Drehlage und Winkel von Dreh- und Rundteilen erkennen: Wellen, Ringe und Zahnräder ausrichten

Ein Drehteil kann am richtigen Ort liegen und dennoch falsch ausgerichtet sein, weil es um die eigene Achse verdreht ist. In der Metallverarbeitung entscheidet bei Wellen, Ringen, Zahnrädern und Rotoren häufig nicht die Position in der Ebene über den nächsten Prozessschritt, sondern der Drehwinkel, die Nutlage oder die Phase einer Verzahnung.

Trifft ein Bauteil in einer undefinierten Drehstellung ein, kann der Folgeprozess es nicht sicher fügen, verpressen oder bearbeiten. Dieser Beitrag zeigt, wie sich die Winkelaufgabe präzise beschreiben lässt, wann eine physische Drehung sinnvoll ist und wann die reine Ausgabe eines Winkelwerts ausreicht. Außerdem wird erläutert, warum Beleuchtung und Optik bei glänzenden Drehflächen entscheidend für die Messstabilität sind.

Die Übergabe der Position in X und Y behandelt der Leitartikel. Im Mittelpunkt dieses Beitrags steht die Winkelbestimmung.

Wichtige Punkte im Überblick

Ein Drehteil kann am richtigen Ort liegen und trotzdem falsch sein, weil es um die eigene Achse verdreht ist: bei Wellen, Ringen, Zahnrädern und Rotoren entscheidet der Drehwinkel, die Nutlage oder die Phase.
Die Aufgabe reicht vom Winkel eines eindeutigen Merkmals über die Phase einer periodischen Verzahnung bis zur Winkellage einer kontrastarmen Markierung, in dokumentierten Anwendungen mit Genauigkeiten von wenigen Grad bis in den Hundertstelbereich.
Zwei Grundkonzepte stehen zur Wahl: das Teil vor dem Sensor bis zur Solllage drehen oder den Winkel messen und an Roboter oder Achse ausgeben.
Bei runden, glänzenden Teilen entscheiden Beleuchtung und Optik über die Stabilität: Flachwinkellicht hebt Zahnflanken hervor, eine telezentrische Optik nimmt die perspektivische Verzerrung am Bildfeldrand aus der Messung.
Die Technik richtet sich nach der Schwierigkeit der Winkelaufgabe: ein Vision-Sensor für die einfache Ausrichtung, eine All-in-One Kamera mit integrierter AI und Zoom für wechselnde Durchmesser und ein 3D Laser-Snapshot-Sensor, wenn die Winkelinformation in der Höhe steckt.

Typische Aufgaben: Wellen, Ringe, Zahnräder, Rotoren und Crimpwalzen ausrichten

Die Aufgabe tritt bei sehr unterschiedlichen Bauteilen auf, folgt jedoch stets demselben Grundprinzip. Bei einer Welle muss beispielsweise die Position einer Nut oder Abflachung erkannt werden, damit die Gegenseite später kollisionsfrei aufgeschoben werden kann. Bei einem Ring ist der Winkel einer Bohrung oder Kontur maßgeblich. Bei einem Rotor oder Zahnrad muss die Phase der Verzahnung stimmen, bevor eine zweite Komponente eingreift. Ein Rad mit Ventilloch muss so gedreht werden, dass sich die Öffnung an einer definierten Position befindet. Auch das axiale Ausrichten zweier verzahnter Crimpwalzen zueinander gehört zu dieser Aufgabengruppe.

Der gemeinsame Nenner ist leicht zu übersehen: Das Bauteil ist vorhanden und bereits grob positioniert. Es ist lediglich um seine eigene Achse verdreht. Damit unterscheidet sich die Aufgabe deutlich von der reinen Lageerkennung, bei der die Position in der Ebene bestimmt wird. Ebenso handelt es sich nicht um das Greifen eines ungeordneten Bauteils aus einer Kiste.

In der Praxis liegt die geforderte Genauigkeit häufig bei etwa einem Grad. Bei anspruchsvollen Verzahnungen kann sie bis in den Bereich von einigen Hundertstelgrad reichen. Wer diese Aufgabenstellung frühzeitig abgrenzt, kann die Technik gezielt spezifizieren und vermeidet eine unnötig komplexe Lösung, wenn lediglich ein Winkelwert benötigt wird.

Drehwinkel, Nutlage, Phasenlage: die Aufgabe sauber definieren

Vor der Auswahl der geeigneten Technik sollte genau festgelegt werden, was gemessen werden soll. In der Praxis werden häufig drei Fragestellungen miteinander vermischt, obwohl sie technisch unterschiedlich anspruchsvoll sind.

Am einfachsten lässt sich der Winkel eines eindeutigen Merkmals bestimmen. Eine Nut, eine Bohrung, eine Abflachung oder eine Markierung gibt eine klare Bezugsrichtung vor, aus der sich der Drehwinkel direkt berechnen lässt.

Anspruchsvoller ist die Bestimmung der Phase einer Verzahnung. Da sich die Zähne regelmäßig wiederholen, muss das System die korrekte Stellung von mehreren ähnlichen Positionen unterscheiden.

Besonders anspruchsvoll ist die Erkennung einer schwach kontrastierten Markierung. Dazu kann beispielsweise ein geprägter Punkt auf mattem oder gedrehtem Metall gehören, der sich nur geringfügig vom Untergrund abhebt.

Zu einer präzisen Aufgabenbeschreibung gehört außerdem die zulässige Winkelabweichung im Folgeprozess. Ebenso muss festgelegt werden, ob nur eine Sollstellung oder mehrere zulässige Stellungen möglich sind. Definieren Sie deshalb frühzeitig das Referenzmerkmal, etwa eine Nut, Bohrung, Kontur oder Zahnflanke, und leiten Sie den erforderlichen Zielwert aus der konkreten Prozessanforderung ab. Eine prozessseitig begründete Genauigkeitsvorgabe ist sinnvoll. Der allgemeine Wunsch nach maximaler Genauigkeit reicht dagegen als Spezifikation nicht aus.

Drehen und prüfen oder Winkel ausgeben: zwei Grundkonzepte

Für die Umsetzung haben sich zwei Konzepte etabliert, die sich insbesondere bei Mechanik und Taktzeit deutlich unterscheiden.

Beim ersten Konzept wird das Bauteil vor dem Sensor gedreht, bis es die erforderliche Sollstellung erreicht. Eine Dreh- oder Zentrierstation nimmt das Bauteil auf und dreht es langsam. Sobald der Sensor die gesuchte Winkelstellung erkennt, gibt er das Stoppsignal aus. Dieses Verfahren eignet sich, wenn bereits eine drehbare Aufnahme vorhanden ist und das Bauteil vor dem nächsten Prozessschritt physisch ausgerichtet werden muss.

Beim zweiten Konzept bleibt das Bauteil während der Messung in Ruhe. Der Sensor bestimmt den Drehwinkel und übergibt ihn als Wert an einen Roboter oder eine Achse. Diese bringt das Bauteil anschließend in die gewünschte Zielstellung. Die Variante ist meist schneller, da kein schrittweises Drehen und Prüfen erforderlich ist. Sie setzt jedoch ein Handlingsystem voraus, das den ermittelten Winkel präzise umsetzen kann.

Welches Konzept geeignet ist, hängt von der vorhandenen Mechanik, der geforderten Taktzeit und der erforderlichen Genauigkeit ab. Eine Drehstation kann eine hohe Präzision ermöglichen, verlängert jedoch die Bearbeitungszeit pro Teil. Die reine Ausgabe des Winkelwerts ist häufig schneller, verlagert die Genauigkeitsanforderung jedoch auf das nachgelagerte Handling und dessen Wiederholgenauigkeit.

Je nach Handlingsystem liegen die Taktzeiten in dokumentierten Anwendungen zwischen wenigen Sekunden und deutlich darüber.

Beleuchtung und telezentrische Optik: Zahnflanken und glänzende Drehflächen sicher abbilden

Bei runden und meist glänzenden Bauteilen entscheidet die Optik häufig stärker über den Erfolg der Anwendung als die Kamera selbst. Eine spiegelnde Welle reflektiert das Licht gerichtet. Dadurch können Merkmale abhängig vom Blickwinkel deutlich sichtbar sein, aufblitzen oder vollständig verschwinden. Ohne ein abgestimmtes Beleuchtungskonzept kann der ermittelte Winkel deshalb von Teil zu Teil schwanken.

Für Zahnflanken und geprägte Konturen hat sich flach einfallendes Licht bewährt. Der geringe Einfallswinkel erzeugt an den Flanken einen Schattenwurf, der die Kanten hervorhebt und dadurch eine zuverlässige Auswertung der Phasenlage ermöglicht. Bei kontrastarmen Merkmalen kann eine gerichtete Spotbeleuchtung zusätzlich helfen. Sie beleuchtet das relevante Merkmal gezielt, während der spiegelnde Untergrund möglichst dunkel bleibt.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Perspektive. Bei runden Bauteilen können Zähne und Flanken am Rand des Bildfelds verzerrt erscheinen, wenn eine herkömmliche Optik verwendet wird. Diese perspektivische Verzerrung kann die Winkelmessung verfälschen. Eine telezentrische Optik reduziert diesen Einfluss, indem sie Merkmale über einen größeren Bereich des Bildfelds mit konstantem Abbildungsmaßstab darstellt. Für präzise Winkel- und Zahnmessungen ist daher häufig ein Bildverarbeitungssystem der Modellreihen CV-X oder XG-X mit telezentrischem Objektiv die geeignete Lösung.

Variable Durchmesser mit Zoom-Optik beherrschen

Rundteile werden selten nur in einem einzigen Durchmesser gefertigt. Wellen, Ringe und Räder sind häufig in Varianten von wenigen Zentimetern bis zu mehreren hundert Millimetern verfügbar. Ein festes Bildfeld führt dabei schnell zu einem Kompromiss. Wird es auf die größte Variante ausgelegt, geht bei kleineren Bauteilen Auflösung und damit auch Winkelgenauigkeit verloren.

Eine All-in-One-Kamera mit integrierter KI der Modellreihe VS und Zoom-Funktion kann dieses Problem lösen. Das Bildfeld lässt sich für jede Variante passend einstellen, ohne bei kleineren Bauteilen unnötig Auflösung zu verschenken. Dadurch erscheint das jeweilige Referenzmerkmal in einer geeigneten Größe und kann präziser ausgewertet werden.

Bei kontrastarmen oder besonders variantenreichen Merkmalen kann die KI-Unterstützung ihre Vorteile ausspielen. Die Kamera lernt anhand von Beispielbildern, welche Stellungen zulässig und welche unzulässig sind.

Für die einfache Ausrichtung eines Bauteils anhand einer eindeutigen Markierung oder Kontur genügt häufig bereits ein kompakter AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4. Liegt die Winkelinformation hingegen nicht im Grauwertbild, sondern in einem Höhenmerkmal wie einer Nut oder einer Stufe am Umfang, kann ein 3D-Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 die Position anhand des Höhenprofils bestimmen.

Bildfeld und Auflösung sollten in jedem Fall aus der erforderlichen Winkelgenauigkeit abgeleitet werden. Ein möglichst großes Bildfeld ist nicht automatisch die beste Lösung.

Test mit Originalteilen: Varianten und Oberflächen real prüfen

Drehlagenaufgaben sollten möglichst nicht ohne vorherigen Machbarkeitsnachweis beauftragt werden. Die Messstabilität hängt häufig von Details ab, die erst am realen Bauteil sichtbar werden. Stellen Sie deshalb Testmuster mit allen Durchmesser- und Zahnvarianten bereit. Die Teile sollten dabei den tatsächlichen Produktionszustand aufweisen, beispielsweise gedrehte, geschliffene oder silbrig glänzende Oberflächen sowie typische Bearbeitungsspuren.

Im Test lässt sich klären, ob die geforderte Winkelgenauigkeit erreicht wird, ob alle Varianten sicher erkannt werden und ob die Taktzeit auch unter realen Beleuchtungsbedingungen eingehalten werden kann. Ein gereinigtes Vorzeigeteil unter gleichmäßiger Laborbeleuchtung liefert bei metallischen Bauteilen nur begrenzte Aussagekraft. Gerade Reflexionen und wechselnde Kontraste beeinflussen die Zuverlässigkeit maßgeblich.

Erst nach diesem Test sollten die endgültigen Auslegungsdaten festgelegt werden. Sensorposition, Arbeitsabstand, Bildfeld, Referenzmerkmal und Beleuchtungskonzept gehören anschließend ebenso ins Lastenheft wie die Schnittstelle für die Winkelübergabe, beispielsweise über PROFINET, EtherNet/IP oder TCP/IP.

So wird aus einer ersten Annahme eine belastbare Auslegung. Bei der späteren Abnahme muss dann nur noch überprüft werden, was bereits am Originalteil nachgewiesen wurde.

Häufige Fragen

F Wie erkennt eine Kamera die Drehlage eines runden Metallteils?

Das System wertet ein Referenzmerkmal am Bauteil aus, beispielsweise eine Nut, eine Bohrung, eine Abflachung oder eine Zahnflanke. Aus der Position dieses Merkmals berechnet es den Drehwinkel gegenüber einer definierten Sollrichtung.

Bei periodischen Strukturen wie Verzahnungen können sich ähnliche Stellungen wiederholen. Mehrere Aufnahmen oder eine kontrollierte Drehung vor dem Sensor helfen dabei, die richtige Stellung eindeutig zu bestimmen. Entscheidend ist ein abgestimmtes Beleuchtungskonzept, das das Referenzmerkmal auch auf einer glänzenden Metalloberfläche zuverlässig sichtbar macht.

F Was ist der Unterschied zwischen Drehwinkel und Phase?

Der Drehwinkel beschreibt die Lage eines eindeutigen Merkmals gegenüber einer festgelegten Bezugsrichtung. Die Phase bezieht sich dagegen auf eine periodische Struktur wie eine Verzahnung. Dort wiederholen sich ähnliche Stellungen regelmäßig. Das System muss deshalb die korrekte Position von mehreren nahezu identischen Stellungen unterscheiden.

Die Phasenerkennung ist dadurch anspruchsvoller und stellt höhere Anforderungen an Beleuchtung, Optik und Auswertung.

F Welche Winkelgenauigkeit ist bei Drehteilen erreichbar?

In der Praxis reicht die erforderliche Genauigkeit von einer groben Ausrichtung auf wenige Grad bis zu einigen Hundertstelgrad bei anspruchsvollen Verzahnungen. Welche Genauigkeit tatsächlich erreicht werden kann, hängt unter anderem vom Referenzmerkmal, vom Bildfeld, von der Auflösung, von der Optik und insbesondere von der Beleuchtung ab.

Die erreichbare Genauigkeit sollte deshalb in einem Machbarkeitstest mit Originalteilen und unter realen Produktionsbedingungen überprüft werden.

F Sollte man das Teil drehen oder nur den Winkel messen?

Beide Verfahren sind in der Praxis gebräuchlich. Bei einer physischen Ausrichtung dreht eine Dreh- oder Zentrierstation das Bauteil, bis es die erforderliche Sollstellung erreicht. Dieses Konzept eignet sich insbesondere dann, wenn bereits eine drehbare Aufnahme vorhanden ist und das Teil vor dem nächsten Prozessschritt direkt ausgerichtet werden muss.

Bei der reinen Winkelmessung bleibt das Bauteil während der Prüfung in Ruhe. Der Sensor ermittelt den Winkel und übergibt ihn an einen Roboter oder eine Achse, die das Bauteil anschließend in die Zielstellung bringt. Dieses Verfahren ist häufig schneller, verlagert die Genauigkeitsanforderung jedoch auf das nachgelagerte Handling und dessen Wiederholgenauigkeit.

F Warum wird bei runden Teilen häufig eine telezentrische Optik eingesetzt?

Bei einem runden Bauteil können Zähne und Flanken am Rand des Bildfelds perspektivisch verzerrt erscheinen, wenn eine herkömmliche Optik verwendet wird. Dadurch kann sich auch der gemessene Winkel verändern.

Eine telezentrische Optik reduziert diesen Einfluss, indem sie das Merkmal über einen größeren Bereich des Bildfelds mit konstantem Abbildungsmaßstab darstellt. Dadurch werden perspektivische Verzerrungen bei der Messung weitgehend vermieden. Für präzise Winkel- und Zahnmessungen ist eine telezentrische Optik daher häufig ein entscheidender Bestandteil des Systems.

F Wie lassen sich viele Durchmesservarianten mit einem System beherrschen?

Ein festes Bildfeld führt bei unterschiedlichen Bauteildurchmessern schnell zu einem Kompromiss. Wird es auf die größte Variante ausgelegt, steht bei kleineren Teilen weniger Auflösung für die Auswertung zur Verfügung. Das kann die Winkelgenauigkeit beeinträchtigen.

Eine All-in-One-Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS und Zoom-Funktion ermöglicht es, das Bildfeld für jede Variante passend einzustellen. Dadurch erscheint das Referenzmerkmal unabhängig vom Bauteildurchmesser in einer geeigneten Größe und Auflösung.

So lässt sich die Winkelgenauigkeit über einen größeren Durchmesserbereich hinweg stabil halten, ohne mehrere separate Systeme einsetzen zu müssen.

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