Data-Matrix-Codeleser beschleunigt optische Prüfung von Nockenwellen (Messestand 7-366)

Schneller lesen in zwei Dimensionen

Identifizierung eines Data-Matrix-Codes auf einer rotierenden Nockenwelle
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In der industriellen Fertigung ist die Objektkennzeichnung mit zweidimensionalen Codes immer stärker im Kommen. Der Grund dafür ist, dass sie bei gleichem Informationsgehalt im Vergleich mit eindimensionalen Codes nur einen Bruchteil des Platzes beanspruchen und diesen auch hinsichtlich Lesbarkeit überlegen sind. Wie sich mit dieser Technik darüber hinaus Identifikationsvorgänge verkürzen lassen, zeigt ein Beispiel aus einer Anlage zur Vermessung von Nockenwellen.

Der Grund für den geringen Platzbedarf liegt in der hohen Datendichte von Codes wie dem Data Matrix ECC 200: Sie benötigen deutlich weniger Platz als herkömmliche Linearcodes, um die gleiche Information darzustellen. Praktisch bedeutet das, dass ein Barcode, der einen Platzbedarf beispielsweise von 3,6 cm² hat, durch einen 2D-Code ersetzt werden kann, der 0,36 cm² Fläche benötigt – also nur 10%.

Matrixcodes sind wie ein Schachbrett aufgebaut – schwarze und weiße Zellen repräsentieren die Informationen. Dementsprechend sind sie durch eine meist quadratische Anordnung von quadratischen, runden und anders geformten Datenzellen gekennzeichnet. Um die Codierung aus einem Umfeld zu identifizieren beziehungsweise zu segmentieren und und um die Dimensionen festzustellen, weisen die meisten Matrixcodes sogenannte „Finder Patterns“ auf. Diese können konzentrische Kreise, speziell gestaltete Eckmarkierungen oder besondere Randgestaltungen sein. Durch diesen Aufbau benötigen 2D-Codes zur Darstellung derselben Informationen deutlich weniger Platz als herkömmliche lineare Barcodes.
Hohe Datensicherheit
Schon aufgrund dieser Vorteile ist in zahlreichen Anwendungsgebieten – Elektronikfertigung, Dokumentenhandling oder Probenkennzeichnung, um nur einige Beispiele zu nennen – eine Ablösung, mindestens aber Ergänzung, der bislang noch dominierenden, eindimensionalen Kennzeichnungstechnik bereits in vollem Gange. Ein weiterer Vorteil von 2D-Codes ist ihre nahezu 100%ige Lesbarkeit und absolute Datensicherheit. In die Symbologie integrierte Algorithmen zur Fehlererkennung und –korrektur sowie zur Datenrekonstruktion erzeugen während des Identifizierens der Nutzdaten automatisch weitere Bytes, die nur dazu verwendet werden, Lesefehler zu erkennen und einen Teil der Nutzdaten zu rekonstruieren. Dies macht – im Gegensatz zur Identifikation eindimensionaler Barcodes – das Auslesen falscher Istdaten nahezu unmöglich.
Für die Hersteller von Identifikationssystemen bedeutet das verstärkte Interesse am 2D-Code, dass der Markt in zunehmendem Maße industriegerechte 2D-Lesesysteme benötigt, die sich flexibel an bestehende Prozesse anpassen. Ein Beispiel aus der Praxis ist eine optische Nockenwellen-Messanlage der Firma Muhr und Bender. Statt die Maschine anzuhalten, um die eingelegte Nockenwelle zu identifizieren, greift man auf ein Lesegerät zurück, das den Code dank einer hohen Lesefrequenz auch in der Bewegung identifizieren kann. Gleiches gilt für Anwendungen, in denen sich der zu identifizierende Code nicht immer an gleicher Stelle oder in gleicher Ausrichtung am Objekt befindet. 2D-Codeleser mit Zeilenoptik wie der ICR 850 von Sick bieten ein für solche Applikationen geeignetes, besonders breites Lesefeld.
Kein Triggersignal erforderlich
Eine Lesefrequenz von 15 kHz, mehr als 4 Mio. Pixel Auflösung des Linien-CCD-Bildaufnehmers, integrierte Laserbeleuchtung und Smart-Decodierung sind die wesentlichen Merkmale dieses Codelesegeräts. Es identifiziert neben gängigen 1D-Codes wie Code 39, Code 128, Codabar, EAN, EAN 128, UPC oder 2/5 Interleaved insbesondere auch 2D-Codes wie den in vielen Bereichen weit verbreiteten Data Matrix ECC 200.
Während herkömmliche Matrix-CCD-Leser eine exakte Positionierung des Codes, ein codebezogenes Triggersignal oder eine externe Beleuchtung benötigen, kann der ICR 850 darauf verzichten. Er besitzt – dank der CCD-Zeilenoptik – mit 70 mm eine etwa dreimal so große Lesefeldbreite wie CCD-Matrixleser. Die Leseentfernung liegt bei 100 mm, dabei lassen sich in Abhängigkeit von der Modulgröße des Codes Tiefenschärfebereiche zwischen 5 bis 20 mm erreichen. Die hohe Auflösung ermöglicht – unabhängig von der Drehlage – die Erkennung selbst kleiner Codezellen mit nur 0,17 mm Größe. Das Gerät, in das eine Beleuchtung integriert ist, startet bei Ankunft des Objektes automatisch den Lesevorgang. Es ist darüber hinaus so kompakt, dass es auch an engen Montageorten installiert werden kann. Die wahlweise frontseitig beziehungsweise seitlich ausrichtbare Optik bietet zusätzliche Alternativen beim Einbau des 2D-Lesers. Für die Datenkommunikation stehen ebenfalls mehrere Optionen offen, unter anderem Schnittstellen wie RS232, RS422/485, CAN-Scanner-Network, Canopen und Ethernet.
Um 20% verkürzter Prüftakt
Muhr und Bender stand vor der Aufgabe, den optischen Prüfprozess an der Nockenwellen-Fügeanlage zu optimieren. Jede Nockenwelle wird zur Produktionssteuerung und Produktverfolgbarkeit mit einem 12 x 12 mm² großen Data Matrix ECC 200 gekennzeichnet. Das Aufbringen des Codes mit einer Zellgröße von 0,42 mm erfolgt mit einem diodengepumpten Nd:YAG Laser, der eine hohe Kontrast- und Codequalität – und damit hohe Lesbarkeit und Prozessverfügbarkeit – bietet.
Am Ende des Fertigungsprozesses wird jede fertig gefügte Welle einer 100%igen optischen Vermessung unterzogen. Die dabei gewonnenen Daten werden der Seriennummer der Welle, die sich aus dem Data-Matrix-Code ergibt, zugeordnet und im Qualitätssicherungssystem abgelegt. Da jedoch am Erfassungsort die Lage der Welle undefiniert ist, musste der Code aufgrund der bisher eingesetzten Lesetechnik erst bei langsamer Drehzahl gesucht werden, bevor die Anlage auf die Prüfdrehzahl heraufgefahren werden konnte. Ziel war es daher, durch Eliminierung des Prozessschrittes „Matrix-Code suchen“ den bisherigen Maschinentakt von 15 auf 12 s zu reduzieren. Diese Reduzierung der Zykluszeit wurde durch den Eínsatz des 2D-Codelesers ICR 850 erreicht. Das Gerät findet dank des breiten Lesefeldes jeden Code automatisch – ein externes Triggersignal ist nicht erforderlich. Zudem erlaubt die hohe Lesefrequenz von 15 kHz hohe Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen der Prüflinge. Während die Nockenwelle mit 600 U/min rotiert, wird sie gleichzeitig geprüft und identifiziert. Durch die Möglichkeit, über Ethernet das vom Lesegerät erzeugte Bild abzurufen, konnte der ICR 850 optimal ausgerichtet werden.
Da sich in einer Reihe von Anwendungen ankündigt, dass 2D-Codes den Barcode ergänzen oder gar ablösen, sind gerade auch Betreiber bereits vorhandener Anlagen daran interessiert, diese mit der 2D-Lesetechnik möglichst einfach zu ergänzen oder ganz darauf umzusteigen. Diesem Wunsch entsprechend ist der ICR 850 hinsichtlich Anschluss und Ansteuerung identisch zu den Barcodelesern der CLV-Baureihen von Sick.
eA 540

Einen kurzen Überblick über Bar- und Data-Matrix-Codes bietet die Website www.matrix-codes.de.
In der im Artikel beschriebenen Applikation wird der Code direkt in die Nockenwellen mittels eines Festkörper-Lasers eingraviert. Eine kurze Einführung zu Physik und Technik von Lasern gibt es unter

Deutlich verkürzt hat sich der Maschinentakt der optischen Nockenwellen-Messanlage bei der Firma Muhr und Bender. Statt den 2D-Code bei stehender Maschine zeitaufwändig zu suchen, findet ihn der eingesetzte Codeleser automatisch auf der drehenden Welle, sodass der Prüftakt von 15 auf 12 s gesenkt werden konnte. Ermöglicht wurde das zum einem durch das breite Lesefeld des Geräts, sodass jeder Code ohne externen Trigger erkannt werden kann. Zum anderen erlaubt die Lesefrequenz von 15 kHz hohe Geschwindikeiten beziehungsweise Drehzahlen der Prüflinge.
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