Inline-Kontrolle von Wischerblättern

Dr.-Ing. Uwe Stein, Fachjournalist für Lasertechnik, optische Messsysteme und Bildverarbeitung in der industriellen Anwendung, Aachen

Jeder hat die Erfahrung schon einmal gemacht: Winzige Scharten in der Kante der Autoscheibenwischer oder kleinste Schmutzpartikel auf dem Wischergummi erzeugen Streifen und Schlieren auf der Windschutzscheibe, die die Sicht behindern.

Was beim Betrieb eines Fahrzeugs oft nur lästig ist, wird beim neuen Wischerblatt zur teuren Reklamation und führt beim Hersteller zu Imageverlust. Deshalb muss schon in der Produktion sichergestellt sein, dass nur fehlerfreie Produkte das Werk verlassen.

Doch Fehler in der Größenordnung unter 100 µm auf Profilen mit gegliedertem Querschnitt zu finden ist nicht einfach. Der Sehapparat des Menschen ist mit dieser Aufgabe überfordert: Auf einzelnen Wischerblättern erkennt er Defekte sofort, aber über eine ganze Produktionsschicht viele Kilometer Profil mit voller Konzentration zu betrachten ist unmöglich. Schon der Bruchteil einer Sekunde Ablenkung reicht aus, um einen kritischen Defekt zu übersehen: Erfahrungsgemäß werden bei der visuellen Kontrolle trotz hoher Aufmerksamkeit der Beobachter nur maximal 80 Prozent der Defekte erkannt. Auch Stichprobenmessungen unter dem Mikroskop erfassen lediglich grobe Trends und geben keine Auskunft über das einzelne Wischerblatt.

Pixargus hat das optische Profilinspektionssystem PCS-Wiper (ProfilControlSurface-Wiper) entwickelt, das sich seit Anfang 2006 in der Produktion bewährt. Bei der Entwicklung von PCS-WIPER konnte Pixargus die Erfahrung mit dem ProfilControl IV System nutzen, das bei der Inline-Kontrolle von Autotür- und Fensterdichtungen aus Gummi und TPE in der Automobilindustrie bereits vielfach für die Inline-Oberflächenüberwachung eingesetzt wird. Das neue System PCS-Wiper prüft die Wischeroberflächen vollständig, objektiv und reproduzierbar unmittelbar in der Extrusion. Kleinste Unregelmäßigkeiten der Oberfläche werden erfasst. So ist gewährleistet, dass nur fehlerfreies Material das Werk verlässt. Über die Qualitätssicherung in der Endkontrolle hinaus werden die Daten genutzt, um die Produktion zu optimieren und Fehler gar nicht erst entstehen zu lassen. Beispielsweise werden Trends bei der Menge von Mikropartikeln auf den Oberflächen in Echtzeit erfasst, so dass unmittelbar Gegenmaßnahmen ergriffen werden können.

Die optische Profilinspektion erfüllt zwei Aufgaben:

Doch die optische Inspektion von Wischerprofilen ist nicht einfach: Es gibt vielfältige Querschnitte, zum Beispiel Doppelprofile, die an der Wischlippe zusammenhängen, und solche mit Stützsteg, die durch ein Mittelstück miteinander verbunden sind. Trotz der komplexen Geometrie muss jede Stelle des Profils unter dem optimalen Winkel beleuchtet werden und die Kameras müssen sie mit der erforderlichen Auflösung und Bildschärfe sehen können.

Das System kontrolliert den parallelen, etwa 2 bis 5 mm breiten Bereich der Profile in der Nähe der späteren Wischerkanten. Dabei kann sich das Profil in einem Messfeld von 15 bis 30 mm befinden. Bei den außerordentlich hohen Anforderungen an die Genauigkeit muss der Abstand des Messkopfes vom Profil bis auf wenige 100 µm eingehalten werden. Eine Herausforderung für die Konstrukteure, die diese Aufgabe durch eine automatische Abstandseinstellung mit Stellmotoren gelöst haben.

PCS-Wiper detektiert und klassifiziert unterschiedliche Defekte:

Während diese Defekte gefunden werden müssen, gibt es andere Erscheinungen, die auf keinen Fall zum Aussortieren von Material führen dürfen: Diese „Pseudodefekte“ sehen zwar in einem Kamerabild spektakulär aus, bringen jedoch keine Beeinträchtigung der Funktion des Wischers mit sich. Hierzu zählen großflächige Produktionsmittelrückstände oder Wassertropfen, die nach dem Waschen noch anhaften. Würde das System bei diesen „Defekten“ Fall Alarm schlagen, würde qualitativ hochwertiges, verkaufsfähiges Material nicht in den Versand gelangen.

PCS-Wiper erlaubt, Qualitätsstandards präzise zu definieren und während der Produktion einzuhalten. Der Benutzer muss lediglich entscheiden, welche Fehlergrößen und Fehlertypen auf seinen Oberflächen nicht akzeptabel sind. Der „Klassifikator“, der entscheidet, welcher Defektklasse ein Fehler zuzuordnen ist, wird von Pixargus gemeinsam mit den Kunden erstellt.

Die Ansprechschwelle für das Aussortieren kann für einzelne Typen von Oberflächenfehlern entweder mit einzelnen Merkmalsschwellen (zum Beispiel Fehlergröße oder -typ) eingestellt werden, oder es wird eine Kombination von Häufigkeit und Defektmerkmal (auch hier zum Beispiel von Größe oder Typ) einzelner Defektklassen genutzt. Diese Definitionen werden jeweils in einer Produkt-Datei gespeichert. Zu Beginn der entsprechenden Produktion ruft der Anlagenführer einfach diese Datei auf und startet die Online-Inspektion.

Für alle Fehler werden Größe, Position, Zeit und Bild, gespeichert, die Daten sind mit dem Profil-Zeitstempel für die stückbezogene Qualitäts-Dokumentationen synchronisiert. So kann jederzeit festgestellt werden, an welcher Stelle sich Defekte befanden.

In der Praxis hat sich gezeigt, dass Fehler oberhalb von einigen 100 µm Größe aussortiert werden müssen, um die einwandfreie Funktion des Wischers sicherzustellen. Defekte unterhalb dieser Größenschwelle werden lediglich gespeichert, mit den Daten und den Defektbildern wird der Prozess weiter optimiert.

In der Produktion werden die Inspektionssysteme erfahrungsgemäß am besten am Ende der Produktion installiert, da hier keine neuen Defekte mehr entstehen können. Ein weiterer Grund für die Anordnung an dieser Stelle ist, dass einige flüchtige Komponenten im Salz- oder Vulkanisationsbad expandieren und daraus resultierende Defekte erst nach dem Vulkanisieren sichtbar werden. Findet das System einen Defekt, alarmiert es den Extruderbediener akustisch und sendet eine Meldung an die Prozess-Steuerung. Das Bild des Defektes wird angezeigt und zusammen mit allen weiteren Daten (Zeitstempel, Position etc,) in einer Produktions-Log-Datei abgespeichert. Die Messung läuft währenddessen weiter.

Messdaten wie Anzahl und Position der Defekte sowie weitere Materialdaten werden darüber hinaus an die Prozess-Steuerung weitergeleitet. So sind die vollständige Dokumentation und die Rückverfolgbarkeit gewährleistet. Alle Daten stehen in einem Datenbankformat zur Verfügung.

Die Auflösung von PCS-Wiper ist um ein Vielfaches höher als die Ausdehnung der kleinsten Defekte. So ist gewährleistet, dass die Größe der Defekte genau gemessen wird und die Bilder mit hoher Detailtreue dargestellt werden.

Quer zur Produktionsrichtung bilden hochauflösende Zeilenkameras das Profil mit einer Auflösung von 10 bis 30 µm pro Pixel ab. In Längsrichtung erfasst das Inspektionssystem bei einer Scanfrequenz von 30 kHz etwa alle 33 µs eine Zeile. Bei einer Produktionsgeschwindigkeit von 30 bis 40 m/min beträgt die Auflösung somit 16 bis 22 µm.

Damit misst PCS-Wiper so genau, dass die Überprüfung der Genauigkeit nur unter dem Mikroskop an ausgesuchten Mustern erfolgen kann.

Da PCS-Wiper produktionsbedingt in einer aggressiven Atmosphäre arbeiten muss, ist es vollständig gekapselt. Dennoch ist es für Reinigung leicht zugänglich und Verschleißteile können leicht ausgetauscht werden, indem das System aus der Linie gefahren wird. PCS-Wiper wird schlüsselfertig mit allem Zubehör wie Impulsgeber, Integration in die Prozess-Steuerung und Auswertesoftware für Desktop-Rechner geliefert. Das Operator-Panel mit Touchscreen-Funktion und einer speziellen grafischen Eingabeoberfläche ermöglicht eine intuitive Kontrolle über die Online-Inspektion.

Die Kalibrierung erfolgt mit einem Prüfprofil, das in eine Führungsschiene eingelegt und aufgenommen wird. So kann jederzeit der Nachweis der Messmittelfähigkeit erbracht werden.

PCS- Wiper ermöglicht es erstmals, Qualitätsstandards für Wischerblätter präzise zu definieren und während der Produktion einzuhalten, denn mit dem System werden Profiloberflächen jetzt zu 100 Prozent quantitativ und qualitativ beurteilt. Jede kleinste Unregelmäßigkeit der Oberfläche wird erfasst, gemeldet und rückverfolgbar abgespeichert. Die Erfahrungen aus dem Produktionsbetrieb zeigen, dass PCS-Wiper Oberflächenfehler ab einer Grenze von 300 bis 500 µm mit einer Erkennungsrate von über 99,99 Prozent detektiert. Kleinere Oberflächenfehler mit einer Größe ab 50 µm werden ebenfalls sicher erkannt. Sie führen jedoch nicht zum Ausschuss, die entsprechenden Daten werden in Echtzeit an die statistische Produkt- und Prozessüberwachung weitergeleitet. So ist PCS-Wiper der aufwändigen visuellen Kontrolle, bei der nur mit Stichproben Trends für das Auftreten von Oberflächenfehler erfasst werden kann, weit überlegen.

Hinzu kommen die vollständige Dokumentation der Produktion und die Rückverfolgbarkeit der Defekte: Durch die Analyse der Bilder werden Ursachen für Fehler zuverlässig lokalisiert und behoben.

Pixargus GmbH, Aachen

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