Oberflächen präzise inspizieren und analysieren

3D-Inspektionssysteme können Oberflächen bis ins kleinste Detail darstellen. Nötig ist das beispielsweise in der Automobilindustrie für die Lackfehlerkontrolle. Kleinste Fehler oder Einschlüsse im Lack führen hier zu kostspieliger Nacharbeit. Micro-Epsilon hilft dabei, Fehler schnell und zuverlässig zu erkennen und automatisch abzuarbeiten. 

Im Automobilbereich sind spiegelnde Oberflächen zu erkennen und zu vermessen, zum Beispiel beim Fertigen von Spiegeln oder der Lackfehlerkontrolle einer fertigen Karosserie. Um auf diesen Oberflächen einen Fehler bzw. Defekt zu erkennen, werden hochpräzise Messsysteme benötigt, die Abweichungen in der Oberflächenstruktur im Submikrometerbereich erkennen. 

Hochpräziser Oberflächenscan  

Für diesen Anwendungsbereich hat Micro-Epsilon die Sensorfamilie reflectControl entwickelt, die auf dem Messprinzip der Deflektometrie basiert. Hierbei stellt der Sensor über einen Monitor ein sinusförmiges Streifenmuster dar, welches über die Oberfläche des Messobjekts in die Kameras des Sensors gespiegelt wird. Aus den hierbei entstehenden Phasenbildern lassen sich sogenannte Kernel-Bilder auf Basis der Messgrößen Basisintensität, Amplitude und Krümmung berechnen. Abweichungen auf der Oberfläche werden erkannt, mit der Software verarbeitet und in den Reflektivitäts- und Krümmungsbildern dargestellt.  

Hochauflösendes Messsystem 

Micro-Epsilon reflectControl Automotive wird auch als PSS 8005-D bezeichnet und besitzt einen Messbereich von 367,5 mm x 823,4 mm. Die Sensoren messen selbst kleinste Defekte mit einer Auflösung von 185 µm und arbeiten mit einer Messdatenerfassung von 400 ms. 

Die hochgenaue Auflösung kommt beispielsweise der Lackfehlerinspektion führender Automobilhersteller zugute. In der Vergangenheit verließen diese sich hierbei auf Lichttunnel oder Systeme mit statischen Sensoren. Beide Möglichkeiten sind aufgrund unterschiedlicher Ursachen sehr fehleranfällig.  

Aus diesem Grund setzen Automobilhersteller heute auf Messsysteme von Micro-Epsilon. Beim reflectControl System wird die Karosserie in eine feste Position gebracht. Die Sensoren sind an Roboterarmen angebracht und bewegen sich hiermit über die Karosserie hinweg.  

Für kurze Taktzeiten geeignet 

Micro-Epsilon entschied sich für diese Möglichkeit, da man hier die geringste Fehlerquote erreicht und geforderte Taktzeiten – die Zeitspanne, die zwischen der Inspektion zweier Fahrzeuge vergeht – einhalten kann. Pro Inspektionsstation vermessen zwei bis vier Roboterarme mit jeweils einem Sensor die gesamte Karosserie. Für sehr kurze Taktzeiten haben sich zwei Stationen mit jeweils vier Robotern bewährt – Micro-Epsilon kann jedoch für alle gewünschten Taktzeiten Lösungen anbieten. 

Um den Roboterarm ausreichend zu beschleunigen und abzubremsen, war es erforderlich, das Gesamtgewicht eines Sensors unter 50 kg zu halten, was Micro-Epsilon über ein Carbon-Gehäuse erreicht hat. Dies erhöht die Robustheit des Gesamtsystems und schont zugleich den Roboterarm, was die Lebensdauer zusätzlich verlängert.  

Erkennen und automatisches Abarbeiten von Defekten 

Mit den oben beschriebenen Lichttunneln erreichten Automobilhersteller in der Vergangenheit eine Fehlerabdeckung von etwa 60 Prozent. Mit reflectCONTROL ist eine Defekterkennung von nahezu 100 Prozent möglich.  

Zunächst wird das Fahrzeug von Messposition zu Messposition vermessen und gefundene Fehler auf die Fahrzeugoberfläche rückprojiziert. Ein Defekt kann mit ± 3 mm auf der Fahrzeugoberfläche lokalisiert werden. Jedem Defekt werden durch die auf dem Markt einzigartige 3D-Rekonstruktion 3D-Merkmale wie Höhe, Tiefe und Volumen hinzugefügt.  

Ist der Defekt erkannt und lokalisiert, kann das automatische Abarbeiten beginnen, das Micro-Epsilon zusammen mit den Partnerfirmen ASIS und Virtek Vision umsetzt. Das geschieht über weitere Roboter mit aktiver Kraftregelung, die mit jeweils einem Schleif- und Polierkopf in Dual-Montage ausgestattet sind. Dieser schleift den Defekt zunächst ab, um ihn anschließend zu polieren. Über ein Lasermarkiersystem des Unternehmens Virtek Vision wird die Fehlerstelle im Anschluss berührungslos durch Lichtprojektion auf die Karosse als bearbeitet markiert. Das System weiß zu jeder Zeit, welcher Roboter gerade welche Punkte bearbeitet beziehungsweise welche Defekte bereits bearbeitet wurden.  

Die wichtigste Voraussetzung für das automatische Abarbeiten ist die detaillierte Datenbasis, die Micro-Epsilon mit reflectControl bereitstellen kann. Hiermit können OEM ihre Produktion optimieren, Fehlerketten erkennen und frühzeitig eingreifen, wenn Fehler auftreten. Das spart Zeit und Kosten in der Produktion. 

System lernt automatisch 

Diese detaillierte Datenbasis kommt auch dem Klassifizieren der 3D-Daten zugute. Die Fehlererkennung mündet in einer 3D-Rekonstruktion der Defekte, die prinzipiell auf der Integration der Krümmungsdaten basiert. Klassifizieren heißt hierbei, die Art des Defekts zu erkennen, also ob es beispielsweise ein Krater, Einschluss oder ein Defekt aus dem Untergrund ist. Das System kann außerdem selbstständig neue Defektklassen definieren.  

Alle Daten stehen dem OEM zur Verfügung und können in die gängigen übergeordneten Q-Systeme eingelesen werden. Somit lassen sich die Daten auch mit etablierten Tools visualisieren. Außerdem werden mit den gelabelten Daten die dahinterliegenden KI-Algorithmen trainiert. 

Bewerten der Oberfläche 

Neben dem automatischen Abarbeiten mit Partnerunternehmen kann Micro-Epsilon eine Appearance-Auswertung durchführen, die eine Strukturbewertung der Oberfläche ermöglicht. Hierbei wird die vorhandene Lackstruktur in ihre spektralen Anteile zerlegt. Die Anteile werden in unterschiedlichen Frequenzbereichen zusammengefasst, zum Beispiel short oder long wave, sprich, welche Kurz- und Langwellen in der Struktur der Oberfläche enthalten sind. 

Für Automobilhersteller ist die Einhaltung bestimmter Appearance-Werte entscheidend. Üblicherweise übernehmen diese Aufgabe End-of-Line- oder Aquazellen, in denen Roboter per Scanner die Appearance direkt über die Oberfläche messen. Dieser Vorgang dauert rund 20 Minuten pro Fahrzeug. Mit dem System von Micro-Epsilon lässt sich die Appearance ohne zusätzliche Hardware auf Basis der vorhandenen Bilder auswerten. Das spart Zeit und Kosten für den OEM. Zudem lassen sich beliebig viele Messpositionen definieren, was im Grunde einer vollflächigen Appearance-Messung entspricht. 

Fehler erkennen und vermeiden 

Mit Micro-Epsilon reflectControl lassen sich Fehler in spiegelnden Oberflächen zu nahezu 100 Prozent erkennen und klassifizieren. Gerade im Bereich der Lackfehlerinspektion in der Automobilproduktion ist das System herkömmlichen Lichttunneln und den statischen Systemen überlegen. Aufgrund der großen Datenbasis sind die Hersteller von automatischen Abarbeitungssystemen in der Lage, den Defekten die richtigen Abarbeitungsrezepte zuzuordnen. Das vermindert unnötige Defektbehandlung und spart dem OEM somit Ressourcen und Kosten.  

Micro-Epsilon bietet reflectControl als Komplettsystem von Fehlererkennung bis hin zur Analyse der 3D-Daten über die Datenbank an. Der Sensor wird an Micro-Epsilon-Standorten in Deutschland und Österreich entwickelt und gefertigt. Implementieren kann Micro-Epsilon ihn an Fertigungsstandorten weltweit – dank seiner internationalen Niederlassungen.  

Autor: Konrad Steinhuber Gruppenleitung Projektierung Oberflächenprüfung, Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG 

Bilder: AdobeStock, Micro-Epsilon Messtechnik, ASIS