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Wie funktioniert …

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... ein Vision Sensor?

Text: Michael Steinicke, Baumer
Vision Sensoren sind in der Bedienung so unkompliziert, dass sie jeder benutzen kann. Daher müssen sie einfach und intuitiv bedienbar sein und jeder Ingenieur sollte sie in kürzester Zeit parametrieren können. Ein Blick in die Funktionsweise dieser sehenden Sensoren soll das Verständnis dafür erleichtern.

Ähnlich dem Menschen, bei dem Sehen mehr als nur Reizaufnahme ist, kombiniert auch ein Vision Sensor Bildaufnahme und -auswertung. Das macht die Bezeichnung Vision Sensor nachvollziehbar: Ein Detektor, der bildbasiert arbeitet. Dieser Sensor wird in den meisten Fällen mittels spezifischer Software am PC konfiguriert, um seine Aufgabe zu erfüllen. Seine Besonderheit liegt darin, viele verschiedene Merkmale auf einmal zu prüfen – das kann kein anderer Sensor.

Vision Sensoren nehmen permanent oder auf ein Trigger-Signal hin Digitalbilder auf. Basierend auf den konfigurierten Vorgaben wird der Ist-Zustand des Objektes erfasst und optional auch die Einhaltung von Grenzen oder Referenzwerten geprüft. Somit liefern Vision Sensoren immer ein Ergebnis, das als Datentelegramm oder am digitalen Ausgang abgegriffen werden kann.

Aufgenommen werden Bilder durch CMOS- oder CCD-Sensoren. Die anschließende Bildauswertung ist nach spezifischen Gesichtspunkten des Vision-Sensor-Herstellers konzeptioniert – unter Berücksichtigung von Kosten, Performance, langjähriger Komponentenverfügbarkeit und bestehendem Know-how. Dabei trifft man auf die gesamte Bandbreite heutiger Prozessortechnik wie DSPs und FPGAs sowie Produkte von Herstellern wie ARM oder Intel.

Ein Bild für viele Merkmale

Die aufgenommenen Bilder werden mit integrierten, intelligenten Software-Werkzeugen ausgewertet, die entsprechend der Prüfaufgabe an definierten Stellen die Zustände erfassen. Für eine solche Merkmalsprüfung ist es unerlässlich, die Varianz von Position und Ausrichtung des Objektes virtuell auszugleichen, beispielsweise bei losen Teilen auf einem Förderband. Während Menschen bei der manuellen visuellen Kontrolle sich kaum Gedanken über das Oben und Unten oder Nord und Süd machen, muss das maschinelle Sehen die Objekte mit Maschinenintelligenz wiedererkennen. Die Lagenachführung ist deshalb eine wesentliche Funktion bei Vision Sensoren. Position oder Ausrichtung haben so keinen Einfluss auf die Auswertung – für nachgeschaltete Roboter, die Teile vom Förderband greifen, sind sie aber eine wichtige Information. Erfasst, gelesen oder geprüft werden kann alles Mögliche, wie Positionen, Ausrichtungen, Farben und Farbanordnungen, Grauwerte, Klarschrift, Abstände, Bohrdurchmesser, Anzahl von Objekten, Winkel, Kontraste, Umrisse und nicht zuletzt Bar- und Matrixcodes. Zur Lösung einer Inspektionsaufgabe können diese Merkmalsprüfungen vielfältig kombiniert werden. So genügt eine Bildaufnahme selbst für komplexe Applikationen.

Die Einrichtung des Sensors erfolgt idealerweise in nur wenigen intuitiven Schritten. Die konturbasierte Objekterkennung, wie sie die Vision Sensoren VeriSens von Baumer mit dem patentierten FEX-Bildprozessor bieten, erleichtert die Implementierung zusätzlich, da Konturen von Objekten auch bei schwierigen Beleuchtungsverhältnissen noch klar erkannt werden. So kann die Inspektion zuverlässig eingerichtet werden.

Einfach implementiert, einfach nachparametriert

Ist die Prüfaufgabe konkretisiert und konfiguriert, muss man die Datenausgabe festlegen: Sollen Teilergebnisse ausgegeben werden? Wie soll das Gesamtergebnis aus Einzelergebnissen verknüpft sein? Wie ist das Ausgabe-Timing? Einige Vision Sensoren erlauben Sortieraufgaben auch ohne SPS, indem sie ein separates Timing für Einzelergebnisse ermöglichen. So können Teile sehr einfach vom Förderband in verschiedene Boxen sortiert werden, ein Drehgebereingang wacht dabei über die Bandgeschwindigkeit.

Notwendig ist auch eine Schnittstelle zum Menschen. Adressiert die Konfigurations-Software anfangs noch den Ingenieur, der die Applikation löst und testet, wandeln sich die Anforderungen mit dem späteren Einsatz. Möglicherweise muss ein ungelernter Anlagenbediener im laufenden Betrieb Jobs wechseln oder nachparametrieren können. Deshalb ist eine kunden- und aufgabenspezifisch konfigurierbare Benutzerschnittstelle notwendig. Wird diese Schnittstelle in Form eines Web-Interface realisiert, lässt sich sogar der Browser der Maschinensteuerung zur Bedienung nutzen. So wird eine einfache Integration in die Bedienoberfläche der Maschine praktisch ohne Mehraufwand erreicht. Vision Sensoren sind am Markt in unterschiedlichen Ausführungen verfügbar. Der größte wahrnehmbare Bauart-Unterschied liegt in der Ausführung mit integriertem Objektiv oder mit standardisiertem Interface für Wechselobjektive. Gerade bei großen Abständen zum Prüfobjekt bieten diese die Möglichkeit, auch Teleobjektive einzusetzen, die nicht zum Mainstream verfügbarer eingebauter Objektive gehören. Gute Vision Sensoren ermöglichen zudem selbst für lange Teleobjektive einen IP67-Schutzgrad.

Ein Gerät, viele Namen

Vision Sensoren werden auch als Smart Camera bezeichnet. In der Praxis hört man aber auch Begriffe wie Intelligente Kamera oder einfach nur Kamera. Die Bezeichnungen sind vor allem durch die Marketing-Kommunikation der Hersteller geprägt – und unterliegen damit zwangsläufig einem Wandel. Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) definiert diese Produktgruppen zum Beispiel in der Marktbefragung 2014. Hier unterscheiden sich Smart Cameras dadurch von Vision Sensoren, dass bei ihnen eine Applikation vom Endanwender „durch das Schreiben von Quellcode“ realisiert werden kann.

Aber auch Parametrieren ist erlaubt. Vision Sensoren hingegen weisen „spezifische Applikations-Software“ auf. Weiterhin geht die Definition auch auf Bauformen ein, so werden Produkte mit abgesetztem Kamerakopf den Smart Cameras zugerechnet.

Beleuchtung als Schlüssel

Das Bild ist maßgeblich, denn alles was nicht sichtbar ist, kann nicht ausgewertet werden. Der Schlüssel zur erfolgreich gelösten Aufgabenstellung ist die Beleuchtung. Reicht eine integrierte Beleuchtung nicht aus, sollte man auf Vision Sensoren zurückgreifen, die externe Beleuchtungen unterstützen. Baumer bietet Geräte, die mit einem vollintegrierten Blitzcontroller externe Beleuchtungen im Blitzbetrieb direkt und ohne zusätzliche Hardware mit bis zu 4 A blitzen können.

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