Inline-Profil- und Pinprüfung an Fertigungs- und Montagelinien mit 3D-Laser

An Fertigungs- und Montagelinien in der Automobilzulieferung entscheidet oft ein Höhenmaß über gut oder schlecht. Ein Pin steht ein Zehntel zu hoch, eine Zahnkontur weicht ab, eine Schweißnaht liegt außerhalb ihres Profils. Solche Merkmale müssen im Takt der Linie geprüft werden, nicht offline im Messraum, und sie müssen bei einer Abweichung eine Reaktion auslösen, von der Ausschleusung bis zum Maschinenstopp. Genau hier stoßen klassische 2D-Kameras an ihre Grenzen, weil sie kein Höhenmaß liefern.

Dieser Beitrag richtet sich an Fertigungs- und Prüfplaner, die eine Inline-Prüfung von Profilen, Konturen und Pins aufbauen oder nachrüsten. Er erklärt, warum der Sprung von 2D auf 3D notwendig wird, wann ein scannender Profilsensor und wann eine Snapshot-Lösung passt, wie der Pincheck vor dem Fügen prozesssicher wird und wie aus der Prüfung eine Anlage mit klarer i.O./n.i.O.-Logik entsteht.

Wichtige Punkte im Überblick

2D-Kameras liefern kein Höhenmaß und scheitern an Pins auf verschiedenen Ebenen sowie an heißen und spiegelnden Oberflächen, während ein 3D-Laser die Höhe direkt über Triangulation misst.
Zwei Bauformen decken die Linie ab: ein scannender Profilsensor für bewegte Bauteile und große Prüffelder, eine Snapshot-Variante ohne Verfahrachse für getaktete Einzelteile und enge Nachrüstungen.
Vor dem Verpressen und Verlöten misst der 3D-Laser Pinhöhe, Position und Koplanarität, auch bei silbernen Pins auf schwarzem Trägerkunststoff, in dokumentierten Anwendungen bei Toleranzen um 0,1 mm und geforderter Genauigkeit im Mikrometerbereich.
Konturen, Zahnprofile und Schweißnähte prüft ein scannender 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 im Soll/Ist-Vergleich gegen eine hinterlegte Sollgeometrie, für heiße und reflektierende Oberflächen mit blauem Laser.
Je Merkmal entsteht ein i.O./n.i.O.-Ergebnis, das zum Gesamtergebnis verdichtet Signalleuchte, Ausschleusung oder Maschinenstopp auslöst und samt Messwerten über Profinet an die Steuerung geht.

Warum 2D-Kameras an Höhen- und Profilmerkmalen scheitern

Eine 2D-Kamera erzeugt ein Grauwertbild. Sie ist stark bei Konturen in der Ebene, bei Anwesenheitsprüfungen und bei kontrastreichen Merkmalen. Sobald aber die Höhe das eigentliche Maß ist, fehlt ihr die Information. Ein Bild sagt nichts darüber, ob ein Pin einen Zehntelmillimeter zu hoch steht oder ob zwei Pins auf unterschiedlichen Ebenen koplanar sind.

Drei Grenzen tauchen in den ausgewerteten Anwendungen immer wieder auf:

Höhenmerkmale und Pins auf verschiedenen Ebenen sind im 2D-Bild nicht auflösbar, weil die Kamera die dritte Dimension nicht erfasst.
Heiße, spiegelnde und kontrastarme Oberflächen liefern kein stabiles Grauwertbild. Ein glänzendes Metallteil oder ein schwarzes Kunststoffteil kippt je nach Beleuchtung von hell nach dunkel.
Bei stark schwankendem Kontrast wird die Kantenerkennung unzuverlässig, und die Messung driftet mit der Beleuchtung.

Ein 3D-Laser misst dagegen die Höhe direkt über das Triangulationsprinzip, weitgehend unabhängig von Kontrast und Beleuchtung. Damit wird aus einer indirekten Bildauswertung eine echte geometrische Messung, und genau das brauchen Profil- und Pinmerkmale.

Scannender Profilsensor oder Snapshot ohne Achse

Für die 3D-Messung an der Linie stehen zwei Bauformen zur Verfügung, die sich nach der Bewegung im Prozess unterscheiden.

Die Modellreihe LJ-X8000 ist ein scannender 2D/3D Laser-Profilsensor. Sie erfasst je Profil eine Querschnittslinie mit sehr vielen Höhenpunkten, und wenn sich Bauteil oder Sensor relativ zueinander bewegen, entsteht daraus ein vollständiges 3D-Abbild. Das passt für durchlaufende Bauteile, für Anbauten an eine Achse oder einen Roboter und für große Prüffelder. In Verbindung mit einer High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X lassen sich die Profildaten auswerten und die Merkmale gegen eine hinterlegte Sollgeometrie prüfen.

Die Modellreihe LJ-S8000 ist ein 3D Laser-Snapshot-Sensor und erfasst einen Bereich in einer Aufnahme, ohne dass eine externe Verfahrachse nötig ist. Das eignet sich für getaktete Einzelteile, bei denen keine Bewegung zur Verfügung steht oder kein Platz für eine Achse ist. Für punktuelle oder ebene Konturmerkmale ist außerdem der Inline Profilprojektor der Modellreihe TM-X5000 eine Alternative, besonders an gestanzten und gedrehten Konturen.

Die Entscheidung folgt vier Fragen: Bewegt sich das Bauteil oder steht es, wie viel Bauraum ist vorhanden, wie groß ist das Prüffeld, und wie hoch ist der Integrationsaufwand. Bewegung und großes Feld sprechen für den scannenden Sensor, ein getaktetes Einzelteil ohne Achse für die Snapshot-Variante.

Pincheck vor dem Verpressen und Verlöten

Der Pincheck ist einer der wertvollsten Anwendungsfälle in der Automobilelektronik, weil ein Fehler teuer wird, sobald er unentdeckt in den nächsten Prozessschritt gelangt. Steuergeräte, Steckverbinder und umspritzte Gehäuse haben Pins, deren Höhe, Position und Koplanarität vor dem Verpressen oder Verlöten stimmen müssen. Ein zu hoher oder verbogener Pin beschädigt beim Fügen die Gegenseite.

Die typischen Anforderungen aus den dokumentierten Fällen lassen sich klar benennen. Die Toleranz liegt oft um 0,1 mm, die geforderte Messgenauigkeit reicht wegen einer verlangten Messmittelfähigkeit bis in den Mikrometerbereich. Ein häufiger Standardfall sind silberne Pins auf schwarzem Trägerkunststoff, bei denen der Kontrast für eine Kamera schwierig ist, während der 3D-Laser die Pinhöhe gegen den Gehäuseboden oder die Oberkante sauber misst. Ebenso lassen sich Pins auf unterschiedlichen Ebenen prüfen, was im 2D-Bild grundsätzlich nicht geht.

Weil solche Prüfzellen oft in bestehende Maschinen mit knappem Bauraum nachgerüstet werden, ist die Wahl zwischen scannendem Sensor und Snapshot hier besonders entscheidend. Wo keine Achse Platz findet, ist die Snapshot-Lösung der schlankere Weg.

Kontur, Zahn und Schweißnaht inline

Neben Pins prägt eine zweite Gruppe von Merkmalen die Inline-Prüfung: Konturen und Profile bewegter oder getakteter Bauteile. Dazu zählen Zahnkonturen, Rundlauf, gestanzte Konturen und Schweißnähte. Der gemeinsame Nenner ist der Soll/Ist-Vergleich gegen eine hinterlegte Geometrie, bei dem das gemessene Profil gegen ein Sollband geprüft wird.

Für die Umsetzung sind einige Randbedingungen typisch. Die Zuführung erfolgt über Roboter oder Rundtakttisch, mit Taktzeiten meist im Sekundenbereich. Die Geometrie wird als Sollprofil hinterlegt, und die Abweichung wird je Merkmal bewertet, etwa als Profilüberschreitung, fehlende Schweißnaht oder Konturfehler. Für heiße und reflektierende Oberflächen, wie sie an Schmiede- und Schweißprozessen vorkommen, kommt ein blauer Laser zum Einsatz, der auf solchen Flächen stabiler misst als ein roter. Ein System deckt dabei häufig mehrere Bauteilvarianten über die Programmwahl ab.

Von der Prüfung zur Anlage

Eine Messung wird erst dann zur Prüfstation, wenn ihr Ergebnis eine Reaktion auslöst. Der Übergang von der reinen Messwertermittlung zur Anlage ist deshalb ein eigener Planungsschritt.

Zunächst wird je Merkmal eine Ergebnislogik definiert, also die Toleranzgrenzen und die Entscheidung i.O. oder n.i.O. Diese Einzelergebnisse werden zu einem Gesamtergebnis für das Bauteil verdichtet. Aus diesem Gesamtergebnis heraus steuert die Anlage die Reaktion: eine Signalleuchte, eine Bauteilweiche zur Ausschleusung oder im kritischen Fall den Maschinenstopp. Bei Variantenfertigung sorgt die Programmwahl dafür, dass die richtige Sollgeometrie geladen ist. Die Anbindung an die Steuerung und die Übergabe von Ergebnis und Messwerten erfolgt in den dokumentierten Fällen über Profinet, sodass die Werte nicht nur zur Reaktion, sondern auch zur Dokumentation zur Verfügung stehen.

Machbarkeit und MSA vor der Vergabe

Inline-Prüfprojekte in der Automobilzulieferung stehen und fallen mit dem Nachweis, dass das System das geforderte Merkmal sicher misst. Deshalb gehört die Machbarkeit an den Anfang, nicht an die Abnahme.

Der bewährte Ablauf beginnt mit einem Merkmalskatalog: Welche Merkmale sind zu prüfen, welche Toleranz steht in der Zeichnung, und welche Messgenauigkeit leitet sich daraus ab. Anschließend werden Gut-, Schlecht- und Grenzmuster im Applikationslabor oder vor Ort getestet, weil gerade die Grenzmuster zeigen, ob das System zuverlässig trennt. Wo der Kunde eine Messmittelfähigkeit fordert, wird die MSA am realen Merkmal nachgewiesen, bevor die Vergabe erfolgt. Diese Reihenfolge schützt beide Seiten: Der Betrieb weiß vor der Bestellung, dass die Prüfung trägt, und die Anlage geht nicht mit einer offenen Fähigkeitsfrage in Betrieb.

Häufige Fragen

F Warum reicht eine 2D-Kamera für Pin- und Profilmerkmale nicht?

Eine 2D-Kamera liefert ein Grauwertbild ohne Höheninformation. Sie kann nicht erkennen, ob ein Pin einen Zehntelmillimeter zu hoch steht oder ob Pins auf verschiedenen Ebenen koplanar sind. Ein 3D-Laser misst die Höhe direkt und weitgehend unabhängig von Kontrast und Beleuchtung, was Höhen- und Profilmerkmale erst prozesssicher macht.

F Wann ist ein scannender Sensor und wann eine Snapshot-Lösung sinnvoll?

Ein scannender 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 passt, wenn sich Bauteil oder Sensor bewegen und ein großes Prüffeld abzudecken ist, etwa an Achse oder Roboter. Der 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 erfasst einen Bereich ohne externe Achse und eignet sich für getaktete Einzelteile und für Nachrüstungen mit engem Bauraum.

F Wie genau lässt sich ein Pincheck durchführen?

In den dokumentierten Anwendungen liegt die Toleranz oft um 0,1 mm, während die geforderte Messgenauigkeit wegen einer verlangten Messmittelfähigkeit bis in den Mikrometerbereich reicht. Der 3D-Laser misst Pinhöhe, Position und Koplanarität gegen Gehäuseboden oder Oberkante, auch bei silbernen Pins auf schwarzem Trägerkunststoff und bei Pins auf verschiedenen Ebenen.

F Wie werden heiße oder reflektierende Oberflächen gemessen?

Für heiße und spiegelnde Flächen, wie sie an Schmiede- und Schweißprozessen auftreten, wird ein blauer Laser eingesetzt, der auf solchen Oberflächen stabiler misst als ein roter. Das erlaubt die Konturmessung auch dort, wo eine Kamera wegen wechselnder Reflexion kein stabiles Bild liefert.

F Wie löst die Prüfung eine Reaktion in der Anlage aus?

Je Merkmal wird eine i.O./n.i.O.-Logik festgelegt und zu einem Gesamtergebnis verdichtet. Daraus steuert die Anlage Signalleuchte, Bauteilweiche zur Ausschleusung oder den Maschinenstopp. Ergebnis und Messwerte werden in den dokumentierten Fällen über Profinet an die Steuerung übergeben, was zugleich die Dokumentation abdeckt.

F Wie weise ich vor der Vergabe nach, dass die Prüfung funktioniert?

Definieren Sie zuerst den Merkmalskatalog mit Toleranz und geforderter Genauigkeit. Testen Sie anschließend Gut-, Schlecht- und Grenzmuster im Applikationslabor oder vor Ort, und weisen Sie, wo gefordert, die MSA am realen Merkmal nach. Dieser Nachweis gehört vor die Vergabe, nicht erst in die Abnahme der Anlage.

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