Zählen statt schätzen: Stückzahl in Nutzen, Trays, Lagen und Kassetten prüfen

Ob ein Bauteil auf einer Leiterplatte fehlt, ist eine Frage an eine feste Stelle. Ob ein Träger vollständig belegt ist, ist eine Frage an eine Zahl. Beides klingt nach derselben Prüfung, verlangt aber eine andere Auslegung: Der ganze Nutzen, das ganze Tray oder die ganze Lage muss in ein Bildfeld, die Positionen sind untereinander gleichwertig, und das Ergebnis ist ein Vergleich gegen eine Sollzahl. Dieser Beitrag beschreibt, wie sich Stückzahlen in Nutzen, Trays, Lagen und Waferkassetten prüfen lassen, wo die Zählwerkzeuge ihre Grenze haben und warum die umgekehrte Frage, ob ein Träger wirklich leer ist, in dieselbe Kategorie gehört.

Wichtige Punkte im Überblick

Zählen ist keine Anwesenheitsprüfung: Der ganze Träger muss in ein Bildfeld, die Positionen sind untereinander gleichwertig, und der Sollwert ist eine Gleichheit, denn auch ein Teil zu viel ist ein Fehler.
Das Werkzeug AI Count im AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 zählt bis zu 500 Objekte je Werkzeug, während die dokumentierten Belegungen von 8 bis 28 Teilen je Träger deutlich darunter liegen.
Transparente Behälter sind der Grund, warum reflexbasierte Sensoren an dieser Aufgabe scheitern, und bei acht Steckverbindern in einem transparenten Tray übernahm ein Allzweck-Lasersensor der Modellreihe LR-T die Abfrage über die Lichtlaufzeit.
Sobald ein Roboter den Träger füllt oder leert, ist ein blankes n.i.O. wenig wert, und die Ausgabe der leeren Position setzt eine feste Bildreferenz, ein mit der Steuerung abgestimmtes Koordinatensystem und eine Schnittstelle jenseits eines digitalen Bits voraus.
Im Waferhandling ist die Belegungsprüfung vor dem Robotergriff eine Sicherheitsfrage, denn eine einfache Einweglichtschranke erkennt sehr dünne Wafer nicht zuverlässig, und ein übersehener Wafer beschädigt Roboter und Wafer.

Zählen ist keine Anwesenheitsprüfung: warum die Auslegung anders läuft

Bei einer Anwesenheitsprüfung liegt je Merkmal ein Werkzeug auf einem festen Bildausschnitt. Bei 28 gleichartigen Positionen auf einem Nutzen ist dieser Weg unpraktisch, und er wird spätestens dann falsch, wenn der Träger leicht versetzt am Stopper steht. Gezählt wird deshalb nicht Position für Position, sondern ein Werkzeug sucht im Bildfeld nach gleichartigen Objekten und gibt deren Anzahl aus.

Die dokumentierten Stückzahlen liegen dicht beieinander. Genannt werden 28 Leiterplatten mit Schutzkappen auf einem Nutzen, bis zu 20 Nester in einem Tray, 8 Steckverbinder in einem transparenten Tray, 16 Kavitäten in einem Werkzeug, rund 24 Teile je Lage und 12 Bandpositionen an einem Kabelbaum. Der Sollwert ist dabei eine Gleichheit und keine Untergrenze, denn auch ein Teil zu viel ist ein Fehler. Wo die Lage der einzelnen Teile mitgeprüft werden soll, verlässt die Aufgabe das Zählen und gehört zur lagerichtigen Montage.

Den ganzen Träger in einem Bildfeld: Abstand, Auflösung, Höhenunterschiede

Die Auslegung beginnt beim kleinsten Objekt und nicht beim Träger. Dokumentiert sind ein Bildfeld von 400 x 400 mm über einem Träger mit 20 Leiterplatten und ein Feld, das etwas größer als eine Europalette sein musste, aufgenommen aus rund 1,5 m über der Oberkante. Je größer der Abstand, desto größer das Bildfeld und desto weniger Pixel je Objekt. Reicht das nicht, sind zwei Aufnahmepositionen die sauberere Lösung als ein Feld, in dem das Objekt auf wenige Pixel schrumpft.

Drei Randbedingungen tauchen in den Anwendungsfällen immer wieder auf:

Höhenunterschiede innerhalb desselben Feldes, weil die Teile auf verschiedenen Ebenen liegen. In einem Test glich ein Zählwerkzeug rund 400 mm Höhenunterschied aus, ohne dass die Objekte verloren gingen.
Beleuchtung, die extern geplant wird. Über einem großflächigen Träger ist das eher Regel als Ausnahme, in einem Fall ausdrücklich als Infrarotbeleuchtung, damit kein sichtbarer Blitz die Mitarbeiter stört.
Ein Träger, dessen Auflösungsbedarf mit den Jahren wächst. Ein Anwender stieß mit einem Vision-Sensor an die Grenze, weil die Teile in verschiedenen Höhen lagen, und wechselte auf eine All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS.

Wie viele Objekte ein Zählwerkzeug erfasst und was darüber passiert

Diese Zahl gehört an den Anfang der Auslegung: Das Werkzeug `AI Count` im AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 zählt bis zu 500 Objekte je Werkzeug. Alles, was in den Anwendungsfällen dieses Themas gezählt wird, von 28 über 24 und 20 bis zu 16, 12 und 8 Objekten, liegt deutlich darunter. Ein unbegrenzter Zähler ist das Werkzeug damit trotzdem nicht, und die Grenze sollte genannt werden, bevor jemand eine Verpackungslinie darauf plant.

Oberhalb dieser Zahl gibt es drei Wege. Der erste teilt das Bildfeld auf zwei Werkzeuge oder zwei Aufnahmepositionen auf. Der zweite trennt nach Objekttyp: In einem Test wurden 12 Kunststoffteile in einem Tray gezählt und der aufgeklebte Chip separat geprüft, gelöst mit zwei Zählwerkzeugen in einem Programm. Der dritte verlagert die Aufgabe auf ein Kamerasystem, sobald neben der Anzahl auch Koordinaten, Rezepte oder eine Bildablage gefordert sind.

Transparente und schwarze Trays: die schwierigen Behälter

Transparente Trays sind der Grund, warum reflexbasierte Sensoren an dieser Aufgabe scheitern. In einem dokumentierten Fall ging es um 8 Steckverbinder in einem transparenten Tray, und der Anwender wog ernsthaft ab, ob er stattdessen die Trays einfärben lässt. Gelöst wurde die Abfrage schließlich mit einem Lasersensor der Modellreihe LR-T, der über die Lichtlaufzeit misst und in diesem Aufbau stabil arbeitete.

Am anderen Ende steht der schwarze Behälter. Ein Anwendungsfall beschreibt weiße und schwarze Trays von rund 300 x 1500 mm mit bis zu 20 Nestern, in denen kleine Leiterplatten in schwarzen Kunststoffgehäusen liegen, abgefragt aus 300 bis 500 mm durch eine etwa 20 mm dicke Sicherheitsglasscheibe hindurch. Ein digitales Signal je Nest genügte dort. Schwarz in Schwarz gibt im Grauwert nichts her, wohl aber in der Höhe, weshalb bildbasierte Höhenvergleichssensoren der Modellreihe IX in solchen Konstellationen auftauchen. Wo der Träger es zulässt, löst eine Aufnahme im Gegenlicht das Kontrastproblem am einfachsten.

Zu wenig und zu viel: Doppelbelegung und leere Nester melden

Ein Zählergebnis kennt zwei Fehlerrichtungen, und beide gehören getrennt gemeldet. Zu wenig heißt, ein Nest ist leer geblieben oder ein Teil wurde beim Transport ausgeworfen. Zu viel heißt, ein Teil liegt doppelt, ein Bauteil ist beim Greifen zurückgerutscht oder ein Rest aus dem Vortakt liegt noch im Träger. Ein Anwendungsfall prüft nach dem Robotergriff ausdrücklich, dass keine der sechs kleinen Leiterplatten liegen geblieben oder zurückgefallen ist.

Für die Station heißt das zweierlei. Die Steuerung sollte beide Zustände unterscheiden können, weil der Werker sonst nur ein n.i.O. sieht und selbst nachzählt. Und die Prüfung braucht einen definierten Auslösezeitpunkt, denn ein unscharfes Bild aus der Bewegung liefert kein belastbares Zählergebnis.

Position der Leerstelle ausgeben statt nur n.i.O.

Sobald ein Roboter den Träger füllt oder leert, ist ein blankes n.i.O. wenig wert. Nützlich ist die Position: welches Nest leer ist, damit die Zelle es nachbelegt oder überspringt, statt anzuhalten. Ein dokumentiertes Projekt fordert genau das, nämlich die Ausgabe leerer Tray-Bereiche an einen Roboter, bei maximal einem Meter Abstand, weil der Prüfaufbau auf einem verfahrbaren Tisch sitzt und unter einer Tür hindurchpassen muss.

Drei Dinge müssen dafür zusammenkommen. Der Träger braucht eine feste Referenz im Bild, damit Pixel in Koordinaten übersetzbar sind. Das Koordinatensystem muss mit der Steuerung abgestimmt sein, bevor die Optik ausgelegt wird. Und die Schnittstelle muss mehr transportieren können als ein digitales Bit, was digitale E/A ausschließt. In dieser Rolle steht die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS, die neben dem Zählergebnis Positionen ausgibt. Welcher Träger gerade unter der Kamera steht, liest üblicherweise ein Codeleser vom Etikett, was in der Themenreihe zur Codelesung beschrieben wird.

Waferkassetten und Träger im Halbleiterumfeld belegen und prüfen

Im Waferhandling ist die Belegungsprüfung eine Sicherheitsfrage. Bevor der Roboter in die Kassette greift, muss feststehen, welche Slots belegt sind. Eine einfache Einweglichtschranke erkennt sehr dünne Wafer nicht zuverlässig, und ein übersehener Wafer kann Roboter und Wafer beschädigen. Ein einzelner Wafer ist teuer genug, dass diese Prüfung sich über wenige Ereignisse trägt.

Zwei Herangehensweisen sind dokumentiert. Die eine tastet die Kassette von vorn und von hinten ab und gibt Anwesenheit, Position und Abstand der Wafer aus, damit der Roboter weiß, wo er ansetzen darf. Die andere arbeitet mit einem Reflektor auf der Gegenseite und fragt die Anwesenheit je Position ab. Wichtiger als die Auflösung ist bei beiden das Messprinzip, denn eine Waferoberfläche ist stark spiegelnd und je nach Material teilweise transparent.

Leer, entfernt, abgezogen: die umgekehrte Prüfung

Die gleiche Technik beantwortet auch die umgekehrte Frage, bei der Anwesenheit der Fehler ist. Ein Anwendungsfall formuliert es wörtlich: Sind die vier Bestückungshilfen noch auf dem Nutzen, ist das Ergebnis n.i.O., sind sie abgenommen, ist es i.O. Geprüft wird, während der Roboter den Nutzen im Greifer auf Endanschlag gefahren hat, und die Notiz aus dem Projekt ist aufschlussreich: Der Nutzen darf während der Abfrage nicht mehr schwingen. Zwei Sensoren decken den Nutzen ab, die Anbindung läuft über PROFINET, und die offene Station braucht Schutz vor direkter Sonneneinstrahlung.

Der zweite dokumentierte Fall zieht 28 Schutzkappen von den 28 Leiterplatten eines Nutzens und soll anschließend bestätigen, dass keine hängen geblieben ist. Bisher saß je Kappe ein Lichtleitersensor in der Abziehstation, beschrieben als nicht hundertprozentig zuverlässig, weil der Trefferbereich auf der Kappe klein und die Einstellung heikel ist. Erschwerend heben sich die Kappen farblich nicht vom Nutzen ab, geprüft wird von der Unterseite durch das Förderband, mit weniger als 200 mm Abstand. Genau hier entscheidet die Höhe statt des Grauwerts. Dieselbe Logik trägt geleerte Behälter und den Nachweis, dass eine Schutzfolie vollständig entfernt wurde.

Häufige Fragen

F Wie viele Teile kann ein Vision-Sensor in einem Bild zählen?

Das Werkzeug `AI Count` im AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 zählt bis zu 500 Objekte je Werkzeug und insgesamt bis zu 999 Elemente. Die in der Anwendungspraxis dokumentierten Stückzahlen von 8 bis 28 Objekten je Träger liegen deutlich darunter. Werden mehr Objekte oder mehrere Objekttypen gebraucht, teilt man die Aufgabe auf zwei Werkzeuge, zwei Aufnahmepositionen oder ein Kamerasystem auf.

F Wie prüft man die Belegung eines transparenten Trays?

Nicht mit einem reflexbasierten Sensor, der am transparenten Behälter scheitert. In einem dokumentierten Fall mit 8 Steckverbindern in einem transparenten Tray fiel die Wahl auf einen Lasersensor der Modellreihe LR-T, der über die Lichtlaufzeit misst. Geht es um viele Nester gleichzeitig, ist eine Aufnahme im Gegenlicht oder eine Höhenbetrachtung der stabilere Weg.

F Wie meldet die Station, welches Nest leer ist, statt nur n.i.O.?

Über eine Koordinatenausgabe. Dafür braucht der Träger eine feste Bildreferenz, das Koordinatensystem muss mit der Steuerung abgestimmt sein, und die Schnittstelle muss mehr als ein digitales Bit transportieren. Eine All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS gibt neben der Anzahl die Positionen der freien Plätze aus, sodass ein Roboter nachbelegen oder überspringen kann.

F Warum erkennt eine Einweglichtschranke dünne Wafer in der Kassette nicht?

Weil das Signal mit der abgedeckten Fläche steht und fällt. Sehr dünne Wafer decken zu wenig Fläche ab und werden von einer einfachen Lichtschranke nicht mehr sicher erfasst. Zuverlässiger sind Verfahren, die die Kassette abtasten und Anwesenheit, Position und Abstand je Slot ausgeben oder mit einem Reflektor auf der Gegenseite arbeiten.

F Wie weist man nach, dass ein Träger wirklich leer ist?

Mit derselben Prüfung, aber umgekehrter Logik: Anwesenheit ist der Fehlerfall, eingelernt wird der leere Zustand. Wichtig sind ein definierter Stillstand, weil ein schwingender Träger falsch zählt, und eine Entscheidungsgrundlage jenseits der Farbe, wenn sich Kappen oder Hilfsmittel farblich nicht vom Träger abheben. In diesen Fällen entscheidet die Höhe, etwa mit einem bildbasierten Höhenvergleichssensor der Modellreihe IX.

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