Smart-Kameras als optimale Lösung

Ein Anlagen- und Schwermaschinenhersteller hat unlängst ThyssenKrupp System Engineering damit beauftragt, eine Motorenmontagelinie für ein neues Werk im Südwesten der Vereinigten Staaten zu liefern. ThyssenKrupp hat dabei die gesamte Ferti-gungslinie für Motoren mit einer Bildverarbeitungslösung von Matrox Imaging ausgestattet und als Systemintegrator das Bildverarbeitungssystem, das mechanische und elektrische System bzw. die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) geliefert sowie die Ausbildung des Personals übernommen.

Die Erweiterung der Fertigungslinie mit einem Bildverarbeitungssystem wurde in Betracht gezogen, weil Motoren aufgrund von Bedienerfehlern während der Montage fehlerhaft waren. ThyssenKrupp stellte eine kamerabasierte Lösung vor, ähnlich den bereits vorher entwickelten Anwendungen für andere Maschinenbauer. Bei dieser Lösung werden während der Montage der Teile Prüfungen mithilfe der Bildverarbeitung durchge-führt, sodass Fehler sich sofort beheben lassen. Dabei wurde die erste Stufe der Bild- verarbeitungslösung unter Verwendung von sechs Smart-Kameras Matrox Iris GT entwickelt. Beim Durchlaufen der Fertigungslinie passiert ein Motor mehrere Kontrollsysteme mit Smart-Kameras, wobei die Anwendungen sowohl auf dem Prinzip Vorhandensein/Nichtvorhandensein als auch Messen/Bewerten basieren.

Der BV-Einsatz in der Fertigungslinie

Der Schwermaschinenhersteller hatte zu Beginn Bedenken bzgl. des Einsatzes einer bildverarbeitungsbasierten Qualitätskontrolle, insbesondere was die Verlässlichkeit der Ergebnisse, die Systemstabilität und Wartbarkeit der Bildverarbeitungskomponenten betraf. ThyssenKrupp Program Manager Pat Coughlin erläutert dies: „Wir haben dann in Zusammenarbeit mit dem Kunden festge-stellt, dass die Komplexität der Teile und die aufwändigen Überarbeitungen beim Auftreten von Fehlern den Einsatz von Inspektionssystemen in den Stationen rechtfertigen. Eine Kamera ist perfekt dafür geeignet, da sie die Vielfalt der Teile verarbeiten kann und sich zudem vollständig außerhalb des Arbeitsbe-reichs des Bedienpersonals befindet."

In der Anwendung A wird eine Smartkamera Matrox Iris GT verwendet, um die korrekte Ausrichtung von Kurbelgetriebe und Getriebepumpe zu überprüfen. Das Kurbelgetriebe hat ein karottenförmiges Merkmal und die Getriebepumpe eine gelbe Linie. Die gelbe Linie muss auf die Karotte weisen. Anwendung B verwendet vier Matrox-Kameras Iris GT. Kamera 1 und 2 prüfen das Vorhandensein und die Position von acht Dichtungsringen. Kamera 3 bestimmt das Vorhandensein und die Position von weiteren Dichtungen sowie acht Dichtungsringen. Kamera 4 überprüft, ob wirklich nur eine einzige Kopfdichtung montiert ist. Anwendung C verwendet eine Matrox Iris GT, um zu kontrollieren, ob sich die Zündmarkierung (aufgebrachte Linie) auf dem Zwischenzahnrad zwischen zwei aufgemalten Zähnen auf dem Kurbelantrieb befindet.

Smarte Visioninspektion

Das Visionsystem basiert auf mehreren Smart-Kameras Matrox Iris GT. Die Anwendungen wurden mit dem Matrox Design Assistant entwickelt, einer Entwicklungsum- gebung, die mit der Kamera geliefert wird. Dieses Tool ist eine integrierte Entwicklungsumgebung (IDE), mit der Bildverarbeitungsanwendungen durch das Erstellen eines Ablaufdiagramms ohne Codieren von Programmen oder Skripten mit Sprachen wie Visual Basic, C, C++ oder C# erstellt werden. Nach Abschluss der Entwicklung wird das Projekt (oder Ablaufdiagramm) auf die Matrox Iris GT geladen und dort gespeichert. Das Programm lässt sich ohne einen zusätzlichen PC auf der Smart-Kamera ausgeführen und – in diesem Fall – mit einer SPS über Ethernet überwa-chen und steuern.

Jede Montagestation verfügt über ein HMI-Bedienpult von Siemens, das Daten über Motortyp, Durchlaufzeiten und jede an der Sta-tion erforderliche Information zur Verfügung stellt. Das HMI zeigt auch das Kamerabild an, sodass der Bediener im Falle einer Fehlermeldung die Prüfung einsehen und somit das fehlerhafte Objekt identifizieren bzw. Korrekturen veranlassen kann. Die Netzwerkverbindung unter Verwendung des TCP/IP-Protokolls wird auch für die Kommunikation mit der SPS der gesamten Montagelinie verwendet. Die Kamera fungiert als Server und die SPS als Client. Die Kamera überwacht dabei die Verbindung mit der SPS. Bei Verbindungsunterbrechungen kann die Kamera den Kommunikationsport automatisch wieder zur Verfügung stellen. Die SPS ist auch zuständig für das Versenden der korrekten Datensätze an die Kamera, abhängig vom aktuellen Motorentyp an der Station.

Zusätzlich zum Erstellen eines Ablaufdiagramms kann der Anwender mit der integrierten Entwicklungsumgebung eine grafische Benutzerschnittstelle für die Anwendung erstellen, die sowohl das zu prüfende Bild als auch Prüfstatistiken und Steuerungen, Kommentare und Fehlerstatistiken anzeigt. Der Benutzerschnittstelle wurden keine Kontrollrechte für Änderungen am Projekt eingeräumt.

Für das System wurde eine Reihe von Werkzeugen des Design Assistant und Schritte des Ablaufdiagramms verwendet. „Durch Bildverarbeitungsoperationen wurden die Bilder in Vorbereitung für nachfolgende Analysen verbessert und bearbeitet", so ThyssenKrupp Controls Engineer Matthew Maitland. „Außerdem wurden Objekte aufgrund der Bildhelligkeit analysiert und Messwerkzeuge bestimmen die Fertigungsqualität der Teile über geometrische 2D-Bemaßung und Toleranzen. Der ‚Metrology'-Schritt wurde für die Merkmalerkennung und Vermessungen der Merkmale verwendet. Zum Beispiel wurde der Kurbelwinkel vom oberen Totpunkt unter Verwendung des Winkels von Kurbelmitte und einem ‚Pfeil'-Muster geprüft. Der ‚Measurement'-Schritt wurde für Anwendung B verwendet – Bestimmung der Stärke der Zylinderkopfdichtung durch Kamera 4. Verschiedene Werkzeuge werden für die redundan- te Fehlererkennung eingesetzt, sodass beim Ausfallen eines Werkzeugs ein zweites verwendet werden kann. Der ‚Pattern Matcher'- Schritt sowie das Mustererkennungswerkzeug, das Objekte anhand der geometrischen Merkmale lokalisiert, werden in Abhängigkeit vom Objekt für die Festlegung sowie Objekterkennung und -messung eingesetzt."

Das Subflowchart-Merkmal des Design Assistant erlaubt es, die Prüflogik getrennt von Kommunikation und automatischer Messdatenerfassung zu implementieren. Dadurch wird der Entwurfsprozess einfacher und ist später besser zu warten. Subflowcharts ermöglichen einen gemeinsamen Programmaufbau der Kameras mit dem Hauptprogramm und spezifischen Subflowcharts für bestimmte Programme und Problemlösungen. Diese Subflowcharts enthalten lediglich Bildverarbeitungswerkzeuge, was die Fehlersuche vor allem bei komplexen Änderungen vereinfacht.

Praxistest problemlos bestanden

ThyssenKrupp hat auch andere Smart-Kameras für das Bildverarbeitungssystem getestet, aber die Matrox Iris GT bot einige wesentliche Vorteile. Dazu Matthew Maitland: „Die Produkte von Matrox hatten die Eigenschaften, die für uns am besten geeignet sind, und dies zu einem günstigen Preis. Matrox Iris GT verfügt darüber hinaus über einen größeren Speicher als viele andere Smart-Kameras. Wir können mehrere Aufgaben (Prüfungen) gleichzeitig ausführen lassen. Die begrenzten Speicherkapazitäten anderer Smart-Kameras hätten nur die Ausführung einer Aufgabe zugelassen. Außerdem hätten die Bilder auf einem separaten PC gespeichert werden müssen, da kein Speicherplatz auf den Kameras vorhanden war. Das Prinzip des Ablaufdiagramms des Design Assistant machte es auch möglich, verschiedene Inspektionen innerhalb einer Anwendung laufen zu lassen. Im Gegensatz dazu wurde durch andere Smart-Kameras nur die Entwicklung von einzelnen Prüfungen unterstützt, d.h. eine Anwendung muss erst beendet sein, bevor die nächste geladen und ausgeführt werden kann."

Das Bildverarbeitungssystem für die Motorenfertigungslinie wurde im September 2010 entwickelt. „Die Entwicklung lief reibungslos", erläutert Matthew Maitland. „Die Fehlersuche wurde per Fernwartung durchge-führt – es ist unkompliziert, ein Ablaufdiagramm auf Fehler zu untersuchen, denn die Logik ist in den zusammengesetzten Blöcken einfach zu erkennen." ThyssenKrupp hat die Mehrzahl der technischen Herausforderungen selbst gelöst und nur bei wenigen Fragen während der ersten Entwicklungsphase Support von Matrox Imaging in Anspruch genommen. Dabei hat ThyssenKrupp den direkten Kontakt mit den erfahrenen Ingenieuren von Matrox geschätzt. Fabio Perelli, Smart Camera Product Manager bei Matrox Imaging, ergänzt: „Die Entwickler von ThyssenKrupp sind außerordentlich kompetent – tatsächlich haben sie uns ein wertvolles Feedback zu unserer Smart-Kamera-Software gegeben. Einiges davon wurde im Matrox Design Assistant berücksichtigt."

Darüber hinaus benötigte ThyssenKrupp nur einen Tag, um das Bedienpersonal in das Bildverarbeitungssystem einzuweisen. Auch gab es bisher keine technischen Probleme, die es nötig gemacht hätten, dass ThyssenKrupp Fachleute für die Fehlersuche vor Ort hätte schicken müssen.

Nach Informationen von Matrox Imaging in Dorval/CA ( www.matroximaging.com )