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Vision Systeme kontrollieren intelligente Sitzkomponenten

Keiper Automotive factory image processing using cognex

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Vision Systeme kontrollieren intelligente SitzkomponentenSicher und bequem Sitzen
Die ideale Sitzposition im Fahrzeug ist nicht nur eine Sache der Bequemlichkeit sondern auch notwendiger Sicherheit. Optimale Verstellmöglichkeiten des Sitzes sind deshalb von zentraler Bedeutung. Die präzise Qualitätskontrolle der Einstellkomponenten ist unabdingbar.


In der Entwicklung und Produktion der Unternehmensgruppe KEIPER GmbH & Co dreht sich alles um die „Materie Sitz“. Als bedeutender weltweiter Zulieferer für die Automobilindustrie liefert die Firma intelligente Sitzkomponenten und –strukturen aus Metall. Eine optimale Sitzposition im Fahrzeug ist das ausgeklügelte Zusammenspiel von vielen Aspekten des Komforts und der strikten Berücksichtigung als sicherheitsrelevante Baugruppe. Dabei spielt im gesamten Unternehmen die Qualitätskontrolle mittels Bildverarbeitung in den Fertigungslinien eine wichtige Rolle.

Variantenvielfalt sicher im Griff

Für die rationelle und sichere Montage von Sitzverstellkomponenten suchten die Verantwortlichen im Keiper Werk Kaiserslautern nach neuen Lösungsansätzen die Anwesenheits- und Variantenkontrolle von Bauteilen auf dem Werkzeugträger flexibler und gleichzeitig sicherer zu gestalten. Früher arbeitete man mit mechanischen Kontrollsystemen, die mit einigen Sensortastern in Form von Stiften ausgestattet waren. Diese aufwendigen Lösungen mit einem „Wald von Stiften“ mussten durch modernere und effektivere Methoden der industriellen Bildverarbeitung ersetzt werden. In verschiedenen Produktionsbereichen dieses Unternehmens arbeitet man bereits erfolgreich mit Systemen der Bildverarbeitung und auch diese neue Aufgabe sollte mit Bildverarbeitung gelöst werden.

Für die neuen Aufgaben der Qualitätskontrolle von Werkstückträgern, nach der Bestückungsstation in der Fertigungslinie 8, gab es aber eine ganze Reihe von Schwierigkeiten in der praktischen Umsetzung zu bewältigen. Die vielen unterschiedlichen Teilevarianten stellen hohe Anforderungen an das Bildverarbeitungssystem. Von den vielen verschiedenen Produkten müssen pro Fertigungslinie rund 20 verschiedene Teiletypen absolut sicher erkannt und die Bauteile auf Vollständigkeit und richtige Lage auf dem Werkstückträger kontrolliert werden. Erschwerend kommt unter anderem hinzu, dass die einzelnen Teile einer Variante zwar in den Abmessungen und der Formgebung identisch sind, sich aber dennoch optisch ganz unterschiedlich präsentieren. Je nach Lieferant, hausintern oder durch Zulieferer, können die Teile ganz unterschiedliche Farben aufweisen. Je nach Wärmebehandlung der meist gehärteten Teile, oder auch durch noch vorhandene Ölfilme auf der Oberfläche, liegen gänzlich unterschiedliche Gegebenheiten vor. Die einen Teile sind rabenschwarz und die anderen sind metallisch glänzend, oder sie weisen diese extremen Kontraste unter Umständen auf nur einem Bauteil auf. Da hilft es auch nicht, wenn man die Prüfaufgabe mittels eines hellen oder dunklen Hintergrundes bewältigen will.

Über einen Zulieferer - der selbst mit Bildverarbeitung in der Qualitätskontrolle arbeitet - erhielt man die Empfehlung zum Hersteller von BV-Komponenten, der Cognex Corporation und dessen Partner System Integrator (PSI), das Systemhaus Octum electronic GmbH aus Obersulm-Willsbach.

Benötigt wurde eine Systemtechnologie die einerseits mit einfacher Implementierung den Anwendungsbereich zuverlässig abdeckt und andererseits eine anspruchslose Bedienung und Programmierung gewährleistet. Nach der Angebotseinholung verschiedener Anbieter und der zügig durchgeführten und überzeugenden Vision-Machbarkeitsstudie von Octum - auf Basis der neuesten Vision-Sensoren In-Sight® - vergab Keiper den Auftrag an dieses Unternehmen. Die Erstellung der kompletten schlüsselfertigen Systemlösung und Implementierung erfolgte in nur 6 Wochen. Die Anlage wurde an einem produktionsfreien Wochenende in Betrieb genommen und musste mit Fertigungsaufnahme fehlerfrei arbeiten. Die erste Kontrollstation wurde im Juni 2006 installiert und versieht seitdem zuverlässig seinen dreischichtigen Dienst auch am Wochenende. Auf Grund der guten Ergebnisse und Erfahrungen dieser Anlage wurde bereits im Februar 2007 eine weitere Prüfzelle mit gleichem Aufgabenspektrum im Werk Kaiserslautern integriert. In dieser Zeit hat sich die von Octum für Keiper erstellte kundenspezifische Bedienoberfläche bestens bewährt, da das Maschinen- und Instandhaltungspersonal auf besonders einfache Weise Programmierungen durch parametrieren vornehmen können.

Sichere Algorithmen kombiniert mit höchster Bildauflösung

Innerhalb einer Taktrate von rund 4 Sekunden liegen die Hauptaufgaben der Bildverarbeitung in der absolut sicheren Variantenunterscheidung der Bauteile. Nach der manuellen Bestückung am Fliessband wird kontrolliert, dass nur die richtigen Bauteile auf dem Werkstückträger vorhanden, vollzählig und korrekt eingelegt sind. Der Einsatz des Vision-Sensor In-Sight 5403 erwies sich in vielerlei Hinsicht als besonders vorteilhaft. Als autark arbeitende Bildverarbeitungseinheit verfügt dieser Vision-Sensor über ein Bildfeld von 2 Megapixeln (1600 x 1200). Die große Bildauflösung ermöglicht auch für größere Bauteile die hohe Präzision in der Teilevermessung und letztendlich mehr Flexibilität in der Produktionsgestaltung. Als autarke Einheit mit integrierter Ethernet Schnittstelle kann der Vision-Sensor direkt mit der Fertigungssteuerung kommunizieren. Gegenüber einem PC-basierten Bildverarbeitungssystem mit hochauflösender Kamera erwies sich die Lösung mit In-Sight als die deutlich wirtschaftlichere Alternative. Von Bedeutung in der Entscheidung für diese Vision-Sensoren war auch das positive Image von Cognex. Als international bekannter Vision-Anbieter war damit eine günstigere Akzeptanz in der betriebsinternen Abwicklung mit der Einkaufsabteilung gegeben. Wichtiger Aspekt bei der Entscheidung für Komponenten in Hard- und Software von Cognex war die Thematik der Standardisierung.

Dazu bemerkt Markus Röder, mitverantwortlich für diese Vision-Entscheidung bei Keiper: „Eine einheitliche Wissensbasis über die Komponenten ist für unser Unternehmen ein gewichtiger Faktor. Das vereinfacht die gesamte Handhabung - in Bedienung,  Programmierung, Personalschulung, Ersatzteilhaltung und Wartung - durch Einheitlichkeit.“ Aus Gründen der Produktionssicherheit muss man in der Lage sein im Falle von Störungen sofort zu reagieren. Deshalb bietet eine Standardisierung in der Bildverarbeitung viele Vorteile, die sich langfristig auf die ganze Unternehmensgruppe und deren internationales Fertigungsnetzwerk auswirkt.

Von großem Vorteil erwiesen sich die äußerst zuverlässig arbeitenden Algorithmen der Bildverarbeitung, die auch mit schwierigen Bedingungen fertig werden. Die Visiontools des  ursprünglich für PC-basierte Visionsysteme entwickelten mächtigen Vision-Softwarepaketes ‚PatMax’ von Cognex sind inzwischen auf die neue Produktfamilie der Vision-Sensoren In-Sight 5400 implementiert. Im Gegensatz zur allgemeinen Grauwertkorrelation arbeitet PatMax mit den  geometrischen Grundstrukturen von Objekten (ähnlich der CAD Konstruktion). 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. Durch gleichzeitige Untersuchung von Kontur und Struktur des Objektbildes werden wechselnde Beleuchtungs- und Kontrastverhältnisse eliminiert. Das Visiontool ist damit invariant gegenüber Lage, Orientierung und Maßstabsveränderung des Objektes.

Dadurch ist es auch unproblematisch für die ganze Merkmalsfindung der Bauteile, wenn sie auf dem Werkstückträger nicht exakt positioniert sind, sondern bewusst ein entsprechendes Spiel aufweisen. Das ist erforderlich, weil die Teile im Anschluss zusammengepresst und mit einem Kondensator-Schweißverfahren verbunden werden. Da ist etwas Luft prozessbedingt notwendig.

Flexibilität beschleunigt den Fertigungsfluss

Die sichere Merkmalsfindung und direkte Einbindung der Vision-Sensoren In-Sight über die Ethernet-Schnittstelle in die Fertigungssteuerung bietet viele weitere Vorteile. Bei den einzelnen Bauteilvarianten gibt es wiederum kleine Unterschiede, ob nun linke oder rechte Beschlagseite des Sitzes. Dabei kann es dazu kommen, dass zwar die richtigen Teile vom Personal eingelegt wurden, aber an der falschen Seite. Eine derartige Problematik erkennen aber die sicher arbeitenden Visiontools in ihrer exakten Merkmalsfindung. Der In-Sight 5403 erkennt die Existenz des richtigen  Teiles auf dem Werkstückträger, aber statt dem linken Beschlag einen rechten Beschlag. Dann wird dieses Ergebnis ausgelesen und an die Fertigungssteuerung übertragen. Der mitlaufende Datenträger am Werkstückträger wird mit den korrigierten neuen Daten überschrieben. Damit ist es der richtige Typ, aber die rechte Seite. Durch diese ausgesprochen flexible Handhabbarkeit ist keine Unterbrechung des Fertigungsflusses erforderlich.

Diese ausgeprägt prozessorientierte Arbeitweise ist letztlich auch ein Beitrag vom Systemintegrator Octum. Hier zeigt sich, dass kompetente Beratung mit fachspezifischem Know-how und Erfahrung entscheidende Beiträge zu einer effektiveren und kostengünstigeren Produktion liefern. Die Zielvorgaben bezüglich der Amortisation von Investitionen in der Fertigung liegen bei Keiper unter einem Jahr. Dementsprechend kann man auch das Effektivitätsergebnis dieser Visionanwendung einschätzen.



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