Kamerabasiertes Tool-Tracking für die Montage
Wie Kameras Schraubpositionen in der Montage prüfen: Einsatzfälle, Grenzen und Prozessabsicherung mit kamerabasiertem Tool-Tracking (VERPOSE®).
Wenn Prozessdaten allein nicht zeigen, wo montiert wurde
Ein intelligenter Schrauber kann Drehmoment, Drehwinkel und das verwendete Programm dokumentieren. Ohne Positionserfassung bleibt jedoch eine entscheidende Frage offen: Wurde der Arbeitsschritt auch an der vorgesehenen Stelle ausgeführt?
Kamerabasiertes Tool-Tracking verknüpft den Prozess mit der Montageposition. Es kann einen Arbeitsschritt an der falschen Stelle sperren, eine vorgegebene Reihenfolge absichern und das Ergebnis der richtigen Position zuordnen. Damit ergänzt es vorhandene Schraub- und Montageprozesse um den räumlichen Kontext.
Dieser Guide erklärt, wann eine kamerabasierte Lösung sinnvoll ist, wie VERPOSE® arbeitet und welche Bedingungen für einen erfolgreichen Einsatz erfüllt sein müssen. Einen Überblick über beide ART-Ansätze bietet die Seite Fertigung & Montage.
Position erkennen oder Werkzeugpose messen?
Vor der Auswahl eines Systems muss das eigentliche Ziel feststehen. In der manuellen Montage werden zwei unterschiedliche Aufgaben häufig unter dem Begriff „Tool-Tracking“ zusammengefasst:
- Montageposition identifizieren: Das System ermittelt eine Positions-ID, etwa „Schraubstelle 7“. Entscheidend ist, welchen Arbeitspunkt die Bedienperson gerade ansteuert.
- Werkzeugpose messen: Das System bestimmt Position und Orientierung des Werkzeugs als sechs Freiheitsgrade (6DOF) in einem festen Koordinatensystem.
VERPOSE® ist für die erste Aufgabe ausgelegt. Eine am Werkzeug montierte Kamera betrachtet das Bauteil aus unmittelbarer Nähe. Die Bildanalyse ordnet das aktuelle Kamerabild einer zuvor eingerichteten Montageposition zu. Das System muss dafür keine absoluten XYZ-Koordinaten der Werkzeugspitze berechnen.
Wenn dagegen eine geometrische 6DOF-Pose benötigt wird, eignet sich markerbasiertes optisches Tracking mit DTRACK. Dabei beobachten stationäre Kameras retroreflektierende Targets am Werkzeug. Die beiden Verfahren lösen verwandte, aber nicht identische Aufgaben.
So funktioniert kamerabasiertes Tool-Tracking
Ein typischer VERPOSE-Ablauf besteht aus vier Schritten:
- Kamera am Werkzeug: Ein Kameramodul mit eigener Beleuchtung wird an einem handgeführten Werkzeug angebracht.
- Positionen einrichten: Relevante Montagepositionen und die zugehörigen Bildmerkmale werden für den Prozess eingelernt.
- Position erkennen: Während der Montage vergleicht die Bildanalyse die aktuelle Ansicht mit den eingerichteten Positionen.
- Prozess steuern: Die erkannte Positions-ID kann zur Freigabe des richtigen Programms, zur Reihenfolgenkontrolle und zur Dokumentation verwendet werden.
Die Kamera blickt mit dem Werkzeug auf den Montagebereich. Dadurch bewegt sich der Erfassungsbereich mit dem Arbeitsmittel. Es ist kein stationäres Kameranetz um den gesamten Arbeitsplatz erforderlich.
Schraubpositionen absichern: typische Einsatzfälle
Schraubpositionen vor dem Anziehen validieren
Bei Bauteilen mit mehreren Schraubstellen kann die Position vor der Werkzeugfreigabe geprüft werden. Erst wenn die vorgesehene Stelle erkannt ist, wird der passende Prozessschritt ausgeführt. Das ist besonders relevant, wenn Schrauben nahe beieinanderliegen, unterschiedliche Parametersätze benötigen oder in einer definierten Reihenfolge bearbeitet werden müssen.
Der Anwendungsfall Erkennung von Schraubenpositionen zeigt den grundsätzlichen Ablauf.
Niet-, Clinch- und Füllprozesse zuordnen
Das Prinzip ist nicht auf Elektroschrauber beschränkt. Auch Nietgeräte, Clinchzangen, Füllgeräte und weitere handgeführte Spezialwerkzeuge können mit einer werkzeugseitigen Kamera kombiniert werden. Entscheidend ist, dass die zu bearbeitenden Stellen aus der Kameraperspektive unterscheidbar sind. Weitere Werkzeugtypen sind unter Tool-Tracking in der Produktion zusammengefasst.
Bauteile und Varianten unterscheiden
Bildmerkmale können nicht nur einzelne Arbeitspunkte, sondern auch Montageziele oder Bauteilvarianten unterscheiden. So lässt sich vor dem Prozess prüfen, ob das Werkzeug am erwarteten Bauteil und an der vorgesehenen Position angesetzt wird.
Mitarbeitende durch Abläufe führen
Die erkannte Position kann mit einer digitalen Arbeitsanweisung verbunden werden. Neue oder wechselnde Mitarbeitende erhalten dadurch unmittelbares Feedback zum nächsten Montageschritt. Die Positionserkennung ersetzt dabei nicht die fachliche Schulung, unterstützt aber die Einhaltung des eingerichteten Ablaufs.
Bewegte Bauteile bearbeiten
Weil die Kamera den lokalen Ausschnitt am Werkzeug betrachtet, kann eine Position auch an einem bewegten Bauteil erkannt werden. Ob das im konkreten Takt zuverlässig funktioniert, hängt unter anderem von Sichtbarkeit, Bewegung, Bildmerkmalen und Prozesszeit ab und sollte mit Originalteilen erprobt werden.
Wann eignet sich die Bildanalyse zur Prozessabsicherung?
VERPOSE® benötigt erkennbare Unterschiede im Kamerabild. Gute Voraussetzungen sind:
- markante Konturen, Kanten, Bohrungen oder andere wiederkehrende Merkmale,
- ein ausreichender Blick auf das Bauteil,
- unterscheidbare Ansichten der einzelnen Montagepositionen,
- eine Kameraposition, die im normalen Arbeitsablauf stabil bleibt,
- Originalbauteile und Varianten für das Einrichten und den Pilottest.
Asymmetrische Bauteile sind meist einfacher zu unterscheiden. Teilweise symmetrische Geometrien können ebenfalls funktionieren, wenn zusätzliche Merkmale oder der sichtbare Hintergrund eine eindeutige Zuordnung ermöglichen.
Grenzen entstehen bei vollständig gleichförmigen, symmetrischen Bereichen ohne unterscheidbare Merkmale, bei dauerhaft verdeckter Kamerasicht oder wenn absolute Raumkoordinaten und die vollständige Werkzeugorientierung benötigt werden. In diesen Fällen sollte ein markerbasiertes 6DOF-System oder ein anderes Positionierverfahren geprüft werden.
Verfahren zur Positionserfassung im Vergleich
| Verfahren | Geeignet, wenn … | Zu beachten |
|---|---|---|
| Mechanischer Führungsarm | ein definierter Arbeitsplatz und die Aufnahme von Reaktionskräften im Vordergrund stehen | der mechanische Aufbau begrenzt den Arbeitsraum |
| Encoder am Handlingsystem | die Position aus einer bekannten Kinematik reproduzierbar berechnet werden soll | Spiel, Kalibrierung und Mechanik beeinflussen das Ergebnis |
| Funk oder Ultraschall | Werkzeug oder Station in einem größeren Bereich zugeordnet werden sollen | eng benachbarte Arbeitspunkte sind schwieriger zu unterscheiden |
| Markerbasiertes DTRACK | eine absolute 6DOF-Pose mehrerer Werkzeuge benötigt wird | Targets müssen für mindestens zwei Kameras sichtbar sein |
| Kamerabasiertes VERPOSE® | konkrete Montagepositionen direkt aus der Werkzeugperspektive erkannt werden sollen | die Positionen brauchen visuell unterscheidbare Merkmale |
Die richtige Lösung folgt damit nicht allein aus einer Genauigkeitsangabe. Wichtiger ist die Frage, ob der Prozess eine Positions-ID, eine Bereichserkennung oder eine metrische 6DOF-Pose benötigt.
Checkliste für einen VERPOSE®-Piloten
Vor einem Pilotprojekt sollten Produktion, Qualität und Integration gemeinsam folgende Fragen beantworten:
- Welche falsche Position oder Reihenfolge soll verhindert werden?
- Welche Werkzeuge, Aufsätze und Bauteilvarianten sind im Einsatz?
- Sind die relevanten Stellen aus Werkzeugperspektive sichtbar und unterscheidbar?
- Bewegt sich das Bauteil während der Erkennung?
- Welche Information soll ausgetauscht werden: Positions-ID, Freigabe, Parametersatz oder Ergebnis?
- An welches MES, SPS-Leitsystem oder Montagesystem muss die Lösung angebunden werden?
- Wie werden neue Varianten eingerichtet, geprüft und freigegeben?
Für den Piloten sollten bewusst ähnliche Positionen, ungünstige Blickwinkel, reale Taktzeiten und alle relevanten Varianten einbezogen werden. So zeigt sich früh, ob Bildmerkmale und Kameraposition für den Serienprozess ausreichend robust sind.
Häufige Fragen
Wann reicht eine Positions-ID?
Eine Positions-ID reicht, wenn der Prozess nur die angefahrene Montage- oder Schraubstelle kennen muss. Damit lässt sich das passende Programm freigeben, die Reihenfolge prüfen und das Ergebnis zuordnen. Die Koordinaten der Werkzeugspitze werden dafür nicht berechnet.
Wann ist eine 6DOF-Pose nötig?
Eine Pose aus Position und Orientierung wird nötig, sobald das Werkzeug im Raum vermessen, mehrere Werkzeuge gleichzeitig verfolgt oder die Orientierung selbst bewertet werden soll. Dafür beobachtet markerbasiertes Tracking mit DTRACK das Werkzeug von stationären Kameras aus. Die werkzeugnahe Bildzuordnung liefert diese metrische Pose nicht.
Wann scheitert die Bildanalyse?
Die Zuordnung scheitert, wenn benachbarte Stellen im Kamerabild gleich aussehen, die Sicht dauerhaft verdeckt ist oder das Bauteil keine wiederkehrenden Merkmale bietet. Gleichförmige, symmetrische Flächen und der Bedarf an absoluten Raumkoordinaten liegen außerhalb des Verfahrens. Ein Pilot mit Originalteilen zeigt, ob die Merkmale für den Takt robust genug sind.
Vom Montageproblem zur passenden Lösung
VERPOSE® adressiert eine konkrete Lücke in manuellen Montageprozessen: Es verbindet Werkzeugdaten mit der tatsächlich erkannten Montageposition. Der Ansatz ist besonders interessant, wenn keine absolute Werkzeugpose benötigt wird, sondern der richtige Arbeitsschritt am richtigen Ort abgesichert werden soll.
Technische Komponenten und Integrationsmöglichkeiten finden Sie im VERPOSE®-Produktbereich. Für die Bewertung eines konkreten Bauteils empfiehlt sich ein Pilot mit Originalwerkzeug, Originalteilen und realistischen Prozessbedingungen. Projekt und Pilot besprechen.