WIE MACHINE-VISION-SYSTEME DER INDUSTRIEROBOTIK HELFEN, DIE FERTIGUNG ZU VERWANDELN

Aufgrund eines angespannten Arbeitsmarktes haben die Hersteller von heute ein scheinbar unstillbares Bedürfnis, die Flexibilität zu erhöhen, die Produktivität zu verbessern und Menschen nur für Aufgaben einzusetzen, bei denen sie den größten Mehrwert schaffen. Von der Maschinenbeschickung, Montage und Bin-Picking bis hin zu Pick-and-Place, Materialhandhabung und Verpackung – der Einsatz von Industrierobotern und kollaborativen Robotern (Cobots) ist in der Fabrikautomation auf dem Vormarsch.

Zu den Hauptgründen für den Einsatz von Roboteranwendungen gehören Kosten, Volumen, Qualität und Präzision sowie Sicherheit und sich wiederholende Bewegungen. Sind die aktuellen Stückkosten zu hoch? Fehlen Ressourcen zur Steigerung des Produktionsvolumens? Gibt es Qualitätsprobleme bei den Liefergegenständen? Übersteigen die Anforderungen an Teilegröße oder Präzision das, was Menschen bewältigen können? Sind die gehandhabten Materialien für den Menschen gefährlich oder führen wiederholte Bewegungen zu Verletzungen? Dann könnte eine Industrieroboter- oder Cobot-Anwendung die Antwort sein.

Viele Hersteller nutzen bereits Vision-Systeme in der Robotik, um ihre Montage- und Prüfprozesse zu automatisieren. Um ein Bildverarbeitungssystem für die Roboterführung zu spezifizieren, muss die Anwendung gründlich bewertet und verstanden sowie die Leistungsanforderungen definiert werden. Genauigkeit, Wiederholbarkeit, Präzision, Robustheit und Durchsatz sind einige Faktoren, die die Leistung von Robotic-Vision-Systemen bestimmen. Es ist nicht nur wichtig, den richtigen Roboter auszuwählen, sondern auch die richtige Vision-System-Hardware für die jeweilige Aufgabe auszuwählen. 

Während es möglich ist, die Integrationszeit mit einem VGR-Paket eines Roboterlieferanten für einfache Robot-Vision-Systemanwendungen zu verkürzen, stellen die meisten VGR-Anwendungen erhebliche Herausforderungen dar. Bildverarbeitungsunternehmen sind in der Regel versiert in der Bilderzeugung, Bildverarbeitung und Bildanalyse, was ihnen einen erheblichen Vorteil gegenüber Roboteranbietern bei der Bereitstellung leistungsstarker, auf Bildverarbeitung basierender Robotiklösungen verschafft. Darüber hinaus bietet die Spezifizierung einer Kamera für ein Robot-Vision-System von einem renommierten Anbieter mit Erfahrung in der Bildverarbeitung die Flexibilität, den Roboter Ihrer Wahl zu verwenden und dann aus einem breiteren Spektrum an Kameraangeboten auszuwählen, um Ihre Robot-Vision-Systemanwendungen zu optimieren.

Emergent Vision Technologies kann integrieren und versenden schlüsselfertige Leistungssysteme mit mehreren Bildverarbeitungskameras, mehrere Server, GPUs, FPGA-Karten, SSDs, Switches und andere Komponenten, die auf spezifische Anwendungsanforderungen zugeschnitten sind. Dieser Ansatz eignet sich für Rapid Prototyping und den allgemeinen Einsatz von Leistungsalgorithmen. Ein solches System ermöglicht Leistungstests und sogar Prototyping benutzerdefinierter GPU-Algorithmen wie KI, Inferenz, Mustervergleich, 3D-Rekonstruktion, Gaußsches Splatting und Komprimierung. Es ist auch möglich, mit den gespeicherten Bildern mit Software wie NERF (Neural Radiance Fields), RealityCapture, Theia Markerless und Agisoft zu arbeiten.

Viele neue VGR-Anwendungen lassen sich heute aufgrund der geringeren Kosten von Bildverarbeitungssystemen kostenmäßig rechtfertigen. Dank vereinfachter Kalibrierung, einfacherer Integration und neuen Konnektivitätsstandards kann VGR außerdem schneller und einfacher als je zuvor bereitgestellt werden. Hochmoderne Bildverarbeitungssysteme lassen sich leicht in andere Fabriksysteme integrieren und können mit allen anderen Geräten im Netzwerk kommunizieren. Dies macht sie zu einer guten Wahl für Hersteller, die eine stärker vernetzte und automatisierte Fabrik schaffen möchten.

Die Kameras an Robotern dienen als Augen und nehmen hochauflösende Fotos oder Video-Feeds des Roboter-Arbeitszellenbereichs auf. Roboter-Vision-Kameras können von Standard-RGB-Kameras bis hin zu speziellen Varianten wie NIR- oder Tiefenkameras reichen. Für eine erfolgreiche VGR-Implementierung ist die Anpassung der richtigen Kamera an die spezifische visiongesteuerte Roboteranwendung von entscheidender Bedeutung. 

Die Kameras von Emergent Vision Technologies unterstützen eine optimierte GigE-Vision Stream Protocol (GVSP)-Ansatz für VGR-Anwendungen, die eine zuverlässige Bildübertragung erfordern. Für die Echtzeitverarbeitung und VGR-Systeme mit mehreren Kameras verfügen Emergent-Kameras über Bildübertragungsfunktionen ohne Kopien und ohne Datenverlust, die eine effiziente Bildübertragung mit minimalem CPU-Overhead gewährleisten.

VGR und viele andere Qualitätskontroll- und Inspektionsanwendungen profitieren von den 5GigE-, 10GigE-, 25GigE- und 100GigE-Kameras von Emergent mit Sony Pregius S- und Gpixel-CMOS-Sensoren. Die folgenden Sony Pregius S CMOS-Bildsensoren werden in unseren 5GigE Eros- und 10GigE HR-Kameras verwendet: 

• 5.1 MP IMX547: HE-5000-SBL 5GigE-Kamera (45.5 fps), HR-5000-SBL 10GigE-Kamera (99fps)
• 8.1 MP IMX546: HE-8000-SBL 5GigE-Kamera (36.5 fps), HR-8000-SBL 10GigE-Kamera (73fps)
• 12.4 MP IMX545: HE-12000-SBL 5GigE-Kamera (34 fps), HR-12000-SBL 10GigE-Kamera (68fps)
• 16.13 MP IMX542: HE-16000-SBL 5GigE-Kamera (26 fps), HR-16000-SBL 10GigE-Kamera (52fps)
• 20.28 MP IMX541: HE-20000-SBL 5GigE-Kamera (21.5 fps), HR-20000-SBL 10GigE-Kamera (43fps)
• 24.47 MP IMX540: HE-25000-SBL 5GigE-Kamera (17.5 fps), HR-25000-SBL 10GigE-Kamera (35fps)

Die 25GigE Bolt-Serie nutzt auch den 5.1 MP IMX537 HB-5000-SB (269fps), 8.1MP IMX536 in seinem HB-8000-SB (201fps), 12.3MP IMX535 in seinem HB-12000-SB (192fps), 20.28MP IMX531 in seinem HB-20000-SB, und der 24.47 MP IMX530 in seinem HB-25000-SB (98fps). 

Darüber hinaus variiert die Kameraauflösung in robotischen Bildverarbeitungssystemen wahrscheinlich je nach Anwendungsanforderungen. Viele Robotic-Vision-Anwendungen sind mit Robot-Vision-Kameras mit einer Auflösung von wenigen Megapixeln erfolgreich. Für hochauflösende Inspektionen oder für die maschinelle Bildverarbeitung zur Führung von Robotern in Anwendungen mit großem FoV (Field of View) ist es hingegen möglich, dass einige Roboter-Vision-Kameras eine Auflösung von 64 oder mehr Megapixeln haben.

Für VGR-Anwendungen, die hochauflösende Kameras erfordern, beispielsweise wenn kleine Merkmale aus der Ferne identifiziert werden müssen oder in Anwendungen mit sehr großem Sichtfeld, bietet Emergent eine breite Palette hochauflösender Modelle in seinen verschiedenen Kamerafamilien an, die von bis zu reichen Zenith HZ-100-G 100GigE-Kamera (103.7 MP Gpixel GMAX32103) und Bolt HB-127-S 25GigE-Kamera (127.7 MP Sony IMX661) Kameras.

Es gibt bestimmte VGR-Anwendungen, bei denen möglicherweise spezielle Bildgebungstechnologien erforderlich sind, beispielsweise die Erkennung von fälschungssicheren Wasserzeichen oder Sicherheitscodes auf Etiketten. Mit Kurzwellen-Infrarotkameras können Aufnahmen durch diese Flaschen gemacht werden, um genaue Füllstände zu gewährleisten. Kameras wie die HE-300-SI, HE-1300-SI, HE-3200-SI und HE-5300-SI - die Teil der Eros 5GigE-Kameraserie sind – nutzen die fortschrittlichen SenSWIR-Sensoren von Sony, die Bilder im Bereich von 400 bis 1700 nm aufnehmen können. Diese Kameras basieren auf den 0.33 MP IMX991-, 1.31 MP IMX990-, 3.14 MP IMX993- und 5.24 MP IMX992-Sensoren von Sony.

Eine Reihe von Roboter-Vision-Kameras können zur Roboterführung und -inspektion verwendet werden, darunter RDMA-Kameras (Remote Direct Memory Access). Mithilfe dieser Technologie können Daten Paket für Paket ohne CPU-Beteiligung zwischen Geräten in einem Netzwerk verschoben werden. 

Emergent nutzt die allgegenwärtige Ethernet-Infrastruktur für eine zuverlässige und robuste Datenerfassung und -übertragung anstelle proprietärer oder Punkt-zu-Punkt-Schnittstellen. Es unterstützt die GPUDirect-Technologie von NVIDIA, die mit seiner optimierten GigE Vision-Implementierung die direkte Übertragung von Bildern in den GPU-Speicher ermöglicht.

Mit der Emergent eCapture Pro-Software können Kameras mit GPUDirect-Technologie Bilder auch direkt in den GPU-Speicher übertragen. Durch den Einsatz dieser Technologie werden keine CPU-Auslastung und keine Speicherbandbreitenabbildung ohne Datenverlust erreicht. Durch den Einsatz leistungsfähigerer GPU-Funktionen reduziert diese Technologie die Auswirkungen großer Datenübertragungen auf die CPU und den Speicher des Systems und behält gleichzeitig die Kompatibilität mit dem GigE Vision-Standard und die Interoperabilität mit kompatiblen Peripheriegeräten und Software bei.

Industrieroboter und Cobots sind zu einem wesentlichen Bestandteil des Fertigungsprozesses geworden und bieten eine Vielzahl von Vorteilen, darunter höhere Produktivität, Effizienz, Qualität und Sicherheit. Hersteller verwenden verschiedene Arten von Robotern. Jeder Robotertyp hat seine eigenen einzigartigen Eigenschaften und eignet sich für unterschiedliche Aufgaben im Fertigungsprozess.

Gelenkroboter: Die am weitesten verbreiteten Gelenkroboter werden nach der Anzahl ihrer Drehpunkte oder Achsen klassifiziert. Am gebräuchlichsten ist der 6-Achsen-Gelenkroboter; Die meisten Roboter und Cobots fallen in diese Kategorie. Gelenkroboter, auch Roboterarme genannt, sind aufgrund ihrer Drehgelenkkonfiguration äußerst vielseitig und können durch Programmierung oder Integration in Roboter-Vision-Systeme problemlos an Prozessänderungen oder -variationen angepasst werden. Knickarmroboter können große Arbeitsbereiche abdecken, da sie über mehrere Drehachsen verfügen, die es ihnen ermöglichen, alle Winkel zu erreichen, mit einer Vielzahl von Werkstücken zu arbeiten und komplexe Aufgaben wie Montage, Schweißen, Materialhandhabung und Maschinenbedienung zu bewältigen.

Selective Compliance Articulated Robot Arm (SCARA)-Roboter: SCARA-Roboter eignen sich hervorragend für vertikale Montageaufgaben, die eine Bewegung zwischen parallelen Ebenen erfordern, beispielsweise die Übergabe von Teilen von einem Tablett auf ein Förderband. SCARAs gehören zu den schnellsten Industrierobotern und eignen sich ideal zur Automatisierung von Hochgeschwindigkeitsprozessen oder zur deutlichen Verkürzung der Zykluszeiten. In Montageanwendungen vereinen SCARA-Roboter Flexibilität und Steifigkeit und bieten aufgrund der geringeren Größe und weniger mechanischen Achsen ein wettbewerbsfähiges Preis-Leistungs-Verhältnis. Aufgrund ihrer relativ kompakten Größe und kurzen Reichweite eignen sie sich ideal für kleine oder beengte Arbeitsbereiche. SCARA-Fertigungsroboterarme sind unglaublich präzise und eignen sich daher für Montage- oder Demontageanwendungen, Pick-and-Place, Materialtransport und andere Vorgänge, die Präzision, Geschwindigkeit und reibungslose Bewegungen erfordern.

Delta-Roboter: Delta-Roboter verwenden drei an der Basis montierte Motoren, um Steuerarme zu betätigen, die das Handgelenk positionieren. Aufgrund ihrer Parallellenkerkonstruktion und der Gewichtsverteilung ihrer Motoren sind Deltaroboter schneller als die meisten anderen Robotermanipulatortypen. Tatsächlich sind sie 30 % schneller als SCARA-Roboter und können bis zu 3 Teile pro Sekunde oder 180 Teile pro Minute verarbeiten. Zu den gängigen Anwendungen gehören Pick-and-Place, Klebstoffauftrag, Verpackung und Sortierung, Löten, Montagevorgänge, 3D-Druck und haptische Steuerungen.

Feige 1: Bildverarbeitungstechnologien können dabei helfen, Delta-Roboter bei der Ausführung von Hochgeschwindigkeits-Picks zu unterstützen.

Kartesische Roboter: Kartesische Roboter bewegen sich üblicherweise linear entlang der X-, Y- und Z-Achse. Eine Rotationsachse am Ende des Z kann die Anzahl der Achsen auf vier erhöhen. Im Gegensatz zu Gelenkarmrobotern, die komplexere Robotersteuerungssysteme und -programmierung erfordern, lassen sie sich mithilfe einer einfachen SPS für Punkt-zu-Punkt-Bewegungen einfach anpassen, warten und steuern. Aufgrund ihrer hohen Tragfähigkeit und ihres hohen Maßes an mechanischer Steifigkeit und Genauigkeit finden kartesische Roboter Anwendung bei Pick-and-Place-Vorgängen, Schweißen, Inspektionen, CNC-Anwendungen, 3D-Druck, Plasma-/Laserschneiden, Holzfräsen und Leiterplattenmontage.

Polarroboter: Polarroboter, auch Kugelroboter genannt, verfügen über Gelenke, die durch einen Drehmechanismus verbunden sind, was eine große Reichweite in horizontaler Position und eine gute Fähigkeit zum Heben von Lasten ermöglicht. Sie eignen sich für Anwendungen, bei denen eine geringe vertikale Bewegung ausreicht. Polarroboter sind für ihre hohe Geschwindigkeit und Präzision, den Umgang mit schweren Lasten und ihre kompakte Größe bekannt und eignen sich für den Einsatz in begrenzten Arbeitsbereichen. Zu den Anwendungen gehören das Beladen von Werkzeugmaschinen, die Materialbewegung, das Stapeln, Wärmebehandlungsvorgänge, Schmieden, Schweißautomatisierung, Montagevorgänge und die Bedienung von Druckgussprozessen sowie in Lackiersystemen und Lackierstraßen.

Zylindrische Roboter: Zylindrische Roboter arbeiten in einem kompakten, zylinderförmigen Arbeitsraum. Die Mechanik ist kostengünstig und einfach mit einer Drehachse für die Drehung an der Basis und zwei Linearachsen für die Höhe und Armverlängerung. Zylindrische Roboter haben eine höhere Tragfähigkeit und verleihen dem Manipulator eine hohe Steifigkeit. Sie eignen sich im Allgemeinen für Pick-and-Place-Anwendungen in den Bereichen Verpackung, Maschinenbeschickung, Materialhandhabung, Palettierung, Ausgabe sowie einfache Schweiß- und Lötaufgaben.

Bevor Sie den Robotertyp auswählen, der für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist, ist es wichtig, die spezifischen Anforderungen der Aufgabe zu definieren, wie z. B. die erforderliche Geschwindigkeit, Genauigkeit und Nutzlast sowie die Anforderungen an den Arbeitsbereich und das Budget.

Die traditionelle Automatisierung, zu der feste Automatisierungssysteme sowie herkömmliche Blindroboter und Cobots gehören, eignet sich am besten für Anwendungen, bei denen sehr große Stückzahlen eines einzelnen Teils oder einiger weniger ähnlicher Teile hergestellt werden. Wenn die Teile jedoch nicht innerhalb der richtigen Toleranzen zugeführt oder befestigt werden können, damit der Roboter sie genau erfassen kann, ist eine maschinelle Bildverarbeitung für die Roboterführung erforderlich, um eine präzise Aufnahme oder Platzierung sicherzustellen.

Feige 2: Durch das Hinzufügen von Bildverarbeitung zu einem Industrieroboter entsteht ein flexibles System mit mehr Funktionen.

Ein visionsgesteuerter Roboter ist eine wesentlich flexiblere und vielseitigere Automatisierungslösung. Roboter-Vision-Systemanwendungen ermöglichen eine flexible Fertigung, indem sie Roboter in die Lage versetzen, sich an Produktänderungen anzupassen und eine Vielzahl von Montageanwendungen zu automatisieren, einschließlich solcher mit kleinen Teilechargen oder gemischten Chargen mehrerer Teile. Mit visiongesteuerten Robotern müssen Teile nicht von teuren Präzisionsvorrichtungen gehalten werden, es ist kein zusätzlicher Arbeitsaufwand zum Laden und Ausrichten von Teilen erforderlich und es sind keine vorgeschalteten Aktuatoren zum Sortieren und Zuführen von Teilen erforderlich.

Neben der Automatisierung einer Vielzahl von Montageanwendungen kann ein VGR-System auch zur Inspektion von Komponenten oder fertigen Baugruppen eingesetzt werden; VGR eignet sich auch für die automatisierte Palettierung, die Verfolgung von Förderbändern und die zufällige Teilekommissionierung. Darüber hinaus wird ein Industrieroboter mit integriertem Bildverarbeitungssystem wahrscheinlich auch in der Lage sein, Teile und Produkte zu messen und darauf befindliche Barcodes zu lesen.

Da Hersteller Schwierigkeiten haben, mit den Kundenanforderungen nach kundenspezifischen Produkten Schritt zu halten, die blitzschnell geliefert werden, müssen sie automatisierte Produktions- und Qualitätssicherungssysteme einführen. Allerdings ist die herkömmliche maschinelle Bildverarbeitung für die Robotik, auf die sich Hersteller in der Vergangenheit verlassen haben, aufgrund der zunehmenden Variation und Häufigkeit von Änderungen bei Produkten, Prozessen und Verpackungstypen heute möglicherweise nicht mehr so ​​effektiv.

In solchen Fällen sind KI, maschinelles Lernen und Deep Learning eingetreten, um Bildverarbeitungssystemen dabei zu helfen, Teile mit einem sehr hohen Maß an Genauigkeit zu lokalisieren und komplexe automatisierte Inspektionen an einer Vielzahl von Produkten und sogar großen Endbaugruppen effizienter durchzuführen. Aus diesem Grund installieren Hersteller heute automatisierte Inspektionssysteme, die praktisch jedes Produkt mit geringeren Falsch-Negativ-Ausschussraten prüfen, als dies allein mit KI oder regelbasierten Bildverarbeitungssystemen möglich wäre, indem sie die Fähigkeiten von KI-Machine-Vision-Lösungen mit den Stärken kombinieren traditioneller Bildverarbeitungsalgorithmen, einschließlich 3D-Vision.

Darüber hinaus reduziert Deep Learning Mikrostopps aufgrund von Ecken und Kanten und ermöglicht es Robotern, sowohl Montage- als auch Inspektionsaufgaben gleichzeitig durchzuführen. Die Kombination dieser Aufgaben reduziert Produktivitätsverluste, die durch Teilevariationen und die späte Erkennung von Fehlern verursacht werden.

Abb 3: Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungskameras von Emergent Vision Technologies können Roboter bei der Ausführung einer Vielzahl von Aufgaben unterstützen.

Weitere Kameraoptionen finden Sie in unserem interaktives Systemdesigner-Tool.