Vision-Sensoren

Klein, smart und mit allem Nötigen ausgestattet

01.10.2008 | Redakteur: Gerd Kucera

Die Inspektions-Sensoren der Checker-Serie von Cognex sind autarke Systeme mit integrierter Beleuchtung und Kommunikationsschnittstelle
Die Inspektions-Sensoren der Checker-Serie von Cognex sind autarke Systeme mit integrierter Beleuchtung und Kommunikationsschnittstelle

Die bundesdeutsche Bildverarbeitungsindustrie erzielte nach Angaben des VDMA im Jahr 2007 einen Gesamtumsatzzuwachs von 3% und lieferte Produkte im Wert von 1,15 Mrd. € in alle Welt. Für 2008 erwarten die Hersteller ein Wachstum von 6% auf 1,22 Mrd. €. Weil Hard- und Software stets leistungsfähiger werden, übernehmen Standardsysteme vermehrt Aufgaben, für die bislang komplexe Lösungen kundenspezifisch zu erstellen waren. Eine außergewöhnlich große Nachfrage gibt es für Vision-Sensoren.

Aufgrund des Preisverfalls stagnierte 2007 der Umsatz mit Bildverarbeitungssystemen, deren Stückzahlenverkauf jedoch um 11% zulegte. Das zeigt deutlich, dass der Bedarf an dieser Technik stetig zunimmt. Die unterschiedliche Entwicklung von Umsatz und Stückzahl ist nach Aussage von Dr. Dietmar Ley, Vorstandsvorsitzender des VDMA Industrielle Bildverarbeitung hauptsächlich auf den verstärkten Einsatz von preiswerten und einfach einsetzbaren Standardprodukten zurückzuführen. Leistungsfähigere Hard- und Software übernehme vermehrt Aufgaben, für die bislang komplexere Lösungen kundenspezifisch erstellt werden mussten.

Den größten Umsatzzuwachs verzeichneten 2007 die Vision-Sensoren mit einem Plus von 40% im Vergleich zum Vorjahr. Einen leichten Rückgang um 3% im Gesamtumsatz mussten im gleichen Zeitraum hingegen die applikationsspezifischen Systeme hinnehmen. Dennoch war diese Produktgruppe im Jahr 2007 mit 77% Anteil am Systemgeschäft unverändert die mit Abstand umsatzstärkste, während der Anteil der Vision-Sensoren nur bei etwa 4% lag.

Inspektionssysteme werden kleiner, preiswerter und leistungsstärker

Auch in Zukunft wird es in vielen Bereichen anspruchsvolle Aufgaben geben, die sich nur mit komplexen, applikationsspezifischen Systemen lösen lassen. Im unteren und mittleren Preissegment erschließen kostengünstige Standardsysteme neue Anwendungen und Märkte, während im oberen Segment nach wie vor die komplexeren, applikationsspezifischen Systeme gefordert sind.

Torsten Zöller, Cognex: „Den bildbasierten Inspektionssensoren öffnen sich fassettenreiche Anwendungen, die bislang aufwendiger klassischer Sensorik vorbehalten war.“
Torsten Zöller, Cognex: „Den bildbasierten Inspektionssensoren öffnen sich fassettenreiche Anwendungen, die bislang aufwendiger klassischer Sensorik vorbehalten war.“

Wohl die Mehrheit der Kameraanbieter und Aussteller der Stuttgarter Fachmesse VISION 2008 (4. bis 6. November) erhoffen ein deutlich spürbares Interesse der Anwender an Vision-Sensoren. „In diesem Jahr erwarten wir bezüglich unserer Inspektionssensoren ein Wachstum von über 100 Prozent, das sogar regional höher liegen kann“, konstatiert beispielsweise Torsten Zöller, Senior Marketing Manager Europe Central bei Cognex.

Zum Einsatz der VeriSens-Sensor-Serie von Baumer sind keine spezifischen Bildverarbeitungskenntnisse notwendig. Die Konturanalyse ist intuitiv verständlich und sehr stabil gegenüber Umgebungseinflüssen wie Fremdlicht.
Zum Einsatz der VeriSens-Sensor-Serie von Baumer sind keine spezifischen Bildverarbeitungskenntnisse notwendig. Die Konturanalyse ist intuitiv verständlich und sehr stabil gegenüber Umgebungseinflüssen wie Fremdlicht.

Und Dr. Ralf Grieser, Leiter Markt- und Produkt-Management Smart Vision der Baumer Optronic GmbH meint: „Derzeit erleben wir ein stürmisches Wachstum, das wir sowohl auf unsere Neuheiten als auch auf das Potenzial der Vision-Sensoren zurückführen ist. Denn deren Technologie sowie das generelle Konzept, sorgen nicht nur dafür, dass neue Applikationen entstehen, sondern auch neue Märkte.“

„Bildbasierte Sensoren füllen vor allem die Kluft zwischen den konventionellen optoelektronischen Sensoren und den Smart-Kameras“, betont Zöller, und vereinen die Fähigkeiten leistungsstarker Sensoren mit der Effizienz einfacher Bildverarbeitungssysteme. Mit rasanter Geschwindigkeit übernehmen sie viele Aufgaben traditioneller Sensoren und einfacher Bildverarbeitungslösungen. Dadurch ist auch das außergewöhnlich hohe Marktwachstum zu erklären.“

Prozessschritte erfordern mehr Sensoren

Bei den heutigen hohen Qualitätsanforderungen müssen in einer Produktionsanlage alle Automatisierungsprozesse über die gesamte Wertschöpfungskette optimiert und reibungslos verlaufen. Regelung, Steuerung und Kontrolle der einzelnen Prozessschritte erfordern so zunehmend mehr Sensoren, die zusätzlich auch stets komplexere Aufgaben lösen. Beispielweise sollen gleichzeitig unterschiedliche Objektmerkmale wie die Anwesenheit von Bauteilen, ihre Lage, die Vollständigkeit, Geometrie, Farbe und anderes mehr erfassbar und auswertbar sein.

Das Laserlicht-Schnittverfahren des Höhenprofilsensors Simatic MV230 von Siemens bietet sich für Applikationen an, in denen eine hohe Robustheit gegenüber wechselnden Lichtverhältnissen gefordert ist oder problematische Materialien (glänzende Teile, inhomogene Oberflächen) vorliegen.
Das Laserlicht-Schnittverfahren des Höhenprofilsensors Simatic MV230 von Siemens bietet sich für Applikationen an, in denen eine hohe Robustheit gegenüber wechselnden Lichtverhältnissen gefordert ist oder problematische Materialien (glänzende Teile, inhomogene Oberflächen) vorliegen.

„Das Zusammenspiel, der mechanische Aufbau, die Verkabelung, Kommunikation, Datenauswertung und Integration in die Prozesssteuerung kann mit üblichen Sensoren viel zu aufwendig sein“, so Zöller, „deshalb sind hier bildbasierte Inspektionssensoren technologisch und wirtschaftlich eine überlegene Alternative.“ Das gelte auch für Anwendungen, bei denen sich der Einsatz von Bildverarbeitungssystemen als zu teuer zeigen.

Smart-Kameras erfordern vergleichsweise viel Sachkenntnis

Jens Hauffe, Siemens: „Weil Vision-Sensoren auf ganz bestimmte Prüfaufgaben ausgelegt werden, sind Inbetriebnahme, Wartung und Pflege dieser Sensoren wesentlich einfacher als etwa bei Smart-Kameras.“
Jens Hauffe, Siemens: „Weil Vision-Sensoren auf ganz bestimmte Prüfaufgaben ausgelegt werden, sind Inbetriebnahme, Wartung und Pflege dieser Sensoren wesentlich einfacher als etwa bei Smart-Kameras.“

Jens Hauffe, Produktmanager Bildverarbeitung bei Siemens, stellt noch andere Aspekte in den Mittelpunkt: „Moderne Smart-Kameras weisen bestechende Leistungsmerkmale auf und kommen in immer mehr Anwendungen zum Einsatz. Aber sie erfordern dazu vielseitige Sachkenntnisse und ein erhebliches Wissen hinsichtlich der richtigen Auswahl, Planung, Inbetriebnahme und Anpassung des Systems an die jeweilige Anwendung einschließlich aller Randbedingungen. Vision-Sensoren hingegen sind in der Lage, den Anforderungen an eine komplexe Algorithmik gerecht zu werden.“

Auf ganz bestimmte Prüfaufgaben ausgelegt

Die Vision-Sensoren camat der S47-Serie von Vision & Control sind auf spezielle Prüfaufgaben optimiert. Integriert sind Optik, LED-Beleuchtung, Bildauswertung und Kommunikationsinterface.
Die Vision-Sensoren camat der S47-Serie von Vision & Control sind auf spezielle Prüfaufgaben optimiert. Integriert sind Optik, LED-Beleuchtung, Bildauswertung und Kommunikationsinterface.

Weil Vision-Sensoren auf ganz bestimmte Prüfaufgaben ausgelegt sind, ist die Inbetriebnahme, Wartung und Pflege dieser Sensoren wesentlich einfacher. Deshalb können sich auch Anwender mit wenig Bildverarbeitungskenntnissen an den Einsatz von Vision-Sensoren heranwagten – und das bei kalkulierbaren Kosten.

Ein Vision-Sensor hat alles Nötige integriert

Dr. Jürgen Geffe, Vision & Control: „Beispielhaft ist der Einsatz von Vision-Sensoren in der Robotik. Roboter sind durch Vision-Sensoren imstande, Automatisierungsaufgaben autonom zu lösen.“
Dr. Jürgen Geffe, Vision & Control: „Beispielhaft ist der Einsatz von Vision-Sensoren in der Robotik. Roboter sind durch Vision-Sensoren imstande, Automatisierungsaufgaben autonom zu lösen.“

Für Dr. Jürgen Geffe, Geschäftsführer der Vision & Control GmbH bieten sich Vision-Sensoren aufgrund ihrer Kompaktheit an. „Sie sind überall dort erste Wahl, wo ein integriertes System die gestellte Aufgabe sicher lösen kann. Alle notwendigen Komponenten einer Bildverarbeitungslösung wie Kamera, Optik, Beleuchtung, Auswerteeinheit nebst digitaler Ein- und Ausgänge, um etwa einer speicherprogrammierbaren Steuerung den Betriebszustand oder das Diagnoseergebnis mitzuteilen, sind im Vision-Sensor enthalten.“

Standardschnittstellen wie USB 2.0 erlauben die unproblematische Kommunikation mit etwa dem PC. Intuitive Menüführung und Teach-in-Funktionen sorgen für die einfache Bedienung. „Die Integration in die Anwendung beschränkt sich lediglich auf den Anbau beziehungsweise den Einbau und die Inbetriebnahme. Damit unterscheiden sich Vision-Sensoren erheblich von allen anderen Bildverarbeitungssystemen“, betont Geffe.

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Was den Vision-Sensor charakterisiert

Flächenauswertung versus punktueller Analyse

Vision-Sensoren haben ein sehr weites Einsatzfeld. Siemens beispielsweise verwendet Vision-Sensoren mit flächiger Farbauswertung zur Kontrolle von Etiketten, Aufklebern und Verschlusselementen auf Verpackungseinheiten, Blistern, Flaschen, Dosen und Bechern. Aber auch zur Lage-, Anwesenheits- und Vollständigkeitskontrolle von Kleinteilen in Montage- und Fertigungsprozessen. Beispielsweise bei der Deckelprüfung von Kunststofflaschen muss vor dem Etikettieren geprüft werden, ob der richtige Deckel vorhanden ist.

„In vielen Applikationen besitzt die flächige Farbauswertung gegenüber der punktuellen Vorteile“, weiß Hauffe, „weil nicht selten mehrfarbige Elemente vorhanden sind, die durch eine flächige Farbauswertung robuster auswertbar ist.“

„Baumers Vision-Sensoren heben sich durch die konturbasierte Analyse hervor“, konstatiert Grieser, „dieser natürliche Ansatz erlaubt nicht nur eine sehr einfache und intuitive Bedienung, sondern sichert äußerst stabile Resultate gegenüber sich ändernden Umgebungsbedingungen wie bei Fremdlichteinfall. Der Aufgabenbereich liegt schwerpunktmäßig in der Kontrolle und Erfassung von Position, Vollständigkeit, Anwesenheit und Lage, aber auch in der Identifikation von Barcode- oder Matrix-Codes.“

6000 Teile oder gar mehr in jeder Minute

Spezialität der Vision-Sensoren von Cognex sind Kontrollfunktionen mit sehr hohen Taktraten oder bei hohen Geschwindigkeiten der zugeführten Prüfteile von beispielsweise 6000 Teilen oder mehr pro Minute. Dazu ist laut Zöller keine genaue Fixierung der zu kontrollierenden Teile nötig. „Außerdem haben einige unserer Vision-Sensoren eine integrierte Ladder Logic, mit der die Ergebnisse der bildbasierten Sensoren besser mit den nächsten Steuerungsschritten der SPS koordiniert werden. Das vereinfacht die Integration in anspruchsvolle Prozessabläufe“, erklärt Zöller.

Einfaches Bedienen und schnelles Parametrieren charakterisieren die Vision-Sensoren von Vision & Control. Sie haben eine außergewöhnlich helle LED-Beleuchtung und sind für unterschiedliche Arbeitsabstände vorkonfiguriert. Das erleichtert die Auswahl und den Einsatz.

Multikopf-Sensoren inspizieren mehrere Ansichten

„Noch lassen sich nicht alle Aufgaben mit Vision-Sensoren lösen“, informiert Geffe, „doch die Kombination Robotik und Automation schafft ihnen ein schier unerschöpflichen Anwendungspotenzial. Mit Vision-Sensoren werden Roboter zunehmend selbstständiger und können Aufgaben eigenständig lösen. Ein weiterer Trend ist die Anwendung von Multikopf-Vision-Sensoren zur Inspektion mehrerer Ansichten eines Objekts.“

„Wir erwarten zunehmend eine Synthese von moderner Bildverarbeitungstechnik und einfacher Sensorik, die die Vorteile beider Welten vereint“, sagt Hauffe. Zunehmende Rechenleistung auf engerem Raum werden Vision-Sensoren weiter befähigen.

Ob Leistung allein zur erfolgreichen Anwendung führt oder nur im Wechselspiel mit Kriterien wie Bedienfreundlichkeit, Austauschbarkeit, Verfügbarkeit der Komponenten, Ersatzteilhaltung sowie Service und Wartung, kann der Besucher der VISION 2008 in Stuttgart vor Ort mit Experten aus Entwicklung, Projektierung und Anwendung diskutieren.

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