Der Vision-Sensor erkennt die Position der Karosserie, der Roboter greift zu.

Der Vision-Sensor erkennt die Position der Karosserie, der Roboter greift zu.Balluff

Mit 16,5 Millionen Fahrzeugen pro Jahr ist Siku – die Modellautomarke von Sieper – der größte Automobilhersteller der Welt in Klein. Die große Typen-, Teile- und Variantenvielfalt ist charakteristisch für die Modellbaubranche: Siku führt dauerhaft rund 500 unterschiedliche Artikel in den Maßstäben 1:32, 1:43, 1:50 und 1:87. Allein der VW-Bus T5 ist in sieben unterschiedlichen Ausführungen erhältlich. Noch immer wird ein großer Teil der Aufgaben in Handarbeit erledigt, standardisierte Automatisierungskonzepte greifen hier in aller Regel nicht. „Wir sind gezwungen, unsere Fertigungsprozesse in weiten Teilen zu optimieren, wenn wir als Premiummarke auch künftig am Weltmarkt konkurrenzfähig bleiben und weiterhin unseren hohen Qualitätsansprüchen gerecht werden wollen“, sagt Dr. Christian Kuwer, Technischer Leiter bei Siku. Deswegen hat sich das Unternehmen zum Ziel gesetzt, einen großen Teil der manuellen Tätigkeiten durch automatisierte Verfahren zu ersetzen.

Die vielen unterschiedlichen Verfahren, Prozesse und logistischen Abläufe bei Siku zu verbessern, ist jedoch keine einfache Aufgabe. „Hier gibt es leider nicht die Standardlösung. Man muss zunächst die Prozesse sehr genau analysieren, um unterschiedliche Optimierungspotenziale ausloten und bewerten zu können“, erklärt Detlef Dahl, Geschäftsführer von IIS Automation. Das Unternehmen mit Sitz in Meinerzhagen entwickelt für Siku effiziente Produktionslösungen und setzt diese um. Der Automatisierungsspezialist bietet Komplettlösungen von der Konstruktion, Fertigung, Montage und Software-Erstellung aus einer Hand.

Die Roboterapplikation lässt sich einfach an die wechselnden  Produktionsprozesse anpassen. Es wird konfiguriert und nicht programmiert.

Die Roboterapplikation lässt sich einfach an die wechselnden Produktionsprozesse anpassen. Es wird konfiguriert und nicht programmiert.Balluff

Von Handarbeit zum Automatisierungssystem

Konkret lautete der Auftrag für die Ingenieure von IIS Automation im Jahr 2012 eine Bedruckungsstation für unterschiedliche Fahrzeugmodelle zu automatisieren. Bis dahin wurden die zu bedruckenden Modelle von Hand eingelegt und wieder entnommen, was auf lange Sicht auch am chinesischen Standort zu aufwendig und zu teuer ist. Gefordert war eine Lösung, die der großen Modellvielfalt Rechnung trägt, bei anstehenden Modellwechseln rasch umgerüstet und steuerungstechnisch einfach zu konfigurieren ist. Insbesondere die Aufnahme und Übergabe der Druckgussmodelle an eine Rundtisch-Bedruckungsstation waren eine Herausforderung: Die Modelle sind nicht nur unterschiedlich groß, sie sind in den angelieferten Kisten auch unterschiedlich ausgerichtet. Insgesamt also keine Standardaufgabe für ein Handhabungssystem.

„Zunächst dachten wir an spezielle Werkstückträger für jedes Modell, um einem Pick-and-Place-System somit klare Positionen vorgeben zu können. Wir mussten aber rasch feststellen, dass die Herstellung mehrerer Dutzend typspezifischer Blister viel zu teuer geworden wäre“, betont Winfried Neumann, Leiter der Arbeitsvorbereitung bei Siku. Gemeinsam mit IIS Automation entwickelte das Unternehmen schließlich eine Handling-Lösung, die Robotik, Steuerung und Sensorik miteinander verknüpft. Das Unternehmen hat dabei auf den neuen Vision-Sensor von Balluff zurückgegriffen. „Der Vision-Sensor mit seiner 680-mal-400-Pixel-Kamera bot uns im Verbund mit dem Handling-Roboter und der von uns entwickelten Software einfach das beste Preis-Leistungs-Verhältnis“, stellt Detlef Dahl fest.

Bei der Automatisierungslösung ist der erste Schritt das Teachen des Referenzbildes des jeweiligen Modells. Beim VW-Bus T5 genügt dazu die Ansicht der charakteristischen Frontscheiben- und Bugpartie von oben. Wenn die Normkisten mit den Fahrzeugmodellen in der Bedruckungszelle an der vorgegebenen Stelle stehen und die Schutztür geschlossen ist, kann die Bedruckungsstation gestartet werden. Der Sechsachs-Roboter mit dem angedockten Vision-Sensor Universal fährt dann auf eine vorgegebene Referenzposition über der Kiste. Anhand des eingelesenen Referenzbildes erkennt die Kamera das Modell vor der Linse. Der Vision-Sensor vergleicht nun seine Ist-Position mit der tatsächlichen Position und Lage des anvisierten Modells. Innerhalb von Millisekunden berechnet der Vision-Sensor die Abweichung entlang der X- und Y-Achse sowie die Winkeldifferenz zur Referenzlage. Seine Erkenntnis gibt er direkt an die Steuerung weiter: Der Roboter weiß nun genau, wie er mit seinem Greifer das Bauteil anfahren und aufnehmen muss, um dieses dann exakt und zuverlässig an die vorgesehene Aufnahme der aus vier Stationen bestehenden Rundtisch-Druckanlage zu übergeben. Weil jede Station doppelt ausgelegt ist, nimmt er auf dem Rückweg das auf der gegenüberliegenden Seite bereits fertig bedruckte Modell mit und positioniert es in der gegenüberliegenden Kiste. Die automatisierte Bedruckungsstation arbeitet bis zu 15 bereitgestellte Kisten selbständig ab, pro Stunde lassen sich mit dieser Anlage 250 Modelle bedrucken.

Der Vision-Sensor wirft einen Blick in die Kiste und erfasst dabei Lage und Position der Fahrzeugmodelle

Der Vision-Sensor wirft einen Blick in die Kiste und erfasst dabei Lage und Position der FahrzeugmodelleBalluff

Ein Vision-Sensor mit vielen Funktionen

Die Vorteile dieser Lösung: Die Kombination aus Roboter, Software und Vision-Sensor kommt ohne separate Rechnereinheit aus. Das System ist einfach programmierbar. Die Bedruckungszelle ist über das zentrale mobile Bedienpanel schnell umgerüstet und lässt sich flexibel an wechselnde Produktlinien anpassen. „Der Vision-Sensor ist hier zwar nur für die 360°-Lageerkennung von Teilen zuständig, sein Aufgabenfeld lässt sich jedoch beträchtlich ausweiten. Noch vor wenigen Jahren wäre eine Lösung wie diese zu einem vernünftigen Preis-Leistungs-Verhältnis kaum realisierbar gewesen“, stellt Detlef Dahl fest. Was früher die Aufgabe mehrerer Sensoren war, vereint der Vision-Sensor in einem Gerät: Er bietet nicht nur Teile- und Lageerkennung, er reagiert auch auf Helligkeit und Kontraste, erkennt Muster, Konturen, Matrix, Barcode und kann Text vergleichen – alles in einem Durchgang. Als kompaktes Gerät findet der Vision-Sensor ein breites Einsatzfeld – von der Nachpositionierung über die Vollständigkeits- und Qualitätskontrolle, wie korrekter Zusammenbau, dem Zählen von Teilen, Kontakten, Formen bis hin zum schnellen Lesen von Bar- und Datamatrixcodes. „Für diesen vielseitigen Sensor wird es bei Siku in Zukunft mit Sicherheit noch weitere Anwendungsfelder geben“, betonen Dr. Christian Kuwer und Detlef Dahl unisono.

Technik im Detail

Vision-Sensor BVS-E Universal

Der Vision-Sensor BVS-E Universal von Balluff vereint die Funktionen der Vision-Sensoren BVS-E Advanced und BVS-E Ident in einem Gerät. Er übernimmt nahezu alle Prüfaufgaben und senkt so die Kosten für die Lagerhaltung. Der Vision-Sensor kontrolliert nicht nur gängige Sensoraufgaben in einem Durchgang, er kann gleichzeitig auch Positionen und Helligkeit prüfen, Kontraste vergleichen, Kanten zählen, Muster erkennen und schnell Codes lesen. Er lokalisiert, liest und verifiziert lageunabhängig bis zu 40 Strich- sowie Datamatrixcodes pro Sekunde. Zusätzlich lassen sich gedruckte Zeichen- und Zahlenfolgen wie Chargennummern oder ein Mindesthaltbarkeitsdatum mit optischer Zeichenverifikation (OCV) verifizieren. Mit zusätzlichen Werkzeugen wie einer 360°-Kontur-, Barcode- und Datamatrix-Prüfung sowie der Möglichkeit, Konturen zählen und prüfen zu können, verfügt er über ein breites Feld an Einsatzmöglichkeiten. Die Prüfungsergebnisse werden entweder als OK-  oder Fehlersignal via RS232- oder Ethernet-Schnittstelle ausgegeben. Verknüpft mit einer SPS- oder Robotersteuerung lassen sich mit diesen Daten Werkstücke für den nachfolgenden Prozessschritt korrekt ausrichten.

Der Vision-Sensor ist in unterschiedlichen Objektivausführungen erhältlich: Die leuchtstarke, wahlweise Rotlicht- oder Infrarot-LED-Beleuchtung sorgt für eine optimale Ausleuchtung des Bildfeldes. Der Anschluss an die Stromversorgung und Peripherie erfolgt über zwei industrietaugliche M12-Anschlüsse. Der robuste Sensor ist über die mitgelieferte Software ConVIS einfach zu handhaben. Zur Parametrierung schließt der Anwender den Sensor einfach an einen PC an, um ihn dann mit der frei verfügbaren Konfigurations-Software in Betrieb zu nehmen. Diese läuft auf Windows XP und Windows 7 und bietet die Möglichkeit, bis zu 10.000 Inspektionsbilder, beispielsweise für die Fehlersuche, auf dem Rechner abzuspeichern.

SPS IPC Drives 2014
Halle 7A, Stand 301