IPF Electronic Sensorbasiertes Prüfsystem misst Präzisionsteile automatisch

Autor / Redakteur: Tobias Marzin / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Ein Hersteller von Präzisionsdrehteilen für die Automobilindustrie benötigte zur 100 %-Prüfung des Rundlaufs der Spitzen von Stiften mit einem Durchmesser von 3 mm eine automatisiert arbeitende Prüfanlage. Ein sensorbasiertes Prüfsystem löste die Aufgabe.

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Diese Anlage prüft automatisch den exakten Rundlauf der Spitze von Stiften für den Einsatz in Kfz.
Diese Anlage prüft automatisch den exakten Rundlauf der Spitze von Stiften für den Einsatz in Kfz.
(Bild: IPF Electronic)

Zulieferer für die Automobilindustrie müssen hohe Qualitätsmaßstäbe erfüllen, deshalb ist eine 100 %-Prüfung von gefertigten Teilen oftmals unverzichtbar. Um den exakten Rundlauf der Spitze von gehärteten Stiften für den Einsatz in Kfz sicherzustellen, nutzt ein Unternehmen aus Thüringen ein automatisiertes Prüfsystem. Eine Sensorlösung von IPF Electronic spielt dabei eine entscheidende Rolle. Bei der Präzisionsdrehteile Barchfeld GmbH ist die Firmierung Programm, denn das mittelständische Unternehmen mit Sitz in Barchfeld-Immelborn produziert ausnahmslos Drehteile in hoher Präzision. „Wir sind eine Dreherei mit Automatenfertigung, wobei sich die Losgrößen von kleinen Stückzahlen bis hin zu Großserien bewegen. Bearbeitet werden ausnahmslos zerspanbare Materialien, wobei der Arbeitsbereich bei einem Werkstückdurchmesser von 2 mm anfängt und bis 42 mm reicht. Zu unseren Kunden gehören unter anderem Systemlieferanten der Automobilindustrie als auch aus den Bereichen Sensor-, Mess- und Regeltechnik sowie Medizintechnik“, erklärt Michael Grobe, Geschäftsführer des Unternehmens.

Kleine Toleranzen führen zu exaktem Rundlauf

Für einen Systemlieferanten fertigt Präzisionsdrehteile Barchfeld auch Metallstifte für den Einsatz in Kfz. Die messende Spitze dieser Stifte, die einen Durchmesser von nur 3 mm hat, muss nach dem Härten und Schleifen in einem engen Toleranzband bis maximal 0,06 mm einen exakten Rundlauf aufweisen. „Mit Blick auf eine hohe Qualität des Produktes ist daher eine durchgängige Prüfung aller Fertigteile unumgänglich. Aus diesem Grunde beauftragten wir ein Ingenieurbüro, eine Lösung zur vollautomatischen Rundlaufprüfung der Stiftspitze zu entwickeln“, erklärt Grobe.

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Eine Aufgabe für Konstruktion & Musterbau Wohlgemuth, denn das Ingenieurbüro aus Markkleeberg in der Nähe von Leipzig ist auf die Entwicklung und Fertigung von Sondermaschinen für unterschiedliche Industriezweige sowie Zulieferer aus den Bereichen Elektronik, Lebensmittel und Automotive spezialisiert.

Einfach integrierbare Lösung für anspruchsvolle Prüfaufgaben gesucht

Uwe Wohlgemuth, Juniorchef des Unternehmens: „Im Zuge der Entwicklung der Prüfanlage für Präzisionsdrehteile Barchfeld benötigten wir eine Sensorlösung, die sich einfach in ein vollautomatisches System integrieren ließ, mit Blick auf kurze Taktzeiten schnell sein musste und letztendlich in der Lage sein sollte, die anspruchsvolle Prüfaufgabe mit hoher Präzision zu erfüllen. Da wir bei der Entwicklung solcher Lösungen auch in Kontakt mit IPF Electronic sind, bekamen wir von dem Sensorspezialisten den Rat, für die genannte Aufgabe einen Zeilensensor zu verwenden.“

Die Objektkante im Fokus

Zeilensensoren von IPF Electronic eignen sich vor allem für eine präzise Teilepositionierung oder zur genauen Ermittlung von Objektabmessungen. Im Hinblick auf eine hohe Einsatzflexibilität werden die Sensoren als tastende Systeme (Reflexzeilensensoren) und Sender-Empfänger-Systeme (Laserzeilensensoren) angeboten, wobei letztgenannte auch als Gabelvarianten zur Verfügung stehen. Warum ein solches Gabelsystem, genauer der Zeilensensor PG400140, für die automatische Prüfanlage besonders geeignet ist, wird deutlich, wenn man sich den Aufbau und die Funktion dieser Geräte genauer anschaut.

Der Empfänger besteht aus einem CCD-Zeilendetektor mit eng beieinander angeordneten Empfangselementen beziehungsweise Pixeln. Der Sender wiederum erzeugt einen linienförmigen homogenen Laserlichtstrahl. Befindet sich ein Objekt im Licht­strahl des Sensorsystems, wird das Schattenbild auf den einzelnen Pixeln der CCD-Zeile des Empfängers abgebildet. Weil der Abstand der Pixel zueinander auf der jeweiligen CCD-Zeile bekannt ist, lässt sich zum Beispiel die Größe des erzeugten Schattenbereichs und damit der Durchmesser eines Messobjektes ermitteln.

Parametrierung erfolgt über intelligente Software

Parametriert werden die Zeilensensoren über eine entsprechende Software, die es unter anderem ermöglicht, eine Belichtungskurve der CCD-Zeile darzustellen, in der die Helligkeitsinformation jedes einzelnen Pixels der Zeile wiedergegeben wird. Der Anwender erkennt anhand dieser Kurve somit sofort, ob und wo Bereiche des CCD-Zeilendetektors durch ein Objekt abgeschattet werden. Dieses sogenannte Videosignal lässt sich je nach Messaufgabe über verschiedenste Betriebsarten wie „Left-Edge“, „Right-Edge“, „Center“ und „Width“ auswerten. Hierzu wird die Auswertebetriebsart über die Parametrier-Software definiert und an den Zeilensensor übertragen. Nach der Parame­trierung arbeiten die Sensorsysteme dann autonom ohne PC-Anbindung.

Automatisierte Zuführung in das Prüfsystem

Der in der Prüfanlage für Präzisionsdrehteile Barch­feld integrierte Zeilensensor hat eine 6 mm × 1 mm große Rotlicht-Laserlinie als Sendeelement, während die aktive Sensorfläche aus einem CCD-Zeilendetektor mit 512 Pixeln besteht. Die Auflösung des Sensorsystems beträgt typisch 2 μm. Uwe Wohlgemuth erläutert die Funktionsweise der Anlage: „Aus einem Vorratsbunker werden die Stifte zunächst an einen Wendelförderer übergeben, um die Teile längsgerichtet einer linearen Förderstrecke mit einem Teilepuffer zuzuführen. Weil die Teile in diesem Anlagenbereich für eine Prüfung der Stiftspitze noch nicht lagerichtig angeordnet sind, werden sie nach dem Puffer in einer Drehstation ausgerichtet und gelangen von dort direkt in die Prüfstation.“

Jeder Stift vollzieht in dieser Station eine eineinhalbmalige Umdrehung, um zweifelsfreie Prüfergebnisse zu erhalten. Der Rundlauf der Stiftspitze wird anhand der Durchbiegung der Stifte kontrolliert, wobei die Prüfung in der Auswertebetriebsart „Center“ erfolgt.

Individuelle Kontrolle jedes Prüflings ist notwendig

Über diese Betriebsart wird die Mittenposition des Schattenwurfs bestimmt, den ein Bauteil (hier die Stiftspitze) im Messsystem erzeugt. Ergänzend hierzu wird der Auswertemodus „Min-Max“ verwendet, der über einen Messzyklus die absolute Bewegung der Bauteilmitte innerhalb des Zeilensystems ermittelt. Im konkreten Fall bedeutet das: Weist die Stiftspitze bedingt durch eine Verbiegung bei einer Drehbewegung einen sogenannten Höhenschlag auf, verändert sich auch die Position der Bauteilmitte während dieser Drehung. Diese Positionsveränderung wird aufgezeichnet, wobei das Sensorsystem die jeweiligen Extremwerte in beiden Auslenkungsrichtungen (Min und Max) speichert. Die aus diesen Werten permanent ermittelte Differenz entspricht dem Höhenschlag des aktuell geprüften Bauteils und wird in ein Analogsignal zur Verarbeitung in der SPS der Prüfanlage umgewandelt, um NIO- von IO-Teilen zu separieren.

Um bei jedem einzelnen Stift neue Min/Max-Werte zur Bewertung des Rundlaufs heranziehen zu können, werden die Grenzwerte nach einer abgeschlossenen Prüfung jeweils zurückgesetzt. Dies geschieht über einen externen Eingang am System, der nach dem Zuführen eines neuen Stifts in die Prüfstation kurzzeitig mit 24 V beaufschlagt wird.

Integrierte „Signalverstärkung“

Wie bereits erwähnt, hat das in der automatisierten Prüfanlage verwendete Sensorsystem PG400140 eine Messbereichsbreite von 6 mm. Diese Messbreite ist somit doppelt so groß, wie der Bauteildurchmesser und sehr viel größer, als der zu erwartende Höhenschlag der Stiftspitze. Der Vorteil: Um sicherzustellen, dass die Stiftspitze in den Lichtstrahl ragt, muss das System nicht so exakt positioniert werden. Der Nachteil: Für die SPS stehen nur kleine, aus dem Höhenschlag resultierende Analogsignale zur Auswertung bereit. Dieses Problem löst das System mit einer integrierten Zoomfunktion, die beim Analogausgang kleine Veränderungen der Bauteillage in große Signalauslenkungen umsetzt.

Durchgängige Qualitätskontrolle im Schnelldurchlauf

„Der eigentliche Prüfvorgang pro Stift benötigt lediglich Zehntelsekunden“, erklärt Wohlgemuth. Unter Berücksichtigung der mechanischen Komponenten für die Ein- und Ausschleusung der Stifte im Bereich der Prüfstation werden somit Taktzeiten von 2,5 s pro Prüfling erreicht. Ein Ergebnis, das Michael Grobe von Präzisionsdrehteile Barchfeld überzeugt hat: „Wir haben die Anlage seit Längerem im Einsatz und können seither eine lückenlose Qualitätskontrolle realisieren, wobei wir pro Stunde rund 1400 gehärtete Stifte prüfen.“

* Tobias Marzin ist Applikationsspezialist bei der IPF Electronic GmbH in 01734 Rabenau

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