Gestochen scharfe Bilder

Birgit Gottsauner, Siemens AG, Automation and Drives, Nürnberg

Im Werksteil Bad Cannstatt der Motorenfertigung von DaimlerChrysler in Stuttgart-Untertürkheim (Werk 10) werden im Zweischichtbetrieb täglich rund 1.600 V6– und V8-Benzinmotoren hergestellt. Der mit viel spanender Bearbeitung verbundene Produktionsprozess der gefertigten 3.200 Zylinderköpfe wird in einer so genannten Produktlebenslauf-Akte für jedes Fahrzeug genauestens dokumentiert. Auf die Zylinderköpfe wird vor der Bearbeitung ein Data Matrix Code (DMC) aufgebracht, der sie eindeutig identifiziert.

Aufgrund der herrschenden Bedingungen (ölhaltige Atmosphäre oder Kühlschmiermittel) wird dieser Code nicht aufgedruckt, sondern mit einem Nadelpräger oder einem Lasersystem auf das Bauteil aufgebracht. Der Code beinhaltet neben einer Sachnummer, die das Bauteil beschreibt, auch dessen Produktionsjahr, den Produktionstag sowie eine fortlaufende Nummer der jeweiligen Produktionsserie und weitere Stellen für eventuelle weitere Auswertungen.

Zur Erkennung des Codes hatte DaimlerChrysler schon seit mehreren Jahren Kameras eingesetzt. Allerdings war deren Fehlleserate mit teilweise über 10% inakzeptabel, um die ehrgeizigen Ziele der Qualitätsdokumentation des Unternehmens zu erreichen. Zum Lesen des Codes war es außerdem erforderlich, das Restöl aus der Bearbeitung von der Oberfläche der Zylinderköpfe abzublasen. Dies wiederum führte zu erhöhter Ablagerung von Schmieröl auf den Kameras, so dass diese täglich gereinigt werden mussten. Um diese Situation zu beseitigen, entschloss sich die Produktionsplanung, erläuterte Bernd Hofacker Diplom-Ingenieur (FH) zuständiger Produktionsplaner und verantwortlich in der Mercedes Car Group / Powertrain für die Teilekennzeichnung und Rückverfolgung, in einem Pilotversuch den Vision Sensor Simatic VS1302 von Siemens als Alternative zum vorhandenen Kamerasystem zu testen.

„Zu unserer Überraschung war die Fehlleserate mit dem VS1302 vom Stand weg deutlich kleiner, selbst wenn wir nicht einmal mehr das Öl vom Data Matrix Code abgeblasen hatten,“ sagt Ralf Blesch, im Werk Bad Cannstatt zuständiger Betreiber für die Zylinderkopffertigung. Der positive Ersteindruck sollte sich festigen: „In intensiver Zusammenarbeit mit Siemens gelang es, die Fehlleserate dauerhaft auf 0,1 bis 0,5 Prozent zu senken“, unterstreicht Bernd Hofacker. „Gleichzeitig können wir jetzt auf das Ölabblasen völlig verzichten, was Energie und Handling und Investkosten spart, denn es hat sich gezeigt, dass es genügt, die Kameraköpfe im Rahmen der wöchentlichen Maschinenreinigung zu säubern.“

In der Bad Cannstatter Zylinderkopffertigung sind mittlerweile insgesamt 10 Vision Sensoren Simatic VS1302 im Einsatz. Vor jedem Bearbeitungszentrum wird der Zylinderkopf erneut identifiziert. Dazu ist die Kamera schräg zur Leseoberfläche installiert. Für ausreichende Beleuchtung sorgt ein LED-Ringblitz, der beim VS1302 zum Lieferumfang gehört und mit Blitzzeiten von 20 bis 10 ms aufwartet.

Ralf Blesch dazu: „Um Probleme mit der Ölschattierung und mit Reflexen zu vermeiden, haben wir die Beleuchtungseinheit von der Kamera getrennt eingebaut und in einem geeigneten Winkel zueinander ausgerichtet. Parallel dazu nahm Siemens unsere Erkenntnisse aus der Pilotphase auf und ermöglichte im Zuge der Weiterentwicklung des Sensors, dass die Belichtungssteuerung sich an einem frei wählbaren Bildsegment orientiert und nicht wie vorher an einer Integralmessung.“ Durch dieses neue Merkmal – inzwischen fester Bestandteil des VS 1302 – konnte die Fehlleserate weiter verbessert werden. Heute lassen sich mit dem System sogar Aussagen darüber treffen, ob ein Fehlerbild auf fehlerhafter Beschriftung oder auf Verschmutzung zurückzuführen ist.

Nach dem Lesen wird das erfasste DMC-Bild vom der VS1302 an die separate Auswerteelektronik übertragen, die in unmittelbarer Nähe aber zum Schutz vor Öl und Spänen erhöht installiert ist. Hier wird das Bild analysiert und der ausgewertete Datenstring über den Profibus DP an die Maschinensteuerung Sinumerik 840 D der Bearbeitungszentren bzw. an eine Simatic S7300 übermittelt.

Der eingebaute CCD-Chip hat eine Auflösung von 1.024×768 Pixeln und ermöglicht die Aufnahme von Full-Frame-Standbildern mit automatischer Belichtungszeit. Zur sicheren Erkennung benötigt das System lediglich fünf Pixel pro Dot des DMC. Damit ist es sehr vielfältig einsetzbar, von quadratischen Data Matrix Codes mit Größen zwischen 10×10 und 72×72 Dots bis hin zu rechteckigen mit Größen zwischen 8×18 und 16×48 Dots. Dot-Größe und Leseabstand sind dabei durch die gewählte Optik definiert und lassen sich über weite Bereich von 0,1 bis >3 mm bzw. 80 bis 3.000 mm variieren.

Entscheidende Vorteile bietet das neue System auch durch die vereinfachte Einbindung in die bestehenden Kommunikationsstrukturen. Die ausgewerteten Bilder werden über die Steuerung live an den Bedienpanels in der Fertigungslinie visualisiert. Darüber hinaus können dort auch – ganz entscheidend – direkt vor Ort neue Codes/Muster eingelernt werden. Anders als bei den alten Systemen erfolgt dies beim VS1302 nicht durch aufwändige Projektierung oder Parametrierung, sondern durch Konfiguration der Beleuchtung und Trainieren der Algorithmen ohne Anwendervorgaben anhand eines Code-Musters.

Über das Operator Panel OP012 der Sinumerik-Steuerung sind die Vision Sensoren außerdem an das übergeordnete Leitsystem angebunden, in dem über das DaimlerChrysler-eigene Prisma-System Maschinen- und Betriebsdaten erfasst werden und der Eintrag in der Produktlebenslauf-Akte erfolgt. Über ihre Ethernet-Schnittstelle wiederum kommunizieren sie mit dem von DaimlerChrysler und Siemens gemeinsam entwickelten HMI-System Transline 2000. Dieses gestattet den passwortgeschützten Zugriff auf gespeicherte Fehlerbilder und auf die aktuellen Live-Bilder der Kameras von jedem angeschlossenen Terminal aus.

Als einen zusätzlichen Vorteil sieht man bei DaimlerChrysler die Möglichkeit, die Kameras unternehmensweit künftig über Webbrowser als einheitliche, offene Standardoberfläche zu projektieren.

Der Vorteil des direkten Zugriffs auf die Bilder liegt neben der Kontrolle aller Funktionen vom Schreibtisch aus vor allem in der beschleunigten Inbetriebnahme des DMC-Lesers, weil damit online die Positionierung der Beleuchtungseinheit kontrolliert und ggf. optimiert werden kann. Weiterhin kann das System in der Betriebsart „Messung der Codequalität“ feststellen, ob die Beschriftung richtig arbeitet, oder ob der Code selbst einen Versatz enthält.

Bernd Hofacker betont die guten Erfahrungen, die DaimlerChrysler mit den seit Mitte 2005 installierten Vision Sensoren gesammelt hat: „Seit der erfolgreichen Inbetriebnahme durch Siemens laufen alle Systeme völlig problemlos. Im Rahmen der Standardisierung haben wir den VS 130–2 inzwischen auch für weitere Projekte der Mercedes Car Group / Powertrain in den Werken Berlin, Hamburg, Untertürkheim und Kölleda freigegeben.“

Siemens AG, Fürth

QE 533

Die Auswahl des geeigneten 2D-Codes richtet sich danach, wie viele Informationen codiert werden müssen. Im Gegensatz zu linearen 1D-Codes (Barcodes) enthalten 2D-Codes die Informationen in einem Muster aus quadratischen Bildpunkten (Dots) und benötigen zwei Dimensionen (Länge und Breite) zur Auswertung. Ihr großer Vorteil: Sie bieten im Rahmen ihrer Standardisierung die Möglichkeit zur individuellen Ausgestaltung.

Neben reinen Pixelgrafiken, wie sie beispielsweise der Data Matrix Code verwendet, sind heute auch Mischformen wie Stapelcodes (mehrere „gestapelte“ Barcodes übereinander, wie PDF417) oder RSS-Codes (Reduced Space Symbologies, mit linearem und Matrixanteil) definiert, die die Weiterverwendung vorhandener 1D-Leseinfrastrukturen ermöglichen sollen.

Der hier vorgestellte Vision Sensor Simatic VS130–2 kann neben den diversen Data Matrix Codes auch RSS-Codes, PDF417 und QR-Codes (Quick Response-Code, mit quadratischen Bildelementen) lesen.