Sehende Roboter

Robotersysteme und industrielle Bildverarbeitung sind das Dream-Team, um branchenübergreifende Anwendungen der Qualitätsprüfung, Inspektion und des Handlings zu automatisieren. Sie erleichtern die Arbeit von Menschen und erhöhen die Qualität in der Produktion. Dabei müssen komplexe Robotersysteme so flexibel wie möglich sein, damit sie an unterschiedliche Aufgaben einfach angepasst werden können. Kameras, die auf den Einsatz mit Robotern abgestimmt sind, erlauben die Einsparung von Systemkomponenten, ermöglichen die schnelle Integration beim Endkunden und verbessern die Wartbarkeit.

Die Einsatzumgebung industrieller Robotersysteme ist von rauen Bedingungen wie Schmutz und Vibrationen in der Anlage geprägt. Dies stellt an die eingesetzten Komponenten hohe Anforderungen: Langlebig, robust und wartungsarm sollten sie sein, damit Ausfallzeiten nicht zu Produktionsrückständen führen. Für viele ist deshalb die Schutzart IP 65 gefordert – gerade auch für die sensiblen „Augen“ der Roboter. Standardindustriekameras mit IP-20/40-Schutzart müssen deswegen in ein separates Schutzgehäuse integriert werden. Selbst wenn die höhere Schutzklasse nicht erforderlich wäre, wird für viele Anwendungen ein Schutz des Objektivs vor Verschmutzungen oder Verstellungen benötigt.

Beide Situationen erfordern ein separates Gehäuse, das jedoch eine zusätzliche Systemkomponente mit entsprechenden Zusatzkosten für Beschaffung, Umgehäuse, Kabeldurchführungen, Kameramontage im Gehäuse sowie Lagerhaltungen im Servicefall darstellt. Mit einem separaten Schutzgehäuse kann jedoch auch eine sehr flexible Lösung für unterschiedliche Bildverarbeitungsaufgaben geschaffen werden. Kameras mit verschiedenen Auflösungen, Bildraten und Funktionalitäten können entsprechend den jeweiligen Anforderungen einfach ausgetauscht werden.

Nachteilig ist neben dem finanziellen Mehraufwand jedoch das zusätzliche hohe Gewicht der Kamera im Schutzgehäuse und die für Automatisierungsanwendungen eher ungeeigneten Kabel und Steckverbinder. So werden zur Datenübertragung typischerweise GigE-Kabel mit RJ45-Steckverbindern eingesetzt. Diese sind entweder mit Rastnasen für den Bürobedarf oder mit verschraubbaren Steckern als Sonderlösung ausgelegt. Als Prozessinterface sowie zur separaten Stromversorgung wird in vielen Fällen ein Hirose-Stecker verwendet, was oft zu einem höheren Konfektionierungsaufwand führt.

In der Automatisierungsbranche werden jedoch weltweit vorrangig M12- oder M8-Steckverbinder genutzt. Diese sind in unterschiedlichen Ausführungen standardisiert, es stehen international verschiedene Kabelarten zur Verfügung. Das M12-Standardsteckverbinderprogramm wurde zusätzlich mit einem 8-poligen X-codierten Steckverbinder erweitert, der für die hohen Anforderungen an die Kommunikation innerhalb einer Anlage spezifiziert ist und eine zukunftssichere Lösung für den steigenden Datentransfer bildverarbeitungsgestützter Automatisierungsaufgaben darstellt. Es ist davon auszugehen, dass sich diese Verbindung zunehmend auch in der gesamten Kommunikation von Robotersystemen und den notwendigen Leitzentralen durchsetzt, um die wachsende Datenkommunikation etwa über Profinet industrietauglich zu realisieren. Selbst eine 10-GigE-Datenübertragung ist mit diesem Steckverbinder möglich.

Separate Schutzgehäuse sind also nicht immer die beste Lösung oder der aus Integrationssicht einfachste Weg, um Industriekameras und Objektive in Robotik-Anwendungen einzubinden. Auch aktuell verwendete Kabel und Steckverbinder bieten Potenzial zur Vereinfachung. Wie eine Alternative ohne Schutzgehäuse aussieht, bei der die Kameras den hohen Anforderungen genügen, zeigt Baumer mit seinen speziell für die Robotik ausgelegten VisiLine-IP-Kameras.

Baumer ist darauf spezialisiert, Lösungen für die Automatisierungsbranche markt- und kundenorientiert umzusetzen. Die langjährige Erfahrung im Sensor- und Drehgeberbereich beeinflusst auch das Design der Kameras und Vision-Sensoren. So verfügen beispielsweise alle Industriekameras über M12- oder M8-Stecker. Anwender können auf das in der Regel bereits vorhandene Kabelsortiment zurückgreifen und reduzieren so ihren Beschaffungsaufwand. Auch die angelegten I/O-Pegel sind an die Richtlinien für SPS-Steuerungen angepasst. Denn gerade in Automatisierungsanwendungen werden viele Aktoren eingesetzt, die Störspannungen erzeugen und zum Beispiel ungewollte Triggersignale verursachen können.

Dank der erhöhten Schaltspannungen – Low bis 4,5 V statt 0,8 V; High ab 11 V statt 2,4 V – wird jedoch eine robuste Lösung im Gesamtsystem sichergestellt und der Integrationsaufwand in störanfälligen Industrieumgebungen deutlich reduziert. Damit entfallen mögliche Kosten für Reise und Fehlersuche sowie damit verbundene Ausfallzeiten beim Endkunden. Aufgrund der Bildverarbeitungsstandards sind die Industriekameras zusätzlich mit sehr vielen Bildverarbeitungsbibliotheken kompatibel und stellen eine einfache Einbindung in verschiedene Anwendungen sicher.

Die VisiLine-IP-Kameras sind speziell für den Einsatz in Robotik-Anwendungen ausgelegt. So schützen das wasser- und staubdichte IP-65/67-Gehäuse alle empfindlichen Kamerabestandteile und das Objektiv. Das quadratische Design erlaubt eine einheitliche umlaufende Befestigung und ermöglicht eine frei bestimmbare Einbaulage mittels eines Halters. So können die Kameras anwendungsspezifisch seitlich oder von oben befestigt in verschiedene Anwendungen flexibel integriert werden.

Das robuste Mechanikdesign ist vibrations- und schockresistent mit zehn bis 100 Gramm Eigengewicht. Anwender profitieren damit von einer hohen Reproduzierbarkeit und Ausfallsicherheit, auch wenn Kameras am Roboterarm mitgeführt werden und damit Erschütterungen ausgesetzt sind.

Eine besonders anspruchsvolle Situation tritt beim „Not-Halt“ des Roboters ein. Dieser Schutzmechanismus stoppt den Roboter augenblicklich, um Verletzungen zu verhindern. Dabei können hohe Fliehkräfte auf eine Kamera einwirken. Entsprechend fest müssen Kamera und Objektiv-Schutz montiert sein. Auch das geringe Gewicht von insgesamt 220 Gramm ist vorteilhaft.

Das modulare Schutzkappensystem für das Objektiv ist flexibel erweiterbar und ermöglicht eine einfache Verlängerung, wenn etwa längere Objektive verwendet werden müssen. Der 8-polige X-codierte M12-Stecker stellt durch die Verschraubung und den IP-Schutz eine zuverlässige Verbindung für das Dateninterface sicher. Mögliche Kontaktprobleme durch Feuchtigkeit sind fast ausgeschlossen. Dank Power over Ethernet reicht ein einziges Kabel zur Datenübertragung und Spannungsversorgung. Bei typischen Kabellängen in Robotik-Anwendungen von 20 bis 30 Metern ist dies ein Kostenvorteil in der Beschaffung, Installation und Wartung. Die Triggerung kann direkt über die Ethernet-Leitung vom PC aus durch ein spezielles Ethernet-Kommando (Trigger over Ethernet) erfolgen, das mit nur wenigen Mikrosekunden Verzögerung nahezu einem Hardwaretrigger gleichgesetzt werden kann.

Mit Auflösungen von VGA bis vier Megapixel sind unterschiedliche Modellvarianten verfügbar, um die Design-in-Kosten für unterschiedliche Anwendungssituationen eines Robotersystems zu reduzieren. Auch die neue Sony CMOS-Sensorgeneration mit 2,3 Megapixel und dem IMX174 ist erhältlich. Diese Modelle bilden mit über 50 Bildern pro Sekunde die in der Roboterindustrie häufigste Auflösung ab.

Bildverarbeitungsgestützte Robotik stellt in rauen Industrieumgebungen hohe Anforderungen an die eingesetzten Kameras. Soll auf ein zusätzliches Schutzgehäuse verzichtet werden, bieten sich Kameras an, die aufgrund ihres Designs konsequent auf solche Anwendungen ausgerichtet sind. Die Baumer VisiLine-IP-Kameras im IP 65/67-Schutzgehäuse vereinen den geforderten hohen Funktionsumfang mit den Vorzügen einer einfachen und flexiblen Integration. Das spart Integrations- und Wartungskosten bei Roboter und Bildverarbeitung.