist allerdings nicht absolut eben bzw. plan, sondern hat immer auch einen gewissen Höhenschlag. Befindet sich ein besonders flaches Teil, etwa eine Scheibe, auf dem Prüfteller, erschwert dies die Detektion erheblich, da der Höhenschlag des Glastellers im Bereich der Scheibenstärke liegen kann", erklärt Dr. Thomas M. Bock.
Für IPF Electronic eine besondere Herausforderung, die eine ganz spezielle Lösung erforderte. Die Ingenieure entwickelten daher für Gefra eine gabelförmige Laserlichtschranke, die einen linienförmigen Laserstrahl erzeugt. Ein Teil des 10 mm hohen Laserstrahls wird vom Glasteller abgedeckt und gibt dabei ein zur Abdeckung proportionales analoges Signal aus. Durch den Höhenschlag im sich drehenden Glasteller pendelt sich dieses Signal in einem gewissen Bereich ein. „Das Signal ist stetig, vergleichbar mit einer sinusförmigen Kurve", erläutert Dr. Thomas M. Bock. „Durchläuft ein Prüfling den Bereich der Laserlichtschranke, verändert sich dieses Signal jedoch sprunghaft. Indem wir diese Signaländerung aus dem relativ gleichförmigen Signal, verursacht durch den Höhenschlag, herausfiltern, ist die zuverlässige Detektion selbst extrem flacher Befestigungselemente auf dem Glasteller möglich."

„Der einzig richtige Weg"

Der Messvorgang und damit die Auslösung der Kameras und Beleuchtungen werden über ein FPGA gestartet, das an einen Drehgeber gekoppelt ist. Die Position 0 wird hierbei durch den Sensor bestimmt. Über den Drehwinkel wiederum lässt sich die Auslöseposition für den Messvorgang definieren. Wird die Auslöseposition weggesteuert ermittelt, hat dies im Vergleich zu einer zeitgesteuerten Messung den Vorteil, dass kleine Geschwindigkeitsschwankungen im Drehteller nicht zu einer Änderung der Position des Prüfteiles im Kamerabild führen. Je nach abgelaufenem Winkelargument lassen sich mehrere Stationen zuverlässig auslösen und somit am Ende der Prüfung auch die zu einem spezifischen Teil entsprechenden Bilder zuverlässig zuordnen und zusammenführen.
Ist der Prüfling als IO-Teil identifiziert, wird er am Ende des Systems ausgeblasen. „Hierbei verfolgen wir nach unserer Auffassung - entgegen anderen Konzepten, die die NIO-Teile ausblasen - den einzig richtigen Weg", ist Thomas Rothweiler überzeugt. „Denn sollte es innerhalb des Systems einmal zu einem Fehler kommen, z. B. durch ein defektes Ausblasventil, stellen wir mit dieser Vorgehensweise sicher, dass kein NIO-Teil zwischen die IO-Teile gelangt."

Einwandfreie Funktion sichergestellt

Im Bereich der Laserlichtschranke befindet sich zudem ein induktiver Näherungsschalter von IPF Electronic, der die Funktionsfähigkeit des Glastellers überprüft. Hierzu passiert ein an der Seite des Glastellers befestigtes Metallplättchen den Sensor und löst einen Impuls aus. Erfolgt dieser regelmäßig, ist sichergestellt, dass der Glasteller rotiert und die Anlage für eine korrekte Prüfung einwandfrei funktioniert.
Der Einsatz von Sensorik in Prüfsystemen von Gefra beschränkt sich nicht allein auf die bislang beschriebenen Bereiche. „Müssen z. B. Schrauben über einen Schwingförderer geordnet in einen Kulissenteller eingefädelt werden, ist hierzu ein gewisser Druck notwendig. Gleichzeitig ist zu vermeiden, dass sich zu viele Schrauben auf der Staustrecke vom Schwingförderer befinden. Um den Schwingförderer ein- bzw. auszuschalten, verwenden wir die Signale von zwei Gabellichtschranken. Sie gewährleisten, dass auf der Zuführstrecke immer ausreichend Material vorhanden ist und das System störungsfrei arbeiten kann", nennt Dr. Thomas M. Bock ein konkretes Beispiel. Befindet sich also innerhalb der unteren Lichtschranke kein Material, wird der Schwingförderer eingeschaltet und bleibt so lange in Betrieb, bis die obere Lichtschranke Prüflinge erkennt. Während der Materialpuffer abgearbeitet wird, ist der Schwingförderer ausgeschaltet.
Auch für die Positionsabfrage eines in der Anlage verbauten Hubzylinders werden induktive Näherungsschalter eingesetzt. Dieser Hubzylinder dient zur Anhebung bestimmter Komponenten in der Prüfzelle, damit bei einem Wechsel des Drehtellers dieser besser zugänglich ist. Der Sensor stellt demnach sicher, dass sich der Hubzylinder mit den Komponenten nach einem Tellerwechsel wieder in der korrekten Position für einen einwandfreien Betrieb der Anlage befindet.