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3-D-Kamerasystem zur Batterieprüfung

Bild 1. Thomas Abt, Geschäftsführer Aku Automation, und Otto Hessel, Manager Engineering Varta Consumer Batteries, vor einer der neuen Prüfanlagen

Bild 2. Prüfstation mit 3-D- und 2-D-Kamerasystem sowie abschließender elektrischer Prüfung

Manchmal reichen zwei Dimensionen einfach nicht aus. Bei der Unterscheidung von Verschmutzungen und mechanischen Defekten auf stark reflektierenden Flächen geraten 2-D-Kamerasysteme an ihre Grenzen. Varta Consumer Batteries hat im Prüfprozess die dritte Dimension gewählt und sorgt mit ausgereifter Bildverarbeitungssoftware für Klarheit.

Schnelligkeit ist Trumpf in der Batterieherstellung. Varta Consumer Batteries GmbH & Co. KGaA fertigt am Standort Dischingen mit 350 Mitarbeitern bis zu 1 Mrd. Gerätebatterien im Jahr für ganz Europa. Technologievorsprung bedeutet für das Unternehmen Standortsicherung. Die Grundlage hierfür bilden hohe Automatisierungs- und Wirkungsgrade der Anlagen, gewachsenes Know-how von qualifizierten Mitarbeitern und damit einhergehend eine hohe Flexibilität, um auf Kundenwünsche schnell reagieren zu können. Das Zünglein an der Waage des Wettbewerbs ist die Produktqualität. Die Schnittstellen zum Energieübertrag, Plus- und Minuspol, dürfen eng gesteckte Toleranzgrenzen nicht verlassen. Treten mechanische Fehler und Mängel in der Performance auf, bleibt der Weg in die Welt der mobilen Elektrogeräte versperrt.
Doch Fehler zu erkennen, ist nur eine Seite der Medaille. Die Herausforderung besteht darin, auch den Anteil des Pseudo-Ausschusses so niedrig wie möglich zu halten. Gelungen ist dies Varta Consumer Batteries in mittlerweile sieben Produktionslinien durch Vision-Systeme des Systemintegrators Aku Automation (Bild 1). Mit Cognex Vision-Pro-Bildverarbeitungssoftware und Smart-Ray 3-D-Kamerasystemen schaffen sie die perfekte Balance aus hundertprozentiger Fehlererkennung und minimalem Auswurf von vermeintlich mangelhaften Gutteilen (Bild 2).

Optische Prüfung
Obwohl sich das Augenmerk der Konsumenten in erster Linie auf die Etikettierung einer Gerätebatterie richtet, entscheiden ihr Innenleben und die beiden Pole über die Produktqualität. Die elektrische 100-%-Prüfung unter verschiedenen Betriebsbedingungen gehört seit Jahren zum Standard. Anders die optische Prüfung. Bis zur Einführung industrieller Bildverarbeitungssysteme, lag das Erkennen möglicher mechanischer Defekte in der Verantwortung des menschlichen Auges.
Im Jahr 2010 lösten dann erste 2-D-Kamerasysteme die chargenweise manuelle Aufsichtprüfung durch Mitarbeiter ab. Die 2-D-Systeme waren zwar in der Lage, Qualitätsmängel durch Verschmutzungen und mechanische Deformationen zu erkennen, doch gerade die neu gewonnene Prüfpräzision rief ein neues Problem ins Leben. Der Anteil des Pseudo-Auswurfs der als fehlerhaft deklarierten Gutteile fiel mit 8 % bis 10 % deutlich zu hoch aus. Bereits kleine Verschmutzungen, die weder Performance noch Optik der Batterie beeinträchtigten, bewerteten die 2-D-Systeme als Mängel. Grenzen setzten ihnen das anspruchsvolle Relief der Batteriepole und die damit verbundene Vielfalt auftretender Reflexionen.
Abhilfe schaffte das Systemhaus Aku Automation durch ein 3-D-Kamerasystem von Smart Ray in Kombination mit der Vision-Software von Cognex Vision Pro 7.0. Mittels der neu hinzu gewonnenen dritten Dimension fällt die Unterscheidung zwischen Verschmutzung und mechanischer Deformationen leicht. Konnte das 2-D-System nur begrenzt eine klare Unterscheidung treffen, ob es sich bei einem Areal um eine Verschmutzung oder eine Delle handelt, gehört mit den neuen 3-D-Systemen und der Bildverarbeitungssoftware diese prüfungstechnische Unsicherheit der Vergangenheit an.

Umfangreicher Grenzmusterkatalog
Maßgeblich zum Erfolg der optischen Prüfstation beigetragen haben im Vorfeld der Inbetriebnahme ausgiebige Tests. Hinzu kam der Aufbau eines umfangreichen Grenzmusterkatalogs. Die Unterscheidung zwischen Verschmutzungen und mechanischen Defekten gelingt unter anderem mit Histogramm- und Blob-Auswertung.
Eine vor allem für High-Speed-Anwendungen herausragende Stärke der Software ist ihre Multiprozessorfähigkeit. Sie erlaubt es Anlagen, sich der vollen Leistung moderner Multicore-Computer zu bedienen. Die Prüfanlagen stellen so die Ergebnisse der optischen Inspektion innerhalb von 0,06 s der SPS zur Verfügung. Im Anschluss sorgt diese dafür, dass Fehlteile zuverlässig aus dem Prozess ausgeschleust werden.
In den Prüfstationen wurden die Stärken von 2-D- und 3-D-Systemen kombiniert. Die 2-D-Kameras mit klassischer Dombeleuchtung identifizieren mit enger gesetzten Toleranzgrenzen Verschmutzungen besser als bisher, während die 3-D-Systeme zuverlässig mechanische Deformationen erfassen. Dabei hat die Kombination beider Systeme den Raumbedarf für den Gesamtaufbau der Prüfstation nicht vergrößert. Zwei der einst vier 2-D-Kameras und der Laserabstandssensor konnten eingespart und durch zwei 3-D-Systeme ersetzt werden.
Für Varta Consumer Batteries bedeutet die hinzugewonnene Prüfqualität ein gesteigertes Qualitätsimage und ist zusätzliches Argument in einem heiß umkämpften Wettbewerb.

Softwarepaket für die Bildverarbeitung
Das Bildverarbeitungs-Softwarepaket Vision Pro bietet hardwareunabhängig eine breite Palette von Funktionen für alle Industriebranchen. Integriert ist eine Bibliothek von effizient und sicher arbeitenden Visiontools als auch die vielseitige Vision-Entwicklungsumgebung mit ständig aktualisierter Technologie.
Die enthaltene Vision-Software Pat Max verwendet geometrische Grundstrukturen für die Objekterkennung. Aus der Analyse der geometrischen Informationen sowohl der Merkmale als auch deren räumliche Relation wird die Position des Objektes eindeutig und mit hoher Genauigkeit bestimmt. Merkmale, wie Konturen mit geringem Kontrast, werden dadurch zuverlässig und schnell erkannt. Das Visiontool ist unempfindlich gegenüber Lage-, Orientierungs- und Maßstabsveränderung des Objektes. Die gleichzeitige Untersuchung von Kontur und Struktur des Objektbildes eliminiert wechselnde Beleuchtungs- und Kontrastverhältnisse.
Auf dieser Technologie basieren inzwischen eine Reihe weiterer Module von Visiontools, wie Pat Inspect, Pat Flex, Pat Max Synthetic, Pat Max XCL, Pat Max SA als auch ID Max für das zuverlässige Lesen unterschiedlicher 1-D- und 2-D-Codes.
Das Anwendungsspektrum ist auf Hochgeschwindigkeitsleistung optimiert. Viele weitere neue Funktionen dienen der Optimierung und steigern die Leistung. Darin integriert ist auch die effiziente Multicore-Arbeitsweise moderner, leistungsstarker Computerprozessoren. Hinzu kommt, dass beliebige Bildaufnahmequellen sowohl aus dem Umfeld der Framegrabber als auch der Direkt-Connect-Kameras in komfortabler Weise eingebunden werden können.

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Autor: Ralf Baumann ist freier Fachjournalist in Karlsruhe.