Wer Kleinteile in vielen Varianten lasert, kennt das Problem: Für jede Teilenummer müsste eigentlich eine eigene Aufnahme gefräst werden, und bei Losgrößen von 50 Stück lohnt sich das nie. Die Laserbeschriftung mit Kamera geht den umgekehrten Weg. Das Teil darf ungefähr liegen, und eine Kamera misst vor dem Markieren, wo es genau liegt. Die Software verschiebt und dreht das Layout passend, und der Code landet trotzdem an der richtigen Stelle.
Was eine Kamera am Beschriftungslaser erledigt
Die häufigste Aufgabe ist die Lageerkennung. Ein Bediener legt zum Beispiel 30 Steckergehäuse lose auf eine Platte, oder ein Förderband bringt Teile mit wechselnder Ausrichtung. Die Kamera findet jedes Teil, bestimmt dessen Position in X und Y sowie den Drehwinkel, und der Laser beschriftet eines nach dem anderen.
Daneben übernimmt dieselbe Kamera kleinere Prüfaufgaben. Ist ein Nest leer, überspringt der Laser es. Liegen verschiedene Varianten auf der Platte, erkennt die Bildverarbeitung sie an ihrer Kontur und lädt jeweils das passende Layout. Nach dem Lasern kann die Kamera außerdem den frisch markierten DataMatrix-Code lesen und der Steuerung melden, ob er lesbar ist.
So arbeitet die Lageerkennung bei der Laserbeschriftung
Am Anfang steht das Einlernen. Sie legen ein Referenzteil ins Bildfeld, markieren in der Bildverarbeitung einen markanten Bereich, etwa die Außenkontur oder eine Bohrung, und legen fest, wo relativ dazu die Beschriftung sitzen soll. Die Software speichert dieses Muster als Modell.
Im Betrieb sucht die Bildverarbeitung das Modell in jedem neuen Bild. Die gängigen Verfahren werten Kanten aus und vergleichen keine reinen Helligkeitswerte. Sie finden ein Teil deshalb auch dann, wenn die Beleuchtung leicht schwankt oder die Oberfläche unterschiedlich glänzt. Als Ergebnis liefert die Suche drei Zahlen für jedes Teil, den Versatz in X, den Versatz in Y und den Drehwinkel, dazu einen Übereinstimmungswert.
Für den Übereinstimmungswert legen Sie beim Einrichten eine Schwelle fest. Liegt ein Teil darunter, markiert der Laser es nicht und meldet es zum Ausschleusen. So landet keine Seriennummer auf einem falsch herum liegenden Teil, auf einer verschmutzten Oberfläche oder auf einer fremden Variante, die ins Los geraten ist.
Kalibrierung von Kamera und Scanner
Die Kamera misst in Pixeln, der Galvo-Scanner arbeitet in Millimetern im Markierfeld. Damit beide zusammenpassen, braucht das System eine gemeinsame Kalibrierung. In der Praxis lasert die Maschine dazu ein Punkteraster auf eine Testplatte, die Kamera vermisst die Punkte, und die Software berechnet daraus die Umrechnung zwischen Bild und Markierfeld. Dabei korrigiert sie auch die Verzeichnung des Kameraobjektivs.
Diese Kalibrierung wiederholen Sie, wenn sich mechanisch etwas ändert: nach dem Tausch des F-Theta-Objektivs, nach einem Umbau der Kamerahalterung oder wenn Sie die Arbeitshöhe deutlich verstellen. Bleibt sie aus, sitzt die Markierung um einen gleichbleibenden Betrag versetzt, obwohl die Erkennung jedes Teil sauber findet. Wie Markierfeld und Brennweite zusammenhängen, erklären wir im Beitrag zu Galvo-Scanner und F-Theta-Objektiv.
Kamera neben dem Scankopf oder durch die Optik
Die meisten Systeme setzen die Kamera seitlich neben den Scankopf oder darüber in den Bauraum. Sie sieht dann das ganze Markierfeld auf einmal, braucht aber eine feste Arbeitshöhe, weil sie schräg oder versetzt auf das Teil schaut. Ändert sich die Teilhöhe, verschiebt sich das Bild durch die Parallaxe.
Die Alternative ist eine Kamera, die durch die Scannerspiegel und das F-Theta-Objektiv blickt. Sie schaut genau dort hin, wo der Laser auftrifft, und eignet sich für kleine Merkmale. Ihr Bildausschnitt ist dafür klein, und die Optik ist auf die Laserwellenlänge ausgelegt, was die Bildqualität im sichtbaren Licht einschränkt. Welche Bauform passt, hängt von Teilgröße und geforderter Genauigkeit ab.
Wie genau die Kamera misst
Eine einfache Rechnung zeigt die Größenordnung. Eine Kamera mit 2.448 × 2.048 Pixeln, die ein Bildfeld von 120 mm Breite sieht, bildet pro Pixel rund 0,05 mm ab. Kantenbasierte Algorithmen werten Übergänge feiner als ein Pixel aus, die rechnerische Auflösung liegt also besser. Für eine Beschriftung, die auf einem Gehäuse in einem 10 mm großen Feld sitzen soll, reicht das komfortabel.
Wird es enger, etwa bei einem 2 mm großen DataMatrix-Code auf einem Kontaktstift, verkleinern Sie das Bildfeld. Ein halb so breites Bildfeld halbiert die Pixelgröße. In der Praxis begrenzt allerdings selten die Kamera allein die Genauigkeit. Unscharfe Gratkanten, Schatten und eine nachlässige Kalibrierung wirken sich meist stärker aus als ein paar Pixel mehr oder weniger.
Licht entscheidet, ob die Kamera das Teil findet
Die Bildverarbeitung kann nur auswerten, was im Bild klar zu sehen ist. Bei Kunststoffteilen auf dunklem Untergrund genügt oft eine einfache Ringleuchte. Blanke Metallteile spiegeln eine solche Leuchte dagegen als grelle Flecken zurück, und die Mustererkennung findet Kanten, die es gar nicht gibt.
Für glänzende Teile hat sich diffuses Licht aus einer Kuppelbeleuchtung bewährt. Flache Teile wie Bleche, Schilder oder Dichtungen lassen sich mit Durchlicht von unten sehr robust erkennen, weil die Kamera dann nur die dunkle Silhouette vor hellem Grund sieht. Ein geschlossenes Gehäuse hilft zusätzlich, weil Hallenlicht und Sonnenstrahlen durch das Fenster das Bild nicht mehr verändern.
Was die Kamera nicht kann
Eine 2D-Kamera misst Lage und Drehung in der Ebene. Die Höhe des Teils sieht sie nicht. Weil der Fokus eines Beschriftungslasers je nach Objektiv nur wenige Zehntelmillimeter bis etwa einen Millimeter Tiefenschärfe hat, muss die Markierfläche trotzdem auf der richtigen Höhe liegen. Das erledigt eine feste Auflage oder ein Autofokus, der die Fokushöhe vor dem Markieren misst.
Auch verkippte Teile korrigiert die Kamera nicht. Liegt ein Bauteil schräg auf einem Grat, verzerrt sich die Markierung, und der Fokus stimmt an einer Ecke nicht mehr. Transparente Teile wie klares Polycarbonat oder Glas sind für die Mustererkennung schwierig, weil kaum Kontrast entsteht. Hier helfen Durchlicht oder ein speziell gewählter Untergrund.
Schließlich kostet jede Bildaufnahme mit Auswertung Zeit. Bei kurzen Markierzeiten von ein, zwei Sekunden fällt das ins Gewicht. Planen Sie diese Zeit in die Taktzeit ein, und lassen Sie bei Mehrfachaufnahmen möglichst ein einziges Bild für alle Teile auswerten.
Code lesen nach dem Lasern
Wenn die Kamera ohnehin am Laser sitzt, liest sie nach dem Markieren den Code. Die Steuerung bekommt sofort eine Rückmeldung, ob Inhalt und Lesbarkeit stimmen, und ein unlesbares Teil wird ausgeschleust, bevor es in die Montage geht. In Linien mit Rückverfolgbarkeit ist das der übliche Aufbau.
Ein Prüfprotokoll mit Qualitätsnote nach ISO/IEC TR 29158 ersetzt diese Kamera allerdings nicht. Dafür braucht es einen Verifier mit definierter Beleuchtung und Kalibrierkarte. Wie die beiden Prüfstufen zusammenspielen, beschreiben wir im Beitrag zum DataMatrix verifizieren.
Kamera oder Vorrichtung?
Eine Faustregel aus der Praxis: Je mehr Varianten und je kleiner die Lose, desto eher lohnt die Kamera. Bei einem einzigen Teil, das in hohen Stückzahlen über Jahre läuft, ist eine gut gebaute Vorrichtung meist günstiger und schneller, weil sie ohne Bildauswertung auskommt.
Viele Anwender kombinieren beides. Eine einfache Auflageplatte legt die Höhe fest und hält die Teile grob in Position, die Kamera übernimmt die Feinlage und die Variantenerkennung. Damit entfällt der teure Teil der Vorrichtung, die passgenauen Nester für jede einzelne Teilenummer.
Kamera-Option bei GLT-Beschriftungslasern
Für unsere Systeme gibt es Kamera und Bildverarbeitung als Option, für Lagebestimmung, Code-Verifikation oder die Anbindung an eine automatisierte Beladung. Der GRAVIS ist voll umhaust, arbeitet in Laserklasse 1 und ist für kleine und mittlere Serien ausgelegt. Der INTEGRA bringt die SPS ab Werk mit und fügt sich in Ihre eigene Zelle ein. Beim GLX500 ist zusätzlich die Pick-and-Place-Anbindung an einen Roboter möglich. Für alle drei gibt es außerdem einen Autofokus mit Laser-Distanzmessung, der die fehlende Höhenmessung der Kamera ergänzt.
Ob eine Kamera für Ihre Teile sinnvoll ist, zeigt am schnellsten ein Test. Schicken Sie uns einige Musterteile in ihren typischen Varianten, wir prüfen in Rüthen Erkennung, Beleuchtung und Lasermarkierung und sagen Ihnen, welcher Aufbau passt. Nehmen Sie Kontakt auf.