Von Florian Hofmann

Mit 650 000 Euro fördert die Bayerische Forschungsstiftung die im September 2007 ins Leben gerufene Kooperation zwischen dem BMW-Werk Dingolfing, Micro-Epsilon und dem Institut für Softwaresysteme in technischen Anwendungen der Informatik (Forwiss Passau) der Universität Passau. Das Projekt ist auf zwei Jahre angelegt.

Mess-Ergebnis einer Motorhaube. Die rosa Linie begrenzt den Auswertebereich, die rot umrandeten, hellblauen Punkte markieren gefundene Fehler auf der Oberfläche.

Für Micro-Epsilon ist die BMW Group kein unbekannter Kooperationspartner. Zusammen brachten die beiden Unternehmen bereits ein Verfahren für die Defekt-Erkennung auf lackierten Oberflächen auf den Weg, das sich in einer Pilot-Anlage in Dingolfing bewährt hat. Basierend auf den Erfahrungen dieses Projekts arbeiten sie – zusammen mit ihren Kooperationspartnern – an der Entwicklung eines speziellen 3D-Messsystems. Das Besondere dabei: Bei dem eingesetzten Verfahren wird nicht die Oberfläche selbst, sondern deren optisch verzerrende beziehungsweise intensitätsmindernde Wirkung untersucht, die sich über Unregelmäßigkeiten im Spiegelbild eines Musters bemerkbar macht. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine absolute Vermessung von Defekten und Formabweichungen – gerade an sich spiegelnden Flächen, die mit konventionellen Ansätzen nicht erfasst werden können. Angedacht ist, dieses Verfahren auf andere Industriezweige – beispielsweise die Glasindustrie – zu adaptieren.

Der dritte Kooperationspartner, die Universität Passau, führt bereits seit mehreren Jahren im Auftrag des BMW-Werkes Dingolfing Analysen mit Hilfe digitaler Bildverarbeitung durch. Beim aktuellen Forschungsprojekt werden am Forwiss Passau die mathematischen Grundlagen erarbeitet, um die erfassten Rohdaten verarbeiten und in eine präzise 3D-Repräsentation umrechnen zu können.

Aufgabe der Lackspezialisten im BMW-Werk ist es unter anderem, die nötigen Vergleichsdaten für das neue System zu liefern. Zu einem späteren Zeitpunkt soll das 3D-Messsystem in eine Fertigungslinie der Dingolfinger Lackiererei eingebunden werden, um unter Realbedingungen sowohl System als auch Verfahren zu testen.

Die Deflektrometrie

Basierend auf den Ergebnissen der bisherigen Forschungsprojekte bietet Micro-Epsilon inzwischen die Produktfamilie „reflectControl“ zur Überprüfung von Oberflächen in unterschiedlichen Anwendungsbereichen an.

Das Messsystem im Einsatz: In der Fertigungsstraße wird die komplette Oberfläche auf Defekte geprüft.

Das Prinzip, das den Einsatz des Systems bei kleinsten Fehlern im Lack bis zu vergleichsweise großflächigen Krümmungsfehlern in Glas erlaubt – die Deflektrometrie –, klingt denkbar einfach: Auf einem glänzenden Teil sollen durch Spiegelung der Umgebung Fehler in der Oberfläche erkannt werden. In der industriellen Fertigung läuft dies so ab, dass die Spiegelungen streifenförmiger Leuchtstoffröhren auf der Oberfläche durch Mitarbeiter der Qualitätskontrolle betrachtet werden, um so Defekte zu finden und zu beurteilen. Allerdings ist diese Art der Fehlererkennung durch die Abhängigkeit von Menschen starken tageszeitlichen Schwankungen unterworfen – insbesondere im Bereich charakteristischer Fehler nahe den Grenzen des Erkennbaren. Zudem sind die Ergebnisse manueller Prüfung kaum reproduzierbar und nur schwer quantifizierbar.

Die maschinelle Lösung sieht folgendermaßen aus: Im reflectControl-System wird auf einem TFT-Display in Industrie-Ausführung ein in seiner Position wechselndes, sinusförmigen Hell/Dunkel-Muster erzeugt. Kameras nehmen das von der Oberfläche des Messobjekts reflektierte Bild auf und leiten die Daten an einen Industrie-PC zur Auswertung weiter. Hinsichtlich der Prüfobjekte gilt: Kann sich der Betrachter selbst als Spiegelbild im Objekt erkennen, ist das Objekt zur Messung mit reflectControl geeignet. Sind nur Umrisse erkennbar, bedarf es einer gesonderten Prüfung durch Micro-Epsilon.

Der Rechner verarbeitet die aufgenommenen Spiegelbilder in mehreren rechenintensiven Schritten weiter und wertet sie aus. Dabei müssen unterschiedliche Fehler bei der Analyse der Bilddaten sicher erkannt und eindeutig unterschieden werden. Während zum Beispiel eine Delle eine geringe Änderung der Oberflächenkrümmung über einen vergleichsweise großen Bereich verursacht, ist die Krümmungsänderung bei einem Einschluss sehr groß, aber nur auf einen kleinen Bereich beschränkt.

Aus diesem Grund sind die eingesetzten Algorithmen zur automatischen Fehlerbewertung und Klassifizierung sehr komplex. Abhängig davon, wie stark ein Objekt reflektiert, sind unterschiedliche Schwarz-Weiß-Übergänge nötig. Durch den Einsatz von Objektiven mit größerer Brennweite in Verbindung mit angepassten Streifenmustern sind Auflösungen bis in den Bereich von Zehntel-Mikrometern erreichbar. Bei komplexeren Objekten kann es nötig sein, für eine komplette Oberflächenprüfung Messvorgänge an mehreren Stellen und in mehreren Orientierungen durchzuführen.

Das Messprinzip

Ein Blick in das System „RC-compact”œ. Deutlich erkennbar ist die verzerrte Reflexion des LKW-Spiegels.

Das Messprinzip eignet sich für alle qualitätsmindernden Fehler wie Berührungen, Einschlüsse, Fussel/Haare, Kleberückstände, Kocher (geplatzte Lösemittelblasen), Krater, Lackablösung, Lacktropfen, Läufer, Nadelstiche, Overspray, Pressfehler, Riefen (grobe Schleiffehler), Rohbaufehler, Schieberabzeichnungen, Schleiffehler, Schweißperlen, Spucker (große Lackpigmente), Teil-/ Magerlackierung, Verschmutzungen und Wassertropfen.

Um unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden, gibt es das Messsystem reflectControl in drei Versionen:

• Für Objekte in der Größenordnung ganzer Automobilkarossen dient das System RC-Robotic. Hier befindet sich der optische Teil des Messsystems als Sensor am Endeffektor eines Roboters. Ein Messvorgang deckt eine Fläche von etwa 70 cm × 30 cm ab. Der Roboter bewegt das Messsystem an verschiedenen Positionen um das zu inspizierende Objekt.
  
  Zur vollständigen Prüfung einer Automobilkarosse auf einer industriellen Fertigungsstraße in Taktzeit sind beispielsweise vier RC-Robotic-Systeme im Einsatz: Beidseitig platziert erledigen sie die komplette Prüfung innerhalb von 60 bis 80 Sekunden. Im Anschluss daran können die entdeckten Defekte durch Markierroboter angezeichnet werden.

• Für kleinere Messobjekte und den Laborbetrieb eignet sich das Inspektionssystem RC-Compact mit fixiertem Messsystem. Mit einem in drei Achsen verfahrbaren Messtisch kann das zu untersuchende Objekt bewegt und bei gekrümmten Oberflächen auch gekippt werden, um das gesamte Objekt inspizieren zu können. Die Messung eines solchen Bauteils nimmt etwa zehn bis 30 Sekunden in Anspruch und lässt sich durch Generieren eines Jobs, in dem abgespeicherte Messpositionen nacheinander angefahren werden, für die Serienfertigung automatisieren.

Zum Schutz des Bedieners vor Verletzungen dient ein integrierter Lichtvorhang. Bei flachen Objekten, bei denen eine Prüfung für die Messung der Oberfläche genügt, liegt das Objekt auf einem festen Bauteilträger. Die Beschickung läuft entweder automatisch über einen Handling-Roboter und einen Teilehalter oder manuell über einen Werker, der die einzelnen Bauteile selbst einlegt. Die Messzeit für diese Systemvariante beträgt etwa 2 bis 3 Sekunden pro Bauteil.

• Für spezielle Messaufgaben gibt es die Version RC-Custom, bei der die für das Messobjekt optimale Systemanordnung erarbeitet und für den Kunden eigens angefertigt und integriert wird.

Autor: Florian Hofmann ist technischer Redakteur bei Micro-Epsilon in Ortenburg.