Messtechnik, Kennzeichnung und Bildverarbeitung für Maschinen- und Anlagenbauer

Wer Maschinen und Anlagen baut, kauft keine Sensoren, sondern integriert Module in ein Gesamtsystem, das beim Endkunden vom ersten Takt an funktionieren muss. Ob Prüfstation, Lasermarkierzelle, Bin-Picking-Zelle oder Typenerkennung an der Beladestation: Die Anforderungen im Lastenheft ähneln sich projektübergreifend. Die Lösung muss in die Taktzeit passen und in den vorhandenen Bauraum, besonders im Retrofit, wo der Platz zwischen zwei Stationen konstruktiv längst vergeben ist. Sie muss über die Anlagenschnittstelle kommunizieren, im deutschen Maschinenbau fast immer Profinet zur SPS, mit Programmwahl, Trigger, Messwerten und OK/NG-Ergebnis im Prozessabbild. Sie muss ihre Machbarkeit vor der Vergabe belegen, da der Maschinenbauer die Prozesssicherheit an seinen Endkunden weitergibt. Deshalb entscheidet in nahezu jedem Projekt ein Machbarkeitstest mit Originalteilen und Grenzmustern über die Technologiewahl. Und sie muss sich rechnen: über vermiedenen Ausschuss, vermiedene Reklamationen und entlastete Werker.

Hinzu kommen zwei Fragen, die nur diese Zielgruppe stellt: Wer übernimmt die Integration, der Maschinenbauer selbst, ein Applikationsingenieur des Komponentenherstellers oder ein externer Integrator? Und was geschieht nach der ersten Anlage, wenn der Endkunde die Maschine dupliziert und die Komponenten samt Parametersätzen für weitere Standorte im Lastenheft spezifiziert?

Dieser Themenbereich bündelt die Antworten auf genau diese Fragen, geordnet nach den vier Aufgabenklassen, die in realen Maschinenbau- und OEM-Projekten am häufigsten wiederkehren.

Wichtige Punkte im Überblick

Wer Maschinen und Anlagen baut, integriert Module in ein Gesamtsystem, das beim Endkunden vom ersten Takt an funktionieren muss. Die Lösung muss in Taktzeit und Bauraum passen, über die Anlagenschnittstelle mit der SPS kommunizieren und sich über vermiedenen Ausschuss rechnen.
In realen Maschinenbau- und OEM-Projekten kehren vier Aufgabenklassen am häufigsten wieder: Inline-Messtechnik, Lasermarkierung mit Traceability, Roboterführung mit Bin Picking sowie Typenerkennung mit Verwechslungsschutz.
In nahezu jedem Projekt entscheidet vor der Vergabe ein Machbarkeitstest mit Originalteilen und Grenzmustern über die Technologiewahl. Das dokumentierte Ergebnis fließt anschließend als Auslegungsgrundlage in Lastenheft und Angebot ein.
Für die Integration stehen drei gängige Wege zur Verfügung: die Eigenintegration durch den Maschinenbauer, die Inbetriebnahme mit direkter Unterstützung durch Applikationsingenieure sowie die Komplettvergabe an einen externen Integrator.
Der Themenbereich ist als Einstieg konzipiert: Jede Aufgabenklasse verweist auf einen vertiefenden Leitfaden, der Auslegung, Integration und Nachweis im Detail beschreibt.

Inline-Messtechnik: von der Sichtprüfung zur dokumentierten 100%-Kontrolle

Die häufigste Messaufgabe im Sondermaschinenbau ist die Ablösung manueller Prüfungen: Messschieber, Lehre, Messuhr oder Werkerauge werden durch eine 100%-Inline-Prüfung mit protokollierten Messwerten ersetzt, ausgelöst meist durch eine Reklamation oder eine Lastenheft-Forderung des Endkunden. Typische Merkmale sind Höhen-, Spalt- und Konturmaße mit Toleranzen von 0,1 bis 0,5 mm, häufig ergänzt um die Forderung nach einem Fähigkeitsnachweis vor der Abnahme.

Die zentrale Auslegungsfrage ist dabei eine Integrationsfrage: Ein scannender Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 nutzt eine ohnehin vorhandene Bewegung, etwa Werkstückträger, Achse oder Roboter. Ein 3D-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 erfasst das vollständige Höhenbild in einer einzigen Aufnahme, ohne Verfahrachse und Aktorik, was ihn im Retrofit mit engem Bauraum oft zum einzigen praktikablen Weg macht. Für hochpräzise Dicken- und Höhenmessungen bis in den Mikrometerbereich ergänzen konfokale Systeme der Modellreihe CL-3000 das Spektrum; für Drehteile und Konturen steht der Inline-Profilprojektor TM-X zur Verfügung.

Wie eine Verbauprüfung mit Clipabfrage und Pincheck taktzeitneutral ausgelegt wird, welche Rolle Einstellmeister und Ausschleusung spielen und wie der Fähigkeitsnachweis vor der Vergabe gelingt, beschreibt der Leitfaden zur Verbauprüfung im Sondermaschinenbau.

Lasermarkierung und Traceability: die Markierstation als Anlagenmodul

Wenn im Lastenheft DMC mit Klarschrift, Codequalität Güte B und Einhaltung der Taktzeit gefordert wird, beginnt für den Maschinenbauer ein Projekt, das weit über die Laserauswahl hinausgeht: Laserschutzklasse und Abnahme, Einhausung, Absaugung, Teilehandling sowie die SPS- und Datenbankanbindung für variable Markierinhalte gehören von der Angebotsphase an ins Konzept. Ziel ist auf Anlagenebene ein Laserklasse-1-System; typische Markierzeiten von 0,5 bis 5 Sekunden müssen in Maschinenzyklen von 2 bis 10 Sekunden passen.

Zunehmend fordern Endkunden nicht nur die Markierung, sondern auch den Nachweis: Ein stationärer 2D-Codeleser der Modellreihe SR-X liest den frisch markierten Code direkt hinter der Station und bewertet ihn nach ISO/IEC 15415, bei direktmarkierten Codes nach ISO/IEC TR 29158. Bei nachgelagerten Prozessen wie Härten oder Strahlen erfolgt die Bewertung hinter dem letzten kritischen Prozessschritt. Für die Verfahrenswahl, etwa zwischen dem Hybrid-Beschriftungslaser der Modellreihe MD-X und alternativen Kennzeichnungsmethoden wie Inkjet der Modellreihe MK-G, ist der Mustertest am Originalteil ausschlaggebend.

Den vollständigen Projektablauf von der Anforderungsklärung bis zur Anlagenduplikation an weiteren Standorten beschreibt der Leitfaden zur Integration von Laserbeschriftungsstationen in Sondermaschinen.

Roboterführung und Bin Picking: dem Roboter das Sehen beibringen

Der häufigste Auslöser für Robotik-Projekte im Maschinenbau ist der Fachkräftemangel: Manuelle Beladung im Dreischichtbetrieb lässt sich vielerorts nicht mehr besetzen. Die Bin-Picking-Zelle entnimmt ungeordnete Teile direkt aus Gitterbox oder Kiste, mit Pick-zu-Pick-Zeiten von typisch 6 bis 10 Sekunden, 7 bis 20 Bauteilvarianten und der Anforderung, die Kiste bis auf das letzte oder vorletzte Teil zu leeren.

Für die Systemwahl gilt eine klare Abgrenzung: Liegen Teile vereinzelt und flach, genügt eine 2D-Lageerkennung mit einem Bildverarbeitungssystem der Modellreihe CV-X, das Position und Drehlage als Koordinaten an den Roboter übergibt. Liegen Teile dagegen chaotisch, verkippt oder übereinander in der Kiste, ist ein vollwertiges 3D-System mit 3D-Bilderfassung und Bahnplanung wie die Modellreihe 3D VGR erforderlich. Für Maschinenbauer ist dabei die markenunabhängige Anbindung über gängige Schnittstellen wie Profinet, Ethernet/IP oder TCP/IP entscheidend: Die Modellreihe 3D VGR unterstützt Roboter von 17 Herstellern, sodass die Wahl des Roboters sowohl für das aktuelle als auch für künftige Projekte offen bleibt.

Welche fünf Projektparameter über Erfolg oder Misserfolg entscheiden und wie der Machbarkeitstest mit Originalkiste und öligen Originalteilen abläuft, beschreibt der Leitfaden zum Bin Picking im Maschinenbau.

Typenerkennung und Verwechslungsschutz: die richtige Variante vor dem kritischen Schritt

Bevor ein Bauteil bearbeitet, montiert oder verpackt wird, muss die Anlage wissen, welche Variante vorliegt und ob sie lagerichtig zugeführt wurde. In realen Projekten werden 5 bis 150 bekannte Varianten an einer Station unterschieden, häufig Bauteile, die sich nur in Kontur, Farbe, Kennzeichnung oder einem einzigen Maß im Zehntelmillimeterbereich voneinander unterscheiden. Auslöser ist fast immer eine Reklamation, da die Verwechslung erst beim Endkunden auffiel.

Aus Merkmal, Variantenzahl und Taktzeit ergibt sich die Systemklasse: Vision-Sensoren der Modellreihe IV4 mit KI-Klassifizierung für überschaubare Variantenstrukturen an der Station, Smartkameras der Modellreihe VS mit Klassifizierungswerkzeugen und KI-OCR für Dutzende Typen sowie die Chargenzuordnung auf schwierigen Oberflächen, Bildverarbeitungssysteme der Modellreihe CV-X für 80 und mehr zentral verwaltete Typprogramme sowie 3D-Profilsensoren für Varianten, die sich nur in einem Höhen- oder Längenmerkmal unterscheiden, das eine 2D-Kamera nicht erfasst. Handheld-Terminals der Modellreihe BT schließen die Kette in Wareneingang, Kitting und Versand.

Wie das Unterscheidungsmerkmal gewählt, die Prüfung per Programmwechsel über die SPS integriert und der nächste Prozessschritt verriegelt statt nur protokolliert wird, beschreibt der Leitfaden zum Verwechslungsschutz im Maschinenbau.

Zusammenarbeit im Projekt: Machbarkeitstest, Integration, Inbetriebnahme

Über alle vier Aufgabenklassen hinweg folgt die Zusammenarbeit demselben Muster. Am Anfang steht der Machbarkeitstest mit Originalteilen: Testmuster aller Varianten, einschließlich Grenzmustern an der Toleranzgrenze, werden im realen Zustand geprüft, bevor eine Technologie festgelegt wird. Das Ergebnis fließt als Auslegungsgrundlage in Lastenheft und Angebot des Maschinenbauers ein, einschließlich Sensorposition, Arbeitsabstand, Bildfeld sowie erwarteter Takt- und Markierzeiten.

Für die Umsetzung stehen drei gängige Wege zur Verfügung: die Eigenintegration durch den Maschinenbauer, der seine Anlage am besten kennt, die Sensor-Inbetriebnahme mit direkter Unterstützung durch Applikationsingenieure sowie die Komplettvergabe an einen externen Integrator. Entscheidend ist, die Zuständigkeiten und Übergabepunkte vor der Bestellung verbindlich zu definieren, da dies die typischen Verzögerungen bei Abnahme und Inbetriebnahme vermeidet. Für Anlagenduplikate und internationale Rollouts sollten Parametersätze und Prüfkriterien so dokumentiert werden, dass sie zwischen Werken und Maschinenkopien übertragen werden können.

Häufige Fragen

F Welche Schnittstellen sind für die Anbindung an die Anlagensteuerung üblich?

Im deutschen Maschinenbau ist Profinet der Standard für die Anbindung von Messsystemen, Kamerasystemen und Markierlasern an die SPS; EtherCAT, Ethernet/IP, TCP/IP und digitale Ein- und Ausgänge stehen als Alternativen bereit. Über die Schnittstelle werden Programmwahl bei Bauteilvarianten, Triggersignale, Messwerte und das OK/NG-Ergebnis übertragen. Auf dieser Grundlage steuert die SPS Signalleuchte, Ausschleusung und bei Bedarf den Maschinenstopp.

F Wie läuft ein Machbarkeitstest ab?

Für den Machbarkeitstest werden Testmuster aller Bauteilvarianten im Originalzustand bereitgestellt: Gutteile, definierte Schlechtteile und vor allem Grenzmuster an der Toleranzgrenze. Diese werden im Applikationslabor oder vor Ort unter realen Bedingungen geprüft, wobei Erkennungs- beziehungsweise Messsicherheit, erreichbare Taktzeit und bei messenden Aufgaben die Messmittelfähigkeit bewertet werden. Das dokumentierte Ergebnis dient als Auslegungsgrundlage für Lastenheft und Angebot und wird vor der Vergabe erstellt, nicht erst bei der Abnahme.

F Snapshot-Sensor oder Kamera: Was ist der Unterschied?

Eine 2D-Kamera liefert ein Kontrastbild und erkennt Position, Kontur und Drehlage in der Ebene; Höhenunterschiede von wenigen Zehntelmillimetern bleiben dabei unsichtbar. Ein 3D-Snapshot-Sensor nimmt das vollständige Höhenbild in einer einzigen Aufnahme ohne Verfahrachse auf und misst damit das Merkmal, das viele Prüfungen tatsächlich entscheidet: die Höhe. Als Faustregel gilt: Anwesenheit und Typ in der Ebene sind Aufgaben für die Kamera, Verrastung, Sitzhöhe und Sub-Millimeter-Varianten hingegen für den 3D-Sensor.

F Muss ich die Integration selbst übernehmen?

Für die Integration stehen drei gängige Wege zur Verfügung: die Eigenintegration durch den Maschinenbauer, die Sensor-Inbetriebnahme mit direkter Unterstützung durch Applikationsingenieure oder die Komplettvergabe an einen externen Integrator. Entscheidend ist, die Rollenverteilung und die Übergabepunkte bereits im Angebot festzulegen, bevor die Bestellung erfolgt.

F Passt eine Inline-Prüfung oder Markierung in meine Taktzeit?

Verbauprüfstationen arbeiten typischerweise mit Taktzeiten von 2 bis 30 Sekunden; Markierzeiten für DMC plus Klarschrift liegen bei 0,5 bis 5 Sekunden, Pick-zu-Pick-Zeiten beim Bin Picking bei 6 bis 10 Sekunden. Die tatsächliche Zeit hängt von Merkmal, Material und geforderter Qualität ab und wird im Machbarkeitstest mit Originalteilen als belastbare Grundlage für die Taktzeitauslegung verifiziert.

F Was passiert, wenn der Endkunde die Anlage dupliziert?

Bei Serienanläufen wird dieselbe Anlage oder ihre Kopie häufig an mehreren Standorten aufgebaut; Endkunden spezifizieren die Prüf- und Markiertechnik dann samt Parametersätzen im Lastenheft. Parameter und Prüfkriterien sollten daher so dokumentiert werden, dass sie zwischen Werken und Maschinenkopien übertragen werden können. Wer die Erststation erfolgreich integriert und dokumentiert, wird bei Duplikaten häufig erneut beauftragt.

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