Direkt Einsetzbar

Dr.-Ing. Thomas Sebastiany, Leiter Geschäftsfeld SYSTEME, Pepperl+Fuchs GmbH

Die durch die schnelle Verbreitung der PC-Technik angeheizte rasante Entwicklung von Mikroprozessoren hat zu einem dramatischen Anstieg der Prozessorleistung bei gleichzeitig sinkenden Kosten geführt. Dadurch können heute auch digitale Signalprozessoren mit hoher Leistung zu günstigen Preisen hergestellt werden. Wie so oft hat eine Massenanwendung im Consumer-Bereich, in diesem Fall die –von allen unterschätzte- Verbreitung der Digitalfotografie für eine unaufhaltsame Dynamik gesorgt.

Nur zum Vergleich: Hätte sich eine ähnliche Entwicklung im Automobilbau vollzogen, so würde ein VW-Käfer, der 1960 so um die 5.000 Euro gekostet hat, heute nur noch ein Taschengeld eines Schulanfängers kosten und wäre darüber hinaus noch besser ausgestattet als heute (für deutlich mehr „Taschengeld“) verfügbare Luxuskarossen.

In diesem Umfeld stehen jetzt Bildaufnahmesensoren (z.B. CCD, CMOS) zur Verfügung, die einen Einsatz in der Sensorik in greifbare Nähe rücken lassen. Im Fokus stehen dabei Sensoren für Applikationen, die zur Zeit mit Standard-Sensorik nur sehr schwer oder gar nicht realisierbar sind und deren Lösung mit konventioneller industrieller Bildverarbeitung (IBV) viel zu aufwändig war und immer noch ist.

Eine wesentliche Anforderung an Sensoren mit bildgebender Elektronik ist, dass die Schnittstellen zum Anwender beziehungsweise der Applikation so einfach – idealerweise binär- bleiben wie bei konventioneller Sensorik. Die „Kunst“ steckt also nicht nur in der Beherrschung der Methoden und Algorithmen der IBV sondern auch in der intelligenten Anpassung an und die Verknüpfung mit der jeweiligen Applikation. Hierbei wird die Synergie sowohl auf Anwender- als auch auf der Anbieterseite dann maximal, wenn es gelingt, mit einer flexiblen Hardware-Plattform eine ganze Klasse von Anwendungen abdecken zu können. Die Anpassung der Hardware an die eigentliche Applikation erfolgt dann durch geeignete Modifikation der Geräte-Software. Die Schnittstelle zur Applikation bleibt hierbei zwingend so einfach wie möglich.

Zur Lösung dieser Problemstellung wird also ein Sensor benötigt, der eine bildgebende Elektronik (= Digitalkamera) enthält, die über Anpassung von Software so „eingestellt“ werden kann, dass aus den fotografierten Bildern genau die relevanten Informationen herausgerechnet werden können, die notwendig sind, um die Applikation über eine einfache Schnittstelle in der gewünschten Weise zu beeinflussen. Das Ganze muss anschließend noch industrietauglich verpackt werden und dabei so kompakt bleiben, dass es –wie ein Standard-Sensor eben- einfach an die Applikation angebaut werden kann.

Bildgebende Sensorik, die diese Eigenschaften erfüllt, heißt bei Pepperl+Fuchs „Vision-Sensoren“, da sie aus unserer Sicht genau das sind und sein sollen: Sensoren, die sich lediglich der Funktionalität und Methodik der Bilderfassung und -verarbeitung bedienen, um ihre Sensor- Funktion zu erfüllen.

Insofern ergibt sich aus unserer Sicht hier keine Wettbewerbssituation zur konventionellen industriellen Bildverarbeitung, da bei der Vision-Sensorik die Sensorfunktion im Vordergrund steht.

Aus dem Blickwinkel der IBV zeichnet sich ein vom Prinzip her vergleichbarer Trend ab. Die Verfügbarkeit von digitalen Signalprozessoren mit hoher Leistung hat auch dort dazu geführt, dass Bildverarbeitungssysteme die früher aus Bedien- und Bildverarbeitungsrechner (i.d.R. ein Hochleistungs-PC) mit angeschlossener Kamera bestanden und zum Teil auch heute noch so strukturiert sind, heute als sogenannte „Smart-Kameras“ die Funktionen Bilderfassung- und Bearbeitung in einem Gehäuse vereinen. So sind auch hier leistungsfähige und kompakte Lösungen entstanden, die sich aber im Gegensatz zu den Vision-Sensoren auf die bekannten und bewährten Themen der konventinellen Bildverarbeitung, wie beispielsweise Muster- und Farberkennung oder Vollzähligkeitsprüfungen usw., konzentrieren.

Auf dem Weg zum Vision-Sensor können Smart-Kameras sehr hilfreich sein, da sie durch ihre meist hohe Flexibilität oft auch den Funktionsumfang eines Vision-Sensors abdecken können. Wegen fehlender Kompaktheit und teils noch sehr hohen Kosten ist eine Verbreitung in den typischen Sensorapplikationen bisher nicht möglich gewesen.

Genau diese Lücke soll durch die Vision-Sensorik geschlossen werden.

Eine automatisierungstechnische Aufgabe in vollautomatischen Hochregallagern ist die exakte Positionierung des Regalbediengeräts(RGB), das die Beladung und Entladung der Regalfächer vornimmt. Stand der Technik zur Positionserkennung sind Drehgeber und Laserdistanzsensoren, die in Kombination mit 4-Quadranten-Lichttastern dem RBG die für die Positionierung notwendigen Steuerungsinformationen bereitstellt. Damit die Lichttaster richtig arbeiten, müssen mit hohem personellen Aufwand an allen Regalfächern Reflektoren an exakt vorgegebenen Positionen angebracht werden. Allerdings können bei dieser Lösung im laufenden Betrieb z.B. durch unterschiedliche Belastung auftretende Sollpositionsabweichungen nicht berücksichtigt oder ausgeglichen werden. Bei dieser Applikation kann man mit einem Vision-Sensor nicht nur die absolute Genauigkeit erhöhen, sondern die exakte Positionierung des Regalbediengeräts auch bei unterschiedlicher Belastung sicherstellen.

So einfach das Lösungsprinzip -die simple Ausrichtung auf die an jedem Regal vorhandenen Kantenprofile – ist, so schwierig bis unmöglich ist es mit Standardsensorik umzusetzen, die nicht „sehen“ kann. Steht aber ein aktuelles Foto der Regalkante zur Verfügung, kann mit den bewährten Methoden der Bilderkennung und –verarbeitung, die Abweichung des RBG von der Sollposition ermittelt werden und als einfache Fahrbefehle wie „höher, tiefer“ oder „rechts, links“ an dieselbe Steuerung weitergegeben werden, die bisher die Ausgangssignale des oben erwähnten 4-Quadranten Sensors verarbeitet hat. So bietet der FFP-Vision-Sensor von Pepperl+Fuchs durch seine innovative Technik sogar bei der Nachrüstung von bestehenden Hochregallagern einen Zusatznutzen für den Betreiber.

Der erste Masseneinsatz von Vision-Sensoren hat sich –für die meisten von uns unbemerkt- in der optischen Identifikationstechnik vollzogen: Der seit Jahrzehnten im Einsatz befindliche 1-dimensionale Barcode wird im industriellen Umfeld immer häufiger durch 2-dimensionale Codes, wie beispielsweise den Data Matrix ECC200 Code ergänzt oder ersetzt. Neben der höheren Datensicherheit, die Fehllesungen ausschließt, ist insbesondere die höhere Datendichte und die damit verbundene Platzersparnis zu nennen. Darüber hinaus gibt es neben dem Druck auf Papier oder Etiketten noch verschiedene Verfahren den Code auf unterschiedlichen Oberflächen (Metall, Kunststoff, Leiterplatten) mit Lasern oder Nadeltechnik direkt aufzubringen. In der Abbildung des Codes erkannt man auch als Laie sofort, dass ein solcher Code nicht wie ein Barcode durch Überstreichen mit einem Laserstrahl lesbar ist, weil die Information eben in zwei Dimensionen (x- und y-Richtung) „versteckt“ ist. Wenn man nun aber mit einem Vision-Sensor –und hier könnte es sich um exakt dieselbe Hardware wie im oben genannten Beispiel der Fachfeinpositionierung handeln- ein Foto des Codes macht, ist die Ermittlung des Dateninhalts „nur“ noch ein Software-Problem. Bei den DataMatrix- Lesegeräten von Pepperl+Fuchs kann dieser Dateninhalt dann bei Bedarf an das Ident-Control-System weitergegeben werden und wie die Induktiven und Mikrowellen-Identifikationssysteme über gängige Feldbusschnittstellen oder Ethernet-TCP/IP in beliebige Automatisierungslösungen integriert werden.

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