Oberflächenqualität in Prozessen prüfen

Die elexis AG, eine Gruppe von Technologieunternehmen, hat frühzeitig diesen Trend erkannt und konzentriert sich daher mit ihren Geschäftsbereichen Advanced Automation Systems und Automation Basics auf die Wachstumsfelder Fertigungsautomatisierung und Qualitätssicherung. Mit Advanced Automation Systems deckt elexis die Bereiche Machine Vision Systeme, Robotik, Regelungen und Sensorik sowie 3D-Lasermesstechnik ab.

Schwerpunkte der Machine Vision Systeme sind Applikationen zur Qualitätssicherung von bedrucktem Papier, Elastomeren und in der Reifenherstellung. Hierbei werden die Vorzüge einer schnellen Fehlerdetektion mittels hochauflösender Kameras mit leistungsfähigen Softwareprogrammen zur Auswertung und Visualisierung verknüpft.

Um Einrichtzeit und Makulatur im Rollenoffsetdruck während der Hochlaufphase und beim Rollenwechsel zu minimieren, entwickelte BST Servo-Technik GmbH die Farb- und Schnittregisterregelung AUTORegister AR 400. Anders als bisherige Verfahren, die bei Arbeitsgeschwindigkeiten der Maschinen von bis zu 20 m/s große und separat positionierte Registermarken benötigen, kommt AUTORegister AR 400 mit Messmarken von lediglich 0,5 mm Größe aus, um die Registerhaltigkeit mit einer Genauigkeit von 0,01 mm zu kontrollieren. Die Mikropunkte können sehr nahe am oder innerhalb des Nutzformates parallel respektive quer zur Bahnlaufrichtung positioniert werden. Ein Kamera-Messkopf tastet die Farbmarken ab, wobei die Referenz-Messpunkte über die Auswertesoftware erkannt und mittels dynamischer Nachführung im Messfenster des Kamera-Messkopfes zentriert werden. Durch Visualisierung der Messergebnisse lassen sich laufende Regelvorgänge verfolgen und ihre Auswirkungen in Echtzeit erkennen. Bei der Längsregistermessung, z.B. zur Steuerung von Schnitt- und Falzmaschinen, benötigt AUTORegister AR 400 im Gegensatz zu anderen Systemen keine Registermarken. Statt dessen werden für bestimmte Elemente des Druckbildes Referenzwerte ermittelt, die über ein Korrelationsverfahren einen Soll-/Ist-Abgleich ermöglichen. Bei Registerabweichungen erfolgt eine automatische Nachregelung der Druckbahn.

Auf nicht mehr als rund 200 Quadratzentimetern Oberfläche vollzieht sich die Kraftübertragung zwischen Fahrbahn und einem Pkw-Reifen. In einem entsprechend kleinen Bereich des Reifenquerschnitts müssen Walkbewegungen, Fliehkraft und seitliche Verformung abgearbeitet werden. Die Qualität der Laufstreifen und Seitenbänder eines Reifens aus Stahl- oder Textilcord bestimmen, ob diese extremen Belastungen bewältigt werden können. Erstmals lässt sich mit TIRE Control von BST Servo-Technik die Qualität von Reifenhalbzeugen lückenlos und ohne Unterbrechung des laufenden Fertigungsprozesses von der Zuführung bis zur Konfektionierung überwachen. Kern von TIRE Control ist das elektronische Materialbreitenmesssystem WEBcon. Es besteht im wesentlichen aus

– mikroprozessorgesteuerten und eigens für die rauen Betriebsumgebungen in der Reifenfertigung ausgelegte CCD-Kameras. Je nach Anforderung an die Messgenauigkeit, bis maximal 1/100 mm, erzielen sie Auflösungen bis 30000 Pixel

– Reglern zur Auswertung und zum Abgleich der Kamerasignale

– einer speziell für die Materialbreitenmessung konfigurierten Software.

Die Informationen der Kameras werden an die Regler übermittelt, die sie in digitale Signale wandeln und via BST-Bus Gateway an einen Rechner mit der Software weiterleiten. Das Programm ermöglicht die Eingabe und Speicherung aller relevanten Materialparameter, etwa die Produktbezeichnung, Sollbreite sowie obere und untere Fehler- und Warngrenze. Die Software verarbeitet bis zu maximal drei Messstellen gleichzeitig und visualisiert u.a. die Materialbreite als numerischen Wert oder als Grafik auf einen Monitor. Verlässt die Materialbreite den zuvor definierten Toleranzbereich, kann sofort in den jeweiligen Fertigungsprozess eingegriffen werden. Die Software ermöglicht weiterhin die statistische Auswertung der Daten sowie deren Protokollierung. Damit ist eine eindeutige Zuordnung der Messergebnisse zu den einzelnen Reifen gewährleistet. Das System ist sowohl an bestehenden kundenseitige Netzwerke zur Qualitätsüberwachung und zentraler Produktions-Steuerung anschließbar als auch als Stand-alone Einheit zu betreiben.

Bei der Inspektion von Elastomerprodukten ersetzen das prozessbegleitende Linear- und Rundtaktprüfsystem der KMK Mess- und Systemtechnik aus Schwerin aufwändige manuelle Qualitätsprüfungen, etwa die Sichtkontrolle von Dichtungen. Kernstück des optischen Prüfsystems ist eine auf die Besonderheiten von Elastomeren angepasste Bildverarbeitungssoftware in Verbindung mit extrem schnellen Bildverarbeitungsprozessoren und hochauflösenden CCD-Kameras. Deren digitale Bilder von der Elastomeroberfläche werden nach dem Prinzip der Graubildstufenauswertung verarbeitet, also durch eine spezielle Beleuchtung der Oberfläche alle Unebenheiten im Bereich von Schwarz bis Weiß abgebildet. Die Software kombiniert und bewertet die von den Kameras bereitgestellten Daten und vergleicht sie mit voreingestellten Grenzwerten, die in einem Expertensystem (Bibliothek) hinterlegt sind. Während der millisekundenschnellen Aufnahme der Bilder werden alle Abweichungen vom Idealbild markiert. Die Auswertung bzw. Bewertung erfolgt ebenfalls durch einen Vergleich mit den voreingestellten Grenzwerten. Umgebungs- oder zeitabhängige Oberflächenveränderungen der Prüflinge beeinflussen die Fehlererkennung ebenso wenig, wie Schmutz auf den Elastomerprodukten. Neben den Applikationen für eine effiziente Qualitätssicherung von Druckerzeugnissen, Elastomeren und Reifenhalbzeugen im Bereich Machine Vision Systeme hält der elexis Geschäftsbereich Advanced Automation Systems im Sektor Regelungen elektro-hydraulische Lösungen zur Steuerung von Warenbahnen in der Stahl-, Papier-, Kunststoff-, Gummi- und Druckindustrie bereit. Ergänzend hierzu werden in diesem Bereich qualitätssichernde Systeme für schnelllaufende Fertigungsprozesse konzipiert. Zu den innovativen Neuentwicklungen gehören hier u.a. die zerstörungsfreie Online-Prüfung von Bandstahl und die berührungslose Messung der Rauhigkeit von metallischen und nichtmetallischen Oberflächen.

Erfolgte die Beurteilung der Festigkeitseigenschaften von Bandstahl bislang selektiv und durch zerstörende Verfahren, kann mit dem Online-Messsystem IMPOC von EMG zerstörungsfrei die Zugfestigkeit und Streckgrenze von ferromagnetischen Stahlbändern gemessen werden. IMPOC setzt sich im wesentlichen aus einem Generator, einer Messelektronik und zwei Prüfköpfen zur Bestimmung der mechanischen Kennwerte von Bandstahl aus niedriggekohlten Stählen mit 0,15 bis 12 mm Dicke zusammen. Nach einer periodischen Magnetisierung der durchlaufenden Stahlbänder wird an einer Messspule der Gradient der verbleibenden Restfeldstärke gemessen. Durch eine Korrelationsrechnung auf Grundlage der ermittelten Ein- und Ausgangsgrößen gelangt man zu Ergebnissen, die eindeutige Rückschlüsse auf die Gefügestruktur des Stahlbandes zulassen. Zugfestigkeit und Streckgrenze lassen sich somit für jeden Coil durchgängig angeben. Das Messsystem gewährleistet durch seine lückenlose Integration in den Fertigungsprozess von Bandstählen deren kontinuierliche Qualitätskontrolle.

Insbesondere bei kaltgewalztem Stahlblech ist die Rauheit ein entscheidender Indikator für die Oberflächengüte. Das optisch arbeitende Online-Messsystem Sorm 3 tastet ebenfalls berührungslos mit einem Laserstrahl metallische, aber auch nichtmetallische Oberflächen ab und erfasst ihr Mikroprofil. Das Messsystem liefert absolut verlässliche Messdaten bei Produktionsgeschwindigkeiten von bis zu 1800 m/min und eignet sich daher besonders für schnelle Fertigungslinien. Anhand des ermittelten Mikroprofils berechnet Sorm 3 die genormten Rauheitsparameter mit einer Messempfindlichkeit im Ra-Bereich von 0,1 bis 3,0 µm und erkennt dabei bis zu 120 Spitzen/cm. Die Oberflächenrauheitswerte lassen sich speichern, werden dem Anlagenbediener online angezeigt und sind zur nachhaltigen Sicherung der Produktionsqualität in ein übergeordnetes Netzwerk übertragbar.

Auf dem Gebiet der industriellen Sensorik innerhalb von Advanced Automation Systems hat sich elexis mit intelligenten optoelektronischen und elektronischen Lösungen im hochspezialisierten Markt der Luftfahrttechnik etabliert. Ergänzt wird die Sensorik durch 3D-Lasermesstechnik. Ein neues Verfahren zur geometrischen Vermessung verschiedenster Oberflächen gehört zu den neuesten Produkten aus diesem Bereich. Durch einen Kooperationsvertrag mit dem Entwickler des Verfahrens, der Optical Metrology Ltd, Optimet, sichert sich elexis im Rahmen ihres Systemsgeschäfts langfristig die exklusiven Vertriebsrechte für das System.

Mit den bislang gebräuchlichen Methoden ist die geometrische Vermessung und Oberflächenbeurteilung von Fertigungsteilen nur mit großem technischen Aufwand und dann oftmals nur eingeschränkt möglich. Optimet aus Israel entwickelte mit Conoscan eine neue Technologie für die Oberflächenvermessung, die bisherigen Lasermessverfahren deutlich überlegen ist. Mit ihr lassen sich berührungslos selbst äußerst komplexe Objektgeometrien gleichermaßen präzise wie schnell vermessen, z.B. matte, glänzende oder inhomogene Oberflächen. Conoscan beruht auf den Prinzip der konoskopischen Holografie und benötigt anders als Triangulationsverfahren nur einen Messstrahl. Ursachen für Messtoleranzen, die bei herkömmlichen Abstandgrößen immer wieder entstehen, werden vermieden und somit Messabstände realisierbar, die bislang aufgrund inakzeptabler Toleranzen undenkbar waren. Die punktförmige Messung durch Conoscan und die nachfolgende Auswertung ermöglichen eine Verknüpfung sämtlicher Werte zur Bestimmung von Winkel, Längen und anderen Regelgeometrien. Allein durch unterschiedliche Objektivsysteme ist der Messbereich für ein breitgefächertes Aufgabenspektrum anpassbar. Fertigungsteile, Formen und Werkzeuge lassen sich mit Conoscan in ihren räumlichen Dimensionen exakt beschreiben, Winkel, Radien und Abstände auf tausendstel Millimeter genau vermessen, Flächen- sowie Kantenbezüge überprüfen und die Oberflächenbechaffenheit mit höchster Auflösung bestimmen. In der Mehrzahl aller Fälle genügt dafür nur ein einziger Messvorgang.

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