Vision & Motion Industrielle Bildverarbeitung in modernen ethernetbasierten Netzwerken

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1 Vision & Motion Industrielle Bildverarbeitung in modernen ethernetbasierten Netzwerken View Summit Stuttgart Ingmar Jahr Vision & Control GmbH

2 Vision & Control GmbH Vision & Control - führender Hersteller intelligenter Komponentensysteme für die Industrielle Bildverarbeitung einheitliche Lösungen aus einem Guss und aus einer Hand vereinfachtes Handling, robuste Integration, zuverlässige Bildverarbeitungslösungen intensive kundenorientierte Lösungsberatung 2

3 Überblick Motivation Applikationsbeispiele Kopplung Vision & Motion Vision Systeme mit Sercos-Schnittstelle 3

4 Motivation Kombination Bildverarbeitung/ Antriebstechnik wird in folgenden Industriezweigen eingesetzt: Lebensmittel Pharma Automatisierungstechnik Solar Produktronik 4

5 Motivation Prozesse Montage & Handling sowie Verpacken & Befüllen sind in komplexen, automatisierten Fertigungsanlagen integriert. Fertigungsanlagen besitzen einen hohen Durchsatz: Große Stückzahlen, hohe Prozessgeschwindigkeit Mehrzahl der Anlagen ist / wird in Zukunft mit dezentralen, Feldbus-basierten Steuerungen ausgerüstet Trend: Bildverarbeitungssysteme müssen sich in diese Steuerungsumgebung integrieren lassen Bildverarbeitungssysteme benötigen ein Feldbus-Interface: Eine Industrial Ethernet Schnittstelle. 5

6 Applikationsbeispiele Pick and Place - Delta Roboter Quelle: 6

7 Applikationsbeispiele Pick and Place - Rovema-Demonstrator 7

8 Applikationsbeispiele Bahnverfolgung 8

9 Applikationsbeispiele Justage von Glühlampen 9

10 Applikationsbeispiele Prüfung von Gehäuseteilen Prüfaufgaben: Code lesen Innengewinde prüfen 10

11 Kopplung Vision & Motion Zeitliche Einflussfaktoren Dynamik des Fertigungsprozesses Dynamik des Antriebssystems Zu überbrückende Handhabungswege Dynamik des Bildverarbeitungssystems Geforderte bzw. notwendige Auflösung und/oder Genauigkeit der Messung bzw. erkennbare Objektdetails Kommunikation zwischen Vision & Motion 11

12 Kopplung Vision & Motion Zeitliche Einflussfaktoren - Bildverarbeitung Die Dynamik des Bildverarbeitungssystems wird bestimmt durch: 1. Die zeitliche Gliederung des Bildverarbeitungszyklus 2. Die Länge der Zykluszeit der Bildverarbeitung 3. Das Verhältnis typischer Zeiten in der Bildverarbeitung gegenüber typischen Zeiten in der Antriebstechnik 4. Die Frage: In welchen Applikationen kann Bildverarbeitung als Messglied eingesetzt werden? 12

13 Kopplung Vision & Motion Zeitliche Einflussfaktoren - Bildverarbeitungszyklus Bildverarbeitungszyklus - Typische Prozesszeiten (1) - Auslösen der Bildaufnahme (2) - Öffnen des Shutters und ggf. Auslösen des Blitzes (3) - Ende der Integrationszeit, Bildinformation ist gespeichert (4) - Bildinformation ist ausgelesen (5) - Ende des Prüfprogramms Prozesszeiten Bildverarbeitung konstant / variabel typ. Min typ. Max t d_s Shutterverzögerungszeit variabel + Jitter 100 ns 10 µs t int Integrationszeit konstant 30 µs 100 ms t cap Auslesezeit Bildsensor konstant siehe nächste Folie t proc Laufzeit BV-Programm variabel + Jitter siehe nächste Folie t ip_cyc Zykluszeit Bildverarbeitung variabel = t d_s + t int + t cap + t proc 13

14 Kopplung Vision & Motion Zeitliche Einflussfaktoren Kamera-Auslesezeiten Auslesezeit der Bilddaten in Abhängigkeit von der Größe des Bildsensors Größe Bildsensor Auslesezeit 1 Intelligente Kamera GigE - Kamera 0,3 MP (640 x 480) monochrom 11 ms 10 ms 0,4 MP (720 x 480) monochrom 19 ms 16 ms 1,3 MP (1280 x 960) monochrom k. A. 38 ms 5 MP (2592 x 1944) monochrom k. A. 84 ms 0,3 MP (640 x 480) color k. A. 14 ms 0,4 MP (720 x 480) color 25 ms 21 ms 1,3 MP (1280 x 960) color k. A. 40 ms 2,2 MP (2048 x 1088) monochrom 3 ms 33 ms 5 MP (2592 x 1944) color k. A. 140 ms 1 - Die angegebenen Auslesezeiten sind exemplarisch für verschiedene Kameratypen k. A. - keine Angaben 14

15 Kopplung Vision & Motion Zeitliche Einflussfaktoren - Laufzeit BV-Algorithmen Typ. Laufzeiten von Bildverarbeitungs-Algorithmen (Bildgröße: 640 x 480 Pixel) Bezeichnung des BV-Algorithmus Laufzeit des BV-Algorithmus Intelligente Kamera Mehrkamerasystem Linie antasten (1) < 1 ms < 1 ms Kreis antasten (2) < 1 ms < 1 ms Kontur antasten (3) < 1 ms < 1 ms Drehlage mit Momenten (4) 4 ms < 1 ms Mustersuche (Korrelation) (5) 160 ms 90 ms Kanten-basierte Objektsuche (6) 130 ms 25 ms (4) (1) (2) (5) (3) (6) 15

16 Kopplung Vision & Motion Zeitliche Einflussfaktoren - Antriebstechnik Servoregelung - Typische Prozesszeiten Motion controller Servo controller Drive Bahnplanung und Stützstellengenerator Leistungsstellglied mit Positions-, Geschwindigkeits- und Stromregelung Servomotor mit Antriebsmechanik Prozesszeiten Servoregelung konstant / variabel typ. Min typ. Max Tastperiode Stromregelkreis konstant 10 µs 100 µs Tastperiode Geschwindigkeitsregelkreis konstant 50 µs 500 µs Tastperiode Positionsregelkreis konstant 50 µs 1 ms Stützstellengenerierung Bahnsteuerung konstant 50 µs 100 ms 16

17 Kopplung Vision & Motion Zeitliche Einflussfaktoren - Zusammenfassung Die Zykluszeit der Bildverarbeitung: - ist variabel, da abhängig von verwendeten Algorithmen und der Länge des Prüfprogramms - ist schwankend, da abhängig vom Bildinhalt und Bildqualität (Rauschen) - kann die Dynamik der Produktionsprozesse begrenzen. Einzig der Zeitpunkt der Bildaufnahme ist determiniert. 17

18 Kopplung Vision & Motion Zeitliche Einflussfaktoren Konsequenzen Das Bildverarbeitungssystem ist: kein geeignetes Messglied im Positionsregelkreis der Antriebstechnik ein geeignetes Messglied zur - Lage- / Drehlagebestimmung zugeführter Teile in Roboter-Applikationen - Produkt-Sortierung nach Qualitäts-/Identifikationsmerkmalen - parallelen Produkt-Qualitätskontrolle während der Handhabung - Gewinnung von Korrekturdaten für die Bahnsteuerung - Steuerung von Montage- und Justiervorgängen 18

19 Kopplung Vision & Motion Gute Voraussetzungen für eine Verbindung Antriebstechnik ist in Automatisierungsanlagen vorhanden Vision Systeme lassen sich einfach per Ethernet an SPSen koppeln alternative Konstruktionen mit zusätzlicher Hardware sind unattraktiv (Notwendigkeit der Positionsbestimmung, Triggerung, Verkabelung) klassisches Ethernet-Netzwerk kann Datenkollisionen erzeugen, da zeitlich nicht determiniert vorhersagbares Zeitverhalten für Kommunikation nötig echtzeitfähige Ethernet-Protokolle für die Kopplung von Vision & Motion: EtherCAT, PROFINET, Ethernet POWERLINK, Sercos, 19

20 Vision Systeme mit Sercos-Schnittstelle Beispiele Vision Systeme mit Sercos-Schnittstelle: pictor T und vicosys 4300/

21 Vision Systeme mit Sercos-Schnittstelle Inbetriebnahme, Parametrierung, Diagnose BV-System in Sercos mit Geräteprofil abgebildet Erstellung, Inbetriebnahme, Test/Debuggen von Prüfprogrammen mit Bediensoftware des BV-Systems (IP-Kommunikation) Inbetriebnahme, Parametrierung, Wartung, Diagnose konfigurierter BV-Systeme in der Steuerungsumgebung mit Web-Interface Verbindung zur SPS-Welt über CODESYS- Bibliothek mit entsprechenden Funktionsbausteinen 21

22 Vision Systeme mit Sercos-Schnittstelle Zusammenfassung Integration von Sercos in Bildverarbeitungssysteme ermöglicht es, - Gerätefunktionen zu steuern - Geräte zu konfigurieren - Ergebnisse der Bildverarbeitung zu übertragen Sercos garantiert harte Echtzeitfähigkeit sowie hohe Gleichzeitigkeit und Synchronisationsgenauigkeit Bildverarbeitungssysteme mit Sercos-Schnittstelle bieten neue Möglichkeiten für die Automatisierung der Prozesse, z. B. beim - Verpacken & Befüllen - Montage und Handling 22

23 Dipl.-Ing. Ingmar Jahr Schulungsleiter Vision Academy Vision & Control GmbH Mittelbergstraße Suhl Telefon / Mail

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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