Die Otto- und Dieselmotortechnologie hat sich in den letzten Jahren dramatisch weiterentwickelt. Heutzutage produzieren Motoren viel weniger Partikel, weniger Kohlendioxid und bieten eine zuverlässigere Erkennung von Betriebsfehlern. War einst ein 2,5-l-Hubraum zur Erzeugung von 180 PS erforderlich, ist nun eine 1,4-l-Hubraum ausreichend. Um diese Verbesserungen zu ermöglichen, mussten fast alle Motorkomponenten strengere technische Leistungsanforderungen erfüllen. Eines der für die verbesserte Leistung des Motors entscheidenden Teile ist die Pleuelstange, eine Komponente, die für die Kraftübertragung im Verbrennungsprozess erforderlich ist. Um eine effiziente Qualitätskontrolle zu gewährleisten, gehen die von der IMR Gesellschaft für Prozessleit- und Automatisierungstechnik mbH hergestellten Pkw-Pleuelstangen an einen Prüfstand bei der Schmiedetechnik Plettenberg GmbH & Co. KG in Lennestadt-Meggen, Deutschland, wo diese mit der Bildverarbeitungstechnologie von Cognex auf Eigenschaften wie Dicken-, Längen- und Breitenabmessungen, Symmetrieabweichungen, Konzentrizitäten und Verschiebungen untersucht werden.
Verbesserung der Komponente führt zu Produktionsherausforderungen
Damit Motoren die gleiche Leistung mit einem geringeren Hubraum erzeugen können, benötigen sie mehr Kompression, was in einer verbesserten Motorschmierung resultiert. Der reduzierte Hubraum im Motor führt zu einem reduzierten Spiel in den Lagerschalen der Pleuelaugen. Dies stellt die Produktion vor neue Herausforderungen, da die Pleuelstange die stärkeren Kräfte nur sehr schwer bewältigen kann, während sie mit minimalen Toleranzen arbeiten muss. Während der Herstellung von Pleuelstangen kann die Materialtemperatur etwa 1280 °C erreichen. Dies führt dazu, dass der C70-Stahl extrem empfindlich auf die mechanischen Formprozesse reagiert. Trotz verbesserter Herstellungsverfahren ist es möglich, dass beim Schmieden der Pleuelstange, die einzelnen Komponenten zu dick oder zu dünn werden. Während des automatisierten Schmiedens tritt eine Schmiedeverschiebung unter bestimmten Bedingungen auf, wenn die obere und untere Matrize sich nicht absolut genau innerhalb einer Toleranz eines Zehntel oder Hundertstel Millimeters entsprechen. Auch während der anschließenden manuellen Kalibrierung kommt es aufgrund unterschiedlicher Bearbeitungszeiten zu gelegentlichen Temperaturschwankungen in der Pleuelstange selbst, was zu minimalen Größen- und Gewichtsabweichungen führt.
Ein neues Testparadigma
Um IMR hochwertigste Pleuelstangen zu gewährleisten, musste Schmiedetechnik Plettenberg bei Messung und Prüfung neue technische Wege gehen. Dies war das erste Projekt, bei dem das Unternehmen ein Bildverarbeitungssystem für automatisierte Qualitätsprüfungen verwendete. Die größte Herausforderung für Schmiedetechnik Plettenberg bestand darin, eine ausreichende Wiederholbarkeit der geschmiedeten Pleuelstangen zu erreichen, die teilweise raue Oberflächen aufwiesen. Mit dem Cognex Bildverarbeitungssystem konnte das Unternehmen die Prüfungen mit großem Erfolg durchführen. So konnte das Unternehmen beispielsweise die Wiederholbarkeit der Höhenmessung innerhalb von 0,03 Millimetern erreichen. Aufgrund dieses Erfolgs und aufgrund ihrer langjährigen Erfahrung im Bereich Design und Bau von schlüsselfertigen Handling- und Prüfeinheiten hat IMR die Prüfstation von Schmiedetechnik Plettenberg schon nach kurzer Zeit in Betrieb genommen. Inzwischen werden jährlich durchschnittlich 4,5 Mio. Pleuelstangen inspiziert.
Vollständige Testkontrolle während des gesamten Prozesses
Bereits vor dem Erreichen der optischen Prüfstation werden die Pleuelstangen zunächst untersucht. Nach dem Sandstrahlen und einer ersten Sichtprüfung wird ein Magnetpulvertest durchgeführt, um ultrafeine Haarrisse zu erkennen. Bevor Komponententeile zur Pleuelstange geleitet werden, werden die Pleuel mit einer Toleranz von +⁄- 6 g gewogen. Anschließend werden die Pleuel auf einem Förderband der Prüfmaschine zugeführt. Sie werden von einer Lichtschranke erkannt und ihre Position und Lage werden dann an das Nachverfolgungssystem übertragen. An der ersten Bildvorverarbeitung messen die Cognex In-Sight® Bildverarbeitungssysteme, die mit telezentrischen Objektiven ausgestattet sind, jeweils die Länge und Breite der Pleuelstangen, die Konzentrizität des Pleuelauges und die Gravur. Länge und Breite werden gemäß der Produktspezifikationen anhand des Verhältnisses der Mitte des Pleuelauges zu einer festgelegten Referenzaußenkante bestimmt. In Fällen, in denen Messungen außerhalb des zulässigen Bereichs liegen, übertragen die Bildverarbeitungssysteme ein Signal, um die Pleuelstange auf dem Stations-I-PC abzulehnen.
In der Bildvorverarbeitung wird ein Cognex In-Sight Bildverarbeitungssystem verwendet, um zusätzliche Kennziffern auf der Oberseite der Komponenten zu erfassen, basierend auf geschmiedeten dreidimensionalen Aufdrucken mit guter OCR-Lesbarkeit. Die unterschiedlichen Eigenschaften werden durch eine Kombination verschiedener Beleuchtungskonzepte, die den beiden In-Sight Kameras gegenüberliegen, erfasst. Die LED Hintergrundbeleuchtung dient der Erfassung der Konturen der Komponente. Gravur- und Kennziffern werden mittels rotem LED-Auflicht erkannt.
Robustes System
Im Pleuelstangenprüfstand werden zwei parallele Ansätze gewählt, um eine möglichst hohe Prüfgenauigkeit zu erreichen. Nach einer detaillierten Auswertung der Aufzeichnungen werden die Informationen beider Bilder ebenfalls im Computer verglichen. Das intelligente Cognex In-Sight-System bietet eine hundertprozentige Fehlererkennung im ersten Testschritt. Dicken- und Höhenabfragen werden in der dritten Prüfstation mittels Laser-Triangulationsverfahren durchgeführt. Zwei weitere Cognex Matrixkameras mit VGA-Auflösung erkennen die H-Profile mittels Laser-Linien. Die Höhe des Pleuelauges und der Welle sowie die Höhe des Pleuelkopfes werden an mehreren Stellen gemessen. Darüber hinaus prüft das System die Symmetrie und die Abweichung des Pleuelschafts.
In ihrer Rohmgebung zeichnen sich die Cognex Bildvorverarbeitungssysteme durch ihre branchenüblichen Standardfunktionen aus. Das robuste Gehäuse aus spritzgegossenem Aluminium und Edelstahl macht sie auch unempfindlich gegenüber hohen Schwingungsbelastungen. Passgenaue M12-Anschlüsse schützen sie vor Staub, was für die Anforderungen an die Qualitätskontrolle von Schmiedetechnik Plettenberg ein extrem hohes Maß an Verlässlichkeit bei geringen Wartungskosten bietet. Das Ergebnis der Zusammenarbeit zwischen Schmiedeexperten und Spezialisten für Bildverarbeitung sind hervorragend konstruierte Pleuelstangen, die den Anforderungen leistungsstarker, hochmoderner Motortechnologien gerecht werden.