3D-Sensor ersetzt mehrere Sensoren bei der Positionskontrolle

Obendrauf statt mittendrin

Bei Opel in Rüsselsheim verschweißt ein Roboter verschiedene gestanzte und tiefgezogene Bleche zu einem tragenden Karosserieelement. In dieser Pilotanlage überwacht eine 3D-Kamera die Anwesenheit und Fixierung der Blechteile. Die so generierten Vorteile bescheinigen der Vision-Sensorik eine rosige Zukunft.

Opel-Karosseriebau: In der Schweißanlage werden mehrere vorbearbeitete Bleche zu einem Unterzusammenbau verschweißt. (Bild: IFM Electronic GmbH)

Von Hand legt der Werker verschiedene vorbereitete Blechteile übereinander in eine Vorrichtung, damit sie anschließend von einem Schweißroboter an mehreren Punkten miteinander zu einer Einheit verschweißt werden können. Zur Fixierung der Blechteile dienen sogenannte Kniehebelspanner, L-förmige Hebel, die die Bleche von oben in der Vorrichtung fixieren. Normalerweise sind an dieser Stelle dutzende Sensoren installiert, die sowohl die richtige Position der Spanner überwachen als auch die Werkstücke. Denn nur, wenn das Bauteil als vorhanden erkannt und zugleich alle Spanner als geschlossen gemeldet wurden, gibt die Steuerung den Schweißprozess frei. Diese komplexe Positionsabfrage wollte Opel effizienter gestalten. Die Idee: Ein 3D-Sensor schaut von oben auf die Szenerie. „Zunächst haben wir mit Marktanalysen verschiedener Vision-Sensoren begonnen und sind so auf die Firma IFM gekommen“, erzählt Claus Moog, Supervisor Operation Planning, Electric & Commissioning im Vorrichtungs- und Anlagenbau. „Mit dem O3D-Sensor konnten wir alle Positionen visuell abfragen und so die konventionelle Sensorik ersetzen.“

3D-Kamera mit Bildauswertung

Der Vision-Sensor O3D302 ist eine 3D-Kamera mit integrierter Bildauswertung. Die Auflösung des PMD-Bildsensors beträgt 176 mal 132 Bildpunkte. Zu jedem einzelnen der 23.232 Bildpunkte liefert der Sensor einen präzisen Abstandswert – bis zu 25 Mal in der Sekunde. Im Gegensatz zu Laserscannern kommt der Sensor ohne bewegliche Teile aus, was ihn robust, kompakt, leicht und kostengünstig macht. Da die Auswertung des 3D-Bildes im Sensor erfolgt, ist keine externe Bildanalyse nötig. Über definierbare Positionen im Kamerabild (sogenannte ROIs, Region Of Interest) wird in dieser Applikation der Abstand von den Spannhebeln zum Sensor ausgewertet. Die integrierte Auswertung erkennt, ob die Spannhebel offen oder geschlossen ist. Die Ergebnisse werden über die integrierte Ethernet-Schnittstelle per TCP/IP, Profinet oder Ethernet/IP an die Steuerung weitergeleitet. Ebenso kann auch das Kamera-Livebild ausgegeben werden. Mit der Software Vision Assistent kann der Anwender den Sensor einfach parametrieren, z.B. die ROIs festlegen oder die Ausgangsfunktion parametrieren. Die Software ist sowohl für Windows-PCs als auch für iPads erhältlich.

Prüfender Blick von oben

Über der Schweißanlage sind zwei dieser Sensoren verbaut, einer im Einlegebereich, der andere im eigentlichen Schweißbereich. Alternativ könnte man auch mehrere eindimensionale Optosensoren einsetzen und einen auf jeden Bereich ausrichten. Das Vision-Sensor-Modell O3D hat den Vorteil, dass man nur einen Sensor benötigt und dann mehrere ROIs softwaretechnisch beliebig anordnen kann. So ließen sich an dieser Anlage etwa 80 Prozent der konventionellen Sensorik ersetzen. „Am Werkzeug wären normalerweise 30 bis 40 Sensoren verbaut“, bestätigt Moog. „Jetzt benötigen wir nur noch zehn Sensoren für Aktoren, die verdeckt verbaut sind und die der Vision-Sensor deshalb nicht erkennen kann. Damit haben wir eine Kosteneinsparung von insgesamt etwa 20 bis 30 Prozent erzielen können. Zudem haben wir noch einen Vergleich angestellt, was konventionelle Sensorik an Strom verbraucht und was der O3D an Strom verbraucht. Auch hier ergeben sich spürbare Einsparungen.“ Weitere Vorteile ergeben sich durch die Reduzierung des Zeitaufwands bei Verkabelung, Montagezubehör und I/Os an der Steuerung.

Transparenz durch Visualisierung

Für Transparenz im Prozess hat Opel an der Anlage einen Bildschirm zur Visualisierung montiert. Neben einer grafischen Prozessdarstellung erlaubt es der O3D auch, ein Livebild auszugeben. „In der normalen Darstellung zeigt der Monitor dem Werker an, welche Bauteile einzulegen sind und ob die Bauteile im Werkzeug korrekt platziert sind“, erklärt Fabian Gulla, Applikationsingenieur für Bildverarbeitung und Robotik. „Diese Grafik muss von einem Programmierer gestaltet bzw. animiert und setzt sich aus verschiedenen Bildern zusammen. Eingefügte Marker zeigen dem Werker, welche Bauteile er noch einlegen muss. „Der Vorteil, den wir jetzt mit dem Livebild vom IFM-Sensor haben ist, dass wir den Spannern und Bauteilen Endlagen zugewiesen haben, die im Bild visualisiert werden“, so Gulla weiter. „Über einen Rot/Grün-Farbwechsel wird dem Werker direkt symbolisiert, ob das Werkstück eingelegt ist und ob der Spanner geöffnet oder geschlossen ist. Das ist kein Mehraufwand in der Programmierung, weil die Parametrierung des Sensors ohnehin erfolgen muss, und das Livebild so aus dem Sensor ausgegeben wird.“ Die umgesetzte Sensorlösung bringt auch Vorteile bei der Konstruktion der Anlage. „Wir haben mehr Bauraum und bessere Zugänglichkeit der Schweißzangen“, so Moog. „Außerdem konnten wir die Störanfälligkeit der konventionellen Sensorik eliminieren. Denn der Vision-Sensor kann nicht von Schweißspritzern getroffen und beschädigt werden, wie es bei herkömmlichen Sensoren in der Nähe der Schweißzangen vorkommen kann.“

Pilotanlage deckt Potenzial auf

Die Erfahrungen, die man bei Opel in dieser Pilotanlage gesammelt hat, sind durchweg positiv. Das soll Einfluss auf künftige Anlagen haben. Claus Moog bilanziert: „Wir glauben, dass sich der Einsatz von Vision-Sensoren in Zukunft durchsetzen wird.“ Fabian Gulla ergänzt: „Im Bereich Kameras werden wir noch enorme Fortschritte erzielen können. Das betrifft auch Technologien wie IO-Link oder Machine Learning.“ Am Ende sei es aber immer eine Frage der Abwägung: Was macht Sinn? Was passt in das angestrebte Preis/Leistungs-Segment? Wie groß ist der Mehrwert für das Unternehmen?

Fazit

Weniger Sensoren, einfachere Anlagenkonstruktion, keine Störungen durch Schweißspritzer – der Vision-Sensor als Überwachungslösung bringt viele Vorteile und reduziert die Anlagenkosten spürbar. Auch andere Produktionsanlagen lassen sich auf diese Weise verbessern. Der Sensor O3D ist sogar eine langfristige Lösung, da er nach einem Werkzeugwechsel für andere Fahrzeugteile oder andere Fahrzeugmodelle beibehalten werden kann und einfach nur per Parametrierung auf die neue Situation abgestimmt werden muss.