Die einfache Sicht

Visionsensoren - Bildgebende Visionsensoren sind ein Kompromiss zwischen klassischen optischen Sensoren und kamerabasierten komplexen Visionsystemen. Die kompakten Sensoren erlauben die Parametrierung auch ohne große Kenntnisse der Bildverarbeitung.

14. Dezember 2006

Die industrielle Bildverarbeitung ist heute ein fester Bestandteil der Automatisierung. Große Fortschritte bei Plug-and-Play-Funktionalität, Stabilität und Zuverlässigkeit von PC-basierten Vision­systemen auch für komplexe Inspektionsaufgaben brachte dabei die Standardisierung der Schnittstellen für Digitalkameras über das FireWire-Protokoll. Einen Nachteil bergen die zunehmende Flexibilität und der enorme Funktionsumfang vieler Bildverarbeitungslösungen: Ihr Einsatz erfordert ein erhebliches Verständnis für Methoden und Algorithmen der Bildverarbeitung sowie eine entsprechende Einarbeitungszeit in die jeweiligen Produkte. Sie lassen sich deshalb häufig nicht einfach in die Produktionsprozesse integrieren, sondern werden meist in Form von Projekten erarbeitet und verursachen entsprechend hohe Kosten.

Das Gleiche gilt auch für viele intelligente Kameras oder Compact Vision Systeme. Diese locken zwar mit kompakten Bauformen, aber bezüglich der Softwarekonzepte sind sie oft ähnlich komplex wie PC-basierte Systeme - jedoch ohne deren Leistungsfähigkeit.

Die Lücke zwischen klassischem opto-elektronischen Sensor und komplexen Bildverarbeitungssystemen schließen Visionsensoren. Genau wie echte Sensoren liefern auch diese Geräte typischerweise nur ein Binärsignal, das direkt als Schaltausgang an die SPS geführt wird. Die Prozessnähe der Geräte erfordert dabei eine kompakte Bauform, einfache Montage, vollständig integrierte Optik und Beleuchtung sowie ein One-Box-Design mit entsprechendem Schutzgrad und industriekonformen Steckverbindern.

Im Unterschied zu klassischen optischen Sensoren erfassen Visionsensoren die Objekte nicht punktförmig sondern bildgebend. So ermöglichen sie Einsatzfelder, die mit klassischen optischen Sensoren nicht gelöst werden können, für die ein Visionsystem jedoch überspezifiziert und damit zu teuer ist.

Für eine Aufgabe optimiert

Im Unterschied zu einem PC-basierten Bildverarbeitungssystem oder zu Compact-Visionsystemen sind Visionsensoren speziell für eine Inspektions- oder Prüfaufgabe optimiert. Ziel ist es dabei, das Einrichten durch extrem einfache Parametrierung oder wenn möglich sogar mittels Auto-Teach-Funktionen zu realisieren, sodass die In­betriebnahme ohne spezielle Fachkenntnisse der Bildverarbeitung möglich ist.

Zu den kompaktesten Visionsensoren zählen zum Beispiel die Geräte der Baureihe Verisens von Baumer Electric aus Frauenfeld in der Schweiz. Kern dieses Visionsensors ist ein neuer, patentierter Prozessor mit sehr geringem Stromverbrauch, der in einem weiten Temperaturbereich zuverlässigen Betrieb gewährleistet. Die Sensoren mit hochwertigen CCD-Empfängern bieten beste Bildqualität, spezielle Betriebsmodi für Hochgeschwindigkeitseinsätze erlauben bis zu 3.000 Auswertungen pro Minute. Das integrierte Objektiv lässt sich extern manuell fokussieren, was den Einsatz in unterschiedlichen Einbaulagen in der Maschine erleichtert. Die integrierte LED-Beleuchtung ist wartungsfrei und je nach Aufgabe in unterschiedlichen Farben erhältlich. Das kompakte und robuste Metallgehäuse bis Schutzgrad IP 67 gewährleistet den schadlosen Einsatz im rauen industriellen Umfeld.

In der Basisversion genügt zum Betrieb ein einziger M12-Sensorsteckverbinder mit acht Polen. Der Sensor arbeitet mit einer Betriebsspannung zwischen 12 und 30 Volt und besitzt als Prozessschnittstellen drei optoentkoppelte Eingänge für Trigger und Funktionsauswahl sowie drei PNP-Ausgänge für die Schaltsignale Ready, Pass-Fail und für die Ansteuerung einer zusätzlichen externen Beleuchtung. Als Option für den Betrieb der Sensoren in Netzwerksystemen sind künftig Ausführungen mit Ethernet oder RS232/485 erhältlich. Vier Leuchtdioden signalisieren den Status des Geräts.

Die Inbetriebnahme, Parametrierung und Konfiguration geschehen am PC oder Laptop über eine USB-2.0-Schnittstelle. Diese Standardschnittstelle bietet eine Bandbreite von 480 Megabit pro Sekunde und erlaubt die Übertragung der Kamerabilder und Resultate in voller Auflösung und in Echtzeit. Das Be­dienprogramm mit grafischer Benutzeroberfläche und übersichtlicher Bedienung ermöglicht die einfache Parametrierung der Sensoren auch durch Nicht-Spezialisten auf dem Gebiet der Bildverarbeitung.

Funktionen für Profis

Fortgeschrittenen stehen zusätzlich umfangreiche Servicefunktionen zur Verfügung, wie sie sonst nur leistungsfähige Visionsysteme bieten. Dazu gehören das Erfassen von Bildsequenzen in Echtzeit für eine spätere Offline-Parametrierung der Sensoren, das komfortable Verwalten von Konfigurationsdaten, das Erzeugen von Logfiles oder Statistikdaten für die Visualisierung und Auswertung von Prozesskenngrößen.

Typische Aufgabengebiete des Visionsensors sind die Anwesenheits-, Vollständigkeits- und Positionskontrolle von Werkstücken, Bauteilen und Erzeugnissen in der Produktion.

Für jede dieser Aufgabenklassen stellt das Bedienprogramm spezielle Softwaremodule zur Verfügung, die der Anwender lediglich entsprechend der jeweiligen Anforderung parametrieren muss. Der integrierte Speicher ermöglicht es dabei, mehrere Sensorfunktionen und Parametersätze gleichzeitig auf den Sensor zu laden. Diese Daten lassen sich dann jeweils über das Monitorprogramm aktivieren. Die Umschaltung der Funktionen kann auch via SPS im Betrieb erfolgen und ermöglicht so eine vollautomatische Funktionsanpassung, zum Beispiel für unterschiedliche Anforderungen bei einem Chargenwechsel des zu inspizierenden Gegenstandes. Das modulare Konzept der Baureihe erlaubt die flexible Anpassung des Sensors an seine speziellen Anforderungen. Die Möglichkeiten reichen vom Einsatz spezieller Objektive und Beleuchtungsmodule über die Integration von Zeilensensoren bis hin zu alternativen Busschnittstellen. Die modulare Softwarearchitektur ist vollständig und generisch in der Programmiersprache C geschrieben und erlaubt sogar die Einbindung von Fremdsoftware, die damit gleichzeitig auf den vollen Funktionsumfang der Visionsensoren zugreifen kann. Damit eröffnen die Sensoren die Möglichkeit zu vielen neuen OEM-Anwendungen aus Maschinenbau, Verpackung, Handling und Logistik.

Dr. Ralf Grieser, Baumer

Erschienen in Ausgabe: Wer macht was?/2007