Messen im Takt

Klaus Krengel-Rothensee, Ludger Martinschledde, Frank Hilbk-Kortenbruck, Michael Krauhausen (Nokra gmbh)

Die CLAAS Fertigungstechnik GmbH im münsterländischen Beelen zählt als Hersteller von automatisierten Fertigungsanlagen für die Automobil- und Luftfahrtindustrie heute zu den kompetenten Adressen bei Produktionsanlagen beispielsweise für Vorder- und Hinterachsen, Pkw-Front- und Heckmodulen oder auch für Kfz-Nockenwellen. Insbesondere technologisch anspruchsvolle Fertigungsverfahren, die bei den gehobenen Fahrzeugsegmenten zum Einsatz kommen, bilden das Hauptbetätigungsfeld des innovativen Unternehmens.

Um ihren Kunden in allen Bereichen der Kette industrieller Produktionsprozesse Lösungen anbieten zu können, hat die CLAAS Fertigungstechnik nun ihr Kompetenzspektrum um die Technologie berührungsfrei arbeitender Laser-Messmaschinen erweitert. Diese Systeme sind in der Lage, innerhalb des Fertigungsprozesses die Geometrie der Produkte zu 100% zu vermessen. Die dabei gewonnenen Daten werden von den Anlagen im Produktionstakt einerseits für Qualitätssicherungsaufgaben, andererseits aber auch zur unmittelbaren Prozessoptimierung zur Verfügung gestellt.

In den Messmaschinen, die in Zusammenarbeit mit der Firma NoKra Optische Prüftechnik und Automation GmbH aus Baesweiler bei Aachen entwickelt werden, kommen auf dem Prinzip der Laser-Triangulation basierende optische Sensoren zum Einsatz. Mit dem Triangulationsverfahren können geometrische Größen wie Abstand, Dicke, Profil, Winkel, Form und Position berührungsfrei und genau gemessen werden. Die eingesetzten Sensoren zeichnen sich durch optische und elektronische Eigenschaften aus, die es erlauben, auch innerhalb kurzer Taktzeiten komplette Werkstücke – gegebenenfalls mit mehreren Sensoren simultan – bei geringer Empfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen mit der erforderlichen hohen Präzision zu vermessen. Durch die Kombination der Sensoren mit bewegten Achsen oder Knickarmrobotern können dabei unterschiedliche Bereiche der Messobjekte schnell und flexibel berührungsfrei abgetastet werden. Dadurch werden Umrüstzeiten im Vergleich zu den konventionellen taktilen Messverfahren erheblich reduziert und die Flexibilität der Messsysteme für variierende Mess- und Prüfaufgaben erhöht.

Laser-Messmaschinen für Rotationsteile

Eine Ausführung der lasergestützten Messmaschinen sind die Nockenwellen-Messsysteme vom Typ CLM 700. Diese speziell für Rotationsteile konzipierten Anlagen sind aufgrund einer Messfrequenz von bis zu 30 kHz in der Lage, beispielsweise 60 Geometriemerkmale des Werkstücks in nur 12 Sekunden zu messen. Neben Nockenwellen können auch andere Rotationsteile wie Getriebe- oder Antriebswellen gemessen werden. Werkstücke mit einer Länge von 250 mm bis 700 mm, einem Durchmesser von bis zu 150 mm und einem Gewicht bis zu 30 kg können in der Maschine aufgenommen werden.

Die Bauteile werden zwischen Spannpitzen gespannt und währen der Messung in Rotation versetzt. Bis zu 4 Laser-Abstandssensoren, die mit unterschiedlicher Schrägstellung auf einem gemeinsamen Schlitten montiert sind, scannen dann das rotierende Bauteil ab. Durch die Anordnung der Sensoren können dabei jeweils simultan mehrere und vor allem auch schwer zugängliche Merkmale erfasst werden.

Für die Maschinen wird ein Präzisionsmaschinenbett aus Naturhartgestein eingesetzt, das zu einer hohen Langzeitstabilität der Anlagen und zu der Unempfindlichkeit gegenüber Einflüssen aus der Produktionsumgebung beiträgt. Ferner ist in die Anlagen eine Temperaturüberwachung integriert.

Mit den Anlagen können typische Merkmale von Rotationsteilen, wie z.B. Axialmaße, Durchmesser, Plan- und Rundläufe, Formen und Formabweichungen oder auch Winkelpositionen mit einer Wiederholpräzision im Bereich weniger Mikrometer bzw. weniger tausendstel Grad, zum Teil sogar darunter, unter Produktionsbedingungen gemessen werden. Mit den Prüfmaschinen werden die Anforderungen an die Messmittelfähigkeit – bewertet nach industrieüblichen Verfahren (cg, cgk > 1) – erfüllt.

Laser-Messmaschinen für Schweißbaugruppen

Die Messaufgabe bei der Inline-Geometrieprüfung von Schweißbaugruppen und Strukturbauteilen ist die exakte Bestimmung der Position und Lage von Funktionsflächen und –bauteilen wie Laschen oder Bolzen, die Vermessung der Position von Bohrungen, Lang- oder Formlöchern, oder schlichtweg die Überprüfung der Anwesenheit montierter oder gefügter Komponenten. Hierbei ist eine schnelle, aber auch flexibel parametrierbare Geometrieprüfung mit der durch die Bauteil-Toleranzen vorgegebenen Genauigkeit erforderlich.

Für entsprechende Produkte wie z.B. Armaturenträger, Achsträger oder Front- und Heckmodule hat die CLAAS Fertigungstechnik Laser-Messanlagen entwickelt, bei denen die Sensoren von Standard-Knickarmrobotern positioniert werden. Dies ermöglicht eine vollständige, berührungsfreie Vermessung der Werkstücke auch an schwer zugänglichen Positionen, wobei durch die Teachfunktion der Roboter eine sehr hohe Flexibilität gegeben ist.

Bei den CLAAS Laser-Messmaschinen werden hierzu je nach Taktzeitanforderung ein oder mehrere Industrieroboter auf einem gemeinsamen Maschinenbett aufgebaut, das zur Minimierung von Störeinflüssen durch das Produktionsumfeld besonders robust ausgelegt ist. Auf diesem Maschinenbett ist auch die Spannvorrichtung verankert, die zur Aufnahme der Werkstücke während des Messvorganges dient. In der Regel werden die Produkte innerhalb des Fertigungsprozesses automatisch von Handlingssystemen wie Portalanlagen oder Handlingsrobotern in diese Spannvorrichtung eingelegt und nach der Messung wieder daraus entnommen.

Soweit die Spannvorrichtung nicht universell für mehrere Werkstücktypen oder –varianten ausgelegt werden kann, ist bei den Anlagen zur Umrüstung von einem Typ zum anderen lediglich der Tausch der Spannvorrichtung innerhalb einiger Minuten notwendig. Alle weiteren Systemkomponenten bleiben unverändert, da die eigentlichen Positionier- und Messabläufe einfach durch Anwahl eines neuen Software-Programmes an den neuen Werkstücktyp angepasst werden.

Bei typischen Fertigungstoleranzen im Bereich von einigen Zehntel bis zu wenigen Millimetern muss ein Inline-Messsystem mit einer Präzision im Hundertstel-Millimeter-Bereich messen. Da Standard-Industrieroboter eine im Vergleich hierzu zu große Ungenauigkeit aufwiesen, hat CLAAS ein Verfahren entwickelt, bei dem durch eine Zusatz-Verfahreinheit am Lasersensor sowie durch spezielle Referenzmarken an der Spannvorrichtung Positionierungenauigkeiten des Roboters kompensiert werden können. Mit diesem Verfahren wurde bei der Vermessung von Achsträgern eine unter Produktionsbedingungen erreichbare Wiederholpräzision von einigen Tausendstel-Millimetern nachgewiesen. Damit erfüllen auch die Laser-Messanlagen mit robotergeführter Lasersensorik die Anforderungen der Messmittelfähigkeit.

Durch eine standardisierte Software können die Laser-Messmaschinen in einfacher Weise in die Steuerung ganzer Fertigungslinien eingebunden werden. Die Messmaschinen, die über eine PC-basierte Steuerung verfügen, bieten hierzu ein ProfiBus-Interface sowie eine Ethernet-Schnittstelle.

Durch die Standardisierung der Software kann eine hohe Verfügbarkeit der Anlagen gewährleistet werden, die durch die Betriebserfahrung mit schon über einige Jahre im industriellen Mehrschichtbetrieb eingesetzten Anlagen untermauert ist. Darüber hinaus zeichnet sich die Software durch eine graphische Bedienoberfläche aus, die sich von den Bedienern einfach und intuitiv verwenden lässt. So werden alle Prüfergebnisse (oder wahlweise nur der Ergebnisse einer Teilmenge von aus Produktionssicht kritischen Prüfmerkmalen) direkt am Bedienterminal als Einzelergebnis oder als Trendanzeige dargestellt. Grundsätzlich werden alle Prüfergebnisse in einem industrieüblichen Standard-Datenformat via Netzwerk auf dem Qualitätsdatenserver des Kunden abgelegt.

Die unmittelbare Berechnung und Visualisierung der Mess- und Prüfergebnisse ermöglicht es, frühzeitig in die vorgeschalteten Produktionsprozesse einzugreifen, um Fertigungsfehler und Ausschuss von Vornherein zu vermeiden. Soweit die vorgeschalteten Produktionsanlagen dies ermöglichen, kann diese Rückkopplung im Sinne eines geschlossenen Regelkreises vollautomatisch realisiert werden, so dass Bedienereingriffe nicht notwendig sind.

Letztlich verfügen die Messanlagen durch die standardisierte Software stets auch über eine Fernwartungsschnittstelle, über die bei Fragen, die vom Bedienpersonal nicht selbst geklärt werden können, kurzfristig Support geleistet werden kann. Neben den anlagenspezifischen Schulungen – von der einfachen Bedienerschulung bis hin zur intensiven Einarbeitung von Fachpersonal – wird dementsprechend ein den Kundenwünschen entsprechendes Servicepaket angeboten.

Mit den Laser-Messanlagen der CLAAS Fertigungstechnik GmbH können Produkte wie z.B. Rotations- oder Strukturbauteile innerhalb von Sekunden hinsichtlich der geometrischen Eigenschaften geprüft werden.

Durch die eingesetzte Technologie können diese Anlagen auch unter schwierigen Einsatzbedingungen direkt in der Fertigungslinie eingesetzt werden. Dabei ermöglicht das berührungsfreie Antasten mittels Laser in Verbindung mit flexiblen Handhabungssystemen wie z.B. Robotern eine Minimierung des Umrüst- und Wartungsaufwands bei gleichzeitig hoher Flexibilität für verschiedene Produktvarianten. Die im Fertigungstakt bereitgestellten Messdaten ermöglichen einerseits eine vollständige Dokumentation der Produktgeometrie im Sinne der Qualitätssicherung, können aber zudem direkt zur Optimierung der Prozessführung eingesetzt werden. Durch eine Rückführung der Daten an vorgeschaltete Produktionsanlagen im Sinne eines geschlossenen Regelkreises kann somit frühzeitig der Entstehung von Ausschuss entgegengewirkt werden. Dies schafft die Basis für eine Null-Fehler-Produktion. Die 100%-Prüfung eines jeden gefertigten Teils innerhalb der Fertigungslinie mit automatisierten, lasergestützten Mess- und Prüfsystemen trägt somit zur Verbesserung der Produktionsprozesse und zu einer Steigerung der Produktivität bei.

Claas, Beelen

Control Halle 6, Stand 6410

QE 510