Anforderungen an Industriekameras als Augen des Roboters
Perfektes Design
Der Robotik-Markt wächst – laut Roboter-Weltstatistik 2015 der IFR wird sich die Anzahl verkaufter Industrieroboter bis 2018 auf rund 400.000 verdoppeln. Umso wichtiger ist es, den komplexen Aufbau eines Robotersystems, von der Mechanik bis zur Steuerung, durch einfach integrierbare Komponenten zu unterstützen. Industriekameras können dazu als ‚Augen des Roboters‘ dank konsequenter Design- und Funktionsanpassung einen wichtigen Beitrag leisten.
D ie Einsatzumgebung industrieller Robotersysteme sind von rauen Bedingungen wie Schmutz sowie Erschütterungen und Vibrationen in der Anlage geprägt. Dies stellt an die eingesetzten Komponenten hohe Anforderungen: Oft ist deshalb die Schutzart IP65 gefordert. Standardindustriekameras mit IP20/40-Schutzart müssen deswegen in ein separates Schutzgehäuse integriert werden. Selbst wenn die höhere Schutzklasse nicht erforderlich wäre, ist für viele Anwendungen ein Schutz des Objektivs vor Verschmutzungen oder Verstellungen nötig. Beide Situationen erfordern ein separates Gehäuse, das jedoch eine zusätzliche Systemkomponente mit entsprechenden Zusatzkosten für Beschaffung, Umgehäuse, Kabeldurchführungen, Kameramontage im Gehäuse sowie Lagerhaltungen im Servicefall darstellt. Mit einem separaten Schutzgehäuse kann jedoch eine flexible Lösung für unterschiedliche Bildverarbeitungsaufgaben geschaffen werden. Industriekameras mit verschiedenen Auflösungen, Bildraten und Funktionalitäten können entsprechend den jeweiligen Anforderungen einfach ausgetauscht werden. Nachteilig ist neben dem finanziellen Mehraufwand jedoch das zusätzliche Gewicht der Kamera im Schutzgehäuse und die für Automatisierungsanwendungen eher ungeeigneten Kabel und Steckverbinder. So werden zur Datenübertragung typischerweise GigE-Kabel mit RJ45-Steckverbindern eingesetzt. Diese sind entweder mit Rastnasen für den Bürobedarf oder mit verschraubbaren Steckern als Sonderlösung ausgelegt, die eigens beschafft werden müssen. Als Prozessinterface sowie zur separaten Stromversorgung wird (von früheren Analogkameras abgeleitet) in vielen Fällen ein Hirose-Stecker verwendet, was oft zu einem hohen Konfektionierungsaufwand führt. In der Automatisierungsbranche werden jedoch weltweit vorrangig M12- oder M8-Steckverbinder genutzt. Diese sind in vielen unterschiedlichen Ausführungen standardisiert und es stehen international verschiedene Kabelarten zur Verfügung. Das M12-Standardsteckverbinderprogramm wurde zusätzlich mit einem achtpoligen X-codierten Steckverbinder erweitert, der für die Anforderungen an die Kommunikation innerhalb einer Anlage spezifiziert und für den steigenden Datentransfer bildverarbeitungsgestützter Automatisierungsaufgaben ausgelegt ist. Es ist davon auszugehen, dass sich diese Verbindung zunehmend auch in der gesamten Kommunikation von Robotersystemen und den Leitzentralen durchsetzt, um die wachsende Datenkommunikation z.B. über Profinet industrietauglich zu realisieren. Selbst eine 10GigE-Datenübertragung ist mit diesem Steckverbinder möglich.
Spezielles Design für die Robotik
Separate Schutzgehäuse sind also nicht immer die beste Lösung bzw. aus Integrationssicht einfachste Weg, um Industriekameras und Objektive in Robotik-Anwendungen einzubinden. Auch die aktuell häufig verwendeten Kabel und Steckverbinder bieten Potenzial zur Vereinfachung. Wie eine Alternative ohne Schutzgehäuse aussieht, bei der die Kameras gleichzeitig den hohen Anforderungen genügt, zeigen die speziell für die Robotik ausgelegten Visiline IP-Kameras. Anwender können dort in der Regel auf das bereits vorhandene Kabelsortiment zurückgreifen und reduzieren so ihren Beschaffungsaufwand. Auch die angelegten I/O-Pegel sind an die Richtlinien für SPS-Steuerungen angepasst. Denn gerade in Automatisierungsanwendungen werden viele Aktoren eingesetzt, die Störspannungen erzeugen und ungewollte Triggersignale verursachen können. Dank der erhöhten Schaltspannungen (low bis 4,5 statt 0,8V und high ab 11 statt 2,4V) wird jedoch eine robuste Lösung im Gesamtsystem sichergestellt und der Integrationsaufwand in störanfälligen Industrieumgebungen deutlich reduziert. Die Visiline IP-Industriekameras vereinen alle genannten Anforderungen in einer einzigen Gehäusebauform. Ihr Design ist speziell für den Einsatz in Robotik-Anwendungen ausgelegt. So schützt das IP65/67-Gehäuse alle empfindlichen Kamerabestandteile und das Objektiv. Das quadratische Design erlaubt eine einheitliche, umlaufende Befestigung und ermöglicht eine frei bestimmbare Einbaulage mittels eines einmalig konstruierten Halters. So können die Kameras anwendungsspezifisch seitlich oder von oben befestigt in verschiedene Anwendungen integriert werden. Das Mechanikdesign ist vibrations- und schockresistent bis 10 bzw. 100g. Eine anspruchsvolle Situation tritt beim sogenannten Not-Halt des Roboters ein. Dieser Schutzmechanismus stoppt den Roboter augenblicklich. Dabei können hohe Fliehkräfte auf die Industriekameras einwirken. Entsprechend fest müssen die Kamera und der Objektiv-Schutz montiert sein. Auch das geringe Gewicht von 220g ist in diesem Fall vorteilhaft. Das modulare Schutzkappensystem für das Objektiv ist flexibel erweiterbar und ermöglicht eine einfache Verlängerung, wenn z.B. aufgrund der Anwendung längere Objektive verwendet werden müssen. Der achtpolige X-codierte M12-Stecker stellt durch die Verschraubung und den IP-Schutz eine zuverlässige Verbindung für das Dateninterface sicher. Mögliche Kontaktprobleme durch Feuchtigkeit sind damit nahezu ausgeschlossen. Dank Power over Ethernet (PoE) reicht ein einziges Kabel zur Datenübertragung und Spannungsversorgung. Bei typischen Kabellängen in Robotik-Anwendungen von 20 bis 30m ist dies ein wichtiger Kostenvorteil in der Beschaffung, Installation und Wartung. Die Triggerung kann direkt über die Ethernet-Leitung vom PC aus durch ein spezielles Ethernet-Kommando (Trigger over Ethernet) erfolgen, das mit nur wenigen Mikrosekunden Verzögerung nahezu einem Hardwaretrigger gleichgesetzt werden kann. Mit Auflösungen von VGA bis 4MP stehen zudem unterschiedliche Modellvarianten zur Verfügung, um die Design-in-Kosten für unterschiedliche Anwendungssituationen eines Robotersystems zu reduzieren.
