Sie ist kein klassischer Industrieroboter, bringt die Allegorie des sehenden Roboters aber auf den Punkt: Roboterdame Aila des Deutschen Forschungszentrums für künstliche Intelligenz.

Sie ist kein klassischer Industrieroboter, bringt die Allegorie des sehenden Roboters aber auf den Punkt: Roboterdame Aila des Deutschen Forschungszentrums für künstliche Intelligenz. DFKI

Der Robotikmarkt wächst. Laut der International Federation of Robotics wird die Anzahl pro Jahr verkaufter Industrieroboter von zuletzt 248 000 bis 2018 auf rund 400 000 steigen. Getrieben durch den globalen Wettbewerb industrieller Produktion, vor allem in der Automobilbranche und der Elektronikindustrie, werden die Märkte China, Japan, USA, Südkorea und Deutschland rund 70 % des Absatzvolumens stellen. Umso entscheidender ist es, den komplexen Aufbau eines Robotersystems, von der Mechanik bis zu Steuerung, durch einfach integrierbare Bildverarbeitungs-Komponenten zu unterstützen. Industriekameras wie die Visiline IP stellen dazu als ‚Augen‘ des Roboters eine Alternative zu Kameras mit Schutzgehäuse dar. Letztere sind zwar einfach anzupassen, haben aber auch ein paar Nachteile.

Schutzgehäuse: Vor- und Nachteile

Die Einsatzumgebung industrieller Robotersysteme ist meist rau. Schmutz sowie Erschütterungen und Vibrationen der Anlagen sind nahezu unausweichlich. Eingesetzte Komponenten müssen daher langlebig, robust und wartungsarm sein, damit Ausfallzeiten nicht zu Produktionsrückständen führen. Für viele ist die Schutzart IP 65 gefordert – gerade auch für die sensiblen Roboterkamerasysteme.

Standardindustriekameras mit IP 20/40-Schutzart erfordern deswegen die Integration in ein separates Schutzgehäuse. Selbst wenn die höhere Schutzklasse nicht erforderlich ist, sollte bei vielen Anwendungen das Objektiv geschützt werden, damit es sich nicht verstellt oder verschmutzt. Für ein separates Schutzgehäuse spricht zudem, dass sich dadurch eine flexible Lösung für unterschiedliche Bildverarbeitungsaufgaben schaffen lässt. Dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend können Kameras mit verschiedenen Auflösungen, Bildraten und Funktionen einfach gegeneinander ausgetauscht werden. Für den Endkunden wirkt sich dies fast immer günstig auf das Preis-Leistungs-Verhältnis aus.

Ein separates Gehäuse stellt jedoch auch eine zusätzliche Systemkomponente mit entsprechenden Zusatzkosten für Beschaffung, Umgehäuse, Kabeldurchführungen, Kameramontage im Gehäuse sowie Lagerhaltungen im Servicefall dar. Nachteilig ist neben höheren Kosten das zusätzliche Gewicht des Schutzgehäuses 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, die extra beschafft werden müssen. Als Prozessinterface sowie zur separaten Stromversorgung wird (von früheren Analogkameras abgeleitet) in vielen Fällen ein Hirose-Stecker verwendet, was zu einem höheren Konfektionierungsaufwand führt.

In der Automatisierungsbranche sind jedoch weltweit vorrangig M12- oder M8-Steckverbinder im Einsatz, die in unterschiedlichen Ausführungen standardisiert sind. Obendrein ist das M12-Standardsteckverbinderprogramm zusätzlich mit einem 8-poligen X-codierten Steckverbinder erweitert worden, der für die Kommunikation innerhalb einer Anlage spezifiziert ist und eine zukunftssichere Lösung für den steigenden Datentransfer bildverarbeitungsgestützter Automatisierungsaufgaben verspricht. Es ist davon auszugehen, dass sich diese Verbindung zunehmend auch in der gesamten Kommunikation von Robotersystemen und den notwendigen Leitzentralen durchsetzen wird, um die wachsende Datenkommunikation, beispielsweise über Profinet, industrietauglich zu realisieren. Selbst eine 10-GigE-Datenübertragung ist mit diesem Steckverbinder möglich.

Separate Schutzgehäuse sind also nicht immer die kostengünstigste Lösung und aus Integrationssicht nicht der einfachste Weg, um Industriekameras und Objektive in Robotikanwendungen einzubinden. Eine Alternative ohne zusätzliches Schutzgehäuse, bei der die Kameras gleichzeitig dem Industriealltag standhalten, bilden die auf die Robotik ausgelegten Kameras Visiline IP von Baumer.

Spezielles Design für die Robotik

Die Kameras Visiline IP sind durch ihr Gehäuse gemäß Schutzart IP65/67 auf den Einsatz in Robotikanwendungen ausgelegt.

Die Kameras Visiline IP sind durch ihr Gehäuse gemäß Schutzart IP65/67 auf den Einsatz in Robotikanwendungen ausgelegt. Baumer

Die Kameras wiegen gerade einmal 220 g und verfügen über M12- oder M8-Stecker. Auch die angelegten I/O-Pegel sind an die Richtlinien für SPS-Steuerungen angepasst, da gerade in Automatisierungsanwendungen viele Aktoren zum Einsatz kommen, die Störspannungen erzeugen und zum Beispiel ungewollte Triggersignale verursachen. Um den Integrationsaufwand in störanfälligen Industrieumgebungen zu reduzieren, haben die Kameras erhöhte Schaltspannungen (Low bis 4,5 V statt 0,8 V und High ab 11 V statt 2,4 V). Unter Einhaltung vorhandener Bildverarbeitungsstandards sind die Industriekameras zusätzlich mit vielen Bildverarbeitungsbibliotheken kompatibel und stellen die Einbindung in verschiedene Anwendungen sicher.

Speziell für den Einsatz in Robotikanwendungen schützt das wasser- und staubdichte IP 65/67-Gehäuse die empfindlichen Kamerabestandteile sowie das Objektiv. Durch ihr quadratisches Design ist eine einheitliche umlaufende Befestigung möglich, wodurch sich die Einbaulage frei bestimmen lässt: Zum Beispiel seitlich oder von oben befestigt. Das robuste Mechanikdesign ist vibrations- und schockresistent mit 10 beziehungsweise 100 g. Auch wenn die Kameras am Roboterarm mitgeführt werden und damit Erschütterungen ausgesetzt sind, ist eine Reproduzierbarkeit und Ausfallsicherheit gegeben. Nicht einmal ein Not-Halt des Roboters bringt die Kameras aus der Fassung, trotz hoher Fliehkräfte. Kamera und Objektiv-Schutz müssen lediglich entsprechend fest montiert sein. Das modulare Schutzkappensystem für das Objektiv ist flexibel erweiterbar und kann verlängert werden, wenn zum Beispiel längere Objektive erforderlich sind.

Der 8-polige X-codierte M12-Stecker stellt durch die Verschraubung und den IP-Schutz eine zuverlässige Verbindung für das Dateninterface her.

Der 8-polige X-codierte M12-Stecker stellt durch die Verschraubung und den IP-Schutz eine zuverlässige Verbindung für das Dateninterface her. Baumer

Damit die Verbindung für das Dateninterface stimmt, ist der 8-polige X-codierte M12-Stecker mit einer Verschraubung und IP-Schutz ausgestattet. Mögliche Kontaktprobleme durch Feuchtigkeit sind damit nahezu ausgeschlossen. Zur Datenübertragung und Spannungsversorgung reicht ein einziges Kabel, das für Power over Ethernet ausgelegt ist. Da die Kabel in Robotikanwendungen schnell eine Länge von 20 bis 30 m erreichen, senkt dies die Kosten bei Beschaffung, Installation und Wartung. Die Triggerung erfolgt direkt über die Ethernet-Leitung vom PC aus durch ein spezielles Ethernet-Kommando (Trigger over Ethernet), das mit nur wenigen Mikrosekunden Verzögerung nahezu einem Hardwaretrigger gleichgesetzt werden kann.

Mit Auflösungen von VGA bis vier Megapixel stehen zudem unterschiedliche Modellvarianten zur Verfügung, 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 verfügbar. Diese Modelle erreichen über 50 Bilder pro Sekunde und bilden die in der Roboterindustrie häufigste Auflösung ab.

Aussteller Vision 2016: Halle 1, Stand F32

Aussteller SPS IPC Drives 2016: Halle 4A, Stand 335