Vision-Systeme für die Fabrikautomatisierung von IDS: Kleiner, schneller, smarter

Neben hohen Auflösungsraten und schnelleren Übertragungsstandards, sind derzeit vor allem kleine Boardlevel-Kameras mit den wichtigsten Basisfeatures sowie Industriekameras mit KI gefragt.

Industriekameras übernehmen heutzutage ähnliche Aufgaben wie Sensoren, eröffnen durch ihren universellen Einsatz jedoch vollkommen neue Möglichkeiten bei der Automatisierung von Fertigungsprozessen. Ein entscheidender Vorteil ist die Fähigkeit, mehrere Aufgaben zu verrichten, da Kameraaufnahmen eine weitaus flexiblere Auswertung verschiedener (optischer) Merkmale ermöglichen als hochspezialisierte Sensoren. Das hat dem Industriekamerabereich in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung beschert, die sich mit den Attributen „kleiner, schneller, smarter“ zusammenfassen lässt.

Industriekameras entwickeln sich derzeit in Richtung: Kleiner, schneller und intelligenter.

Kleiner: Winzige Kameras für Embedded-Anwendungen

Einplatinenkameras können mittlerweile so klein gebaut werden, dass sie vollständig im Objektivhalter Platz finden. Sie eignen sich damit besonders für den Kleingerätebau und Embedded-Vision-Anwendungen. Die Modelle mit Maßen von 29 x 29 x 7, wie sie von IDS angeboten werden, sind dabei auf die wesentlichsten Features kostenoptimiert. Vielfältige Gehäusevarianten, ob mit oder ohne Objektivhalter, gehaust in Kunststoff oder als vollwertiges Zink-Druckgussgehäuse lassen sie sich in die unterschiedlichsten Bildverarbeitungssysteme integrieren. Beim Zubehör und den Anschlüssen bzw. Interfaces sorgen Standardkomponenten für einfache Verwendung. Als Objektive sind alle gängigen C-/CS-Mount als auch S-Mount nutzbar und mit Type-C-Stecker und USB3 Vision-Standard können sie ohne viel Zubehör oder aufwändige Entwicklungswerkzeuge einfach in Betrieb genommen bzw. in ein Vision-System integriert werden. Kamerahersteller wie IDS reagieren damit auf neue Anforderung des Marktes, denn viele Anwendungen benötigen schlichtweg keine Kameras mit High-End-Bildsensoren.

Industriekameras entwickeln sich derzeit in Richtung: Kleiner, schneller und intelligenter.

Zusätzliches Einsparpotenzial durch günstige Kameraelektronik

Durch die Verwendung von Rolling-Shutter-Sensoren (RS) im Vergleich zu Global-Shutter-Sensoren (GS) kann deutlich einfachere und günstigere Kameraelektronik verbaut werden, die für etliche Anwendungen vollkommen ausreichend ist. Bei RS erfolgt das Auslesen der digitalisierten Pixel bzw. Helligkeitswerte zeilenweise. Zunächst wird die erste Zeile ausgelesen, dann die zweite, und so weiter. Dieses Vorgehen ermöglicht mehr Zeit für die Ausleseelektronik. Somit muss weniger aufwendige Technik parallel arbeiten, was weniger Speicherpuffer erfordert, da weniger Daten auf einmal zwischengepuffert werden müssen. An seine Grenzen stößt RS hingegen bei hohen Taktraten und schnell bewegten Objekten. Falls sich das Objekt während des Ausleseprozesses – zwischen zwei Zeilen – bewegt, kann es zu „Verzerrungen“ kommen.

Hier sind GS-Sensoren im Vorteil. Sie erfassen gleichzeitig alle Pixel eines Bereichs und speichern sie ab. So entstehen zwar letztlich schärfere Bilder, aber es wird auch mehr Speicherplatz benötigt und die Elektronik wird teurer. Einsparmöglichkeiten ergeben sich durch die Reduzierung weiterer Elektronik-Features, wie beispielsweise die Trigger-Elektronik oder die Pixelvorverarbeitungen. Dies „fehlenden“ Features werden in ein externes Software Development KIT (SDK), wie beispielsweise IDS peak, auf einen Host PC ausgelagert. Durch den Verzicht auf solche speicherprogrammierbaren Bauteile (FPGAs) kann zudem der Hersteller-Support und die Lieferfähigkeit dieser Kameras verbessert werden. Gerade in Zeiten von Bauteilknappheit und der viel beschriebenen „Chip-Krise“ rücken Kameraklassen mit weniger speziellen und knappen Bauteilen wieder mehr ins Licht.

IDS NXT ermöglicht die Umsetzung vieler einfacher Bildanalysen von der Idee bis zum voll funktionsfähigen Embedded KI-Vision System und kommuniziert Ergebnisse mit Industrieprotokoll direkt auf Maschinenebene.

Schneller: Großformatige 45 MP-Sensoren ohne Geschwindigkeitseinbußen

Sollen hingegen die Taktraten erhöht, Inspektionszeiten verkürzt und Objekte, wie z. B. Wafer oder Panels, aus größeren Entfernungen hochpräzise analysiert, vermessen bzw. auf Fehler geprüft werden, kommen großformatige Sensoren zum Einsatz. So lassen sich die benötigten Aufnahmen oder Inspektionspunkte mit größtmöglichem Sichtfeld auf ein Minimum reduzieren und der Durchsatz erhöhen. Um die erzeugten datenintensiven Kamerabilder in voller Auflösung, mit hoher Framerate und mit sehr geringen Latenzen an eine Bildverarbeitungseinheit zu übermitteln, braucht es zudem ein Hochgeschwindigkeits-Interface.

Mit der uEye Warp10 hat IDS beispielsweise eine Kamerafamilie auf den Markt gebracht, die Daten dank 10GigE im Gigabit-Ethernet-basierten Netzwerk besonders schnell und mühelos über weite Strecken überträgt. Als Bildsensoren kommen onsemi Global Shutter-Sensoren mit bis zu 45 MP zum Einsatz. In Verbindung mit dem gewindebasierten und damit industrietauglichen TFL-Mount können diese Bildsensoren mit bis zu 2" Bilddiagonalen ohne Randabschattung belichtet werden. Zudem können die verbauten Highspeed-Sensoren in 10 GigE Kameras durch die deutlich höhere Bandbreite bis an den Anschlag ausgereizt werden.

IDS NXT ermöglicht die Umsetzung vieler einfacher Bildanalysen von der Idee bis zum voll funktionsfähigen Embedded KI-Vision System und kommuniziert Ergebnisse mit Industrieprotokoll direkt auf Maschinenebene.

Zehnmal schneller über existierendes Netzwerk

Kameras, die in der Lage sind, Bilddaten über Gigabit-Ethernet-basierte Netzwerke schnell und zuverlässig zu übertragen, lassen sich in der Regel gut in bereits existierende Infrastrukturen integrieren. Ethernet hat sich mittlerweile zum Standard-Interface gemausert. Es ist sicher, einfach und benutzerfreundlich. Für die hohe Akzeptanz sorgt unter anderem, dass der vollständig IEEE-konforme und AIA-zertifizierte Technologiestandard kompatibel ist mit Switches, Motherboards, Schnittstellenkarten, Kabeln und Kameras. Es werden keine zusätzlichen teuren Framegrabber mit spezieller Treibersoftware benötigt wie bei anderen Interfaces. 10GigE ermöglicht bis zu 100 Meter Kabellänge ohne Repeater oder optische Extender über Standard CAT6A Kabel. Ethernet-kompatible Kameras fügen sich somit mühelos in bestehende Prozesse ein und stehen für eine Vielzahl von Anwendungen zur Verfügung.

10-mal schneller als Standard-Industriekameras und dreimal schneller als USB3-Modelle: Die 10GigE Kamerafamilie uEye Warp10 zeigt ihre Stärken in Einsatzbereichen mit höchsten Anforderungen an Auflösung, Bildqualität und Geschwindigkeit.

Smarter: Bildanalysen direkt auf der Kamera dank KI

In Anwendungsbereichen, in denen beispielsweise nach Qualität sortiert, nach Klassen kategorisiert oder Objekte bzw. neue Merkmale detektiert werden soll, sind Kameras mit Künstlicher Intelligenz die richtige Wahl. Mit ihnen kann das Bildverarbeitungssystem möglichst platzsparend, zum Teil sogar ohne zusätzlichen PC integriert werden. Sie kommen vor allem dann zum Einsatz, wenn Objekte mit natürlicher Varianz wie Lebensmittel, Pflanzen oder andere organische Objekte auf ihre Farbe, Oberfläche, Größe, Gewicht oder Form inspiziert werden sollen und sich daraus direkt ein Verhalten ergeben soll – sprich die Maschine sortiert das ungenügende Objekt aus. Es handelt sich also um intelligente Kameras, die Bilder nicht nur aufnehmen und an Host-PCs zur weiteren Verarbeitung senden, sondern die Bildanalyse mit integriertem KI-Beschleuniger selbst durchführen und daraus ganz eigenständig prozessrelevante Ergebnisse erzeugen. Dadurch übernehmen sie eine neue Rolle in vernetzten Systemen, die weit über das hinausgeht, was regelbasierte Bildverarbeitung leisten kann. Sie sind nicht mehr nur Teil der Bildverarbeitung, sondern agieren als vollständiges Bildverarbeitungssystem. Zur Kommunikation unterstützen deren Schnittstellen Industrieprotokolle, wie OPC UA, tauschen so Ergebnisdaten direkt mit Maschinen und Steuerungen aus und arbeiten damit nahtlos in Industrie 4.0 Anwendungen – ein Meilenstein für das Zusammenwachsen von Bildverarbeitung und SPS. So entstehen wegweisende Synergien für die Zukunft.

Die Anwendung entscheidet über die Kamera

Kamera ist nicht gleich Kamera! Wer von Industriekameras spricht, kann ganz unterschiedliche Bedürfnisse haben. Sensorauflösung, Übertragungsgeschwindigkeit und Funktionsumfang sind dabei oft nicht die entscheidenden Faktoren. Im Fokus steht daher immer die konkrete Anwendung. Clever ausgewählt können Industriekameras damit einen wertvollen Beitrag in der Fabrikautomatisierung leisten und bestehende Prozesse sinnvoll ergänzen. Die Anforderungen lassen sich dabei durch die Eigenschaften kleiner, schneller, smarter zusammenfassen.