Inline-3D-Profilmessung im Sondermaschinenbau: Messtaster und Lehren optisch ersetzen

Kaum eine Anfrage erreicht Sondermaschinenbauer häufiger als diese: „Wir messen heute taktil oder von Hand, das soll inline und automatisch erfolgen." Federbelastete Messtaster, Schieblehren, Lehrdorne und manuelle Messplätze neben der Linie sind die typischen Ablösekandidaten. Die Inline-3D-Profilmessung ersetzt sie durch berührungslose Sensorik, die viele Prüfmerkmale in einem einzigen Scan erfasst und die Messwerte direkt an die SPS überträgt. Dieser Beitrag erläutert, wann sich der Umstieg lohnt, wie die Prozessfähigkeit nachgewiesen wird und welche Sensortechnologie für welche Oberfläche geeignet ist.

Wichtige Punkte im Überblick

Die Inline-3D-Profilmessung ersetzt taktile Messmittel wie Messtaster, Schieblehren und Lehrdorne durch berührungslose Sensorik.
Anstelle einzelner Antastpunkte liefert ein 3D-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 bis zu 3200 Höhendatenpunkte je Profil und erfasst Höhe, Breite, Ebenheit und Kontur in einem einzigen Scan.
Im Sondermaschinenbau ist eine Prozessfähigkeit von cpk bzw. cg > 1,33 vertraglich gefordert, was voraussetzt, dass das eingesetzte Messsystem deutlich präziser als die jeweilige Toleranz arbeitet.
Die geeignete Sensortechnologie richtet sich nach der Beschaffenheit der Oberfläche: Laserprofilmessung eignet sich für technische Oberflächen, konfokale Sensorik für transparente und spiegelnde Materialien sowie telezentrische Messung für rotationssymmetrische Durchmesser.
Bei hoher Variantenvielfalt ist die automatische Programmumschaltung über die SPS unerlässlich, damit neue Typen ohne manuellen Eingriff des Werkers verarbeitet werden können.

Warum taktile Messung an ihre Grenzen kommt: Verschleiß, Einzelpunkte, Taktzeit

Taktile Messmittel weisen drei strukturelle Schwächen auf, die in automatisierten Linien regelmäßig zum Engpass werden.

Erstens messen sie nur Einzelpunkte. Ein Messtaster liefert einen Wert pro Antastung. Wer Höhe, Breite, Ebenheit und Kontur eines Bauteils erfassen möchte, benötigt viele Antastungen und damit einen erheblichen Zeit- und Mechanikaufwand.

Zweitens unterliegen sie Verschleiß. Antastkugeln nutzen sich ab, Federkräfte verändern sich, und auf empfindlichen Oberflächen hinterlässt der Kontakt sichtbare Spuren.

Drittens besteht ein erheblicher Bedienereinfluss. Schieblehren und manuelle Messplätze liefern je nach Werker unterschiedliche Messwerte, ein Problem, das spätestens bei der Messsystemanalyse (MSA) sichtbar wird.

Ein Sonderfall aus der Projektpraxis verdient besondere Erwähnung: die Einpressüberwachung. Die klassische Kraft-Weg-Überwachung funktioniert zuverlässig, solange ein einzelner Pin gefügt wird. Werden jedoch mehrere Einpresspins gleichzeitig gefügt, überlagern sich die Kraftverläufe, sodass ein einzelner zu hoch stehender Pin im Summensignal nicht mehr erkennbar ist. In dokumentierten Anwendungen war genau dieser Umstand der Auslöser dafür, den Pin-Überstand nach dem Fügen optisch mit einem Laserprofilsensor zu prüfen, und zwar jeden Pin einzeln in einem Scan.

Höhe, Breite, Ebenheit, Kontur: viele Prüfmerkmale in einem Scan

Der grundlegende Vorteil der Profilmessung liegt in der Erfassungstiefe. Ein Laserprofilsensor erfasst nicht einen einzelnen Punkt, sondern ein vollständiges Höhenprofil quer über das Bauteil. Die Modellreihe LJ-X8000 liefert dabei 3200 Höhendatenpunkte je Profil. Wird das Bauteil unter dem Sensor bewegt oder der Sensor über das Bauteil geführt, entsteht ein flächiges 3D-Abbild, aus dem sich viele Merkmale gleichzeitig ableiten lassen: Höhe und Höhendifferenz, Breite, Ebenheit, Winkel sowie Kontur.

Die dokumentierten Messaufgaben verdeutlichen die Bandbreite des Verfahrens: Pin-Überstand auf Leiterplatten und Stromschienen, Geometrien an Lagereinheiten, Querschnitte von Strangprofilen, Hairpin-Drähte in der Elektromotorenfertigung sowie Schneidengeometrien an Bohrern und Messerklingen. In realen Projekten liegen die Taktzeiten zwischen 3 und 20 Sekunden je Bauteil. Bei kontinuierlichen Prozessen werden Liniengeschwindigkeiten von bis zu 40 m/min erfasst.

Entscheidend für den Nutzen ist die Art der Ausgabe. Nicht nur ein OK/NG-Signal, sondern die vollständigen Messwerte werden an die SPS übertragen. Damit wird aus der reinen Sortierprüfung eine belastbare Datenbasis für die Prozessregelung. Trends werden sichtbar, bevor die Toleranzgrenze überschritten wird, und Werkzeugverschleiß lässt sich aus den Messdaten ableiten, anstatt ihn erst am Ausschuss zu erkennen.

Prozessfähigkeit nachweisen: Toleranz, Genauigkeit und cpk > 1,33 richtig einordnen

Im Sondermaschinenbau ist die Prozessfähigkeit längst Vertragsbestandteil. In realen Lastenheften wird cpk bzw. cg > 1,33 explizit gefordert. Für die Auslegung des Messsystems bedeutet dies: Nicht die Toleranz allein ist maßgeblich, sondern das Verhältnis von Toleranz zu Messunsicherheit. Typische Toleranzen liegen in dokumentierten Anwendungen bei ±0,05 bis ±0,5 mm, mit geforderten Genauigkeiten bis zu 5 µm. Das Messsystem muss deutlich präziser sein als die Toleranz, die es überwachen soll, da die Fähigkeitskennzahl andernfalls rechnerisch nicht erreicht werden kann.

Drei Punkte sollten deshalb früh im Projekt geklärt werden. Erstens sollte die Prüfmittelfähigkeit als eigenständiges Arbeitspaket eingeplant werden. Die MSA gehört in den Projektplan und nicht in die Woche vor der Abnahme. Zweitens sind Grenzmuster zu definieren, also reale Bauteile an der Toleranzgrenze, mit denen das System bei der Abnahme und im späteren Serienbetrieb verifiziert wird. Drittens müssen die Messbedingungen verbindlich festgeschrieben werden. Temperatur, Verschmutzung, Teilelage und Aufspannung beeinflussen das Messergebnis und müssen bei der Fähigkeitsuntersuchung sowie im Serienbetrieb identisch sein.

Glänzende, transparente und dunkle Oberflächen: Laserprofil, konfokal oder telezentrisch?

Die Beschaffenheit der Werkstückoberfläche ist entscheidend für die Wahl der Sensortechnologie. Eine pauschale Antwort gibt es nicht, wohl aber klare Zuordnungen aus der Projektpraxis.

Laserprofilsensoren der Modellreihe LJ-X8000 sind das Standardwerkzeug für Höhen-, Breiten- und Konturmessung an technischen Oberflächen, von bearbeitetem Metall über Kunststoff bis zu keramischen Werkstoffen. Für statische Prüfungen ohne eigene Verfahreinheit bietet die Modellreihe LJ-S8000 einen integrierten Scan-Mechanismus: Das Bauteil bleibt stehen, während der Sensor selbst scannt, ohne zusätzliche Verfahrachse oder Encoder. Je Controller lassen sich bis zu zwei Messköpfe kombinieren, um beispielsweise zwei Seiten eines Bauteils in einem Takt zu erfassen.

Konfokale Sensorik der Modellreihe CL-3000 kommt dort zum Einsatz, wo Laserprofilsensoren an ihre Grenzen stoßen: bei transparenten, spiegelnden und stark glänzenden Materialien. Das konfokale Messprinzip arbeitet stabil auf unterschiedlichsten Oberflächen, von schwarzem Gummi bis zu transparenten Folien, und erreicht Auflösungen bis in den Sub-Mikrometer-Bereich, etwa für Dickenmessungen an Folien oder Glas.

Telezentrische Messsysteme der Modellreihe TM-X5000 messen im Durchlicht. Das Bauteil wird als Schattenriss vor dem Messkopf positioniert, während die doppelt-telezentrische Optik perspektivische Fehler eliminiert. Dies prädestiniert die Technologie für Durchmesser-, Kontur- sowie Form- und Lagemerkmale an rotationssymmetrischen Teilen. Ein praktischer Vorteil besteht darin, dass das Bauteil vom Roboter direkt durch das Messfeld geführt werden kann.

Roboter als Handlingsystem: Messen, während der Roboter das Bauteil führt

In vielen Zellen ist der Roboter ohnehin vorhanden und übernimmt neben dem Handling gleichzeitig die Messaufgabe. Zwei Konfigurationen haben sich in dokumentierten Anwendungen bewährt: Entweder führt der Roboter den Sensorkopf über das stehende Bauteil, oder er hält das Bauteil und bewegt es durch das Messfeld eines stationären Sensors. Beide Varianten sparen eine eigene Messstation samt Verfahrachsen, da die Rundumerfassung eines Bauteils aus dem Handlingkonzept heraus realisiert wird und keine zusätzliche Messmechanik erfordert.

Mehrkopf-Konfigurationen ergänzen dieses Prinzip. Mit mehreren Sensoren der Modellreihe LJ-X8000 lassen sich größere Objekte durch Kombination einzelner Laserlinien erfassen oder gegenüberliegende Merkmale gleichzeitig messen. Bei der Modellreihe LJ-S8000 sind bis zu zwei Messköpfe je Controller möglich. Auf diese Weise werden Totzonen vermieden, ohne den Takt zu verlängern.

Technisch entscheidend ist die Synchronisation. Bei bewegter Messung müssen Roboterbewegung bzw. Achse und Scan aufeinander abgestimmt sein, damit die Ortsauflösung konstant bleibt. Encoder-Eingänge am Controller synchronisieren die Profilaufnahme mit der realen Bewegung, sowohl bei konstanter als auch bei variabler Geschwindigkeit. Dieser Aspekt gehört in die Machbarkeitsprüfung und sollte nicht erst bei der Inbetriebnahme adressiert werden.

Integration: Programmumschaltung bei hoher Variantenvielfalt und Anbindung per Profinet

Sondermaschinen sind auf Variantenvielfalt ausgelegt. In realen Anfragen wird die Variantenzahl mitunter schlicht als „unendlich" angegeben. Die daraus resultierende Kernanforderung lautet: automatische Programmumschaltung ohne manuellen Werkereingriff. Die SPS meldet den Bauteiltyp, das Messsystem lädt das zugehörige Prüfprogramm, und neue Varianten werden als zusätzliches Programm angelegt, anstatt einen mechanischen Umbau zu erfordern. Wer diese Anforderung erst nach der Beauftragung stellt, muss sie kostspielig nachrüsten.

Bei der Schnittstellenwahl ist die Lage im deutschen Maschinenbau eindeutig: Profinet ist der Standard, ergänzt durch Ethernet/IP, EtherCAT und TCP/IP. Neben dem OK/NG-Signal sollten auch die vollständigen Messwerte übertragen werden, um Prozessregelung, Traceability-Systeme und die bauteilbezogene Dokumentation je Seriennummer zu unterstützen.

Die Rollenverteilung bei der Inbetriebnahme kann auf verschiedenen Wegen geregelt werden: Eigenintegration durch den Maschinenbauer, Unterstützung durch einen Applikationsingenieur oder Umsetzung durch einen externen Integrator sind gleichermaßen gängige Modelle. Bewährt hat sich, die Verantwortlichkeiten für mechanische Integration, Parametrierung, MSA und Abnahme vor der Bestellung verbindlich festzulegen. Die Machbarkeit sollte vorab mit originalen Testmustern nachgewiesen werden, unter realen Bedingungen hinsichtlich aller Varianten, Oberflächenzustand und Aufspannung.

Häufige Fragen

F Kann ein Laserprofilsensor einen Messtaster wirklich ersetzen?

Ja. In den meisten dokumentierten Anwendungen ist ein Ersatz möglich, verbunden mit einem qualitativen Sprung. Anstelle eines Einzelpunkts je Antastung liefert ein Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 bis zu 3200 Höhendatenpunkte je Profil, berührungslos und ohne Antastverschleiß. Viele Merkmale wie Höhe, Breite, Ebenheit und Kontur lassen sich dabei aus einem einzigen Scan ableiten. Voraussetzung ist ein Machbarkeitstest mit Originalteilen, der Genauigkeit und Prozessfähigkeit am realen Teilespektrum nachweist.

F Welche Genauigkeit brauche ich für cpk > 1,33?

Entscheidend ist das Verhältnis von Toleranz zu Messunsicherheit: Das Messsystem muss deutlich genauer sein als die überwachte Toleranz. In realen Projekten stehen Toleranzen von ±0,05 bis ±0,5 mm geforderten Genauigkeiten bis 5 µm gegenüber. Die Prüfmittelfähigkeit gehört deshalb als eigenes Arbeitspaket in den Projektplan, mit Grenzmustern für Abnahme und Serienbetrieb.

F Welcher Sensor eignet sich für glänzende oder transparente Oberflächen?

Für transparente, spiegelnde und stark glänzende Materialien ist die konfokale Sensorik der Modellreihe CL-3000 die erste Wahl, da sie stabil auf unterschiedlichsten Oberflächen bis in den Sub-Mikrometer-Bereich misst. Technische Oberflächen wie bearbeitetes Metall werden durch die Laserprofilmessung der Modellreihen LJ-X8000 und LJ-S8000 abgedeckt. Durchmesser und Konturen rotationssymmetrischer Teile erfasst die telezentrische Modellreihe TM-X5000 im Durchlicht.

F Geht Inline-Messung auch ohne eigene Verfahrachse?

Ja. Die Modellreihe LJ-S8000 verfügt über einen integrierten Scan-Mechanismus und erfasst stehende Bauteile ohne zusätzliche Verfahreinheit oder Encoder. Je Controller sind bis zu zwei Messköpfe kombinierbar. Alternativ kann ein vorhandener Roboter das Handling übernehmen, indem er den Sensor über das Bauteil oder das Bauteil durch das Messfeld führt.

F Wie viele Bauteilvarianten kann eine Inline-Messstation verarbeiten?

In realen Projekten reichen die Anforderungen bis zu einer praktisch unbegrenzten Variantenvielfalt. Voraussetzung hierfür ist die automatische Programmumschaltung über die SPS: Der Bauteiltyp wird gemeldet und das zugehörige Prüfprogramm automatisch geladen, ohne manuellen Werkereingriff. Neue Varianten werden als zusätzliche Programme angelegt und sollten bereits in der Machbarkeitsstudie berücksichtigt werden.

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