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11-2016

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Bildverarbeitung

Bildverarbeitung Industrie 4.0, Bildverarbeitung und die Arbeitswelt der Zukunft Bild 1: „Netzwerke sind die Fäden, die Industrie 4.0 zusammenhalten. Industrielle Bildverarbeitung macht Industrie 4.0 transparent.“ Autor: Dr. Jürgen Geffe, Geschäftsführer Vision & Control GmbH Ziel der Industrie 4.0 ist die effiziente, intelligente und flexible Produktion bis hin zur Losgröße 1. Dafür sind ein hochgradig vernetztes Internet der Dinge sowie das Erfassen der Umwelt mit Hilfe von optischer Sensorik - die Automation des menschlichen Sehsinns - eine wesentliche Voraussetzung. Durch die gesteigerte Leistungsfähigkeit der Bildverarbeitungssysteme sind heute Einsatzszenarien möglich, die vor ein paar Jahren noch nicht praktikabel waren. Das moderne Vision- System sieht, lernt, analysiert und ist die Grundlage für eine sich selbst organisierende Produktion. Mit Hilfe von Bildverarbeitungssystemen werden sehr viele Daten aufgenommen, zu komplexen Informationen verarbeitet und als Input dem Gesamtsystem zur Verfügung gestellt. Die Datenanalyse erfolgt mit Hilfe von Software und Algorithmen. Aus den Ergebnissen werden Aktionen abgeleitet. So kann beispielsweise eine Maschine dezentrale „eigenständige“ Entscheidungen treffen. Mit der Möglichkeit, den Maschinen das Sehen beizubringen, wird eine Vernetzung von Maschinen und deren Teilkomponenten im Internet der Dinge erst sinnvoll. Virtuelle Abbilder der Umwelt werden mit aussagekräftigen, realen Sensordaten abgeglichen und somit die Funktion der Maschine/der Produktionsanlage gesteuert und sichergestellt. Die Bildverarbeitung verschmilzt mit der Produktionstechnologie und ermöglicht damit neue, innovative Produkte und Leistungen. Kollaboration Mensch - Maschine Die Maschine sieht den Menschen und das zu bearbeitende Produkt, d. h. die Maschine lernt den Menschen und dessen Gesten zu verstehen und „sieht“ dem Produkt z. B. durch das Lesen des RFID-Tags an, welche Bearbeitung dies „wünscht“. Durch die Vernetzung kann sich die Produktion selbstständig optimieren, da sie weiß, welche Kapazitäten frei sind. Für den Wissenden ist diese Entwicklung eine interessante Herausforderung, mancher Laie wird heute noch verunsichert. Doch dahinter steckt „nur“ Automatisierungstechnik! Diese wird zunehmend intelligenter und wird zukünftig den Menschen bei komplexer Arbeit immer besser unterstützen. Mit Hilfe der „Automatisierungstechnik 4.0“ können der Maschine komplexe Abläufe mit hohem Flexibilitätsgrad eingelernt (einprogrammiert) werden. Einerseits ersetzt das Vision System den Menschen beim Durchführen von Routineaufgaben, wie beispielsweise in der Inline-Qualitätskontrolle. Hier arbeitet das System immer mit gleicher Qualität, ermüdungsfrei und schneller als der Mensch. Beispielsweise ermöglichen die gestiegene Sensorauflösung und Rechenpower Prüfvorgänge bei der Qualitätskontrolle in hohen Taktraten zu bewältigen, bei gleichzeitiger Vermeidung von Pseudoausschuss. Der Roboter unterstützt Durch die Weiterentwicklung der Vision Systeme sind die Roboter mobil geworden, sodass eine Zusammenarbeit mit dem Menschen möglich ist. Hier unterstützen sie den Menschen, indem sie mit ihm zusammenarbeiten und beispielsweise schwer zu bearbeitende Rohlinge so positionieren, dass sie vom Arbeiter ergonomisch bearbeitet werden können. Dies ist ebenfalls nur aufgrund von Erfassung in 3D, verbesserter Sensor auflösung und Echtzeitkommunikation möglich. Faktor Mensch Die Automatisierung wird immer weiter fortschreiten, unterstützt von den Bildverarbeitungssystemen. Es entsteht die Arbeitswelt unserer Zukunft, in der wir Menschen jedoch auf keinen Fall überflüssig werden. All diese Anlagen müssen entworfen, durchdacht, aufgebaut und gewartet werden. Es entstehen neue und sehr interessante Berufsbilder und Studienrichtungen. Die Aufgabe des Menschen verlagert sich von Routinetätigkeiten hin zur übergeordneten Planung, Kontrolle, Überwachung und Steuerung der Anlagen. Außerdem ist der Mensch in unvorhergesehen Situationen immer noch flexibler als sein Kollege Roboter. Für mich ist „Industrie 4.0“ darüber hinaus eine Vision die uns vereint, die bereits Gegenwart ist und die unsere Zukunft neu gestalten wird. Wir als Bildverarbeiter sind sowohl die Akteure als auch die Nutznießer dieser interessanten Entwicklung. Vision-Systeme Neben einer robusten Kamera sind für eine sichere und effektive Bildverarbeitungslösung weitere gut aufeinander abgestimmte Komponenten erforderlich. Hochleistungs- LED-Beleuchtungen in modularer Bauweise, verschiedensten Wellenlängen und Funktionalitäten ermöglichen eine Vielzahl an Kombinationen der Beleuchtungen untereinander sowie eine Kombination mit der passenden Optik. Intelligente 28 PC & Industrie 11/2016

Bildverarbeitung Anpassungen an verschiedene Beuteldesigns kann der Endanwender selbst vornehmen. Smart Camera und Kommunikation Bild 2: Schaltschranklose Verpackungsmaschine zur Handhabung von Schlauchbeuteln Beleuchtungen sind robust gegen Anschlussfehler, bieten eine hohe Reproduzierbarkeit und Präzision der lichttechnischen Parameter. Das Gerätekonzept sollte dabei von der intelligenten Kamera bis hin zum Mehrkamerasystem die Erfordernisse an Leistungskraft, Flexibilität, Kombinierbarkeit und Zuverlässigkeit, wie sie der Industriealltag stellt, berücksichtigen. Ausgestattet mit Feldbus-Schnittstelle, sind die Vision-Systeme einfach in die Maschinensteuerung zu integrieren. Zuverlässigkeit, Geschwindigkeit, Genauigkeit und Erkennungssicherheit sind die wichtigsten Anforderungen an die industrielle Bildverarbeitung. Ebenso wichtig ist das schnelle Warten der Systeme, ein intuitives Bedienkonzept und die Fernsteuerung. Trotzdem sollen die Systeme bezahlbar bleiben, beispielsweise durch die Realisierung auf Basis modularer Standardsysteme. Das Beispiel zeigt die Realisierung eines kostenoptimalen, flexiblen Systems, das modular, ohne Schaltschrank aufgebaut ist und sich einfach bedienen und warten lässt. Das gewählte Applikationsbeispiel aus der Verpackungsindustrie zeigt das Zusammenspiel und die Vernetzung einer smart camera als „Auge“ einer schaltschranklosen Verpackungsmaschine im Sinne von Industrie 4.0. Ein Pickand-Place-Roboter soll Prüfobjekte mit stark reflektierender Oberfläche und variierender Form zuverlässig detektieren. Dem Konzept der modularen Bauweise von Verpackungslinien folgend, entstand auf der Basis des umfangreichen Komponentenportfolios ein Bildverarbeitungs-Modul zur Lagedetektion von Schlauchbeuteln auf einem Zuführband. Das Modul ermittelt die Positionsdaten der verpackten Produkte und sendet diese direkt an das Pickermodul des Roboters. Im Zusammenspiel mit der Schlauchbeutelmaschine wurde eine modulare und zugleich kompakte Verpackungslinie verwirklicht. Durch den Wegfall des Schaltschranks können weitere hochintegrierte Einheiten ergänzt und die Verpackungslinie optimal an den Bedarf des Kunden angepasst werden. Die schattenfreie, diffuse Ausleuchtung der Beutel verhindert Reflexionen und sichert ein zuverlässiges Erkennen. Der zugehörige Beleuchtungscontroller garantiert dabei den sicheren, ausfall- und störungsfreien Betrieb der angeschlossenen Beleuchtung auch bei wechselnden Umgebungsbedingungen. Die Forderung zur Erkennung von mindestens 180 Beuteln pro Minute wurde mit einem Bildverarbeitungssystem mit intelligenter Beleuchtung umgesetzt. Dabei liefert die Programmierumgebung die Grundlage zur intuitiven Erstellung des Prüfprogramms mit leistungsfähigen Bildverarbeitungsfunktionen. Die smart camera vereint in einem kompakten Gehäuse die Funktion der Bildaufnahme, die Ermittlung der Position und der Drehlage, sowie die Übermittlung der Ergebnisse an das Pickermodul über den echtzeitfähigen sercos-Feldbus. Sowohl die intelligente Kamerafamilie als auch Mehrkamera-Vision Systeme sind mit industrienahen, sehr leistungsfähigen Kommunikationsschnittstellen ausgerüstet - neben Standard Ethernet auch mit CANopen und sercos. „sercos“ erlangt, als echtzeitfähige Feldbusschnittstelle, zunehmend an Bedeutung. Mit sercos wird in der Antriebstechnik bereits seit Jahren ein hochsynchroner Betrieb elektrischer Antriebe über Standard-Ethernetkabel ermöglicht. Die Integration der Echtzeit- Ethernet-Schnittstelle sercos in Bildverarbeitungssysteme schafft ein direktes Interface zur Anlagensteuerung. Das ermöglicht dezentrale Steuerungs anordnungen, verringert den Service aufwand, die Kosten sowie den Platzbedarf. Der sercos-Feldbus garantiert weiterhin höchste Performance und Genauigkeit für die synchronisierte Kommunikation in der Automatisierungsumgebung. Gleichzeitig wird der Aufwand bei der Inbetriebnahme durch standardisierte Geräte- und Funktionsprofile verringert. ◄ Applikationsbeispiel Bild 3: Smart camera mit sercos-Interface - das „Auge der Industrie 4.0“ PC & Industrie 11/2016 29

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