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Perfekte Qualitätssicherung für Automobilzulieferer

In-Sight vision systemsinspection solution of fuel injectors

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Die industrielle Bildverarbeitung ist von zunehmender zentraler Bedeutung im gesamten Bereich der Qualitätssicherung und Prozessoptimierung. Flexibilität, Wirtschaftlichkeit und höchste Zuverlässigkeit der Kontrollsysteme sind die Anforderungen der Automobilzulieferer. 

Die sehr harten Marktbedingungen in der Automotivbranche bedingen ein konsequentes Qualitätsmanagement in der gesamten Wertschöpfungskette. Die Palette von Anwendungen der Bildverarbeitung reicht von einfachen Kontrollfunktionen bis hin zu sehr komplexen Aufgabenstellungen. Besonders anspruchsvolle Projekte der Qualitätssicherung sind aber oft  Herausforderungen sowohl an die Anbieter von Systemkomponenten der Bildverarbeitung als auch deren Systemintegratoren. Mit einer ganzen Kette von effektiven Konzepten und leistungsstarken Systemkomponenten der Bildverarbeitung meisterte die Firma Fuetec GmbH eine besonders anspruchsvolle Aufgabe der Qualitätssicherung. 

Schlüssige komplette Systemlösung

Die Kraftstoff-Injektoren für Automobilmotoren sind Bauteile mit sehr hohen Ansprüchen an die Präzision in der Fertigung. Dementsprechend muss auch die vollautomatisierte Qualitätskontrolle mit höchster Präzision und absoluter Zuverlässigkeit arbeiten. Die Kontrolle dieses Massenproduktes mit hoher Wirtschaftlichkeit zu erreichen, ist nur möglich, wenn die Sichtprüfzelle bei hohen Durchsatzraten gleichzeitig eine extreme Zuverlässigkeit an Prüfpräzision und Flexibilität für die unterschiedlichen Motortypen gewährleistet.
Mit dieser Problematik beschäftigten sich die Ingenieure eines bedeutenden Automobilzulieferers für Kraftstoff - Injektoren in Homburg. Entsprechend einem detaillierten Pflichtenheft galt es eine ganze Reihe von Objektmerkmalen der unterschiedlichen Kraftstoff - Injektoren absolut sicher zu detektieren. Hinzu kommt die Einbindung in ein Qualitätsmanagement mit vollständiger Produktrückverfolgbarkeit durch die Teileidentifikation mittels Data-Matrix-Code. An die Funktionssicherheit der Sichtprüfzelle wurden ebenfalls sehr hohe Ansprüche gestellt, denn es galt den dreischichtigen Betrieb einschließlich des Wochenendes verlässlich zu gewährleisten. Das bedingt die Funktionssicherheit auf höchstem Niveau und ein Stück Vertrauensvorschuss in den Systemintegrator, der durch sein Bildverarbeitungs-Know-how und seine Kompetenz in der Entwicklung kompletter Automatisierungssysteme überzeugen musste.

Für die Aufgabe einer neuen vollautomatischen Sichtprüfzelle, mit einer ganzen Kette von komplexen Anforderungen, wurden Angebote verschiedener Systemintegratoren der Bildverarbeitung eingeholt. Das schlüssige Lösungskonzept der Firma Fuetec GmbH, in Merchweiler, und die Demonstration der Machbarkeit mit Berücksichtigung fast aller gestellten Anforderungen überzeugten die Fachleute des Automobilzulieferers. Die Installation der ersten Sichtprüfzelle der zweiten Generation erfolgte im März 2006 und inzwischen sind zwei Sichtprüfzellen in Betrieb. Eine weitere Ausbaustufe ist im Oktober 2007 in Arbeit.
Die komplette Systemlösung ist modular in Hard- und Software aufgebaut. Die Sichtprüfzelle ist bezüglich der Bildverarbeitungskomponenten auf Basis der Vision-Sensoren aus der Produktfamilie In-Sight 5100, 5110 und 5403 von Cognex ausgestattet. Weil diese autarken Bildverarbeitungssysteme inzwischen mit ihrer Leistungsfähigkeit im Aufgabenbereich bislang PC-basierter Systeme eingesetzt werden können, bezeichnet sie der Hersteller nur noch als Visionsysteme In-Sight. Fünf verschiedene Visionsysteme In-Sight übernehmen in der Sichtprüfzelle ganz unterschiedliche Jobs innerhalb der Gesamtaufgabe. Das betrifft beispielsweise den Einsatz des In-Sight 5403 mit 2 Megapixel für höchste Bildauflösung, oder den In-Sight 5110 zum verifizieren und lesen der Data-Matrix-Codes. Im Gegensatz zu einer rein PC-basierten Lösung wird damit letztlich eine größere Funktionssicherheit erzielt, weil die einzelnen autark arbeitenden In-Sight sofort 1:1 ausgetauscht werden können. Im seltenen Fall von Funktionsproblemen kann man dadurch sehr schnell auf Störungen reagieren.
Die in der Prüfzelle installierten 5 In-Sight sind alle auf speziellen Präzisionsmechaniken der Fa. Junker und Partner befestigt. Das ermöglicht jederzeit die Anpassung an neue Aufgaben mit minimierter Rüstzeit. Nach dem Aus- und Einbau eines In-Sight ergibt sich nur eine Differenz von nicht mehr als 1/10 mm. Damit wird das Nachteachen in der BV-Programmierung auf minimalen Aufwand reduziert.

Automatische Kontrolle höchster Präzision 

Heute durchlaufen rund 32 unterschiedliche Typen von Einspritzdüsen die beiden vollautomatischen Kontrollstationen mit jeweils 5 In-Sight und den spezifischen Beleuchtungen. Innerhalb einer halben Sekunde werden insgesamt etwa 25 verschiedene Merkmale detektiert und die Ergebnisdaten direkt über die integrierten Ethernetschnittstellen an den zentralen Steuerungsserver weiter geleitet. Innerhalb einer Taktrate von etwa 11 Sekunden werden die Teile durch die Kontrollstation geführt. Pro Schicht sind das 1500 bis 3000 Teile, und das im Dreischichtbetrieb einschließlich von Wochenenden. Die direkte Integration der Prüfanlage in die Fertigungslinie ermöglicht die Teilefertigung ohne sonst übliche Pufferstrecken. Das ist nicht nur ein wirtschaftlicher Faktor, sondern das verhindert auch typische Fehlerquellen durch Puffer, wie beispielsweise Verwechslungen.

Die Qualitätskontrolle umfasst: 

Die zuverlässige Kontrolle der exakt geformten Rille an der Düsenspannmutter. Bei einer niedrigen Kamera-Bildauflösung erscheint die Kante verschmiert und liefert ungenaue Ergebnisse. Mit der hohen Auflösung von 2 Megapixeln des In-Sight 5403 erzielt man absolut zuverlässige Ergebnisse. Durch eine eigene Kantendefinition konnte die Toleranz-Bandbreite zusätzlich eingegrenzt werden. Weitere Kontrollen betreffen die Winkellage der Stromanschlüsse mit einer Genauigkeit von 0,5 Grad, korrekter Sitz der Schutzkappe, der Kupferdichtscheibe und die Anwesenheit der richtigen  Düsenspannmutter. Mit entscheidend für die Auftragsvergabe an die Firma Fuetec waren auch die außerordentlich genau und sicher arbeitenden Bildverarbeitungsalgorithmen und Vision-Tools von Cognex. Die Visionsysteme In-Sight sind mit dem geometrieorientierten leistungsstarken Bildverarbeitungspaket PatMax ausgestattet. Auch die schwierige Aufgabe der absolut zuverlässigen Verifizierung und das sichere Lesen der Data-Matrix-Codes hat man mit der Lesesoftware IDMaxTM, welche selbst Verzerrungen toleriert und auch schwierigste Kontraste bewältigt, in den Griff bekommen. Obwohl hier erschwerende Prüfbedingungen durch einen dünnen Ölfilm gegeben sind, was zu problematischen Spiegelungen auf dem Code führt.
Die mit der (DPM-) Direct-Part-Mark-Methode auf dem Metall durch Laser dauerhaft aufgebrachten nur 4,5 x 4,5 mm großen Data-Matrix-Codes werden trotz Ölfilmproblematik dennoch mit extremer Zuverlässigkeit verifiziert. Für eine hundertprozentige Beschriftungsqualität ist immer ein ‚Read after Write’ notwendig. Die Fähigkeit der Verifikation ist die Kontrolle der Code-Qualität mittels leistungsstarken Algorithmen der Bildverarbeitung, mit erheblich höheren Anforderungen als das reine Lesen von Codes. Die dabei erfüllte AIM Norm gewährleistet konsistente Ergebnisse bei der Verifizierung der Codequalität. Die Auflage für die Sichtprüfzelle betraf auch die Erzielung einer extrem hohe Leserate. Je näher man dem Idealwert von 100 % kommt, desto wirtschaftlicher macht sich dies bemerkbar. Bei den hohen Stückzahlen und den teuren Teilen ergibt sich bei einer Differenz bezüglich der Leserrate von 98,8 zu 100% ein nicht unbedeutendes Kostenergebnis. Hier konnte man sich dem Idealwert in herausragender Weise nähern. Mittels der Data-Matrix-Codes wird auch eine vollständige Rückverfolgbarkeit der gefertigten Teile gewährleistet. Dementsprechend ist die Prüfzelle auch vollkommen in das Qualitätsmanagement des Unternehmens eingebunden. Dazu zählt auch der Onlinezugriff und –eingriff in die Programmierung der installierten In-Sights in der Prüfzelle. Dies ist aber nur für speziell dafür autorisierte Fertigungsleiter möglich. Das Bedienpersonal in der Fertigung hat keinen Zugriff in die Programmierung. Von großem Vorteil erwies sich dabei die Entwicklungsumgebung In-Sight Explorer, die sowohl eine äußerst komfortable Bedieneroberfläche für die Programmierung der Bildverarbeitungsaufgaben ermöglicht, als auch die Einbindung des In-Sight Netzwerkes in die Prozesssteuerung und Unternehmenskommunikation. Für den Automobilzulieferer ergaben das Konzept und die Struktur dieser kompletten Vision-Lösung, aus einer Hand und Verantwortlichkeit, zusätzlich den Vorteil einer Standardisierung in den Komponenten, sowohl in der Hardware als auch in der Software. Die Ersatzteilhaltung wird damit erheblich vereinfacht, die Reaktionsfähigkeit entscheidend verbessert und die Kosten gemindert.  Cognex: www.cognex.net 

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