Fünfachsig messen beschleunigt Qualitätsprüfung

27.10.11

Scannende Messtaster erfassen Formen schneller als schaltende Systeme. Sie sorgen für rasches Feedback der Qualitätssicherung (QS) an die Fertigung. Zudem benötigen sie weniger Spannmittel. Langwieriges Kalibrieren spezieller Messtaster-Konfigurationen entfällt. Schnelles Messen erhöht die Flexibilität und die Produktivität sowie die Qualität in der Fertigung. Der Motorradhersteller Kawasaki hat in seiner Motorenproduktion in Maryville, USA, beste Erfahrungen mit dem fünfachsigen Messsystem REVO von Renishaw.

 Kawasaki lockt Motorradliebhaber derzeit mit dem Motto "Bring die guten Zeiten ins Rollen". In seiner Produktion für kleine Motorenteile in Maryville in den USA brachte der Motorradhersteller gute Zeiten einer ganz anderen Art ins Rollen. Zwei fünfachsige, scannende Messsysteme reduzieren erheblich die Kalibrier- und Messzeiten auf Koordinaten-Messmaschinen. Somit beschleunigen sie die Rückmeldungen der QS an die laufende Fertigung. Die 5-Achsen-Systeme REVO® von Renishaw sind auf Mitutoyo Crysta-Apex 121210 KMGs installiert. Sie ersetzen zwei Dreh-Schwenkköpfe PH10, die mit Scanning-Messtastern SP25M auf herkömmlichen 3-Achsen-KMM verwendet wurden. Das hat die Messzeiten bei scanintensiven Anwendungen auf die Hälfte oder weniger reduziert. Kundenspezifische Messtaster-Konfigurationen können beinah völlig entfallen. Die Messtaster-Kalibrierzeit ist von sechs bis sieben Stunden auf etwa 45 Minuten verkürzt. Zudem erfassen die scannenden Systeme problemlos innerhalb kürzester Zeit große Mengen an Formmessdaten. Das trägt zu einer höheren Qualität der Bauteile bei. Jetzt können mehr Bauteile bei besserer Datenqualität flexibler gemessen werden. Das steigert den Wert der QS als strategische Unterstützung für die Fertigung und für Forschung und Entwicklung.

Das Kawasaki Produktionssystem

Im über 70000 m² großen, im Jahr 1989 eröffneten Werk in Maryville fertigt Kawasaki ein- und zweizylindrige, luft- und wassergekühlte Motoren bis 1000 cm³ Zylindervolumen für kommerziell und privat genutzte Rasenmäher sowie für All-Terrain-Vehicels (ATV) und Mule™-Gebrauchsfahrzeuge, die ein Schwesterwerk herstellt. In Maryville werden Bauteile aus Aluminium, Stahl und Gusseisen gegossen, Kunststoffteile spritzgegossen, mechanisch bearbeitet, lackiert und montiert. Die jährlich bis zu 500000 Motoren so produzierten Motoren testen die Hersteller umfassend vor der Auslieferung.

„Wir verwenden das Kawasaki Produktionssystem (KPS)", erklärt JC Watts, Technischer Leiter Qualitätssicherung der Kawasaki-Gruppe in Maryville. „Unsere Anforderungen in Bezug auf Qualität und Verarbeitung sind mit den besten der Automobilindustrie vergleichbar, wenngleich wir in kleineren Serien viele unterschiedliche Bauteile fertigen." Das Werk hat 50 Fertigungslinien. Sie sind typischerweise als U-förmige Zellen aufgestellt. Eingangs- und Ausgangsmaschinen stehen gegenüber. „Es handelt sich praktisch um eine einteilige Produktion, bei der die Fertigungslinien ein Werkstück in hohem Tempo durch mehrere Prozesse führen", erklärt Watts. Von Kawasaki produzierte Roboter automatisieren die Prozesse in zahlreichen Druckguss- und einigen Verarbeitungsverfahren. Auf einer der Produktionslinien für Kurbelgehäuse laden Roboter das Rohmaterial und entladen die fertigen Teile.

„Unsere Toleranzen ähneln denen bei Kraftfahrzeug-Antrieben für High-End-Produkte. Unsere Aluminiumteile durchlaufen etwa vier oder fünf kritische Prozesse. Die Stahlteile dagegen bis 15“, fügt Watts hinzu. Formtoleranzen im einstelligen Mikrometerbereich und Lagetoleranzen von 0,05 mm sind üblich.

Die Qualitätssicherung ist für die Prüfung von 125 unterschiedlichen Massenteilen sowie für Zulieferteile und die für die Entwicklung hergestellten Teile zuständig. Das fertigungsnahe Messlabor befindet sich in klimatisierten Räumen. Bei Routinemessungen transportieren autonome Fahrzeuge bzw. ganze Wagenzüge die Bauteile ins Messlabor. Kritische Komponenten, die kurzfristig zu messen sind, bringen die Mitarbeiter persönlich zur QS. Dies ist beispielsweise beim Umrüsten von Fertigungslinien oder bei vermuteten Fertigungsfehlern der Fall.

Flexibler und schneller mit fünfachsigem Scannen

Der fünfachsig scannende Messkopf REVO kann bis zu 6000 Datenpunkte pro Sekunde erfassen. Er wurde konzipiert, bei hohen Geschwindigkeiten Freiformflächen und komplexe Geometrien präzis zu messen. Auch große Mengen an Messdaten, zum Beispiel beim hochgenauen Validieren von Lage und Form einzelner Geometriebereiche, erfasst er innerhalb kürzester Zeit. Über zwei Schwenkachsen kann er unbegrenzt rotatieren und positionieren. Die 5-Achsen-Software steuert den Messkopf und synchronisiert seine Bewegungen mit den Linearachsen der KMM. Look-Ahead-Algorithmen optimieren den Messtasterweg und ermöglichen koordiniert kontinuierliche Bewegungen. Der Kopf passt seine Position fortlaufend an und hält selbst bei abrupten Konturwechseln und Scangeschwindigkeiten bis zu 500 mm/s die Tastereinsatzspitze in Kontakt mit der Werkstückoberfläche.

„Ehemals führten wir etwa 95 Prozent aller Messungen schaltend aus. Mit der ehemaligen Konfiguration dauerte das Scannen zu lang. Inzwischen hat sich der Anteil umgekehrt, 95 Prozent aller Messungen führen wir wegen der hohen Messgeschwindigkeiten mit dem System REVO scannend aus. Statt vier oder fünf Minuten dauern viele vergleichbare Messungen inzwischen nur wenige Sekunden“, erläutert Watts. „Wir speichern zudem Diagramme der Messdaten in unser internes Netzwerk. Dort stehen sie allen Mitarbeitern der QS, der Konstruktion und der Fertigung für Problemlösungen zur Verfügung. „Bei Scan-Messungen haben unsere Fertigungs- und Konstruktionsmitarbeiter viel mehr Vertrauen in die Richtigkeit der Werte", fügt Watts hinzu. „Beim schaltenden Messen beispielsweise einer Rundheit kann ein Staubpartikel die Messung verfälschen, da nur sieben oder acht Punkte erfasst werden. Andererseits können Lage- oder Formfehler außerhalb der Antastpunkte nicht erkannt werden. Dies betrifft vor allem die Geometrien von Zylinderbohrungen. Mit dem scannenden System REVO vermeiden wir rechtzeitig viele Fehler, die ehemals zu spät erkannt wurden und kostenintensiven Ausschuss verursachten“.

Die Messergebnisse können manuell an die Fertigungslinie übergeben werden. Der Bediener hat außerdem über ein Computernetzwerk direkten Zugriff. Einige Mess-Protokolle liefern Korrekturdaten entsprechend den Koordinatensystemen der Bearbeitungszentren. So kann der Maschinenbediener direkt Nullpunkt-Korrekturen eingeben. Das vermeidet Übertragungsfehler und erhöht die Prozesssicherheit.

Rüst- und Nebenzeiten auf KMM wesentlich verkürzt

Mit dem fünfachsigen System REVO reichen zwei Messtaster-Konfigurationen, um sämtliche Messungen ausführen zu können. So hat sich die durchschnittliche Kalibrierzeit auf etwa 46 Minuten verkürzt. „Alle unsere Großserienbauteile messen wir mit nur zwei Taster-Konfigurationen", erklärt Watts. „Das System REVO richtet den Tastereinsatz in beliebige Winkel nach dem zu messenden Bauteil aus. Das vermeidet Kollisionen, die wir zuvor nur mit unterschiedlichen Tasterkonfigurationen ausschließen konnten.“ Somit kann die QS bei Kawasaki nun auch sehr viel schneller messen und Ergebnisse liefern.

Nur für Sonderanwendungen stehen im Tastermagazin noch freie Plätze zur Verfügung.

Da das fünfachsige System eine unendliche Anzahl an Positionierwinkeln für den Tastereinsatz ermöglicht, können zudem spezielle Aufspannungen und Spannlagen für die zu messenden Werkstücke entfallen. Watts erläutert: „Wir messen alle unsere Teile auf nur drei unterschiedlichen Spannvorrichtungen. Nach dem ersten Ausrichten richtet sich das System REVO selbst am Werkstück aus. Damit vermeiden wir auch Messfehler wegen unzureichend ausgerichteter Bauteile oder Vorrichtungen.“

Programmieren vereinfacht

Kawasaki programmiert alle Messroutinen mit der Software Mitutoyo Mcosmos 3.1. Auch hier hat das fünfachsige System REVO die Abläufe wesentlich vereinfacht und beschleunigt. Inzwischen können die Mitarbeiter der QS modular programmieren und Messprogramme parametrieren. Dazu berichtet Watts: „Wir haben zum Beispiel 30 unterschiedliche Kurbelwellen. Da alle übereinstimmende Merkmale haben, nur in jeweils anderer Größe oder Position, können wir mit demselben Messprogramm alle Teile messen."

Watts erklärt weiter, dass der Wechsel von der 3-Achsen- auf 5-Achsen-Programmierung nicht schwierig ist. Ein Programmierer kann die Bewegungen des fünfachsigen Systems REVO weiterhin dreiachsig programmieren. Nur beim Optimieren der Messgeschwindigkeit kommt es darauf an, so viele Messkopfbewegungen wie möglich zu nutzen. Das dafür erforderliche, weiterführende Fachwissen erhalten die Mitarbeiter in Trainings von Renishaw.

In Maryville verfügt Kawasaki über zwei Koordinatenmessmaschinen. Wegen der scannenden Messtechnologie können diese nun wechselweise genutzt werden. Wie Watts erläutert, war das ehemals nur bedingt und bei großem Zeit- und Arbeitsauswand möglich. Da das fünfachsige Scannen mit dem System REVO aber ohne spezielle Spannvorrichtungen und mit parametrierten Programmen arbeitet, kann man Bauteile innerhalb kürzester Zeit von einer KMM auf die andere bringen. Das erweist sich beispielsweise beim Ausfall einer KMM als besonderer Vorteil. Vor allem die Messungen zum Überwachen der Serienfertigung können laufend fortgeführt werden.

Im Maryville-Werk wurden bisher über 50000 Werkstücke mit den zwei mit REVO ausgestatteten KMM gemessen. Wie Watts berichtet, will man künftig auch Zahnräder und Nockenwellen mit dem System REVO messen. Die Spezialisten der QS bei Kawasaki haben dafür eigene Algorithmen und Unterprogramme unter anderem für den Nockenhub entwickelt. Wegen der fünfachsigen Bewegungen des REVO war dies besonders einfach. Problemlos kann REVO den Tastereinsatz auf die bei Nocken oder Zahnrädern erforderlichen Winkel einstellen.

Weitere Informationen über REVO erhalten Sie unter: www.renishaw.de/revo

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