Bei einem deutschen Automobilhersteller liefern unterschiedliche Zulieferer allein für einen Fahrzeugtyp bis zu sieben verschiedene Anbauteile in einem spezifischen Lackton. Dennoch muss bei allen Anbauteilen und der Karosserie selbst der exakt gleiche Farbton gewährleistet sein. Da die Zulieferteile bereits beim Warenausgang des Lieferanten eine qualitative Bewertung durchlaufen haben, konzentriert sich der Hersteller auf die Überwachung der Fahrzeugkarossen. Bislang wurde nur per Stichprobe ein Fahrzeug pro Tag bewertet. Daher bestand die Gefahr, dass im Extremfall mehrere hundert Fahrzeuge mit fehlerhafter Lackierung in der Endmontage komplett aufgebaut werden. Diese hätten aufwendig zerlegt und nachlackiert werden müssen. Ein enormes Schadenpotenzial, das der Automobilbauer mittlerweile eliminiert hat.

Der Ausweg aus diesem Dilemma: Eine automatisierte und damit lückenlose Lackprüfung über die gesamte Tagesproduktion von rund 2000 Fahrzeugen mit unterschiedlichen Farbtönen. Der Automobilhersteller suchte nach einer Lösung, die nicht nur die verschiedenen Farben der Karossen unterscheidet, sondern auch den Farbverlauf der Einzelfarben erkennt und bei einem bestimmten Verlaufsgrenzwert einen Alarm meldet. Zusätzlich waren die Messdaten in einer Datenbank zu archivieren. Die Verwendung eines Kamerasystems mit Dunkelkammer schied allein aufgrund der hohen Taktzeiten in der Karosseriemontage und dem Ziel einer 100-%-Kontrolle aus. Um Fremdlichteinflüsse zu eliminieren, hätte jedes Fahrzeug in diese Dunkelkammer gefahren werden müssen.

Herausforderung Fahrzeuglack

Für eine hohe Wiederholgenauigkeit wird der Farbsensor mittels Linearachse und Abstandssensor exakt positioniert

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Beim Sensoranbieter ipf electronic fand der Automobilhersteller schließlich die Spezialisten, welche die spezifischen Anforderungen dieses Projekts lösen konnten: Eine sichere Farberkennung von rund 17 Lackvarianten und deren Farbverläufe unter schwierigen Randbedingungen wie glänzende Oberflächen, teilweise fast identische Farbtöne sowie eine hohe Wiederholgenauigkeit der Messungen bei einer hohen Messrate. Umgesetzt wurde die Applikation mit einem Farbsensor aus der Serie OF35. Dessen integrierter Polarisationsfilter eliminiert den Glanzeffekt der lackierten Fahrzeugkarossen – eine Vorbedingung, um die Farbgebung überhaupt zuverlässig messen zu können.

Damit die Wiederholgenauigkeit der Messungen sichergestellt ist, muss der Abstand des Sensors zur Karosserie-Oberfläche stets gleich sein. Dazu wurde gemeinsam mit dem Automobilhersteller eine spezielle Lösung entwickelt: Der notwendige Messabstand von 20 mm zur lackierten Oberfläche wird mittels einer Lineareinheit eingehalten, die Toleranzen des Transportsystems ausgleicht. Die dafür notwendigen Signale zur Ansteuerung der Linearachse (vor/zurück) liefert ein Ultraschallsensor, der für eine optimale Positionierung des Sensors mit einer Wiederholgenauigkeit von ±1 mm sorgt. Für die exakte Parametrierung des Farbsensors wird eine eigens für diese anspruchsvolle Farberkennung entwickelte Software eingesetzt. Insbesondere die verschiedenen Blautöne erwiesen sich als Herausforderung, da sich deren Lackfarben sehr ähneln. Um diese minimalen Unterschiede zu erkennen, musste unter anderem die Lichtleistung der Weißlichtquelle genau für jede Farbe justiert werden. Dies erfolgt über eine grafische Darstellung in der Software, die Aussagen über die Qualität des empfangenen Signals bei verschiedenen Lichtleistungen gestattet. Im Zusammenspiel mit speziellen Bewertungsalgorithmen und der Op­tion, abgestufte Toleranzwerte vorzugeben, lassen sich mit den Sensor die Lackfarben sicher bewerten wie auch die Farbverläufe beurteilen.

Konkret wurden bei dem Automobilhersteller für die 17 Lacktöne die im Sensor integrierte Weißlichtquelle in ihrer Sendeleistung für jede Farbvorlage so justiert, dass der Sensor die gewünschten optimalen Messwerte liefert. Somit gibt es allein 17 unterschiedliche Grundsendeleistungen für die interne Lichtquelle. Auf Basis dieser spezifischen Sendeleistungen wurden anschließend mit der Parametriersoftware entsprechende Referenzwerte (Sollwerte) für den jeweiligen Farbton und die Intensität der von der Oberfläche reflektierten Lichtmenge ermittelt. Damit in der Produktion eine Aussage über den Verlauf beziehungsweise die Genauigkeit des Farbtons getroffen werden konnte, gibt es für jeden Lackton eine Farb­toleranz-Abstufung. Dazu wurde eine 10-stufige Toleranz-Einteilung entwickelt, wobei jede Stufe einem Toleranzwert entspricht. Diese unterschiedlichen Parametersätze (Sendeleistung, Toleranzabstufung, Referenzwerte für Farbton und Intensität) sind über entsprechende Referenznummern auf einem Leitrechner gespeichert und abrufbar.

Exakte Identifizierung von Farbtönen

Der Farbsensor kommuniziert über Ethernet mit dem Leitrechner und erhält von dort individuell für jede Karosserie den jeweiligen Parametersatz zur Farbprüfung

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Die genaue Identifikation der 17 Farbtöne erfolgt mittels Vergleich der aktuellen Messwerte des Farbsensors mit den im Vorfeld ermittelten Referenzwerten für die Farb- und Intensitätsparameter bei einer Lackton-spezifischen Lichtquellengrundleistung und der zugehörigen Toleranzabstufung. Eine Fehlermeldung wird nur dann von dem Sensor ausgegeben, wenn ein falscher Farbton oder ein zu großer Farbtonverlauf vorliegt, wobei alle Soll-/Istwerte über die Parametriersoftware visualisiert werden können. Befindet sich ein Fahrzeug in der korrekten Prüfstellung, positioniert die Lineareinheit den Farbsensor mit Hilfe des Ultraschallsensors in den erforderlichen Schaltabstand zur Oberfläche. Die Messung erfolgt auf beiden Fahrzeugseiten einmalig über den hinteren Radkästen, da dieser Bereich hinsichtlich der korrekten Lackierung besonders kritisch ist. Die Messwerte bewertet der Sensor im so genannten „First-Hit-Modus“. Hierbei werden die Messwerte über die Software mit den Einträgen in der Referenztabelle (Teachwerte) verglichen und der „erste Treffer“ als Ergebnis ausgegeben. Dazu sind die zulässigen Toleranzen des Farbtonverlaufs aufsteigend in der Referenzwerte-Tabelle sortiert.

Die Referenzwerte für jeden Lacktyp erhält der Sensor vor jeder Messung aus dem Leitrechner in der Lackprüfung des Automobilherstellers über ein RS-232/Ethernet-Gateway. Die jeweils zu prüfende Karosse wird dazu zuvor anlagenseitig über ein Barcode-Lesegerät identifiziert. Auf diese Weise erkennt der Leitrechner, welcher Lack auf der aktuell zu prüfenden Karosse aufgetragen sein sollte. Um diese Informationen auch von dem Farbsensor zu bestätigen, überträgt der Leitrechner die notwendigen Prüfparameter (Sendeleistung, Toleranzabstufung, Referenzwerte für Farbton und Intensität) zum Sensor. Dieser vergleicht anschließend die Prüfparameter mit dem gemessenen Werten und zeigt an, ob diese innerhalb der Grenzen für Farb-, Farbverlaufs- und Intensitätsgrenzen liegen. Anschließend werden die Mess-Ergebnisse wiederum über die Schnittstelle an den Leitrechner übergeben und archiviert. Dieses Projekt belegt: Eine automatisierte Prüfung unterschiedlichster Lacktöne und damit die einwandfreie Differenzierung verschiedener hochglänzender Lackierungen an allen Fahrzeugen einer Tagesproduktion ist machbar.

Autor: Christian Fiebach ist Assistent der Geschäftsleitung bei ipf electronic in Lüdenscheid.