Bei der Entwicklung eines Machine-Vision-Systems wird der Auswahl der richtigen Machine-Vision-Kamera, des Objektivs und der Beleuchtung große Aufmerksamkeit gewidmet. Das Kamerakabel wird häufig erst ausgewählt, wenn das übrige System bereits festgelegt ist. In der Praxis ist dies die falsche Vorgehensweise. Die Verkabelung ist Teil der Signalkette und trägt dazu bei, ob die Kamera ihre spezifizierte Bildrate dauerhaft stabil erreichen kann.
Eine Machine-Vision-Kamera überträgt kontinuierlich Bilddaten an den Industrie-PC. Gleichzeitig werden über den I/O-Anschluss häufig Trigger, Encoderimpulse und Steuersignale für die Beleuchtung verarbeitet. Ein ungeeignetes Kabel kann daher sowohl die Bildübertragung als auch das zeitliche Verhalten der Inspektion beeinträchtigen. Die Kamera kann vollständig ausfallen, das Problem kann sich jedoch auch wesentlich unauffälliger durch eine geringere maximale Bildrate, verlorene Bilder oder sporadische Verbindungsabbrüche bemerkbar machen. Das richtige Kamerakabel wird deshalb nicht ausschließlich anhand der Kameraschnittstelle ausgewählt. Auch Kabellänge, Steckverbinder, elektromagnetische Umgebung und die mechanische Belastung während der gesamten Lebensdauer der Maschine müssen berücksichtigt werden.
Die Qualität des Kamerakabels bestimmt die Übertragungsreserve
Bei hohen Datenraten müssen die elektrischen Eigenschaften der vollständigen Verbindung innerhalb der Toleranzen der verwendeten Schnittstelle bleiben. Der Kabelaufbau, die Qualität der Leiter, die Abschirmung und die Steckverbinder bestimmen, wie viel Reserve für eine stabile Datenübertragung zur Verfügung steht.
Ein Kabel geringerer Qualität kann bei einem ersten Test scheinbar problemlos funktionieren. Schwierigkeiten treten häufig erst auf, wenn die Kamera dauerhaft mit hoher Auflösung und maximaler Bildrate betrieben wird. Die Verbindung kann dabei weiterhin aktiv bleiben, obwohl Bilder verloren gehen oder die eingestellte Bildrate nicht erreicht wird. Die Ursache wird dann häufig bei der Kamera, dem Treiber oder der Bildverarbeitungssoftware gesucht, obwohl die tatsächliche Einschränkung in der physischen Verbindung liegt. Eine erfolgreich erkannte Kamera ist daher noch kein Nachweis dafür, dass das Kabel für die Anwendung geeignet ist. Die Verbindung muss unter der maximal zu erwartenden Datenlast, mit der endgültigen Kabellänge und in der realen industriellen Umgebung getestet werden.
USB3 Vision erfordert eine kurze und hochwertige Verbindung
USB3 Vision bietet eine hohe Bandbreite, stellt jedoch hohe Anforderungen an die Signalqualität. Bei der Systemauslegung sollte für eine passive USB3-Verbindung zunächst von einer Kabellänge von ungefähr drei Metern ausgegangen werden. Mit einem hochwertigen industriellen USB3-Kabel können fünf Meter in vielen Konfigurationen zuverlässig funktionieren, dies ist jedoch nicht grundsätzlich gewährleistet. Die tatsächlich erreichbare Länge hängt unter anderem von der Kamera, dem USB-Controller, der Leistungsaufnahme und der Kabelqualität ab.
Preisgünstige USB3-Kabel mit einer Länge von fünf Metern oder mehr können dazu führen, dass die Kamera zwar erkannt wird, unter maximaler Belastung jedoch nicht stabil arbeitet. In der Praxis zeigt sich dies durch Bildverluste, eine geringere maximale Bildrate oder eine Verbindung, die nur unter bestimmten Bedingungen unterbrochen wird. Besonders bei Kameras, die einen großen Teil der verfügbaren USB3-Bandbreite nutzen, bleibt nur wenig Reserve für Signalverluste. Muss eine größere Entfernung überbrückt werden, ist das Hintereinanderschalten mehrerer passiver Kabel keine zuverlässige Lösung. In diesem Fall wird ein aktives USB3-Verlängerungskabel oder ein geeigneter USB3-Extender benötigt, der das Signal innerhalb der Übertragungsstrecke neu aufbereitet. Auch bei einer aktiven Verbindung muss die vollständige Übertragungskette hinsichtlich Bandbreite, Stromversorgung und Kamerakompatibilität validiert werden.
USB3 ist nicht für jede industrielle Installation die richtige Wahl
USB3 Vision lässt sich gut einsetzen, wenn sich der Industrie-PC in unmittelbarer Nähe der Inspektionsposition befindet, die Kabellänge begrenzt bleibt und die Verkabelung statisch montiert wird. Mit zunehmender Entfernung, elektromagnetischer Belastung oder mechanischer Bewegung steigen jedoch die Anforderungen an die Installation.
Servomotoren, Frequenzumrichter und Leistungskabel können elektromagnetische Störungen verursachen. Ein gut abgeschirmtes USB3-Kabel und eine korrekt geplante Kabelführung reduzieren dieses Risiko, können einen ungünstigen Systemaufbau jedoch nicht vollständig kompensieren. Ein Datenkabel, das über eine längere Strecke parallel zu Motorkabeln verlegt wird, bleibt störanfälliger als eine kurze und räumlich getrennte Verbindung. Wir raten daher nicht grundsätzlich vom industriellen Einsatz von USB3 ab, setzen diese Schnittstelle jedoch vor allem dann ein, wenn die Umgebung und der Systemaufbau dies zulassen. Bei einer kompakten Inspektionsanlage kann USB3 eine sehr gute Lösung sein. Bei langen Kabelwegen, kontinuierlich bewegten Leitungen oder einer Kamera auf einem Roboterarm ist GigE Vision in der Regel die robustere Wahl.
GigE Vision ermöglicht mehr Freiheit bei der Platzierung des Computers
GigE Vision basiert auf Ethernet und ermöglicht dadurch eine wesentlich größere Entfernung zwischen Kamera und Industrie-PC. Der Computer kann außerhalb der Maschine oder der Roboterzelle installiert werden, während sich lediglich die Kamera und die erforderliche Verkabelung an der Inspektionsposition befinden. Dies vereinfacht die Wartung und reduziert die Belastung des Computers durch Vibrationen, Wärme und Verschmutzung.
Die größere zulässige Entfernung bedeutet jedoch nicht, dass jedes Netzwerkkabel geeignet ist. Kabelkategorie, Abschirmung, Steckverbinder und mechanischer Aufbau müssen zur Datenrate und zur industriellen Umgebung passen. Ein Kabel oder Steckverbinder unzureichender Qualität kann Paketverluste verursachen und damit die nutzbare Bandbreite reduzieren. Bei Power over Ethernet werden zudem Daten und Kameraversorgung über dasselbe Kabel übertragen. Dadurch sinkt die Anzahl der zur Kamera geführten Kabel, gleichzeitig werden jedoch ein ausreichender Leiterquerschnitt, zuverlässige Steckverbindungen und eine korrekt ausgelegte PoE-Versorgung wichtiger. Spannungsverluste oder eine instabile Steckverbindung können in diesem Fall nicht nur die Kommunikation, sondern auch die Stromversorgung der Kamera beeinträchtigen.
Verwenden Sie möglichst einen verriegelbaren Steckverbinder
Ein standardmäßiger USB- oder RJ45-Steckverbinder ist nicht dafür ausgelegt, Vibrationen, Zugkräfte und wiederholte Bewegungen aufzunehmen. Für eine industrielle Kamera sollte daher vorzugsweise ein Kabel mit einem verschraubbaren oder anderweitig verriegelbaren Steckverbinder auf der Kameraseite verwendet werden. Die Verriegelung verhindert, dass sich der Stecker durch Vibrationen langsam aus der Kamera löst, und sorgt bei Montage- und Wartungsarbeiten für eine reproduzierbare Verbindung.
Eine Verriegelung ersetzt jedoch keine Zugentlastung. Das Gewicht des Kabels und die Kräfte aus einer Schleppkette dürfen nicht dauerhaft vom Kamerasteckverbinder aufgenommen werden. Wird das Kabel kurz hinter der Kamera mechanisch fixiert, werden Bewegung und Zugkraft vom Anschluss ferngehalten. Dies reduziert sowohl das Risiko von Kontaktproblemen als auch die mechanische Belastung des Kameraanschlusses.
Eine Schleppkette erfordert ein Kabel mit spezifizierter Biegelebensdauer
Ein industrielles Standardkabel kann für eine feste Verlegung geeignet sein, ist deshalb jedoch noch nicht automatisch schleppkettentauglich. In einer Schleppkette wird das Kabel während jedes Maschinenzyklus erneut gebogen. Durch diese wiederholte Belastung können Leiter brechen, die Abschirmung beschädigt werden und sich die elektrischen Eigenschaften des Kabels verändern.
Für diese Anwendung wird ein schleppkettengeeignetes Kabel benötigt. Solche Kabel verwenden in der Regel feindrähtige Leiter, angepasste Schirmkonstruktionen und abriebfeste Mantelmaterialien. Wichtige Spezifikationen sind die zulässige Anzahl der Biegezyklen, der minimale Biegeradius, die Bewegungsgeschwindigkeit und die Beschleunigung, für die das Kabel ausgelegt wurde. Der minimale Biegeradius gilt dabei für den gesamten Kabelweg und nicht nur für den geraden Abschnitt innerhalb der Schleppkette. Ein zu enger Radius am Kameraanschluss oder am Übergang zur festen Installation kann ebenfalls zu einem vorzeitigen Ausfall führen. Darüber hinaus muss das Kabel ausreichend frei in der Schleppkette liegen. Werden Kabel gegeneinander gedrückt oder unter mechanischer Spannung montiert, steigt die Belastung bei jedem Bewegungszyklus.
Ein Roboterkabel muss neben Biegung auch Torsion aufnehmen
Die Kabelbelastung an einem Roboterarm unterscheidet sich von der Belastung in einer Schleppkette. Eine Schleppkette verursacht hauptsächlich wiederholte Biegungen in einer vorhersehbaren Ebene. Bei einem mehrachsigen Roboter wird das Kabel zusätzlich verdreht. Ein Kabel, das lediglich als High-Flex- oder schleppkettentauglich spezifiziert ist, eignet sich daher nicht automatisch für den Einsatz an einem Roboter.
Für eine Roboteranwendung muss der Hersteller eine zulässige Torsion pro Meter, einen Torsionswinkel, eine definierte Anzahl von Bewegungszyklen und einen minimalen Biegeradius angeben. Ohne diese Daten lässt sich nicht beurteilen, ob das Kabel die erwarteten Roboterbewegungen über die erforderliche Lebensdauer zuverlässig übersteht. Beginnende Kabelschäden sind bei der Übertragung von Bilddaten außerdem nicht immer unmittelbar erkennbar. Die Kamera kann während eines großen Teils des Roboterzyklus normal funktionieren und nur in einer bestimmten Roboterposition Bilder verlieren oder die Verbindung unterbrechen. Dadurch sind solche Fehler oft schwer reproduzierbar. Die richtige mechanische Kabelspezifikation verhindert deshalb nicht nur Maschinenstillstände, sondern auch langwierige Fehlersuchen.
Warum wir bei Roboteranwendungen meist GigE Vision einsetzen
Bei Kameras auf Roboterarmen entscheiden wir uns in den meisten Fällen für GigE Vision anstelle von USB3 Vision. Diese Entscheidung wird nicht ausschließlich durch die nominale Bandbreite der Schnittstelle bestimmt. Ausschlaggebend ist die Kombination aus Kabellänge, Torsionsbelastung und der Verfügbarkeit geeigneter industrieller Kabelkonstruktionen.
Für Ethernet steht ein breites Angebot an roboter- und torsionsgeeigneten Kabeln zur Verfügung. Die größere zulässige Übertragungsdistanz ermöglicht es zudem, den Industrie-PC außerhalb des bewegten Bereichs oder außerhalb der Roboterzelle zu installieren. Dadurch werden keine aktiven USB3-Verlängerungen auf oder in unmittelbarer Nähe des Roboters benötigt und die Übertragungskette bleibt übersichtlicher. USB3 Vision kann technisch auch an einem Roboter eingesetzt werden, allerdings nur, wenn ein geeignetes torsionsbeständiges USB3-Kabel verfügbar ist und die gesamte Kabellänge innerhalb einer zuverlässig validierten Konfiguration bleibt. Aufgrund der hohen Datenrate und der kürzeren passiven Übertragungsdistanz ist die Auslegungs- und Testreserve in der Regel geringer. GigE Vision ermöglicht bei Robotern daher häufig einen robusteren Systemaufbau, selbst wenn USB3 hinsichtlich der erforderlichen Bandbreite grundsätzlich ausreichend wäre.
Das I/O-Kabel bestimmt das Timing der Inspektion
Das Datenkabel überträgt die Bilder, das I/O-Kabel bestimmt jedoch häufig, wann diese Bilder aufgenommen werden. Über den I/O-Anschluss werden unter anderem Trigger, Encoderimpulse, Blitzsignale und digitale Statusausgänge angeschlossen. Diese Signale benötigen nur wenig Bandbreite, sind jedoch zeitkritisch.
Ein gestörter Trigger kann dazu führen, dass ein Bild zu früh, zu spät oder überhaupt nicht aufgenommen wird. Bei einem bewegten Produkt verändert sich dadurch die Position des Objekts im Bild. Die Bilddaten können technisch fehlerfrei übertragen werden, während die Inspektion dennoch unzuverlässig arbeitet, weil die Aufnahme nicht zum richtigen Zeitpunkt erfolgt. Verwenden Sie deshalb ein abgeschirmtes I/O-Kabel, das zum Steckverbinder und zur Pinbelegung der Kamera passt. Trigger- und Encodersignale sollten möglichst getrennt von Motor- und Leistungskabeln geführt werden. Bei längeren Verbindungen muss zusätzlich geprüft werden, ob Signalart, Schaltschwellen und Kabellänge gemeinsam eine ausreichende Störreserve bieten. Weitere Informationen über den Zusammenhang zwischen Triggern, Kamera-Belichtungszeit und Systemverzögerung finden Sie in unserem Artikel über das Triggern von Kameras in einem Machine-Vision-System.
Wählen Sie das Kabel anhand der tatsächlichen Anwendung aus
Ein geeignetes Kamerakabel muss sowohl elektrisch als auch mechanisch zum System passen. Für eine statisch montierte USB3-Kamera in kurzer Entfernung gelten andere Anforderungen als für eine GigE-Kamera in einer Schleppkette oder eine Kamera am Handgelenk eines sechsachsigen Roboters. Auch ein I/O-Kabel muss anhand der Signalfunktion, Abschirmung, Steckverbindung und Kabelführung ausgewählt werden.
Wer selbst ein Machine-Vision-System integriert, sollte vor der Kabelauswahl festlegen, welche Entfernung überbrückt werden muss, welche Daten- und Strombelastung auftritt, ob das Kabel bewegt wird und welche Biege- oder Torsionslebensdauer erforderlich ist. Anschließend sollte geprüft werden, ob sich der Steckverbinder sicher verriegeln lässt und ob in Kameranähe eine ausreichende Zugentlastung angebracht werden kann. Das richtige Kabel verhindert nicht nur einen vollständigen Ausfall der Kamera. Es sorgt vor allem dafür, dass die Kamera auch unter maximaler Belastung dieselbe Leistung erbringt wie während des ersten Tests. Achten Sie bei der Auswahl geeigneter USB3-, GigE- und I/O-Kamerakabel daher nicht nur auf Steckverbinder und Länge, sondern ebenso auf die Abschirmung und die mechanischen Spezifikationen der Anwendung.
