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ID-Schilder in der Automobilproduktion mit OCR lesenSicher – absolut sicher
Jede einzelne Karosse muss im gesamten Fertigungsprozess absolut eindeutig dem jeweiligen Fahrzeugauftrag und seiner individuellen Ausstattung zugeordnet werden. Extrem sicher arbeitende Bildverarbeitungssysteme lesen die Fahrzeug ID-Schilder in den Fertigungslinien der Fordwerke in Köln.


Selbst kleine Fehler in den Fertigungslinien der Pkws von Fiesta und Fusion könnten schwerwiegende Folgen verursachen. Wäre eine Verwechslung in der exakten Zuordnung eines Fahrzeugs möglich, dann könnte ein Fünftürer als Dreitürer oder auch umgekehrt erkannt werden. Wenn dann ein Roboter zum Beispiel die Dachnaht des verwechselten Fahrzeugs bearbeitet, dann kracht es gewaltig und das Fliesband würde erst mal für einige Zeit stillstehen. Mehr als 45 Fahrzeugtypen müssen auseinander gehalten werden. Deshalb ist die absolut sichere Identifikation lebenswichtig für den reibungsfreien Fertigungsprozess und die einwandfreie Qualität der Fahrzeuge.

Seit über einem Jahr erkennen zwei bei Ford installierte Lesesysteme in der X- und Y-Halle mit höchster Sicherheit die ID-Schilder. Im Dreischichtbetrieb und derzeit etwa 1900 Fahrzeugen pro Tag wird jedes ID-Schild eindeutig mit höchster Sicherheit identifiziert.

Extrem sichere Funktionen im gesamten Prozess der Fertigungseinrichtungen sind in Köln von allergrößter Bedeutung. Entsprechend rigoros sind die Auflagen und Pflichtenhefte für die Lieferanten von Automatisierungssystemen in der Automobilindustrie.

Höchste Anforderungen

Früher wurden die Karossen im Fertigungsprozess mit funkgesteuerten Datenträgern ausgestattet. Aber nach einigen hundert Durchläufen durch die Karosserie-Vorbehandlung und -Lackiererei ähnelten die Datenträger unförmigen Klumpen. Die Reinigung dieser Datenträger war nicht möglich.  Das und andere Gründe sprachen dafür nach neuen Systemlösungen zu suchen. Deshalb beauftragte Ford die RESA System Engineering GmbH mit einer Systemlösung modernerer Technologie. Dieses Unternehmen liefert Komplettlösungen im Bereich der Steuerungs- und Automatisierungstechnik, und ist bereits seit Jahren ein Partner dieses Automobilherstellers.

Dazu bemerkt Harald Maaß, verantwortlich bei RESA Köln für die neue Systemlösung: „Von Anfang an stand nur das Thema OCR (Optical Character Recognition) für das Lesen von Zeichen zu Diskussion. Dazu benötigten wir einen kompetenten Partner aus der Bildverarbeitung, der uns die restriktiven Vorgaben erfüllen konnte.“

Vorgesehen war ein Lesesystem für die Typenschilder mit den eingearbeiteten Schriftzeichen. Diese Schilder müssen dauerhaft mit der Karosse verbunden bleiben. Die Forderung von Ford lag bei der Lesesicherheit von 99,9 %. Jedes Auto sollte über diese OCR-Erkennung laufen. Ein Fehler von 1 pro Tausend würde aber bereits bedeuten, dass damit mindestens ein Problem pro Tag in der laufenden Fertigung entstehen könnte. Das musste so weit wie irgendwie möglich vermieden werden. Darum ist bezüglich der Lesesicherheit auch die zweite Kommastelle noch ein ganz wichtiger Faktor für die Effektivität des Fertigungsprozesses und seiner Kosten. Die Forderung war deshalb, so weit wie irgendwie möglich die 99,9 % in Richtung 100 % auszubauen. Hinzu kam natürlich auch noch die Forderung nach einer 100%igen Verfügbarkeit des OCR-Lesesystems.

Dabei waren sehr unterschiedliche Bedingungen zu erfüllen. Im Fertigungsabschnitt Rohbau bestand das Typenschild und die Befestigungsumgebung der Rohkarosserie aus blankem stark reflektierendem Metall. Nach der Vorbehandlung der Karosserie durch die elektrogalvanische Oberflächenbehandlung im Tauchverfahren war mit der Phosphatierung eine stark Licht absorbierende Situation gegeben. Beide Sachlagen galt es mit extremer Zuverlässigkeit zu bewältigen.

An Hand von Musterplättchen wurden Lösungsangebote von unterschiedlichen Bildverarbeitungs-Systemanbietern eingeholt. In der garantierten Lesesicherheit konnte sich das Angebot der AIT Göhner GmbH aus Stuttgart deutlich von den Mitbewerbern abheben. Die Sicherheit in der Arbeitsweise der Vision-Software war ausschlaggebend in der Entscheidung für die Systemlösung aus Stuttgart.

Leistungsstarke Vision-Algorithmen

Das OCR-Zeichenlesen (optical character recognition) zählt zur anspruchsvollsten Aufdruckprüfung von Klarschrift. Höchste Lesesicherheit macht es notwendig, dass durch die aufwendigeren Auswerte-Algorithmen eine wesentlich höhere Rechenleistung erforderlich ist. Nach wie vor sind derartige besonders anspruchsvolle Aufgaben vor allem  PC-basierten Systemen vorbehalten. Gegenüber der Untersuchung auf Lesbarkeit der eingelernten Zeichen durch die OCV-Inspektion (optical character verification) erfolgt bei der OCR-Inspektion der Vergleich jedes einzelnen Zeichens mit den Musterzeichen des Alphabetes und der Zahlen. Das steigert den Rechenaufwand der Algorithmen um das bis zu vierzigfache. Die in das Typenschild eingravierten Zeichen müssen die eindeutige Lesbarkeit innerhalb einer eng einstellbaren Güteschwelle erfüllen. Dabei gilt es Unterschiede in der Verarbeitungsqualität und das Reflexionsverhalten der metallisch blank eingravierten einzelnen Zeichen zu bewältigen.

Das in der Bildverarbeitung allgemein übliche Verfahren der Grauwert-Korrelation stößt sehr schnell an die Grenzen seiner Möglichkeiten, wenn höchste Präzision gefragt ist und Einflüsse wie zum Beispiel schwankende Beleuchtungs- und Kontrastverhältnisse zu bewältigen sind. Die bei Ford  eingesetzte OCR Erkennungssoftware beruht auf den herausragenden Fähigkeiten der geometriebasierten Vision-Software PatMax von Cognex.

Diese patentierten Verfahren verwenden im Gegensatz zur Grauwertkorrelation die geometrischen Grundstrukturen von Objekten in einem dreistufigen Verfahren. Zuerst werden die wichtigsten Einzelmerkmale im Objektbild wie Kanten, Abmessungen, Formen, Winkel, Bögen und Schattierungen isoliert identifiziert. Die räumlichen Verhältnisse zwischen diesen zentralen Merkmalen des eintrainierten Musters werden mit dem Echtzeit-Bild verglichen. Aus der Analyse der geometrischen Informationen sowohl der Merkmale als auch deren räumliche Relation wird dann die Position des Objektes und seine Beschaffenheit eindeutig und mit höchster Genauigkeit bestimmt. Merkmale wie z.B. die Konturen der Schriftzeichen mit geringem Kontrast können dadurch wesentlich zuverlässiger, genauer und schneller erkannt werden. Diese Verfahrensweise bis hin zu CAD Referenzmodellen liefert auch in der extrem zuverlässigen Schrifterkennung einen sehr wichtigen Beitrag.

So erkennt PatMax zum Beispiel auch dann sofort an Hand einer Teilkontur, wo es weitere Merkmale trotz Verdrehung, Verschiebung oder Abdeckung finden muss. Nicht mehr das gesamte Aufnahmebild muss erst linear analysiert werden. Das vereinfacht die Merkmalsfindung und macht das Vision-System sehr schnell, flexibel und extrem sicher. PatMax erschließt auch die sehr hohen Auflösungen bis in den Subpixelbereich und sichere Winkelbestimmungen von Objekten bis 0,02 Grad. Das Vision-Tool ist invariant gegenüber Lage, Orientierung und Maßstabsveränderung eines Objektes. Durch gleichzeitige Untersuchung von Kontur und Struktur des Objektbildes werden wechselnde Beleuchtungs- und Kontrastverhältnisse eliminiert.

Dieses äußerst zuverlässige Vision-Tool ist in dem leistungsstarken Softwarepaket VisionPro von Cognex enthalten. Als besonders komfortable Entwicklungs- und Programmierumgebung bietet es insbesondere auch die einfache und schnelle Integration einzelner Prozesse in den gesamten Fertigungsablauf und die Unternehmenskommunikation.

Zuverlässigkeit von Anfang an

Wichtig für diese Bildverarbeitungs-Aufgabe war eine zügige und zuverlässige Komplettlösung. Denn, die Produktionslinie im Fordwerk Köln läuft nach dem Werksurlaub dreischichtig an, und das fünf Tage in der Woche. Deshalb musste die Lesestation auch von Anfang an problemfrei arbeiten.

Das PC-basierte Visionsystem mit MVS 8500 Hochleistungsframgrabber arbeitet mit einem vibrationsfesten Industrie-PC und ein zweiter PC steht als redundantes System in Reserve.

Zur Installationsphase bemerkt Herr Harald Maaß: „Nach der Einlernphase lief das System in der Lesesicherheit so gut wie mit 100 % Zuverlässigkeit“.

Im Vorfeld waren aber durchaus mehrere Probleme zu lösen. Als Referenzpunkt für die Bildverarbeitung dient der Nietpunkt der Plakette. Da die Zahlen durchaus auch einmal einen Versatz zum Referenzpunkt aufweisen können, muss dennoch ein absolut sicheres Lesen erfolgen. Fehlerhaft angebrachte Plaketten lösen sofort eine Fehlermeldung aus und die Karosserie wird vom Band auf einen Reparaturplatz ausgesondert.

Im Rohbau ist sowohl das ID-Schild als auch Karosserie von metallisch blanker Oberfläche. Hier sind sehr starke reflektierende Verhältnisse gegeben. Mit dem menschlichen Auge betrachtet gibt es schon bei geringfügiger Positionsveränderung des Schildes ganz unterschiedliche Lesebedingungen. Die Lesesicherheit betraf aber sowohl die Fahrzeugtypen Fiesta als auch zu einem späteren Zeitpunkt  den Fusion. Das erforderte eine optimale Anpassung der Beleuchtung mittels Leuchtstofflampen als auch das Einlernen der Zeichen.

Nach der Vorbehandlung durch elektrogalvanisches Tauchverfahren sind stark Licht absorbierende Verhältnisse gegeben, weshalb hier ein Scheinwerfer zur Anwendung kam. Die Lesestation nach der Vorbehandlung hat für die weiteren Prozesse eine ganz wichtige Funktion. Die gelesenen ID-Daten (Carin-Number) werden an die Siemens Steuerung S7 und die zentrale PVS (ProduktionsVerwaltungsSystem) gesandt und verglichen. Sollte es dennoch durch irgendwelche Einflüsse dazu kommen, dass vom Lesesystem statt einem H ein F an das PVS geht, dann kommt auf Grund des Vergleiches sofort eine Fehlermeldung, dass das so keinen Sinn macht. Das PVS schickt dann entsprechend dem Fachzeugtyp und seiner Ausstattung die Daten für einen Label, der auf dem Fahrzeugunterboden aufgeklebt wird. Nach der Aufbringung dieses sehr wichtigen Labels erfolgt ein Kontrollscan und Kontrollvergleich mit dem PVS. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass es in der Fahrzeugausstattung zu keinerlei Fehlern wie Verwechslungen kommen kann und nur einwandfreie Qualität im Prozess verbleibt. Dieser  Label wird an rund 20 weiteren Fertigungsstationen zur eindeutigen Fahrzeugidentifikation und dessen Ausstattung benötigt. Dieser komplette Vorgang an der Lesestation muss innerhalb einer Taktzeit von 37 Sekunden erfolgen.

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