Bildverarbeitung beim automatisierten Einlegen von Blechplatinen

Scharfer Blick für Feinarbeit

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Nach weit verbreiteter Expertenmeinung ist der Einsatz von Vision-Systemen im rauen Umfeld eines Presswerks nicht erfolgreich realisierbar. Dass es doch funktioniert, zeigt sich bei Thyssen Umformtechnik + Guss, wo ein Bildverarbeitungs-system trotz schwieriger Verhältnisse zuverlässig die Korrekturdaten für die Bewegungen eines Handlingroboters liefert.

Outsourcing wird seit einigen Jahren zunehmend vor allem von der Automobilindustrie vorgelebt. Für das Geschäftsfeld Karosserie der Thyssen Umformtechnik + Guss GmbH in Bielefeld hat dieser Trend positive Auswirkungen: Das Werk Brackwede fertigt für eine Reihe namhafter Automobilhersteller komplette Karosserieteile. Hergestellt werden dort großflächige Produkte wie Kotflügel, Türen oder Türbeplankungen, die auf den Pressenstraßen des Unternehmens in mehreren Schritten aus Feinblechen mit Stärken von bis zu (2,5) 1,2 mm und Breiten bis 2,5 m sowie aus unterschiedlichen Materialien wie Stahl mit oder ohne Beschichtung bzw. Aluminium umgeformt werden.

Grenzbereich für die BV
„Typisch für diesen Industriezweig ist ein sehr raues Umfeld“, beschreibt der Leiter der Karosserie-Fertigung, Dr.-Ing. Benedikt Laackman, die Randbedingungen. „An den Pressen sind u.a. Schmierstoffe im Einsatz, die für eine ständig wechselnde Beschaffenheit der Platinen sorgen.“ Trotz dieser Vorgaben setzte er sich dafür ein, an einem neu angeschafften Platinenlader der Gemminger Firma Schuler Automation GmbH & Co. KG ein Bildverarbeitungssystem zu installieren, das für die Feinabstimmung der Bewegung eines Kuka-Handlingsroboters beim Einlegen der Bleche in die erste Pressenstufe verantwortlich ist. „Die Platinen werden über ein Förderband in die Position gebracht, in der sie der Roboter aufnehmen soll. Vor allem durch die Schmierstoffe auf dem Transportband variiert die Lage der Platinen dabei jedoch ständig“ (Bild 1), so B. Laackman.
Gewöhnlich werden die Bleche in solchen Anlagen über mechanische Anschläge in die endgültige Position zentriert. Der Roboter hat beim Einlegen in das Presswerkzeug nur wenige Millimeter Toleranz, denn eine weitergehende Fehllage kann zu unbrauchbaren Teilen oder sogar zu Schäden am Werkzeug führen, was wiederum Stillstandszeiten der gesamten Linie zur Folge haben kann. „Solche Nebenzeiten kann sich ein Zulieferer heutzutage kaum mehr leisten, da die Lieferzyklen im Rahmen von just-in-time immer kürzer werden“, verdeutlicht B. Laackman die Bedeutung der Aufgabenstellung.
Schnelle Reaktion erforderlich
Nicht nur wegen der rauhen Umgebung handelt es sich bei der Thyssen-Anwendung um eine anspruchsvolle Aufgabe für das Bildverarbeitungssystem, das von der VMT Bildverarbeitungssysteme GmbH, Weinheim, und Schuler Automation mit Komponenten der Stemmer Imaging GmbH, Puchheim, installiert wurde. Auch die zeitlichen Vorgaben sind streng: Für die Bildaufnahme der Platinen, die Auswertung inklusive der Merkmalserkennung und die daraus resultierende Positionsberechnung ein-schließlich der Übertragungszeit der Korrekturwerte an die Robotersteuerung steht nur ein Zeitfenster von etwa 2 s zur Verfügung, in dem der Handlingautomat die vorhergehende Platine in die Presse einlegt. Im Anschluss daran müssen die berechnete Lageabweichung und die damit verbundenen Korrekturwerte für die Steuerung der folgenden Platine bereits in der Robotersteuerung zur Verfügung stehen, damit die Bahnbewegung für den nächsten Einlegevorgang unter Berücksichtigung der Lagedifferenz berechnet werden kann.
Als weitere Schwierigkeit nennt VMT-Geschäftsführer Harald Mikeska die nahezu beliebigen Formen und wechselnden Materialien der Platinen, bei denen die Erkennungsmerkmale zudem fast immer an der Außenkontur liegen: „Das macht die Erkennung besonders problematisch, da dort alle Störeinflüsse wie z.B. ein wechselnder Hintergrund, das ölverschmierte Transportband und beliebige Reflexionen auf dem Band zum Tragen kommen.“
Dennoch hat sich im laufenden Betrieb mittlerweile gezeigt, dass das Bildverarbeitungssystem in der Lage ist, diese harten Anforderungen trotz aller Umgebungswidrigkeiten zuverlässig und mit hoher Verfügbarkeit zu erfüllen: „Der Kuka-Roboter des Typs KR 60/P2 legt bis zu 4000 Rohplatinen pro Tag in die Presse ein. Aus unseren Erfahrungen heraus sind die notwendigen Daten in der Regel innerhalb von rund 300 ms beim Roboter“, erzählt B. Laackman (Bild 2). „Die Fehlerquote liegt dabei quasi bei Null.“
Eine besondere Maßnahme zur Qualitätssicherung musste dabei – obwohl von VMT ursprünglich vorgesehen – nicht eingesetzt werden. Dazu H. Mikeska: „Das System besitzt gegen die an Pressen häufig auftretenden Erschütterungen als Besonderheit eine spezielle Software zur Schwingungskorrektur. Anhand ortsfester Marken kann es überprüfen, ob die Kamerapositionen noch der ursprünglichen Kalibrierung entsprechen. Ist dies nicht der Fall, so sorgt diese Software dafür, dass die an den Roboter gelieferten Werte in Bezug auf das Pressenwerkzeug wieder korrekt sind.“ Im Fall der Pressenstraße im Thyssen-Werk war die Qualität der Bildauswertung jedoch auch ohne diese Korrektur gegeben.
Komponenten des BV-Systems
Als „Augen“ des Bildverarbeitungssys-tems dienen zwei Kameras vom Typ M50 des dänischen Herstellers JAI. Der Einsatz von zwei Kameras war aus zwei Gründen notwendig: Einerseits wird so die erforderliche Auflösung erreicht, um die benötigte Genauigkeit der Lage-erkennung zu realisieren, und andererseits können so auch die sehr unterschiedlichen, zwischen 800 und 2500 mm Länge variierenden Größenformate der bearbeiteten Platinen abgedeckt werden.
Die Kameras wurden an einer an die Umgebungsbedingungen angepassten Mechanik installiert (Bild 3). Sie nehmen die Platinen ohne den Einsatz einer speziellen Beleuchtung im Tag- und Nachtbetrieb auf und geben die Daten an das Rechnersystem weiter, das die Lageberechnung und die Weiterleitung an die Robotersteuerung übernimmt. Als Rechner dient dabei ein Pentium-II-System mit 350 MHz Frequenz unter Windows NT 4.0, das mit dem PCI-Framegrabber PX-610 von Imagenation, einer CAN-Bus-Karte für die Kopplung zur Robotersteuerung (optional ist hier auch eine serielle Kopplung oder eine Profibus-Anbindung möglich) sowie einem 17″-VGA-Monitor ausgestattet ist.
„Die notwendigen Bildverarbeitungs-Komponenten, von den Kameras mit den Objektiven über die Kabel bis hin zu den Bilderfassungskarten, beziehen wir komplett von Stemmer Imaging“, berichtet VMT-Chef H. Mikeska. „Besonders hilfreich für die schnelle Realisierung war hierbei der Einsatz der Basis-Software Common Vision Blox. Darauf aufgesetzt sorgen das CVB-Tool Minos in einer Erkennungsstufe und zusätzliche von VMT entwickelte Programme in weiteren Erkennungsstufen für ein sicheres Auffinden der Platinen.“ Die Grundidee von Common Vision Blox besteht darin, dem Anwender eine Art „Betriebssystem für die Bildverarbeitung“ zur Verfügung zu stellen. Je nach Aufgabenstellung können darauf die benötigten Software-Werkzeuge aufgesetzt werden, was im Vergleich zu bisherigen Lösungen vor allem eine schnelle und flexible Erstellung von Applikationen ermöglicht.
Reduzierter Aufwand
Bei vergleichbaren Anlagen wie der jetzt „sehenden“ Pressenstraße wurde bisher mit mechanischen Anschlägen gearbeitet, die sicherstellten, dass die Platinen korrekt eingelegt werden. „Diese Mechanik bestand aus bis zu zehn Achsen, die bei einem Produktwechsel immer wieder neu von Hand eingestellt werden mussten“, so B. Laackman. „Auch die Anpassung an neue und bisher noch nicht bekannte Platinenformate ist durch den Einsatz des neuen Bildverarbeitungssystems deutlich flexibler und schneller realisierbar, was somit zu weiteren Kostenersparnissen führt“, ergänzt VMT-Geschäftsführer H. Mikeska.
Bereits bei den reinen Kosten für die Hardware war das modernere System der mechanischen Lösung überlegen: Bei einem Gesamtvolumen in Höhe von etwa 2,3 Mio. DM für den gesamten Platinenlader betrug der Anteil des Bildverarbeitungssystems inklusive der Ersatzteile und der kompletten Schulungen rund 100 000 DM und lag damit etwa 30 000 DM unter einer rein mechanischen Anlage. „Hinzu kommen jedoch noch eine Reihe weiterer Kosteneinsparungen“, verdeutlicht B. Laackman: „Heute liegt der Umrüst-aufwand bei einem Produktwechsel im Vergleich zu früher deutlich niedriger, und auch die Instandhaltung ist wesentlich einfacher.“
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