Anwenderberichte

100%ige Inspektion in der Fertigungslinie

100%ige Inspektion in der Fertigungslinie

AUTOMATISIERTE INSPEKTION IN DER FERTIGUNGSLINIE Dynacraft hatte von seiner für die Zuliefererqualität zuständigen Abteilung eine Vorgabe erhalten, anstelle der regelmäßigen Stichprobenprüfung eine 100%ige Inspektion der Abgasbaugruppen durchzuführen. Variation Reduction Systems, Inc. (VRSI) und FARO implementierten eine Lösung, die aus einem auf einen Roboter montierten Cobalt Array Imager besteht. Die Inspektion jeder einzelnen Baugruppe erfolgt direkt in der Fertigungslinie. Die voll automatisierte Lösung entscheidet ohne menschliches Eingreifen über die Freigabe.

 

Ein auf einem Roboter montierter Cobalt führt eine voll automatisierte Inspektion an einer Abgasbaugruppe durch. Die Baugruppe ist 1,8 Meter lang und umfasst 50 bis 60 Variationen. Die Überprüfung dauert insgesamt weniger als 65 Sekunden.

Ein auf einem Roboter montierter FARO® Cobalt Array Imager hilft VRSI und Dynacraft bei der Erreichung ihrer Ziele

Das in Algona, Washington, ansässige Unternehmen Dynacraft ist ein breit aufgestellter globaler Hersteller von Bauteilen für mittelschwere und schwere PACCAR-Lkws, die unter den Markennamen Kenworth, Peterbilt und DAF vertrieben werden. Seit über 40 Jahren stellt Dynacraft den Sparten des Unternehmens, die für Lkw-Fertigung und PACCAR-Bauteile zuständig sind, hochwertige Komponenten, Unterbaugruppen und spezialisierte Dienstleistungen bereit.

Die Herausforderung

„Eine der Anforderungen an die neuen Abgassysteme für 2017, die wir derzeit produzieren, war eine Vorgabe unserer für die Zuliefererqualität zuständigen Abteilung, eine 100%ige Inspektion der Abgasbaugruppen durchzuführen“, erklärt Mario Caudillo, Qualitätsingenieur im Bereich Fertigung bei Dynacraft. „Wir hatten bis dahin mit herkömmlichen Stichprobenprüfungen gearbeitet, weshalb es eine ziemliche Herausforderung darstellte, zu einer 100%igen Inspektion zu wechseln.“ Obwohl Dynacraft täglich über 200 Baugruppen durch seine Fertigungslinie laufen lässt, genügten ein manueller Messarm und einige Techniker zur Durchführung der Stichprobenprüfung. Für das Qualitätssicherungsteam von Dynacraft lag es jedoch klar auf der Hand, dass sie mit ihrem bestehenden Prozess keine 100%ige Inspektion bewerkstelligen können würden. Eine automatisierte Lösung war notwendig, um die Erwartungen der Kunden erfüllen zu können.

Die richtigen Fragen stellen

Da er vor seiner Tätigkeit für Dynacraft bei einem Originalteilhersteller (OEM) gearbeitet hatte, besaß Caudillo Erfahrung mit Ausrüstung, die einen Weg aus dem Dilemma bieten konnte. Es ging nur darum, das richtige Unternehmen mit den richtigen Experten zu finden, um das Projekt umzusetzen. „Ich sprach mit einigen Unternehmen über dieses Projekt, aber sie konnten aufgrund technologischer Beschränkungen ihrerseits nicht das bieten, was wir benötigten“, so Caudillo. „Als ich mich an Variation Reduction Solutions, Inc. (VRSI) wandte und erste Gespräche mit Evan Asher und Mike Kleemann führte, stellten diese die richtigen Fragen, um dieses Projekt von der reinen Theorie zur Anwendung zu führen.“

„Wir sind sehr zufrieden mit dem, was wir haben … Wir wussten, dass wir eine Lösung benötigten, die innerhalb des Prozesses und der Fertigungslinie einsetzbar ist, um unsere Anforderungen erfüllen zu können. Wenn wir versuchen würden, den gleichen Vorgang mit einem manuellen Prozess zu bewerkstelligen, müssten wir pro Schicht mindestens fünf oder sechs zusätzliche Mitarbeiter in der Qualitätsabteilung einsetzen, um die Art von Daten erfassen zu können, die wir derzeit erfassen.“

MARIO CAUDILLO, QUALITÄTSINGENIEUR IM BEREICH FERTIGUNG BEI DYNACRAFT

 

Komponenten bauen, die Komponenten bauen

Mit einem umfangreichen Team aus sehr erfahrenen Spezialisten erstellt VRSI seit 1998 modernste integrierte Lösungen für Sicht, Messung, Industrierobotersteuerung und automatisierte Inspektion für seine Kunden. „Fast alle Lösungen unserer Gruppe sind zumindest teilweise individuell konzipiert“, berichtet Evan Asher, Projektingenieur bei VRSI. „Jedes Projekt wird speziell auf die Anwendung und Bedürfnisse des Kunden abgestimmt. Wir haben Projekte, die einander ähneln, aber letztlich hat jeder Kunde einen etwas anderen Prozess mit etwas anderen Anforderungen. Je nach Problemstellung passen wir die Lösung entsprechend an.“ Die ideale Lösung für Dynacraft sollte einem Größenprofil entsprechen, mit dem sie in eine Arbeitszelle innerhalb der Fertigungslinie passen würde, voll automatisiert arbeiten und einen 1,8 Meter langen Behälter mit 50 bis 60 Variationen messen könnte – all das innerhalb von 65 Sekunden.

Die richtigen Systemkomponenten auswählen

„Wenn ein Projekt die Integration von Messtechnik mit Fertigungsautomation erfordert, ist dies oft mit einer aufwendigen technischen Systemplanung verbunden“, erklärt Mike Kleemann, Chefingenieur und Leiter der Aerospace-Gruppe von VRSI. „Wir beginnen mit den Anforderungen und erarbeiten dann rückwärts die Kombinationen der Elemente für Messung, Automatisierung, Steuerung und Integration, die für eine optimale Lösung notwendig sind.“ Eine der Systemkomponenten, die bei VRSI zum Einsatz kamen, war ein FANUC-Roboterarm. Für die Messtechnik wählte das Unternehmen den FARO Cobalt Array Imager. „Einer der Gründe, weshalb wir generell gerne mit FARO zusammenarbeiten, ist einfach, dass sie als Lieferant sehr zuverlässig sind“, so Asher. „Wir haben festgestellt, dass der Cobalt exakt die Genauigkeit und das Sichtfeld bietet, die wir

für diese Anwendung benötigen. Außerdem hat sich herausgestellt, dass er sehr einfach zu bedienen ist. Man verbindet ihn mit einem Computer und kann praktisch sofort loslegen – das ist relativ nahtlos verlaufen. Ich würde sagen, dass der einfachste Teil des Projekts die Implementierung des Cobalt war.“ Auch Variationen bei der Oberflächenverarbeitung auf derselben Baugruppe waren ein Kriterium bei der Auswahl des Scanners. „Die Oberfläche [der Abgasbaugruppe] weist verschiedene Metallbeschichtungen auf“, erklärt Asher. „Einige sind glänzend, andere stumpf, und wieder andere liegen irgendwo dazwischen, eher wie mattschwarzes Metall. Auch der Winkel, mit dem der Cobalt die Oberfläche [aufgrund räumlicher Beschränkungen] messen muss, macht einen Unterschied. Deshalb haben wir für jede dieser Positionen eine andere Belichtungseinstellung gewählt. Manchmal war eine Belichtungseinstellung ausreichend, manchmal benötigten wir mehrere Belichtungseinstellungen. Um bestimmte Merkmale effektiv zu erfassen und eine korrekte Messung zu erreichen, kann es vorkommen, dass wir drei verschiedene Belichtungen anwenden müssen.“ Der große Dynamikbereich des Cobalt und seine Fähigkeit zur Messung glänzender Oberflächen machen ihn zu einer guten Wahl für Messlösungen, die in die Fertigungslinie integriert werden sollen.

In den Fertigungsablauf einpassen

„Eine Priorität bestand für uns darin, das Datenschema nach der Form- und Lage-Toleranz (GD&T) der Vorlage zu erfassen“, erklärt Caudillo. „Die Lage der Datenpunkte auf der Baugruppe ist je nach ihrer Position in der Baugruppe sehr schwierig zu ermitteln. Diesen Vorgang konnte VRSI mit dem Cobalt-System und dem Roboter sehr gut bewerkstelligen.“ Die Berücksichtigung der räumlichen Gegebenheiten im Fertigungsbereich ist bei der Planung eines Systems zur 100%igen Überprüfung keine leichte Aufgabe. „Zwei der vier Merkmale, die wir messen mussten, lagen in sehr engen Bereichen“, berichtet Asher. „Um alle Merkmale messen zu können, musste der Cobalt in einem ganz bestimmten Winkel arbeiten. Zwischen dem Sichtfeld des Sensors und den Bewegungsabläufen des Roboters gelang es uns, die geeignete Position zur Erfassung dieser Merkmale zu finden.“

„Wir haben festgestellt, dass der Cobalt exakt die Genauigkeit und das Sichtfeld bietet, die wir für diese Anwendung benötigen. Außerdem hat sich herausgestellt, dass er sehr einfach zu bedienen ist. Man verbindet ihn mit einem Computer und kann praktisch sofort loslegen – das ist relativ nahtlos verlaufen. Ich würde sagen, dass der einfachste Teil des Projekts die Implementierung des Cobalt war.“

EVAN ASHER, PROJEKTINGENIEUR BEI VRSI

Maximale Systemflexibilität für gemischte Fertigungslinien sicherstellen

Einer der schwierigsten Aspekte dieses Projekts war die Entscheidung, wie zur Erfassung all der verschiedenen Variationen der Position der Ein- und Ausgänge dieser Baugruppen vorgegangen werden sollte. Die Variationen umfassten jeweils andere Ein- und Ausgangspositionen, je nach der x- und y-Konfiguration der Position der Ein- und Auslässe.„Der Cobalt-Sensor ermöglichte uns wirklich ein hohes Maß an Flexibilität“, sagt Asher. „Durch das Volumen des Sichtfelds des Cobalt-Sensors passten alle von uns gemessenen Teile, wenn auch in geringfügig anderen Positionen, in dieses Sichtfeld hinein. Obwohl wir aus dem Blickwinkel des Cobalt verschiedene Bauteile verarbeiteten, genügte eine einzige Cobalt-Roboter-Position, um über 20 verschiedene Konfigurationen in dieser einen Position zu messen, statt 20 verschiedene Roboter-Positionen zu haben.“ In anderen Worten: Das System kann die Daten zu 50 bis 60 Variationen mit sechs Roboter-Positionen anstelle von Hunderten erfassen. Diese Fähigkeit spart Zeit und Aufwand, es müssen weniger Messroutinen geschrieben werden und auch zur

Erfassung aller erforderlichen Daten sind weniger Messroutinen erforderlich. An jeder der Roboter-Positionen sammelt der Cobalt Daten und erstellt eine Punktewolke. Die einzelnen Punktewolken müssen dann zusammengefügt werden, um für jede Abgasbaugruppe einen vollständigen Datensatz zu bilden. Um diese Punktewolken exakt zusammensetzen zu können, werden die Cobalt-Positionen während der anfänglichen Einrichtung registriert. Hierfür wurde ein FARO Vantage Lasertracker verwendet. „Bei der Roboterkalibrierung werden gewöhnlich Lasertracker-Daten zur Verbesserung der volumetrischen Genauigkeit eines Roboters verwendet, indem dessen kinematisches Modell aktualisiert wird“, erläutert Kleemann. „Wir haben das in diesem Fall nicht getan, da es nur wenige Einzelpositionen gab. Der Vantage Lasertracker wurde für die Anfangsregistrierung der Roboter-Positionen eingesetzt. Danach nutzt das Inspektionssystem die Wiederholbarkeit des Roboters aus, um diese Positionen weiterhin beizubehalten. Für diese Anwendung stellt dies einen effektiven und effizienten Ansatz dar.“ „Der Cobalt misst im Grunde nur vier beliebige Punktewolken. Danach haben wir mithilfe des FARO Vantage-Lasertrackers diese Positionen registriert, bevor Bauteile in die Zelle gelangen“, so Asher. „Auf diese Weise kann man alles zusammensetzen, um eine exakte Darstellung eines Bauteils zu erhalten. Natürlich würde diese Anwendung ohne die anfängliche Registrierung mit dem Lasertracker nicht funktionieren“, sagt er. „Sie ist eine Voraussetzung für den Prozess.“

„Das System arbeitet selbständig. Der Bediener muss überhaupt nicht eingreifen. Das System stellt fest, ob das Bauteil in Ordnung ist und freigegeben werden kann. Anschließend schickt es diese Information an das Ende der Fertigungslinie, damit unser Personal in der Verpackung weiß, ob das Bauteil freigegeben ist oder nicht.“

MARIO CAUDILLO, QUALITÄTSINGENIEUR IM BEREICH FERTIGUNG BEI DYNACRAFT

Die Automatisierungssituation

Das Dynacraft-Werk betreibt 26 Fertigungslinien. 24 davon werden nahezu vollständig manuell betrieben, eine weitere arbeitet halb automatisiert, mit einem Bediener und einem Roboter. Außerdem gibt es noch die neue Qualitätskontroll-Linie. „Dies ist das erste Projekt mit einem so hohen Automatisierungsgrad für unser Werk“, so Caudillo. „Unsere Werksabläufe sind arbeitsintensiv. Deshalb wollten wir mit diesem Projekt den Übergang von einem manuellen, arbeitsintensiven Prozess hin zu einem hochgradig automatisierten Verfahren schaffen.“ „Das System arbeitet selbständig“, sagt Caudillo. „Der Bediener muss überhaupt nicht eingreifen. Das System stellt fest, ob das Bauteil in Ordnung ist und freigegeben werden kann. Anschließend schickt es diese Information an das Ende der Fertigungslinie, damit unser Personal in der Verpackung weiß, ob das Bauteil freigegeben ist oder nicht. Wenn ja, geht es in den Verpackungsprozess. Wenn nicht, leitet das VRSI-System die jeweilige Baugruppe manuell an eine Nacharbeitsstation weiter, wo sie von Hand überarbeitet und erneut gemessen wird, um zu überprüfen, ob sie in Ordnung ist. Dann geht sie zurück an die Verpackung und wird an unseren Kunden geliefert.“

Taktzeiten minimieren

Die vielleicht wichtigste Priorität des Projekts war die Einhaltung der Vorgaben bezüglich der Takt- bzw. Zykluszeiten.

„Die Takt-/Zykluszeit, in der die Linie ein Bauteil fertigen muss, um die Anforderungen unserer Kunden zu erfüllen, beträgt 65 Sekunden“, sagt Caudillo. „Bei Einhaltung dieser 65 Sekunden können wir täglich rund 240 bis 250 Baugruppen herstellen. Jeder Wert über dieser 65-Sekunden Marke bedeutet, dass die Fertigungsline die Kundenanforderungen nicht erfüllt.“ Die effiziente Automatisierung der Produktzufuhr und Messroutine war eine entscheidende Voraussetzung für die Entwicklung eines Systems, das die Fähigkeit bot, die Zykluszeiten für die Produktion einzuhalten. Ein weiterer zentraler Faktor in puncto

Zeitersparnis war die On-Board-Verarbeitung des Cobalt, bei der die Punktewolke direkt im Cobalt berechnet wird. „Die On-Board-Verarbeitung des Cobalt ermöglichte die nahtlose Gestaltung der Anwendung“, so Asher. „Wenn der Cobalt in Position ist und misst, wird die Punktewolke in etwa drei bis vier Sekunden erzeugt. Diese Schnelligkeit war äußerst wichtig, da sie dem Roboter mehr Zeit für seine Bewegungen verschafft. Der Roboter muss sich nicht schnell bewegen, da wir dank der Geschwindigkeit des Cobalt eine gewisse Flexibilität haben.“

 

Zusatzvorteil

Ob ein Qualitätskontrollprozess nun auf Stichproben basiert oder durch eine 100%ige Inspektion wie bei der VRSI-Prüfstation erfolgt – in jedem Fall dient er dazu, fehlerhafte Teile abzufangen. Doch das ist erst der Anfang. Das Dynacraft-Team nutzt die Daten zu nicht freigegebenen Teilen zu seinen eigenen Gunsten. „Wir hatten einige Probleme mit Zuliefererteilen vermutet“,

räumt Caudillo ein. „Unsere Zulieferer produzieren verschiedene Bauteile für unterschiedliche Bereiche unseres Werks. Wenn ein fehlerhaftes Teil in einem Bereich auftaucht, stellt man für gewöhnlich fest, dass derselbe Hersteller auch in anderen Bereichen fehlerhafte Teile geliefert hat. Deshalb wurden entsprechende Probleme erkennbar, als wir begannen, unser System zur statistischen Prozesssteuerung mit Daten aus unserer Linie mit 100%iger Inspektion zu füttern.“ „Dank des neuen Systems können wir diese Probleme nun bis zu unseren Zulieferern zurückverfolgen und diese bei Verbesserungen unterstützen“, sagt er. „Als wir das Thema ansprachen, zeigten sich die Zulieferer sehr offen dafür, auch weil wir nun über entsprechende Daten verfügen und sagen können: Es sieht so aus, als hätten Sie hier ein Problem. Wie können wir Ihnen helfen, es zu beheben?‘ Ich glaube nicht, dass jemand diese Möglichkeit schon vor dem Projekt erkannt hat. Sie hat sich einfach im Verlauf ergeben. Und wir nutzen sie zu unserem Vorteil.“ Kurz gesagt, hilft die 100%ige Inspektion den Zulieferern, ihre eigene Organisation zu optimieren, da ihre Qualitätskontrolle engmaschiger wird.

Das Projekt bewerten

Nachdem das System etwa fünf Monate im normalen Fertigungsbetrieb genutzt wurde, besaß das Dynacraft-Team zuverlässige Daten und einen recht guten Überblick über die Fähigkeiten seines neuen Qualitätskontrollsystems. Wie lautet das Fazit? „Wir sind mit unserem System sehr zufrieden“, sagt Caudillo. „An einem guten Tag schafften unsere Qualitätstechniker mit unserem Stichprobensystem etwa 25 Einheiten in einer Achtstundenschicht. Grob gerechnet, dauerte folglich die Messung einer Baugruppe zwischen 20 und 30 Minuten. Als unsere Kunden eine 100%ige Inspektion verlangten, fragten wir uns daher, wie wir dies schaffen sollten. Wir wussten, dass wir eine Lösung benötigten, die innerhalb des Prozesses und der Fertigungslinie einsetzbar ist, um deren Anforderungen erfüllen zu können. Wenn wir versuchen würden, den gleichen Vorgang mit einem manuellen Prozess zu bewerkstelligen, müssten wir pro Schicht mindestens fünf oder sechs zusätzliche Mitarbeiter in der Qualitätsabteilung einsetzen, um die Art von Daten erfassen zu können, die wir derzeit erfassen.“ Und wäre das ein rentables Vorgehen? „Absolut nicht“, so seine Antwort.

100%ige Inspektion als Unterscheidungsmerkmal

Obwohl eine 100%ige Inspektion in der Fertigung zum aktuellen Zeitpunkt noch eher die Ausnahme als die Regel darstellt, wird deren Einsatz immer häufiger gefordert. In den Sektoren Luft- und Raumfahrt sowie Medizingeräte ist sie allerdings schon größtenteils Standard. Da OEMs bestrebt sind, Risikofaktoren zu mindern, und Zulieferer sich vom Wettbewerb abheben möchten, wird sich diese Art der Inspektion zweifellos als bester Prozess zur Qualitätskontrolle durchsetzen. „Dynacraft arbeitet kontinuierlich an der Verbesserung der Qualität seiner Produkte“, erklärt Caudillo. „Deshalb erfüllen wir insgesamt nicht nur die Nachfrage unserer Kunden [nach einer 100%igen Inspektion], sondern verschaffen auch uns selbst einen Vorteil. Mithilfe dieses Prozesses stellen wir sicher, dass wir durchgehend hochwertige Produkte fertigen.“ Er fasst zusammen: „Indem wir eine 100%ige Inspektion durchführen, garantieren wir letztlich, dass alle von uns produzierten und gelieferten Teile den Anforderungen des Kunden entsprechen.“

 

– VIER GUTE GRÜNDE FÜR DEN FARO® COBALT ARRAY IMAGER

1 On-Board-Verarbeitung – Ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Leistung, einfache Integration und mehrere Imager-Konfigurationen.

2 Hohe Auflösung – Auswahl zwischen dem 5MP Cobalt oder dem 9MP Cobalt. Die 9MP-Version bietet eine verbesserte Auflösung und kann so Merkmale an Kanten und Oberflächen besser erfassen.

3 Großer Dynamikbereich – Problemlose Handhabung komplexer Teile mit dunklen und hellen Oberflächen, unterschiedlichen Farben, Texturen und Reflexionseigenschaften.

4 Austauschbare Linsen – Flexibilität für mehrere Sichtfelder

 

ÜBER DYNACRAFT

Dynacraft ist ein breit aufgestellter globaler Hersteller von Bauteilen für mittelschwere und schwere PACCAR-Lkws, die unter den Markennamen Kenworth, Peterbilt und DAF vertrieben werden. Seit über 40 Jahren stellt Dynacraft den Sparten des Unternehmens, die für Lkw-Fertigung und PACCAR-Bauteile zuständig sind, hochwertige Komponenten, Unterbaugruppen und spezialisierte Dienstleistungen bereit.

WWW.DYNACRAFTNET.COM

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