Mehr Performance im Maschinenbau durch Vision-Sensorik

Pepperl+Fuchs: Performancesteigerung im Maschinenbau war immer schon mit der Weiterentwicklung der Sensortechnik eng verbunden. Nur mit immer präziserer und schnellerer Überwachung durch geeignete Sensorik kann die Steuerungs- und Regeltechnik optimiert werden. Seit einigen Jahren findet sich die Vision-Technologie auch hier auf dem Vormarsch. Wurde die Bildverarbeitung in den Anfängen primär für die Qualitätskontrolle eingesetzt, so finden sich mehr und mehr Anwendungen, wo Vision-Sensorik auch unmittelbar in der Maschinensteuerung eingesetzt wird. Diesen Trend möchten wir anhand von drei Beispielen illustrieren.

Data-Matrix-Positioniersystem PCV

Bei einem Data-MatrixCode (2D-Code) sind die Informationen auf einer quadratischen Fläche als Muster von Punkten codiert. Im Vergleich zu eindimensionalen Barcodes (1D-Code) ist die Informationsdichte pro Flächeneinheit deutlich erhöht und somit eine wesentlich erhöhte Fehlerredundanz gegeben.

Einzelne quadratische Codes aneinander und übereinander ergeben ein Codeband, welches mit einer Kamera gelesen, dekodiert und dann als exakte Position in X- und Y-Richtung ausgegeben wird. Das Verfahren zeichnet sich durch höchste Datensicherheit durch intelligente Fehlerkorrektur aus. Das Codeband ist sehr schmal ausgeführt und somit für engste Montagestellen, kleinste Kurvenradien und Steigungs- und Gefällstrecken geeignet. Da immer min. 6 Codes gelesen werden, ist eine hohe Code-Redundanz vorhanden. Selbst bei grober Verschmutzung oder Beschädigungen wird die exakte Position sicher ermittelt und erfüllt somit die höchsten Anforderungen.

Der Lesekopf PCV nutzt moderne Kamera-Technologie, welche die Information (Data Matrix Code) zweidimensional erfasst und eine Software wertet das Bild aus, sprich ermittelt die Position. Durch Verzicht auf Laserdioden und mechanische Teile ist höchste Robustheit und eine lange Lebensdauer garantiert. Strecken bis 10 km inklusive Höhenmessung, umfangreiche Diagnoseinformationen und DC Schaltausgänge sind nur einige Features des einzigartigen Data Matrix Positioniersystems.

Laserlichtschnitt-Sensorik

Eine ganz andere Anwendung der Vision-Technologie ist das Laserlichtschnitt-Prinzip im sogenannten LineRunner. Mittels einer im Sensor integrierten linienförmigen Laser-Beleuchtung werden Höhenkonturen optisch sichtbar und mittels der gleichen Sensor-Hardware-Plattform, die auch in den anderen Beispielen dieses Aufsatzes eingesetzt wird, zu 3D-Informationen.

Ein Anwendungsbeispiel für den LineRunner in der Automobilproduktion ist der präzise Einbau von Türen und Anbauteilen. Wurden in der Produktion früher Spalt- und Abstandsmaße durch Kunststofflehren manuell überprüft, so können mittels des LineRunners solche Messwerte berührungslos und automatisch ermittelt und für die robotergestützte Montage als Regelgröße verwendet werden.

Für die Spaltberechnung ist es notwendig, die vom LineRunner ermittelten einzelnen Abstandswerte durch mathematische Ausgleichsverfahren so zu verdichten, dass hieraus geometrisch interpretierbare Werte resultieren. Dies wird beispielsweise durch das Einpassen der Messpunkte an bekannte Modellkonturen (z.B. Kreis, Radius, Tangente) erreicht. Bei Bauteilkanten im Hinterschnitt werden jeweils zwei Sensoren zu einem sogenannten „Doppelkopf“ verschaltet und die entsprechenden Spaltmaße gemeinsam aus beiden Sensoren ermittelt. Auch wenn ein Großteil der notwendigen Signalauswertungen bereits im Sensor erfolgt, wird deutlich, dass für die beschriebene Aufgabenstellung erhebliche Systemintegrationsleistungen notwendig sind. Genau hierauf ist die VMT Bildverarbeitungssysteme GmbH spezialisiert.

In modernen Werken des Daimler-Konzerns kommen diese Montagestrategien bereits zur Anwendung, die in Fachkreisen als „Best-Fit“ bezeichnet werden. Diese Technik zeichnet sich dadurch aus, dass durch eine kontinuierliche Spalt- und Bündigkeitsmessung, die simultan an mehreren Messorten des Einbauteils erfolgt, der Montage-Roboter sensorgeführt in eine Endposition geregelt wird. Die Sensorik wird hierbei direkt auf dem Greifwerkzeug montiert. Je nach Anwendung kommen pro Roboter zwischen 6 und 18 LineRunner zum Einsatz. Durch das erwähnte Best-Fit-Verfahren werden Toleranzen der Bauteile best-möglich ausgeglichen und die Anbauteile in optimaler Position montiert. Insgesamt wird so die Fehler- bzw. Toleranzkette zwischen Anbauteil und Karosse auf ein Minimum reduziert. Das Beispiel illustriert, dass intelligente Vision-Sensoren wie der LineRunner auch als Komponente für komplexe Montagesysteme an Bedeutung gewinnen, die professionelle Systemkompetenz, die bei der Anlagenplanung beginnt und beim 24/7 Service noch nicht endet, aber im Systemgeschäft nicht ersetzen.

Vision-Sensorik in der grafischen Industrie

Ein interessantes Einsatzgebiet für Vision-Sensoren ist die Falschbogenkontrolle im Postpress-Bereich an Klebebindern, Sammelheftern oder auch Falzmaschinen. Fehlt eine Seite in einem Roman, so ist dies für den Leser „nur“ sehr ärgerlich. Wesentlich schwerwiegender kann jedoch ein vertauschter Beipackzettel von einem Medikament sein. Um dies zu verhindern, muss die Korrektheit der Bogenfolge bei Zusammentrag- und Falzmaschinen überwacht werden. Bisher am Markt etablierte Systeme arbeiten mit Barcodes auf den Druckbögen und erfordern deshalb zusätzlichen Aufwand. Zudem war die Option Falschbogenerkennung bislang mit hohen Anschaffungskosten verbunden.

Pepperl+Fuchs hat für diese Anwendung spezialisierte Vision-Sensoren entwickelt, die es kostenseitig erlauben, die Falschbogenkontrolle als Standard in die Erstausrüstung der Maschinen zu integrieren. Die Vision-Sensoren VOS410-BIS und BIS510 sind kompakte Sensoren, die Kamera und Auswertung in sich vereinen und somit eine einfache mechanische Integration erlauben.

Diese Sensoren überwachen die Bogenfolge anhand des Druckbildes. Hierzu wird der erste Bogen automatisch eingelernt und mit den nachfolgenden verglichen. Die Sensoren können diese Kontrolle bei Höchstgeschwindigkeiten von bis zu 6 m/s und 10 Bögen/s durchführen. Aufgrund der hohen Auflösung entdecken die Vision-Sensoren dabei selbst kleinste Unterschiede im Druckbild.

Über eine Ethernet-Schnittstelle wird der Vision-Sensor einfach in die Maschinensteuerung integriert. Diese hochperformante Schnittstelle ermöglicht durch ihre hohe Bandbreite sogar die schnelle Übertragung von Bildern, zum Beispiel von nicht korrekten Bögen zur systematischen Fehleranalyse.

Vision-Sensorik auf dem Vormarsch

Diese drei Beispiele zeigen, wie Vision-Sensorik die Performance von Maschinen und Anlagen erhöht. Dabei zeigt sich zunehmend, dass dies am besten mit auf die jeweilige Anwendung optimierten Sensoren funktioniert. Die technische Basis aller drei Sensoren ist zwar gleich, doch erst mit einer applikationsspezifischen Firmware wird der Vision-Sensor zum Problemlöser im Maschinenbau.