Mit der Unit VUI lässt sich eine Fokusanpassung zur Laufzeit einfach realisieren, um auch unterschiedlich hohe Produkte zuverlässig erfassen zu können. (Bild: Beckhoff)
Maschinenbauer ebenso wie Endanwender können mit Beckhoff Vision ein komplettes Bildverarbeitungssystem nutzen, mit allen erforderlichen Komponenten von der Software bis zur Beleuchtung. Deutliche Anwendungsvorteile ergeben sich hierbei durch die tiefgehende Integration in die Steuerungstechnik und insbesondere aufgrund der durchgängigen Kommunikation über das ultraschnelle EtherCAT. Auf diese Weise lassen sich etwa eine hochgenaue Synchronisation mit allen Maschinenprozessen, reduzierte Engineering- und Hardwarekosten sowie eine Vereinfachung bei Inbetriebnahme und Support erreichen.
In Kürze
- Mit Kameras, Objektiven und Licht hat Beckhoff sein Vision-Portfolio komplettiert.
- Durchgängige Kommunikation per EtherCAT erlaubt hochgenaue Synchronisation.
- Effiziente Elektronik minimiert den Energiebedarf.
Bei der Entwicklung der neuen Bildverarbeitungs-Hardware von Beckhoff stand deren Eignung für den industriellen Einsatz im Vordergrund. Zu den entsprechenden Designaspekten zählen IP65/IP67-Gehäuse aus eloxiertem Aluminium und gehärtetem Glas, glatte Glasflächen für eine hohe Beständigkeit gegen Reinigungsmittel und andere Chemikalien, diverse Optionen für flexible Befestigungen und Anwendungsmöglichkeiten sowie ein optionaler Splitterschutz.
Das Vision-Portfolio umfasst ergänzend zur Software TwinCAT Vision folgende Hardware-Komponenten:
- Kameras: Die Flächenkameras erzeugen durch Farb- und Monochrom-CMOS-Sensoren mit bis zu 24 Megapixel Auflösung sowie mit 3,45-µm- und 2,74-µm-Pixelraster hochwertige Bilddaten und bieten 2,5 GBit/s Übertragungsrate.
- Objektive: Die robusten, industrietauglichen C-Mount-Objektive stellen einfaches Handling und hohe Verfügbarkeit sicher und bieten VIS- und NIR-AR-Beschichtung, bis zu 2 µm Auflösung sowie Bildkreise von 11 mm (2/3 Zoll) bzw. 19,3 mm (1,2 Zoll).
- Beleuchtungen: Die Multi-Color-LED-Beleuchtungen in den drei Bauformen Flächen-, Ring- und Balkenbeleuchtung erzeugen konstante Lichtverhältnisse für gleichbleibend qualitativ hochwertige Abbildungen und kreieren auch im spektral anpassbaren Pulsbetrieb den bestmöglichen Kontrastunterschied zwischen Prüfmerkmal und Umgebung.
- Kompletteinheiten (Units) aus Kamera, Beleuchtung und fokussierbarer Optik.
Mit der Kompletteinheit besonders einfach zur Vision-Lösung
Eine Besonderheit im Rahmen von Beckhoff Vision stellt die Vision Unit Illuminated (VUI) dar, die als kompakte Kompletteinheit mit signifikant reduziertem Montage- und Inbetriebnahmeaufwand den einfachen Einstieg in die industrielle Bildverarbeitung ermöglicht. Dabei eignet sich das System durch die zur Laufzeit fokussierbare Optik insbesondere bei veränderlichen Produkt- bzw. Bauteilhöhen unter anderem in Logistikanwendungen. Alle Funktionskomponenten sind in einem optisch ansprechenden Gehäuse aus eloxiertem Aluminium in Schutzklasse IP65/67 gekapselt, was ebenfalls den industriellen Einsatz erleichtert. Hinzu kommen Anwendungsvorteile durch:
- Status-LEDs zur gut sichtbaren Visualisierung der Betriebszustände,
- thermisch gehärtetes und entspiegeltes Glas für eine hohe mechanische und chemische Resistenz bei Reinigung und Handling,
- optional splitterschutzfolienkaschierte Glasflächen,
- den weiten Betriebstemperaturbereich von 0 bis +60 °C,
- sechs Gewinde und seitlich orientierte Stecker für eine flexible und einfache Montage,
- One Cable Technology für Spannungsversorgung und Synchronisation (EtherCAT P) für den vereinfachten Geräteanschluss.
Für die Bildaufnahme steuert die SPS über EtherCAT zur Laufzeit hochpräzise und exakt auf den jeweiligen Prozess synchronisiert alle Einstellungen der einzelnen Funktionskomponenten (Kamera, Ringbeleuchtung, Objektiv). So erfolgt die direkte Anpassung an unterschiedliche Arbeitsabstände über die elektronische Einstellung der Fokuslage. Lichtfarbe sowie Intensität und Länge des Lichtpulses bzw. die Parameter der Kamera für die Bildaufnahme sind ebenfalls über EtherCAT ansteuerbar. Die Fokussierung zur Laufzeit wird durch eine robuste und lageinvariant nutzbare Flüssiglinse ermöglicht, die über sehr hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit sowie eine äußerst lange Lebensdauer verfügt. Die VUI ist mit Auflösungen von 1,6 bis 5 Megapixel sowie als Monochrom- und Color-Ausführung erhältlich.
Hohe Systemdurchgängigkeit durch EtherCAT
EtherCAT stellt das verbindende Element der Komponenten einer Automatisierungslösung dar. Auch alle Vision-Hardwarekomponenten von Beckhoff sind darüber parametrierbar sowie mit den Distributed Clocks (verteilte Uhren) von EtherCAT hochpräzise zu allen Steuerungsprozessen oder Maschinenabläufen synchronisierbar. Die nahtlose Integration – nicht nur der einzelnen Komponenten aus Hard- und Software zum Komplettsystem, sondern auch mit der Maschinensteuerung – erschließt immenses Anwendungspotenzial für die industrielle Bildverarbeitung und umgekehrt Optimierungsmöglichkeiten für die Maschinen und Anlagen.
Um dies zu realisieren, werden über EtherCAT der Zeitpunkt und die Belichtungszeit der Kamera, die Farb-einstellungen sowie die Leistung und Blitzzeit der Beleuchtung, aber auch die Bewegungsabläufe in der Maschine synchronisiert. Kommt die Unit VUI als Bildaufnahmekomplettlösung zum Einsatz, werden die gleichen Parameter gemeinsam für ein Gerät genutzt. Auch hier stehen alle Möglichkeiten wie beispielsweise die Farbeinstellung der Beleuchtung zur Verfügung, ergänzt durch die hier zusätzlich nutzbare elektronische Fokuseinstellung.
NACHGEFRAGT... bei Bernd Stöber, Senior Produktmanager Vision
Im Beckhoff-Portfolio steht die Bildverarbeitung als relativ neues Thema jetzt gleichberechtigt neben etablierten Produkten wie Antrieben oder Feldbuskomponenten. Wie kam es zu dieser Entwicklung/Entscheidung?
Bernd Stöber: Aus Anwendersicht im Maschinenbau ist die historische Trennung von Automatisierung und industrieller Bildverarbeitung störend, da sie flüssige und effektive Gesamtlösungen behindert. Zunehmend soll die Bildverarbeitung sensorische Aufgaben in der Anlage übernehmen. So sehen wir Vision tatsächlich als einen gleichberechtigten Baustein zum Aufbau ganzheitlicher Automatisierungslösungen.
Die Vision-Lösungen von Beckhoff zeichnen sich durch ein durchgängig sehr hohes Maß an Integration aus, wodurch sich extrem kurze Taktzeiten realisieren lassen. Wie stellen Sie sicher, dass dabei die Flexibilität zur Anpassung auf unterschiedlichste Anwendungen nicht auf der Strecke bleibt?
Stöber: Die tiefe Integration von Beckhoff Vision in die Steuerungstechnik mittels EtherCAT ermöglicht eine perfekte Synchronisation und leichte Parametrierung. Dennoch bleibt unsere Lösung offen. So lassen sich eigene Softwarelösungen in TwinCAT, neben EtherCAT auch andere Bussysteme und mittels GigE Vision sogar Drittanbieter-Kameras einbinden. Eine fast beliebige Erweiterung der Automatisierungslösung ist damit möglich.
Sie betonen die möglichen Energieeinsparungen der Lösung durch hochpräzise Ansteuerung und eine effiziente Elektronik. Welche Größenordnung kann diese Energieeinsparung denn konkret annehmen?
Stöber: Hier hilft ein etwas theoretischer Vergleich: Bei einer typischen Flächenbeleuchtung von 100 x 100 mm Leuchtfläche für den dauerhaften Betrieb ist eine Anschlussleistung von 25 bis 50 W zu veranschlagen. Diese reicht allerdings bei Weitem nicht aus, um schnelle Bewegungen einzufrieren. Dafür wären sicher 500 W Leistung notwendig und so ist ein Blitzbetrieb fast unumgänglich. Denn bei typischen Bildwiederholraten und Blitzdauern mit hoher Pulsleistung, kommen unsere Beleuchtungen mit einer mittleren Anschlussleistung von nur 6 bis 7 W aus. Also eine deutliche Energieeinsparung, wichtiger ist dabei allerdings der reduzierte Wärmeeintrag in die Anlage!
Die hochpräzise Ansteuerung und eine effiziente Elektronik minimieren zudem den Energiebedarf. Denn die Einkabellösung EtherCAT P mit der Distributed-Clocks-Funktion und die reaktionsschnelle Leistungselektronik ermöglichen hochgenau und ohne unnötige Beleuchtungszeiten die Synchronisation mit allen Maschinenprozessen. Blaue LED-Chips als Basis bieten eine hohe Lichtleistung und Temperaturstabilität sowie eine gesteigerte Effizienz bei hohen Umgebungstemperaturen. Durch den EtherCAT-gesteuerten Blitzbetrieb reduzieren sich die notwendige Netzteilleistung und der erforderliche Kühlaufwand. Letztendlich bedeutet dies einen minimierten Energiebedarf der Beleuchtung.
Durch die Implementierung in die Standard-Automatisierungsapplikation wird eine vollständige Durchgängigkeit im Zusammenspiel aller weiteren Komponenten erreicht. Insgesamt ergeben all diese Faktoren aus Maschinensicht eine erhöhte Prozesseffizienz durch verkürzte Reaktionszeiten, höhere Taktzahlen und beschleunigte Bearbeitungsprozesse, und zwar bei reduziertem Hardware- und Verdrahtungsaufwand sowie minimiertem Bauraum und Anlagen-Footprint. Das integrierte Konzept bietet zudem deutliche Vorteile aus Sicht der Projektierung: Engineering-Aufwand und Hardwarekosten werden reduziert; Systemintegration, Inbetriebnahme und Support vereinfachen sich, insbesondere durch die komfortable EtherCAT-Diagnose.
