Mit Twincat Vision hat Beckhoff bereits seit 2017 softwareseitig auch die Bildverarbeitung nahtlos in seine Steuerungsplattform integriert. Dieser Bereich der maschinellen Bildverarbeitung umfasst nun auch ein eigenes, Ethercat-basiertes Hardware-Portfolio aus Kameras, Objektiven und Beleuchtungen, das mit besonderem Fokus auf die Industrietauglichkeit entwickelt wurde.

Maschinenbauer ebenso wie Endanwender können mit Beckhoff Vision ein komplettes Bildverarbeitungssystem nutzen – mit allen erforderlichen Komponenten von der Software bis zur Beleuchtung. Anwendungsvorteile ergeben sich hierbei durch die tiefgehende Integration in die Steuerungstechnik und insbesondere aufgrund der durchgängigen Kommunikation über Ethercat. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel eine Synchronisation mit allen Maschinenprozessen, reduzierte Engineering- und Hardware-Kosten sowie eine Vereinfachung bei Inbetriebnahme und Support erreichen.

Bei der Entwicklung der Bildverarbeitungs-Hardware von Beckhoff stand deren Eignung für den industriellen Einsatz im Vordergrund. Zu den entsprechenden Designaspekten zählen IP65/IP67-Gehäuse aus eloxiertem Aluminium und gehärtetem Glas, glatte Glasflächen für eine hohe Beständigkeit gegen Reinigungsmittel und andere Chemikalien, diverse Optionen für flexible Befestigungen und Anwendungsmöglichkeiten sowie ein optionaler Splitterschutz.
Für unterschiedliche Vision-Aufgaben und Bildanalysefunktionen steht ein breites Portfolio an Flächenkameras der Reihe VCS2000 mit Farb- und Monochrom-CMOS-Sensoren mit bis zu 24 Megapixel Auflösung zur Verfügung. Die Kameras eignen sich mit hohen Bildraten und der 2,5 GBit/s schnellen Bilddatenübertragung für automatisierte optische Prüfaufgaben sowie für die Produktverfolgung in Ethercat-synchronisierten Applikationen. Ein Objektivschutztubus mit thermisch gehärtetem Antireflexglas sichert dabei die Unveränderlichkeit der Fokuslage und sorgt ohne weiteres Gehäuse für eine hohe Beständigkeit gegenüber Reinigungsmitteln und Handhabungseinflüssen.

Als elementare Kameraergänzung stehen hochauflösende und durch das C-Mount-Anschlussgewinde universell einsetzbare Objektive der Serien VOS2000 und VOS3000 zur Verfügung. Diese eignen sich für Bildsensoren bis zu einem Format von 2/3 Zoll (11 mm) und 1,2 Zoll (19,3 mm) und sind durch ihr Design prädestiniert für den Einsatz in rauen Industrieumgebungen. Ebenso verfügen die Objektive über eine Breitbandentspiegelung von 420 bis 1.050 nm, die auf die Multi-Color-LED-Beleuchtungen vom Beckhoff abgestimmt ist.

Die Multi-Color-LED-Beleuchtungen sind in den drei Ausführungen Balken- (VIB2000), Flächen- (VIP2000) und Ringbeleuchtung (VIR2000) verfügbar und ermöglichen die objektbezogene Farbanpassung für einen bestmöglichen Kontrastunterschied zwischen dem Prüfmerkmal und seiner Umgebung. Durch die Mischung der einzelnen Farbkanäle lässt sich spektral lückenloses weißes Licht erzeugen. Mit der direkten Integration der Leistungselektronik in die Beleuchtungsbaugruppe wird eine hohe Helligkeit erreicht, wie sie für das sichere Einfrieren von hochdynamischen Bewegungen notwendig ist.

Bei der Vision Unit Illuminated (VUI) sind alle Funktionen für die Bilderzeugung in einer Einheit aus Kamera, Beleuchtung und fokussierbarer Optik mit Liquid-Lens-Technologie zusammengefasst. Diese die einzelnen Hardware-Komponenten ergänzende All-in-one-Lösung reduziert den Montage- und Inbetriebnahmeaufwand. Durch die Fokusanpassung zur Laufzeit eignet sie sich vor allem bei veränderlichen Bauteilhöhen, zum Beispiel in Logistikanwendungen.

Systemdurchgängigkeit durch Ethercat

Ethercat ist das verbindende Element der Komponenten einer Automatisierungslösung. Auch alle Vision-Hardware-Komponenten von Beckhoff sind darüber parametrierbar sowie mit den Distributed Clocks (verteilte Uhren) von Ethercat hochpräzise zu allen Steuerungsprozessen oder Maschinenabläufen synchronisierbar. Die nahtlose Integration – nicht nur der einzelnen Komponenten aus Hard- und Software zum Komplettsystem, sondern auch mit der Maschinensteuerung – erschließt Anwendungspotenzial für die industrielle Bildverarbeitung und umgekehrt Optimierungsmöglichkeiten für die Maschinen und Anlagen.

Um dies zu realisieren werden über Ethercat der Zeitpunkt und die Belichtungszeit der Kamera, die Farbeinstellungen sowie die Leistung und Blitzzeit der Beleuchtung, aber auch die Bewegungsabläufe in der Maschine synchronisiert. Kommt die VUI als Bildaufnahmekomplettlösung zum Einsatz, werden die gleichen Parameter gemeinsam für ein Gerät genutzt. Auch hier stehen alle Möglichkeiten wie die Farbeinstellung der Beleuchtung zur Verfügung, ergänzt durch die hier zusätzlich nutzbare elektronische Fokuseinstellung.

Einkabellösung Ethercat P

Die hochpräzise Ansteuerung und eine effiziente Elektronik minimieren zudem den Energiebedarf. Denn die Einkabellösung Ethercat P mit der Distributed-Clocks-Funktion und die reaktionsschnelle Leistungselektronik ermöglichen hochgenau und ohne unnötige Beleuchtungszeiten die Synchronisation mit allen Maschinenprozessen. Blaue LED-Chips als Basis bieten eine hohe Lichtleistung und Temperaturstabilität sowie eine gesteigerte Effizienz bei hohen Umgebungstemperaturen. Durch den Ethercat-gesteuerten Blitzbetrieb reduzieren sich die notwendige Netzteilleistung und der erforderliche Kühlaufwand. Letztendlich bedeutet dies einen minimierten Energiebedarf der Beleuchtung.

Durch die Implementierung in die Standard-Automatisierungsapplikation wird eine vollständige Durchgängigkeit im Zusammenspiel aller weiteren Komponenten erreicht. Insgesamt ergeben all diese Faktoren aus Maschinensicht eine erhöhte Prozesseffizienz durch verkürzte Reaktionszeiten, höhere Taktzahlen und beschleunigte Bearbeitungsprozesse, und zwar bei reduziertem Hardware- und Verdrahtungsaufwand sowie minimiertem Bauraum und Anlagen-Footprint. Das integrierte Konzept bietet zudem Vorteile aus Sicht der Projektierung: Engineering-Aufwand und Hardware-Kosten werden reduziert; Systemintegration, Inbetriebnahme und Support vereinfachen sich, insbesondere durch die komfortable Ethercat-Diagnose.

Autor
Bernd Stöber, Senior Produktmanager Vision