Einsatz der Bildverarbeitung in der Produktion von Bremssystemen

Während die öffentlichen Medien die Hoffnung auf die bald bevorstehende Serienreife des selbst fahrenden Autos schüren, bleibt die automobile Wirklichkeit meist hinter den überzogenen Schlagzeilen verborgen. Diese Wirklichkeit ist jedoch extrem spannend. Und dort, wo die Entwicklung und Produktion hochintelligenter Systemkomponenten die automobile Zukunft entstehen lässt, geht nichts mehr ohne optische Sichtprüfung und industrielle Bildverarbeitung. Wie etwa bei einem der weltweit größten Automobilzulieferer moderner Bremsanlagen in Frankfurt.

Spricht jemand in Frankfurt von der „Bremsenbude“ ist das nicht abfällig gemeint, sondern zeugt von Respekt und Verbundenheit mit einem starken und traditionsreichen Industrieunternehmen und einem der international bedeutendsten Automobilzulieferer, Continental.
Historisch ist Frankfurt ein alter Standort der ehemaligen Alfred Teves GmbH, die 1998 von der Continental AG aufgekauft wurde. Und hier in Frankfurt Rödelheim befindet sich auch die Zentrale der Division Chassis & Safety, eine von drei Automotive Divisionen der insgesamt fünf Divisionen im gesamten Unternehmen. Von den weltweit ca. 40.000 Mitarbeitern der Division Chassis & Safety sind ca. 1.000 in Frankfurt beschäftigt.
Am Rödelheimer Standort sind außerdem Entwicklung und Produktion angesiedelt. Es werden unter anderem Bremssysteme zur Serienreife gebracht, mit denen die Sicherheit von Fahrzeugen immer weiter verbessert wird und deren neueste Generation auch den Einsatz extrem leistungsfähigerer Fahrerassistenzsysteme ermöglicht.
Sozusagen direkt neben dem Labor werden auf der eigenen Teststrecke Bremssysteme in den verschiedenen Fahrzeugklassen und Modellen namhafter Fahrzeughersteller gefahren und getestet.
Das Prüfen und Testen in der automatisierten Fertigung bei Continental ist auch ein dominantes Thema im Bereich Central Industrial Engineering. Hier werden Produktionsanlagen für die weltweiten Standorte konzipiert, entworfen und realisiert.
„Wir sind in diesem Zusammenhang auch die Schnittstelle zu den Produktentwicklern, mit denen wir das Anlagenkonzept erarbeiten“,  erläutert Nuria Garrido López, Teamleiterin Vision Systeme im Bereich „Central Control and Production IT“.

„Die bei uns entwickelten Anlagen werden in großen Stückzahlen im Konzern eingesetzt. Wird beispielsweise eine Produktionsanlage für Japan entwickelt, wird diese hier projektiert und dann vor Ort, auch unter Einbeziehung lokaler Anbieter, installiert.“

Die Kundenprodukte stehen im Mittelpunkt
Die Produkte, die in Frankfurt entwickelt werden, sind in modernen Fahrzeugen unverzichtbar, denn sie regeln und steuern die komplette Bremsanlage. Die Systeme stellen sicher, dass ein Fahrzeug in einer kritischen Situation kontrollierbar bleibt. Als ESP und ABS sind diese Funktionen den meisten Autofahrern geläufig.
Als zentrale Steuereinheiten regeln die elektronischen Bremssysteme zahlreiche Funktionen anhand von Daten, die im Fahrzeug erfasst werden. Muss der Autofahrer beispielsweise im Falle einer drohenden Kollision eine Vollbremsung ausführen, werden die Daten in Sekundenbruchteilen analysiert und das System steuert die Räder so, dass sie nicht blockieren und das Fahrzeug nicht ins Schleudern gerät.

Soll das Bremssystem zuverlässig arbeiten, muss es viele Faktoren, wie die Geschwindigkeit oder die Masse des Fahrzeugs, berücksichtigen. Es wird daher exakt an den jeweiligen Fahrzeugtyp und dessen Dynamik angepasst.
Zum kompletten Bremssystem gehören natürlich mehr als nur diese intelligenten Bauteile. Es gibt weitere Aktoren und Sensoren, die von anderen Chassis & Safety Business Units zugeliefert werden. Alle Komponenten zusammen garantieren schließlich, dass der Autofahrer sicher bremsen kann.

„Unser weit verbreitetes Standardprodukt MK 100 oder die neue MK C1 repräsentieren sozusagen die Intelligenz des Bremssystems“, betont Nuria Garrido López.
Die MK 100 ist ein sehr ausgereiftes skalierbares Produkt, das eine hohe Flexibilität bietet und einen wichtigen Teil des Tagesgeschäfts bei Continental repräsentiert. Es kann in zahlreichen Fahrzeugarten, beginnend beim Motorrad bis hin zum schweren LKW eingesetzt werden und wird dabei entsprechend der verwendeten Fahrzeugplattform kundenspezifisch angepasst.
Die MK C1 repräsentiert die neueste Generation der elektrohydraulischen Bremssysteme. Bei der MK C1 sind die Funktionen der Bremsbetätigung, des Bremskraftverstärkers sowie des Regelsystems (ABS, ESP) in einem kompakten und gewichtseinsparenden Bremsmodul zusammengefasst. Die Integration spart Gewicht und somit auch Kraftstoff. Es reagiert auch schneller als bisherige Systeme und baut schneller den Bremsdruck auf, was den Bremsweg reduziert. Dabei ist es bereits für den Einsatz mit weiterentwickelten Fahrerassistenzsystemen ausgelegt.
In Frankfurt Rödelheim werden die verschiedenen Varianten der zwei Produktfamilien gefertigt. Die Produktion mit einer 100% Qualitätsprüfung erfolgt auf den für diese Produktfamilien jeweils konzipierten automatisierten Fertigungsanlagen.

Qualitätskontrolle für lebenswichtige Komponenten und Systeme
Elektronische Bremssysteme müssen in Bruchteilen einer Sekunde korrekt und präzise funktionieren. Sie sind in höchstem Maße sicherheitsrelevant, und dementsprechend hat die Qualitätsprüfung und –Kontrolle den allerhöchsten Stellenwert in deren Fertigung.
Jede einzelne Systemkomponente muss genau auf das fertige Endprodukt abgestimmt sein. Allerdings muss dafür auch mehr Sicherheit in die Produktion eingebracht werden, um dann auch diese Sicherheit im Straßenverkehr zu haben. Das betrifft den gesamten Weg vom Lieferanten bis zur Auslieferung des Endprodukts an den Kunden. Auf diesem gesamten Weg gibt es Bildverarbeitungssysteme als Bestandteil flexibler Fertigungsanlagen, die in den Verantwortungsbereich des Central Industrial Engineering der Division Chassis & Safety fallen.
In der Final Assembly werden auch zahlreiche Komponenten, die Continental selbst produziert, in die Endprodukte verbaut. Die Produktionsüberwachung für diese Komponenten übernimmt ebenfalls die Bildverarbeitungsgruppe des Central Industrial Engineering. Diese Bauteile haben einen Datamatrix Code, um die Nachverfolgbarkeit sicherzustellen. Das Bildverarbeitungsteam legt daher auch die Bildverarbeitungssysteme fest, die diese Datamatrix Codes verifiziert und lesen.
In der Herstellungsphase wird der Datamatrix Code (Aufmacher) gelesen und damit verifiziert, dass jedes einzelne individuell markierte Teil korrekt zugeordnet werden kann. So lässt sich sicher überprüfen, dass für das jeweilige System und den jeweiligen Kunden exakt die richtigen Bauteile an der richtigen Stelle verbaut werden.
„Wir erhalten für die Final Assembly die perfekt gefrästen und gekennzeichneten Blöcke. Die werden dann nicht mehr geprüft. Traceability ist daher für uns ein sehr wichtiges Thema“, erklärt Nuria Garrido López.

Flexible Automatisierung im Reinraum
Dass bei der Endfertigung der elektronischen Bremssysteme höchste Sorgfalt gefordert ist, bedingt auch, dass die Final Assembly unter Reinraumbedingungen erfolgt. Schon die sensible Elektronik, die verbaut wird, legt nahe, den Menschen als Kontaminationsquelle vom Produkt fernzuhalten und den Prozess möglichst vollständig zu automatisieren. Die Automatisierung mithilfe der Bildverarbeitung ist unter diesem Aspekt nicht nur ein Qualitätskriterium sondern auch ein Sicherheitskriterium, indem Fehler durch menschliche Eingriffe weitestgehend ausgeschlossen werden.
Dabei ist es nicht zwingend, dass eine Automatisierung mehr Bildverarbeitung erfordert als Anlagen, bei denen noch der Mensch eingreift, etwa bei der Befüllung. Es kann durchaus sein, dass in eben diesem Fall mehr Bildverarbeitung nötig wird, um eventuelle menschliche Fehler abzufangen, besonders, wenn es um sicherheitsrelevante Produkte geht. Die Bildverarbeitung hilft bei der Absicherung der Produktion jedoch in jedem Fall, ob mit einer 100% Automatisierung gearbeitet werden kann oder nur mit einer 50% Automatisierung.

Die bei Continental eingesetzten optischen Systeme tragen dazu bei, den Prozess zu automatisieren und noch genauer und präziser zu produzieren. Muss zum Beispiel ein Teil in einem Winkel von 25° und einer Genauigkeit von 0,01 montiert werden, kann dies kein Mitarbeiter mit der geforderten Geschwindigkeit leisten. Dagegen erkennt ein Bildverarbeitungssystem schnell und präzise, wo das Teil sich befindet, welche Position es hat und wie es gedreht werden muss.
Die Prüfung wird dann etwas komplizierter, wenn sich bestimmte Fehler dadurch anders darstellen, dass unterschiedliche Lieferanten in ihrer Fertigung andere Maschinen und Werkzeuge verwenden.
Schließlich besteht auch eine besondere Herausforderung darin, die Inspektionslösung in eine bestehende Maschine integrieren zu müssen. Denn es gibt bautechnische Beschränkungen, die dazu führen können, dass z.B. eine Kamera nicht in der Idealposition senkrecht über dem Objekt platziert werden kann, sondern aus einer anderen, seitlichen Perspektive das Objekt aufnehmen muss. Dann ist die Erfahrung und Kreativität aller beteiligten Entwickler gefragt.

Zunehmende Akzeptanz für die Bildverarbeitung.
So wie der technische Fortschritt neue Möglichkeiten für die Bildverarbeitung erschließt, ist auch die Akzeptanz der Anwender an den Produktionsanlagen des Frankfurter Bremsenspezialisten für die Verwendung optischer Prüfsysteme und Bildverarbeitungssysteme gestiegen. Früher stand die Befürchtung im Vordergrund, dass diese Systeme durch erhöhten Justieraufwand das Bedienen erschweren würden. Heute sind vielfach intelligente, selbstlernende Systeme im Einsatz, die sich sozusagen selbst justieren und viel weniger Eingriff durch den Anwender erfordern. Dies erhöht die Akzeptanz.

Um zum Beispiel die unterschiedlichen Varianten einer Produktfamilie wie MK 100 fertigen zu können, verfügen die Bildverarbeitungssysteme über eine integrierte Flexibilität. Sie können sich bis zu einem gewissen Grad ohne Eingriffe durch den Mitarbeiter an die Veränderungen im Produktionsprozess, zum Beispiel den Einbau anderer Komponenten, anpassen. Die Systeme werden dafür in der Entwicklungsphase anhand möglichst zahlreicher Beispielbilder angelernt, um möglichst alle Fälle abzudecken und das System so intelligent wie möglich zu machen.
Die Experten der zentral in Frankfurt angesiedelten Bildverarbeitungsgruppe der Chassis & Safety Division haben früh erkannt, dass es nicht hilft, ein hoch kompliziertes System zu entwickeln, das schwierigste Aufgaben löst, wenn die Bedienung gleichzeitig so komplex wird, dass am Ende die Akzeptanz durch die Anwender nicht mehr gegeben ist.
Nuria Garrido López fasst es so zusammen: „Die Kunst besteht darin, die komplexen Systeme so weit zu vereinfachen, dass sie keinen zusätzlich Programmieraufwand erfordern und ihre Bedienoberflächen so zu reduzieren, dass sie einfach zu verstehen sind.“

Gemanagte Bildverarbeitung
Dadurch, dass die Bildverarbeitung im Bereich des Central Industrial Engineering in Frankfurt zentral angesiedelt ist, besteht die Möglichkeit, die Fertigungsprozesse an den relevanten Standorten weitestgehend zu standardisieren und stark anzugleichen, auch was die Prozesse und die Qualitätssicherung betrifft.
Dabei werden die international verwendeten Standards berücksichtigt. Die Qualitätssicherung ist zudem so ausgelegt, das sich die integrierte Qualitätsprüfung weitestgehend am „kritischsten“ Produktionsstandort orientiert. So ist sichergestellt, dass die Produktqualität global auf höchstem Niveau gehalten wird. Die zur Verwendung kommenden Standards werden ebenfalls in der Abteilung in Frankfurt festgelegt.

Das Qualitätsmanagement schließt auch die Prüfung der Lieferanten ein, bevor sie die Produktion beliefern dürfen. Auch die gelieferten Produkte werden geprüft. Die Bildverarbeitungsgruppe steht daher in engem Kontakt zur Qualitätsabteilung und unterstützt und berät sie. Dabei geht es unter anderem darum, schon frühzeitig auf bestimmte Details der zugelieferten Teile Einfluss zu nehmen, dass diese später im Fertigungsprozess möglichst gut mit den optischen Prüfverfahren erkannt und beurteilt werden können. Das kann zum Beispiel die Farbgebung oder die Kombination von Farben an den Komponenten betreffen.
Jeder einzelne Prüfprozess wird im Rahmen einer Machbarkeitsanalyse einer Bewertung unterzogen. Es wird entschieden, welche Komponenten benötigt werden, welche Beleuchtung, welche Kamera, etc.. Dabei werden interne Standards herangezogen, die auch dazu beitragen, die Systeme so einfach wie möglich zu halten. Wird zum Beispiel eine neue Produktionsanlage gebaut, für die 30 Bildverarbeitungssysteme für unterschiedliche Aufgaben benötigt werden, macht es wenig Sinn, das eine System vom Lieferanten A und das zweite vom Lieferanten B das dritte von C usw. zu beschaffen.

Um im Bereich der Bildanalyse Kontinuität und Flexibilität sicherstellen zu können, wurde daher im Central Industrial Engineering ein Bildverarbeitungssystem entwickelt, das als Standardkonzept dient. Die Systemlösung ist IPC-basiert und orientiert sich am GigE Vision Standard. Alle Komponenten müssen sich in dieses Standardisierungskonzept einfügen. Es geht immer darum, eine Komponente zu finden, mit der sich das Problem auch möglichst einfach lösen lässt. In einer Art und Weise, die mit einem Baukastensystem vergleichbar ist.
Die Verwendung einer Messlösung, die für ein bestimmtes Ventil funktioniert, lässt sich auf der Basis des verwendeten Standardisierungskonzeptes leichter auf ein etwas anderes Ventil übertragbar, ohne eine komplett neue Lösung entwickeln zu müssen.

Das Frankfurter Bildverarbeitungsteam ist auch sehr stark in die Überlegungen für die Konzipierung von kompletten Produktionsanlagen eingebunden. Und auch da ist hohe Kreativität und Erfahrung gefragt. Ein Bildverarbeitungssystem muss dann nicht nur entwickelt und in Betrieb genommen werden, sondern das Know-how muss weitergegeben werden, sodass die Anwender vor Ort selbständig arbeiten können und nicht mehr auf den zentralen Support angewiesen sind. Daher werden die auf die Anlagen bezogenen Schulungen und Qualifizierungen vom Frankfurter Team vor Ort in den Werken durchgeführt.
Dadurch, dass am Standort Frankfurt die Gesamtverantwortung für die Bildverarbeitungslösungen im Fertigungsbereich der elektronischen Bremssysteme angesiedelt ist, können andere Bereiche, die am Anfang der Einführung der Bildverarbeitung stehen und noch nicht genau wissen was im Detail auf sie zukommen wird, schnell von dem Know-how und den Erfahrungen profitieren. Das verhilft der industriellen Bildverarbeitung bei Continental unter anderem zu hoher Akzeptanz und legt auch einen Grundstein für die Automatisierungskonzepte der Industrie 4.0, bei denen auch der industriellen Bildverarbeitung eine entscheidende Rolle zukommen wird.

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