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Bildanalyse zur Qualitätssicherung von Nutzfahrzeugbremsen

23. August 2012

Null Fehler Toleranz, so lautet die Devise in der Scheibenbremsen-Produktion von Knorr-Bremse. Ein Bildverarbeitungssystem prüft, ob die Bremsen richtig montiert sind. Damit dies für alle 1.200 Typen in Kombination mit 64 verschiedenen Prüfmerkmalen gelingt, arbeitet die Anlage mit intelligenter Software und angeschlossener Datenbank.

Unscheinbar wirkt die blau-graue Kabine am Ende der Kleinserienmontagelinie für Scheibenbremsen bei Knorr-Bremse im niederbayerischen Aldersbach. Trotzdem hat sie eine wichtige und somit qualitätssichernde Funktion: Jedes der auf Werkstückträgern montierten Schwergewichte aus der Scheibenbremsen-Produktion wird im Arbeitsraum der Prüfkabine genauestens untersucht. Die Beleuchtung erstrahlt, drei Kameras und zwei Linienlaser richten ihren Blick auf die Bremse. Innerhalb von Millisekunden errechnet die zugehörige Software, ob die Scheibenbremse entsprechend der vorgegebenen Stückliste und Montagevorgaben richtig montiert ist und somit später im Fahrzeug funktioniert. Zudem ist in der Datenbank hinterlegt, ob ein eventueller Fehler durch eine Nacharbeit noch ausgemerzt werden kann. „Eine Bremse ist das wichtigste Sicherheitsbauteil im Fahrzeug, da muss alles zu 100 Prozent stimmen, sie darf im Fahrzeug nicht ausfallen“, erläutert Thomas Bauer, Projekt-Ingenieur für den Bereich Industrial Engineering Scheibenbremse bei Knorr-Bremse.

Bevor sich die Verantwortlichen bei Knorr-Bremse für das Bildverarbeitungssystem von Neupro-Solutions aus Vilsbiburg in Zusammenarbeit mit STEMMER IMAGING aus Puchheim entschieden, mussten Produktionsmitarbeiter per Sichtkontrolle die Qualität der Bremsen prüfen. „Da eine Sichtprüfung immer unter dem menschlichen Einfluss steht, entschieden wir uns für eine prozessstabile und automatisierte Lösung“, erinnert sich Bauer. Auf dieser Kleinserien-Linie stellt Knorr-Bremse das komplette Produktspektrum der Scheibenbremsen für Nutzfahrzeuge her, vom Sechs- bis zum 44-Tonner, vom Omnibus über die Zugmaschine bis hin zum Trailer-Bereich. Bauer erläutert: „Aktuell gibt es um die 1.200 Varianten und die Anzahl steigt weiter. Auf Kundenwunsch produzieren wir auch die Stückzahl 1.“

In dieser Vielfalt lag auch die hohe Anforderung des Projekts. Zudem war die Zeitschiene mit nur vier Wochen, in denen das Projekt umgesetzt werden sollte, sehr eng gesteckt. In einem anderen Bereich in Aldersbach nutzt Knorr-Bremse schon seit 2004 Bildverarbeitung. Aufgrund der bis dahin erworbenen Erfahrung mit BV-Systemen und den gestiegenen Ansprüchen suchte Bauer nach einem neuen, ganzheitlichen BV-System, das Hardwareunabhängig und nach oben hin offen skalierbar ist. Weiterhin sollte die Möglichkeit bestehen, eigene Applikationen beziehungsweise Softwarealgorithmen zu implementieren.

Um diese Vorgaben zu erfüllen, überprüfte Bauer neue Applikationstechniken auch in Bezug auf deren Einsatzmöglichkeiten. Daraufhin kontaktierte er Jörg Schmitz, Vertriebsspezialist für Bildverarbeitungslösungen bei STEMMER IMAGING in Puchheim, zu dem schon ein jahrelanger Kontakt bestand. Im Beleuchtungslabor in Puchheim hatten Ingenieure von STEMMER IMAGING in den vergangenen Jahren bereits diverse Applikationen rund um die Scheibenbremse getestet und die Machbarkeit untersucht. Das Produktspektrum war also bekannt, sodass Schmitz basierend auf den Laborergebnissen die Komponenten auslegen konnte.

Drei spezialisierte Partner

Um das Projekt im geplanten Zeitraum umzusetzen, kam es zu einer partnerschaftlichen Allianz zwischen drei Unternehmen. STEMMER IMAGING lieferte schnellstmöglich die BV-Komponenten, damit Neupro Solutions aus Vilsbiburg als Gesamtverantwortlicher diese in ihr System integrieren konnte. Streicher Maschinenbau aus Deggendorf übernahm den Schaltschrankbau inklusive E-Plan, den mechanischen Bau der Prüfkabine und die Herstellererklärung.

„Aufgrund der niedrigen und nach Kundenwunsch variierenden Stückzahlen und der hohen Varianz in der Scheibenbremsen-Produktion haben wir eine Datenbank ins Spiel gebracht“, erklärt Dieter Progl, Geschäftsführer bei Neupro in Vilsbiburg. Neupro ist offizieller Partner des Datenbankherstellers Oracle und konnte so in der kurzen Zeit eine passende Lösung für die Kombinatorik bestehend aus Sachnummer und Prüfnummer bereitstellen. Es handelt sich bei den Bremsen um dokumentationspflichtige, sicherheitsgerichtete Bauteile. Deshalb werden in der eingesetzten Datenbank sowohl die Bilddaten als auch die Prüfdaten archiviert und dann an die übergeordnete Steuerung weitergegeben. Die Schnittstelle zur SPS lieferte ebenfalls Neupro. Von dort holt Knorr- Bremse die Daten ab, um sie am Leitrechner weiter zu verarbeiten.

Doch zunächst müssen die entsprechenden Daten der produzierten Scheibenbremsen in der Prüfkabine gesammelt werden. Dafür sorgen drei AVT-Kameras mit Schneider-Optiken sowie zwei Linienlaser von Z-Laser in Kombination mit der Bildverarbeitungssoftware Sherlock von Teledyne Dalsa. Ein Neupro-Sherlock- Plugin für Oracle überträgt die Daten schließlich an die Datenbank. „Die einzelnen Prüfalgorithmen sind global gehalten und werden über die Datenbank Sachnummern-bezogen aufgerufen. Zusätzlich ist die Möglichkeit gegeben, über die in der Datenbank gespeicherten Messdaten diese statistisch zu bewerten und entsprechend in den vorgegebenen Schwellwerten eine statistische Annäherung durchzuführen“, berichtet Progl.

Das BV-System ist zwar auf das Prüfdetail fixiert, das zu prüfende Teil kann aber variieren, sodass die hohe Varianz der zu prüfenden Teile kein Problem darstellt. Bauer ergänzt: „Die BV-Software lernt sich in gewisse Schwellenwerte, die vorgegeben sind, selbst ein. Als zusätzliches Highlight kann die Skalierbarkeit nach oben gezählt werden, sei es von der Anzahl der Prüfungen über die Anzahl der Kameras bis hin zu der Anzahl der Stationen.“ „Außerdem löst das BV-System verschiedene Aufgaben in einem“, fügt Schmitz hinzu. Hierzu zählen die Laser-Triangulation, die Mustererkennung, die Farberkennung sowie die Vermessung der Bauteile.

Damit die Bilddaten nicht zu groß sind, fasst das System jeweils drei Original-Bilder zusammen, komprimiert sie auf jpg-Format und speichert sie zusammen mit der Seriennummer ab. Bauer erläutert den Vorteil: „Falls es nötig ist, haben wir so in Sekundenschnelle alle Dokumente zu der gesuchten Bremse parat. Und dann wissen wir genau, welche Teile verbaut sind. Die Rückverfolgbarkeit ist also bis auf jede einzelne Schraube hinunter möglich.“

Realisierung ohne Anlagenstillstand

Eingebaut wurde das Bildverarbeitungssystem bei laufender Produktion. Schaltschrank und mechanischer Aufbau sind so konstruiert, dass das Bildverarbeitungssystem ohne Anlagenstillstand in Betrieb gehen konnte. „Sogar die SPS haben wir bei laufendem Betrieb eingespielt“, erinnert sich Bauer. „Wir haben mit erfahrenen Leuten gearbeitet, die ihr Fachgebiet beherrschen“. Die parallele interdisziplinäre Zusammenarbeit der drei Unternehmen und die bekannten Schnittstellen für die Parteien kamen dem engen Zeitplan zugute. „Außerdem lief die Kooperation unter allen beteiligten Firmen wirklich optimal“, freut sich Progl.

Bauer ist sich sicher, dass die Zeitschiene nur eingehalten werden konnte, da jede der beteiligten Firmen ein Spezialist in ihrem Bereich ist. „STEMMER IMAGING ist die einzige Firma, die unabhängig von der Hardwarekomponente alle benötigten Elemente für die Bildverarbeitung liefert. Aber auch die Software erhalte ich dort, inklusive Applikations- und Machbarkeitsstudien“, berichtet Bauer und fährt fort: „Praktisch ist auch der schnelle Service sowie das Beleuchtungslabor in Puchheim, wo wir immer vorab Machbarkeitsstudien durchführen können.“

Insgesamt verlief das Projekt in einer partnerschaftlichen Zusammenarbeit. Schmitz kommentiert: „Mit Knorr-Bremse läuft es einfach gut, da die nötige Expertise im Bereich Bildverarbeitung im Hause etabliert ist. Und mit Neupro ist das genauso, wir liegen alle auf einem Know-how-Level.“ Bauer ist rückblickend mit dem Ergebnis mehr als zufrieden, da in der Projektphase noch zusätzliche Features umgesetzt wurden, die zunächst gar nicht angefordert waren.

So überprüft die Bildverarbeitungsapplikation die Anlage nach jedem Chargenwechsel automatisch, indem mittels vordefinierter Messflächen und Referenzmarken und einer reduzierten Belichtungszeit die Belichtung/Position eingemessen bzw. überprüft wird. Sobald hier eine Abweichung von den vorgegebenen Schwellwerten vorhanden ist, wird automatisch eine Meldung an den übergeordneten Leitrechner ausgegeben. Es handelt sich erstmalig um ein vollständig wartungsfreies System, auch der verbaute Beckhoff-Industrie-PC arbeitet lüfterlos, wodurch Wartungen entfallen. Bauer fasst zusammen. „Es lief von Anfang bis Ende des Projektes alles glatt. Die Erfahrungen durch das neue Bildverarbeitungssystem geben uns die Möglichkeit, die vorhandenen Applikationen daraufhin zu verbessern“.

Der Knorr-Bremse Konzern

Mehr als eine Milliarde Menschen weltweit vertrauen täglich Systemen von Knorr-Bremse (www.knorr-bremse.de). Das Unternehmen ist weltweit der führende Hersteller von Bremssystemen für Schienen- und Nutzfahrzeuge. Als technologischer Schrittmacher treibt Knorr-Bremse seit über 100 Jahren maßgeblich die Entwicklung, Produktion und den Vertrieb moderner Bremssysteme voran - für unterschiedliche Anwendungen im Schienen- und Nutzfahrzeugbereich. Damit leistet Knorr-Bremse einen maßgeblichen Beitrag zur Sicherheit auf Schiene und Straße. Weitere Produktfelder sind Türsysteme und Klimaanlagen für Schienenfahrzeuge sowie Drehschwingungsdämpfer für Verbrennungsmotoren.

NeuPro Solutions

NeuPro Solutions (www.neupro-solutions.de) ist spezialisiert auf die Entwicklung innovativer Systeme zur Optimierung automatisierter Verfahren. Die integrierten Lösungen des Unternehmens finden u.a. Anwendung in den Bereichen Fertigungsautomation, automatisierte Handling-Systeme, Qualitätssicherung und Traceability. Technologisch konzentriert sich NeuPro Solutions hauptsächlich auf die intelligente Verknüpfung optischer Systeme mit Echtzeitdatenbanken, SPS-Steuerungen und mechanischen bzw. Robotic-Komponenten. Mit seinen maßgeschneiderten, modular verfügbaren Lösungen unterstützt das Unternehmen Kunden aus den Branchen Anlagen- und Maschinenbau, Automotive, Chemie, Elektronik, Kunststoffverarbeitung, Lebensmittel, Metall, Pharma, Robotik sowie Verpackungs- und Kennzeichnungstechnik. Das Leistungsspektrum reicht dabei von der Beratung und Analyse über die Entwicklung und das Projektmanagement bis zu Implementierung, Mitarbeiterschulung und Service.

Allied Vision

Stadtroda, Germany

Die Allied Vision Technologies GmbH entwickelt und produziert Kameras und Komponenten für Anwendungen der industriellen und wissenschaftlichen Bildverarbeitung. Durch innovative Produkte und eine hohe Fertigungsqualität hat sich das Unternehmen in wenigen Jahren zu einem führenden Anbieter von digitalen Kameralösungen entwickelt.

Schneider

Bad Kreuznach, Germany

Die Schneider-Gruppe, gegründet 1913 in Bad Kreuznach in Deutschland, ist weltweit führender Hersteller von hochqualitativen Objektiven und Filtern für industrielle Anwendungen.

STEMMER IMAGING

Puchheim, Germany

STEMMER IMAGING ist seit 1987 in der industriellen Bildverarbeitung tätig und mittlerweile Europas größter Technologie-Anbieter in diesem Bereich. 1997 stellte STEMMER IMAGING mit Common Vision Blox (CVB) eine leistungsstarke Programmierbibliothek vor, die eine schnelle und zuverlässige Entwicklung und Implementierung von Bildverarbeitungslösungen ermöglicht und inzwischen weltweit über 40.000 mal in verschiedensten Branchen erfolgreich im Einsatz ist.

Teledyne DALSA

Waterloo, Canada

Die kanadische Teledyne DALSA Inc., ein Unternehmen der amerikanischen Teledyne Technologies Inc., liefert für den Bereich der digitalen Bildverarbeitung ein enormes Produktspektrum. Neben universellen Zeilenkameras umfasst es technologische Highlights wie TDI-Zeilen- (Time Delay Integration), Multi Tap-, High Speed-, Flächen- und hochauflösende Kameras. Daneben zählen PCI-Bilderfassungsboards, Embedded Processing-Systeme bis hin zu intelligenten IPD-Kompakt-Systemen zu den Komponenten für alle Aufgaben in der industriellen Qualitäts-, Vollständigkeits- und Fehlerkontrolle.

Z-Laser

Freiburg, Germany

Z-Laser bietet eine große Bandbreite von leistungsstarken, industriegetesteten Lasermodulen und -systemen, die u.a. in der Textil- und Lederindustrie, Holz-, Stein- und Metallverarbeitung, im Flug-, Fahrzeug- und Formenbau, sowie auch in medizinischen Anwendungen zum Einsatz kommen.

Teledyne DALSA Sherlock - Bildverarbeitungs-Software für den industriellen Einsatz
  • Einfache Handhabung für schnelle Lösungen
  • Hohe Prüfgeschwindigkeiten bei großer Flexibilität
  • Für Inspektion, Vermessung, Identifikation und 100% Kontrolle an der Produktionslinie
Allied Vision Manta - Universelle, kompakte Progressive Scan-Kameras mit Gigabit-Ethernet-Schnittstelle
  • Digitale Bildverarbeitungskameras mit CCD- oder CMOS-Sensoren
  • Lieferbar mit Monochrom- oder Farbsensor
  • Auflösungen von 0,3 Megapixel (VGA) bis 9 Megapixel
  • Gigabit Ethernet interface
Schneider Kreuznach Kompakt-Objektive mit C-Mount
  • Baukleine Präzisionsobjektive mit Farbkorrektur im sichtbaren Bereich
  • Besonders geeignet für Farbkameras und bei meßtechnischen Aufgaben
  • Lieferbar in Brennweiten ab 10 mm
Z-Laser ZM18-LP - Linienlaser mit Powell-Linse
  • Fokussierbare Powell-Linse, Einzellinie
  • Kompaktes, robustes Gehäuse
  • Verschiedene Leistungsstufen und Öffnungswinkel lieferbar