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Ein Auge für die Echtzeitregelung

Vision-Systeme zur Nahterfassung und Positionsregelung in der Faserverbund-Produktion
Ein Auge für die Echtzeitregelung

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Die Prozessführung beim der automatisierte Herstellung von Preforms, also Halbzeugen aus kohlenstoff-faserverstärkten Kunststoffen, gilt als schwierig. Im Deutschen Institut für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist es ISW mit Hilfe eines bildbasierten Kamerasystems von Cognex gelungen, das sogenannte Copro-Verfahren prozessstabil zu automatisieren und profitabel zu machen.

Copro ist die Abkürzung für Continuous Preforming for Composite Profiles. Mit diesem Verfahren können Preforms – Zwischenprodukte für die Herstellung von Composite-Bauteilen – nun prozesssicher und kosteneffizient in der Serie hergestellt werden. Arne Stahl und Henrik Borgwardt gründeten das Unternehmen Copro Technology in Braunschweig, um diese Technologie branchenübergreifend kommerziell verfügbar zu machen. Die von ihnen entwickelte modulare Anlage nutzt rotierende Walzen mit frei wählbarer Rotationsgeschwindigkeit, um textile Halbzeuge kontinuierlich und schonend umzuformen.

Im Speichermodul der Anlage befinden sich Rollen, die das Faserband abspulen und dem Prozess spannungsfrei zuführen. Im Zuführmodul wird es ausgerichtet und vorgeformt. Hier findet zudem die Erwärmung des Binders statt, der bereits in geringen Mengen auf dem Material vorhanden ist. Er dient zur Stabilisierung der Geometrie nach dem Formen und zur Verbindung mehrerer Lagen zu einer Preform.

Im nachfolgenden Umformmodul werden Preforms mit frei einstellbaren Krümmungsradien hergestellt. Dies gelingt durch die stufenlose Variation der Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den sich drehenden Walzen, die das Material kontinuierlich bewegen und mit Geschwindigkeiten bis 30 m/min in festen Bahnen führen. Für die Echtzeit-Regelung des Preforming-Prozesses kommen optische Sensoren und ein Vision-System von Cognex zum Einsatz.

Das Fasermaterial ist inhomogen und sehr flexibel, deshalb ist die Prozessführung schwierig. Ein robuster Prozess ergibt sich, wenn die Bahnführung des Fasermaterials kontinuierlich geregelt wird. Eine genaue Bahnführung kann über das Verändern des Anstellwinkels der Walzen realisiert werden. Hierfür kommt die Kamera In-Sight 5403 von Cognex zum Einsatz. Sie detektiert Materialkanten und erbringt alle notwendigen Informationen für die präzise Regelung des Materialdurchlaufs.

Kamera erfasst die Position der Materialnaht
mit einer Messgenauigkeit von +/- 0,2 mm

Die autarken und industrietauglichen Kamerasysteme von Cognex verfügen über eine extrem schnelle Bildverarbeitung einschließlich hochentwickelter Vision-Tools. Deshalb gehören sie für den Systemintegrator Industrielle Sensorsysteme Wichmann (ISW) mit Sitz in Kölln-Reisiek zur ersten Wahl. „Unser erstes Ziel war das Stabilisieren des Prozesses und das Sichern der Prozessfähigkeit“, sagt Stefan Tukac, ISW. Die Cognex-Kamera erfasst die Position der äußersten Materialnaht mit einer Messgenauigkeit von +/- 0,2 mm und übermittelt die Daten an die Beckhoff-Steuerung. Durch das kontinuierliche Erfassen der aktuellen Materialposition und die Berechnung der Abweichung passt die Steuerung den Anstellwinkel der Walzen unverzüglich so an, dass das Material wieder in die Sollposition gelangt.

Hier kommt es auf eine schnelle und exakte Regelung an, die nur mit einem leistungsfähigen, zuverlässigen Vision-Sensor möglich ist. Die In-Sight 5403 ist eine robuste und industrietaugliche 2-MP-Kamera in stabilem Aluminium-Druckguss-Gehäuse in Schutzart IP 67. Sie kommt immer dann zum Einsatz, wenn hohe Auflösungen und große Genauigkeiten gefordert werden. Mit ihren 1600 x 1200 Pixeln entgeht der In-Sight 5403 nichts – gleichgültig, ob große Teile auf kleine Defekte geprüft oder, wie hier, präzise Messungen mit hohen Geschwindigkeiten vorgenommen werden müssen.

Kamera mit hoher Auflösung und
integrierte Beleuchtung

Neben der hohen Auflösung sind in der Copro-Anlage kurze Reaktionszeiten und eine gute räumliche Integrierbarkeit besonders wichtig. Die In-Sight 5403 erreicht trotz ihrer hohen Auflösung bei vollständiger Gesamtbilderfassung eine Bildfrequenz von 15 fps. Sie ist zudem sehr kompakt und kann fast überall integriert und einfach appliziert werden. In der Copro-Anlage ist die Kamera an einem Montageblech befestigt, das die einfache Justierung erlaubt. Tukac: „Der geringe Zeitaufwand bei der Inbetriebnahme war ein großer Vorteil. Ein E/A-Breakout-Modul und Erweiterungen sorgen für einen einfachen Anschluss der In-Sight Systeme.“

Bei der Copro-Bildverarbeitungsaufgabe kommt es auf eine optimal angepasste Beleuchtung an, denn die Kohlenstofffasern reflektieren sehr stark, sodass die Nähte im schlimmsten Fall von einer Reflektion überstrahlt und damit unsichtbar werden. Durch eine geeignete Beleuchtung wird eine homogene Bestrahlung erreicht und ein deutlicher Kontrast zwischen den Kohlenstofffasern und dem Polyamid-Nähfaden erzielt.

Die In-Sight 5403 Kamera verfügt hierfür über eine integrierte Ringbeleuchtung, die bei guter Grundbeleuchtung sogleich ein optimales Licht ergibt. Um stets das bestmögliche Bild zu erhalten, bietet die Kamera außerdem Möglichkeiten zur Steuerung von externen Beleuchtungen sowie Optionen für direktes als auch diffuses Licht und Module für Lichtringe, -Spots und -Streifen.

Eine besondere Rolle in der Applikation spielt die Software. „Mittels leistungsfähiger Software wird die Kante identifiziert und die Naht verfolgt. Das Plug-and-Play-System mit modularem Aufbau ist kalibrierfähig und skalierbar, falls es mal für mehrere Linien eingesetzt werden soll“, sagt Tukac. Die Lösung von ISW basiert auf der In-Sight Explorer Software von Cognex. Mit deren Spreadsheet Benutzeroberfläche können neben Ausrichtungs-, Führungs- und Messanwendungen auch Prüf- und Fehlererkennungsroutinen auf einfache Weise eingerichtet werden. Die Software bietet Tools für die Blob-, Kanten-, Kurven- und Linienermittlung, Histogramm- und Geometrie-Tools sowie Filter. Die Vision-Tools können in der In-Sight Explorer Tabellenkalkulation flexibel und effizient konfiguriert werden. Das Visualisierungstool Visionview ermöglicht das Überwachen und Steuern der in der Copro-Anlage eingesetzten Cognex-Kamera.

Die Copro-Technologie ist die zukünftige Alternative zur Herstellung von CFK-Profilen mit massiven Werkzeugen: Im vollautomatischen und kontinuierlichen Prozess können gegenüber dem diskontinuierlichen Roboter-Preforming die Kosten um bis zu 35 % reduziert werden. Er lässt sich problemlos in bereits bestehende Fertigungslinien integrieren. Zukünftig soll die Cognex Designer Bildverarbeitungssoftware zum Einsatz kommen – eine integrierte Entwicklungsumgebung für 2D-Multi-Kamera- und 3D-Bildverarbeitungsanwendungen. Denkbar ist dann auch die Anwendung der neuen Cognex In-Sight VC200 Systeme: Die erst kürzlich vorgestellten Multi-Smartkamera Vision-Systeme übertragen die bewährte Leistung und Zuverlässigkeit der In-Sight-Bildverarbeitung auf Multi-Kamera-Applikationen. ■


Die Autorin

Cécile Jacquin

Marcom Specialist

Cognex

www.cognex.com


Vielversprechende Technologie

Bauteile aus kohlenstoff-faserverstärkten Kunststoffen (CFK) sind sehr vorteilhaft für den Leichtbau, denn sie haben eine hohe Steifigkeit und Festigkeit bei geringem Gewicht. Allerdings lassen sie sich nur in speziellen Fertigungsverfahren wie dem Spritzpressen (RTM, Resin Transfer Molding) verarbeiten. Der Copro-Rollformprozess ist dabei ein recht neues Produktionsverfahren,. Damit lassen sich Preforms herstellen, Zwischenprodukte für die Herstellung von Composite-Bauteilen. Innerhalb der RTM-Prozesskette stellt das Preforming einen kostenintensiven Fertigungsschritt dar. Die Gründer von Copro Technology, Braunschweig, haben gemeinsam mit der für die Bildverarbeitungslösung verantwortlichen ISW im DLR das neue, profitable Copro-Verfahren entwickelt, das ein automatisiertes Preforming ermöglicht.


Webhinweis

Mehr über die Nahtkontrolle mit dem Echtzeit-Bildverarbeitungssystem von Cognex sehen Sie in diesem Video von ISW: http://hier.pro/2wjxI.



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