Plattform bringt Laufzeitverfahren und Stereooptik zusammen. Voller Überblick in 3-D

In der Fertigung größerer Batteriepacks werden einzelne Zellen in einem Behälter ähnlich einer Getränkekiste angeordnet. Die exakte Platzierung der Zellen ist eine entscheidende Voraussetzung für Qualität und Funktion der fertigen Batterie. Die Qualitätssicherung fordert nach der Bestückung eine hundertprozentige Kontrolle, bei der sowohl die Vollständigkeit der Belegung als auch die Ausrichtung der Zellen erfasst werden muss. Für das erste Kriterium würde ein 2-D-Sensor genügen, der jedoch für das zweite nicht mehr reicht: Er liefert keine Tiefeninformation der z-Achse. Um beide Kriterien in einem automatisierten Durchgang zu erfassen, wird ein 3-D-Gerät, zum Beispiel mit einer Stereokamera benötigt.

3-D-Daten sind auch bei der Steuerung fahrerloser Fahrzeuge (automated guided vehicle, AGV) wie einem autonomen Gabelstapler sehr nützlich. Allerdings ist hier ein deutlich weiter reichender Blick in Fahrtrichtung gefordert, damit die Fahrzeugsteuerung rechtzeitig „einlenken“ kann, um ein Hindernis zu umfahren und die Palette an der richtigen Stelle auf- oder abzuladen. Für diese Anwendung ist das Laufzeitverfahren (Time of Flight, ToF) gut geeignet. Es liefert Positionsdaten aus einem großen Erfassungsbereich, etwa über zu umfahrende Hindernisse oder Zielpunkte wie die Aussparungen in einem Palettenfuß. Aus ToF-Signalen lassen sich 3-D-Daten berechnen, sodass ein vollständiges Abbild möglich wird. Sie können auch für das Auf- und Abladen von variablen Verpackungseinheiten auf Paletten genutzt werden.

Flexible Sensorik

Prozess- und Maschinensteuerung auf der Grundlage optischer Informationen wie in diesen Beispielen beschrieben sind in Produktion und (Intra-)Logistik weitverbreitet. Bisher kommen dabei meist verschiedene, auf die jeweilige Anwendung spezialisierte Sensoren zum Einsatz. Das geschieht oft im selben Betrieb und erfordert einen entsprechend großen Aufwand im Umgang mit diversen Gerätearten. Eine einheitliche Sensor-Plattform für unterschiedliche Aufgaben ist hier ein Schritt in Richtung Standardisierung und Vereinfachung.

Im Bereich Vision-Sensorik eröffnen die Geräte der Serie SmartRunner Explorer 3-D hier neue Optionen. Sie bieten auf derselben einheitlichen Plattform sowohl Stereo-Vision als auch ToF-Technologie an. Der Stereo-Vision-Sensor liefert tiefenscharfe 3-D-Bilder aus dem Nahbereich; die ToF-Variante erlaubt die vollständige Überwachung eines Feldes auf bis zehn Meter Entfernung. Die Geräte sind sehr leicht zu integrieren, bewährte Einstellungen lassen sich duplizieren, indem man Vorgaben des ersten Sensors unmittelbar für weitere Geräte übernimmt. Das gilt für beide Gerätevarianten und auch bei unterschiedlichen Anwendungsspektren. Die schnelle Datenübertragung wird mit einem integrierten Ethernet Gigabit Interface gewährleistet. 2-D- und 3-D-Daten lassen sich mit wenigen Klicks zielgerichtet visualisieren.

Beide Geräteversionen sind im gleichen stabilen Aluminiumgehäuse untergebracht. Es ist für raue Bedingungen geeignet und übernimmt zugleich die Funktion eines Kühlkörpers. Unerwünschte Temperaturwirkungen der Betriebswärme werden so ausgeschlossen.

Die Geräte stehen als kalibrierte Rohdatensensoren zur Verfügung, die eine standardisierte Datenstruktur und dieselbe kostenfreie Anwendersoftware (ViSolution) verwenden. Mit ihr kann man Inbetriebnahme und Parametrierung anhand von Live­daten intuitiv und auf derselben Oberfläche durchführen. Der Gerätetausch folgt dem Plug&Play-Prinzip, eine Neukalibrierung ist überflüssig. Ein Ausrichtlineal und Ausrichtungsbohrungen erleichtern die Montage.

Inspektion mit Stereo Vision

Das Stereo-Vision-Gerät besitzt eine Reichweite von 1000 mm, die einen idealen Erfassungsbereich für Inspektionsanwendungen ermöglicht. In einem Abstand von 600 mm beträgt dessen Größe 400x350, 550x500 mm sind es bei 900 mm Distanz. Die Sensorfunktion lässt sich anpassen, etwa um einzelne Zielobjekte zu zählen und zu prüfen oder Konturen zu vermessen.

Ebenso kann das Gerät das Volumen amorpher Massen detektieren, etwa beim Abpacken von Obst und Gemüse in Versandkisten. Es gilt, das Transportvolumen der Kisten optimal zu nutzen, jedoch ohne dass Produkte über den Rand hinausragen und der Gefahr der Beschädigung ausgesetzt werden. Eine einzige angestoßene Frucht könnte hier zum Fäulnisherd für den gesamten Behälterinhalt werden. Ein Stereo-Vision-Gerät der SmartRunner Explorer 3-D-Serie erkennt jeden Überstand und gibt das entsprechende Warnsignal aus.

Das geschieht mithilfe zweier 1,4-Megapixel-Kameras. Ihre hochaufgelösten 2-D-Aufnahmen aus unterschiedlichen Winkeln werden direkt im Sensor zu einem Disparitätenbild gefügt. Das erlaubt nicht nur die präzise Ausrichtung auf den Erfassungsbereich, sondern vereinfacht auch die Interpretation der Messergebnisse. Diese fließen in ein hochaufgelöstes 3-D-Punktwolkenbild des gesamten Messbereichs ein, welches das Zielobjekt detailliert darstellt. Ein integriertes FPGA erledigt die Vorverarbeitung der Messdaten. Dazu gehören – anders als bei herkömmlichen Geräten in solchen Anwendungen – auch optimierte Tiefendaten aus der z-Richtung.

ToF bei Fahrzeugsteuerung

Für das Laufzeitverfahren, das die ToF-Variante der Sensorfamilie nutzt, genügt eine einzelne Kamera. Ihre VGA-Auflösung beträgt 640x480 Pixel; entscheidend ist hier die hohe Messrate
von 30 Hz. Damit kann das Gerät nicht nur einen ausgedehnten Messbereich erfassen, sondern es schafft zugleich die Grundlage für schnelle Reaktion in der Maschinensteuerung. Es emittiert mit seiner Durabeam-Beleuchtung Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 940-Nanometer. Dieser Frequenzbereich hält genügend großen Abstand vom natürlichen Tageslicht und der üblichen künstlichen Beleuchtung. Die Detektion bleibt somit in Gebäuden ebenso wie im Außenbereich von den umgebenden Lichtverhältnissen unbeeinträchtigt. Nutzsignal und Messergebnisse werden zur zusätzlichen Absicherung durch eine 4-Phasen-Messung optimiert.

Die Funktion des ToF-Geräts beruht auf der Distanzmessung. Für die Signalverarbeitung verwendet es ein „Z-Bild“: Ein Tiefenbild und eine Höhenkarte mit 2-D-Informationen in x- und y-Richtung werden zu einem hochaufgelösten 3-D-Punktwolkenbild kombiniert. Auf dieser Grundlage können zum Beispiel Roboterarme bei der Palettierung und Depalettierung positioniert oder fahrerlose Transportfahrzeuge auf ihrem Weg gesteuert werden. Hindernisse werden in beiden Fällen zuverlässig erkannt und abgebildet. Mit Stereo Vision und ToF auf derselben Plattform ergibt sich beträchtliches Potenzial zur Vereinfachung des Asset Managements.