Verbauprüfung im Sondermaschinenbau: 100%-Kontrolle von Clips, Pins und Baugruppen mit 3D-Snapshot-Sensoren

Wer Montage- und Prüfanlagen baut, kennt die Anforderung aus fast jedem Lastenheft: Nach dem Fügeschritt muss die Anlage sicherstellen, dass alle Komponenten vorhanden, korrekt gesetzt und verrastet sind, und zwar zu 100 %, innerhalb der Taktzeit und mit dokumentierten Messwerten. Sichtkontrolle durch den Werker, Messuhr oder mechanische Lehre erfüllen diese Anforderung nicht mehr, da sie zu langsam und bedienerabhängig sind und keine protokollierbaren Werte liefern.

Dieser Beitrag richtet sich an Maschinen- und Anlagenbauer, die eine Verbauprüfung, Clipabfrage oder einen Pincheck in eine neue oder bestehende Anlage integrieren müssen. Er zeigt, warum 2D-Kameras an Höhenmerkmalen scheitern, wann ein 3D-Snapshot-Sensor ohne externe Verfahrachse die wirtschaftlichere Integration darstellt und wie Taktzeit, Bauraum, Profinet-Anbindung und Messmittelfähigkeit von Anfang an abgesichert werden können.

Wichtige Punkte im Überblick

Verbauprüfungen sind in der Praxis meist Höhenprüfungen, die eine 2D-Kamera im Zehntelmillimeterbereich nicht zuverlässig erfasst und bei kontrastarmen Schwarz-auf-Schwarz-Merkmalen gänzlich verfehlt.
Ein 3D-Profilsensor misst das prüfrelevante Höhenmerkmal direkt und arbeitet dabei beleuchtungs- und kontrastunabhängig, sodass auch Schwarz-auf-Schwarz-Merkmale zuverlässig erfasst werden.
Der 3D-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 erfasst das Höhenbild ohne externe Verfahrachse und eignet sich damit besonders für stationäre Prüfaufgaben, während ein scannender Profilsensor die geeignete Wahl ist, wenn das Bauteil ohnehin bewegt wird.
Über die SPS-Anbindung, im deutschen Maschinenbau meist Profinet, werden Programmwahl und OK/NG-Ergebnis übertragen und damit Signalleuchte, Ausschleusung und Maschinenstopp gesteuert.
Gerade im Retrofit mit engem Bauraum ist der achslose Snapshot-Sensor oft der einzige praktikable Integrationspfad. Die Machbarkeit wird dabei einschließlich des Messmittelfähigkeitsnachweises vor der Vergabe am Originalteil belegt.

Warum 2D-Kameras bei Verbauprüfungen an Höhenmerkmalen scheitern

Die meisten Verbauprüfungen sind in der Praxis Höhenprüfungen. Ob ein Clip verrastet ist, ob ein Stecker-Pin auf Sollhöhe steht, ob eine Dichtung plan aufliegt oder ein Emblem bündig sitzt: Das entscheidende Qualitätsmerkmal ist stets ein Höhen- oder Spaltmaß, typischerweise mit Toleranzen zwischen 0,1 und 0,5 mm und einer geforderten Messgenauigkeit von 0,02 bis 0,05 mm.

Eine 2D-Kamera erfasst diese Merkmale nicht. Sie liefert ein Kontrastbild: Ein nicht verrasteter Clip, der optisch an derselben Stelle liegt wie ein verrasteter, wird als in Ordnung bewertet. Bei kontrastarmen Merkmalen, etwa einem schwarzen Clip auf schwarzem Träger oder einer grauen Baugruppe auf Aluminium, versagt die kontrastbasierte Auswertung vollständig. In der Praxis führt das zu zwei bekannten Symptomen: Pseudoausschuss durch schwankende Beleuchtung und Schlupf, weil ein Höhenfehler im Bild unsichtbar bleibt. Beides erzeugt genau das, was die Prüfstation verhindern sollte: Reklamationen beim Endkunden und Diskussionen über die Prozesssicherheit der Anlage.

3D-Profilsensorik löst das Problem an der Wurzel, da sie das prüfrelevante Merkmal direkt misst: die Höhe. Ein Höhenbild ist beleuchtungs- und kontrastunabhängig; Schwarz-auf-Schwarz-Merkmale stellen für einen Laser-Profilsensor keinen Sonderfall dar, sondern gehören zum Normalbetrieb.

Profilsensor mit Achse (LJ-X) oder Snapshot ohne Aktorik (LJ-S8000)? Entscheidungskriterien für Maschinenbauer

Für die 3D-Erfassung stehen zwei Architekturen zur Wahl. Die Entscheidung hängt dabei vor allem von der Integration ab.

Scannende Profilsensoren (LJ-X8000)

Ein Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 erzeugt 2D-Profile, die durch eine definierte Relativbewegung zwischen Sensor und Objekt zu einem 3D-Bild zusammengesetzt werden. Diese Bewegung kann eine bereits vorhandene Achse bereitstellen, zum Beispiel ein Werkstückträger im Durchlauf, ein Roboter oder ein Portal. Diese Lösung ist die richtige Wahl, wenn:

das Bauteil bereits im Prozess bewegt wird, zum Beispiel über ein Transferband, einen Werkstückträger oder einen Drehteller,
große oder langgestreckte Baugruppen zeilenweise erfasst werden sollen,
mehrere Sensorköpfe zu einer Station synchron betrieben werden sollen, zum Beispiel bis zu zwei Köpfe pro Profil-Steuergerät oder in der 3D-Bildverarbeitungs-Konfiguration bis zu vier Messköpfe pro Steuergerät.

Snapshot-Sensoren (LJ-S8000)

Ein 3D-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 erfasst das vollständige Höhenbild in einer einzigen Aufnahme. Dafür sind weder eine externe Verfahrachse noch Aktorik oder Bewegungssteuerung erforderlich. Im Sondermaschinenbau ist das oft ausschlaggebend, weil eine zusätzliche Achse zusätzlichen Konstruktions- und Integrationsaufwand verursacht. Dazu zählen Mechanikkonstruktion, Antrieb, Führung, Verkabelung, sicherheitstechnische Bewertung, Inbetriebnahmezeit und zusätzlicher Bauraum, der in Bestandsanlagen häufig nicht verfügbar ist.

Eine praxiserprobte Faustregel lautet: Steht das Bauteil zum Prüfzeitpunkt still und liegt das Prüffeld innerhalb des Sichtfelds eines Snapshot-Kopfes, ist der LJ-S8000 in der Regel der schlankere und insgesamt kostengünstigere Integrationsweg. Wird das Bauteil ohnehin bewegt oder überschreitet die Prüfgeometrie das Sichtfeld, ist ein scannender LJ-X die passende Lösung, bei Bedarf auch robotergeführt.

Ergänzend eignen sich Kontaktmesstaster der Modellreihe GT2 für Endlagen- und Anwesenheitsprüfungen an schwer zugänglichen Positionen. Einfache Anwesenheitskontrollen ohne Messwertanforderung lassen sich wirtschaftlich mit Vision-Sensoren umsetzen. Für schnelle, berührungslose Einzelpunkt-Höhenmessungen bieten sich Laser-Wegmesssensoren wie die Modellreihe LK-G5000 an. Für hochpräzise Dicken- und Höhenmessungen kommen konfokale Systeme der Modellreihe CL-3000 zum Einsatz.

Pincheck vor dem Verpressen: Toleranzen im Zehntelbereich prozesssicher prüfen

Ein Anwendungsfall erfordert besondere Aufmerksamkeit, weil Fehler hier die höchsten Folgekosten verursachen: die Pin-Prüfung vor dem Einpressen oder Löten. Ein verbogener Pin oder ein Pin mit falscher Höhe kann beim Einpressen die Leiterplatte beschädigen. Der Schaden entsteht damit erst im nachgelagerten, wertschöpfenden Prozessschritt. Wiederkehrende Einpressfehler können dadurch Woche für Woche spürbare Kosten verursachen, obwohl die Ursache nicht zwingend in der eigenen Anlage liegt. Häufig ist eine schwankende Qualität zugekaufter, umspritzter Steckergehäuse der Auslöser, die im Wareneingang oft nicht geprüft wird.

Typische Anforderungen an den Pincheck sind Positions- und Höhentoleranzen von 0,1 bis 0,3 mm sowie geforderte Messgenauigkeiten von 0,01 bis 0,15 mm. Hinzu kommen die Prüfung der Koplanarität aller Pins relativ zum Gehäuseboden oder zur Oberkante sowie Taktzeiten von wenigen Sekunden, etwa auf Rundtakttischen oder in Werkstückträgeranlagen. Oft wird zusätzlich ein Fähigkeitsnachweis gefordert. Im Automotive-Umfeld ist eine MSA mit definierten Cp-Werten üblich.

Für die Umsetzung gilt die oben beschriebene Auswahlregel: Ist ein Achssystem vorhanden, scannen LJ-X8000-Köpfe das Steckerfeld über einen gemeinsamen Controller. Wenn in der Bestandsanlage weder eine Achse noch der erforderliche Bauraum verfügbar ist, erfasst ein LJ-S8000-Snapshot-Kopf das gesamte Pinfeld in einer Aufnahme. Gerade die Nachrüstung in bestehenden Maschinen mit begrenztem Bauraum ist dabei ein typisches Szenario.

Vom Prüfmerkmal zur Ausschleusung: i.O./n.i.O.-Logik, Einstellmeister, SPS-Anbindung über Profinet

Ein Messsystem wird erst durch die Anbindung an die Prüfstation zur vollständigen Lösung. Drei Punkte gehören in jedes Konzept:

Ergebnislogik. Die Auswertung liefert pro Merkmal einen Messwert sowie ein i.O.- oder n.i.O.-Ergebnis. Bei Stationen mit bis zu 108 Prüfpunkten über mehrere Bauteile hinweg, wie sie im Sondermaschinenbau dokumentiert sind, muss der Controller die Einzelmerkmale zu einem Gesamtergebnis verdichten und zugleich jeden Einzelwert protokollieren. Messwerte statt einer reinen Gut-Schlecht-Aussage sind zudem häufig Voraussetzung für Kundenaudits.

Referenzierung. Wenn Genauigkeiten im Bereich weniger Hundertstelmillimeter gefordert sind, hat sich das tägliche Nullsetzen gegen einen Referenzmeister bewährt. Dabei wird ein Meisterteil mit bekannten Maßen zyklisch vermessen, und das System kompensiert Drift automatisch. Diese Referenzierung gehört in die Ablaufplanung der Anlage und sollte von Anfang an vorgesehen werden.

Schnittstelle. Die Anbindung an die SPS erfolgt im deutschen Maschinenbau überwiegend über Profinet. Als Alternativen stehen EtherCAT, EtherNet/IP sowie digitale Ein- und Ausgänge zur Verfügung. Über die Schnittstelle werden unter anderem Programmwahl bei Varianten, Triggersignale sowie Messwerte und Ergebnisse übertragen. Daraus leitet die Anlage ihre Reaktionen ab, etwa die Signalleuchte, die Ausschleusung eines n.i.O.-Teils über eine Bauteilweiche und bei wiederholten n.i.O.-Ergebnissen einen automatischen Maschinenstopp.

Nachrüstung bestehender Anlagen: Bauraum, Taktzeit und Schnittstellen im Retrofit

Viele Verbauprüfungen werden nicht bereits bei der Neuanlage vorgesehen, sondern im Rahmen eines Retrofits umgesetzt, zum Beispiel wenn ein Endkunde nach einer Reklamation eine 100%-Prüfung fordert. Für den Anlagenbauer ergeben sich bei der Umrüstung einer bestehenden Montagelinie drei feste Randbedingungen:

Bauraum: Der Platz zwischen Fügewerkzeug und der nächsten Station ist konstruktiv in der Regel bereits fest belegt. Ein Snapshot-Sensor, der ohne Verfahrachse und Aktorik auskommt, benötigt lediglich einen geeigneten Montagepunkt mit passendem Arbeitsabstand. Damit ist er häufig die einzige Lösung, die sich ohne mechanischen Umbau integrieren lässt.
Taktzeit: Die Prüfung muss innerhalb der vorhandenen Taktzeit erfolgen, typischerweise in 2 bis 30 Sekunden pro Station. Eine Snapshot-Aufnahme inklusive Auswertung liegt deutlich innerhalb dieses Zeitfensters. Bei scannenden Lösungen müssen Verfahrgeschwindigkeit und geforderte Auflösung aufeinander abgestimmt werden.
Schnittstelle: Die Bestands-SPS definiert das Kommunikationsprotokoll. Die Prüfstation muss sich in die vorhandene Profinet-Peripherie einfügen und darf keine Änderungen an der bestehenden Automatisierungsstruktur erzwingen.

Im Retrofit spricht für die Eigenintegration, dass der Maschinenbauer die Anlage und ihre Randbedingungen am besten kennt. Alternativ übernehmen Field Engineers die Inbetriebnahme der Sensorik, oder ein Integrator liefert und realisiert die komplette Lösung. Alle drei Vorgehensweisen sind gängig. Entscheidend ist, die Zuständigkeiten im Angebot klar und eindeutig zu definieren.

Machbarkeit absichern: Testmuster, Vor-Ort-Tests und MSA-Nachweis

Kaum ein Maschinenbauer beauftragt ein Prüfsystem ohne Machbarkeitsnachweis. Das ist nachvollziehbar, weil er die Prozesssicherheit gegenüber seinem Endkunden verantwortet. Der bewährte Ablauf ist:

1.

Merkmalskatalog definieren: Welche Merkmale werden geprüft, welche Toleranzen gelten laut Zeichnung, und welche Messgenauigkeit ist gefordert? Als Orientierung gilt, dass die Messgenauigkeit deutlich feiner als die Toleranz sein sollte.
2.

Testmuster bereitstellen: Gutteile und definierte Schlechtteile, zum Beispiel ein nicht verrasteter Clip, ein verbogener Pin oder eine fehlende Komponente, werden im Applikationslabor oder vor Ort vermessen.
3.

Grenzmuster prüfen: Entscheidend sind nicht das eindeutig gute und das eindeutig schlechte Teil, sondern Bauteile an der Toleranzgrenze.
4.

Fähigkeit nachweisen: Wenn der Endkunde eine MSA fordert, wird die Messmittelfähigkeit durch Wiederhol- und Vergleichsmessungen am realen Merkmal belegt. Das sollte vor der Vergabe erfolgen und nicht erst bei der Abnahme.

So wird aus der Anforderung „100%-Verbauprüfung“ ein kalkulierbares Gewerk mit belegter Machbarkeit, definierter Schnittstelle und einem Integrationspfad, der zu Bauraum und Taktzeit der Anlage passt.

Häufige Fragen

F Was ist eine Verbauprüfung?

Eine Verbauprüfung, auch Montage- oder Baugruppenprüfung genannt, stellt nach einem Montageschritt sicher, dass alle Komponenten vorhanden, korrekt positioniert und vollständig verrastet sind. Typischerweise werden Höhen- und Spaltmaße mit Toleranzen von 0,1 bis 0,5 mm sowie die Anwesenheit von Clips, Pins, Dichtungen oder Anbauteilen geprüft. In modernen Anlagen wird diese Prüfung als 100%-Inlineprüfung mit dokumentierten Messwerten umgesetzt und ersetzt damit die reine Sichtkontrolle.

F Warum reicht eine 2D-Kamera für die Clipabfrage nicht aus?

Ob ein Clip korrekt verrastet ist, lässt sich meist an einem Höhenunterschied von wenigen Zehntelmillimetern erkennen. In einem reinen 2D-Kontrastbild ist dieser Höhenversatz in der Regel nicht zuverlässig sichtbar. Zudem stoßen kontrastbasierte Systeme bei Merkmalen wie Schwarz auf Schwarz oder Grau auf Aluminium schnell an Grenzen. Ein 3D-Sensor erfasst die Höhe direkt und arbeitet dadurch weitgehend unabhängig von Kontrast und Beleuchtung.

F Kann ich eine 3D-Verbauprüfung ohne zusätzliche Verfahrachse integrieren?

3D-Snapshot-Sensoren wie die Modellreihe LJ-S8000 erfassen das komplette Höhenbild in einer einzigen Aufnahme und benötigen weder eine externe Achse noch zusätzliche Aktorik. Das reduziert den Konstruktions-, Integrations- und Inbetriebnahmeaufwand deutlich und ist bei Nachrüstungen in Anlagen mit begrenztem Bauraum häufig der einzige praktikable Integrationsweg. Wird das Bauteil im Prozess ohnehin bewegt, ist alternativ ein scannender Laser-Profilsensor wie der LJ-X8000 sinnvoll, der die vorhandene Achse für die 3D-Erfassung nutzt.

F Wie binde ich das Messsystem an die SPS an?

Im deutschen Maschinenbau erfolgt die Anbindung üblicherweise über Profinet. Alternativ stehen EtherCAT, EtherNet/IP sowie digitale Ein- und Ausgänge zur Verfügung. Über die Schnittstelle werden die Programmwahl für Bauteilvarianten, Triggersignale, Messwerte und das i.O.- oder n.i.O.-Ergebnis übertragen. Auf dieser Basis steuert die SPS die Signalleuchte, die Ausschleusung und bei wiederholten n.i.O.-Ergebnissen den automatischen Maschinenstopp.

F Passt die Prüfung in meine Taktzeit?

In den meisten Fällen ja. Verbauprüfstationen arbeiten typischerweise mit Taktzeiten von 2 bis 30 Sekunden, und eine Snapshot-Aufnahme inklusive Auswertung liegt in der Regel deutlich darunter, auch bei vielen Prüfpunkten pro Station. Bei scannenden Systemen wird die Verfahrgeschwindigkeit so ausgelegt, dass die geforderte Auflösung erreicht wird. Die tatsächliche Prüfzeit wird im Machbarkeitstest mit Ihren Originalteilen verifiziert.

F Wie weise ich die Messmittelfähigkeit (MSA) nach?

Der Fähigkeitsnachweis erfolgt über Wiederhol- und Vergleichsmessungen am realen Prüfmerkmal, idealerweise anhand von Gut-, Schlecht- und Grenzmustern. Bei driftkritischen Stationen empfiehlt sich zusätzlich ein zyklischer Abgleich gegen einen Einstellmeister mit bekannten Maßen. Der MSA-Nachweis sollte vor der Vergabe im Rahmen des Machbarkeitstests erfolgen und nicht erst bei der Abnahme.

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