Ein Merkmal, ein Sensor: Anwesenheitskontrolle in der Elektronikfertigung ohne Kamera

Nicht jede Anwesenheitskontrolle in der Elektronikfertigung ist ein Bildverarbeitungsprojekt. Eine Schraube im Steckergehäuse, eine Leiterplatte im Magazin, eine Dichtung im Presssitz, ein Isolierband auf einer Litze, ein Bauteil im Tray-Nest: In all diesen Fällen wird an einer festen Stelle eine einzige Ja-Nein-Frage gestellt, und die Antwort soll als digitales Signal in die Steuerung, ohne Bild, ohne PC und ohne Einlernaufwand. Dieser Leitfaden ordnet solche Aufgaben nicht nach Produktfamilien, sondern nach dem physikalischen Hindernis, an dem sie in der Praxis scheitern: kein Bauraum, ein zu großer Mindestabstand, ein transparenter Träger, schwarz auf schwarz, eine glänzende Fläche oder ein Unterschied, den nur die Höhe zeigt.

Wichtige Punkte im Überblick

Ein Einzelsensor passt, wenn drei Bedingungen zusammenkommen: Das Merkmal liegt immer an derselben Stelle, es wird nur eine Frage gestellt, und ein Schaltsignal genügt als Ergebnis.
Der häufigste Grund gegen eine Kamera ist der Bauraum, und an der Fügestelle muss nur der Kopf eines digitalen Lichtleitersensors der Modellreihe FS-N in die Enge, während der Verstärker im Schaltschrank oder auf der Hutschiene bleibt.
Der Auslegungsfehler, der am spätesten auffällt, ist der Mindestabstand, denn ein passender Messbereich nützt nichts, wenn das Gerät nicht dorthin gebaut werden kann, wo es messen soll.
Hebt sich das Bauteil farblich nicht von seinem Untergrund ab, entscheidet die Höhe statt des Grauwerts, und ein bildbasierter Höhenvergleichssensor der Modellreihe IX bewertet dafür eine Fläche statt eines Punktes.
Jede zusätzliche Prüfstelle bringt eine Halterung, eine Justage, eine Leitung und einen Eingang an der Steuerung mit sich, weshalb die Rechnung zur Kamera kippt, sobald mehrere Merkmale in einem Bildfeld liegen, Varianten gewechselt werden oder ein Ergebnis je Position verlangt wird.

Wann ein Sensor genügt und wann er die falsche Wahl ist

Ein Einzelsensor passt, wenn drei Bedingungen zusammenkommen: Das Merkmal liegt immer an derselben Stelle, es gibt nur eine Frage, und ein Schaltsignal reicht als Ergebnis. Ein dokumentierter Fall bringt das auf den Punkt, indem der Anwender ausdrücklich nur ein digitales Signal für vorhanden oder nicht vorhanden verlangt.

Die falsche Wahl ist der Einzelsensor, sobald das Bauteil wandert, sobald mehrere Merkmale gleichzeitig zu bewerten sind oder sobald Varianten unterschieden werden müssen. Ein Sensor sieht einen Punkt oder eine kleine Fläche, er sieht keinen Zusammenhang. Ein zweiter Hinweis auf die Grenze ist der Einstellaufwand: Wo ein Sensor nur mit Mühe justiert werden kann, wird er auch nach dem ersten Umbau nicht mehr richtig stehen.

Kein Platz an der Fügestelle: Lichtleiter in der Bohrung

Der häufigste Grund gegen eine Kamera ist schlicht der Bauraum. An der Fügestelle sitzt ein Greifer, ein Niederhalter oder ein Werkzeug, und die einzige freie Blickachse führt durch eine Bohrung von wenigen Millimetern. Hier spielt der Lichtleitersensor der Modellreihe FS-N seine Stärke aus, weil nur der Lichtleiterkopf in die Enge muss, während der Verstärker im Schaltschrank oder auf der Hutschiene bleibt.

In einem dokumentierten Projekt wird eine Leiterplatte mit 1,5 mm Materialstärke an sechs Positionen abgefragt, sechs Lichtleiterköpfe mit den zugehörigen Verstärkern liefern sechs digitale Signale, mehr wird nicht gebraucht. Ein anderes Projekt setzt Lichtleiter ein, um die Schiefstellung einer Platine im Werkstückträger zu erkennen, bevor der nächste Schritt startet. Die Grenze zeigt derselbe Datenbestand ebenso deutlich: Lichtleiter, die auf eine kleine gewölbte Kappe zielen, gelten in einem Fall als nicht zu hundert Prozent zuverlässig, weil der nutzbare Trefferbereich klein ist und die Sensoren schwer einzustellen sind.

Mindestabstand, Messbereich, Montage: die häufigsten Auslegungsfehler

Der Fehler, der am häufigsten zu spät auffällt, ist der Mindestabstand. Ein Sensor mit passendem Messbereich nützt nichts, wenn er wegen seines kürzesten zulässigen Abstands nicht dorthin gebaut werden kann, wo er messen soll. In einem realen Projekt sollte ein Höhenunterschied von rund 1 mm direkt im Magazin abgefragt werden. Der Lasersensor schied genau daran aus, während ein Lichtleiter mit passendem Kopf an derselben Stelle stabile Ergebnisse lieferte.

Der zweite Auslegungsfehler betrifft den Bezug. Ein CMOS-Lasersensor der Modellreihe LR-X arbeitet bis 250 mm und ist der Standard für die kurze Distanz; wächst der Abstand darüber hinaus, übernimmt ein Allzweck-Lasersensor der Modellreihe LR-T mit Lichtlaufzeitmessung. Gibt der Abstand allein nichts her, etwa bei transparenten Objekten oder bei unebenen Teilen, die sich nur in Oberfläche oder Farbe unterscheiden, hilft der Referenzflächen-Modus der entsprechenden Ausführungen der Modellreihe LR-Z (I-DATUM, bei den aktuellen LR-ZH-Modellen U.C.D.). Er lernt das Lichtempfangsmuster des Hintergrunds als Referenzfläche ein und bewertet die Abweichung davon; die Referenzfläche selbst muss dafür fest montiert und möglichst matt sein. Der dritte Punkt ist die Mechanik: M8- oder M12-Anschluss, Kabellänge, mitfahrende Montage am Werkzeug und die Frage, wer den Sensor nach einem Umbau wieder ausrichtet.

Transparente Träger, schwarze Bauteile, glänzende Gehäuse

Drei Oberflächen bringen klassische Reflexlichtschranken an ihre Grenzen. Transparente Trays sind der erste Fall. Ein dokumentiertes Projekt prüft acht Steckverbinder in einem transparenten Tray und stand vor der Wahl, entweder die Trays einzufärben oder den Sensor zu wechseln; ein Lasersensor der Modellreihe LR-T arbeitete hier stabil, während der Nahbereichssensor nicht trug. Ein zweiter Fall misst durch eine rund 20 mm dicke Sicherheitsglasscheibe aus dem Umgebungsdruck heraus in eine Vakuumkammer, auf Trays in 300 bis 500 mm Abstand, wieder mit einem einzigen digitalen Signal als gefordertem Ergebnis.

Der zweite Oberflächenfall ist schwarz auf schwarz. Ein Projekt aus der Kabelkonfektion muss zwölf schwarze Isolierbänder auf schwarzen Litzen erkennen. Der erste Versuch scheiterte an der freien Lage des Prüflings, mit fester Aufnahme, rund 150 mm Abstand und einem Vollspektrumsensor der Modellreihe LR-W samt Abgleich wurde die Abfrage stabil. Der dritte Fall ist Glanz: metallisierte Gehäuse und Lötstellen werfen Licht gerichtet zurück, weshalb sich hier häufig die Durchlichtvariante lohnt, etwa ein Mehrzweck-CCD-Laser-Mikrometer der Modellreihe IG, das eine Kante im Gegenlicht auswertet statt eine Reflexion.

Wenn nur die Höhe den Unterschied macht

Manche Bauteile heben sich farblich überhaupt nicht von ihrem Untergrund ab. Eine Schutzkappe auf einer Leiterplatte, ein Deckel, ein Stopfen: Im Grauwertbild ist nichts zu sehen, im Höhenprofil dagegen sofort. Für diesen Fall ist der bildbasierte Höhenvergleichssensor der Modellreihe IX gemacht, weil er eine Fläche und nicht nur einen Punkt bewertet und damit unempfindlicher gegen kleine Lageabweichungen ist als ein Punktsensor.

In der Anwendungspraxis stehen mehrere Geräte dieser Modellreihe an einer Station, etwa acht Stück an je einem Bauteil einer Baugruppe, oder ein Typ mit größerem Abstand, wenn die Montagehöhe rund 400 mm verlangt. Typische Höhenunterschiede reichen von etwa 1 mm an einem Pin oder einer eingepressten Dichtung bis zu mehreren Zentimetern an einem Deckel. Wo optisch gar nichts mehr geht, bleibt der berührende Weg mit einem hochpräzisen digitalen Messtaster der Modellreihe GT2.

Analogwert statt Schaltpunkt: mehrere Bauhöhen unterscheiden

Sobald nicht nur vorhanden und fehlend, sondern mehrere Bauhöhen unterschieden werden sollen, reicht ein Schaltausgang nicht mehr. Ein Multi-Funktions-CMOS-Analoglasersensor der Modellreihe IL gibt einen kontinuierlichen Abstandswert aus, aus dem die Steuerung selbst Schwellen bildet, und deckt damit den Fall ab, dass an einer Position mehrere zulässige Bauteilhöhen vorkommen.

Ein dokumentierter Vergleich zeigt, warum die Wahl hier am Originalteil fällt. An einem Gehäuse, das mit Bauteilen unterschiedlicher Bauhöhe bestückt wird, wurde ein TOF-Lasersensor gegen den Analoglasersensor getestet. Der TOF-Sensor kam mit der schwarzen schrägen Fläche im Grund besser zurecht und lief nicht aus dem Messbereich, sein Messwert änderte sich aber auf derselben Höhe stärker zwischen lackiertem und unlackiertem Bereich als zwischen zwei tatsächlich unterschiedlichen Bauhöhen. Damit war er für diese Aufgabe keine Alternative, und der Analoglasersensor blieb. Solche Gegenbeispiele gehören in jede Auslegung, weil kein Datenblatt sie vorhersagt.

Lichtschranken und induktive Sensoren ersetzen: was sich in der Praxis ändert

Ein großer Teil dieser Projekte ist kein Neubau, sondern ein Austausch. Eine rund zwanzig Jahre alte Bestandsanlage trägt fünfzehn Reflexlichtschranken unterschiedlicher Herkunft, die nicht mehr sauber schalten, mit Abständen von etwa 110 bis 520 mm, und der Instandhalter wünscht sich vor allem eine einheitliche Lösung für alle Positionen. Induktive Sensoren wiederum werden dort ersetzt, wo das Bauteil aus Kunststoff ist, etwa an einem Steckverbinder, den der induktive Sensor grundsätzlich nicht sehen kann.

Was sich praktisch ändert, ist meist der Wegfall des Reflektors auf der Gegenseite und damit einer zweiten Montagestelle, die verschmutzt, verstellt oder beim Umbau vergessen wird. Dazu kommt die Vereinheitlichung: eine Modellreihe, ein Anschlussbild, ein Einstellverfahren über alle Positionen der Linie. Das ist kein technisches Argument im engeren Sinn, aber es ist das Argument, das in den Anwendungsfällen am häufigsten den Ausschlag gibt.

Ab wie vielen Prüfstellen eine Kamera günstiger wird

Die Rechnung kippt früher, als viele erwarten. Jede zusätzliche Prüfstelle bringt einen Sensor, eine Halterung, eine Justage, eine Leitung und einen Eingang an der Steuerung mit sich, und die Justage ist der Posten, der später wiederkommt. Sobald an einer Station mehrere Merkmale in einem Bildfeld liegen, dreht sich das Verhältnis, weil ein AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 mehrere Werkzeuge auf verschiedene Merkmale derselben Baugruppe legt und bei einem Variantenwechsel ein Programm statt mehrerer Sensoren wechselt.

Drei Fragen entscheiden. Liegen die Merkmale nah genug beieinander, dass ein Bildfeld sie trägt, ohne dass das kleinste Merkmal untergeht? Kommen Variantenwechsel vor, die sonst mechanische Umbauten bedeuten würden? Wird ein Ergebnis je Position oder ein Bild als Nachweis gebraucht? Wird zweimal oder öfter mit Ja geantwortet, ist die Kamera die einfachere Station, und die Auslegung wandert zur Vollständigkeitsprüfung der ganzen Baugruppe. Umgekehrt bleibt es bei einer einzelnen Frage an einer engen Stelle beim Sensor, und zwar zu Recht.

Häufige Fragen

F Wann reicht ein einzelner Sensor für die Anwesenheitskontrolle?

Wenn das Merkmal immer an derselben Stelle liegt, nur eine Frage beantwortet werden muss und ein digitales Signal als Ergebnis genügt. Sobald das Bauteil in seiner Lage schwankt, mehrere Merkmale zusammen zu bewerten sind oder Varianten unterschieden werden müssen, ist eine Kamera die einfachere Lösung.

F Welcher Sensor eignet sich bei sehr wenig Bauraum an der Fügestelle?

Ein Lichtleitersensor der Modellreihe FS-N, weil nur der Lichtleiterkopf an die Prüfstelle muss und der Verstärker im Schaltschrank bleibt. In dokumentierten Anwendungen werden so mehrere Positionen an einer Leiterplatte einzeln abgefragt. Die Grenze liegt dort, wo der nutzbare Trefferbereich am Bauteil sehr klein ist und die Justage nicht reproduzierbar bleibt.

F Wie prüft man Bauteile in transparenten Trays?

Mit einem Sensor, der nicht auf die Rückreflexion des Trays angewiesen ist. In einem dokumentierten Fall arbeitete ein Lasersensor der Modellreihe LR-T stabil, wo der Nahbereichssensor scheiterte, und ersparte dem Kunden die Alternative, die Trays einzufärben. Auch die Messung durch eine dicke Glasscheibe hindurch ist so dokumentiert.

F Was tun, wenn das fehlende Teil dieselbe Farbe hat wie sein Untergrund?

Dann entscheidet die Höhe statt des Grauwerts. Ein bildbasierter Höhenvergleichssensor der Modellreihe IX bewertet eine Fläche und nicht nur einen Punkt und ist damit unempfindlicher gegen kleine Lageabweichungen. Sollen mehrere Bauhöhen an einer Position unterschieden werden, liefert ein CMOS-Analoglasersensor der Modellreihe IL einen kontinuierlichen Wert.

F Ab wie vielen Prüfstellen lohnt sich eine Kamera statt mehrerer Sensoren?

Nicht die Stückzahl allein entscheidet, sondern ob die Merkmale in ein Bildfeld passen, ob Varianten gewechselt werden und ob ein Ergebnis je Position oder ein Bild als Nachweis verlangt wird. Trifft davon mehr als eines zu, ist ein AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 an einer Station meist einfacher zu bauen und später leichter zu ändern als eine Reihe einzeln justierter Sensoren.

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