In modernen, nach den Prinzipien von Industrie 4.0 konzipierten Automatisierungsplattformen spielen 3D-Lasersensoren eine wesentliche Rolle für den Closed-Loop Prozess. Mit ihren µm-genauen Messdaten gewährleisten sie höchste Bestückungspräzision in der 3D-Montage. Dadurch ermöglichen die Sensoren eine dynamische Kontrolle der Prozessstabilität und eine gleichbleibend hohe Produktqualität.

Das Schweizer Unternehmen Credimex hat sich mit seinen etwa 35 Mitarbeitern zu einem zuverlässigen und kompetenten Partner in der eidgenössischen Automations-, Maschinen- und Apparateindustrie entwickelt. Die wichtigsten Standbeine sind ganzheitliche Material- und Maschinensysteme der Dicht- und Klebetechnik für industrielle Anwendungen, Lösungen im Bereich tribologischer Beschichtungen sowie die automatisierte Bewegungstechnik mit modular konzipierten Robotik- und Bildverarbeitungslösungen.

In diesem Bereich ist man auch als Integrationspartner für Smartray in der Schweiz tätig. „Mit der Cresaline haben wir eine modulare Automationsplattform mit Linearmotor-basiertem Transfersystem für intelligente Produktionsabläufe entwickelt, wie sie in Umsetzung von Industrie 4.0 die wesentlichen Anforderungen der Smart Factory erfüllt“, beschreibt Roger Schelbert, Bereichsleiter Robotik und Bildverarbeitung bei Credimex in Alpnach, die neueste innovative Montagelinie.

Damit sind Produkte bereits ab Losgrösse 1 produzierbar – Unikate können mit dieser Anlage zu den Bedingungen der industriellen Serien- oder Massenfertigung hergestellt werden. Der modulare Aufbau der Automationslinie und der einzelnen Prozess-Stationen gewährleistet, dass sowohl steigende Produktionszahlen als auch zukünftige neue Prozesse problemlos nachgerüstet und integriert werden können.

Um die Bestückungspräzision für dreidimensionale Montageprozesse der Produkte zu gewährleisten, setzt Credimex die 3D-Lasersensoren der Serie Ecco 75 von Smartray ein. Sie liefern die entscheidenden Messwerte, um in dem Closed-Loop Prozess der Anlage die Prozessstabilität und Qualitätskontrolle der einzelnen Produktionsschritte dynamisch zu überwachen und zu regeln.

Full HD liefert hochpräzise 3D-Informationen

Diese 3D-Lasersensoren vereinen zuverlässige und bedienfreundliche 3D-Bildverarbeitung in Full HD-Qualität, neueste Dual Core-Prozessortechnik und Highspeed Gigabit Ethernet-Datenübertragung im kompakten Design. Entwickelt wurden die Triangulationssensoren u.a. für die automatische optische Inspektion, für die Sichtführung von Robotern und Handlingseinheiten sowie für anspruchsvolle Anwendungen, die ein Höchstmaß an Messgenauigkeit für bestmögliche Prozesssicherheit erfordern.

„Das Modell Ecco 75.030, das wir sowohl am Prozessstart als auch am Ende des Produktionsprozesses in die Cresaline integriert haben, arbeitet im Abstand von 60 mm zum Objekt mit einem Sichtfeld von 36 mm und einem Messbereich von 16 mm“, erläutert Schelbert. Dabei erreichen die Sensoren eine Genauigkeit von 20 µm in den Messachsen und ermöglichen so Positioniertoleranzen von weniger als 0,1 mm.

Jedes 3D-Profil, das die Sensoren erzeugen, besteht aus 1.920 3D-Bildpunkten. Je nach Modell kann dadurch in allen drei Dimensionen eine Auflösung von bis zu 1,5 µm erreicht werden. Dies macht bei der optischen Inspektion auch kleinste Lage- oder Höhentoleranzen sichtbar – und das Regelverhalten in Closed-Loop Prozessen extrem präzise und zuverlässig.

Neben der Messtechnik erfüllen auch die Auswertung und die Datenübertragung höchste Ansprüche industrieller Applikationen. Dank Dual Core-Prozessortechnik sind die 3D-Lasersensoren in der Lage, pro Sekunde mehr als 9 Millionen 3D-Punkte für maßstabsgetreue 3D-Profile des Messobjektes zu scannen. Dies ermöglicht die Erkennung selbst kleinster Abweichungen, auf die es bei der präzisen Bestückung in dreidimensionalen Montageprozessen ankommen kann.

Die Messwerte können entweder unkalibriert als Rohdaten oder kalibriert in Millimeter ausgegeben werden. Die Highspeed Gigabit Ethernet-Schnittstelle ermöglicht es schließlich, eine Datenübertragung in Echtzeit zwischen dem Sensor und einem Auswerte- bzw. Automatisierungssystem einzurichten.

3D-Messdaten: Enabler für Closed-Loop Prozesse

Aufgabe der in die Montagelinie integrierten 3D-Lasersensoren ist es, die Prozessparameter für die Positionierung sowie die Bestückungskoordinaten zu erfassen und für den geschlossenen Regelkreis bereitzustellen. Hierzu wird ein Sensor am Prozessstart sowie ein weiterer am Ende des Produktionsprozesses eingesetzt. Der Sensor am Start-of-Line erfasst den Werkzeugträger und das Produkt mit den einzelnen Bestückungspunkten. Die Datenwolke dieser 3D-Informationen wird mittels Bildverarbeitung ausgewertet.

Es entstehen die Platzierungskoordinaten der einzelnen Komponenten in XYZ-Theta-Rotation, welche für die weiteren Prozesse benutzt werden. Das Linearmotor-Transfersystem verfährt den Werkzeugträger in X-Richtung an die Prozessstationen, an denen die Bestückungs- oder Montageprozesse gemäss den vermessenen Platzierungskoordinaten von Robotern präzise ausgeführt werden. Erreicht der Werkstückträger das Ende der Automationslinie, nimmt der End-of-Line Sensor zusammen mit einem Bildverarbeitungssystem die Endkontrolle der bestückten Produkte vor.

Mittels Bildverarbeitungsauswertung werden wiederum die Koordinaten der einzelnen Komponenten in Bezug auf die Produktmerkmale ausgemessen und eingelesen. Dabei entsteht die Beziehung der effektiv bestückten Ist-Koordinaten zu den gewünschten Soll-Koordinaten und damit die tatsächlichen Offsetinformationen, die für den geschlossenen Regelkreis erforderlich sind. Sie werden als Korrekturwerte unmittelbar nach der 3D-Messung am Start-of-Line zu den neu eingescannten Soll-Koordinaten aufaddiert.

Diese Offset-korrigierten Daten werden dann dem aktuell zu verarbeitenden Werkzeugträger mitgegeben. Da die 3D-Korrekturdaten nach dem Start-of-Line Scan durch den 3D-Sensor eingefügt und wiederum an der End-of-Line gemessen und verglichen werden können, entsteht für alle dazwischenliegenden Montageprozesse ein Closed-Loop System. Das heißt, dass alle am Bestückungsprozess beteiligten Roboter zwischen Start-of-Line und End-of-Line indirekt gemappt werden. Dadurch wird eine größtmögliche Prozesssicherheit erreicht.

Darüber hinaus können die von den Sensoren erzeugten 3D-Datenwolken und Bilder auch nachträglich genutzt werden, um die Prozessstabilität zu erhöhen.

Sensorintegration mit vielfältigen Vorteilen

Die 3D-Lasersensoren der Serie Ecco 75 eröffnen aufgrund einer Reihe von Merkmalen zahlreiche Freiheitsgrade für den Einsatz der Cresaline. So sind sie in der Lage, auch ungenau eingesetzte und schwierig zu verarbeitende Produkte auf Werkzeugträgern zu vermessen, damit sie anschliessend präzise am vorgesehenen Platzierungsort mit Komponenten bestückt werden können.

Darüber hinaus ist es den 3D-Lasersensoren von Smartray möglich, aufgrund ihrer Doppelbelichtungsfunktion und entsprechender optischer Filter unterschiedliche Materialien gleichzeitig und im Mischbetrieb zu vermessen. „Metallteile wie z.B. Kontaktelemente oder Stifte können dadurch ebenso verarbeitet werden wie auch Kunststoff- und Silikonkomponenten für Stecker“, bestätigt Roger Schelbert. Außerdem werden dadurch auch Montageprozesse automatisierbar, welche bisher nur mit aufwendiger manueller Tätigkeit beherrschbar waren.

Das gilt auch für besondere Einsatzbedingungen, denn das Umfeld hat keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit der 3D-Lasersensoren, da sie die Effekte großer Helligkeitsunterschiede, stark reflektierender Oberflächen oder kritischer Fremdlichteinflüsse z. B. durch HF-Lampen vollständig ausblenden.

Die Technologie der 3D-Lasersensoren und deren Closed-Loop Integration ermöglichen es, Automatisierungsprozesse zugleich einfach, flexibel und zukunftssicher zu gestalten – zumal das konsequent industrielle Design der IP65 geschützten Sensoren den Einsatz auch unter besonderen Bedingungen erlaubt. Die kompakten Abmessungen ermöglichen die Integration des Sensors auch dort, wo verfügbarer Montageraum effizient genutzt werden soll.

Für die Robotik besonders interessant ist schließlich das geringe Gewicht der 3D-Lasersensoren: Dadurch sind sie auch für Applikationen geeignet, in denen sie in bewegte Maschinenstrukturen integriert werden. Damit eröffnen sich den Smartray-Sensoren weitere Einsatzmöglichkeiten in Maschinen und Anlagen von Credimex.