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Schonender Griff ins Chaos

Stationäres 3D-Erkennungssystem mit Smart Kameratechnologie für Pick & Place-Anwendungen

Für Echt­zeit­bild­ver­ar­beitungs­routinen in der Fabrik­automation werden zu­nehmend kompakte intelligente Kameras mit leistungs­fähigen Prozessoren ein­ge­setzt, die die zuvor üblichen PC-basierten Lösungen ver­drängen. In einem Verbund von Anlagen- und Roboter­steuerung können solche Embedded Bild­ver­ar­beitungs­systeme sogar komplexe Fertigungs­schritte umfassend unter­stützen. Dazu zählen auch Pick & Place-Aufgaben in der Automobilindustrie: Das Bild­ver­ar­beitungs­system erkennt Position, Orientierung und Seiten­lagen von zu ent­nehmen­den Brems­scheiben­roh­teilen in Schwer­gut­be­hältern und sorgt so für eine bau­teil­schonende Ent­nahme. Die Integration von intelligenten Kameras in ein stationäres 3D-Erkennungs­system macht somit eine besonders betriebs­sichere und lang­lebige Lösung möglich.

In der Automobil­industrie dominieren auto­mati­sierte Pro­zesse schon lange das Bau­teil­handling. Die auf in­dus­trielle Bild­ver­ar­beitungs­lösungen spezialisierte Wente/Thiedig GmbH entwickelte in diesem Bereich für einen nam­haften Auto­mobil­hersteller bereits meh­rere 3D-Er­kennungs­systeme. Zur Ver­besserung der be­stehenden Prozesse wurde ein Ent­nahme­system für eine Ab­pack­station von Brems­scheiben- und Reib­ring­rohlingen gesucht, das be­sonders bau­teil­schonend operiert.

3D-Er­kennungs­systeme für solche An­wen­dungen müssen un­regel­mäßig ge­stapelte, chaotisch an­ge­ordnete und eventuell nicht sortenrein vor­liegende Baut­eile – in diesem Fall die Brems­scheiben-/Reib­ring­rohlinge – zu­verlässig er­kennen können, um eine lage­richtige Ab­lage vor dem Be­ar­beitungs­zentrum zu ge­währ­leisten.

Die Bau­teile werden zwar lage­richtig ge­schichtet in Schwer­gut­be­hältern ge­liefert, ein Ver­rutschen und Ver­kippen während des Trans­ports ist jedoch wahr­scheinlich, und auch die Sorten­rein­heit ist zum Zeit­punkt der Ent­nahme nicht immer ge­währ­leistet. Da­durch ist das Hand­ling für Ro­boter bzw. Greifer er­heblich er­schwert.

Ge­meinsam mit der Bertram Automation GmbH & Co. KG hatte die Wente/Thiedig GmbH ein ro­boter­ge­führtes Scan­system speziell für die Lage- und Positions­be­stim­mung von Brems­scheiben in Schwer­gut­be­hältern konzipiert. Für ihren Kunden aus der Auto­mobil­industrie ent­wickelten die Unter­nehmen dieses System nun weiter und über­führten die Erkennungs­technik vom Roboter­arm auf ein stationäres System.

Die Kameras sind im neuen Scan­system SKG500 orts­fest installiert und nicht mehr im Greifer. Eine mecha­nische Be­an­spruchung der Optik- und Be­leuchtungs­komponenten oder der Ver­sorgungs- und Daten­kabel ist bei dieser Konstruk­tion system­bedingt aus­ge­schlossen.

Da­durch ist das 3D-Er­kennungs­system wartungs- und ver­schleiß­arm, mögliche Still­stands­zeiten bzw. Wartungs­intervalle ent­fallen. Durch die stationäre An­ord­nung des 3D-Er­kennungs­systems in einer oder zwei Ent­nahme­buchten werden Bild­auf­nahme und Aus­wertung je­weils paral­lel zum Bau­teil­hand­ling durch­ge­führt, eine takt­zeit­neu­trale Aus­wertung ist somit immer ge­währ­leistet.

Zu­sätzlich schließt der groß­zügige Arbeits­ab­stand von knapp 1.800 mm zwischen den Schwer­gut­be­hältern und dem 3D-Er­kennungs­system eine Kol­li­sion mit dem En­tnahme­roboter aus. Sämt­liche op­tischen Kom­po­nenten sind ober­­halb des Schwer­gut­be­hälters in­stalliert und somit vor mecha­nischen Be­schädi­gungen sicher ge­schützt.

3D-Bewertung aus sicherer Entfernung

Das Ge­samt­system ist aktuell auf die Ent­nahme von runden Bau­teilen oder Ob­jekten aus Schwer­gut­be­hältern aus­ge­legt – etwa für die Ent­nahme von Scheiben­rädern für land­wirt­schaft­liche Fahr­zeuge oder Gabel­stapler, oder auch von Rohr­flanschen oder Teller­federn etc. aus Schwer­gut- oder Trans­port­be­hältern. Nach ent­sprechen­der An­passung kann das System auch für andere Pick & Place-An­wen­dungen ein­ge­setzt werden, was sich durch die räum­liche Tren­nung von 3D-Er­kennungs­system und Greifer­ein­heit leicht um­setzen lässt.

Vor der Ent­nahme der Roh­linge werden visuell die Kon­turen der obers­ten Roh­teil­lage be­wertet und deren Position, Ori­en­tie­rung und Seiten­lage be­stimmt. Die aus einem 3D-Bild ge­wonnenen Infor­mationen emp­fängt die An­la­gen­steue­rung dann über die Ether­net-Schnitt­stelle der intel­ligenten Kamera­sys­teme. Somit ist bei der Positions- und Lage­be­stim­mung im Schwer­gut­be­hälter ge­währ­leis­tet, dass un­nö­tige Wende­vor­gänge oder nach­ge­lager­te Bau­teil­er­ken­nungen sich ne­ga­tiv auf die Takt­zeit aus­wirken.

Nach der Daten­ver­ar­bei­tung der An­lagen­steue­rung werden die Brems­scheiben-/Reib­ring­roh­linge ent­nommen und gleich auf die nach­ge­lager­te Station zur Typ­prü­fung oder erst auf eine Wende­ein­heit ab­ge­legt. Die ge­son­der­te Prü­fung der Sor­ten­rein­heit ist aus Sicher­heits­grü­nden er­for­der­lich, weil durch die offene Trans­port­weise der Be­hälter falsche Schei­ben in die Be­ar­beitungs­ma­schine ge­langen könn­ten, wenn keine End­kon­trol­le des Typs am Ma­schin­en­ein­lauf er­folgt. In der Ent­nahme­bucht er­folgt die Posi­tions- und Lage­be­stim­mung durch je zwei in­tel­ligen­te Ka­me­ra­sys­teme des Typs VCSBC6211nano-RH des Her­stel­lers Vision Components GmbH.

Für die opti­male Aus­leuch­tung sorgen zwei LED-Blitz­be­leuch­tungs­ein­heiten, die eigens für diese spezielle Be­leuch­tungs­situation ent­wick­elt wurden. Diese lang­lebigen und war­tungs­freien Be­leuch­tungs­ein­heiten wer­den über das Ka­me­ra­sys­tem an­ge­steu­ert und sor­gen für eine voll­ständige und gleich­mäßige Be­hälter­aus­leuchtung.

„Wie schon für das Vorgängersystem haben wir auch beim 3D-Erkennungssystem SKG500 wieder auf intelligente Kameras von Vision Components gesetzt. VC-Kameras sind sehr leistungsstark, agieren als eigenständige Bildverarbeitungssysteme und lassen sich frei programmieren. Das erlaubt uns, ein schnelles und zuverlässiges 3D-Erkennungssystem zu implementieren.“

Dr. Bernd Köster Geschäftsführer der Wente/Thiedig GmbH

Kurze Taktzeiten, bauteilschonende Entnahme

Das 3D-Er­ken­nungs­sys­tem zielt vor al­lem auf eine mög­lichst geringe Takt­zeit und eine bau­teil­schonen­de Ent­nahme der zu grei­fen­den Brems­schei­ben- und Reib­ring­roh­linge aus den Schwer­gut­be­hältern ab. Damit setzt es einen anderen Ak­zent als das schon be­währte und weiter­hin er­hält­liche Scan­system LTSOT500 von Wente/Thiedig. Bei dem Auto­mobil­her­steller, der als Erster die neue Lö­sung er­hielt, ge­währ­leis­tet die ver­kürz­te Takt­zeit eine op­ti­male Aus­las­tung der nach­folgen­den Be­ar­bei­tungs­zent­ren. Das in Mo­dul­bau­weise kon­stru­ier­te 3D-Er­kennungs­sys­tem SKG500 ist er­weiter­bar und kann in jeder An­wendung be­liebig oft neben­ein­ander auf­ge­baut wer­den.

Die bei dem An­wen­der auf­ge­bau­ten Zel­len ver­fü­gen über zwei Ent­nahme­buchten mit jeweils einem 3D-Er­kennungs­system SKG500. Ein weiterer Vor­teil des Gesamt­sys­tems ist die Greifer­ein­heit, die auf die Geo­metrie der Brems­scheiben­roh­linge ab­ge­stimmt ist und somit die bau­teil­schonen­de Ent­nahme aus den Schwer­gut­behältern sicher­stellt. Andere Sys­teme ver­wenden dagegen häufig eine Ent­nahme­ein­heit, die mit einem Elektro­mag­neten aus­gerüstet ist und in den Schwer­gut­be­hältern nach Bau­teilen „angelt“. Dabei können ver­sehent­lich mehrere Bau­teile gleich­zeitig auf­ge­nommen wer­den, die dann bei der Be­we­gung des Ro­bo­ters zur Ab­lage herunter­fallen und be­schädigt wer­den können.

Darüber hinaus kön­nen metal­lische Späne oder Ver­un­rei­nig­ung­en aus den Trans­port­be­häl­tern un­be­ab­sich­tigt ent­nommen wer­den und an den nach­fol­gen­den Be­ar­bei­tungs­ma­schi­nen feh­ler­haf­te Bau­teil­po­si­tio­nie­rung­en ver­ur­sachen. Zu­sätz­lich er­for­dern solche Sys­teme eine spä­tere Ent­mag­neti­sie­rung der Bau­teile. Der Ein­satz des 3D-Er­kennungs­sys­stems SKG500 ver­hin­dert die Ent­ste­hung all dieser Pro­bleme von vorn­herein. Die Ge­fahr von Mikro­rissen an den Bau­teilen – ge­rade in der Auto­mo­bil­in­dus­trie ein hoch­gradig sicher­heits­rele­vanter As­pekt – ist somit deut­lich re­du­ziert. Ein ver­sehent­liches Greifen mehrerer Roh­teile ist aus­geschlossen, denn es wird stets ge­zielt nur ein einzel­nes Roh­teil ent­nommen.

Durch die voll­ständige Tren­nung des 3D-Er­kennungs­sys­tems vom Ro­bo­ter ist über­dies eine deut­lich ver­ein­fach­te In­be­trieb­nahme und War­tung ge­währ­leistet. „Im Falle eines Feh­lers ist die Pro­blem­be­hand­lung ex­trem ver­ein­facht“, so Marketing­leiter Michael Lehner. „Hard- und Soft­ware­schnitt­stellen sind in ihren Funk­tionen klar ab­ge­grenzt, so dass es ein­fach zu er­kennen ist, bei wel­chem Bau­teil oder an­grenz­endem Ge­werk das Pro­blem liegt.“

Bildverarbeitung auf kleinstem Raum: VSBC6211nano-RH von Vision Components

Mit einer Re­chen­leis­tung von 5600 MIPS und äußerst ge­ringen Maßen (40mm x 60mm) ist die in­tel­ligente Pla­tinen­ka­me­ra VCSBC6211nano-RH ein leis­tungs­starkes und ultra-kom­paktes Raum­wun­der. Sie eig­net sich be­sonders für App­likation­en, bei denen sehr wenig In­stallations­platz zur Ver­fügung steht. Die of­fene Bau­weise und der extra ab­ge­setzte Sensor­kopf (Remote Head) er­lauben größt­mög­liche Flexi­bi­lität bei der In­te­gration in ver­schieden­ste Machine Vision Sys­teme.

Der win­zige Ka­me­ra­kopf misst nur 18 mm x 24 mm und ist über ein wahl­weise 30 mm bzw. 80 mm langes Ka­bel mit der CPU-Platine ver­bun­den. Die Bild­auf­nahme der VCSBC6211nano-RH er­folgt durch einen Global-Shutter-CMOS-Sensor und lie­fert auch in ex­trem schnellen App­li­ka­tionen ge­stochen schar­fe Bil­der. Die Pla­ti­nen­ka­me­ra ver­fügt über einen mit 700 MHz ge­takt­eten Pro­zessor, ein 32 MB großes Flash-EPROM so­wie einen SDRAM-Ar­beits­speicher von 128 MB. Die Live­bild­aus­gabe kann über die 100 MBit-Ether­net­schnitt­stelle er­folgen, die eine freie Pro­gram­mie­rung unter­stützt.

Unternehmenshintergrund Wente/Thiedig GmbH

Die 1987 in Braun­schweig ge­gründete Wente/Thiedig GmbH re­ali­siert kun­den­spe­zi­fische Bild­ver­ar­bei­tungs­lö­sung­en für in­dus­triel­le An­wen­dung­en auf Grund­lage er­prob­ter Hard­ware- und Soft­ware­kom­po­nen­ten. Bei Be­darf kön­nen diese mo­di­fi­ziert oder durch Eigen­ent­wick­lung­en ergänzt werden. Bild­ver­ar­bei­tungs­sys­teme der Wente/Thiedig GmbH wer­den vor allem in der Form- und Muster­er­kennung ein­ge­setzt, bei­spiels­wei­se bei Quali­täts­kon­trol­len, beim auto­ma­tischen Steuern und Regeln ma­schi­neller Ab­läufe und bei der Auto­ma­ti­sie­rung von Mess- und Kon­troll­vor­gängen. Wei­tere ty­pische An­wendungen sind ro­bo­ter­ge­führ­te Po­si­tions- und Lage­be­stimmungen sowie die op­tische Innen­ge­winde­kon­trolle. Bild­ver­ar­bei­tungs­lö­sungen von Wente/Thiedig be­handeln sämt­liche As­pekte der op­tischen Mess­technik. Sie be­inhalten ne­ben Hard­ware­lö­sung­en für Bild­auf­nahme und Bild­aus­wertung wie Optik und Be­leuch­tung auch Soft­ware­lö­sung­en sowie die elekt­rische und me­cha­nische Sys­tem­in­te­gra­tion.

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