Die Piston Group mit Sitz in Redford, Michigan, produziert Kühlmodule für sieben verschiedene Fahrzeugmodelle. Diese Kühlmodule werden auf fünf verschiedenen Montagelinien gefertigt, wobei auf jeder Linie mehr als 50 unterschiedliche Ausführungsformen je nach Kundenbedarf produziert werden. Jedes Modul erfordert zahlreiche Prüfungen, wie etwa die Verifizierung der jeweiligen Ausführungsform, die Überprüfung der elektrischen Anschlüsse und sämtlicher Abmessungen. Früher wurden diese Prüfungen in einer automatischen Prüfstation durchgeführt, die mit mehreren pneumatisch betriebenen Prüfträgern ausgestattet war, die wiederum über lineare Fühler, Vision-Systeme und vielfältigste Sensoren verfügten, um die einzelnen Komponenten zu prüfen. Das Problem bei diesem Ansatz bestand darin, dass jede einzelne Folie mehr als 15.000 US-Dollar kostete und die Folie jedes Mal ersetzt werden musste, wenn sich die entsprechenden Teilespezifikationen oder das Design änderten.
Hätte man die Prüfträger auf herkömmliche Weise durch Bildverarbeitungssysteme ersetzt, wären 30 unterschiedliche, stationäre Kameras mit jeweils spezifischen Beleuchtungsanforderungen notwendig gewesen. Die Piston Group entwickelte eine wesentlich kostengünstigere und flexiblere Lösung, indem sie ein einzelnes Cognex In-Sight® Bildverarbeitungssystem auf einem Fanuc®-Roboter montierte. Der Roboter bringt das Vision-System in die jeweils richtige Position, um die 30 Bilder und mehr in weniger als 45 Sekunden aufzunehmen und so das Modul vollständig zu prüfen. Das In-Sight Vision-System kann innerhalb weniger Stunden auf die Prüfung geänderter Ausführungsformen umprogrammiert werden. Mit dem neuen Prüfsystem konnte eine deutliche Qualitätsverbesserung erzielt werden, da mehr Punkte mit noch höherer Präzision geprüft werden, gleichzeitig wurden die Anschaffungskosten um 40% und die Umrüstkosten um 80% reduziert.
Die Piston Group liefert folgegebundene und nicht-folgegebundene Bauteile für komplexe modulare Einheiten. Das Unternehmen baut Module, angefangen von Kühlsystemen, Radaufhängungen und Fahrgestellen, bis hin zu Innensystemen und Antriebssystemen. Das in dieser Anwendung hergestellte Kühlmodul umfasst im Wesentlichen alle Komponenten zwischen Motor und Frontstoßstange: Kühlerhalterung, Kühler, elektrischer Lüfter, Klimakondensator, Servolenkungs- und Getriebekühler, Behälter, Schläuche, Kabelbäume und viele weitere Kleinteile. Die Module werden in vielen verschiedenen Ausführungsformen gebaut. Zum Beispiel gibt es auf den meisten Linien über 20 verschiedene Kabelstränge, die je nach Model und kundenspezifischen Optionen verwendet werden. Der Kunde schickt der Piston Group täglich eine Mitteilung mit den Angaben für die gewünschten Modulausführungen und deren Bauabfolge.
Anspruchsvolle Qualitätsanforderungen
Die Qualitätsanforderungen an die Module sind anspruchsvoll. Erstens muss jedes Modul für das jeweilige Fahrzeug, in das es eingebaut wird, richtig konfiguriert werden, mit den entsprechenden Kabelsträngen und anderen Komponenten. Zweitens müssen viele Komponenten mit nur sehr geringen Messtoleranzen eingebaut werden. Manche Schläuche und Halterungen müssen auf 1 mm genau montiert werden. Alle elektrischen Verbindungen müssen fest verankert und angeschlossen sein.
Früher wurden viele dieser Prüfungen in einer Prüfstation mit mechanischen Fühlern, die auf Prüfträgern befestigt waren, ausgeführt. Dazu musste für jede Dimension, die zu prüfen war, ein eigener Prüfträger entworfen und gebaut werden. Bei jeder Änderung der Dimension musste der Prüfträger umgebaut oder durch eine neue Ausführung ersetzt werden. Die Umrüstung auf ein völlig neues Fahrzeugmodell erforderte eine etwa zweiwöchige Stillstandszeit, um die gesamte Prüfstation anzupassen. Vor dem Modellwechsel fertigte das Unternehmen kleine Mengen an neuen Vorserien-Modellteilen, die manuell geprüft werden mussten, da der Wechsel der Station noch nicht abgeschlossen war.
„Jedes Mal, wenn der Kunde eine technische Änderung vornahm, kostete das mindestens 15.000 $“, so Kevin Miller, Leiter der Fertigungstechnik bei der Piston Group. „Wir wollten ein flexibles Vision-System implementieren, um Kosten und Umrüstzeiten zu reduzieren. Außerdem wollten wir den Anteil manueller Prüfungen verringern, um die Qualität zu steigern. Normal ist es üblich, eine Kamera pro Prüfpunkt zu verwenden. Dies hätte jedoch viel zu viel Platz an der bestehenden Anlage erfordert und es wäre zu teuer gewesen.“
Verwendung eines einzigen Bildverarbeitungssystems für mehrere Prüfungen
Traditionell wurden für jeden Prüfpunkt separate Kameras verwendet, da jeder Punkt in der Regel eine sehr spezifische Beleuchtung und Kamerafokussierung erfordert, um die erforderliche Genauigkeit zu erreichen. Auch die Kamerageschwindigkeit war zu berücksichtigen, wenn man bedenkt, dass eine einzige Kamera mehrere Bilder innerhalb eines einzigen Zyklus aufzunehmen hat. Aber dank der Weiterentwicklung der Vision-System-Technologie von Cognex ist es möglich, dass eine einzige robotergeführte Kamera eine Vielzahl von Punkten bei einem äußerst hohen Präzisionsgrad prüft.
„Wir haben mit der Vision & Traceability Group von McNaughton McKay Electric zusammengearbeitet, um die geeignete Kamera für diese Anwendung zu ermitteln“, erklärte Patrick O’Dell, Steuerungsingenieur bei The Piston Group. „Wir entschieden uns für Cognex, weil deren Vision-Systeme über all jene Tools verfügen, die benötigt werden, um die vielen verschiedenen Punkte bei dieser Anwendung zu prüfen. Darüber hinaus sorgt das geometrische Mustererkennungstool PatMax® von Cognex für eine erhebliche Verbesserung der Genauigkeit, indem es die Position des Teils präzise bestimmt. Ein einziges Cognex In-Sight Bildverarbeitungssystem erfüllte die Anforderungen dieser Anwendung, indem es mehr als 30 sehr unterschiedliche Merkmale an vielen verschiedenen Stellen in weniger als 45 Sekunden präzise prüfte. Im gesamten Werk verwenden wir diese Kamera für über 90 verschiedene Prüfungen.“
Programmierung des Bildverarbeitungssystems
O’Dell programmierte die Prüfanwendung mit der In-Sight Software von Cognex, die eine Tabellenkalkulations-Programmierschnittstelle verwendet. „Die Spreadsheet-Benutzeroberfläche bietet höchste Programmierflexibilität“, so O’Dell. „Man hat Zugang zu jedem nur vorstellbaren Vision-Tool und ich kann damit einen neuen Prüfvorgang erstellen, indem ich einfach einen Ähnlichen kopiere und ein paar Änderungen vornehme.“ Der erste Vorgang an der Prüfstation besteht im Lesen des RFID-Tags des Teils, um den Modultyp zu erfassen. Der Modultyp bestimmt sowohl das Roboterprogramm / den Roboterpfad als auch das Vision-Prüfprogramm.
O’Dell verwendete das PatMax-Tool, um die Lage der festen Positionierung des Kühlmmoduls zu erfassen und ließ alle nachfolgenden Prüfvorgänge auf dieser Position basieren. Er verwendete Histogramm-Tools, um die Anwesenheit oder Abwesenheit von Komponenten beim Prüfen der richtigen Modulzusammensetzung festzustellen. Er bestimmte die Position der Schlauchhalterungen mithilfe der PatMax-Tools, um die Schlauchhalterung und ein Merkmal auf der Gegenkomponente, wie etwa einen formgewalzten Anschlag zu lokalisieren. Dann verwendete er ein Abstandsmesswerkzeug, um den Abstand zwischen der Schlauchhalterung und diesem Merkmal zu ermitteln. Für jede Messung gab O'Dell im Spreadsheet eine Ober- und Untergrenze ein. Die Werte im Spreadsheet geben die Helligkeit für das Histogramm und den Abstand für die Messungen an. Auf manchen Komponenten werden auch Barcodes gelesen, um sicherzustellen, dass die richtige Artikelnummer eingebaut ist.
O’Dell testete verschiedenste Beleuchtungsvarianten und fand mit einer kameraintegrierten Ringleuchte eine Variante, die sich für jede Anwendung eignete. Alle Bilder von jeder Prüfung werden zwecks Rückverfolgbarkeit jedes Moduls serialisiert und auf einem Netzwerkserver gespeichert. O’Dell testete wiederum verschiedene Bildspeichermethoden und fand heraus, dass es der schnellste Weg war, sie während des Zyklus lokal zu speichern und sie dann, wenn der Teil weiter transportiert wurde, an den Netzwerkserver zu übermitteln. Eine ControlLogix speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) steuert sowohl den Roboter als auch das Vision-System. Nur wenige Bereiche des Spreadsheets werden bei der Bearbeitung jedes Bildes aktiviert, um Bearbeitungszeit zu sparen. Cognex Connect™ unterstützt alle gängigsten, offen standardisierten Industrie-Ethernet- und Feldbus-Kommunikationsprotokolle für einen problemlosen Anschluss an SPS und unterschiedlichste Steuerungssysteme von Mitsubishi, Rockwell, Siemens und anderen Herstellern.
O’Dell führte im Rahmen der Einreichung des Produktionsfreigabeverfahrens (R&R) für das Kühlmodul eine Studie zur Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit (RR) des Bildverarbeitungssystems durch. Er legte die Werte im Spreadsheet so fest, dass keine fehlerhaften Teile entwischen würden. Diese Tatsache bewirkt, dass eine kleine Anzahl einwandfreier Teile (weniger als 0,4%) bei der Prüfung für fehlerhaft befunden wird. Diese falschen Ausschussteile müssen von einem Qualitätsbeauftragten geprüft werden und können über ein Passwort, das zwecks Rückverfolgbarkeit aufgezeichnet wird, für gut befunden werden. Einige wenige Artikel können nicht vom Vision-System geprüft werden, weil die Abweichungen zu ausgeprägt sind, wie etwa die Position von Druckstiften von Kabelsträngen. Er hielt mit der Planungsabteilung des Kunden Rücksprache, um Änderungen vorzuschlagen, die es einfacher machen würden, diese Artikel mit einem Vision-System zu prüfen.
Sobald ein Teil bei der Prüfung für fehlerhaft befunden wird, erfasst und verarbeitet das Programm ein weiteres Bild. Wird der Teil erneut für fehlerhaft befunden, gibt die SPS einen Alarm ab und die RSViewME-Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) stellt das für fehlerhaft befundene Prüfbild zusammen mit einer verbalen Beschreibung des Fehlers auf einem Bildschrim dar. Entweder der Bediener oder der Teamleiter bearbeitet den Fehler. In manchen Fällen, wenn etwa eine Schlauchhalterung verschoben ist oder ein Druckstift fehlt, kann der Bediener die Tür entriegeln und den Teil reparieren. Alle Prüfvorgänge werden dann noch einmal ausgeführt, um sicherzustellen, dass die Behebung des einen Problems kein anderes verursacht hat. Besteht der Teil die Prüfung, fährt die Linie von dem Punkt fort, wo sie gestoppt hatte.
Das Speichern von Bildern verhindert Strafen.
Die Möglichkeit, sich mit einem Server zu verbinden und jedes Bild zu speichern, ist von großem Wert. In einem Fall behauptete ein Kunde, dass er eine Bremsecke mit einem fehlenden Bremsbelag erhalten hätte. Das gespeicherte Bild zeigte jedoch, dass der Bremsbelag sehr wohl vorhanden war, als das Modul bei Piston gebaut wurde. Der Kunde forschte nach und fand heraus, dass das Fahrzeug aus einem anderen Grund repariert wurde und dass bei dieser Reparatur der Bremsbelag abhanden gekommen war. „Früher hätten wir dafür eine Geldstrafe zahlen müssen und unsere Qualitätsgarantie wäre beeinträchtigt worden“, so O'Dell. „Nun haben wir harte Beweise, dass es nicht unsere Schuld war.“
Mit dem Vision-System kann viel präziser geprüft werden, als mit herkömmlichen Prüfmethoden. Zum Beispiel konnten mechanische Fühler die Position einer Schlauchhalterung lediglich auf +/- 4 mm genau bestimmen, und zwar aufgrund der kumulierten Toleranzen bei den Komponenten und der Art und Weise, wie dies bis zum Montagemesspunkt rückverfolgbar war. Das Vision-System kann dies nun auf +/- 1 mm genau erfassen, da wir bestimmte Punkte im Sichtfeld der Kamera mit PatMax lokalisieren können und von dort eine dimensionale Lesung durchführen können, anstatt zu versuchen, Messungen mit Montagemesspunkten zu vergleichen. Ferner prüft das Vision-System zwei Mal so viele Punkte wie das Unternehmen vorher mit mechanischen Fühlern prüfen konnte. „Schlussendlich konnten wir die Qualität durch mehr und viel präziser geprüfte Punkte verbessern, wobei im Vergleich zu einer herkömmlichen Prüfstation die Anschaffungskosten um 40% und die Umrüstkosten um 80% reduziert werden konnten“, meinte Miller zusammenfassend.