Trends bei Bildverarbeitungssensoren

Der HPIL-Time-of-Flight-Brenner von Cognex ist ein fest montierter Barcode-Leser.

Sensoren, die die Leistung einer Fabrik melden, indem sie Maschinenfunktionen, Ausfallzeiten und Produktionsziele messen, sind sehr gefragt.

Und mit dieser Nachfrage geht die Erwartung einher, dass diese Sensoren schnell und präzise sind und konstant hochwertige Daten liefern.

„Sensoren sind die Augen der Fabrik“, sagt Dana Holmes, Global Business Development Manager bei Banner Engineering. „Sie sagen Ihnen sofort, was passiert, sodass Sie immer Bescheid wissen – auch wenn Sie nicht am Produktionsband sind. Es ist von entscheidender Bedeutung, diese Linien am Laufen zu halten, Produkte herzustellen, die den Kundenanforderungen entsprechen, und Maschinen zu implementieren, die mehrere Anwendungen ausführen.“

Als Reaktion auf diese Nachfrage vereinen Sensoren mehrere Funktionen in einem einzigen Paket. Beispielsweise könnten Lasersensoren zusätzlich zur Anwesenheits- und Abwesenheitserkennung auch Distanzausgänge enthalten, sagt Mike Hamoy, Produktmanager bei Omron Automation Americas.

Unabhängig davon, ob es sich um Näherungssensoren, Photoelektrizität oder Glasfaser handelt, ist eine wachsende Anzahl von Sensoren unter anderem mit größeren Erfassungsbereichen verfügbar. Da ihre Funktionalität und Intelligenz ständig weiterentwickelt werden, sind die heutigen Sensoren kleiner und besser auf den Einsatz in härteren Umgebungen vorbereitet.

Im Rahmen von Industrie 4.0 nutzen Hersteller industrielle Netzwerke für vernetztere und intelligentere Maschinen, die letztendlich Leistung, Effizienz und Produktivität verbessern.

Durch intelligentere Sensoren können sie zur vorausschauenden Wartung beitragen, also zur Fähigkeit, Probleme vorherzusagen und entsprechend zu planen, anstatt auf Wartungsprobleme zu reagieren. Bei richtiger Anwendung kann Predictive Maintenance Ausfallzeiten reduzieren.

Robuste Sensoren, die eine prädiktive Diagnose nutzen, tragen dazu bei, falsche Sensorsignale zu vermeiden, sagt Felix Klebe, Marketing Manager, Advanced Sensing, bei Omron Automation Americas.

Dies ist von entscheidender Bedeutung, wenn Änderungen in der Fertigungsumgebung – beispielsweise eine erhöhte Nachfrage nach einem bestimmten Material – möglicherweise eine größere Flexibilität des Sensors erfordern. Diese Flexibilität könnte einen größeren Erfassungsbereich oder eine Technologie wie Hintergrundunterdrückung bedeuten, die es dem Sensor ermöglicht, eine größere Vielfalt an Objekten zu erkennen.

Um eine vorausschauende Wartung umzusetzen, müssen Hersteller zahlreiche Echtzeit-Sensordaten sammeln, um schnelle Anpassungen vorzunehmen und Produktionslinien neu auszubalancieren.

Hier kommt IO-Link ins Spiel, ein relativ kostengünstiges und wirkungsvolles offenes Kommunikationsprotokoll. IO-Link ermöglicht eine skalierbare, direkte Kommunikation zwischen Sensoren und der Steuerung.

„Vorausschauende Wartungssensoren mit drahtloser Konnektivität ermöglichen es Ihnen, den Zustand Ihrer Ausrüstung zu verfolgen, indem sie Eigenschaften wie Vibration, Temperatur, Strom und Druck überwachen und Schwellenwerte für Warn- und Alarmbedingungen festlegen“, sagt Holmes. „IO-Link bietet zahlreiche Vorteile, die sich auch auf das sich verändernde Feld auswirken, wie zum Beispiel: standardisierte und reduzierte Verkabelung, erhöhte Datenverfügbarkeit, Fernkonfiguration und -überwachung, einfacher Geräteaustausch und erweiterte Diagnose.“

Laut Holmes ermöglichen Technologien wie IO-Link, dass Sensoren mehr Daten sammeln, genau überwachen, was am Fließband passiert, und Probleme identifizieren, um die Maschinenleistung aufrechtzuerhalten. Spezialsensoren mit klarer Objekterkennung und Präzisionsmessfunktionen ebnen den Weg. Beispielsweise können klare, schwarze und glänzende Metallziele, die in der Vergangenheit schwierig waren, dank dieser Sensoren jetzt zuverlässig erkannt werden, sagte Holmes.

Natürlich setzt eine IO-Link-Fähigkeit zunächst IoT-Kompatibilität voraus. Das Internet der Dinge sei eine „große treibende Kraft“ in der Sensorentwicklung gewesen, sagt Holmes, da es den Herstellern durch den Zugriff auf kritische Leistungs- und Produktionsdaten eine größere Transparenz in ihre Abläufe verschafft. Dies mache es für Hersteller einfacher, Probleme zu lösen, Trends zu erkennen und bessere, datengesteuerte Entscheidungen zu treffen, sagte er.

Laut Hamoy folgt die Maschinenvernetzung – von der Anlage bis zur Sensorebene – dem Trend zur vorausschauenden Wartung.

IoT synchronisiert auch mehrere Sensorfunktionen in einzelnen Paketen, sagt er.

„IoT drängt Sensorhersteller dazu, ihre Sensoren mit mehr Intelligenz auszustatten und mehr konfigurierbare Funktionen einzubauen“, erklärt Holmes. „Mit IoT-Plattformen wie IO-Link; Produktkonfigurationen; und Alarme können Daten vom Sensor manipuliert und abgerufen werden.“

Mit dieser zusätzlichen Intelligenz können beispielsweise Näherungssensoren, die früher nur An- oder Abwesenheit registrierten, jetzt auch die Innentemperatur über IO-Link bereitstellen, sagt er.

Die Smartkamera Cognex 9912 verfügt über einen 1,1-Zoll-CMOS-Sensor.

Da das IoT die Verbindung von Vision-Sensoren mit unzähligen Technologien ermöglicht, sind Interoperabilitätsstandards von entscheidender Bedeutung.

Justin Testa, Vizepräsident von Cognex Corp., hält OPC Unified Architecture (OPC UA), einen industriellen Interoperabilitätsstandard, der zur Unterstützung der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation entwickelt wurde, für eine spannende Entwicklung.

Die Branche hat den Standard weitgehend angenommen, darunter Europas größter Verband der Maschinenbauindustrie, der VDMA, und alle großen Bildverarbeitungsverbände auf der ganzen Welt haben zu seiner Umsetzung beigetragen.

„OPC UA – kombiniert mit fortschrittlicher Sensortechnologie und Trends wie Deep Learning – wird dazu beitragen, die Bildverarbeitungstechnologie von einer Punktlösung zu einer Brücke zwischen der industriellen Welt und der physischen Welt zu machen“, sagt Testa.

Heutzutage nimmt diese Brücke die Form von Vision-Systemen und ID-Lesegeräten an, die „wichtige Datenquellen für moderne Unternehmen“ sind, sagt er.

Sensoren selbst sind auch eine Brücke für Daten. Cloudbasierte Systeme verwenden Sensoren, um Informationen aus der Fabrikhalle zu erfassen und sie in einen cloudbasierten Speicher zu übertragen, sagt Holmes.

Diese externe Speicherung ermöglicht es Herstellern, Sensordetails aus der Ferne abzurufen – beispielsweise um zu sehen, ob ihr Sensor neu konfiguriert, ersetzt oder neu programmiert werden muss – was praktisch ist, wenn sich ein Gerät an einem unzugänglichen Ort befindet, sagte Holmes.

Bildgebende Sensoren auf Basis der Quantenpunkttechnologie seien vielversprechend, sagt Steve Kinney, Vertriebsleiter bei Smart Vision Lights. Sensoren, die eine Mischung aus Komplementär-Metalloxid-Halbleitertechnologie (CMOS) und Kurzwellen-Infrarottechnologie (SWIR) sind, nutzen die Quantenpunkttechnologie, die Licht hocheffizient in elektrische Ladung umwandelt, um Kosten zu senken und Geschwindigkeit und Auflösung zu erhöhen.

Während Quantenpunktsensoren und Kameras mit Schwerpunkt auf SWIR-Bildgebung bereits auf dem Markt sind, wird die Quantenpunkttechnologie wahrscheinlich irgendwann in Sensoren in Form zusätzlicher Lichtspektren auftauchen; einzelne Sensoren mit breiterer spektraler Empfindlichkeit, als dies mit Standard-CMOS-Imagern möglich ist; und die Möglichkeit für maßgeschneiderte multispektrale Reaktionen, die auf bestimmte Anwendungen abgestimmt sind, sagt Kinney.

Mit der Weiterentwicklung des CMOS-Bereichs sei die Auflösung gestiegen, während die Pixelgröße abgenommen habe, sagt Kinney.

Da sich hochauflösende Sensoren besser für Hochleistungsbildgebung eignen, werden Bildsensoren „mit Unterscheidungsmerkmalen wie Sensoren mit sehr großem Seitenverhältnis ausgestattet sein“, die beispielsweise für autonome Fahrzeuge verwendet werden könnten, sagt Kinney.

Da die maschinelle Bildverarbeitung immer höher auflösende und intelligentere Kameras einbezieht, sind neue automatisierte Lösungen sowohl innerhalb als auch außerhalb der Fertigungshalle in greifbarer Nähe, sagt Testa.

„[Dies alles] bei einer Einfachheit der Bedienung, die der eines Smartphones nahekommt, was den technischen Aufwand und die damit verbundenen Kosten erheblich reduziert“, sagt er.

Daher verzeichnet Cognex ein wachsendes Interesse an Smart-Kameras mit einer Auflösung von bis zu 12 Megapixeln.

„Hochauflösende Sensoren bedeuten, dass eine einzelne intelligente Kamera, die einen Automotor inspiziert, die Arbeit mehrerer intelligenter Kameras mit 2 oder 5 Megapixeln übernehmen und gleichzeitig hochpräzise Inspektionen durchführen kann“, sagt er.

Die neueste High-Dynamic-Range-Technologie (HDR) plus Bildverarbeitungstechnologie hilft intelligenten Kameras auch dabei, mehrere Bereiche großer Objekte zu inspizieren, in denen die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung nicht ideal ist.

„Früher konnten Beleuchtungsschwankungen mit Mängeln verwechselt werden oder das Merkmal war gar nicht sichtbar“, sagt Testa. „Heute trägt HDR-plus dazu bei, die Auswirkungen von Lichtschwankungen zu reduzieren und ermöglicht Anwendungen in anspruchsvollen Umgebungen, die noch vor wenigen Jahren über die Möglichkeiten der Bildverarbeitungstechnologie hinausgingen.“

Während fortschrittliche Smart-Kameras die HDR-plus-Technologie auf einem feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA) – oder einem integrierten Schaltkreis, der nach der Herstellung konfiguriert werden soll – ausführen, um die Qualität des erfassten Bildes bei Bildratengeschwindigkeiten zu verbessern, ergänzende Sensortechnologie – wie z Flugzeitsensoren – ermöglichen einen entfernungsbasierten dynamischen Fokus oder Autofokus, sagt Testa.

Testa nennt außerdem das Bilderzeugungssystem „High-Powered Integrated Torch“ (HPIT) von Cognex und die Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitslinsentechnologie als Werkzeuge, um einen dynamischen Autofokus bei Bildfrequenz zu ermöglichen.

„Die neuesten ID-Lesegeräte verfügen über HPIT-Fähigkeit für Anwendungen wie Hochgeschwindigkeits-Tunnelsortierung und Lagerverwaltung in Situationen, in denen Pakete und Produktgrößen erheblich variieren können, was eine schnelle Anpassung der Kamera an unterschiedliche Brennweitenbereiche erfordert“, sagte er.

Genevieve stirbtist Redakteur für Qualität.