Robotersysteme und industrielle Bildverarbeitung sind das «Dream-Team», um branchenübergreifende Anwendungen der Qualitätsprüfung, Inspektion und des Handlings zu automatisieren. Spezielle Industriekameras wie die VisiLine-IP-Kameras von Baumer können dazu als «Augen» des Roboters dank konsequenter Design- und Funktionsanpassung einen wichtigen Beitrag leisten. Roboter erleichtern die Arbeit von Menschen und erhöhen die reproduzierbare Qualität in der Produktion. Dabei gilt es, auch komplexe Robotersysteme so flexibel wie möglich auszulegen, damit sie an unterschiedliche Aufgaben einfach angepasst werden können, um die oft hohen Investitionen zu refinanzieren. Speziell auf Roboter abgestimmte Kameras erlauben die Einsparung von Systemkomponenten und so die schnelle Integration beim Endkunden.
Status quo: IP65, Schutzgehäuse und Kabelverbindungen
Die meist rauen Einsatzbedingungen für industrielle Robotersysteme stellen an die eingesetzten Komponenten hohe Anforderungen: Langlebig, robust und wartungsarm sollten sie sein, um Ausfallzeiten zu vermeiden. Für viele ist deshalb die Schutzart IP 65 gefordert. Standardindustriekameras mit IP 20/40-Schutzart müssen deswegen oft in ein separates Schutzgehäuse integriert werden. Dies erhöht die Flexibilität, da man Kameras mit verschiedenen Auflösungen, Bildraten und Funktionalitäten je nach Anforderung einfach austauschen kann, womit man fast immer ein ideales Preis-Leistungs-Verhältnis erreicht. Ein separates Gehäuse stellt jedoch auch eine zusätzliche Systemkomponente mit entsprechenden Zusatzkosten für Beschaffung, Umgehäuse, Kabeldurchführungen, Kameramontage im Gehäuse sowie Lagerhaltungen im Servicefall dar. Nachteilig ist zusätzlich das hohe Gewicht der Kamera im Schutzgehäuse und die für Automatisierungsanwendungen eher ungeeigneten Kabel und Steckverbinder, typischerweise GigE-Kabel mit RJ45-Steckverbindern. 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 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. Das M12-Standardsteckverbinderprogramm wurde zusätzlich mit einem 8-poligen X-codierten Steckverbinder erweitert, der für die hohen Anforderungen an die Kommunikation innerhalb einer Anlage spezifiziert ist und eine zukunftssichere Lösung für den steigenden Datentransfer bildverarbeitungsgestützter Automatisierungsaufgaben darstellt. Es ist davon auszugehen, dass sich diese Verbindung zunehmend auch in der gesamten Kommunikation von Robotersystemen und den notwendigen Leitzentralen durchsetzt, um die wachsende Datenkommunikation z. B. über Profinet industrietauglich zu realisieren. Selbst eine 10-GigE-Datenübertragung ist mit diesem Stecker möglich.
Die Alternative: Spezielles Design für Robotikanwendungen
Separate Schutzgehäuse sind also nicht immer die beste und günstigste Lösung bzw. der aus Integrationssicht einfachste Weg, um Industriekameras und Objektive in Robotikanwendungen 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 genügen, zeigen die speziell für die Robotik ausgelegten VisiLine-IP-Kameras.
Ausgestattet mit einem 8-poligen X-codierten M12-Stecker können Anwender auf das in der Regel bereits vorhandene Kabelsortiment zurückgreifen und reduzieren so ihren Beschaffungsaufwand. Durch die Verschraubung und den IP-Schutz wird zusätzlich eine zuverlässige Verbindung für das Dateninterface sichergestellt. Mögliche Kontaktprobleme durch Feuchtigkeit sind damit nahezu ausgeschlossen. Auch die angelegten I/O-Pegel sind an die Richtlinien für SPS angepasst, damit Aktoren – auch in Umgebungen mit Störspannungen – keine ungewollten Triggersignale verursachen können. Dank der erhöhten Schaltspannungen (Low bis 4,5 statt 0,8 V und High ab 11 statt 2,4 V) wird eine robuste Lösung im Gesamtsystem sichergestellt und der Integrationsaufwand deutlich reduziert. Damit entfallen mögliche Kosten für Reise und Fehlersuche sowie damit verbundene Ausfallzeiten beim Endkunden. Das quadratische, wasser- und staubdichte IP 65/67-Gehäuse schützt alle empfindlichen Kamerabestandteile und das Objektiv und erlaubt zugleich eine einheitliche umlaufende Befestigung in frei wählbarer Einbaulage. Dank des 10 bzw. 100 g vibrations- und schockresistenten Mechanikdesigns profitieren Anwender von einer hohen Reproduzierbarkeit und Ausfallsicherheit, auch wenn Kameras am Roboterarm mitgeführt werden und damit Erschütterungen ausgesetzt sind.
Dank Power over Ethernet (PoE) reicht ein einziges Kabel
Eine besonders anspruchsvolle Situation tritt beim sogenannten «Not-Halt» des Roboters ein. Dieser Schutzmechanismus stoppt den Roboter augenblicklich, um Verletzungen von Menschen zu verhindern. Dabei können hohe Fliehkräfte auf eine Kamera einwirken. Entsprechend fest müssen die Kamera und der Objektivschutz montiert sein. Auch das geringe Gewicht von nur 220 g ist in diesem Fall vorteilhaft. Das flexibel erweiterbare, modulare Objektivschutzkappensystem erlaubt eine einfache Verlängerung, wenn die Anwendung z. B. längere Objektive erfordert. Dank Power over Ethernet (PoE) reicht ein einziges Kabel zur Datenübertragung und Spannungsversorgung. Bei typischen Kabellängen in Robotikanwendungen von 20 bis 30 m ist dies ein entscheidender 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, ToE) erfolgen, das mit nur wenigen µs Verzögerung nahezu einem Hardwaretrigger gleichgesetzt werden kann.
Mit Auflösungen von VGA bis 4 Megapixel stehen zudem unterschiedliche Modellvarianten zur Verfügung, um die Design-in-Kosten für unterschiedliche Anwendungssituationen eines Robotersystems zu reduzieren. Auch die neue Sony-CMOS-Sensorgeneration mit 2,3 Megapixel und dem IMX174 ist verfügbar. Diese Modelle lassen mit über 50 Bildern/s kaum Wünsche offen und bilden die in der Roboterindustrie häufigste Auflösung ab.
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