BV-Systembaukasten

Jährlich nimmt die Schlüsseltechnologie industrielle Bildverarbeitung mit einer durchschnittlichen Rate von über 20 Prozent zu, einzelne Segmente steigen sogar um 60 Prozent. Noch nehmen die USA in diesem Sektor eine Spitzenposition mit über 30 Prozent ein, Europa folgt mit 24 Prozent. Während aber die Amerikaner auf Standard-Produkte für die industrielle Bildverarbeitung setzen, etwa Kameras, konzentrieren sich deutsche Tüftler auf anwendungsorientierte Lösungen, z.B. die Breitenmessung von Bahnmaterialien zur Qualitätssicherung mittels bildgebender Systeme.

Neue Impulse im Sinne von praktikablen Lösungen, die sich im harten Fertigungseinsatz bewähren können, kommen nicht nur aus der Industrie, sondern auch von deutschen Hochschulen. So entwickelte der Fachbereich Informatik an der Fachhochschule Ulm ein System zur abstandsunabhängigen Breitenmessung von Bahnmaterialien durch Stereoauswertung. „Eines unserer jüngsten Projekte beschäftigte sich mit der praktischen Anwendung dieses Verfahrens in einem Stahlwerk. Hier sollte kontinuierlich die Breite der Stahlbänder im laufenden Fertigungsprozess überprüft werden,“ erklärt Prof. Dr. Herbert Frey vom Fachbereich Informatik an der FH Ulm.

Die Branchen, die sich im industriellen Umfeld der Stahlverarbeitung mit Breitenmessung beschäftigen, seien relativ konservativ, gibt Frey zu bedenken. „Entwickler von Breitenmesssystemen setzten hier nach wir vor auf ein Messsignal, das sich direkt mit der Breite verknüpfen lässt. Dabei wird beispielsweise mit einer in einem fixen Abstand zum Messobjekt installierten Zeilenkamera die Materialbreite, gemessen in Pixeln, über einen Skalierungsfaktor ermittelt.“ Hierbei kommt das sogenannte Durchlichtverfahren zum Einsatz, wobei sich eine Lichtquelle unterhalb des Stahlbandes befindet, während die Kamera über dem Messobjekt installiert ist. Entscheidendes Manko: Abstandsveränderungen zwischen Kamera und Messobjekt führen zu Messfehlern.

Anders das System der FH Ulm, das zwei Zeilenkameras mit einer Auflösung von jeweils 5000 Bildpunkten und eine ausgeklügelte Software zur Auswertung der Kamera-signale verwendet. Zur Bestimmung der Sollbreite des Materials messen die Kameras jeweils die rechte und linke Kante des Stahlbandes als Projektion. Die Messgenauigkeit beträgt dabei 0,25 mm über einen Messbereich von 2000 mm. „Mit einem Industrie-PC wird eine Stereorückprojektion durchgeführt und das Ergebnis direkt angezeigt. Anschließend wird das Messergebnis über einen Feldbus an einen weiteren Rechner übertragen, der die Verbindung zur SPS herstellt,“ präzisiert Frey.

Die eigentliche Intelligenz des Systems verbirgt sich demnach in der Software, die in der Lage ist, mit geeigneten Algorithmen die Kamerasignale in eindeutige Messwerte umzuwandeln.

Die auf diese Weise ermittelten Daten werden an die zentrale SPS übermittelt, die sofort jede Abweichung von der Sollbreite des Stahlbandes meldet. Parallel hierzu visualisiert eine numerische Anzeige die Messdaten.

Doch das System kann noch mehr: „An einer bestimmtem Position der Anlage werden die Stahlbänder auf eine bestimmte Breite geschnitten. Hier lassen sich die Werte aus unserem Programm zur Einstellung der Stahlscheren nutzen,“ erläutert Frey. Die Software übernimmt darüber hinaus die Belichtungsregelung der Zeilenkameras, z.B. wenn die Beleuchtungsquelle verschmutzt oder aufgrund der Nutzungsdauer ihre Lichtintensität nachlässt.

Last but not least lassen sich alle Messdaten im Programm speichern und somit die Qualität des gefertigten Stahlbandes jederzeit protokollieren.

Neben hochauflösenden Kameras und einer cleveren Software zur Datenauswertung, die zusätzlich eine durchgängige Kommunikation mit der SPS gewährleistet, spielt die mechanische Stabilität der Gesamtapparatur eine entscheidende Rolle um eine verlässliche Materialbreitenmessung zu realisieren. „Das System ist äußerst empfindlich, immerhin können wir eine Breitenänderung bis 0,03 mm nachweisen,“ erläutert Prof. Dr. Herbert Frey.

Das Gestell musste aus diesem Grund bereits im Versuchsaufbau schnell und einfach aufzubauen und im Hinblick auf den Einsatz in der Stahlverarbeitung äußerst robust sein. Als maßgeschneidert Lösung für diese Anforderungen entpuppten sich die Aluminiumprofile aus dem Systembaukasten der item Industrietechnik und Maschinenbau. „Für den Rahmen des Gestells zur Aufnahme der Kameras verwendeten wir item Profile in den Maßen 160 x 40 mm. Anders als bei einer Stahlbaukonstruktion konnten wir diese auf Maß schneiden lassen und binnen kürzester Zeit ohne aufwendiges Schweißen mit entsprechenden Verbindungselementen zusammenfügen. Um die Kameraelektronik vor Schmutz und Staub zu kapseln, befestigten wir 5 mm starke Aluminiumplatten an den Außenseiten der Profile.“

Die Forscher an der FH in Ulm haben mittlerweile die Flexibilität und Modularität der Elemente aus dem Systembaukasten von item auch in anderen Projekten schätzen gelernt. Konstruktive Änderungen an Aufbauten lassen sich mit ihnen im Gegensatz zu Stahlbaukonstruktionen selbst in fortgeschrittenen Projektstadien problemlos vornehmen. „Gerade für Prototypen oder Apparaturen, die nur in geringer Stückzahl gefertigt werden, sind solche flexiblen Elemente ideal. Außerdem erzielt man mit den Systembauelementen auf Anhieb ein professionelles Aussehen.“ Dies sei vor allen Dingen für Präsentationen, etwa auf Messen, von Vorteil.

Nachdem das Materialbreitenmesssystem seine Feuerprobe im praktischen Einsatz in einem Stahlwerk bestanden hat, ist der Fachbereich Informatik der FH Ulm nun auf der Suche nach Partnern aus der Industrie. Prof. Dr. Frey: „Wir wollen unsere Erfahrungen an entsprechende Entwickler weitergeben, damit unser System in naher Zukunft in Serie gefertigt werden kann.“

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