Optische Qualitätskontrolle auf Basis von CAD-Daten

Optische Qualitätskontrolle auf Basis von CAD-Daten
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06.07.2015 | Prüfmuster direkt aus den Konstruktionsunterlagen.

Das Augenwesen Homo Sapiens beurteilt seine Umgebung vor allem anhand optischer Kriterien. Deshalb basieren auch bei der Qualitätssicherung viele Verfahren auf der visuellen Inspektion von Oberflächen. Zwar ist der Mensch hierfür hervorragend qualifiziert, doch ist er diesbezüglich kein guter Dauerleister. Das Ergebnis solcher Prüfungen hängt erfahrungsgemäß in erheblichem Maße von der Person, ihrem Biorhythmus und ihrer Tagesform ab. Aus diesem Grund werden solche Prüfaufgaben zunehmend auf computergestützte Verfahren zur Mustererkennung umgestellt. Hierbei bietet die direkte Erzeugung der Vergleichsmuster aus den CAD-Daten des zu prüfenden Objekts deutliche Vorteile gegenüber den häufig eingesetzten fotografischen Verfahren.


„Bei der Qualitätskontrolle spielen optische Verfahren vielfach eine entscheidende Rolle“, weiß Dipl.-Ing. Lorenz Blass, Softwareentwickler bei der Compar AG in Pfäffikon SZ (Schweiz). Das Unternehmen ist Spezialist für IT-gestützte Systeme zur Bildanalyse und hierauf basierende robotergestützte Systeme für Qualitätskontrolle, Identifikation und Robot Guidance. Zu den Kunden gehören praktisch alle Hightech-Branchen wie Automobil-, Uhren-, Verpackungs-, Druck-, Elektronik-, Medizintechnik- und Pharmaindustrie. Vorteil solcher automatischen Systeme im Vergleich zum Einsatz menschlicher Arbeitskraft ist ihre Ermüdungsfreiheit. Ihre Ergebnisse sind konstant und reproduzierbar. Dennoch werden viele Inspektionsaufgaben in der Qualitätssicherung auch heute noch von Menschen erledigt. Die Gründe sind vielfältig und reichen von der Notwendigkeit, Teile bei der Inspektion unter ganz bestimmten Winkeln im Raum zu betrachten, bis zu Fällen, wo der Aufwand für die fotografische Erzeugung der benötigten Vergleichsbilder zu hohe Kosten verursachen würde. Letzteres kommt vor allem bei Produkten vor, die in eher kleineren Stückzahlen gefertigt werden.


Deshalb gleichen in manchen QS-Abteilungen Mitarbeiter auch heute noch durch optische Projektion abgebildete Bauteilkonturen mit Hilfe von Filmschablonen ab oder beurteilen Oberflächendefekte anhand von Vergleichsbildern. In solchen Fällen kann der Übergang zu IT-gestützten Verfahren der Bildanalyse viele Vorteile bieten.

 


Optische Inspektion von Spezialgewinden


„Vor einiger Zeit erhielten wir die Anfrage eines Kunden, der sogenannte Schanzschrauben für die Behandlung von Knochenfrakturen herstellt“, erinnert sich L. Blass. Hierbei handelt es sich um lange Schrauben aus biokompatiblem Material wie z.B. Titan mit einem anspruchsvoll gestalteten Gewinde am vorderen Ende. Bei komplizierten Trümmerfrakturen werden solche Schrauben mit ihrem Gewinde in den Knochen bzw. in den Knochenfragmenten verankert. Anschließend werden die Enden der Schrauben in einem oft komplexen dreidimensionalen Gestell („Fixateur externe“) befestigt und halten die Knochen so während des Heilungsprozesses in der erforderlichen Position. Nachjustierungen sind auch nach der Operation durch Veränderung der Position der Schrauben möglich. Diese Schrauben und insbesondere ihre Gewindebereiche müssen sehr hohen Qualitätsansprüchen genügen, da sie auch bei wechselnden Belastungen sicheren Halt im Knochen gewährleisten müssen. Daher muss die Geometrie sowohl des Schafts als auch des Gewindes sehr genau mit den Vorgaben übereinstimmen. Die entsprechenden Kontrollen wurden bisher manuell vorgenommen, wobei der Mitarbeiter die Schraube in einem definierten Winkel vor einen Projektor hielt und ihre Form mithilfe einer Schablone beurteilte. Diese Methode war jedoch zeitaufwendig und fehleranfällig. Dem Hersteller schwebte daher ein automatisiertes Inspektionsverfahren vor, das sich zudem flexibel den immer neuen Geometrievarianten anpassen lässt, die der rasche Fortschritt im Bereich der Humanmedizin ständig hervorbringt. 


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Mustervergleich mit Roboterhilfe


„Im Prinzip handelt es sich hierbei um eine doppelte Aufgabenstellung, die sowohl ein Verfahren zum Mustervergleich als auch eine dazu passende Handlinglösung umfasste“, ergänzt L. Blass. Die Inspektionseinheit besteht aus einer Beleuchtungseinheit sowie einer Kamera mit parallelem („telezentrischem“) Strahlengang, was eine verzerrungsfreie Projektion des Objekts auf den Bildsensor sicherstellt. Das Sensorbild wird per Software in einen scharfkantigen Schattenriss umgewandelt, dessen Konturen exakt vermessen und mit entsprechenden Sollvorgaben verglichen werden können. Dafür muss das Gewinde allerdings exakt in seinem Steigungswinkel in den Strahlengang gehalten werden, weshalb hierfür ein Roboter zum Einsatz kommt. Als Vorlage für den Mustervergleich dienten bisher meist Aufnahmen der Schattenrisse von Gutteilen. Dies erforderte einen nicht unerheblichen Aufwand bei der Erzeugung der entsprechenden Bilddaten. Um Verwechslungen zu vermeiden und eine korrekte Zuordnung von Vorlage und Prüfteil sicherzustellen, war ein nicht unerheblicher logistischer und personeller Aufwand erforderlich. Bei der Erzeugung des Vergleichsmusters musste unter anderem darauf geachtet werden, dass ein Teil aus der Mitte des Streubands gewählt wurde, um einen systematischen Fehler zu vermeiden. Ein gleichzeitiger Vergleich mit beiden Grenzen des zulässigen Streubands war nicht möglich.

 

 

Mustererzeugung direkt aus CAD-Daten


„Wir haben dem Kunden deshalb vorgeschlagen, die für eine Qualitätsprüfung erforderlichen Projektionen direkt aus seinen 3D-CAD-Daten zu erzeugen“, sagt L. Blass. Die Übermittlung an das Prüfsystem erfolgt im DXF-Format. Aus diesen Daten generiert die Software alle benötigten Schattenrisse und Konturbilder und sorgt auch für die erforderliche Skalierung. Zu den Vorteilen dieses Vorgehens zählt auch, dass die Vorlagen exakt in der Mitte der gewünschten Streubänder liegen und es zudem möglich ist, auch die Grenzen der jeweiligen Streubänder in Form von Min-/Max-Hüllkurven zu übermitteln. Für die Untersuchung wird der Prüfling vom Roboter am Schaft gegriffen und im erforderlichen Winkel in den Strahlengang der telezentrischen Optik gehalten. Die Software des Prüfsystems sorgt dafür, dass das Abbild mit den Solldaten der Geometrie zur Deckung gebracht und die Differenzen dann ausgewertet werden. Dies ermöglicht eine schnelle Einteilung in Gut/ Schlechtteile. Weiterer Vorteil der Verwendung von Prüfdaten, die direkt aus den CAD-Daten generiert werden ist, dass man erforderlichenfalls den Umfang des Bauteils in beliebig definierbaren Winkelintervallen abtasten kann, um auf diese Weise kleinere lokale Fehler wie z.B. Ausbrüche oder Deformationen des Gewindes aufzuspüren.

Ergänzt wird die Anlage noch durch eine separate Auflichtkamera, mit deren Hilfe sich Oberflächenfehler wie Kratzer oder Beschichtungsfehler erkennen lassen. Diese Kamera kann auch die Lasermarkierungen auf dem Schaft lesen und so sicherstellen, dass der für das jeweilige Bauteil passende Prüfjob aufgerufen wird. Das Prüfsystem wurde mittlerweile vom Kunden abgenommen.


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Weitere Einsatzgebiete


„Die direkte Generierung von Prüfmustern aus den Daten der vom Kunden verwendeten 3D-CAD-Software lässt sich natürlich auch in anderen Bereichen anwenden“, verrät L. Blass. Ein weites Anwendungsgebiet sind beispielsweise Druckverfahren wie der Tampondruck, mit dessen Hilfe die Oberfläche vieler hochwertiger Produkte wie beispielsweise Tagesringe von Uhren, Insulinspritzen, Maschinen, Geschirr oder Schraubverschlüsse veredelt wird. Da der zur Übertragung der Druckfarbe eingesetzte Tampon elastisch ist, können vielfältige Fehler wie partielles Fehlen von Farbe, Versatz, Verzerrungen etc. auftreten, die im Rahmen der Qualitätskontrolle erkannt werden müssen. Auch hier bewährt sich das bereits beschriebene Verfahren, die Vergleichsmuster für die automatisierte optische Qualitätskontrolle direkt aus den CAD-Daten generieren und als DXF-Datei in das QS-System zu übertragen. Damit sowie mit der Vernetzung mit weiteren Datenbanken vollzieht man gleichzeitig einen wichtigen Schritt in Richtung Industrie 4.0

 

Autor: Klaus Vollrath


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