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Mehrfacher Nutzen für Mehrfachnutzen Josef Neff und Armin Littich, Sick, Waldkirch

Data Matrix – Identifikation mit ICR 850
Mehrfacher Nutzen für Mehrfachnutzen Josef Neff und Armin Littich, Sick, Waldkirch

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Die Kennzeichnung von Nutzen und Platinen mit 2D-Data-Matrix-Codes in der Leiterplattenproduktion hilft nicht nur, die hergestellten Einheiten im Markt zu verfolgen, sondern auch die Produktion zu steuern und einzelne Prozessschritte zu kontrollieren. IPTE aus Fürth erfasst daher mit Data-Matrix-Lesegeräten ICR 850 versetzt angeordnete 2D-Codes auf Leiterplatten, die sich auf einem laufenden Transportband befinden. An die Maschinensteuerung angeschlossen sind die Lesegeräte über CDB 420-Anschlussmodule. Die Vorteile der Lösung: Zeitersparnis und gemischte Identifikation von 1D- und 2D-Codes.

Mit dem Data-Matrix-Lesegerät ICR 850 ist es jetzt möglich, Linear- und 2D-Codes unabhängig von Drehlage und Position auf der Leiterplatte sicher zu identifizieren – und dies mit einer einzigen Geräteeinstellung. Möglich macht dies das 2048-Pixel-Zeilenlesesystem des Gerätes in Verbindung mit einem 8-MByte-Bildspeicher, das mit 80 mm ein wesentlich breiteres Lesefenster erzeugt als herkömmliche Matrix-Leser. Für die Elektronikfertigung – häufig geprägt von großer Variantenvielfalt an Einfach- und Mehrfachnutzen – bedeutet dies, dass es nicht mehr erforderlich sein muss, vor jeder Produktionscharge die Lesetechnik neu einzurichten. Dies wird den Einsatz des Data Matrix – in der Elektronik ohnehin schon ein Standard – weiter vorantreiben.

Data Matrix ECC 200
Der Data Matrix ECC 200 (ECC: für Error Checking and Correcting) ist ein 2D-Code, der in dieser Form seit 1996 als ISO/IEC 16022 und als AIM International IST/96–001 weltweit standardisiert ist. Die Grundstruktur des Data Matrix setzt sich zusammen aus dem L-förmigen Finder-Pattern zur Lage- und Größenerkennung, dem Alternating-Pattern zur Erkennung der Dichte der Datenzellen innerhalb der Codematrix sowie Data-Region, dem eigentlichen Datenfeld, in das zusätzlich noch ein Reed-Solomon-Fehlerkorrektur-Verfahren integriert ist. Unabhängig von den verschiedenen Zeichensätzen, der datenabhängigen Symbolgröße und der variablen Größe der quadratischen Zellen ist der Data-Matrix-Code identifizierbar, wenn die L-Form des Finder-Pattern zwei zusammenhängende Geraden mit sauberen Kanten und definierter Breite aufweist, das Alternating-Pattern in einem gleichmäßigen Raster steht und die Zellen der Data-Region ohne größere Verzerrungen positioniert sind.
Platzbedarf und Datensicherheit sind die wichtigsten Vorteile des Data-Matrix-Codes gegenüber Barcodes. Während es sich bei Barcodes um eine horizontale oder vertikale Abfolge von Strichen und Lücken handelt, werden bei 2D-Codes Informationen in beiden Dimensionen gespeichert. Dadurch sind sie in der Lage, eine höhere Informationsdichte zu erzielen bzw. mit weniger Platz für die Kennzeichnung auszukommen. Immerhin liegt die maximale Kapazität eines Data-Matrix-Codes bei 2335 Zeichen alphanumerisch bzw. bei 3116 Zeichen numerisch. Praktisch bedeutet das, dass ein Barcode, der einen Platzbedarf z.B. von 3,6 cm² besitzt, durch einen 2D-Code ersetzt werden kann, der nur 0,36 cm² Anbringungsfläche benötigt – also nur 1/10. Ein weiterer Vorteil von 2D-Codes ist ihre nahezu 100%ige Lesbarkeit und Datensicherheit. In die Symbologie integrierte Algorithmen zur Fehlererkennung und -korrektur sowie zur Datenrekonstruktion expandieren während der Erzeugung des Symbols zusätzliche Bytes, die nur zur Erkennung von Druckfehlern und zur Rekonstruktion eines Teils eventuell nicht lesbarer Nutzdaten verwendet werden können. Dies macht – im Gegensatz zur Identifikation 1D-Barcodes – das Auslesen falscher Istdaten nahezu unmöglich. Voraussetzung ist jedoch, dass der Code auch erfasst wird. Das klingt trivial – ist es aber nicht.
Stationäre Lesegeräte mit CCD-Zeile
Matrix-Lesegeräte mit CCD-Technik weisen ein kameratypisch rechteckiges Lesefeld von 640 x 480 Pixel auf, dessen Dimensionen selten ein Objekt in seinem ganzen Ausmaß erfassen können. Während jedoch mit mobilen Handlesern einfach auf einen Code gezielt werden kann, ist dies bei festinstallierten Lesegeräten nicht ohne weiteres möglich. Wer hier mit den herkömmlichen Matrixkamera-Systemen arbeitet, muss sicherstellen, dass der Code zum Zeitpunkt der Identifikation immer im Lesefenster des Sensors ist, d.h. idealerweise befindet sich die Markierung immer an der gleichen Stelle. Werden z.B. in der Elektronikfertigung Maschinen mit unterschiedlichen Leiterplattentypen beschickt, muss immer dann eine chargenbezogene Neujustierung der Scanner vorgenommen werden, wenn der 2D-Code an einer anderen Position erfasst werden muss. Diesen Aufwand kann der Betreiber solcher Anlagen vermeiden, wenn anstelle stationärer Matrixkamera-Systeme Lesegeräte mit integrierter Zeilenkamera eingesetzt werden. Für diese Aufgabenstellungen, in denen Data-Matrix-Codes weitgehend unabhängig von ihrem Anbringungsort und in der Bewegung gelesen werden sollen, bietet der 2D-Codeleser ICR 850 die Lösung.
Gegenüber herkömmlichen CCD-Matrixlesern, die eine exakte Positionierung des Codes, ein codebezogenes Triggersignal und eventuell eine zusätzliche externe Beleuchtung benötigen, besitzt der ICR 850 aufgrund seines Zeilensensors ein wesentlich größeres Lesefeld: Es hat eine Bildbreite von 80 mm – die Länge des Bildes wird durch die Dauer des Lesetaktes bestimmt. Die Beleuchtung ist in Form der Laserlinie integriert. Die Triggerung erfolgt auf das Objekt – nicht auf den Code. Leiterplatten auf einem Transportband werden dank der Scanfrequenz von 15 kHz selbst bei Fördergeschwindigkeiten von bis zu 2 m/s und Codes mit einer Zellgröße von 0,5 mm sicher identifiziert. Ist die Objektgeschwindigkeit eher langsam, ermöglicht die Auflösung von 2048 Pixel die Erkennung selbst kleiner Codezellen mit nur 0,2 mm Größe. Einher mit der hohen Leistungsfähigkeit des ICR 850 geht die einfache Integration und Bedienung. Die mechanische Anschlusstechnik sowie die Schaltausgänge und Softwareschnittstellen sind kompatibel zu herkömmlichen Barcodelesern. Das von diesen übernommene Bedienkonzept erlaubt die schnelle Anpassung des ICR 850 auf spezielle Applikationen – ein weiterer Nutzenaspekt.
Leiterplatten-Identifikation direkt am Nutzentrenner
In der IPTE-Anlage sind die ICR 850 am Einlaufband eines Nutzentrenners, das sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu 10 m/min bewegt, montiert. Im Nutzentrenner werden viele kleine Platinen – Einzelnutzen – aus einer Großplatine – Mehrfachnutzen – herausgeschnitten. Durch das Lesen des 6 x 6 mm² großen Data-Matrix-Etikettes auf den Mehrfachnutzen stellt IPTE sicher, dass die richtige Leiterplatte auf dem Transportband liegt, dass der Greifer in der Maschine mit der Leiterplatte übereinstimmt und dass das richtige Bearbeitungsprogramm aktiv ist. Wird eine Platine transportiert, die im zuvor durchgeführten Prüfprozess als fehlerhaft erkannt wurde, wird diese anhand des Data-Matrix erkannt und auf ein separates Band ausgeschleust. Neben dem erfolgreichen Finden des Data-Matrix-Codes auf der Leiterplatte liegt der besondere Vorteil des ICR 850 darin, dass die Identifikation im Durchlauf erfolgen kann. Im Gegensatz zu langsameren CCD-Lesern, die oftmals einen Stopp der Transportbewegung zum Lesen des Codes benötigen, vermeidet der ICR 850 solche lesebedingte Zeitverluste und ermöglicht so eine höhere Anlagenleistung.
Anlagenintegration über Anschlussmodul
Zum Anschluss von stationären Barcodescanner und 2D-Code-Lesegeräten von Sick an das Sick-CAN-Scannernetzwerk, einen Host-Computer und eine SPS-Einheit wurde das kompakte, ebenfalls von IPTE eingesetzte Modul CDB 420 entwickelt. Es ist nur noch halb so groß ist wie die Vorgängerversion. Zudem bietet es mit Merkmalen wie zugentlasteten PG-Verschraubungen, IP 65 mit Standard-Scannerkabel, dem transparenten Deckel mit Blick auf die dahinter liegenden LED-Anzeigen und Schalterstellungen, der Montierbarkeit im geschlossenen Zustand sowie der Steckverbindung zur Service-Schnittstelle des Scanners weitere montage- und betriebswichtige Vorteile. Ein weiteres Highlight dieser industriegerechten Anschlusstechnik sind die optional in diese Module einsetzbaren CMC-400-Speicherbausteine, die alle Geräteparameter eines Barcode- oder Data-Matrix-Lesegerätes extern speichern. Dadurch lassen sich durch Rückübertragung beliebig oft neue Scanner „klonen“. Der Schreibschutz-Schalter verhindert das unbeabsichtigte Überschreiben der lesestellenspezifischen Parametrierung. Im Fehlerfall können so einzelne Lesegeräte sehr schnell und ohne zusätzlichen Parametrieraufwand ausgetauscht werden.
Applikationsoptimierte 2D-Lesetechnik
Parallel zum ICR 850 wurden weitere, applikationsoptimierte Geräteausführungen entwickelt. So können mit dem neuen ICR 852 Ink Jet Codes auf Leiterplatten und gelaserte 2D-Codes selbst bei einer Zellgröße von nur 0,1 mm² erfasst werden. Gegenüber CCD-Lesern bleibt der Vorteil des wesentlich breiteren Lesefeldes erhalten – die Scanlinie ist in dieser Ausführung 40 mm breit. Eine exakte Positionierung des Codes im Lesefenster ist also auch hier nicht erforderlich – unabhängig von der Position auf dem Nutzen wird jeder Code erkannt, der die Scanlinie passiert. Als schnellstmögliches Lesesystem wurde der ICR 855 ausgelegt. Das Gerät ist dank seiner Scanfrequenz von 45.000 Hz in der Lage, selbst bei Vorschubgeschwindigkeiten bis zu 4 m/s Data-Matrix-Codes mit einer Zellgröße von 0,35 mm sicher zu identifizieren – ein Merkmal, auf das es (noch) in erster Linie beim automatisierten Handling von Dokumenten wie Kontoauszügen, Mobiltelefon-Rechnungen oder Versicherungsschreiben ankommt. Sollten sich in der Elektronikfertigung also Transport-, Bearbeitungs- und damit Leseprozesse beschleunigen, steht hier eine Gerätevariante mit ausreichend Leistungsreserve zur Verfügung.
2D wird über die Elektronikindustrie hinaus immer mehr zum Trend in der industriellen Objektkennzeichnung. In allen Aufgabenstellungen bieten die Lesegeräte der ICR-850-Baureihe hohe Freiheitsgrade rund um den Identifikationsprozess, wodurch flexible Anlagenlösungen für vielfältige Produktionsrandbedingungen möglich werden.
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