Vorpositionieren und freigeben: Elektroden, Folien, Küvetten und Zuführteile vor Kleben, Ofen und Greifer

Eine EKG-Elektrode, auf die das Gel gesetzt wurde und die danach durch den Ofen gefahren ist, lässt sich nicht mehr verschieben. Eine Folie, die im Flow-Sensor verschlossen ist, ebenso wenig. Bei flachen und oft transparenten Teilen in der Medizinproduktmontage wird die Lage einmal bestimmt und danach dauerhaft fixiert, durch Kleber, Wärme, Schnitt oder Deckel. Am Übergang zu Träger und Greifer kommt eine zweite Frage hinzu: Gibt die Lage die Station frei, oder wird sie zum Korrekturwert für eine Achse? Dieser Beitrag geht beide Fragen an dokumentierten Anwendungen durch. Eine davon verdoppelt eine vor Jahren gelöste Station, eine stand vor der Bestellung, die übrigen sind Angebot, Planung oder Idee.

Wichtige Punkte im Überblick

Flache, oft transparente Medizinteile werden einmal positioniert und danach durch Kleber, Wärme, Schnitt oder Deckel dauerhaft fixiert, weshalb die Station vorher nur fragen muss, wo das Teil liegt, und dafür meist ein Mustervergleich statt eines Maßes mit Prüfprotokoll genügt.
Der stärkste Beleg ist eine Wiederholung: Für eine neue Montagemaschine für Flow-Sensoren wird eine vor Jahren gelöste Station verdoppelt, die Position und Orientierung einer transparenten Folie per Mustervergleich erfasst, und wer so verdoppelt, übernimmt am besten auch Beleuchtung und Kameraabstand.
Für EKG-Elektroden sind in einem Projekt vor der Bestellung die Lage vor und nach dem Ofen sowie die Erkennung transparenter Klebetropfen vorgesehen, und weil an der High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G nur bestimmte Kameratypen multispektral aufnehmen, wird die Kamera für die Tropfen vor der Auslegung festgelegt.
Ob die Lage Freigabe oder Korrekturwert ist, entscheidet der nächste Schritt: In einer angefragten Diagnostikmaschine genügt für die Küvette im Träger ein OK, in einer geplanten Maschine für ein Medizingerät braucht der Roboter Position und Winkel der Abdeckungen aus dem Bunker.
Nicht jede Lagefrage braucht ein Bild: Ob ein Teil aufliegt oder hochsteht, beantwortet oft allein der Abstand, den der CMOS-Lasersensor mit integrierter Auswerteeinheit der Modellreihe LR-Z je nach Ausführung zwischen 25 und 500 mm erfasst, und erst Winkel, Kontur oder mehrere Positionen verlangen eine Kamera.

Einmal positioniert, dauerhaft fixiert: die Lage als Freigabe vor Kleben, Ofen und Schneiden

Vor einem fixierenden Schritt fragt die Station nicht, wie groß ein Teil ist, sondern wo es liegt. Für diese Frage genügt meist ein Mustervergleich. Die Kamera lernt die Kontur des Teils einmal an, findet sie im Bild wieder und gibt Position und Winkel aus. Ein Maß mit Toleranz und Prüfprotokoll ist nicht verlangt, und das vereinfacht die Auslegung. Das Bildfeld darf größer sein, weil der Spielraum des Einlegens mit ins Bild muss, und die Auflösung richtet sich nach der Freigabegrenze statt nach einer Messunsicherheit.

Schwierig ist das Material. Transparente Folien und klare Klebetropfen geben im Auflicht wenig Kontrast. Hintergrundlicht macht die Kontur einer Folie zur Kante. Für Tropfen, die sich kaum vom Untergrund abheben, hilft eine Aufnahme bei mehreren Wellenlängen.

EKG-Elektroden vor und nach dem Ofen: zwei Positionen und der transparente Klebetropfen

In einem Projekt für die Vorpositionierung von EKG-Elektroden bei der Gelbestückung sind drei Prüfungen vorgesehen: die Lage vor dem Ofen, die Lage nach dem Ofen und die Erkennung transparenter Klebetropfen. Geplant sind zwei Kameras mit Ringlicht für die beiden Positionen und eine dritte mit multispektraler Aufnahme für die Tropfen. Die Tests dazu liefen im Labor. Das Projekt hat die interne Genehmigung beim Kunden durchlaufen und stand damit vor der Bestellung.

Zwei Lagen am selben Teil haben einen Grund. Vor dem Ofen entscheidet die Lage, ob das Teil hineinfahren darf. Nach dem Ofen zeigt sie, ob es sich beim Aushärten verschoben hat. Beim Tropfen geht es an dieser Stelle nicht um seine Qualität, sondern darum, ob er dort sitzt, wo die Elektrode fixiert werden soll.

Für drei Kameras an einem Controller eignet sich die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G, die bis zu acht Kameras je Controller aufnimmt. Die multispektrale Aufnahme hängt dabei am Kameratyp. Schwarzweißkameras und bestimmte weitere Typen unterstützen LumiTrax und multispektrale Aufnahme, Farbkameras und 21-MP-Kameras nur LumiTrax. Die Kamera für die Tropfen ist deshalb festzulegen, bevor die Station ausgelegt wird.

Transparente Folie im Flow-Sensor: Mustervergleich statt Maß und eine verdoppelte Station

Der stärkste Beleg in diesem Umfeld ist eine Wiederholung. Für eine neue Montagemaschine für Flow-Sensoren eines Medizingeräts wird eine Station verdoppelt, die vor einigen Jahren gelöst wurde. Erfasst werden Position und Orientierung einer transparenten Folie von etwa 25 mm, bei einem Bildfeld von etwa 50 mm in einer Richtung und nur einem Produkttyp. Die Position kommt aus dem Mustervergleich, nicht aus einer Messung.

Eine Duplikation sagt mehr als ein gelungener Test. Sie zeigt, dass der Anwender das vor Jahren gelöste Konzept für eine neue Maschine wiederholt, statt es neu auszulegen. Für eine neue Station dieser Art ist die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS die erste Wahl. Mit Hintergrundlicht und Mustersuche findet sie die Folienkontur und gibt Position und Winkel über PROFINET, EtherNet/IP oder EtherCAT aus. Wer eine gelöste Station verdoppelt, übernimmt am besten auch Beleuchtung und Kameraabstand, damit das angelernte Muster ohne neuen Aufbau trägt.

Cut and Place bei ±0,2 mm: Bildfeld, Bandgeschwindigkeit und Takt

Ein Integrator fragt für eine Pharmaanwendung eine Cut-and-Place-Maschine an. Ein Zuschnitt wird von einer Bahn geschnitten und abgelegt, angenommen sind etwa ±0,2 mm, ein Bildfeld von höchstens 250 mm, eine Bahn mit etwa 2 m/min und einige Dutzend Takte pro Minute. Die Anfrage steht im Angebotsstadium.

Die Zahlen lassen sich vorab gegeneinander prüfen. Eine 5-MP-Kamera mit 2432 Bildpunkten in der Breite löst ein Feld von 250 mm rechnerisch mit etwa 0,1 mm je Bildpunkt auf. Für ±0,2 mm ist das eine knappe Reserve; wird sie zu eng, verkleinert man das Feld auf den Bereich, in dem der Zuschnitt tatsächlich liegen kann. Die Bahn ist mit 2 m/min unkritisch, sie bewegt das Teil während einer angenommenen Belichtung von einer Millisekunde rechnerisch um etwa ein Drittel Bildpunkt.

Küvette und Bunker: Lage im Träger als Freigabe oder als Korrekturwert

In einer Montagemaschine für die Diagnostik sollen Küvetten auf Anwesenheit und Lage geprüft werden; für die Lage ist eine Genauigkeit von etwa 0,3 mm noch zu klären. Hier ist die Lage eine Freigabe. Entweder sitzt die Küvette so im Träger, dass die nächste Station arbeiten kann, oder die Station wartet. Für diese Frage passt der AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 mit Positionskorrektur, deren Prüffenster der Lage des Trägers folgen. Auch diese Anfrage steht im Angebotsstadium.

Anders an einer geplanten Montagemaschine für ein Medizingerät. Rote Kunststoffabdeckungen kommen aus einem Bunker, und ihre Lage soll vor dem Pick and Place erkannt werden, bei einigen hundert Teilen pro Minute, einem Bildfeld von etwa 200 x 400 mm und etwa ±2 mm. Hier wird die Lage zum Korrekturwert, den der Roboter zum Greifen braucht. Die All-in-One Kamera bestimmt Position und Winkel und gibt sie mit der Robot Vision-Funktion für 2D weiter, die Roboter von 17 Herstellern und eine benutzerdefinierte Anbindung vorsieht. Die rote Farbe hilft, weil sich das Teil klar vom Bunker abhebt.

Zehn Teile im Greifer: den Abstand messen, statt der Mechanik zu vertrauen

Eine Idee aus der Montage medizinischer Kleinteile setzt früher an. Ein Greifer nimmt zehn Teile auf einmal auf, mit einem besonderen Abstand zwischen ihnen. Diesen Abstand stellt ein Zylinder ein, dessen Geschwindigkeit von der Reibung abhängt, und damit schwankt er. Statt der Mechanik zu vertrauen, soll ein Abstandssensor den tatsächlichen Abstand messen und die Roboterposition über einen Weg von bis zu 500 mm auf 0,1 mm nachführen. Gewünscht sind eine kompakte Bauform und IO-Link oder Ethernet.

Die Idee ist schlüssig, die Sensorklasse aber noch offen. Hochauflösende Abstandssensoren arbeiten meist mit kurzen Messbereichen. Ein Weg von 500 mm mit 0,1 mm verlangt entweder einen Sensor, dessen Messbereich den ganzen Weg abdeckt, oder eine Messung an einem festen Bezugspunkt, an dem der Greifer vorbeifährt. Welche Klasse Bereich und Auflösung zugleich erfüllt, klärt eine Prüfung vor jeder Produktwahl.

Wo die Position an den Roboter geht und wo die Zelle beginnt

Küvette, Bunker und Greifer zeigen dieselbe Grenze. Die Lage als Freigabe oder als Korrekturwert ist eine Positionieraufgabe: Der Sensor bestimmt, wo das Teil liegt, und gibt ein OK oder eine Zahl weiter. Die Entnahme, die Zelle mit Zuführung und Übergabe und die Taktzeit des Roboters sind eine eigene Aufgabe der Automatisierung. Die Lagefrage endet dort, wo der Greifer zufasst.

Offen ist in vielen Projekten, wohin das Ergebnis geht. Im Projekt für die EKG-Elektroden wurde im Konzept erwogen, dass der Controller seine Signale direkt an die Stellmotoren schickt und eine eigene Steuerung entfallen könnte. Das ist eine Planungsüberlegung, keine laufende Lösung. Der übliche Weg führt über die SPS und den Feldbus, weil dort Freigaben, Verriegelungen und die Aufzeichnung der Station zusammenlaufen. Für eine Medizinproduktlinie ist das zugleich der Weg, den die Qualifizierung der Anlage am leichtesten nachvollziehen kann.

Einfache Lageabfragen mit dem Lasersensor: wann eine Kamera zu viel ist

Nicht jede Lagefrage braucht ein Bild. Ob ein Teil im Träger liegt oder hochsteht, ob ein Deckel aufliegt oder nicht, lässt sich oft allein über den Abstand beantworten. Der CMOS-Lasersensor mit integrierter Auswerteeinheit der Modellreihe LR-Z erfasst je nach Ausführung Abstände zwischen 25 und 500 mm und schaltet, wenn das Teil nicht auf der erwarteten Höhe liegt. Einzelne Ausführungen haben einen Referenzflächen-Modus, der eine matte, schwingungsfrei fixierte Fläche hinter dem Teil als Bezug speichert; eine wandernde Fläche gleicht er nicht aus. Transparente Objekte erfasst der Lasersensor mit Hilfe von Führungen und Vorrichtungen. Geht die Frage über die Höhe hinaus, zu Winkel, Kontur oder mehreren Positionen, beginnt der Bereich der Kamera. Wie die Drehlage von Nadel und Pen-Komponenten vor dem Fügen bestimmt wird, beschreibt der Hauptbeitrag dieser Reihe.

Häufige Fragen

F Reicht ein Mustervergleich für die Lage einer transparenten Folie?

Wenn die Frage lautet, wo die Folie liegt, ja. Hintergrundlicht macht ihre Kontur zur Kante, und die Mustersuche gibt Position und Winkel aus. Eine Maßprüfung mit Toleranzwert ist eine andere Aufgabe.

F Welche Kameras nehmen multispektral auf?

An der Bildverarbeitung der Modellreihe VS-G hängt das am Kameratyp. Farbkameras und 21-MP-Kameras bieten nur LumiTrax, Schwarzweißkameras und bestimmte weitere Typen zusätzlich die multispektrale Aufnahme. Für transparente Klebetropfen wird der Kameratyp deshalb vor der Auslegung festgelegt.

F Wann ist die Lage eine Freigabe und wann ein Korrekturwert?

Eine Freigabe ist sie, wenn die Station nur wissen muss, ob das Teil richtig im Träger sitzt, wie bei der Küvette. Ein Korrekturwert ist sie, wenn eine Achse oder ein Roboter die Position braucht, um zu greifen oder nachzuführen, wie bei den Abdeckungen aus dem Bunker. Die Zelle, die danach greift, ist eine eigene Aufgabe.

F Kann die Kamera ihr Ergebnis direkt an die Stellmotoren geben?

In einem Konzept für EKG-Elektroden wurde das erwogen, umgesetzt ist es dort nicht. Üblich ist der Weg über SPS und Feldbus, etwa PROFINET, EtherNet/IP oder EtherCAT. Dort laufen Freigaben und Verriegelungen der Station zusammen.

F Wann genügt ein Lasersensor statt einer Kamera?

Wenn sich die Lagefrage über einen Abstand beantworten lässt, etwa ob ein Teil aufliegt oder hochsteht. Der Lasersensor der Modellreihe LR-Z deckt je nach Ausführung 25 bis 500 mm ab. Für Winkel, Kontur oder mehrere Positionen im Bild ist die Kamera die passende Klasse.

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