CSI Prozessoptimierung – Wie High-Speed-Videoaufzeichnung als Dienstleistung schwer erfassbare Fehlerquellen aufspürt und damit Prozess- und Produktqualität steigert

Werden Fertigungsprozesse mit moderatem Tempo eingelernt, im Realbetrieb dann aber in großen Chargen und mit hohen Taktraten abgewickelt, kommt es häufig zu sporadischen Störungen, deren Ursache nicht klar erkennbar ist. Schon kleinste Abweichungen von Millisekunden haben dann weitreichende Auswirkungen auf die Produktion und führen zu kostenintensiven Ausschüssen und Anlagenstillständen. Auf die Spur solch rätselhafter Störungen begibt sich das deutsche Unternehmen High Speed Vision. Ohne dass der Anlagenbetreiber in eigenes Equipment investieren muss, analysieren die Videospezialisten Prozesse vor Ort mit extremen Zeitlupenaufnahmen.
Von Dipl.-Ing. Kamillo Weiß

Viele industrielle Fertigungsbereiche sind gekennzeichnet von großen Chargen mit hohen Taktraten in einer zwei- bis dreischichtigen Fertigung. Gleichzeitig müssen sehr hohe Standards und Normen bezüglich Produktqualität, Hygiene und Rückverfolgbarkeit eingehalten werden. Schon minimale Abweichungen haben dann weitreichende Folgen. Häufige Fehlerquellen sind beispielsweise Verzögerungen in der dynamischen Bewegung und Ventilsteuerung beim sehr schnellen Pick-and-Place, sporadisch auftretendes Nachtropfen bei präzisen Abfüllvorgängen und damit verbundene Verschmutzungen, ein gelegentlich auftretendes Prellverhalten von Verpackungen im schnellen Linientransport zur Sortieranlage oder der Verschleiß in der extrem schnellen Stanzfertigung und im Spritzguss von Kleinteilen. Was diese Beispiele gemeinsam haben? Für das menschliche Auge und selbst für moderne Messtechnik sind sie nicht erfassbar. Sichtbar werden sie dank leistungsstarker hochauflösender High-Speed-Kameras, die eine unmittelbare exakte Einsicht in extrem schnell ablaufende Vorgänge bieten. High-Speed-Videokameras für die Industrie und Forschung unterscheiden sich in ihren Leistungsmerkmalen ganz erheblich von den Möglichkeiten der Videokameras aus dem Konsum-Bereich.

Einsicht in extrem schnelle Vorgänge

Was steuerungstechnisch im Fertigungsprozess exakt eingestellt ist, muss nicht mit dem Ist-Zustand übereinstimmen. Kleine Abweichungen von Millisekunden in der Steuerung von Maschinen mit sehr hoher Taktrate können weitreichende Auswirkungen in der Anlagenentwicklung und in der Fertigung haben. Die HS-Video-Analysetechnik dient sowohl in der Produktentwicklung als auch in der laufenden Produktion zur schnellen, eindeutigen Ursachenerforschung. Das deutsche Unternehmen High Speed Vision verfügt über mehr als zehn Jahre Erfahrung und damit über umfangreiches Know-how im effizienten Einsatz von High-Speed-Kameras für die unterschiedlichsten Aufgaben und Anwendungen in vielen Branchen. Es vertreibt ein umfangreiches Sortiment an leistungsstarken High-Speed-Kameras verschiedener Hersteller. Das Produktangebot umfasst unter anderem kompakte Hochleistungs-LED-Beleuchtung, Ultrakurzzeit-LED-Blitzsysteme, High-Speed-Langzeit-Recorder, Netzwerktechnologie für die zeitlich exakte Vernetzung von Beleuchtungsmodulen und von bis zu zwölf Kameras, Batterie-Versorgungssysteme, mobile HS-Videosysteme in minimalen Abmessungen, Software-Pakete für Kamerasteuerung und Bildanalyse, Objektive für unterschiedliche Anforderungen sowie ein breites Angebot an speziellem Zubehör. Der Anwendungsbereich der hochauflösenden Kameras reicht dabei von 4 Megapixel und 2.277 Bilder/s bis zu 100.000 Bilder/s bei verminderter Auflösung.

Extreme Zeitlupenaufnahmen direkt vor Ort

Die Spezialisten aus Ettlingen in der Nähe von Karlsruhe stellen ihr umfangreiches Kamerasortiment sowie ihr Know-how als Dienstleistung zur Verfügung. Wenn die Montage im langsamen Prozess eingelernt wird, können später in der schnellen Fertigung Probleme auftreten, deren Ursache oft unklar ist. Mit Hilfe von extrem hochauflösenden Zeitlupenaufnahmen direkt vor Ort können derartige, oft sporadisch auftretende Vorgänge exakt analysiert und beseitigt werden. Begonnen wir mit einer genauen Aufnahme der Problemstellung und der Anforderungen des Kunden. Darauf beruht die Zusammenstellung der Ausrüstung, bestehend aus Kameras, Beleuchtung und Zubehör. Mit klar kalkulierbarem Budget werden für den Kunden die Ereignisse mit hoher Detailwiedergabe messtechnisch untersucht, ohne dass er in eine eigene High-Speed-Videoausrüstung und die spezielle Schulung von Mitarbeitern investieren muss. Die HS-Videoaufnahmen werden direkt vor Ort so lange wiederholt, bis die Ursache des Problems eindeutig erkannt wurde. Der Kunde kann durch diesen Service sein aktuelles Problem kurzfristig lösen. Das gilt nicht nur für die laufenden Prozesse der Automatisierung, sondern ist auch für die Entwicklung von Maschinen und Anlagen relevant.

Anwendungsfall Arzneimittelspender-Montage

Bei der Montage eines Arzneimittel-Spendersystems kam es immer wieder zu Fehlern bei der Zusammenstellung von Tellerfedern. Wie allgemein üblich, wurde die Montage in einem langsamen Prozess eingelernt. Später in der schnellen Montagefertigung traten immer wieder in unregelmäßigen Abständen Probleme auf, deren Ursache nicht unmittelbar lokalisierbar war. Um dieses Problem zu lösen, wurde eine Analyse mit High-Speed-Video und Bildfrequenzen von 500 bis 3.000 fps durchgeführt. In jedem Videobild wurde das zeitliche Steuersignal vom Handlingsystem per Klarschrift eingespeichert. In einzelnen Bildsequenzen konnte so dokumentiert werden, dass bei der Ablage der Tellerfeder am Positionierpunkt ein Verkippen erfolgte. Diese fehlerhafte Lage war die Ursache der anschließend immer wieder auftretenden Funktionsstörungen. Durch die HS-Videoanalyse wurde genau festgestellt, um wie viele Millisekunden sich das Ventil des Greifers zu früh geöffnet hatte. Mit der neuen Programmierung der Anlage konnten die Ausschussrate und die Maschinenstillstände minimiert und darüber hinaus der Durchsatz um rund 10% gesteigert werden. Bei den hohen Stückzahlen pro Schicht relativieren sich die Kosten für die Videoanalyse sehr schnell. Hinzu kommt, dass die Erfahrungen aus dieser Optimierung auch gleich für andere Anlagen in weiteren Fertigungswerken genutzt wurden.

Trigger mit vielen Vorteilen

Externe und interne Trigger mit raffinierten Funktionen zur Auslösung der Kamera erleichtern das gezielte und exakte Erfassen von sporadischen Ereignissen. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, innerhalb des Livebildes beliebig positionierte Sensorfelder zu definieren, um damit die Kameraauslösung zu steuern. Die Bildaufzeichnung mittels Ringspeicher läuft ununterbrochen, bis das Triggersignal die Aufnahme stoppt. Dadurch kann eine genau definierbare Bildanzahl vor und nach dem Ereignis erfasst werden. Besonders nützlich ist die Anzeige digitaler Informationen der Anlagensteuerung direkt in jedem Bild und somit zeitgleich zum Ereignis. Das ermöglicht exakte Rückschlüsse auf die Vorgänge, dementsprechend können die Steuerdaten der Anlage korrigiert werden. Die Triggersignale zu jedem einzelnen Aufnahmebild können auch für die Auslösung eines ultrakurzen LED-Blitzes genützt werden. Schnelle Bewegungen von Objekten können so konturenscharf (ohne Bewegungsunschärfe) in jedem einzelnen Bild eingefroren werden und liefern optimale Voraussetzungen für die genaue messtechnische Auswertung.

IBV als Puzzleteil der »Industrie 4.0«

Kein anderes System im Produktionsprozess sammelt und interpretiert bereits heute so viele Daten wie die Industrielle Bildverarbeitung (IBV). Ohne aussagekräftige Informationen über die laufenden Prozesse gibt es keine sinnvollen automatisierten Entscheidungen für fehlerfreie Abläufe. Ganz im Sinne von »Industrie 4.0« wird deshalb die ganze Kommunikation der IBV mit übergeordneten Fertigungs- und Unternehmensnetzwerken verbunden. Mit High-Speed-Video kann die Ursache von Fehlern im laufenden Fertigungsprozess exakt erfasst und eindeutig analysiert werden, und zwar über die gesamte Wertschöpfungskette. In der Automobilindustrie und bei deren Zulieferern ist High-Speed-Video ein unverzichtbarer Bestandteil in der Entwicklungsarbeit wie beispielsweise bei Airbags. Exakte Bildanalyse liefert die Daten für den präzisen Ablauf in wenigen Millisekunden. Die Erfahrungen haben gezeigt, dass die Kosten einer derartigen Expertise wesentlich günstiger sind als die sich wiederholenden Kosten durch Störungen, Anlagenstillstände und Ausschuss. Fertigung, Montage und Verpackung können dadurch reibungslos und effizient mit höherem Durchsatz und längerer ununterbrochener Maschinenlaufzeit erfolgen. Für ähnliche Störungen in anderen Anlagen kann man auf diese Erfahrung zurückgreifen und frühzeitig Fehlerursachen ausschließen. Darüber hinaus haben die Mitarbeiter des Kunden wertvolles Wissen zur Anwendung und dem Nutzen von HSVideo erworben. Der Kunde kann damit wesentlich besser beurteilen, ob sich die Investition in ein eigenes High-Speed-Videosystem lohnt.

csi