Nadel, Kanüle und Pen-Komponenten vor dem Fügen ausrichten: Lage und Drehlage in der Montage von Spritze, Pen und Autoinjektor

Eine Nadel, die schief in ihren Kunststoffkopf geklebt wurde, lässt sich nicht nacharbeiten. Nach dem Fügen ist das Teil ein Medizinprodukt, und ein Medizinprodukt mit falscher Lage ist Ausschuss. In der Montage von Spritze, Pen und Autoinjektor wird die Lagefrage deshalb vor dem Fügeschritt gestellt: Wo steht die Spitze, wie ist die Komponente gedreht, und reicht diese Lage, damit Achse, Rotationsmodul oder Umspritzwerkzeug arbeiten dürfen? Dieser Beitrag folgt den dokumentierten Anwendungen in der Reihenfolge, in der eine Montagelinie ihnen begegnet, von der Spritzenspitze über Kanüle und Pen-Komponenten bis zum Werkzeug, das vor dem Lasern auf ein Grad ausgerichtet werden soll. Viele dieser Fälle stehen noch im Konzept, im Angebot oder im Test. Wo eine Anlage bereits läuft, steht es dabei.

Wichtige Punkte im Überblick

Eine schief verklebte oder umspritzte Nadel lässt sich nicht nacharbeiten, deshalb ermittelt die Station die Lage vor dem Fügen und gibt sie als Freigabe oder als Korrekturwert an die fügende Achse weiter, statt erst nach dem Verkleben festzustellen, was schiefgegangen ist.
Die Toleranzen in den Anfragen, in einem Konzept etwa ±0,05 mm für die Position einer Kanüle vor dem Verkleben, beschreiben den Spielraum, in dem die Fügeachse arbeiten darf, und sind damit Freigabegrenzen und kein Messergebnis für ein Prüfprotokoll.
In einer laufenden Anwendung mit Nadelspitzen von etwa 0,7 mm war die Aufgabe gelöst, als das Bild auf die Maschinenkoordinaten kalibriert war, und nach jeder neuen Montage der Kamera, etwa bei einer Verlagerung, gehört diese Kalibrierung wieder an den Anfang der Inbetriebnahme.
Für die Drehlage von Pen-Komponenten ist der AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 dort vorgesehen, wo das Teil ein Merkmal hat, das sich mit der Drehung verändert, etwa eine Farbe oder eine klare Kante, während ein weißes Teil ohne solches Merkmal der Kamera mit Durchlicht auf die Kontur zugeordnet wird.
Soll ein kleines, glänzendes und nahezu rotationssymmetrisches Werkzeug vor dem Lasern auf etwa ein Grad ausgerichtet werden, ändert sich der Grauwert mit der Drehung kaum, weshalb im Teststadium das Höhenprofil des Schafts aus einem 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 als Weg zum Drehwinkel im Gespräch ist.

Vor dem Fügen, nicht danach: warum die Lage der Nadel über Ausschuss entscheidet

In einer dokumentierten Anfrage prüft die Linie heute die Schräglage des Nadelkopfes mit einer Kamera erst nach dem Verkleben. Das Ergebnis sagt, was schiefgegangen ist, aber nicht, wie es sich verhindern ließe, denn das verklebte Teil ist dann bereits verloren. Die Umkehrung ist schnell formuliert und anspruchsvoll umgesetzt: Die Station ermittelt die Lage vor dem Fügen und gibt sie als Freigabe oder als Korrekturwert an die Achse weiter, die fügt.

Damit unterscheidet sich die Aufgabe von der Maßprüfung. Gefragt ist nicht, ob eine Nadel ein Toleranzmaß einhält, sondern ob sie so liegt, dass der nächste Schritt stattfinden darf. Die Toleranzen in den Anfragen sind deshalb Freigabegrenzen für die Fügeachsen und kein Messergebnis für ein Prüfprotokoll. Hinzu kommt, was die Teile dieser Branche gemeinsam haben. Sie sind klein, weiß, transparent oder metallisch glänzend und bieten dem Graubild oft wenig Kontrast; Durchlicht und Hintergrundlicht tauchen in mehreren Fällen als Voraussetzung auf.

Spritzenspitze auf dem Übergabeplatz: eine Achse ausrichten, bevor umspritzt wird

In einem Konzept für eine Umspritzstation werden metallische Spritzenspitzen aus einem Tray entnommen und in vier Positionen auf einem Übergabeplatz abgelegt. Servoachsen sollen sie dort auf eine Achse ausrichten, bevor ein zweiter Roboter sie in die Spritzgussstation mit konischer Zentriervorrichtung übergibt. Die beiden Roboter sind in diesem Aufbau Träger. Die Aufgabe der Station ist die Ausrichtung dazwischen.

Die Gesamtgenauigkeit liegt im Konzept bei etwa ±0,5 mm. Der Anfragende wünscht sich mehr Reserve, weil die Toleranzkette der Folgeschritte noch offen ist, und nennt die Wiederholgenauigkeit des Roboters als maßgeblichen Faktor. Diese Einschätzung trifft den Kern. Eine Kamera bestimmt die Lage der Spitze auf dem Übergabeplatz, die Genauigkeit am Ende der Kette entsteht aber aus Kamera, Achse, Greifer und Zentrierung zusammen.

Vorgesehen sind Durchlichtplatten und eine hochauflösende Kamera. Die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS kann die Spitze im Durchlicht als Silhouette suchen und Position und Winkel über PROFINET, EtherNet/IP oder EtherCAT an die Steuerung der Servoachsen geben. Sollen mehrere solcher Übergabeplätze oder eine höhere Auflösung von einem Controller aus laufen, bietet die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G bis zu acht Kameras an einem Controller.

Den Spitzenkopf finden: Durchlicht, Bildfeld und die Kalibrierung auf Maschinenkoordinaten

Anders als die Übergabestation läuft der folgende Fall bereits. An mehreren Anlagen eines Standorts stehen Nadelspitzen von etwa 0,7 mm Durchmesser senkrecht in der Aufnahme, und die Station sucht den Spitzenkopf, damit ein Röhrchen lagegenau aufgesetzt werden kann. Die Erfahrung aus diesen Anlagen betrifft weniger die Kamera als den Schritt davor.

Gelöst war die Aufgabe, als das Bild auf die Maschinenkoordinaten kalibriert war. In der Anwendungspraxis half dabei ein Kalibriermuster auf Papier; danach waren Bild- und Maschinenkoordinaten verheiratet, wie es in der Dokumentation heißt. Ohne diesen Schritt liefert die Kamera eine genaue Position in Pixeln, mit der die Achse nichts anfangen kann. Wird die Kamera neu montiert, etwa bei einer Verlagerung, gehört die Kalibrierung wieder an den Anfang der Inbetriebnahme.

Für das Bildfeld gilt eine einfache Abwägung. Je größer das Feld, desto mehr Toleranzraum sieht die Kamera, und desto weniger Pixel entfallen auf den Kopf einer Spitze von weniger als einem Millimeter. Im Durchlicht wird die Spitze zur scharfen Kante vor hellem Grund, und auf diese Kante spricht die Mustersuche an.

Kanüle und Kunststoffkopf: die Nadelposition als Freigabe für die Fügeachsen

Bei einer Nadel aus Kanüle und Kunststoffkopf, die mit der Spitze nach oben in einer Vorrichtung steht, fragt ein Konzept nach der Position vor dem Verkleben. Diese Position soll die Fügeachsen steuern. Genannt sind eine Toleranz von etwa ±0,05 mm und eine gewünschte Genauigkeit von ±0,005 mm. Beide Werte beschreiben hier den Spielraum, in dem die Achse fügen darf, und nicht ein Maß, das über Gut oder Schlecht der Nadel entscheidet.

Für eine stehende Nadel bietet sich ein anderes Messprinzip an als die Kamera im Auflicht. Der Inline Profilprojektor der Modellreihe TM-X5000 bildet die Kanüle im Durchlicht als Silhouette ab und wertet ihre Lage aus. Das Optische LED Lichtbandmikrometer der Modellreihe LS-9000 erfasst die Kanüle als Schatten in einem Lichtband und gibt die Lage ihrer Kanten aus. Die Anfrage nennt beide Gerätearten. Ob Profilprojektor oder Mikrometer die geforderte Genauigkeit am echten Teil erreicht, klärt ein Test mit Mustern, und die Frage, wie viel davon die Fügeachse tatsächlich umsetzen kann, gehört in dasselbe Gespräch.

Pen-Komponenten in beliebiger Drehlage: Verzahnung, Merkmal und Rotationsmodul

In der Pen- und Autoinjektormontage verschiebt sich die Frage von der Lage zur Drehlage. Eine Anfrage für eine ganze Linie, zu der ein Richtpreis erstellt wurde, beschreibt drei Kunststoffkomponenten unterschiedlicher Farbe und Höhe. Sie liegen in einer Schiene in beliebiger Drehlage, die Zuführung garantiert nur, welche Seite oben liegt. Geplant ist, die Teile abzuteilen, unter die Kamera zu bringen und von einem Handling mit elektrischem Rotationsmodul ausdrehen und montieren zu lassen. Fügemerkmal ist die Verzahnung, und die muss beim Aufsetzen stimmen.

Zwei der drei Teile haben ein deutliches Merkmal, eine Farbe oder eine klare Kante. Für sie ist der AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 vorgesehen, weil ein Sensor, der ein angelerntes Muster wiederfindet, genau ein solches Merkmal braucht. Die Positionskorrektur führt die Prüffenster der Lage des Teils nach.

Dieselbe Sensorklasse trägt die Frage, ob ein Teil richtig herum liegt. AI Identify kommt mit der Registrierung eines einzigen Bildes aus, zusätzliches Anlernen trennt Typen sowie Vorder- und Rückseite. In der Praxis taucht diese Frage mehrfach auf: An einer laufenden Zelle mit Cobots, an der eine Bildverarbeitung mit Controller arbeitet, liegen Reservoirs zu acht in einem gesiegelten Blister, und Blister und Papier müssen richtig herum liegen; die Lagekorrektur ist dort die laufende Anwendung, gewünscht ist eine Schulung dazu. In einer weiteren Anfrage steht die Ausrichtung des Kolbens auf einer Pen-Prüfmaschine auf einer Liste mehrerer Prüfungen, die auf wenige Vision-Sensoren verteilt werden sollen.

Wenn das Teil kein Merkmal hat: weiß auf weiß und der größere Bund

Das dritte Teil, die weiße Kupplung, hat kein Merkmal, das sich mit der Drehung deutlich verändert. Aussagekräftig ist allein die Ansicht auf den größeren Bund. Hier liegt eine Grenze der Technikklasse: Ein Sensor, der ein angelerntes Muster vergleicht, braucht ein Merkmal, das sich mit der Drehlage ändert, und Weiß auf Weiß mit schwacher Kontur liefert es nicht. In der Anfrage wurde dieses Teil deshalb der Kamera zugeordnet.

Im Labor soll Durchlicht für den Drehwinkel getestet werden. Die Idee dahinter: Die Kontur des Bundes wird zur Silhouette, die All-in-One Kamera sucht sie und gibt den Winkel aus, den das Rotationsmodul ausgleicht, über PROFINET oder EtherNet/IP. Ob das Durchlichtbild für alle Chargen und Farbtöne genügt, zeigt erst ein Test mit Teilen aus der laufenden Fertigung.

Werkzeuge und Instrumente auf ein Grad: Drehwinkel vor dem Lasern

Dentalwerkzeuge in sehr vielen Varianten sollen vor der Laserbeschriftung auf etwa ein Grad ausgerichtet werden, ein Roboter lädt sie. Als Anbindung nennt die Anfrage PROFINET, EtherCAT oder Ethernet. Sie steht im Teststadium.

Ein Grad auf einem kleinen, glänzenden und nahezu rotationssymmetrischen Merkmal ist für ein 2D-Graubild schwer zu erreichen, weil sich der Grauwert mit der Drehung kaum ändert. Das ist eine Grenze der Technikklasse und keine Frage der Einstellung. Der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 misst stattdessen das Höhenprofil des Schafts, und am Controller wird aus dem Profil der Drehwinkel. Zwei Wege sind im Gespräch: das Profil am Schaft abwickeln, indem das Werkzeug während der Aufnahme dreht, oder die Mantelfläche mit einem flächig messenden 3D-Sensor in einer Aufnahme erfassen. Der Profilsensor erreicht je nach Messkopf eine Z-Wiederholgenauigkeit von 0,3 bis 10 µm bei bis zu 3.200 Punkten je Profil. Als 2D-Alternative für den Test nennt die Anfrage selbst die All-in-One Kamera.

Verwandt ist eine Seilspannvorrichtung, ein Werkzeug für einen Roboter in der Medizintechnik. Ein Draht von 0,6 mm liegt in acht Windungen, oben Metall, unten weißer Kunststoff, und die Orientierung des Werkzeugs im Robotergreifer muss bekannt sein. Gefordert sind mehrere Bilder in etwa einer Sekunde bei einem Takt unter einer Minute und bei negativem Ergebnis eine NIO-Meldung zur Nacharbeit. Die Anforderung ist formuliert, eine Lösung noch nicht. Weil das Werkzeug ein Medizinprodukt ist, gilt die Station als qualifizierungsrelevant, und das gehört an den Anfang der Auslegung.

Welche Sensorklasse zu welchem Teil passt: Lichtband, Kamera, Vision-Sensor, Profil

Die Wahl folgt dem, was das Teil dem Sensor anbietet:

Stehende Nadel oder Kanüle, gefragt ist die Lage der Achse: Mikrometer oder Profilprojektor im Durchlicht. Die Nadel steht im Strahl, ausgegeben wird ihre Lage.
Spitze in einem größeren Feld, mehrere Positionen auf einem Übergabeplatz: All-in-One Kamera mit Hintergrundlicht und Mustersuche. Laufen mehrere Stationen oder hohe Auflösungen an einem Controller, die Bildverarbeitung.
Komponente mit deutlichem Merkmal, Prüfung auf richtig herum: Vision-Sensor mit Positionskorrektur und AI Identify, bei einem Arbeitsabstand von 50 mm bis über 3 m.
Teil ohne drehabhängiges Merkmal: Kamera mit Durchlicht auf die Kontur. Wo auch die Silhouette sich mit der Drehung nicht ändert, das Höhenprofil des Profilsensors.

Keine dieser Klassen stellt eine Lage sicher. Sie liefert eine Position, die erst mit der Kalibrierung auf die Maschinenkoordinaten und einer bis zum Fügen durchgerechneten Toleranzkette zur Freigabe wird. Der erste Schritt ist deshalb in allen Fällen derselbe: echte Teile, echte Beleuchtung, ein Test vor dem Lastenheft.

Häufige Fragen

F Warum wird die Lage der Nadel vor dem Fügen geprüft und nicht danach?

Weil das Teil nach dem Verkleben oder Umspritzen ein Medizinprodukt ist, das sich nicht nacharbeiten lässt. Eine Kamera nach dem Fügen meldet eine schiefe Nadel, verhindert sie aber nicht. Die Lage vor dem Fügen gibt der Achse dagegen die Chance, zu korrigieren oder gar nicht erst zu fügen.

F Ist eine Nadelposition von etwa ±0,05 mm eine Maßprüfung?

In diesem Zusammenhang nicht. Der Wert beschreibt den Spielraum, in dem die Fügeachse arbeiten darf, und ist damit eine Freigabegrenze. Ob die fertige Nadel ein Toleranzmaß einhält, ist eine eigene Messaufgabe mit eigenem Prüfplan.

F Erkennt ein Vision-Sensor die Drehlage jeder Pen-Komponente?

Nur wenn das Teil ein Merkmal hat, das sich mit der Drehung verändert, etwa eine Farbe oder eine klare Kante. Bei einem weißen Teil ohne solches Merkmal stößt diese Sensorklasse an ihre Grenze. Dort übernimmt eine Kamera mit Durchlicht auf die Kontur oder, wenn auch die Kontur nicht reicht, ein Höhenprofil.

F Wie kommt die Position aus dem Bild an die Achse?

Über eine Kalibrierung des Bildes auf die Maschinenkoordinaten und danach über den Feldbus, zum Beispiel PROFINET, EtherNet/IP oder EtherCAT. In einer laufenden Anwendung mit Nadelspitzen war genau diese Kalibrierung der Schritt, der die Aufgabe gelöst hat. Nach jeder neuen Montage der Kamera ist sie zu wiederholen.

F Wann ist ein Profilsensor die bessere Wahl als eine Kamera?

Wenn sich der Grauwert eines Teils mit der Drehung kaum ändert, das Höhenprofil aber schon. Bei einem Dentalwerkzeug, das auf etwa ein Grad ausgerichtet werden soll, ist das Profil des Schafts die aussagekräftigere Information als das Graubild.

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