Der Begriff des Industrial Internet of Things (IIoT) wird verwendet, um die Vernetzbarkeit in der Fabrikautomation zu beschreiben. Dabei fasst IIoT die komplexen Wechselwirkungen zusammen, die zwischen intelligenter Hardware und der Bereitstellung verwendbarer Daten über ein Netzwerk bestehen, um Deep-Learning-Systeme zur Optimierung der Produktionsraten voranzutreiben. Dieser Paradigmenwechsel bringt einen grundlegenden Fortschritt für die Herstellung und die Lieferung von Produkten.

Ein wesentlicher Teil des IIoT ist die Inline-Qualitätskontrolle. Hier fördern Systeme, wie intelligente 3D-Sensoren, die Fabrikautomation, indem sie entscheidende Bauteiltoleranzen messen, reibungslos mit Industrierobotern und Netzwerken kommunizieren sowie Daten in Echtzeit liefern. So erhöhen sie die Fabrik-Effizienz und erreichen eine 100% Qualitätskontrolle sowie Materialoptimierung in der Hochgeschwindigkeits-inline-Großserienfertigung.

Die Macht des einen Prozent

An einem Beispiel lässt sich das Ausmaß dieser „intelligenten Revolution“ besser einschätzen. So könnte eine Steigerung der Effizienz in Produktionsprozessen und die Optimierung der Betriebskosten von lediglich einem Prozent in den fünf Branchen Erdöl, Energie, Gesundheitswesen, Luft- und Raumfahrt und Eisenbahnindustrie, im Laufe von 15 Jahren zu einer Einsparung von 276 Milliarden Dollar führen. Wobei alleine in Nordamerika diese Wirtschaftszweige 500 Millionen Dollar jährlich einsparen könnten.

Intelligente 3D-Sensoren und IIoT

Intelligente 3D-Sensoren treiben die intelligente Fabrikautomatisierung voran, indem Sie in einer Komplettlösung eine reibungslose Integration von berührungslosem 3D-Scannen und ‑Messen bieten, um kritische Entscheidungen zu treffen und diese an das Betriebsnetzwerk zu kommunizieren. LMI entwickelt und produziert mit dem Gocator einen solchen intelligenten 3D-Sensoren für den Markt der anspruchsvollen Inspektionslösungen. Er bietet diese All-in-one-Fähigkeiten über eine browserbasierte Technologie zur Konfiguration und Überwachung mittels Mobilgeräten.

3D-Märkte verstehen

Die 3D-Technologie lässt sich in die beiden Hauptmärkte Messtechnik und Inspektion unterteilen.

Die Messtechnik wird in einer kontrollierten Offline-Messumgebung angewandt, meist in einem gesondertem Messraum. Dabei stützen sich die Lösungen für Messtechnik-Anwendungen weitgehend auf die Nutzung von Koordinatenmessgeräten (CMM) und taktilen Messtastern. Diese Lösungen werden zur Analyse und zum Reporting von Form- und Lage-Toleranzen (GD&T) an Musterteilen benutzt, bei denen die Einrichtung und Messung mehrere Stunden dauern kann.

Von größerem Interesse ist der Inspektionsmarkt, der deutlich mehr Möglichkeiten bietet. Dieser Markt benötigt angepasste 3D-Fähigkeiten. Die Inspektionsanwendungen werden gewöhnlich unter rauen Umgebungsbedingungen in oder an der Linie eingesetzt. Faktoren wie Umgebungslicht, Vibrationen, Temperaturschwankungen, Staub, Wasser, Öl usw. sind dort kaum kontrollierbar. Außerdem sind die Datenerfassung und die Messung (also Zyklus- und Taktzeiten) für diese hochwertigen Inspektionsanwendungen sehr kurz.

Lasergestützte Lösungen sind daher die logische Wahl. Bei diesen Lösungen liefern Sensoren genaue Pass/Fail-Entscheidungen für die produzierten Teile, die ununterbrochen in ihrer Produktionsgeschwindigkeit gescannt werden. Im Gegensatz zur Inspektion verfügt die herkömmliche Messtechnik über den Luxus, ausreichend Zeit zu haben. Messmaschinen können kalibriert und nachkalibriert werden, während Inline-Sensoren ab der Installation werkskalibriert jahrelang zuverlässige Ausgabedaten liefern müssen, ohne dass es die Möglichkeit einer späteren Nachkalibrierung gäbe.

Zentrale Herausforderungen der Inline-Messung

Bei Sensoren für Inline-Messanwendungen stehen besonders die Auflösung, Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit im Vordergrund. Am wichtigsten ist es, dass Sensoren über ausreichende Auflösung zur Erfassung bestimmter Merkmale und zu deren der Prüfung auf Einhaltung von Fertigungstoleranzen verfügen. Damit die Erkennung sichergestellt werden kann, sollte die Auflösung mindestens doppelt so groß sein, wie das Merkmal selbst.

An zweiter Stelle müssen die Sensoren bei wiederholten Messungen für dasselbe Bauteil Ergebnisse mit minimalen Abweichung liefern. Aufgrund dieser notwendigen Wiederholbarkeit darf der zugrundeliegende Sensor nur geringes Rauschen aufweisen und externe Faktoren, wie etwa Umgebungstemperatur und -Licht, dürfen ihn nicht beeinträchtigen. Für die Wiederholbarkeit der Messungen muss außerdem die Auflösung mindestens vier- bis fünfmal so hoch wie die Größe des Merkmals sein, sodass genügend Messpunkte für wiederholbare Ergebnisse vorhanden sind.

Als drittes muss der Sensor zuverlässig sein und dieselbe Leistung am ersten sowie am tausendsten Tag liefern. Das interne optoelektronische Design muss also robust sein, sodass die Leistung ab der Werkskalibration im Laufe der Zeit ohne Verschlechterung im Strahlengang erhalten bleibt.

Formbasierte 3D-Inspektion

Einer der Hauptvorteile von 3D gegenüber 2D ist die Fähigkeit, Formen zu erfassen. Intelligente Sensoren bieten Messwerkzeuge für geometrische Daten, wie etwa den Durchmesser einer Bohrung an den Seiten des Objekts. Außerdem hängt die formbasierte Inspektion im Gegensatz zu 2D-Methoden, die sich rein auf den Kontrast oder die Farbe eines Bildes stützen, nicht von der Farbe des Objekts ab.

Systeme wie Gocator erlauben durch eine All-in-one-Verarbeitung sowohl die Erstellung von 3D-Punktwolken, als auch von 2D-Intensitätsbildern. Damit können Kanten aufgrund von Formen oder Kontrast erkannt und detaillierte Messungen der Merkmale und des Volumens für Pass/Fail-Entscheidungen durchgeführt werden.

Steuerung für Markierung und Verfolgung

Zusätzlich zur formbasierten 3D-Inspektion bieten intelligente 3D-Sensoren integrierte Verarbeitungsmöglichkeiten zur Markierung und Verfolgung von Bauteilen. So können bei Pass/Fail-Entscheidungen auch der Zeitpunkt, sowie die Position des Bauteils auf der Förderanlage erfasst werden, die zur Koordination der Sortier- und Auswurfhardware genutzt werden.

Wenn das Bauteil dann einen Sortier- oder Auswurfbehälter erreicht, bestimmt die Pass/Fail-Entscheidung, ob die Auswurfhardware aktiviert wird oder nicht. Hierfür wird ein Sensor benötigt, der in der Lage ist, hunderte Teile individuell zu verfolgen und nacheinander zu verarbeiteten.

Anpassung der Sensoren

Standard-3D-Sensoren sind in ihrer Scan-Funktionalität limitiert. Intelligente Sensoren erweitern dagegen die Scanmöglichkeiten mit einer integrierten Unterstützung von Messungen und Kommunikation. Und diese neue Art intelligenter Sensoren bietet Entwicklern die Möglichkeit, maßgeschneiderte Messalgorithmen hinzuzufügen, die auf dem Sensor laufen, indem sie die integrierte Firmware ersetzt.

Dank des Gocator Development Kit (GDK) können eigene maßgeschneiderte Messwerkzeuge in die Firmware der Sensoren, mit derselben Funktionalität nativer eingebauter Werkzeuge, integriert werden. Gleichzeitig profitiert der Anwender von der einfachen Handhabung eines webbasierten Benutzersetups, das eine eingebaute 3D-Visualisierung und Drag-and-Drop Workflows nutzt.

Beschleunigung der Datenverarbeitung

Für Anwendungen wie im Bereich der Elektronikinspektion, mit einer standardmäßig geforderten Zykluszeit von einer Sekunde, ist die Beschleunigung der Datenverarbeitung nötig, damit die Endkunden die strengen Vorgaben für die Qualitätskontrolle und den Durchsatz erreichen.

Daher bietet LMI mit GoX eine Windows-PC-Anwendung, die es dem Benutzer erlaubt, zusätzliche Rechenleistung eines PCs für ihre Inspektionslösung zu verwenden. Somit wird die Verarbeitungsgeschwindigkeit deutlich erhöht und Zykluszeiten werden gesenkt. Zugleich werden auch Speicherbeschränkungen aufgehoben und der Benutzer kann große 3D-Punktwolken für Messungen und Inspektionen in der erforderlichen Zykluszeit verarbeiten. Wenn ein Sensor die Zeitvorgaben einer Anwendung nicht einhalten kann, sorgt GoX für reibungslose Beschleunigung der Sensorverarbeitung, um die Geschwindigkeit um das Vier- bis Zehnfache zu erhöhen.

Virtuelle Sensorfähigkeit

Eine Grundanforderung für die Optimierung der Inline-Inspektionsleistung besteht darin, die gespeicherten Daten aus den Produktionslinien zwecks Optimierung der Messparameter zu prüfen. Hierfür bietet der Gocator Emulator einen virtuellen Sensor, der als sichere offline Testumgebung benutzt werden kann, um sicherzustellen, dass die Algorithmen zuverlässig sind und gut in der Inline-Produktionsstätte funktionieren.

Programmierer können damit Probleme an den aktuellen Einstellungen des Sensors erkennen, Verbesserungen entwickeln und in einer sicheren Offline-Umgebung testen, bevor die eigenen maßgeschneiderten Lösungen auf einen Sensor übertragen werden.

Vernetzung von Sensoren

Eine steigende Anzahl der Inline-Inspektionsanwendungen benötigt mehrere Sensoren mit verschiedenen Blickrichtungen, um bei der Erstellung von 3D-Punktwolken alle für eine Anwendung entscheidenden Aspekte eines Objekts zu erfassen und mögliche Abschattungen zu minimieren.

Aus diesem Grund kann Gocator in verschiedenen Multisensor-Layouts für individuelle Inspektionsanforderungen konfiguriert werden. Hierbei werden sowohl zusammenhängende, als auch nicht zusammenhängende Multisensor-Netzwerke unterstützt. So werden bei zusammenhängenden Konfigurationen die Datenströme aller Sensoren in einer einzigen 3D-Punktwolke zusammengeführt, während bei den nicht zusammenhängenden Netzen die Sensordaten individuell verarbeitet werden (z.B. werden Lücken zwischen den Sensoren nicht gefüllt). Für jeden der beiden Fälle sind Kalibrierungsmethoden integriert, welche die Umwandlung der Daten der verschiedenen Sensoren eines Multi-Sensor-Netzwerks in ein allgemeines Weltkoordinatensystem ermöglichen.

LMIs Master Hub ermöglicht eine unkomplizierte Vernetzung der Sensoren. Der Hub ist eine spezifische Lösung zur Stromverteilung, Datensynchronisierung und Laser Safety in einem Multi-Gocator-Netzwerk. Außerdem bietet er die Möglichkeit einer einfachen Erweiterung von einem einzelnen Sensor bis hin zu einem System aus bis zu 24 Sensoren, sowie eine Synchronisierung mit einer Genauigkeit von 1 µs und eine All-in-one-Verkabelung zur direkten Datenübertragung zwischen den Sensoren und einem Netzwerk-Switch. Die Synchronisierungsdaten werden an alle Sensoren übertragen und sind mit einem Zeitstempel, sowie einem Encoder-Stempel und dem Status der direkten Eingabe des Hubs versehen.

Intelligente Gocator 3D-Sensoren bieten alle notwendigen Merkmale und Funktionalitäten, um intelligente 3D-Inspektionslösungen weiter voranzutreiben. denn sie wurden für die Anforderungen des IIoT und für das Zeitalter Industrie 4.0 entwickelt.