Die fertig bestückte Getränkekiste kommt auf der Rollbahn aus der Abfüllung. Die Qualitätskontrolle muss hier zwei Fragen beantworten, die sehr unterschiedliche Anforderungen an die Sensorik stellen: Sind alle Fächer in der Kiste belegt? Sitzen die Schraubverschlüsse oder Kronkorken korrekt auf den Flaschen? Ein 2-D-Sensor kann zwar die Vollständigkeit der Bestückung erfassen, scheitert aber an der zweiten Frage, da ihm die Tiefeninformation der z-Achse fehlt. Ein 3-D-Gerät mit Stereokamera kann dagegen beide Kriterien in einem automatisierten Durchgang gleichzeitig im Auge behalten.
Für die Steuerung fahrerloser Fahrzeuge (automated guided vehicle, AGV) sind 3-D-Daten ebenfalls nützlich. Hier wird jedoch ein größerer Erfassungsbereich benötigt, der eher durch ein Laufzeitverfahren (Time of Flight, ToF) abgedeckt werden kann. Es kann die Information über zu umfahrende Hindernisse oder Zielpunkte wie die Aussparungen im Palettenfuß liefern. Eine 2-D-Erfassung genügt dafür nicht. ToF-Signale können bei entsprechenden Vorkehrungen zu 3-D-Daten zusammengeführt werden.
Damit sind zwei typische und in ihrer Art weitverbreitete Anwendungen skizziert, die in Produktion und (Intra-)Logistik in vielen Betrieben vorkommen. Normalerweise werden für sie unterschiedliche, auf die jeweilige Aufgabe spezialisierte Sensoren verwendet. Doch die genannten Anwendungen – präzise 3-D-Situationserfassung und Steuerung eines bewegten Objekts – gibt es sehr oft im selben Betrieb. Im Sinne der Asset-Standardisierung ist es sinnvoll, auf eine einheitliche Sensor-Plattform zu setzen und den Aufwand für die Geräteintegration zu reduzieren.
Variable Vision-Technologie
Die Sensoren der SmartRunner Explorer 3-D-Serie umfassen zwei Gerätevarianten, mit Stereo-Vision- und ToF-Technologie. Die erste beherrscht die 3-D-Erfassung im Nahbereich, die zweite die Überwachung eines Bereichs bis zehn Meter Ausdehnung. Beide Geräte besitzen das gleiche stabile Aluminiumgehäuse, das die Sensortechnik auch unter harschen Bedingungen wirksam schützt. Es fungiert zugleich als Kühlkörper für Betriebswärme und verhindert unerwünschte Temperaturwirkungen. Die Montage wird durch ein Ausrichtlineal und Ausrichtungsbohrungen erleichtert.
Die Geräte werden als kalibrierte Rohdatensensoren ausgeliefert. Sie verwenden eine standardisierte Datenstruktur und dieselbe kostenfreie Anwendersoftware ViSolution. Inbetriebnahme und Parametrierung lassen sich damit anhand von Livedaten intuitiv und auf derselben Oberfläche durchführen. Der Austausch einzelner Geräte erfolgt nach dem Prinzip Plug&Play ohne Neukalibrierung.
2-D- und 3-D-Daten werden mit wenigen Klicks zielgerichtet visualisiert. Durch Duplizierung von Einstellungen ist die einfache Integration der Geräte möglich. Die Vorgaben des ersten Sensors können unmittelbar für weitere Geräte übernommen werden. Das gilt für beide Gerätevarianten, auch bei unterschiedlichen Anwendungsspektren. Ein integriertes Ethernet Gigabit Interface sorgt für schnelle Datenübertragung.
Inspektionsanwendungen mit Stereo Vision
Die Reichweite des Stereo-Vision-Geräts ist mit 1000 Millimeter auf Inspektionsanwendungen ausgerichtet. Es verfügt in einem Abstand von 600 Millimeter über einen Erfassungsbereich von 400x350 sowie 550x500 Millimeter bei 900 Millimeter Distanz. Die Funktionsweise kann an die jeweilige Aufgabe angepasst werden, so zum Beispiel auf die Prüfung oder Zählung von definierten Objekten bei der Vermessung von Gegenständen auf einem Förderband oder einer Rollbahn.
Eine andere mögliche Anwendung ist die Volumenerfassung bei amorphen Massen. Beispielhaft kann hier das Abpacken von Bananen genannt werden: Die Transportkisten sollen möglichst vollgepackt sein, es darf aber nichts über den Rand hinausragen, denn schon eine beschädigte Frucht kann zum Fäulnisherd für den gesamten Inhalt werden. Das wird mit dem Einsatz eines Stereo-Vision-Geräts der SmartRunner Explorer 3-D-Serie zurverlässig verhindert.
Zwei 1,4-Megapixel-Kameras erfassen die Bananenkiste aus unterschiedlichen Winkeln. Ihre hochaufgelösten 2-D-Aufnahmen werden im Sensor automatisch zu einem Disparitätenbild überlagert. Das schafft die Grundlage für die präzise Ausrichtung auf den gewünschten Erfassungsbereich und vereinfacht die Interpretation der Messergebnisse. Anschließend wird ein hochaufgelöstes 3-D-Punktwolkenbild des gesamten Messbereichs erzeugt.
Auf dieser Basis wird das Zielobjekt detailliert dargestellt. Die Vorverarbeitung der Messdaten findet unmittelbar im integrierten FPGA statt. Anders als herkömmliche Geräte in diesem Marktsegment liefert der SmartRunner Explorer 3-D optimierte Tiefendaten aus der z-Richtung. Sie eröffnen neue Möglichkeiten in der Anwendung, die ohne diese zusätzliche Informationsdimension nicht zugänglich wäre.
Fahrzeugsteuerung mit Laufzeitverfahren (ToF)
Die zweite Sensorvariante verwendet das Laufzeitverfahren (Time of Flight, ToF). Hier genügt eine einzelne Kamera. Sie verfügt über einer VGA-Auflösung von 640x480 Pixel, besonders wichtig ist die mit 30 Hertz hohe Messrate. Dank dieser Ausstattung erfasst das Gerät einen ausgedehnten Messbereich und erlaubt sehr kurze Reaktionszeiten.
Eine weitere Stärke ist die Unempfindlichkeit des Sensors gegen Fremdlicht. Sie beruht auf dem Infrarotlicht, die er mit seiner DuraBeam-Beleuchtung emittiert. Dessen Wellenlänge von 940-Nanometer hat einen genügend großen Abstand vom Frequenzbereich des natürlichen Tageslichts ebenso wie von künstlicher Beleuchtung, sodass die Detektion im Innen- wie Außenbereich von den Lichtverhältnissen unbeeinträchtigt bleibt. Zudem werden Nutzsignal und Messergebnisse durch eine 4-Phasen-Messung optimiert.
Das ToF-Gerät misst die Distanz zum Objekt; seine Signalverarbeitung basiert auf einem „Z-Bild“. Sie produziert ein Tiefenbild sowie eine Höhenkarte mit 2-D-Informationen in x-und y-Richtung und führt beides zusammen. Daraus entsteht wiederum ein 3-D-Punktwolkenbild mit hoher Auflösung. Es bietet die Grundlage für eine 3-D-Orientierung in der Bewegung, etwa zur Positionierung von Roboterarmen oder bei der AGV-Steuerung. Hindernisse und Ausweichmöglichkeiten werden zuverlässig erkannt.
Mit den beiden Gerätevarianten der Serie SmartRunner Explorer 3-D können praktisch alle 3-D-Anwendungen für Vision-Sensoren abgedeckt werden. Die einheitliche Plattform senkt den Integrationsaufwand; die Gratis-Software ViSolution bietet eine intuitive Führung bei der Parametrierung und Bedienung der Sensoren.
