Sensortechnik Mit der richtige Methode zur korrekten Identifizierung

Anwender müssen sich ständig den Herausforderungen ihrer Applikation stellen – vom einfachen Code lesen bis zu aufwändigen Inspektionsaufgaben. Derzeit bietet der Markt verschiedenste Systeme als optimale Lösung an. Hier gilt es nicht zu verzweifeln bei der Fragestellung: Barcodeleser, Smart Kamera, Vision Systeme – ja, was denn nun?

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Grundsätzlich kann man Codes in zwei Bereiche unterteilen: den 1D-Barcode und 2D-Code. Um einen 1D-Barcode zu identifizieren, ist ein laserbasierender Barcodeleser ausreichend, für einen 2D-Code werden in der Regel kamerabasierende Lesegeräte eingesetzt. So basiert der 2D-Codeleser LSIS 220 von Leuze Electronic auf einem Global-Shutter-CMOS-Sensor, mit dem der Rolling-Shutter-Effekt (ein Lagefehler in Abbildungen bei zeilen- oder spaltenweisen fotografischen Aufnahmen) vermieden wird.

Der Codeleser LSIS 220 liest neben 2D-Codes auch 1D-Barcodes und Stacked Codes – omnidirektional, im Stillstand und in der Bewegung. Die Auflösung des LSIS 220 Kamerachips wurde für diese Anwendungen mit bewegten Codes optimiert, da die Auswertung einer zu großen Datenmenge zu viel Zeit benötigen würde. Optik und Beleuchtung wurden verbessert, um die Codes auch in den Randbereichen scharf abzubilden und das Bildfeld homogen auszuleuchten. Gleichzeitig wird eine hohe Schärfentiefe erreicht.

Maximum an Informationen

Typisch kommen diese Lesegeräte zu Einsatz z. B. bei Codelesungen in Handlings- und Prüfautomaten, in Robotersystemen, in der Produktionstechnik von Leiterplatten oder bei der Rückverfolgung. Der 2D-Code wird also häufig dort angewendet, wo auf sehr wenig Platz ein Maximum an Informationen untergebracht werden muss.

Die laserbasierende Barcodelesung hingegen ist seit Jahren eine bekannte und ausgereifte Technik, die dazu verwendet wird, sicher einen 1D-Barcode auf Objekten wie Kisten, Paletten und Kartons zu identifizieren und dessen Dateninhalt an eine übergeordnete Steuerung weiterzugeben. Da ein kamerabasierendes Lesegerät wie LSIS 220 grundsätzlich auch einen 1D-Barcode lesen kann, könnte man generell in allen Anwendungen kamerabasierende Lesegeräte einsetzen. Jedoch sprechen aber die technischen Details vieler Anwendungen dagegen, beispielsweise schon dann, wenn es um das optische Lesefeld geht.

Optische Lesefelder in der Förder-/Lagertechnik

Das optische Lesefeld definiert sich durch die minimalen und maximalen Lesereich-weiten und die optischen Öffnungswinkel (Lesefeldbreiten). Im direkten Vergleich erkennt man, dass die Lesereichweiten (Tiefenschärfe) eines Lesegeräts ohne Fokusverstellung jenen Geräten mit Fokusverstellung überlegen ist. In der Regel benötigen kamerabasierende Lesesysteme heute noch immer eine Fokusverstellung, um ein ausreichendes Lesefeld zu erreichen.

Noch größer ist der Unterschied bei den Öffnungswinkeln: Der Laser hat einen Öffnungswinkel von bis zu 60 Grad bei voller Reichweite. Im Gegensatz dazu reduziert sich der Öffnungswinkel der Kamera bei ähnlicher Reichweite teilweise um die Hälfte. Um vergleichbare Lesefelder zu erhalten, benötigt man mit der Kameratechnologie nicht selten die doppelte Anzahl an Geräten.

Kleiner Öffnungswinkel bereitet Probleme

In der Lager und Fördertechnik werden die Identifizierungsgeräte meistens zwischen oder an der Fördertechnik, z. B. einer Rollenbahn, installiert. Dadurch wird oft ein typischer Mindestleseabstand von etwa 30 mm und eine Lesefeldbreite von mindestens 80 mm benötigt. Aufgrund des kleineren Öffnungswinkels hat ein Kamerasystem bereits mit diesen einfachen Anforderungen erhebliche Schwierigkeiten – erst recht, wenn noch eine dementsprechende Reichweite hinzukommt.

Ein Kamerasystem kann die Tiefenschärfe, wie erwähnt, nur durch Fokusverstellung garantieren. Deshalb muss die Zeit, um den Fokus motorisch zu verstellen, in die Ge-schwindigkeitsberechnung miteinbezogen werden. Um den Fokus in die korrekte Lage zu bringen, muss erst der Abstand zum Objekt erfasst werden - und dann wird noch nachgeregelt. Insgesamt benötigt dieses Fokussieren Zeit, was bei schnellen aufeinanderfolgenden Codes mit unterschiedlichen Leseabständen zu Problemen führen kann.

Motorische Fokusverstellung – ein wichtiges Novum

Betrachten wir an dieser Stelle die Entwicklung der Fokusverstellung bei den Kameras. Wie erwähnt, ist die schnelle Fokussierung wegen den damit erzielbaren Mess- und Prüfergebnissen bei einem Vision-System qualitätsrelevant. Hierfür sind heute vom austauschbaren bis zum einstellbaren Objektiv die unterschiedlichsten Lösungen am Markt verfügbar. Meistens erfordern sie in der Anwendung den manuellen Zugriff unter häufig beengten Platzverhältnissen. Folglich sind exakte Fokussierungen mit einem hohen Justageaufwand verbunden und nur schwer reproduzierbar.

Die motorische Fokusverstellung der Leuze Electronic Smart Kamera LSIS 400i jedoch erspart dem Anwender bei Chargenwechseln mit unterschiedlichen Objektabständen die manuelle Fokussierung. Stattdessen wird einfach das neue Prüfprogramm mit der Fokuseinstellung für den spezifischen Kameraabstand geladen. Die entsprechende Fokusposition wird dann über die motorische Fokusverstellung angefahren. Diese moderne Lösung garantiert reproduzierbare Einstellungen und ermöglicht damit Qualitätsverbesserungen. Sie bringt speziell bei engen Einbauverhältnissen eine spürbare Erleichterung bei der Einstellung mit sich.

Smart Kameras mit Codelesung inklusive

Die LSIS-400i-Gerätevarianten mit neuester Codelese-Software können Barcodes und 2D-DataMatrix-Codes lesen – sowohl hochkontrastig aufgebrachte (gedruckte) Codes als auch direktmarkierte (gelaserte oder genadelte) Codes. Befindet sich der Code auf einer glänzenden Oberfläche, erschweren Reflexionen die Auslesung. Die integrierte homogene Ausleuchtung, wie sie die moderne Smart Kamera von Leuze Electronic bietet, erweist sich dabei als sehr vorteilhaft. Davon profitieren vor allem Anwender in der Leiterplatten- und Automobilindustrie, die neben der Artikelnummer auch die individuelle Seriennummer für die Rückverfolgbarkeit zweifelsfrei identifizieren möchten.

Viele Möglichkeiten bieten sich dem Anwender auch hinsichtlich der Optimierung mittels der Software. Weiß der Anwender, um welchen Codetyp es sich handelt, kann er die entsprechenden Merkmale vorgeben. Bei 1D-Codes lässt sich die Schrittweite der Codesuche im Bild erhöhen, um eine Performance-Steigerung der Kamera zu erzielen. Bei zweidimensionalen Codes lässt sich zudem der Lesemodus vorgeben – „fast“ für Codes guter Qualität oder „robust“ für kritischere, z.B. direkt markierte Codes.

Liegen die Zellen eines Data-Matrix-Codes nicht in quadratischer Form, sondern als Kreisfläche (Dot) oder Loch vor, so erkennt der Algorithmus diese Codes ebenfalls. Selbst gespiegelte Codes können von der Software gelesen werden.

Smart Kameras contra High-End Vision-Systeme

In der industriellen Bildverarbeitung, einer Schlüsseltechnologie der Automatisierungstechnik, haben sich im Lauf der letzten Jahre unterschiedliche Geräteklassen durchgesetzt, die sich u. a. auch in ihrer Flexibilität und dem damit verbundenen Integrationsaufwand unterscheiden. PC- oder controllerbasierte Vision-Systeme bilden hier die Spitze der Leistungsfähigkeit.

Für die Mehrzahl der Automatisierungsaufgaben sind jedoch die flexibler einsetzbaren Smart Kameras die bessere Wahl. Sie sind mit geringem Zeit- und Kostenaufwand zu integrieren, bieten aber dennoch für viele Anwendungen ausreichend Flexibilität und Performance. Da Smart Kameras sowohl in der Bedienung als auch im Leistungsvermögen zwischen den Gerätekategorien „Vision Sensoren“ und „Vision Systeme“ liegen, bilden sie die Brücke zwischen der oberen und unteren Leistungsskala. Dabei decken sie ein großes Leistungsspektrum ab.

Die industrielle Bildverarbeitung führt als zukunftsweisendes Instrument einer automatisierten Produktion und Schrittmacher der Qualitätskontrolle, Qualitätssicherung und Qualitätsplanung zu erheblichen Einsparungen. Doch professionelle Bildverarbeitungssensoren übernehmen nicht nur die Qualitätsinspektion, sondern sie dienen auch zur Visualisierung eines effektiveren Prozessablaufs. Sie tragen somit zur Steuerung von hochkomplexen Prozessen bei.

Smart Kameras in der Getränkeindustrie

Bei der Küppersbusch GmbH in Velbert verfügen sogenannte Flascheninspektoren über ein Kamera-Kontrollsystem auf Basis der Smart Kamera LSIS 412i von Leuze Electronic. Mit ihr kann der Flascheninspektor gleich mehrere Merkmale gleichzeitig prüfen: ob Etiketten vorhanden sind, ob die Füllmengen stimmen und ob die Flaschen richtig verschlossen sind. Mit innovativer und leistungsstarker Kameratechnologie ermöglichen LSIS-412i-Smart-Kameras eine hier die schnelle und einfache Qualitätssicherung sowie Identifikation. Sie bieten alle notwendigen Komponenten im Gehäuse selbst – von der Beleuchtung über die Bildverarbeitung, Bild- und Programmspeicher, Display, Ergebnisanzeige und Schnittstellen. Damit sind sie leicht auch unter engen Platzverhältnissen in Maschinenkonzepte zu integrieren. Dank industrietauglicher, robuster Ausführung ist die LSIS-400i-Baureihe auch für die raue und meist feuchte Umgebung in der Getränkeproduktion bestens geeignet.

Ein weiteres Erfolgsbeispiel ist Apollinaris. Dort hat man in einer Getränke-Abfüllanlage die eingesetzten Lichttaster gegen Smart Kameras LSIS 412i von Leuze Electronic ausgetauscht. Das spart jegliches Umrüsten bei einem Sortenwechsel und gewährleistet ein sicheres Detektieren aller Etikettenvarianten.

Oder ein Beispiel aus der Getränkeabfüllung bei Aqua Römer: Für Verschlussdeckel-Kontrollen wurden in der Vergangenheit in solchen Anlagen aufwändige Inspektionssysteme eingesetzt, die mit unterschiedlichen Erkennungstechnologien arbeiten.Voigt Technology hat für Aqua Römer ein pfiffiges Konzept auf Basis der Smart Kamera LSIS 412i entwickelt – kostengünstig und mit bravouröser Erkennungsleistung für einen Durchsatz von 30.000 bis 40.000 Flaschen pro Stunde. Durch Eingrenzen von BLOB-Merkmalen wie Länge, Breite, Höhe, Fläche, Formfaktor oder Umfang können einzelne Objekte oder Objektgruppen anhand ihrer geometrischen Merkmale sicher erkannt und unterschieden werden – auch dann noch, wenn andere Verfahren bereits fehlerhafte Ergebnisse liefern. Mit extra angelegten Prüffeldern wird jeweils der Flaschendeckel horizontal und vertikal „gesucht“, um dann die eigentlichen Prüffelder entsprechend nachzuführen. Damit werden Lageverschiebungen sowie Höhentoleranzen für die Kontrolle faktisch kompensiert. Insgesamt ist die neue Deckelschrägsitz-Kontrolle erheblich kostengünstiger und einfacher in der Handhabung als herkömmliche Lösungen. Sie erfordert keine speziellen Einstellungen oder nennenswerten Wartungsaufwand. Die Erkennungsrate liegt bei Aqua Römer bei 99,8 %.

Lesegeräte und die Schnittstellen-Problematik

In der Industrie werden die Daten meist mittels Feldbus an die übergeordnete Steuerung übertragen, auch werden I/Os zur Steuerung des Lesegeräts und ein Spannungsbereich von 18 V bis 30 V DC vorausgesetzt. Diese Sachverhalte sind heute genauso entscheidend wie das eigentliche Dekodieren. Denn die beste Lesetechnik bringt keinen Vorteil, solange das Gerät elektrisch und datentechnisch nicht mit der Anlage kompatibel ist. Bei einigen kamerabasierenden Lesegeräten vermisst man gerade diese wichtigen Punkte.

Betrachten wir in diesem Zusammenhang wieder die Smart Kamera LSIS 400i: Die Kommunikation mit der Leuze Electronic Smart Kamera LSIS 400i erfolgt über acht frei konfigurierbare I/O-Ports, einer RS232-Schnittstelle oder via Ethernet. Damit ist der schnelle und einfache Zugang zum Gerät und die leichte Integration gewährleistet. Die erstmals von Leuze Electronic in Barcodelesern eingesetzte Software zur Web-Konfiguration ermöglicht heute auch die Parametrierung der Smart Kamera direkt über den Standardbrowser. Da die gesamte Bildverarbeitungssoftware in der Smart Kamera integriert ist, geht die Leistungsfähigkeit weit über die Möglichkeiten von Kameras hinaus, die lediglich ein einfaches Parametrier-Tools aufweisen. Es entfällt die Installation einer Parametriersoftware auf dem PC des Anwenders – alles Notwendige ist im Gerät vorhanden und mit einem Webbrowser zugänglich. Im Servicefall bedeutet dies, dass die gesamte Parametrier-Software inklusive einer Online-Hilfe im Gerät vorhanden ist und damit vor Ort oder aus der Ferne – wann und wo auch immer – genutzt werden kann.

Der Laser bietet Paroli

Momentan liegen die Listenpreise der Kamerasysteme im Bereich von laserbasierten High-End Lesegeräten. Für Standardanwendungen an der Fördertechnik, die in hohen Stückzahlen abgesetzt werden, erscheinen daher solche kamerabasierende Produkte zwar heute noch zu teuer. Jedoch wird auch hier die Entwicklung fortschreiten: zum Beispiel im 2D-Bereich, wo immer intelligentere Funktionen und mehr Leistung gefordert werden – bei einer dennoch einfachen Bedienung. Oder im 3D-Bereich, wo auch in Zukunft noch viel in puncto Performance und Preis passieren wird.

Gleichwohl wird in der uns gut bekannten Industrieumgebung wie der Förder- und Lagertechnik auch in Zukunft der einfache 1D-Code noch weiter Verwendung finden, da er einfach zu drucken und die Informationsdichte ausreichend ist. Die dafür heute eingesetzten laserbasierenden Lesegeräte sind optimal an die Aufgabe angepasst und genau dafür entwickelt worden. Der Laser wird aufgrund seiner Reife und Verbreitung also auch in naher Zukunft an der Fördertechnik seinen Dienst tun.

Hohe Reichweite oder schnelles Lesen genügen nicht

Wie geschildert, reicht es nicht aus, eine hohe Reichweite oder ein schnelles Lesen zu garantieren – man muss auch die Applikation dazu kennen. Zwischen den Förderstrecken ist meistens nicht genug Platz, um einem Lesegerät 200 mm Abstand zu spendieren. Im schlechtesten Fall muss man einen noch größeren Abstand einhalten, um eine akzeptierbare Lesefeldbreite zu erreichen. Zudem stellt sich die Frage nach der Akzeptanz eines Produkts, bei dem auf der Anlage während der Inbetriebnahme der Autofokus erst noch installiert werden muss.

Durch die hohe Lesesicherheit der heutigen Barcodeleser, wie z. B. dem BCL 500i oder dem BCL 300i von Leuze Electronic, und durch die deutlich besseren optischen Daten wird auch in Zukunft überall dort ein laserbasierendes Lesegerät zum Einsatz kommen, wo ein 1D-Code zu lesen ist.

Zudem erfolgt die Inbetriebnahme eines Laserscanners durch die integrierte Feldbustechnik, dem optimierten elektrischen Anschluss und den überlegenen Lesefeldern sehr einfach und nahezu fehlerlos. Bei den Kamerasystemen hat es der Anwender diesbezüglich meistens nicht so leicht und muss mit mehr Aufwand rechnen. (jv)

SPS IPC Drives 2014: Halle 7A, Stand 230

* Mattias Göhner ist Produktmarketing-Manager, Matthias May ist Redakteur im Bereich Marketing-Kommunkation bei der Leuze Electronic GmbH + Co. KG, Owen.

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