Lesegeräte Identifizieren, aber wie?

Vom einfachen Code bis hin zur aufwändigen Inspektion müssen sich Anwender ständig den Herausforderungen ihrer Applikation stellen. Der Markt bietet dafür verschiedene Code-Erfassungssysteme an, zum Beispiel Barcodeleser, Smart Kamera oder Vision System. Grundsätzlich sind Codes in zwei Bereiche unterteilbar: 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.

Codes in unterschiedlichen Dimensionen

Das laserbasierte Barcodelesen ist seit Jahren eine bekannte und ausgereifte Technik. Sie wird dazu verwendet, sicher einen 1D-Barcode auf Objekten wie Kisten, Paletten und Kartons zu identifizieren und dessen Dateninhalt an eine übergeordnete Steuerung weiterzugeben. Der 2D-Code wird häufig dort angewendet, wo auf wenig Platz ein Maximum an Informationen untergebracht werden muss. Daher kommen kame­ra­basierte Lesegeräte typischerweise bei Handlings- und Prüf­automaten, in Robotersystemen, in der Produktionstechnik von Leiterplatten oder bei der Rückverfolgung zum Einsatz.

Ein kamerabasierender 2D-Codeleser ist etwa der LSIS 220 von Leuze Electronic. Der Leser basiert auf einem Global-Shutter-CMOS-Sensor, der Lagefehler in Abbildungen bei zeilen- oder spaltenweisen fotografischen Aufnahmen vermeidet. Die Auflösung des LSIS-220-Kamerachips wurde für die oben aufgeführten Anwendungen mit bewegten Codes optimiert. Die Auswertung einer zu großen Datenmenge würde zu viel Zeit benötigen. 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. Der Codeleser liest 2D-Codes, aber auch 1D-Barcodes und Stacked Codes – omnidirektional, im Stillstand und in der Bewegung.

Da nun ein kamerabasierendes Lesegerät grundsätzlich auch einen 1D-Barcode lesen kann, könnte ein Unternehmen generell kamerabasierende Lesegeräte einsetzen. Dagegen sprechen jedoch bei vielen Anwendungen technische Details, etwa wenn es um das optische Lesefeld geht.

Optisches Lesefeld der Kamera

Das optische Lesefeld definiert sich durch die minimalen und maximalen Lesereichweiten, die Tiefenschärfe und die Lesefeldbreiten. Mit der Lasertechnik können ausreichende Tiefenschärfen auch ohne Fokusverstellung erzielt werden. In der Regel benötigen aber 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 der Anwender mit Kameratechnik nicht selten die doppelte Anzahl an Geräten.

In der Lager- und Fördertechnik werden die Identifizierungsgeräte meistens zwischen oder an der Fördertechnik installiert, zum Beispiel an einer Rollenbahn. Dadurch werden 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 Schwierigkeiten – erst recht, wenn eine entsprechende Reichweite hinzukommt.

Weil ein Kamerasystem die Tiefenschärfe nur durch Fokusverstellung garantieren kann, muss die Zeit, um den Fokus motorisch zu verstellen, in die Geschwindigkeitsberechnung 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 schnell aufeinanderfolgenden Codes mit unterschiedlichen Leseabständen zu Problemen führen kann.

Motorische Fokusverstellung

Bei der Entwicklung der Fokusverstellung 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 unterschiedliche 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 Smart Kamera LSIS 400i von Leuze Electronic jedoch erspart dem Anwender bei Chargenwechseln mit unterschiedlichen Objektabständen die manuelle Fokussierung. Zudem können die Gerätevarianten Barcodes und 2D-Datamatrix-Codes lesen – sowohl hochkontrastig aufgebrachte und gedruckte Codes als auch direktmarkierte gelaserte oder genadelte Codes. Davon profitieren vor allem Anwender in der Leiterplatten- und Automobilindustrie, die neben der Artikelnummer auch die individuelle Seriennummer für die Rückverfolgbarkeit identifizieren ­möchten.

Smart-Kamera oder Vision-System

In der industriellen Bildverarbeitung, einer Schlüsseltechnik der Automatisierung, haben sich im Lauf der vergangenen Jahre unterschiedliche Geräteklassen durchgesetzt. Sie unterscheiden sich unter anderem in ihrer Flexibilität und dem ­damit verbundenen Integrationsaufwand. 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 und bieten 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.

Lesegeräte und Schnittstellen

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 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 werden gerade diese wichtigen Punkte vermisst.

Die Kommunikation mit der Smart-Kamera LSIS 400 ­erfolgt über acht frei konfigurierbare I/O-Ports, einer RS232-Schnittstelle oder via Ethernet. Damit sind 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 Standard-Browser.

Da die gesamte Bildverarbeitungs-Software in der Smart- Kamera integriert ist, geht die Leistungsfähigkeit über die Möglichkeiten von Kameras hinaus, die lediglich ein einfaches Parametrier-Tool aufweisen. Es entfällt die Installation einer Parametrier-Software 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.

Laser kann Paroli bieten

Momentan liegen die Listenpreise der Kamerasysteme im Bereich von laserbasierten High-End-Lesegeräten. Für Standardanwendungen in der Fördertechnik, die in hohen Stückzahlen abgesetzt werden, erscheinen daher 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. Auch im 3D-Bereich wird in Zukunft noch viel in punkto Performance und Preis passieren.

Gleichwohl wird in der Industrieumgebung auch in Zukunft der einfache 1D-Code noch Verwendung finden, da er einfach zu drucken und die Informationsdichte in vielen Fällen ausreichend ist. Die dafür heute eingesetzten laserbasierenden Lesegeräte sind gut an die Aufgabe angepasst und genau dafür entwickelt worden.

Hinzu kommt, dass die Inbetriebnahme eines Laserscanners durch die integrierte Feldbustechnik, den elektrischen Anschluss und den überlegenen Lesefeldern einfach und nahezu fehlerlos geschieht. Bei den Kamerasystemen hat es der Anwender diesbezüglich meistens nicht so leicht und muss mit mehr Aufwand rechnen.