Makellose Stichsägeblätter

Dipl.-Ing. Kamillo Weiß, Freier Fach- und Fotojournalist Tel. 0711/755956, Kamillo.Weiss@kamillo-pr.de

Das Fertigungswerk der Scintilla AG in St. Niklaus, in der Schweiz ist weltweit führend bei der Produktion von Hubsägeblättern. Die vielen Innovationen beim Zubehör für Elektrowerkzeuge sind das Ergebnis guter Ideen mit nachhaltigen Auswirkungen. Das gilt für dieses Unternehmen in besonderem Maße sowohl unter dem Blickwinkel der Unternehmensgeschichte als auch hinsichtlich des aktuellen Produktportfolios und die Herstellung mit modernsten Fertigungstechniken. Vor über 60 Jahren rüstete der Schweizer Albert Kaufmann eine Nähmaschine mit einem Stichsägeblatt aus und bereits ein Jahr später erblickte die erste elektrische Handstichsäge das Licht der Welt. Im selben Jahr wurde das stillgelegte „Grand Hotel“ in St. Niklaus zum Produktionsstandort der Stichsägeblätter. Auf dem Weg zum weltweit berühmten Alpenberg ‚Matterhorn’ fährt jeder Tourist im Mattertal direkt am Fertigungswerk der Scintilla AG vorbei. Die Scintilla AG ist eine 100%ige Tochter von Bosch.

In der Vergangenheit wurde am Standort St. Niklaus das Thema der Qualitätssicherung mittels Bildverarbeitung zwar aufmerksam beobachtet, aber für die gewünschten Aufgaben gab es noch keine überzeugenden Lösungen. Gegen Ende des Jahres 2005 wurde die Anforderung einer Automatisierung in der Qualitätskontrolle der Stichsägeblätter zunehmend dringender. Die anstehende Aufgabe wurde zu einem Projekt zusammengefasst und der Kontakt mit 25 Firmen der Bildverarbeitung aufgenommen. Von diesen verblieben 12 Firmen die das detaillierte Pflichtenheft des Projektes erhielten. Davon präsentierten dann fünf Systemanbieter der Bildverarbeitung ihre plausiblen Lösungen in St. Niklaus. Letztendlich überzeugten dann die schlüssigen Lösungsansätze von der Firma Compar AG aus Pfäffikon und deren gute Referenzen von sicher arbeitenden Systemlösungen anspruchsvoller Bildverarbeitung.

In der von der Betriebstechnik erstellten Rundtaktanlage werden in der Endfertigung 8 Säbelsägeblätter (SSB) in einen Werkstückträger eingelegt und diese müssen komplett einer Qualitätskontrolle unterzogen werden. Die Werkzeuge variieren vielfältig in ihrer Form, der Grundlackierung als auch dem Aufdruck. Die große Zahl von rund 700 in Lackierung, Druck und Form unterschiedlichen Sägeblatttypen bedingte eine hohe Flexibilität in der Bildverarbeitungs-Programmierung und dementsprechend für das Maschinenpersonal die möglichst einfache Bedienung des Visionsystems. Die Prüfung von Lackierung und Aufdruck muss immer dem jeweiligen Typ umgehend angepasst werden.

Dazu bemerkt Kurt Chanton, Leiter der Informatik bei der Scintilla AG in St. Niklaus und verantwortlich für die Projektvergabe:

„Die hundertprozentige Kontrolle der Sägeblätter bezüglich der Lackierung und dem Tamponaufdruck erfolgt mit hoher Sicherheit und Präzision. Durch die einfache Parametrierung der Prüfprogramme kann das Maschinenpersonal sehr schnell neue Sägeblatttypen einlernen. Das verschafft uns die notwendige Flexibilität und schnelle Reaktionsfähigkeit.“

Im ersten Schritt der Qualitätskontrolle wird die Grundlackierung auf exakte Farbe, leichte Verfärbungen, ‚Orangenhaut’ oder ‚Wolken’ überprüft. In der gleichen Prüfung werden auch Verschmutzung, Kratzer und feine Linien bis 0.2 mm erkannt.

Der zweite Prüfungsschritt befasst sich mit dem Tampondruck auf den Sägeblättern. Hier gilt es bei gleichzeitig 8 Sägeblättern sehr feine Details zu erkennen, wie beispielsweise mangelhafter oder fehlender Aufdruck von Schrift oder auch Grafik.

Die Vision-Kontrollstation muss auch aus Gründen der Produktionseffizienz die geforderten kurzen Taktzeiten sicher gewährleisten. Ein Problem der Aufgabe war die Notwendigkeit eines großen Aufnahmefeldes mit sehr hoher Kameraauflösung, um die feinen Fehler sicher zu identifizieren. Dies wiederum bedingte eine Visionsoftware die innerhalb sehr kurzer Zeit die hohen Datenraten und den effektiven Umgang der Berechungsalgorithmen ermöglichte. Bereits Anfang des Jahres 2006 präsentierte die Compar AG in einem realistischen Laboraufbau eine ausführliche Machbarkeitsstudie, die bereits fast alle Aspekte der später installierten BV-Anwendung enthielt. Das beinhaltete auch die Schnittstellen für die optimale Einbindung in die Fertigungssteuerung und Möglichkeiten der statistischen Dokumentation.

Durch den Einsatz der RGB Farbkamera mit einer Bildauflösung von 3.268 x 2.470 Pixeln (8,07 Megapixel) wird die geforderte Präzision bei der Aufnahme des Werkstückträgers mit gleichzeitig 8 Sägeblättern erfüllt. Die Spezialisten aus Pfäffikon verfügen in der Druckkontrolle über langjährige Erfahrungen und entsprechendes Know-how. Für dieses Aufgabenfeld bieten sie das Softwarepaket PrintExpert mit anwendungs- und kundenspezifischer Bedieneroberfläche an. Dieses Gesamtpaket basiert auf den weltweit führenden Vision-Softwaretools PatMax und PatInspect von Cognex, mit äußerst präzise und sehr sicher arbeitenden Algorithmen. Diese Visiontools ermöglichen den Aufbau einer effektiven Bildverarbeitungs-Systemarchitektur, welche die zu verarbeitenden sehr hohen Datenraten ausgesprochen günstig handhaben kann. Mit den dadurch erzielten überzeugenden Ergebnissen sowie großen Erfahrungen der Compar AG wurde letztendlich der Auftrag zugunsten dieses Systemhauses aus Pfäffikon entschieden.

Die komfortable Bedienung berücksichtigt in besonderer Weise, dass das Generieren der Masken zur Prüfung von Sägeblatt und Aufdruck automatisch abläuft. D.h. die Masken müssen nicht aufwendig manuell platziert und angepasst werden sondern werden automatisch durch das Segmentieren des Aufnahmebildes generiert. Die Form des Sägeblattes muss nur ein einziges Mal eingelernt werden und wird dann im Prüfjob gespeichert. Die Form des Sägeblattes wird aus dem aufgenommenen Bild – mittels Farbsegmentation – als Maske ausgeschnitten. Dieser Inspektionsbereich wird als eingelernte Form (Maske) für alle 8 Sägeblätter im Werkstückträger übernommen. Damit wird der ganze Hintergrund – alles außerhalb des Maskenbildes mit seiner exakten Sägeblattkontor – ausgeblendet. Einmal eingelernt wird die Formmaske im Job gespeichert und es werden die Masken für den jeweiligen Aufdruck eingelernt. Das Eingangsbild mit den Farbkanälen (RGB) wird bei der Prüfung in Graustufenbilder aufgetrennt und mit den Referenzbildern verglichen. Alle identifizierten Fehler in den einzelnen Farbkanälen werden zu einem Fehlerbild addiert, entsprechend den eingelernten Masken von Lackierung und Druck. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine besonders sichere Qualitätskontrolle, weil die Programmierung der Bildverarbeitung sehr schnell auf neue Gegebenheiten – unterschiedliche aktuelle Anforderungen/Einflüsse im Prozess – optimiert werden kann.

Von entscheidender Bedeutung erwiesen sich die Visiontools von PatMax. Im Gegensatz zur allgemein üblichen Grauwertkorrelation verwendet PatMax die geometrischen Grundstrukturen von Objekten (ähnlich der CAD Konstruktion) in einem dreistufigen Verfahren. Zuerst werden die wichtigsten Einzelmerkmale eines Objektes wie Kanten, Abmessungen, Formen, Winkel, Bögen und Schattierungen isoliert identifiziert. Die räumlichen Verhältnisse zwischen diesen zentralen Merkmalen des eintrainierten Bildes werden mit dem Echtzeit-Bild verglichen. Aus der Analyse der geometrischen Informationen sowohl der Merkmale als auch deren räumliche Relation wird dann die Position des Objektes eindeutig und mit höchster Genauigkeit bestimmt. Merkmale wie z.B. Konturen mit geringem Kontrast können dadurch wesentlich zuverlässiger, genauer und schneller erkannt werden. Nicht mehr das gesamte Aufnahmebild muss erst linear analysiert werden. Das vereinfacht in entscheidender Weise die Merkmalsfindung und macht das Vision-System sehr schnell, flexibel und extrem sicher. Diese Visiontools erschließen sehr hohe Auflösungen bis in den Subpixelbereich und sind invariant gegenüber Lage und Orientierung des Objektes. Durch gleichzeitige Untersuchung von Kontur und Struktur des Objektbildes können wechselnde Beleuchtungs- und Kontrastverhältnisse sicher eliminiert werden. PatInspect baut auf PatMax auf und bietet herausragende Möglichkeiten im ganzen Umfeld der sicheren und exakten Erkennung von Oberflächenfehlern und –defekten. So können beispielsweise auch Objekte mit fehlender oder verdeckter Teilkontur sicher detektiert werden. Diese Bildverarbeitungs-Software wird deshalb vielseitig in der Druck- und Verpackungsindustrie eingesetzt.

Seit rund einem Jahr läuft die Qualitätskontrollstation problemlos in der Rundtaktanlage, und hat sich in seiner ganzen konzeptionellen Auslegung und Funktionssicherheit bestens bewährt. Die Anlage läuft drei- bis vierschichtig und täglich durchlaufen etwa 60.000 Sägeblätter die präzise arbeitende Qualitätsprüfung. Dementsprechend ist eine extrem hohe Auslegung der Anlagenverfügbarkeit unabdingbar. Innerhalb der Rundtisch-Taktrate von rund 4,5 Sekunden wird die sehr umfangreiche komplette reine Bildverarbeitung in etwa 1,8 Sekunden gewährleistet.

Durch die einfache Parametrierung können neue Sägeblätter sehr schnell durch das Maschinenpersonal eingelernt werden, ohne dass sie in die tiefe Bildverarbeitungs-Programmierung einsteigen müssen. Dieser Aspekt hat sich gerade im Hinblick auf die Wochenendfertigung als sehr vorteilhaft erwiesen. Der rasant ansteigende Anforderungsdruck der Kunden nach einer hundertprozentigen Qualitätskontrolle konnte mit der Prüfstation kompensiert werden. Das hat sich bereits in einer deutlich besseren Kundenzufriedenheit niedergeschlagen und das in der Vergangenheit seltene Thema Rücklaufaktionen ist inzwischen so gut wie ausgeschlossen. Betriebsintern hat sich die automatische Qualitätskontrollstation auch in der Entlastung der Mitarbeiter und in der Rationalisierung positiv niedergeschlagen, weil das qualifizierte Fachpersonal für andere Aufgaben besser eingesetzt werden kann. Außerdem steht nun auch eine erweiterte statistische Auswertung der Qualitätskontrolle zur Verfügung, die neue Möglichkeiten der optimierten Prozessgestaltung erschließt. Manches im Fertigungsprozess konnte flüssiger gestaltet werden und die Qualitätskontrolle macht den kompletten Prozess transparenter und effektiver. Wenn beispielsweise etwas mit dem Tampondruck nicht stimmt, dann wird das schneller bemerkt und kann umgehend behoben werden. Das Visionsystem liefert auch einen weiteren Beitrag zur bereits ausgeprägten Struktur einer vollständigen Rückverfolgbarkeit der gefertigten Produkte im Werk St. Niklaus. So zeichnet sich ab, dass die hausinterne Vorgabe einer Amortisationszeit von zwei Jahren für diese Qualitätskontrollstation vermutlich deutlich unterschritten wird.

Des Weiteren kommt hinzu, dass die Summe der positiven Ergebnisse bereits ein zweites Projekt der Qualitätssicherung mit Bildverarbeitung am Standort St. Niklaus ausgelöst hat. In der neuen Anlage mit erweiterten Anforderungen der Bildverarbeitung können viele Lösungsansätze aus dem bestehenden System in das neue Projekt übernommen werden. Diese neue Kontrollstation soll bereits im dritten Quartal 2007 installiert werden.

Cognex, Karlsruhe

QE 538