Lage- und Bestückungskontrolle auf einem Montage-Transfersystem mit einem Vision-Sensor

Inhalt

1 Einleitung
1.1 Aufgabenstellung und Zielsetzung
1.2 Allgemeines zur industriellen Bildverarbeitung

2 Montagetransfersystem
2.1 Transfersystem TS2
2.2 Werkstückträger WT 2/E

3 Bildverarbeitungssystem
3.1 Herkömmliche Bildverarbeitungssysteme
3.2 In der Diplomarbeit eingesetztes Bildverarbeitungssystem
3.2.1 COGNEX Checker 3G7
3.2.2 Modelle
3.2.3 Zubehör
3.2.4 Vor- und Nachteile des eingesetzten Systems
3.3 Aufbau des Bildverarbeitungssystems
3.3.1 Position der Kamera und des Handarbeitsplatzes
3.3.2 Lösungssuche
3.3.3 erarbeitete Lösung
3.3.4 geänderter Arbeitsablauf
3.3.5 Kamerahalter
3.4 Einführung in die Checker Programmiersoftware
3.4.1 Allgemeines
3.4.2 Verbindung zum Checker herstellen
3.4.3 Was ist ein Parametersatz?
3.4.4 Bild einrichten
3.4.5 Teile Trigger und Teile Erkennung
3.4.6 Inspektionsparameter
3.4.7 Externes Neutrainieren
3.4.8 Ausgänge einrichten
3.4.9 Anzeigen und Aufnehmen
3.4.10 Parametersatz speichern/ausführen
3.4.11 Beschaltung der Ein-/Ausgänge
3.4.12 Parametersatzauswahl
3.5 Die erstellten Parametersätze
3.5.1 Teilprüfung
3.5.2 Gesamtprüfung
3.5.3 Speichern auf der Kamera

4 SPS Hard- und Software
4.1 SoftSPS Beckhoff CX 1020
4.1.1 Grundmodul
4.1.2 Erweiterungen
4.2 TwinCAT
4.2.1 TwinCAT System Manager
4.2.2 TwinCAT PLC Control
4.2.3 Herstellen der Verbindung zur SPS
4.2.4 DIN EN 61131
4.3 Funktionsbausteinsprache FBS
4.3.1 Netzwerkmarke
4.3.2 Netzwerkkommentar
4.3.3 Netzwerkgrafik
4.3.4 Funktionsbausteine in FBS
4.3.5 Verbindungen
4.4 In der Diplomarbeit eingesetzte Funktionsbausteine
4.5 Das erstellte SPS Programm
4.5.1 Auftragswechsel
4.5.2 Kamera Auswertung
4.5.3 Werkstückträger Freigabe
4.5.4 Visualisierung
4.5.5 Freilauf für den Roboterarbeitsplatz
4.6 Anschluss der Kamera an die SPS

5 Zusammenfassung

Abbildungsverzeichnis

Quellenverzeichnis

Anhang

SPS-Programm (Auszug)

Konstruktionszeichnungen Kamerahalter

1 Einleitung

1.1 Aufgabenstellung und Zielsetzung

Die Aufgabenstellung dieser Diplomarbeit ist es, an einem Bosch-Linear-Transfersystem TS 2, welches sich im Labor für Automatisierungstechnik der Fachhochschule Gelsenkirchen befindet, eine vorhandene Kamera zur Lage- und Bestückungskontrolle durch einen modernen Vision-Sensor zu ersetzen. Dieser soll dabei die, an einem Handarbeitsplatz bestückten, Werkstückträger auf ihre korrekte Lage und Bestückung kontrollieren.

Dabei handelt es sich um folgende Bauteile, die ein Roboter im nächsten Arbeitsschritt zu einem Spurstangenkopf für einen PKW der Marke Ford Focus zusammensetzt:

- Schaftgehäuse
- Untere Lagerschale
- Kugelzapfen
- Obere Lagerschale
- Deckel

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 Spurstangenkopf Ford Focus

Die Werkstücke stammen von der Firma TRW Fahrwerkstechnik GmbH & Co. KG, die diese der Fachhochschule zur Verfügung gestellt hat.

Bei der Umsetzung sind folgende Punkte zu berücksichtigen:

- Auf Grund des geringeren Platzes am neuen Standort des Transfersystems, muss auf den Bestückungstisch, der zuvor zum Einsatz kam, verzichtet werden. Es muss eine neue Möglichkeit gefunden werden die Bestückung durchzuführen.
- Auswahl einer geeigneten Anlage zur Bestückungs- und Lagekontrolle auf dem Werkstückträger.
- Konstruktion und Montage eines Halters zur Aufnahme der Kamera.
- Programmierung des Vision-Sensors zur sicheren Feststellung von Falschbestückung.
- Anschluss des Vision-Sensors an die im Schaltschrank eingebaute speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) von Beckhoff.
- Anpassung des Programms der SPS.
- Anpassen der Visualisierung der SPS zur Anzeige der fehlerhaft bestückten Bauteile auf dem Werkstückträger.

Diese Diplomarbeit soll für die weitere Nutzung der Anlage und des Vision-Sensors im Lehrbetrieb als Anleitung und Dokumentation dienen.

1.2 Allgemeines zur industriellen Bildverarbeitung

Die industrielle Bildverarbeitung befasst sich mit der computergestützten Verarbeitung von digital aufgenommen Bildern zur Überwachung von industriellen Prozessen. Sie findet Einzug in immer mehr Industriezweige, mit immer breiterem Anwendungsspektrum. Die Hersteller von Komponenten für die industrielle Bildverarbeitung können nach einem Umsatzrückgang von 21%, im Jahr 2009 während der weltweiten Krise, bereits im Jahr 2010 wieder auf ein Umsatzplus von rund 6% zurückblicken. Auch für das Jahr 2011 wird ein Plus von 8% prognostiziert. Damit beläuft sich der Branchenumsatz Ende 2011 wieder auf fast 1,2 Milliarden Euro.

Die durchschnittliche Wachstumsrate zwischen 2000 und 2010 lag bei 6,4% und zeigt welche steigende Bedeutung die industrielle Bildverarbeitung für die Industrie hat, kaum ein anderer Industriezweig konnte ähnliche Wachstumsraten verzeichnen.

Durch ständig steigende Anforderungen an die Produktion und das Streben nach möglichst kleinem Produktionsausschuss, ergeben sich immer neue Einsatzgebiete und der Schwerpunkt der Bildverarbeitung verlagert sich vom klassischen 2D-Messen und der Prüfung von Teilen hin zu komplexem 3D-Messen. [VDMA_IBD]

Aktuell sind in der industriellen Bildverarbeitung kaum technologische Neuerungen zu verzeichnen, vielmehr steht die kontinuierliche Senkung der Kosten für ein Bildverarbeitungssystem und die Erleichterung der Handhabung im Vordergrund. Folgende Grundregeln gilt es bei der Umsetzung zu berücksichtigen:

- Die Prüfaufgabe muss detailliert und präzise beschrieben werden, in einer den Eigenarten des maschinellen „Sehens“ angemessenen Weise.
- Alle zulässigen Varianten von Prüfteilen (hinsichtlich Form, Farbe, Oberflächenbeschaffenheit, etc.) und Fehlern müssen erfasst werden.
- Die Umgebungsbedingungen (Beleuchtung, Bildaufnahme, mechanisches Umfeld etc.) müssen so gestaltet werden, dass die festzustellenden Fehler in maschinell erfassbarer Weise hervortreten.
- Diese Umgebungsbedingungen müssen stabil gehalten werden.

[IBV_Springer]

2 Montagetransfersystem

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 Transfersystem Übersicht und Komponenten

Das Montagetransfersystem besteht im Wesentlichen aus vier Teilen, die in Abbildung 2 farblich markiert sind. Das grün gekennzeichnete Transfersystem übernimmt den Transport der Werkstücke zwischen den Arbeitsstationen. Nach der Handbestückung im rot gekennzeichneten Bereich, werden die Bauteile des Werkstücks durch das eingesetzte Bildverarbeitungssystem auf korrekte Bestückung und Lage geprüft. Von hier aus werden sie durch das Transfersystem zum blau gekennzeichneten Montageplatz transportiert und von einem Roboter montiert. Die Steuerung des Transfersystems übernimmt die, in dem in gelb gekennzeichneten Schaltschrank untergebrachte, SPS. Hier steht zusätzlich eine Visualisierung über einen eingebauten Bildschirm zur Verfügung.

2.1 Transfersystem TS2

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 Karreebauweise Transfersystem TS2 [BOSCH_REXROTH_TS2]

Das vorhandene Transfersystem ist wie in Abbildung 3 in Karreebauweise als Umlaufsystem ausgeführt. Die beiden Bandstrecken, an denen sich der Bestückungsplatz und der Montageplatz für den Roboter befinden, werden über zwei Quertransporte miteinander verbunden. Die Werkstückträger werden mit Hub- und Quereinheiten auf die jeweiligen Quertransporte weitergeleitet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 Vereinzeler VE 2 Abbildung 5 Vereinzeler mit Sensorhalter und Sensor

An den Arbeitsstationen befinden sich Vereinzeler mit angebauten Sensoren. Sie können auf der Bandstrecke befindliche Werkstückträger zur Montage stoppen. So kann das Band unter ihnen weiter laufen. Weitere dieser Vereinzeler befinden sich über das ganze Transfersystem verteilt. Sie dienen ebenfalls dazu Werkstückträger vor der Hubeinheit des Quertransportes zu stoppen, wenn sich ein anderer Werkstückträger auf dieser befindet.

Zur Montage durch den Roboter befindet sich gegenüber dem Handarbeitsplatz, zur Bestückung des Werkstückträgers, eine Hub- und Positioniereinheit, die den Werkstückträger zur Montage in eine ruhige und im Programm des Roboters genau definierte Lage bringt.

2.2 Werkstückträger WT 2/E

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6 Werkstückträger Grundelement WT 2/E [BOSCH_REXROTH_TS2]

Die Werkstückträger, von denen sich ständig fünf auf dem Transfersystem befinden, bestehen aus drei Teilen. Das Grundelement ist der Werkstückträger WT 2/E von Bosch Rexroth, mit einer Abmessung von 240x240 mm. Auf diesen ist die Werkstückträger- Grundplatte mit einer Abmessung von 200x200x40 mm (BxTxH) aufgeschraubt. Zur Aufnahme der Werkstücke dient die Werkstückträger-Aufnahme mit einer Abmessung von 150x110x40 mm. In der Werkstückträger-Aufnahme befinden sich für jedes Bauteil, dass zur Montage des Spurstangenkopfes benötigt wird, eine passende, in das Aluminium gefräste Aussparung, die ein verrutschen der Bauteile verhindert.

Durch diesen Aufbau muss bei einem Wechsel der zu produzierten Werkstücke, lediglich die Werkstückträger-Aufnahme ausgetauscht werden und der Rest des Werkstückträgers kann weiter verwendet werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7 bestückter Werkstückträger

Abbildung 7 zeigt einen komplett bestückten Werkstückträger mit Grundelement, Werkstückträger-Grundplatte und Werkstückträger-Aufnahme.

1. Verschlussdeckel
2. Untere Lagerschale
3. Obere Lagerschale
4. Schaftgehäuse
5. Kugellagerzapfen
6. Werkstückträger-Aufnahme
7. Werkstückträger-Grundplatte
8. Bosch Rexroth Werkstückträger WT 2/E

3 Bildverarbeitungssystem

3.1 Herkömmliche Bildverarbeitungssysteme

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8 Industrielle Bildverarbeitung [IBV_Springer]

Herkömmliche bildverarbeitende Systeme sind wie in Abbildung 8 zu sehen aufgebaut. Sie bestehen im Wesentlichen aus drei Bausteinen: Sensoren, Rechner und Kommunikationseinheit. Bei den Sensoren handelt es sich meist um Kameras, wobei auch Laserabtastung oder Ultraschallsensoren eingesetzt werden. Die Kommunikation zwischen Sensor und Rechner erfolgt meist über Ethernet, USB oder FireWire.

Die eingesetzten Rechner sind auf die Aufgabenstellung und deren Umfang abgestimmte Industrie-PCs mit Standard PC-Hardware und modernem Multi-Core-CPU. Bei Speicher- und Rechenintensiven Aufgaben trifft man aber auch häufig auf spezialisierte Parallelrechner, bei denen die Berechnung auf mehreren CPUs gleichzeitig abläuft. Die Parallelrechner arbeiten dabei mit einigen zehn bis einigen tausend CPUs, die alle gleichzeitig die gleichen Operationen durchführen.

Zur Kommunikation mit einem Bildverarbeitungssystem dienen in der Regel Digitalschnittstellen oder Feldbus, es kann aber auch Ethernet oder serielle Kommunikation zum Einsatz kommen

3.2 In der Diplomarbeit eingesetztes Bildverarbeitungssystem

3.2.1 COGNEX Checker 3G7

Beim Vision-Sensor Checker der Firma COGNEX handelt es sich um einen „All-in-One“-Bildverarbeitungssensor mit eingebauter Kamera, Prozessor, Beleuchtung, Optik und digitalen Ein- und Ausgängen. Er ist imstande bis zu 800 Teile pro Minute zu erfassen und zu prüfen. [COGNEX_HP_01]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9 COGNEX Checker 3G7 [CHECKER_PLF]

Im Gegensatz zu herkömmlichen Bildverarbeitungssystemen stecken hier alle Komponenten, die für die Bilderfassung, die Berechnung und die Kommunikation benötigt werden, im Gehäuse der Kamera. Man spricht von so genannten intelligenten Kameras.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10 Einordnung des Checkers [CHECKER_PLF]

Der Checker ordnet sich sowohl preislich, als auch von seinem Leistungsspektrum zwischen Photoelektrischen Sensoren und Vision-Systemen ein. Es können mehrere klassische Sensoren durch einen Checker ersetzt werden. An Stellen, bei denen nicht der Anwendungsumfang von komplexen Vision-Systemen benötigt wird, können Kosten eingespart werden.

3.2.2 Modelle

Die Produktfamilie des Checker bietet ein weites Spektrum an. Für viele Anwendungsfälle gibt es passende Vision-Sensoren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11 Checker Modellübersicht [CHECKER_PLF]

Die Modellreihe 3G des Checkers bietet, neben dem Anschluss für Stromversorgung und Ein- und Ausgänge, einen Mini-USB Anschluss, um über die zugehörige PC Software Parametersätze aufspielen zu können. Ein IP67 geschütztes Gehäuse macht den Checker sowohl staubdicht, als auch unempfindlich gegen zeitweises Untertauchen in Flüssigkeit.

Die 4G Variante des Checkers besitzt, im Vergleich zum 3G-Modell, anstelle des Mini-USB Anschlusses einen Netzwerkanschluss. Dieser ermöglicht es den Checker im Netzwerk zu integrieren, aber auch über Echtzeitethernet direkt mit einer SPS zu verbinden. Unterstützt wird hierbei PROFINET von der Firma Profibus & Profinet International. Mit Softwareupdates der Modellreihe sollen hier noch weitere Echtzeitethernetlösungen unterstützt werden, wie zum Beispiel das von Beckhoff entwickelte EtherCAT. Ein Vorteil des Netzwerkanschlusses gegenüber dem Mini-USB Anschluss, ist die Möglichkeit der Bildspeicherung auf bis zu zwei FTP Servern im Netzwerk. Somit können Grenzfälle aufgezeichnet und das Prüfprogramm entsprechend angepasst werden, ohne in die laufende Produktion eingreifen zu müssen.

Der Checker 3G1/4G1 eignet sich für Hochgeschwindigkeitsprüfung. Die Auflösung von lediglich 128 x 101 Pixeln ist hier, im Vergleich zum Checker 3G7/4G7, mit 752 x 480 Pixeln, deutlich geringer. Dafür können über 6000 Teile pro Minute geprüft werden. Beim Checker 3G7/4G7 können lediglich 800 Teile pro Minute geprüft werden.

3.2.3 Zubehör

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12 Objektivsatz Checker 3G [CHECKER_PLF]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 13 Filter für Checker 3G [CHECKER_PLF]

Zur Anpassung des Checkers an die Prüfaufgabe stehen, das im Lieferumfang enthaltene Standardobjektiv, mit der Brennweite von 5,8 mm, sowie ein Objektivsatz, mit den Brennweiten 3,6 mm, 8 mm, 16 mm und 25 mm, zur Verfügung. Zusätzlich zu den Objektiven kann der Checker noch mit verschiedenen Bandpassfiltern, mit den Wellenlängen 470, 525, 590, 635 und 850 nm, angepasst werden. Diese können verwendet werden, um den Kontrast bei ungünstiger Farbgebung zu erhöhen. Die Filterfarbe wird auf dem aufgenommen Bild heller dargestellt, ihre Komplementärfarbe hingegen dunkler.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 14 SensorView Teach Pendant [CHECKER_PLF]

Als Zubehör zur 3G Serie ist ein Handprogrammiergerät von COGNEX erhältlich, welches eine Programmierung ohne PC und ein Anpassen der Parameter eines bestehenden Prüfprogrammes ermöglicht.

3.2.4 Vor- und Nachteile des eingesetzten Systems

Die, am Montagetransfersystem bisher eingesetzte Siemens VS710, wird nicht mehr hergestellt und ist lediglich als Austauschgerät zu beziehen. Auch die zugehörige Software ist auf neuen Betriebssystemen nicht lauffähig.

Der Checker 3G7 bietet, wie die Siemens VS 710 Kamera auch, Schnittstellen für Stromanschluss, Ein-/Ausgänge, sowie zur Programmierung mit dem PC. Ihm fehlt, im Vergleich zur VS 710, allerdings der direkte Anschluss für einen Monitor. Das Kamerabild wird nur über den zur Programmierung verwendeten Mini-USB-B-Anschluss ausgegeben. Das Gehäuse des Checkers ist wesentlich kleiner und beinhaltet eine eingebaute Beleuchtung, die über die Checker-Software geregelt werden kann. Somit kann eine gesonderte, regelbare Stromversorgung für die Beleuchtung eingespart werden.

Im Vergleich zu anderen Bildverarbeitungssystemen, ist der Funktionsumfang des Checkers stark eingeschränkt. Bei Messungen werden keine konkreten Werte ausgegeben und die Programmiersoftware bietet nur einfache Tools zur Bildanalyse (Sensoren). Allerdings reicht der Funktionsumfang für die Bestückungs- und Lagekontrolle am Transfersystem völlig aus und die Kosten für ein komplexeres Bildverarbeitungssystem können eingespart werden.

Ein weiterer Vorteil ist die kompakte Bauweise des Checkers im Vergleich zu anderen Bildverarbeitungssystemen. Hier sind sämtliche Anschlüsse für Ein- und Ausgänge, sowie die Hardware, die zum Prüfen erforderlich ist, mit im Gehäuse integriert und es muss kein extra PC im Schaltschrank untergebracht werden.

3.3 Aufbau des Bildverarbeitungssystems

3.3.1 Position der Kamera und des Handarbeitsplatzes

Für die korrekte Kontrolle der Bestückung ist der gewählte Standort entscheidend. Ebenso sollte die Bestückung leicht erfolgen können und eventuelle Bestückungsfehler leicht korrigiert werden können.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 15 Bisherige Position des Handarbeitsplatzes

Der ursprüngliche Handarbeitsplatz, zur Bestückung der Werkstückträger, bestand aus einem Tisch mit einer Schiene. Auf diese musste der Werkstückträger von Hand gezogen werden und nach der Bestückung wieder zurück aufs Transportband geschoben werden. Des Weiteren befand sich der Ausgabemonitor der VS710 Kamera auf dem Tisch, sowie ein Regal mit Kästen für die einzelnen zu bestückenden Bauteile. Der Schalter auf der Vorderseite des Tisches musste zur Bestätigung der Bestückung betätigt werden, woraufhin der Werkstückträger unter die Kamera fuhr, um dort auf korrekte Bestückung geprüft zu werden. Die Kamera war in einem Aluminiumkasten über der Bandstrecke montiert, durch eine Klappe auf der Vorderseite war der Zugang zum Werkstückträger möglich.

Vorteile des ursprünglichen Standortes:

- Bequemes Bestücken auf dem Tisch möglich.
- Alle Bauteile zur Bestückung sind leicht zu erreichen.
- Das Kamerabild ist immer im Blickfeld.
- Die Kamera ist durch das Gehäuse vor einfallendem Licht geschützt.

Nachteile der ursprünglichen Systems:

- Im neuen Labor ist kein Platz mehr für den Bestückungstisch
- Umständliches hin- und herschieben des Werkstückträgers von Hand nötig.
- Bestätigungsschalter ist nicht als Taster ausgeführt.
- Bestückungskorrektur innerhalb des Kamera-Kastens äußerst schwierig.
- Die Beleuchtung der Kamera ist störungsanfällig, da sie über ein externes Netzgerät geregelt wird.

Allein auf Grund des Platzmangels musste ein neuer Standort für Kamera und Handarbeitsplatz gefunden werden. Aber auch, die unter dem Kamera-Kasten schwer zugänglichen Bauteile, stellten ein Problem in der Handhabung dar.

3.3.2 Lösungssuche

Bei der Erarbeitung einer Lösung für den möglichen neuen Standort der Kamera und des Handarbeitsplatzes, mussten folgende Punkte berücksichtigt werden:

- Wie kann ein Handarbeitsplatz, bei dem geringeren zur Verfügung stehenden Platz, realisiert werden?
- Wie kann ein manuelles Verschieben des Werkstückträgers vermieden werden?
- Ablage für die benötigten Bauteile und die fertig montierten Spurstangenköpfe?
- Wie kann die neue Kamera am Transfersystem befestigt werden, ohne den Arbeitsraum für die Bestückung zu beeinflussen?

[...]