Premium Prüfung für Premium-Automobil

Leistungsstarkes Bildverarbeitungssystem mit 26 Digitalkameras prüft Armaturenträger von Premium-Kleinwagen.

Am BMW-Werk Landshut kontrolliert eine Prüfanlage mit Kameras von Allied Vision Technologies Tragrahmen für das Armaturenbrett des MINI Countryman. Das für Laien unscheinbare Bauteil spielt eine wichtige Rolle für die Sicherheit und Qualitätsanmutung des Fahrzeugs: Auf diesem Strukturelement wird das Armaturenbrett montiert. Dazu gehören wichtige Komponenten wie die Lenksäule sowie Knie-Airbagmodule. Außerdem muss die Geometrie des Trägers perfekt auf die der Verkleidung abgestimmt sein, damit diese passgenau montiert werden kann und einen hochwertigen Qualitätseindruck hinterlässt.

Die Herausforderung: 3D-Messung aus verschiedenen Blinkwinkeln   
Ziemann & Urban, ein Prüf- und Automatisierungsspezialist aus Moosinning (Bayern), entwickelte und baute im Auftrag von BMWeine autarke Prüfkabine für die Geometriekontrolle der Tragrahmen. In über 20 Jahren hat sich Ziemann & Urban zum etablierten Anbieter von schlüsselfertigen Lösungen für die Prüfautomatisierung und Qualitätssicherung entwickelt. Die 35 Mitarbeiter des Unternehmens konzipieren Prüf- und Messsysteme für viele Anwendungsgebiete, vor allem in der Automobil-, Kunststoff-, Halbleiter- und Medizintechnikindustrie.

Die Prüfkabine soll für eine fertigungsbegleitende, hundertprozentige Vermessung der Maßhaltigkeit der Träger in der Produktionsumgebung sorgen. Die Position von Befestigungspunkten – etwa für Airbags und Lenksäule – muss dreidimensional gemessen werden. Außerdem soll die Anwesenheit und Gratfreiheit von Bohrungen und Durchbrüchen für die Montage von Verkleidungen und sonstigen Komponenten kontrolliert werden. Die gesamte Vermessung soll automatisch innerhalb von 5 Sekunden erfolgen, und die Anlage muss zwei Produktvarianten–Links- und Rechtslenker – auswerten können.

Eine zusätzliche technische Herausforderung besteht darin, dass durch die verwinkelte Form des Bauteils nicht alle Prüfpunkte aus demselben Blickwinkel erfasst werden können. So ist ein mechanisches Drehen des Tragrahmens, etwa durch ein Rhönrad, angedacht worden, damit die Kameras die verdeckten Prüfstellen erfassen können.

„Spieglein, Spieglein an der Wand…“
Durch eine besonders clevere Anordnung des Prüfobjekts und der Kameras sowie den geschickten Einsatz von Hintergrundbeleuchtung und Umlenkspiegeln konnte Ziemann & Urban auf diese aufwendige Wendung des Trägers verzichten. „Eine mechanische Bewegung des Objekts, egal wie gut sie technisch gelöst wird, bringt Toleranzen mit sich und wirkt sich negativ auf die Präzision der dreidimensionalen Messung aus“, erklärt Markus Urban, Projektverantwortlicher bei Ziemann & Urban. „Der Verzicht darauf macht das Messverfahren also einfacher und schneller“.

Der Tragrahmen wird in einer maßgefertigten Vorrichtung positioniert und arretiert. Somit wird ausgeschlossen, dass die Messung durch eine falsche Position des Objekts in der Kabine gefälscht wird. Für die 3D-Vermessung werden 2 x 8 FireWire Kameras mit VGA-Auflösung verwendet – jeweils 8 für die Rechts- und Linkslenkerversion. Mithilfe mehrerer Laserlinienprojektoren wird die Geometrie des Objekts im Bild hervorgehoben. Beleuchtet werden die Messpunkte mit LED-Punktstrahlern sowie durch eine Flächenhintergrundbeleuchtung.

Für die Anwesenheitskontrolle von Bohrungen und Durchbrüchen werden sechs FireWire-Kameras mit 1,25 bis 5 Megapixeln eingesetzt, die das Bauteil von oben nach unten betrachten – ggf. mit Umlenkspiegeln. Hervorgehoben werden die Bohrungen durch den in der Halterung integrierten Leuchttisch, der den Armaturenträger von unten anstrahlt. Verwinkelte Prüfpunkte, die von oben nicht erfasst werden können, kontrollieren 4 weitere Digitalkameras mit VGA-Auflösung.

Dadurch, dass alle Kameras, Laserstrahler und Leuchteinheiten fest montiert sind und das Prüfobjekt nicht bewegt wird, erfüllt Ziemann & Urban sämtliche Präzisionsanforderungen der BMW Group. Selbst temperaturbedingte Abweichungen werden durch spezielle Entkopplungsvorrichtungen an den Kameras sowie eine laufende Überwachung der Temperatur des Bauteils, der Messanlage und der Umgebung kompensiert. Das Ergebnis: eine Messgenauigkeit von ca. 25 µm, die normalerweise nur in klimatisierten Messräumen erreicht wird. Die Messgenauigkeit wird in regelmäßigen Abständen durch zyklische Messmittelfähigkeits-Nachweise sichergestellt.

Die Messergebnisse werden in einer Datenbank gespeichert und können jedem Einzelteil zugeordnet werden. Hierzu liest das System die Data Matrix Code jedes Bauteils aus und speichert sie mit den Messwerten ab.

Mini-Kameras für MINI
Insgesamt 26 Digitalkameras kommen in der Messkabine zum Einsatz. Bei der Auswahl der Kameras entschied sich Ziemann und Urban für FireWire-Kameras von Allied Vision Technologies.

Für die 3D-Vermessung mit Linienlaser sorgen 16 AVT Guppy F-033 Monochromkameras mit VGA-Auflösung. Die Guppy ist eine besonders kleine und preiswerte Industriekamera mit FireWire Schnittstelle (IEEE 1394a). Mit 42 x 30 x 30 mm ist die Guppy eine der kleinsten Machine Vision Kameras am Markt.

Für die Anwesenheitskontrolle der Bohrungen werden 6 AVT Stingray Monochromkameras mit 1,25 bis 5 Megapixeln Auflösung verwendet (Stingray F-125, F-201 und F-504). Die Stingray ist eine besonders leistungsstarke und modulare Kamera für die industrielle Bildverarbeitung.

Die übrigen Anwesenheitskontrollen übernehmen 4 AVT Guppy F-036 Monochromkameras. Wie die Guppy F-033 ist die Guppy F-036 eine VGA-Kamera, unterscheidet sich aber von ihrem Schwestermodell durch ihren CMOS Sensor. Dieser unterstützt den High Dynamic Range Modus und eignet sich besonders für Applikationen mit hohem Kontrast.

„Wir haben uns für AVT-Kameras aus verschiedenen Gründen entschieden“, erläutert Urban. „Dank ihrer sehr kompakten Abmessungen ließ sich die Guppy wunderbar in eine Anlage integrieren, in der ganze 26 Kameras untergebracht werden mussten. Ihr FireWire Interface ist besonders geeignet für ein solches Multikamerasystem: mit einem Kabel kann die Kamera mit Strom versorgt und per Software-Trigger gesteuert werden sowie ihre Bilddaten übertragen. Außerdem arbeiten wir seit vielen Jahren mit Allied Vision Technologies zusammen. Die Qualität und Zuverlässigkeit der Kameras hat sich bewährt“.

Die Kamerabilder werden am System-PC mit Hilfe des ZVIS 4300 Bildverarbeitungsystems von Ziemann & Urban ausgewertet. ZVIS 4300 zeichnet sich durch sein komfortables, Windows XP-basiertes Interface und seine umfangreichen Funktionen aus. Durch die globale Skalierungsfunktion eignet es sich besonders zur 3D-Positionsbestimmung. Die Gesamtsteuerung des Messablaufs übernimmt Ziemann & Urbans ZMESS Software. Mit ihr werden die anderen Sensoren (DMC, Temperatursensor) ausgewertet und die Ergebnisse an einem 3D-Modell des Bauteils angezeigt und anschließend in die BMW-Datenbank eingespeist.

Hundertprozentige Prüfung

Seit Anfang 2010 ist die Anlage am BMW Standort Landshut erfolgreich im Einsatz. Mehrere hundert Armaturenträger werden täglich in der Prüfkabine kontrolliert. „Wir sind stolz, mit dieser maßgeschneiderten Lösung unseren Beitrag zur Qualitätssicherung des MINI Countryman geleistet zu haben“, so Urban.