Smart Measure

‚Aktive‘ Qualitätssicherung mittels Micro-Optiken und Bildverarbeitung

Mit der Umschreibung Smart Measure wird eine Sensorik beschrieben, die durch miniaturisierte Kameratechnik entsteht und zu einer aktiven Qualitätssicherung genutzt werden kann.

Bild 1 | Erste praktische Anwendungsfälle von Smart Measure sind im Automotive Bereich bereits im Einsatz. (Bild: ese-Robotics GmbH)

Sensoren sind die Schnittstelle zur Außenwelt und gleichzeitig ist die Sensortechnik eine Schlüsseltechnologie für das Messen, Steuern und Regeln von mechatronischen Systemen in der Automation, vorzugsweise in der Produktions- und Verfahrenstechnik. Besonders in Verbindung mit Industrie 4.0, künstlicher Intelligenz und im Zusammenspiel Machine-to-Machine (M2M) kommt der Sensorik in der industriellen Produktion eine entscheidende Bedeutung zu. Damit Industrieroboter, Maschinen und Anlagen miteinander kommunizieren und die Produktion des Produkts selbsttätig kontrollieren und auch optimieren können, muss die Sensortechnik in der Lage sein, die unterschiedlichsten Bedarfsformen zu erfassen und entsprechend mit digitalen Werten, wie z.B. Ausgangssignalen, Koordinaten oder Messwerten, abzubilden. Industrieroboter und Maschine sind nur über die Schnittstelle zur übergeordneten Steuerung, SPS, mit ihrem Arbeitsumfeld verbunden. Die ‚übliche‘ Sensorik, wie bspw. mechanische Schalter, induktive Näherungsschalter, Lichtschranken, ?usw., liefern die Inputs für die SPS, damit diese den sicheren Ablauf der Produktion steuert, regelt und kontrolliert. Dieser typische Aufbau, wie er sich seit Jahrzehnten in der Automatisierungstechnik darstellt, ist für die Durchführung diverser Applikationen ausreichend. Allerdings gibt es einige Applikationen, welche nicht unkontrolliert durchgeführt werden sollten, da diese einen maßgeblichen Einfluss auf die Qualität des Verbaus haben bzw. im Bezug zu einem Referenzpunkt erfolgen müssen. Um diese Qualitätsthemen zu erfassen und in einem Regelkreis einzubinden, bedarf es einer neuen Sensorik, basierend auf Micro-Optiken und speziell angepasster Bildverarbeitung. Nachfolgend sollen Wege aufgezeigt werden, wie man mit Smart Measure Industrieroboter und Maschinen sprichwörtlich ´sehend´ macht, um diese aktiv und qualitätssichernd in den Produktionsprozess einzubinden.

Bild 2 | Mini-Kameras im Greifer ermöglichen die hochgenaue Einfahrt eines Zentrierkörpers sowie Informationen über Vorhandensein und Qualität des RPS-Aufnahmelochs. (Bild: ese-Robotics GmbH)

Grundlage

Die Innovation umschreibt eine Sensorik bei der eine fugale, visuelle-digitale Transformation erfolgt. Hierbei werden visuelle Daten durch eine oder mehrere Präzision-Mikrooptiken erfasst und in einem SBC (Single Board Computer) dezentral aufbereitet. Zudem kombiniert man bewährte Technologien der Bildverarbeitung mit neuzeitlichen Möglichkeiten der Kamera- und PC-Technik, also Sensorik, die verschiedene Anwendungsmöglichkeiten der Bildverarbeitung in einem Tool vereint. Entsprechend des jeweiligen Anwendungsfalls kann diese sowohl zur Anwesenheits-, Belegt-, Vollzähligkeits- und Qualitätsprüfung, als auch zur Positionsbestimmung von geometrischen Formen, wie Löcher, Ellipse und Rechteckloch usw., genutzt werden. Der neue Ansatz basiert auf den praktischen Erfahrungen aus zwei Jahrzehnten 3D-Inline-Bildverarbeitung imBereich Robotik-/SPS-Programmierung in der Automobilindustrie und dem Sondermaschinenbau. Die Realisierung des Projektes wurde aber erst durch die Präzision-Mikrooptiken eines Jenaer Optikherstellers und die fortgeschrittene Miniaturisierung der PC-Technik möglich. Besonders die engen Kontakte zu den Fachbereichen Qualitätssicherung der renommierten Automobilisten waren dabei von Bedeutung, da wir dadurch Kenntnis von Problemen in der Qualitätssicherung erlangten, über welche man üblicherweise nicht spricht. Beispielsweise beim maßhaltigen Verbau und der Durchführung bestimmter Applikationen, welche bei allen Automobilisten identisch sind und beim sporadischen Auftreten meistens für einen erheblichen Ausschuss bzw. Nacharbeiten sorgen. Diese bereits seit Jahrzehnten andauernden Probleme können mit der bisherigen Sensorik nicht behoben werden. Mit dem neuen Ansatz steht nicht nur die Lösung diverser Probleme an, sondern zeigt auch den Weg, hin zu einer ´aktive´ Qualitätssicherung auf, bei der auf die Möglichkeiten der digitalen Bildverarbeitung zurückgegriffen wird. Allerdings erfolgt die Anwendung nicht erst am Ende eines Bearbeitungsprozess, d.h. am bereits gefertigten Produkt, sondern diese wird unmittelbar vor dem Verbau oder der Bearbeitung genutzt, um Aktionen gegebenenfalls bei erkannten Störfällen oder Qualitätsmängeln frühzeitig zu stoppen bzw. detektierte Toleranzschwankungen durch eine entsprechende Nachführung zu kompensieren.

Warum erst jetzt?

Es stellt sich natürlich die Frage: „Warum wurden die bekannten Möglichkeiten der Bildverarbeitung nicht schon längst für eine aktive Qualitätssicherung genutzt?“ Diese Frage ist einfach zu beantworten. Zum einen bedarf es entsprechend hochwertige Mini-Kameras und zum anderen, sind es auch die hohen Anschaffungskosten für Bildverarbeitungssysteme. Die Abmessungen und das Gewicht der Kamera sind wichtig, um möglichst nur eine geringe Störkontur zu erzeugen. Bei zwei Anwendungsfällen der neuen Sensorik wurden beispielsweise die Micro-Kameras direkt im Tool verbaut. Durch die Verwendung der neuen Kameras ist es zudem möglich, die Bildaufnahmen aus einem Nahbereich und einem idealen Blickwinkel aufzunehmen. Die hohen Anschaffungskosten für optische Prüf- und Messsysteme sind letztendlich ein Ausschluss-Kriterium für die flächendeckende Nutzung in der Automatisierungstechnik bzw. den Einsatz bei qualitätssichernden Maßnahmen. Erste praktische Anwendungsfälle im Automotive Bereich sind bereits im Einsatz.