Eine Zählstation für viele Produkte: Programm je Zählgut, Sichtfeld vom kleinsten bis zum größten Teil

Eine Zählstation für ein einziges Produkt ist schnell entworfen. Anspruchsvoll wird sie, wenn dieselbe Station rund hundert Varianten zählen soll, von kleinen Bauteilen auf Trägerfolie bis zu Blechen in einem Wagen, und wenn ein Bediener ohne Kenntnisse in der Bildverarbeitung sie mit einem Knopfdruck startet. Dieser Beitrag richtet sich an Fertigungs- und Automatisierungsingenieure bei Herstellern mit breitem Sortiment und an die Integratoren und Maschinenbauer, die solche Stationen bauen. Er stützt sich auf acht dokumentierte Anwendungen und Konzepte; eine abgenommene Zählstation beschreibt keine davon.

Wichtige Punkte im Überblick

Das Sortiment legt die Zählstation aus und nicht das einzelne Teil: Das kleinste Teil bestimmt die Auflösung, das größte das Bildfeld.
Das Rezept trägt die Einstellungen des Bildes, die Beleuchtung und die Grenzwerte, nach denen ein Objekt als eines gezählt wird, sodass sich die Bedienung auf Auswahl und Start reduziert.
Rund hundert Varianten sind rechnerisch mehr Programme, als sich an einem AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 über externe Eingänge wählen lassen, deshalb gehört die Gruppierung gleicher Teile in ein Programm an den Anfang der Auslegung.
Passt das Zählgut nicht mit der nötigen Auflösung in ein Bild, betreibt die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G bis zu acht Kameras an einem Controller.
Wer die Zahl dem Auftrag zuordnet, der Bediener mit dem Rezept oder das ERP, sollte vor dem Entwurf entschieden sein.

Das Sortiment legt die Station aus, nicht das einzelne Teil

Eine Prüfstation kennt ihr Teil und fragt nach einem bekannten Merkmal. Eine Zählstation bekommt mit jedem Auftrag womöglich ein anderes Zählgut und liefert eine Zahl, die vorher niemand festgelegt hat. Wo dagegen jeder Träger dieselbe Sollzahl trägt und nur i.O. oder n.i.O. gefragt ist, handelt es sich um eine Vollständigkeitsprüfung; sie ist Gegenstand des Beitrags zu Zählen und Bestückungskontrolle in Verpackungs- und Montagelinien.

Für die Auslegung folgt daraus eine einfache Regel: Bildfeld, Auflösung, Beleuchtung und Programmverwaltung richten sich nach der Spanne des Sortiments. Wie das in einer Anwendung aussieht, zeigt ein Fertiger mit Dreh-, Fräs- und Montageprozessen. Für rund 100 Varianten plant er eine automatische Kleinteilezählung; das Bildfeld misst etwa 250 x 500 mm. Das kleinste Merkmal, das erfasst werden muss, misst 7 mm, die Teile legt ein Mitarbeiter von Hand ein, aber stets an dieselbe Stelle. Als Gründe nennt er die Entlastung der Mitarbeitenden und mehr Sicherheit.

Rezept wählen, einlegen, starten: die Station für den Bediener

Eine Station für viele Produkte wird im Alltag von Menschen bedient, die mit Bildverarbeitung nichts zu tun haben. Ein Hersteller kleiner Bauteile, die auf Trägerfolie liegen, beschreibt genau diesen Ablauf: Der Bediener wählt das Rezept, legt die Produkte ein und drückt auf einen Knopf. Gebraucht werden drei solcher Stationen, jeweils mit einer kleinen Anlage drumherum. Lichtfarbe und Intensität müssen sich je Produkt ändern lassen.

Das Rezept ist in einer solchen Station mehr als das Prüfprogramm. Es trägt die Einstellungen des Bildes, die Beleuchtung und die Grenzwerte, nach denen ein Objekt als eines gezählt wird. Das Blob-Werkzeug der All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS zählt die Objekte im Bild und liefert für jedes Objekt Fläche und Schwerpunkt. Für den Bediener reduziert sich die Bedienung dann auf Auswahl und Start; für den Integrator steckt die Arbeit in der sauberen Anlage der Rezepte.

Viele Varianten, viele Programme: wo die Geräte Grenzen setzen

Rund hundert Varianten sind rechnerisch mehr Programme, als sich an einem AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 über externe Eingänge wählen lassen. Intern speichert der Vision-Sensor 32 Programme, 128 nur mit microSD-Karte und aktivierter Programmerweiterung. Die Umschaltung über externe Eingänge bleibt beim Vision-Sensor auf 32 begrenzt, und der Modus Schnelle Programmumschaltung mit 100 ms gilt nur für höchstens acht Programme.

Bei der All-in-One Kamera unterscheidet die AI-Klassifizierung bis zu 32 Produkttypen mit einem Werkzeug. Angelernt wird sie mit einigen wenigen Bildern je Produkttyp, neue Typen kommen durch Nachtrainieren hinzu.

Daraus ergibt sich keine Zusage, dass ein Gerät hundert oder tausend Rezepte trägt. Es ergibt sich eine Entwurfsfrage: Welche Varianten unterscheiden sich für die Zählung überhaupt? Teile gleicher Größe, Form und Farbe lassen sich oft in einem Programm zusammenfassen, und nur, was wirklich abweicht, bekommt ein eigenes. Diese Gruppierung gehört an den Anfang der Auslegung, nicht in die Inbetriebnahme.

Vom kleinsten bis zum größten Teil: Bildfeld, Auflösung und Zählzeit

Das kleinste Teil bestimmt die Auflösung, das größte das Bildfeld. Bei der Kleinteilezählung mit 250 x 500 mm und 7 mm kleinstem Merkmal ergibt sich rechnerisch: Verteilt eine Kamera 2.000 Bildpunkte auf die 500 mm, kommen auf einen Bildpunkt 0,25 mm, und das kleinste Merkmal liegt auf rund 28 Bildpunkten. Wie viele Bildpunkte ein Merkmal für eine sichere Zählung braucht, klärt der Test an den eigenen Teilen.

Am anderen Ende der Spanne steht der Wunsch nach einem Sensor, der in einem Feld von etwa 2 x 2 m die Bleche in den Einschüben eines Wagens zählt. Aus der Zahl wird auf das Gewicht des Wagens geschlossen, bevor er in einen Ofen fährt. Eine einfache Lichtschranke zählt solche Bleche nicht zuverlässig, weil sie viel Spiel in ihren Einschüben haben. Für das Feld kommt der Vision-Sensor in Frage, dessen Arbeitsabstand von 50 mm bis über 3 m reicht.

Wo das Zählgut immer gleich liegt, wird die Station einfacher. Ein Hersteller runder Membranen in zwei Varianten legt die Teile in eine Form mit Anschlag, die Taktzeit ist unkritisch.

Die Zählzeit ist die dritte Größe neben Feld und Auflösung. In der Kleinteilezählung dauert das Zählen heute über 20 s, angestrebt ist etwa eine Sekunde. Eine solche Vorgabe entscheidet mit, ob eine Aufnahme genügt oder ob die Station mehrere Bilder kombinieren darf.

Wenn das Zählgut das Bild verändert: Farbe, Öl und Oberfläche

Ein Sortiment bringt nicht nur verschiedene Größen mit, sondern auch verschiedene Oberflächen. An vier Klebemaschinen sollen alle Lederformen gezählt werden, die ein Hersteller fertigt. Selbst bei gleichem Modell und gleicher Farbe auf der Vorderseite schwankt die Farbe der Rückseite. Ein Lösungsansatz lautet deshalb: Die Farbe gibt der Bediener vor, die Kamera übernimmt die Form und gibt die Zahl aus, die Steuerung zählt mit.

Ein Hersteller von Ventilkörpern will Patronen zählen, die vorher mit Öl ausgespült werden, in vier Varianten und an drei Stationen. Die Umsetzung will er selbst übernehmen. Ölbenetzte Teile glänzen, und Glanz verändert das Bild. Die All-in-One Kamera kann mit LumiTrax aus Aufnahmen unter verschiedenen Beleuchtungsrichtungen ein Formbild und ein Texturbild erzeugen; ob das bei diesen Patronen trägt, gehört in den Test.

Mehrere Kameras oder Zeilenkameras: wenn das Zählgut groß, lang oder faserig ist

Manche Zählaufgaben passen nicht in ein Bild. Für das Zählen von Fasern in einem Feld von etwa 250 mm, ohne Hintergrundbeleuchtung und so schnell wie möglich, sollen fünf Kameras mit eigenen Gehäusen arbeiten. Für diesen Aufbau kommt die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G, die bis zu acht Kameras an einem Controller betreibt, mit Kameras von 0,31 bis 64 MP und EtherNet/IP, PROFINET und EtherCAT, in Frage.

Für eine Zählstation an lackierten Teilen sind vier Zeilenkameras gewünscht. Zeilenkameras laufen bei KEYENCE an der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X, nicht an VS oder VS-G. Die XG-X nimmt bis zu vier Kameras einschließlich Zeilenköpfen auf und steuert die Zeilenaufnahme über einen Encoder. Vier Zeilenkameras schöpfen diese Grenze also aus.

Wohin die Zahl geht: Auftrag, Lagerbestand und ERP

Eine Zählstation endet nicht am Bild. Beim Hersteller der lackierten Teile soll die Zahl ein neues ERP-System mit zuverlässigen Werten versorgen, damit die Planung stimmt. Beim Membranhersteller muss die Menge der eingelagerten Produkte stimmen, und an den Klebemaschinen soll die Kamera die Zahl je Form an die Steuerung geben.

Für die Übergabe an die Steuerung hat die All-in-One Kamera EtherNet/IP, PROFINET, PLC-Link und EtherCAT. Für die Station mit vielen Produkten kommt eine Frage hinzu, die oft spät gestellt wird: Wer ordnet die Zahl dem Auftrag zu? Wählt der Bediener das Rezept, kann die Station mit dem Rezept auch die Auftragsnummer mitführen; kommt das Rezept aus dem ERP, muss die Station es dort abholen. Beides ist machbar, entschieden werden sollte es vor dem Entwurf.

Häufige Fragen

F Was unterscheidet eine Zählstation für viele Produkte von einer Station für ein Teil?

Die Auslegung richtet sich nach der Spanne des Sortiments: Das kleinste Teil bestimmt die Auflösung, das größte das Bildfeld. Dazu kommen Rezepte je Produkt mit Beleuchtung und Grenzwerten, die ein Bediener ohne Kenntnisse in der Bildverarbeitung auswählen kann. Bei einer Station für ein Teil entfällt diese Programmverwaltung fast ganz.

F Wann braucht eine Zählstation mehrere Kameras?

Wenn das Zählgut nicht mit der nötigen Auflösung in ein Bild passt oder aus mehreren Richtungen gesehen werden muss. Die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G betreibt bis zu acht Kameras an einem Controller. In einer dokumentierten Anwendung zum Zählen von Fasern sollen fünf Kameras arbeiten.

F Wann ist eine Zeilenkamera die richtige Wahl?

Wenn das Zählgut lang ist oder sich an der Kamera vorbeibewegt und das Bild Zeile für Zeile aufgebaut werden soll. Zeilenkameras unterstützt bei KEYENCE die Modellreihe XG-X, die bis zu vier Kameras einschließlich Zeilenköpfen aufnimmt. Die Aufnahme wird über einen Encoder gesteuert.

F Was tun, wenn die Farbe desselben Produkts schwankt?

Dann sollte die Zählung nicht an der Farbe hängen. In einem dokumentierten Lösungsansatz gibt der Bediener die Farbe vor, und die Kamera zählt allein nach der Form. Ob das für das eigene Zählgut reicht, zeigt ein Versuch mit Mustern aus mehreren Chargen.

F Wie schnell muss eine Zählstation zählen?

Das hängt am Ablauf, nicht am Gerät. In einer Kleinteilezählung dauert das Zählen heute über 20 s und soll auf etwa eine Sekunde sinken, bei einem Hersteller von Membranen ist die Taktzeit dagegen unkritisch. Die Vorgabe gehört in die erste Spezifikation, weil sie mitbestimmt, wie viele Bilder die Station aufnehmen darf.

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