QS durch Farbbild- verarbeitung

Dipl.-Ing. Kamillo Weiß, Fachjournalist, Leinfelden-Echterdingen

In der hochintegrierten Montagestraße im JCA Speke Werk in Merseyside – England – besteht die Aufgabe darin, die Dachhimmel in der gleichen Reihenfolge zu fertigen, wie die jeweils dazugehörigen Fahrzeuge. Dabei muss sicher gestellt werden, dass die Farbauswahl, Beschläge sowie diverse weitere Extras exakt zur Bestellung des Kunden passen. Diese kompletten Einbaumodule gilt es „Just-in-Time“ (JIT) zum Einbau in das richtige Auto an den entsprechenden Punkt der Jaguar Fertigungsstraße zu befördern. Anforderung ist die Fertigung von 40 Dachhimmeln pro Stunde und damit eine Produktionszeit von nur 90 Sekunden.

Wenn die Graubildverarbeitung in der Detektion von Merkmalen absolut an seine Grenzen stößt, dann kann die Farbbildverarbeitung selbst minimale Nuancen von Merkmalen noch sicher erkennen. Fähigkeiten, die weit über den subjektiven Möglichkeiten des Menschen liegen. Die komplexe Farbbildverarbeitung war bislang eine Domäne von PC-basierten Systemen. Die recht anspruchsvolle Qualitätskontrolle der mit allen Komponenten ausgestatteten Module „Dachhimmel“ übernimmt nun eine preisgünstige Systemlösung, bestehend aus vier gleichzeitig arbeitenden und vernetzten Color-Vision-Sensoren In-Sight 1000C von Cognex.

Zwar sind es nur zwei Arten von Dachhimmeln, aber die Aufgabe wird durch die Vielzahl von möglichen Farben und Beschlägen (Einbruchsensor, Einparkhilfe, Glasschiebedach usw.) sehr anspruchsvoll. Berücksichtigt man noch die weiteren Varianten die sich durch nationale Unterschiede wie z.B. in den Frequenzen von Garagentoröffnern (GDO) und SRX-Optionen ergeben, entstehen hunderte von Dachhimmel-Varianten, die alle in der richtigen Produktionsreihenfolge bei hohen Fertigungsraten überprüft und getestet werden müssen.

Die Just-in-Time Anforderungen machen diese Produktion hochgradig zeit- und qualitätskritisch. Darüber hinaus ist ausgeprägte Flexibilität unentbehrlich. Dazu bemerkt Nick Bradburn, Produktionsleiter bei JCA: „Ausgangspunkt war die Notwendigkeit des Ersatzes einer alten Fertigungsstraße, die auf mechanisch zu positionierenden optischen Sensoren zur Prüfung des Produktes basierte und einen enormen Wartungsbedarf hatte.“

Die ersten beiden Tische der neuen aus vier Tischen bestehenden Fertigungslinie dienen dazu, die mit KANBAN-System angelieferten Bauteile auf beiden Seiten des Dachhimmel-Grundgerüstes manuell hinzuzufügen, wie etwa Befestigungsclips, Blenden, Schaumstoffblöcke und einige elektrische Komponenten.

Die Arbeitstische drei und vier sind mit der neuen Visionlösung ausgestattet. Über jedem befinden sich in etwa 3 Metern Höhe Traversen, an denen vier Cognex In-Sight 1000C Bildverarbeitungssensoren befestigt sind, die per Ethernet zu einem VAN (Vision Area Network) verbunden sind und senkrecht auf den Dachhimmel herabsehen. Hier wird durch das Scannen des Barcode gleichzeitig dem System mitgeteilt, welche Testparameter anzuwenden sind. Die Anweisungen werden seriell an eine Master-Kamera in jedem VAN weitergeleitet, die dann ihrerseits via Ethernet die entsprechenden Daten an die drei anderen Kameras übermittelt.

Am Tisch 3 erfolgt die Überprüfung des Dachhimmels auf seiner nicht sichtbaren Seite (B-Seite). Kontrolliert wird die Anwesenheit und Ausrichtung der Schaumstoffblöcke, Befestigungsclips als auch Vorhandensein eines Glasschiebedaches. Die Abstandshalter der Haltegriffe werden auf silberne Vorderseite und Kunststoffrückseite geprüft. Wichtigstes Einbauteil ist die Master Plan Console (MPC). Dieses Modul befindet sich im fertigen Fahrzeug oberhalb des Fahrerkopfes und enthält die Innenbeleuchtung mit Schalter, Mikrofon, Garagentoröffner und weitere Bedienelemente. Das korrekt konfigurierte MPC wird durch Scannen ausgewählt, eingebaut und deren Lage, Ausrichtung und die Anwesenheit der Elemente mit den In-Sight Vision-Sensoren überprüft.

Nach dem Ablegen auf Tisch 4 erfolgt die Kontrolle auf der sichtbaren Seite. Das betrifft sowohl den messtechnischen Test (eCheck) der elektrischen Einbauteile als auch die automatische Überprüfung durch die Bildverarbeitung wie z.B. die korrekte Anbringung des Airbag-Labels auf der Unterseite des Blendschirms. Auf Grund der starken Reflexion des Labels werden die Kameras automatisch mit kleiner Blende rekonfiguriert. Sind abschließend die exakten Farben der Einheit, der Handgriffe und der Blenden sowie korrekte Platzierung der Handgriffe hinten und vorn geprüft, wird mit einem entsprechenden Label der Dachhimmel zum Versand ins Jaguar-Werk freigegeben.

Das ‚C’ in der Bezeichnung In-Sight 1000C steht für Color und macht deutlich, dass dieser Vision-Sensor eine komplette äußerst kompakte selbständige Farbbildverarbeitungseinheit mit integrierter Ethernet-Schnittstelle ist. Jede In-Sight Kamera ist mit der vollständigen Cognex-Visionbibliothek an Bildanalysewerkzeugen für Graustufen und Farben ausgestattet. Hierzu gehört auch PatFind, ein äußerst effizientes Hochleistungstool zur präzisen Lokalisierung von Teilen. Die auf dem HSI-Modell beruhenden Color-Visiontools ermöglichen eine sehr genaue Bestimmung von Farbnuancen. Die Farbe eines Objektes wird dabei aus den drei fein abgestuften Komponenten von Farbton (Hue), Sättigung (Saturation) und Helligkeit (Intensity) zusammengesetzt. Der gesamte Montageprozess ist SPS gesteuert und die vier Kameras erfassen dabei in weniger als 5 ms ein vollständiges Bild des Dachhimmels, bestehend aus vier Quadranten. Der wichtige Aspekt der Ausleuchtung ist in der Weise optimal gestaltet, dass die Hochfrequenzröhren gleichmäßig Beleuchten, eine hohe Farbtreue bieten und ihre Betriebstemperatur schnell erreichen.

Von besonderer Bedeutung in der Realisierung dieser Anspruchsvollen Vision-Aufgabe erwies sich die einfache Bedieneroberfläche und anspruchslose Programmierung mittels Parametierung. In der Berücksichtigung hunderter von Produktkombinationen war die Programmierung der In-Sight 1000C mittels der an einer Tabellenkalkulation orientierten Spreadsheet-Bedieneroberfläche Schritt für Schritt einfach zu spezifizieren. „Für Positions- und Ausrichtungstests markiert man den gewünschten Bereich mit Hilfe des entsprechenden Tools und konfiguriert dann die Parameter, die zur Identifikation eines Musters oder des Inhaltes benötigt werden“ bemerkt Bradburn. „Der Ansatz von Cognex macht das besonders einfach.“

Die Parameter werden aus Drop-Down-Menüs gewählt, und die Ergebnisse jedes Tests werden automatisch in die zugehörigen Zellen des Spreadsheet eingefügt. Zur Ausführung bestimmter Aufgaben können Zellen leicht miteinander verknüpft werden. Das Prototyping verkürzt sich wesentlich und Anwendungen können ‚on the fly’ gleich parallel zu Änderungen am Fertigungsprozess modifiziert werden. Außerdem stellt das Interface eine kontextsensitive Hilfe in mehreren Sprachen zur Verfügung. Die aus der Tabellenkalkulation bekannten Spreadsheets bieten eine der stabilsten und effizientesten Methoden des Arbeitens mit großen Datenmengen. Sie können Hunderte von speziellen Funktionen, Optionen und Operationen, von höherer Mathematik bis zu mit Anmerkungen versehenen Grafiken enthalten. Diese Bedieneroberfläche hilft unerfahrenen Anwendern die Lernkurve zu optimieren. Sie vermeidet die Notwendigkeit eine Programmiersprache erlernen zu müssen.

Die von den Vision-Sensoren erfassten und analysierten Bilder jedes einzelnen Dachhimmels werden direkt über das firmeneigene Ethernet-Kommunikationsnetz auf einen speziellen Server übertragen und gespeichert. „Das bedeutet, dass wir nun die Möglichkeit einer 100-prozentigen Verfolgbarkeit haben,“ sagt Bradburn. „Wenn jetzt irgendwelche Qualitätsprobleme auftreten, können wir anhand der Bilder der Dachhimmel soweit zurückgehen wie notwendig, um die Ursache herauszufinden. Gleichzeitig können wir das Archiv für Gegenprüfungen bei Fertigungsfragen verwenden.“ Dies ist ein wichtiges Resultat, weil damit jeder einzelne Prozessschritt so optimal wie möglich gestaltet werden kann.

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Das neue QualiLine-C-Bildverarbeitungssystem wurde speziell für den Einsatz in der 100% Qualitätsprüfung von komplexen Gußteilen entwickelt. Eine Vielzahl von Merkmalen kann an unterschiedlichsten Teilen wie Zylinderköpfen, Motorblöcken, getriebe-, Antriebs- oder Bremssystemen in „Echtzeit“ innerhalb der bestehenden Produktionszykluszeiten im Rahmen einer 100% Überwachung gemessen und bewertet werden.

QualiLine-C kann perfekt in die bestehende Produktionsstraße integriert werden. Zur Vermessung der Prüfteile kommen spezielle Beleuchtungseinrichtungen (Laser / Diffus) sowie mehrere Video Kameras zum Einsatz. Die erfassten Bilder werden mit modernsten Bildanalyseverfahren vollautomatisch analysiert.

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