Der wahre Maßstab

Ein transportabler Meßarm (CMM) zeigt sich als Schlüssel zur Verbes-serung des Herstellungsverfahrens, welcher einem kanadischen Hersteller von Straßenplanierern durch die Eliminierung von Nacharbeiten gesteigerte Produktivität und verbesserte Qualität und damit Ein-sparungen von Millionen von Dollar verspricht.

Champion Road Machinery Ltd. ist einer der weltweit führenden Hersteller von Straßenplaniermaschinen mit einem weltweiten Marktanteil, der nach dem der Fa. Caterpillar an zweiter Stelle liegt.

Das Hauptwerk in Goderich, Ontario, Kanada widmet sich der Herstellung der großen (etwa 8,45 Meter langen und etwa 2,75 Meter breiten), Champion Serie IV Gelenkstraßenplaniermaschinen. Für diejenigen, die nicht mit Straßenbaumaschinen vertraut sind: Diese Straßenplaniermaschine gleicht einem Schneepflug, deren Drehschar sich etwa in der Mitte der Gesamtlänge der Maschine befindet bzw. zwischen den vorderen und hinteren Rädern. Der Drehschar kann nach links oder rechts gerichtet oder nach vorne oder hinten gekippt werden, um den Boden, wie gewünscht, zu bewegen.

Die Straßenplaniermaschine ist nicht nur das Arbeitspferd der Straßenbaumaschinen, unentbehrlich für Formgebung und Glättung von neuen Straßenebenen, sondern wird auch für andere Erdbewegungsarbeiten, wie beispielsweise Tageabbauverfahren, Dammarbeiten und in der Landrückgewinnung eingesetzt. Das Werk in Goderich ist in spezialisierte Werkstätten oder Zellen unterteilt, die jeweils für die Herstellung von Teilen des Rahmens und Hauptunterbaugruppen, wie Führerhaus, Getriebe, Kreiszugstangen, Radantrieb usw. verantwortlich sind. Die Teile des Rahmens und Unterbaugruppen werden zur Endmon-tagestraße des Werks verbracht, wo die Straßenplaniermaschinen zusammengebaut werden.

Die Herausforderung im Herstellungsprozeß ist, daß die Hauptunterbaugruppen einfach und schnell auf dem Hauptrahmen montiert werden können und der Motor und andere Komponenten des Antriebs richtig zueinander ausgerichtet sind. Die individuellen Einzelteile, aus welchen die Straßenplaniermaschine besteht, werden im Brennschneideverfahren von einer Stahlplatte geschnitten, auf Schweißaufspannvorrichtungen befestigt und dann zu Rahmen und Unterbaugruppen aneinander geschweißt. Zwei Aspekte dieses Verfahrens beeinflussen die Maßgenauigkeit der verschiedenen Schweißkonstruktionen.

Erstens: Präzision und Wiederholbarkeit des Plasmaschneideverfahrens sind derart, daß kleine Maßabweichungen von einem Einzelteil zum anderen vorkommen.

Zweitens: durch den Schweißvorgang wird Materialschwund hervorgerufen; eine Situation, die weiter verschlimmert wird, wenn durch die Anordnung eines Einzelteils in der Schweißaufspannvorrichtung eine Lücke entsteht und diese dann mit der Schweißnaht überbrückt werden muß.

„Von Zeit zu Zeit können die Maßabweichungen groß genug sein, daß eine Unterbaugruppe nur mit Schwierigkeiten auf dem Rahmen der Planiermaschine montiert werden kann,“ erklärte Herr Rod Elliot, Leiter der Abteilung Qualitätssicherung der Fa. Champion. „Zum Beispiel paßt die Führerkabine nicht in den dafür vorgesehenen Platz auf dem Rahmen oder der Montagewinkel von Motor zum Getriebe stimmt nicht. In diesen Fällen müssen wir die Paßstücke speziell einpassen, damit diese exakt auf-/ineinander passen. Solche Nacharbeiten können aus Nachschweißen, Schleifarbeiten und andere Maßnahmen bestehen, die zu diesem Zeitpunkt alle keine wertsteigernden Aktivitäten sind.

Jede Arbeitsstunde, die Nacharbeiten gewidmet wird, ist eine Arbeitsstunde, die von der Montage von anderen Straßenplanierma-schinen umdirigiert werden muß, was natürlich die Produktivität negativ beeinflußt,“ erklärte Herr Elliott weiter. „Und ganz gleich, wie geschickt die Nacharbeiten an dem Rahmen oder den Unterbaugruppen ausgeführt werden, das Endprodukt wird niemals so gut sein wie wenn die Teile, wie vorgesehen, zusammenpassen.“

Bisherige Meßgeräte waren nicht adäquat, um die eigentliche Ursache von Maßabweichungen in großen Schweißkonstruktionen und -unterbaugruppen festzustellen.

„Wenn etwas in der Montagestraße nicht paßte, nahm der Werksingenieur alle ihm möglichen Messungen vor und justierte dann die Schweißaufspannvorrichtung entsprechend,“ so Rod Elliott. „Das behob zwar das Problem für den Moment, aber es trat bald wieder auf und teilweise war der Ingenieur nie in der Lage, die eigentliche Ursache zu finden.“ Eines Tages, während eines Erfahrungsaustauschs hinsichtlich der Schwierigkeiten genaue Messungen an großen Schweißkonstruktionen mit konventionellen Inspektionsgeräten vorzunehmen mit einem ehemaligen Arbeitskollegen, erwähnte dieser gegenüber Herrn Elliot, daß ein relativ neuer, transportabler Meßarm, genannt FaroArm, erhältlich sei und deutete an, daß dieses Gerät eventuell in der Lage wäre, einige der Meßprobleme der Fa. Champion zu lösen.

Der FaroArm ist ein transportabler Meßarm, der in Florida hergestellt wird. Das wohl auffälligste Merkmal dieses Gerätes ist ein Gelenkmeßarm aus anodiziertem Aluminium mit Präzisionslagern und Rotationsmeßwertgebern an allen sechs Gelenken.

Das Untergestell des Meßarms ist eine Befestigungsplatte, die zur direkten Befestigung an einer stabilen Aufnahmefläche, wie z.B. einem Übergangsgestell oder einer starren, feststehenden Oberfläche, verwendet werden kann.

Die Bewegungsfreiheit des Meßarms bietet, je nach Modell, einen sphärischen Meßbereich von 6 ft. (1,82 Meter) bis 12 ft. (3,65 Meter) im Durchmesser. Die Meßgenauigkeit liegt im Bereich von +/- 0,012 Zoll (0,305mm) bis zu +/- 0,003 Zoll (0,076mm). (Berichtete Meßgenauigkeit: 2 Sigma Einzelpunktgenauigkeit gemäß ANSI B89 Norm.)

Mit dem Meßarm werden zwei Punktmeßsonden und zwei Kugelmeßsonden zur Verfügung gestellt, welche in den Griff am Ende des Meßarms eingeschraubt werden können. Der Meßarmgriff verfügt über zwei Tasten mit welchen der Bediener die gemessenen Daten erfaßt und aufzeichnet, entweder als einzelne Punkte (die sogenannte Punkt-zu-Punkt-Messung) oder in einem konstanten Punktestrom, während die Meßsonde über die Oberfläche geführt wird.

Die Meßdaten werden dann in eine Steuereinheit eingespeist, welche dann jede aufgezeichnete Meßsondenposition in eine präzise Position in einem dreidimensionalen Raum umwandelt. Mit der Steuereinheit wird die FARO Wartungs-Software zur Verfügung gestellt, die in der Lage ist, eine Reihe von verschiedenen dreidimensionalen Meßauf-gaben auszuführen, darunter die Einrichtung eines neuen Koordinatensystems und die Bocksprung-Funktion zur Messung von Objekten, die größer als die Reichweite des Arms sind. Außerdem ist eine auf CAD basierende Inspektionssoftware, genannt AnthroCAM, für geometrische Messungen, Re-Engineering und CAD-zu-Bauteil-Vergleiche wahlweise erhältlich. Dieses Softwarepaket wurde speziell von FARO entwickelt, um die umfangreichen Fähigkeiten des FaroArms voll nutzen zu können.

Nach der Erörterung des Potentials dieses Gerätes und den spezifischen Anforderungen seiner Firma mit einem FARO Repräsentanten, erwarb Rod Elliot den größten, erhält-lichen FaroArm, ein Modell der Silber-Serie mit einem Meßvolumen und einem Durchmesser von 12 ft. (ca. 3,65 Meter) und einer Einzelpunktgenauigkeit von +/- 0,007 Zoll (0,178 mm). Außerdem erwarb er FAROs wahlweise erhältliche AnthroCAM-Software. Elliott bewahrt den FaroArm in seinem Büro auf, das sich zwischen der Abteilung Rahmenfertigung und dem Endmontagebereich befindet. Obwohl der FaroArm einfach und bequem zur entferntesten Ecke der Fabrik gebracht werden kann und auf der Stelle Antworten zu Maßgenauigkeitenfragen liefert, benutzen Elliot und seine Mitarbeiter den FaroArm in erster Linie direkt außerhalb seines Büros, um die auf dem Weg zur Endmontage befindlichen Rahmen der Planiermaschinen zu messen.

Die Messungen erfolgen nicht einfach willkürlich. Statt dessen wird von Rod Elliotts Mitarbeitern ein Inspektionsprogramm, das als eine Lernen/Ausführen Programmdatei (eine Funktion der AnthroCAM-Software) bezeichnet wird, welches den Bediener durch die einzelnen Messungen von kritischen Merkmalen auf dem Rahmen der Planiermaschine leitet, geschaffen.

„Der überwiegende Teil der Unterbau-gruppen hat ein sogenanntes Vier-Punkte-Montagesystem, dies bedeutet, daß diese auf vier von dem Rahmen abstehenden Aufnahmebolzen befestigt werden. Die Aufnahmebolzen müssen deshalb in der richtigen Position zu einander sein, damit der Motor einfach aufgesetzt werden kann. Außerdem müssen die Aufnahmebolzen in der richtigen Position auf dem Rahmen sein, damit, wenn der Motor eingebaut wird, die Antriebswelle exakt in die richtige Richtung zeigt. Zusätzlich zur Motoraufhängung überprüfen wir die Aufnahmebolzen für das Getriebe, Führerhaus, den Hydrauliköltank, die Hydraulikzylinder, welche die Planiermaschine anlenken, eigentlich alle Unterbaugruppen.

Außerdem messen wir die Rechtwinkligkeit und Ebenheit des Rahmens, um Passungsprobleme bei der Montage zu vermeiden. Insgesamt messen wir mit dem FaroArm zwischen 75 und 80 Punkte auf dem Rahmen der Planiermaschine, sowie einige Bocksprung-Messungen und alles in 20 bis 30 Minuten. Dies ist eine zehnfache Verbesserung der Produktivität im Bereich der Qualitäts-sicherung. Darüber hinaus erhalten wir eine größere Meßgenauigkeit,“ betonte Elliot.

„Wenn man monotone und zeitraubende Methoden verwendet, führt man gewöhnlich nur eine Messung durch, aber von einer Messung kann man nichts über die Veränderlichkeit erfahren. Mit unserem FaroArm können wir an einem Tag sieben oder acht Rahmen vermessen und erhalten außergewöhnlich hochwertige, statistische Daten mit welchen wir die Veränderlichkeit charakterisieren können und so zur eigentlichen Ursache des Problems gelangen,“ erklärte Elliot weiter. „Wir werden eventuell feststellen, daß zum Beispiel ein Problem nicht an der Schweißaufspannvorrichtungen liegt, sondern auf eine Abweichung in den Abmessungen eines Einzelteils zurückzuführen ist.“

„Wir haben nun ein Gerät, das es uns ermöglicht, alle kritischen Merkmale des Rahmens und Unterbaugruppen unserer Planiermaschine genaustens zu vermessen,“ sagte Herr Elliott enthusiastisch. „Wir können nun genaue Zahlen analysieren, um zur eigentlichen Ursache des Problems zu gelangen und können diese ein für allemal beheben, anstatt immer nur Schweißaufspannvorrichtungen zu justieren.“

„Mit Hilfe des FaroArms waren wir in der Lage die Veränderlichkeit von kritischen Abmessungen auf dem Rahmen und Hauptunterbaugruppen zu messen und diese mit den Entwurfsfreiwinkel zu vergleichen. Zum Beispiel, wenn wir in einer Unterbaugruppe Durchgangsbohrungen von 7/8 Zoll vorsehen, um 3/4 Zoll Befestigungsschrauben aufzunehmen, verbleibt 1/8 Zoll, um jegli-che Positionsabweichungen der Aufnahmebolzen auf dem Rahmen zu absorbieren. Der FaroArm ermöglicht uns die erreichbare Fertigungsqualität zu messen, diese mit den Freiwinkeltoleranzen der Befestigung zu vergleichen und in manchen Fällen zu beweisen, daß sofern die Verfahrensmaßabweichung nicht reduziert bzw. der Freiwinkel vergrößert wird, die Unterbaugruppe niemals auf den Rahmen passen wird. Durch das Lokalisieren von Passungsproblemen und deren Ursachen, hilft uns der FaroArm fundierte Entscheidung hinsichtlich der Korrekturmaßnahmen zu treffen. Wir wissen, daß wir jährlich viele Tausende von Dollar für die spezielle Anpassung von Führerkabinen ausgegeben haben. Da wir das Passungsproblem mit der Führerkabine auf ein Problem beim Brennschneiden der Einzelteile zurückverfolgt haben, können wir nun unsere Kosten für die Nacharbeiten mit den für die Umstellung des Herstellungsverfahren, welche die Maßabweichung in den Einzelteilen verringert, verbundenen Investitionskosten oder den Kosten für eine Entwurfänderung, um den Freiwinkel der Durchgangsbohrungen zu vergrößern oder mit beiden vergleichen. Der FaroArm ermöglicht uns auf diese Art gute grundsätzliche Geschäftsentscheidungen zu treffen, wenn es darum geht, durch Inve-stitionen die erreichbare Fertigungsqualität zu verbessern.“

Derzeit richten sich die Bemühungen von Rod Elliot und seinen Mitarbeiter darauf, die Montage der Unterbaugruppen auf dem Rahmen schneller und einfacher zu machen, um dadurch den Durchsatz zu verbessern. Die Steigerung der Produktivität hat bei Champion höchste Priorität: Die Produk-tionsleistung hat sich von 4,5 Einheiten pro Tag im Januar 1994 auf derzeit 6 Einheiten-plus pro Tag gesteigert. Der FaroArm ist ein Gerät, das die Fa. Champion dazu verwenden kann, die Produktionszeit der Planiermaschinen noch weiter zu verbessern.

Das langfristige Ziel ist die erreichbare Fer-tigungsqualität im ganzen Werk zu verbessern, wodurch es möglich wird, daß die Produktion ihr volles Potential erreicht – Verbesserungen, die laut Herrn Elliot zwischen 5 und 10 Million US Dollar wert sind.

„Die Einsparungen sind vorhanden, wenn wir die Verbesserungen im Herstellungsprozeß vornehmen, und dem FaroArm kommt hierbei eine Schlüsselrolle zu,“ ist sich Elliott sicher. „Ohne den FaroArm könnten wir diese Aufgaben nicht erfüllen.

Was den Wert des FaroArms für unsere Firma angeht, unser FaroArm hat sich bereits im ersten Monat der Benutzung bezahlt gemacht.“

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