Fehlerfrei prüfen

Dipl. Wirtschaftsing. (FH) Hans-Hermann Bibel, Geschäftsführer der Vision-Experts GmbH, Karlsruhe

Bildverarbeitungs-Systeme werden als Lage-Erkennungssystem für Roboter seit Mitte der 80-er Jahre eingesetzt. Bis vielleicht Mitte der 90-er Jahre waren die Anwendungen eher selten anzutreffen. Doch seitdem gehören Vision-Systeme zur Roboterführung in das Standardrepertoire praktisch aller Hersteller von Montagerobotern und vor allem der Systemintegratoren und Montageanlagenbauer. Für den rasanten Anstieg der Anwendungszahl in den letzten fünf Jahren waren zwei Faktoren verantwortlich: Sinkende Kosten für Vision-Systeme und bessere Verfahren zur Berechnung der Position der zu greifenden Werkstücke, die nun auch bei ungünstigen optischen Bedingungen sehr genau arbeiteten.

Durch intensive Entwicklungsarbeit bei Vision Experts wurde unter der Bezeichnung VE 1100 ein Vision-System für Robotik-Anwendungen konzipiert, das die Kostenschwelle nun nochmals deutlich nach unten drückt. Für weniger als 5000 Euro ist ein System verfügbar, das die Position praktisch beliebiger Werkstücke als Koordinaten an eine Robotersteuerung schickt.

Folgendes Einsatzbeispiel zeigt die technischen Möglichkeiten des Geräts. Die Vossloh Schwabe AG in Urbach bei Stuttgart ist Marktführer für elektrische Vorschaltgeräte, Drosseln und andere Komponenten für die Leuchtenindustrie. Gleichzeitig werden unter dem Produktnamen ALF (Automatische Lampen-Fertigung) Produktions- und Prüfzellen für die vollautomatische Verdrahtung von Deckenleuchten entwickelt und produziert. Als Kernstück verdrahtet ein Scara-Roboter das gesamte elektrische Innenleben von Lampen und wird dabei von einem Vision-System gesteuert. Dabei muß das Vision-System die Lage jedes Bauteils vor der Verdrahtung auf 50 µ genau bestimmen.

Im Bild rechts ist ein zu verdrahtendes Kontaktelement zu sehen. Die Elemente sind in den Blechträger der Leuchten eingeklipst und weisen eine Positionstoleranz von ein bis 2 Millimetern auf. Bis zu zwanzig dieser Einbauteile können in einer Leuchte auftreten. An den Enden dieses Teils sind zwei Schneidklemmen zu erkennen. Passgenau mit einer Toleranz von besser 50 µm muss das Verdrahtungswerkzeug in die Schneidklemme fahren, sonst wird das Teil zerstört. Das Vision-System erkennt daher vorher die Lage des ungenau eingeklipsten Teils und berechnet anhand der Kontur die tatsächliche Position der Schneidklemmen auf 50 µ genau.

Das Schneidklemmwerkzeug mit integrierter Kamera und Beleuchtung wird vom Roboter schrittweise über jedes Kontaktelement einer Deckenleuchte bewegt. Dabei wird in zwei Durchgängen gearbeitet. Im ersten Durchgang ist nur das Vision-System aktiv. Nacheinander wird die intelligente Kamera über jede ungefähre Verdrahtungsposition gefahren und ermittelt die exakte Position der Schneidklemmen. Dieser Vorgang dauert einschließlich der Verfahrzeit etwa 0,3 bis 0,5 Sekunden pro Kontakt. So wird vor jedem Verdrahtungsdurchgang jede einzelne Klemme gescannt. Der Roboter fährt in sicherem Abstand über die späteren Positionen und ermöglicht der Kamera den Lageoffset jedes Kontakts zu berechnen. Innerhalb von 10 Sekunden werden über eine Fläche von über einem Quadratmeter verteilt bis zu 20 Teile angefahren und vermessen. Danach korrigiert die Steuerung die Verdrahtungspositionen gemäß den vom Vision-System gelieferten Werten und der eigentliche Verdrahtungsvorgang wird gestartet.

Bis Ende 1999 wurden die Verdrahtungszellen mit konventionellen Vision-Systemen in VMEbus-Technologie und einer frei programmierbaren Bibliothek von Bildverarbeitungsfunktionen benutzt. Die Charakteristik dieses Systems waren eine durchgängige Programmierung der Roboter- und Bildverarbeitungsfunktionen in einer gemeinsamen Programmieroberfläche und die Verknüpfung von Steuerung und Bildverarbeitung auf Busebene. Prinzipiell sind dies sehr gute Voraussetzungen für Robot-Vision-Anwendungen. Allerdings standen dem einige Schwächen gegenüber. Aufgrund der komplexen Programmierung des Visionsystems könnten Änderungen des Teilespektrums nicht von den Betreibern der ALF-Zellen selbst vorgenommen werden und mussten vom Servicepersonal des Lieferanten durchgeführt werden. Die Kosten dafür waren enorm, da die meisten Betreiber im Ausland saßen und ein hoher Aufwand für Reisekosten des Servicepersonals entstand. Des weiteren traten bei der optischen Erkennung der oft sehr schwach ausgeprägten Merkmale signifikante Fehl- oder auch Nichterkennungen auf, die die Performance des Gesamtsystems verschlechterten. Bereits eine falsche von 100000 Erkennungen insgesamt wurde von den Betreibern bemängelt. Als drittes waren die Kosten des Vision-Systems mit etwa 15000 Euro nicht gerade niedrig.

Seit Anfang 2000 liegen nun Erfahrungen im Serieneinsatz der neuen Lösung mit den intelligenten Kameras vor. Gerechterweise muß vorausgeschickt werden, dass gegenüber dem Vorgängersystem eine andere Zielrichtung verfolgt werden konnte: Nicht mehr die Universalität und freie Programmierbarkeit für beliebige Anwendungen stand im Vordergrund, sondern die möglichst sichere Erkennung und die einfache Bedienung für eine bestimmte Klasse von Teilen. Im Rahmen von einmaligen Engineeringaufwendungen in Höhe von etwa 20000 Euro konnte so eine optimale Abstimmung mit der Vision-Aufgabe und den Anforderungen hinsichtlich Kommunikation und Bedienbarkeit vorgenommen werden. Die erzielten Ergebnisse sind äußerst beeindruckend. Die mit intelligenten Kameras ausgerüsteten Verdrahtungszellen führen zusammen pro Jahr etwa 40 Mio. Verdrahtungen und damit auch Bilderkennungen durch. Die Rate an Fehl- und Nichterkennungen ist nicht mehr nachweisbar, also praktisch Null.

Die Betreiber der Zellen können nun selbst neue Produkte einlernen, da das Vision-System nun sehr einfach zu teachen ist. Die bisher hohen Servicekosten bei Neuteilen sind damit nun ebenfalls Null.

Die Serienkosten für das neue Visionsystem liegen unter 4500 Euro, wodurch sich Ein-sparungen von 70 Prozent gegenüber der alten Version ergeben. Bei etwa 15 Anwendungen pro Jahr summieren sich die Investeinsparungen alleine auf über 160000 Euro.

Praktisch alle industriellen Massenprodukte werden mit variablen Daten beschriftet. Seriennummern, Produktionsdatum, Chargennummer, Haltbarkeitsdaten etc. werden im raschen Wechsel aufgebracht. Eine Vielzahl von Beschriftungsgeräten kommt zum Einsatz: Laser, Tintenstrahldrucker, Thermo-transfergeräte, Nadelpräger. Die Beschriftung erfolgt auf Oberflächen mit aus der Sicht von Vision-Systemen sehr unterschiedlichen Charakteristiken. Es finden sich helle und dunkle, matte und glänzende, strukturierte und homogene, ebene und gekrümmte Oberflächen. In der Summe ergeben sich für Vision-Systeme zur automatischen Kontrolle der Beschriftungen schwierige Verhältnisse. Diese können nur durch rechenintensive Verfahren zur Mustererkennung und entsprechend leistungsfähige Systeme bewältigt werden. Daher kosten entsprechende Systeme oft 15000 Euro und mehr. Nur in wenigen Branchen, wie z.B. der Pharmazie wurden diese Kosten bisher getragen.

An Steckverbinder und deren erste Produktionsstufe als Bandstanzteil werden heute die selben Qualitätsansprüche gestellt, wie an Halbleiter und andere Bauelemente in der Elektronik. Ohne 100%-Qualitätsüberwachung verläßt daher kein Teil mehr die Produktion. Der Produktionsablauf eines Steckverbinders beginnt typischerweise mit der Erzeugung eines endlosen Stanzstreifens und endet vereinfacht dargestellt mit der Montage der Kontakte in einem Kunststoffgehäuse. In diesen beiden Prozessen werden bereits seit Jahren Bildverarbeitungssysteme zur 100%-Kontrolle mit großem Erfolg eingesetzt. Die jeweiligen Lösungen sind aufgrund der technischen Anforderungen recht kostspielig. So betragen die Kosten für eine Anlage zur geometrischen Prüfung unmittelbar nach dem Stanzautomaten bis zu 150000 DM.

Nun finden zwischen Stanzen und Montage weitere automatisierte Fertigungs- und Handlings-Schritte statt, die erhebliche Fehlerquellen in sich bergen: Umspulen der Stanzbänder, Galvanisieren, Umspritzen mit Kunststoff, Trimmen und Biegen. Hinzu kommen die Gefahren einer mechanischen Beschädigung der oft sehr filigranen Strukturen beim häufigen Transport der Spulen und beim Wiedereinlegen der Bänder in die Maschinen. Es ist zu beobachten, dass aus Kostengründen bei allen diesen Prozessschritten noch sehr wenig Vision-Systeme eingesetzt werden. Ein weiterer Hinderungsgrund ist die komplexe Bedienung der meisten BV-Systeme. Das übliche Produktionspersonal ist – wenn überhaupt – nur nach intensiver Schulung befähigt, die Systeme auf lange Sicht optimal einzustellen und zu warten.

Nachfolgend sollen nun einige Neuentwicklungen auf dem Bildverarbeitungs-Sektor vorgestellt werden, mit denen die bisherigen Lücken geschlossen werden können. Das Ergebnis ist eine durchgängige optische Überwachung aller Prozessschritte. Durch die Verwendung intelligenter Kameras sinken dabei die Investitionskosten und durch speziell auf die Aufgaben abgestimmte Software wird die Bedienung der Prüfsysteme wesentlich vereinfacht.

Eine ganze Reihe von Prozessen kann durch die Prüfung der erzeugten Konturen optimiert werden. Dieses gilt für den Stanzvorgang, Galvanik, Umspritzen mit Kunststoff und Weiterverarbeitung im Montageautomaten. Bereits beim Stanzen erzeugte, fehlerhafte Teile sollen auf keinen Fall weiter verarbeitet werden. Schlimmstenfalls können verbogene Teile die nachfolgende Galvanikanlage erheblich beschädigen. Beim Umspritzen mit Kunststoff werden neue Konturen erzeugt, die ebenfalls kontrolliert werden müssen. Vor dem Montieren der Stanzteile zum eigentlichen Stecker besteht Kontrollbedarf hinsichtlich einwandfreier Qualität der Teile am Einlauf der Maschine, denn Fehler können hier ebenfalls zur Beschädigung an Anlagenteilen führen.

Für alle diese Anwendungsfälle wurde ein Prüfsystem auf Basis einer intelligenten Kamera nach folgendem Funktionsprinzip entwickelt. Das Bandmaterial wird zwischen einer Beleuchtung und der Kamera geführt. An einem Gut-Teil werden alle Soll-Konturen und die zulässigen Toleranzen gelernt. Beim Durchlauf der Teile wird das System über eine Gabellichtschranke abschnittweise getriggert und prüft so nahtlos alle vorbeilaufenden Strukturen. Ein äusserst bedienerfreundliches Toleranzschlauch-Verfahren gestattet das Lernen neuer Teile innerhalb von Minuten: Beim Lernen wird automatisch die Ist-Kontur ermittelt. In einstellbaren Schritten von 100-stel oder 10-tel Millimetern erzeugt das System einen Toleranzschlauch und zeigt diesen grafisch an. Ein Fehler wird dadurch detektiert, dass das System Überschneidungen des Teils mit der inneren und äusseren Begrenzung des Toleranzschlauchs sehr schnell feststellen kann. Fehler an der Kontur werden damit zuverlässig erkannt. Das Verfahren ist dabei äusserst leistungsfähig. Innerhalb von 100 Millisekunden können bis zu 30000 Konturpunkte abgeprüft werden. Bei der Kontrolle unmittelbar nach der Stanze werden so Prüfgeschwindigkeiten von bis zu 2000 Hüben pro Minute erreicht. Beim Einsatz in Umspulplätzen oder vor und hinter Galvaniklinien kann das System bis zu Transportgeschwindigkeiten von 15 Metern/min eingesetzt werden.

Insgesamt werden nur sehr wenige Komponenten eingesetzt. Neben der intelligenten Kamera mit entsprechendem Objektiv sind dies eine Durchlichtbeleuchtung und eine kleine Bedientastatur. Zur Visualisierung der Menüs und der Teile selbst dient ein handels-üblicher VGA-Videomonitor. Der Speicher innerhalb der Kamera ist so groß, dass die Prüfeinstellungen von bis zu 50 Teilen auf Abruf gespeichert werden können. Bei der nachträglichen Änderung von Toleranzen braucht das Originalteil nicht bereit zu liegen, da das Golden Image des Einlernteils mit gespeichert wird.

Die Eberhard GmbH in Schlierbach (Großraum Stuttgart) ist ein weltweit führender Anbieter von Hochleistungsanlagen für die Steckerfertigung. Mit über 80 Mitarbeitern werden für den weltweiten Bedarf Fertigungssysteme zur vollautomatischen Herstellung von Steckverbindern und Stiftleisten produziert. Komplette Linien im Wert von mehreren Mio. DM werden im Hause Eberhard geplant, entwickelt und montiert. Herzstück der Anlagen sind Montageautomaten, in denen die einzelnen Steckkontakte von der Endlos-Spule zugeführt, und in einem Arbeitsgang gleichzeitig abgetrennt, gebogen und in das Kunststoffgehäuse des Steckers montiert werden. Pro Arbeitstakt können zehn und mehr Kontaktstifte verarbeitet werden, wobei bis zu sechs Takte pro Sekunde stattfinden. Von bis zu sechs Spulen kann das Rohmaterial gleichzeitig zugeführt werden.

Die Kombination aus schneller Verarbeitung mit der Vielzahl von zugeführten Stanzbändern erfordert einen reibungslosen Materialfluss am Einlauf des Automaten. Mit absoluter Sicherheit muss daher verhindert werden, dass irrtümlich falsche Spulen mit falschem Rohmaterial eingelegt werden und dass verbogenes oder unvollständig gestanztes Material zugeführt wird. Aus diesem Grund wurde seit jeher versucht, durch optische Sensorik die möglichen Fehlerquellen auszuschalten. Auf konventionellem Weg wurde eine Vielzahl von Lichtschranken auf engstem Raum angeordnet, um die Kontur der Stanzbänder abzutasten. Diese Lösung wies jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. Je nach Steckertyp musste dieses Array von Lichtschranken bei Produktwechsel jedes mal neu angeordnet werden. Der Aufwand konnte dabei mehrere Stunden betragen. Manchmal musste zusätzlich das zeitliche Schaltverhalten mehrerer Lichtschranken zueinander ausgewertet werden, was zusätzlichen Programmieraufwand der SPS erforderte. Und trotz aller Sorgfalt konnte diese Lösung verbogene Teile nicht zuverlässig detektieren. Letztendlich wurden von den Betreibern häufig die Lichtschranken einfach ausgeschaltet und es wurde „blind“ produziert. Seit Ende des Jahres 2000 werden bei Eberhard nun die Kamerasysteme VE 6000-Kontur von Vision Experts eingebaut. Jeweils links und rechts vom Montagekopf sind intelligente Kameras mit Blick nach unten auf die zugeführten Stanzbänder angebracht. Die Bänder werden von Spulen ausserhalb des Bildes zugeführt. Unmittelbar vor jedem Arbeitshub stellt jedes System innerhalb von weniger als 0,1 Sekunden fest, ob die richtigen Teile in einwandfreier Qualität vorliegen. Im Fehlerfall wird der nächste Arbeitstakt sofort gestoppt und nicht mehr ausgeführt. Beide Systeme sind mit einem zentralen Linienrechner gekoppelt, der alle Störmeldungen koordiniert.

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