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Fehler erkennen

Montagekontrolle mit Kamerasensoren
Fehler erkennen

Im Motorenwerk Köln der Ford-Werke GmbH überwachen 7 Stück ICS 100 Kamerasensoren in einer Prüfstation den korrekten Einbau von täglich etwa 20.000 Lagerschalen in Sechszylinder-Motoren. Durch diese Montagekontrolle werden Fehl- und Falschbau an den jährlich etwa 500.000, für die USA bestimmten, V6-Motoren zuverlässig vermieden – aber nicht nur dies.

Klaus Pübben, Verkaufsaußendienst Branchenmanagement Automobilindustrie bei der SICK Vertriebs-GmbH

Denn so zuverlässig die Kamerasensoren falsch eingebaute oder fehlende Lagerschalen erkennen, so sicher identifizieren sie korrekt montierte Motoren. Falschbeurteilungen korrekt montierter Motoren durch die mit den ICS 100 bestückten Prüfstation, die die Akzeptanz bei den Bedienern in Frage stellen könnten, sind seit der Inbetriebnahme dieser Lösung im August 2004 nicht mehr aufgetreten.
Basismotorisierung für amerikanische PKW und SUV
Wer sich in Europa für einen geländegängigen oder allradgetriebenen PKW oder ein SUV (Sport Utility Vehicle) entscheidet, greift meistens zu einer Diesel-Motorisierung. Anders in den USA: hier stellen Sechszylinder-Benzinmotoren die Basismotorisierung dar. Dies gilt auch für die Fahrzeuge der Ford-Flotte, u.a. den Explorer, den Ranger, den Mustang oder den Land Rover. Im Ford-Motorenwerk Köln-Niehl werden jährlich etwa eine halbe Million V6 4,0 Liter SOHC – Motoren für diese Fahrzeuge und den amerikanischen Markt produziert. Im Produktionsprozess kommt der korrekten Montage der Kurbelwellen-Lagerschalen im Zylinderblock und der Lagerdeckel eine besondere Bedeutung zu – ist dies doch die Voraussetzung für den sonoren Sound und die Langlebigkeit des V6-Triebwerkes. Pro Motor werden sechs Hauptlagerschalen verbaut – jeweils drei mit einer Ölbohrung im Zylinderblock und drei ohne eine Ölbohrung in den Lagerdeckeln. Hinzu kommen zwei Spurlagerschalen – ebenfalls eine im Zylinderblock und eine im Lagerdeckel. In Produktionszahlen heißt das: bei einer Linientaktzeit von 21 s pro Einheit werden täglich etwa 20.000 Lagerschalen manuell im Zweischichtbetrieb montiert. Die hohe Stückzahl erfordert daher nicht nur eine effiziente Fertigung und Montage, sondern auch eine Qualitätskontrolle, die in der knappen, zur Verfügung stehenden Prüfzeit von 10,5 s eventuelle Fehler frühzeitig und zuverlässig erkennt. Um die angestrebte Fehlerrate von 6 Sigma zu erreichen – 3,4 Fehler auf eine Million Motoren – muss gleichzeitig sichergestellt sein, dass korrekt eingesetzte Lagerschalen auch als solche erkannt und die Fehlerrate nicht durch falsche Prüfergebnisse – sogenannte „Pseudo-N.I.O.s“ – beeinträchtigt werden.
Lage- und Lagererkennung mit ICS 100 Kamerasensoren
Die Abteilung Production Engineering des Kölner Motorenwerkes hat eine Prüfstation konzipiert und realisiert, in der im Rahmen von Simultaneous Engineering, mit den anwendungs- und entwicklungstechnischen Fachabteilungen von Sick, die Kamerasensoren optimiert wurden, um die hohen Anforderungen zu erfüllen. Herzstück der Lösung ist der intelligente Kamerasensor ICS 100, von dem insgesamt sieben Geräte in der Prüfstation zum Einsatz kommen. Der ICS 100 ist als industriell einsetzbarer Bildverarbeitungssensor konzipiert. Er arbeitet wie eine Kamera, schaltet jedoch wie eine Lichtschranke – und ist damit auch einfach zu bedienen. Der Grund: im Gegensatz zu den meisten anderen Vision-Lösungen sind beim ICS 100 Kamera, Optik, Beleuchtung und Auswertung in einem einzigen, nur 50 x 50 x 130 mm³ kleinen Gehäuse untergebracht. Dadurch werden Installation, Betrieb und Wartung wesentlich vereinfacht. Für die hohe Leistungsfähigkeit des Kamerasensors sorgen der 2D-Bildaufnehmer – ein CMOS-Chip mit 512 x 512 Pixel – sowie die integrierten Zeilen- und High-Speed-Signalprozessoren. Die homogene und schattenfreie Ausleuchtung des Überwachungsfenster gewährleistet ein grünes LED-Ringlicht, das um das Objektiv herum in das kompakte Gehäuse integriert ist. Das Einlernen der zu prüfenden Lagerschalen und deren Einbaulage wurde bei Ford per Tasteneingabe innerhalb eines einfachen, durch das Bedien- und Anzeigemodul VSC 100 unterstützten „Teach-In“-Menüs, durchgeführt. Bis zu 16 verschiedene Teachbilder bzw. Inspektionsprogramme können gespeichert werden. Die eingelernten Werte werden dauerhaft in einem EEPROM abgespeichert. Während des Betriebes kann der Sensor freilaufend oder durch einen externen Trigger gesteuerte Bilder aufnehmen und auswerten. Dabei schaltet der ICS 100 wie eine Lichtschranke und setzt je nach Programmierung der Schaltschwelle die Schaltausgänge Q1 bis Q4.
Externe Visualisierung unterstützt komplexe Lösungen
Als besonders hilfreich und arbeitserleichternd erwies sich das Beobachten der Live-Bilder jedes der sieben ICS 100 in der Prüfstation auf der separaten Anzeigeeinheit VSC100. Dadurch konnten Störeinflüsse wie Glanz, Reflexionen und ungünstiger Hintergrund beim Aufbau und der Inbetriebnahme der Prüfstation sichtbar gemacht und schnell angepasst oder verändert werden. Darüber hinaus war es über die SPS- Steuerung möglich, durch eine dynamische Programmanwahl mit Erfolgsstatistik zwei weitere Programme aufzurufen, um so auf unterschiedliche Rauhtiefen der Lagerschalen, die innerhalb der Fertigungstoleranzen produktionsbedingt auftreten, reagieren zu können. Zudem konnte durch entsprechende Teach- und Suchfelder der Arbeitsbereich der Kameras optimiert werden. Nach Beendigung der pro Kamerasensor individuellen Inspektionsbilder wurde das VSC100 wieder entfernt – die Kamerasensoren arbeiten stand alone innerhalb des gesamten Prüfsystems.
Akzeptierte Lösung
Im Gegensatz zur bisherigen Überwachungseinrichtung erfreut sich die Prüfstation mit den sieben ICS 100 einer hohen Akzeptanz. Dies liegt zum einen an der hohen Zuverlässigkeit, mit I.O.-Motoren und N.I.O.-Motoren unterschieden werden. Zum anderen wurden im Rahmen des Simultaneous Engineering Projektes während der Planung und der Inbetriebnahme der Prüfstation wichtige Erfahrungen, Anregungen und Verbesserungswünsche des Ford-Teams berücksichtigt. Unterstützt durch diese Vorschläge und deren Verifizierung konnten die relevanten Parameter bei Bedarf sehr spezifisch auf die Bedürfnisse der Lagerschalenerfassung hin modifiziert werden. Herausgekommen ist eine industrietaugliche und prozessgerechte Inspektionslösung, die nahtlos in den Produktions- und Montageprozess integriert werden konnte. Die Erfahrung nach fast einem Jahr Produktionsbetrieb unterstreicht dies: seit der Inbetriebnahme nach den Werksferien im August 2004 hat kein Motor mit fehlenden oder falsch montierten Kurbelwellen-Lagerschalen das Ford-Motorenwerk in Köln mehr verlassen.
Sick, Waldkirch
QE 514
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