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PTB-Mitteilungen 117 (2007), Heft 4 Themenschwerpunkt • 417 Prüfprozesseignung von Inline-Messtechnik im Karosseriebau Klaus Wendt 1 , Christian Keck 2 , Heinrich Schwenke 3 1 Einleitung Bei der Fertigung von Karosseriebauteilen werden seit etwa zehn Jahren Inline-Messstationen zur Überwachung des Produktionsprozesses eingesetzt. Inline-Messstationen sind direkt in die Produktionslinie integriert (Bild 1). Zu Beginn der Messung wird das zu prüfende Bauteil in die Station eingefahren. Sensoren, die entweder fest in Gestellen oder beweglich an einem Roboterarm montiert sind, messen die Prüfmerkmale. Am Schluss wird das Bauteil zur nächsten Fertigungsstation weitergeleitet. In einem Produktionstakt können mehrere Dutzend Merkmale an einem Bauteil gemessen werden. Die Messzeiten sind so kurz, dass eine 100%-Prüfung an allen gefertigten Bauteilen möglich wird. Die statistische Auswertung der Messungen gibt einen guten Einblick in den Fertigungsprozess und erlaubt so kurze Regelkreise. Eine statistische Prozessregelung setzt allerdings zuverlässige und aussagekräftige Messungen voraus. Die Betreiber von Inline-Messstationen versuchten bisher, die Zuverlässigkeit und die Aussagekraft von Messungen durch so genannte statische und dynamische Tests zu überprüfen. Sie stießen dabei jedoch auf Grenzen, weil bei den Tests die Wiederholbarkeit im Vordergrund steht und auf die Rückführbarkeit bzw. Richtigkeit der Messungen nur unzureichend Wert gelegt wurde. Um hinsichtlich der Eignung solcher Systeme als Prüfmittel zu belastbaren Aussagen zu gelangen, sind von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Zusammenarbeit mit Herstellern und Anwendern von Inline-Messstationen sowie der RWTH Aachen neue Verfahren entwickelt worden, die auf der Ermittlung der Prüfprozesseignung basieren. Der Beitrag gibt einen Überblick über das entwickelte Verfahren. 1 Dr. Klaus Wendt Leiter der PTB- Arbeitsgruppe „Koordinatenmessgeräte“ E-Mail: klaus.wendt@ptb.de 2 Dipl.-Ing. Christian Keck Mitarbeiter des Fraunhofer Instituts für Holzforschung E-Mail: christian.keck@ wki.fraunhofer.de 3 Dr. Heinrich Schwenke Vorstand etalon AG, Braunschweig E-Mail: heinrich.schwenke@ etalon-ag.de Bild 1: Inline-Messstation (Quelle: Perceptron)
418 • Themenschwerpunkt PTB-Mitteilungen 117 (2007), Heft 4 Bild 2: Einschränkung des Übereinstimmungsbereichs durch die Unsicherheit des Prüfprozesses 2 Prüfprozesseignung Für die Annahme eines Messmittels zur Produktauditierung ist der Nachweis der Prüfprozesseignung zu erbringen. Durch die Prüfprozesseignung wird bestätigt, dass ein Messsystem geeignet ist, die Übereinstimmung eines Bauteils mit der Spezifikation (der Soll-Geometrie) zu prüfen. In der von dem Verband der deutschen Automobilindustrie (VDA) herausgegebenen Richtlinie VDA 5 ist die Prüfprozesseignung als alleiniges Gütekriterium definiert, um für die tatsächlichen Einsatz- und Umgebungsbedingungen festzustellen, ob ein Messsystem für die Prüfung eines Merkmals geeignet ist. Für Inline- Messsysteme bedeutet dies, dass die Eignung unter dem Einfluss der rauen Fertigungsumgebung zu untersuchen ist. Die Eignung des Messsystem ist dabei allein unter Berücksichtigung der aufgabenspezifischen Messunsicherheit zu ermitteln. Die Bestimmung der aufgabenspezifischen Messunsicherheit ist daher für den Nachweis der Prüfprozesseignung von zentraler Bedeutung. Die internationale Norm ISO 14253-1 [6] legt allgemeine Regeln zur Prüfung von geometrischen Merkmalen entsprechend der geometrischen Produktspezifikation (GPS) fest. In Anlehnung daran ist in der VDA 5 die Prüfprozesseignung definiert. Danach ist ein Messprozess für die Prüfung eines geometrischen Merkmals geeignet, wenn der Eignungskennwert g PP einen vorgegebenen Eignungsgrenzwert G PP einhält: g PP U = T ⋅ 2 PP ʺ G PP Der Eignungskennwert wird aus dem Verhältnis zwischen der erweiterten Messunsicherheit U PP des Prüfprozesses und der für das zu prüfende Merkmal vorgegebenen Toleranz T gebildet. Er zeigt an, welcher Anteil der Toleranz durch den Prüfprozess verbraucht wird bzw. wie weit der Prüfprozess die für den Fertigungsprozess nutzbare Toleranz einschränkt (Bild 2). Übliche Grenzwerte G PP liegen zwischen 0,2 und 0,4, so dass für den Fertigungsprozess zwischen 60% und 80% der spezifizierten Toleranz zur Verfügung stehen. 3 Unsicherheitseinflüsse auf Inline- Prüfprozesse Zum Nachweis der Prüfprozesseignung ist die zuverlässige Bestimmung der Unsicherheit U PP des Prüfprozesses von zentraler Bedeutung. Sie muss für jedes einzelne Prüfmerkmal ermittelt werden, wobei alle Einflüsse auf das Messergebnis zu erfassen sind. Neben Messabweichungen, verursacht durch das Messgerät, gehören dazu auch Einflüsse des Bauteils, der Fertigungs- umgebung, der Aufspannung und Lagerung (Bild 3). Bild 3: Wichtige Einflüsse auf den Inline-Prüfprozess Als Sensoren werden in Inline-Messstationen verschiedene optische Sensoren wie Lichtschnitt- und Triangulationssensoren sowie Kameras mit Graubildverarbeitung, aber auch taktile Sensoren wie induktive Wegaufnehmer eingesetzt. Die Sensoren erfassen die Prüfmerkmale in sehr unterschiedlicher Weise und mit verschiedenen Punktdichten. Messergebnisse optischer Sensoren werden sehr stark vom Zustand der Bauteiloberfläche (z.B. Rauheit, Textur, Farbe, Kanten) sowie der Orientierung der Sensoren zu Oberfläche beeinflusst. Die Sensoren müssen gut auf das Bauteil ausgerichtet werden, so dass Fehler in der Justierung die Messung nicht beeinträchtigen. All diese Einflüsse müssen anteilig bei der Bestimmung der Unsicherheit berücksichtigt werden. Ein wichtiger Einfluss des Bauteils ist seine Temperatur und die damit verbundene thermische Ausdehnung. Bei produktionsnah eingesetzten Messsystemen muss mit starken Schwankungen der Temperatur gerechnet werden. Ein Bauteil kann beispielsweise unmittelbar aus der vorgehenden Fertigungsstation kommen und noch sehr warm sein; es kann aber auch aus einem Pufferspeicher kommen und fast Raumtemperatur angenommen haben. Des Weiteren sind Bauteile im Karosseriebau oft flexibel und erreichen ihre endgültige Stabilität erst gegen Ende der Fertigung. Bei Messungen müssen sie in besonderen Aufnahmen gespannt werden. Die Wechselwirkungen
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