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Prozessoptimierung in Echtzeit

Leistungsfähigere Kamera- und Sensorsysteme ermöglichen mehr als die reine IO/NIO-Kontrolle
Prozessoptimierung in Echtzeit

Bildverarbeitung | Die Bildverarbeitung hat sich etabliert, um schnell und effizient die Qualität in der Produktion zu prüfen. Darüber hinaus bietet sie nach Einschätzung von Experten die Möglichkeit, Regelkreise zu schließen. Mit den Ergebnissen lassen sich somit Fertigungsprozesse optimieren. §

Autor: Sabine Koll

Hersteller und Dienstleister aus dem Bereich Bildverarbeitung sind sich einig: Die Steuerung von Regelkreisen mit Hilfe von Sensoren und Kameras ist der nächste große Boom für die Branche. Und dies ist keineswegs Zukunftsmusik, wie ein gemeinsames Roundtable von Quality Engineering und Elektro Automation gezeigt hat: „Bei der Steuerung von Schweißprozessen wird heute schon mit speziellen Kameras in die Schmelze geschaut und die Schweißnaht analysiert, wodurch sich die Schweißparameter ändern lassen und der Lichtbogen gesteuert werden kann“, nennt Peter Keppler, Vertriebsleiter von Stemmer Imaging ein Beispiel. „Der Nutzen für den Anwender ist offensichtlich: Er stellt rechtzeitig fest, dass etwas schief läuft – und kann dadurch den Ausschuss senken, Ressourcen einsparen, die Produktion optimieren und damit letzten Endes Geld sparen“, so Keppler.

Ein weiteres Beispiel für das Schließen von Regelkreisen nennt Olaf Reuter, Product Manager bei Allied Vision Technologies: das Erkennen des Verschleißes von Werkzeugen. „In allen Prozessen, in denen Metall verformt wird, tritt Verschleiß auf. Will heißen: Entweder müssen Werkzeuge gewechselt werden oder etwa Parameter an der Biegemaschine nachjustiert werden. Hier kommen inzwischen aufwendige Kameraanwendungen zum Einsatz, die es das erste Mal überhaupt ermöglichen, die aufgenommene 3D-Punktewolke einer Oberfläche oder eines Verlaufs auf CAD-Daten zu mappen und zu vergleichen“, so Reuter. „Alle bisherigen Lösungen in der Industrie lebten davon, dass ein Mensch den Messschieber in die Hand nimmt und irgendwo das abgelesene Ergebnis eingibt, was dann ja auch wieder risikobehaftet ist. Hier ermöglicht uns die digitale Bildverarbeitung das erste Mal die Rückkoppelung auf Daten-Ebene.“
Dass innerhalb von Produktionsprozessen bereits häufig Rückmeldungen gegeben werden, bestätigt auch Martin Stengel, Vertrieb bei Cognex Deutschland: „Hier zeigt sich, dass sich die Leistungsfähigkeit der Bildverarbeitung erhöht hat – mit leistungsfähigeren Prozessoren können nicht nur ebenfalls leistungsfähigere Algorithmen genutzt werden sondern auch unterschiedlichste Algorithmen innerhalb eines Tasks abgearbeitet werden, um mehr Informationen aus der Bildverarbeitung zu gewinnen.“
Nach Einschätzung von Marcus Bleise, International Sales Manager bei Matrix Vision, zeigt sich diese Entwicklung der Bildverarbeitung besonders gut abseits industrieller Anwendungen – etwa im Verkehr. „Beim autonomen Fahren sind deutlich mehr Einflüsse als im industriellen Bereich zu berücksichtigen“, so Bleise. Dazu zählen unter anderem plötzlich auftauchende Fußgänger sowie Tageslicht- und Wetterschwankungen.
„Zukünftig lässt sich mit 3D-Sensorik etwa der Automatisierungsgrad bei der Palettierung/Depalettierung erhöhen, wozu nach jeder Lage gescannt wird, um Lücken zu erkennen, die sich füllen lassen“, ist sich Joachim Lehmann, Produktmanager bei Leuze Electronic, sicher.
Eine wichtige Rolle spielt dabei nach Aussagen von Christian Ott, Leiter Produktmanagement Vision bei Sensopart Industriesensorik, die Automatisierung: „Bei der angestrebten Inline-Kontrolle muss automatisiert werden, um solche Prozesse wirtschaftlich zu gestalten.“ Zahlreiche Anwendungen – von der sortenreinen Zuführung über die Lagekontrolle von Bauteilen – lassen sich laut Ott auf diese Weise automatisieren: „Solche Projekte rechnen sich in der Regel sehr schnell, sobald die ersten Fehler entdeckt und behoben wurden.“
Die große Herausforderung beim Schließen von Regelkreisen mittels Bildverarbeitung liegt nach Meinung der Experten in der Verzögerungszeit der Technik: „Die Frage ist, wie wir im Maschinenbau in Prozesse eingreifen können, die so schnell sind, dass wir Menschen sie nicht beobachten können“, erklärt Reuter, Allied Vision Technologies. Alles, was in diese Prozesse eingreife, müsse also latenzarm sein. „Wir sind hier mit den Komponenten der Bildverarbeitung auf einem sehr guten Weg, weil mittlerweile latenzarme Transportwege von den Sensoren in computerbasierte Hardware beliebiger Art existieren. Standards, neue Schnittstellen und Übertragungsmedien helfen uns dabei, ein latenzarmes Bildverarbeitungssystem aufzubauen, um auch schnelle Prozesse entsprechend zu unterstützen.“ Keppler, Stemmer Imaging, sieht das ähnlich: „Bisher hat man ja im Maschinentakt gedacht, was auch für eine Qualitätskontrolle richtig war und ist – dabei wird schließlich jedes Teil inspiziert und Taktraten von zehn Teilen, sprich zehn Bildern, pro Sekunde sind schon viel.“ Neue Kameras ermöglichten dagegen sehr hohe Frame-Raten und Auflösungen sowie durch die Unterstützung von Field Programmable Gate Array (FPGA) eine sehr effiziente Bildverarbeitung. Keppler: „Damit lassen sich die Regelkreise dann aber auch tatsächlich aufbauen.“
Planung schon bei der Anlagenauslegung
Die Experten mahnen die Anwender jedoch, die Bildverarbeitungstechnologie schon früh bei der Auslegung einer Anlage einzubeziehen: „Die dann viel bessere Integration eröffnet vielfach erst die Möglichkeiten, überhaupt in den Produktionsprozess einzugreifen“, so Keppler.
Als großen Vorteil der Bildverarbeitung sehen die Hersteller neben Kostensenkung und der Erhöhung der Produktqualität die höherer Flexibilität bezüglich Produktwechseln. „Letztlich gehen ja gerade im zentraleuropäischen Bereich die Stückzahlen eher nach unten, während gleichzeitig die Produktion immer flexibler und trotzdem hoch automatisiert sein muss. Das ist einer der Punkte, bei denen die Bildverarbeitung sehr stark qualitätsentscheidende Prozesse mit zusätzlichen Funktionen unterstützen kann“, betont Cognex-Experte Stengel.
Davon profitieren vernetzte Industrie-4.0-Konzepte. „Industrie 4.0 wird ohne Bildverarbeitung nicht funktionieren“, stellt Keppler, Stemmer Imaging, klar. „Mit Blick auf die Losgröße Eins lohnt sich auch der Aufwand für die Integration der Bildverarbeitung, weil genau das die erforderliche Flexibilität bietet – in Einzelfällen kann allerdings sogar eine intelligente Kamera genügen.“ Reuter, Allied Vision Technologies, sieht durch Industrie-4.0-Konzepte allerdings auch Herausforderungen auf die Bildverarbeitung zukommen: „Wir kommen weg von der dedizierten Maschinensteuerung hin zu einer Welt von verteilten und vernetzten Systemen. Einerseits stellt sich dadurch für uns die Aufgabe, verwertbare Bilder bei geringer Verlustleistung zu erhalten; andererseits sollen wir aber auch schnelle, latenzarme Industrieschnittstellen mit großer Bandbreite und Vielfalt integrieren – das widerspricht sich zum Teil.“ Da die Kameras letztlich ein gutes Bild kostengünstig liefern sollen, werde man keine Industrienetzwerk-Schnittstellen in kleine Kameras einbauen. „Sinn macht das erst dann, wenn es darum geht, die Kameras mit mehr Intelligenz auszustatten – womit man beim Thema Smart Kameras landet.“
Schnelle und einfache Integration ist gefragt
Außerdem verzeichnen die Experten eine steigende Nachfrage einfacher und schneller Einbindung der Bildverabeitungssysteme. „Um die Kameras gut zu integrieren, sind die Schnittstellen entscheidend. Wurden dazu früher häufig die digitalen Ein- und Ausgänge genutzt, erhalten wir heute vermehrt Anfragen zu Ethernet/IP oder Profinet, damit der Anwender auf diese Weise die Geräte schnell in den Prozess einbinden kann. Über die reinen Hardware-Kosten für die Bildverarbeitung hinaus rückt damit das ganze Engineering ins Blickfeld“, sagt Ott, Sensopart.
„Ziel ist es, Systeme und Software bereitzustellen, die es den Ingenieuren ermöglichen, sie sehr schnell und vor allem viel einfacher, viel intuitiver zu integrieren – ohne aber auf ein leistungsfähiges Spektrum an Systemen und Tools zu verzichten“, bestätigt Stengel, Cognex. Vor 15 Jahren habe man dazu noch C-Programmierer gebraucht, heute sei das für viele Anwendungen nicht mehr nötig.
Ob sich die Bildverarbeitungssysteme allerdings per Plug&Play integrieren lassen – darüber gehen die Meinungen der Experten auseinander: „Davon gehen wir schon aus. Nach dem Anschließen muss zumindest mal ein Minimalbild vorhanden sein, das zu rund 80 Prozent die gestellten Anforderungen erfüllt“, betont Lehmann, Leuze Electronic. Per einfachem Einteachen sollten sich dann Basisaufgaben erledigen lassen – das gelte insbesondere für Ident-Aufgaben. „Da möchte man nicht eine Stunde mit der Einrichtung verbringen und selbst bei Zusatzfunktion sollte sich der Aufwand für den Ingenieur in Grenzen halten. Ein Hindernis waren in der Vergangenheit beispielsweise die Settings für die Beleuchtung – das wird nun einfacher.“ „Ich habe ein Problem damit, wenn man versucht, die Bildverarbeitung auf einfaches Plug&Play zu reduzieren“, kontert Keppler, Stemmer Imaging. „Denn bei sehr aufwendigen und komplexen Anwendungen ist weiterhin ein Experte hilfreich.“ •

Starkes Wachstum für die Bildverarbeitung
Die deutsche Bildverarbeitungsindustrie steigerte 2013 ihren Umsatz um 8 % auf eine Rekordsumme von 1,6 Mrd. Euro. Laut der VDMA-Fachabteilung Industrielle Bildverarbeitung kamen die Wachstumsimpulse hauptsächlich aus dem Export: Während Inlandsumsätze stagnierten, wuchsen die Exporte aus Deutschland 2013 um 15 %. Der Exportanteil stieg von 55 % auf ein Allzeithoch von 58 %. Dieses starke Wachstum führte 2013 zu einem Anstieg der Beschäftigungszahlen von 9 %. Aufgrund der guten Auftragseingänge in den ersten Monaten des Jahres erwartet der Verband für die deutschen Bildverarbeitungsanbieter im Jahr 2014 ein Umsatzanstieg von 10 %, der den Branchenumsatz auf nahezu 1,8 Mrd. Euro ansteigen lassen wird.

Neue Doppelrolle für die Bildverarbeitung
Die neue Doppelrolle der Bildverarbeitung in der automatisierten Fertigung – Qualitätskontrolle plus Optimierungsaufgaben – greift die Messe Vision, die vom 4. bis 6. November 2014 in Stuttgart stattfindet, mit dem Themenschwerpunkt „Vision 4 Automation“ auf. Er wird die Verknüpfung von Bildverarbeitung und Automatisierung näher beleuchten und sich mit vielfältigen Veranstaltungen nicht nur an Bildverarbeitungsexperten wenden, sondern auch gezielt an den Automatisierungsanwender. Zur Initiative „Vision 4 Automation“ zählen: die „Vision Automation Tour“, der Gemeinschaftsstand IPC 4 Vision, ein spezieller Themenblock „Bildverarbeitung für die Automatisierung“ unter dem Dach der Industrial Vision Days, Weiterbildungskurse im Rahmen der Vision Academy, die Integration Area sowie ein Forum mit maßgeschneiderten Vorträgen zur Automation und schließlich auch die Sonderschau International Machine Vision Standards des europäischen Bildverarbeitungsverbands EMVA.
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