Barcode-Leser für die Logistik lassen sich in drei Segmente gliedern: Das Einstiegssegment bilden Systeme, die auf bildbasierten Flächensensoren oder Laserscannern aufbauen. Diese einfachen Code-Leser erkennen langsam bewegte oder stehende Codes. Im High-End-Bereich rangieren bildbasierte Systeme, die Zeilensensoren zur Erfassung nutzen. Zeile für Zeile setzen sie das Bild zusammen, während sich der Code unter dem Sensor bewegt. Diese Systeme erreichen sehr hohe Lese-Geschwindigkeiten und können durch eine weitgehende Bildanalyse defekte Codes sehr gut rekonstruieren. Zwischen beiden Extremen liegen Laserscanner, die zwar ebenfalls hohe Geschwindigkeiten erreichen, dabei aber anfällig für Lesefehler sind.

Die meisten Verteilzentren setzen aktuell bei ihrem Beschaffungs-, Versand- und Bestandsmanagement auf Lasersys­teme, die hohe Leseraten bei qualitativ einwandfrei gedruckten Barcodes auf unbeschädigten Etiketten liefern. Schwer tun sich die Lasersysteme jedoch beim Lesen von Barcodes geringer Qualität. Verteilzentren mit einem sehr hohen Teile-Aufkommen hingegen nutzen bereits heute bildbasierte Code-Leser, die auf Zeilensensoren basieren. Diese liefern sehr gute Leseraten – auch unter schwierigen Bedingungen. Jedoch ist Ihr Einsatzgebiet aufgrund der Kosten und Komplexität beschränkt.

Vorteile kamerabasierter Code-Leser

Dank VSoC (Vision System on a Chip) liest der Dataman 500 bis zu 120 Barcodes /s.

© Cognex

Bildbasierte Lesesysteme bieten ver­glichen mit laserbasierten Systemen einige grundlegende Vorzüge. Während die „blinden“ Laserscanner einen Laserstrahl in einer Linie über den Barcode führen und anhand des reflektierten Lichts Striche und Lücken erkennen, beginnen bildbasierte Barcode-Lesegeräte die Auswertung mit deutlich mehr Informationen. Beschädigungen, Reflexionen oder Verzerrungen kompensieren sie mithilfe einer Software-Analyse, die einzelne lesbare Code-Fetzen zu einem eindeutigen Code rekonstruiert.

Außerdem ist es mit den kamerabasierten Systemen möglich, Bilder zur späteren Analyse zu speichern. Mit den archivierten Bildern können Anwender Ursachen für fehlerhafte Lesevorgänge eruieren. Ist die Ursache erkannt, lässt sich so mancher Lesefehler vermeiden, um die Leserate zu erhöhen. Ein Beispiel: Die Leserate in einem Verteilzentrum liegt bei 98 %. Die Analyse der zu den Fehlern gespeicherten Bilder ergibt, dass rund die Hälfte der fehlgeschlagenen Lese­vorgänge auf das Konto von vermeidbaren Handhabungsfehlern geht. Mit dieser Information kann die Vorgehensweise des Personals beim Verladen der Produkte abgeändert und damit die Leserate auf rund 99 % erhöht werden. Wie sich schon solche kleinen prozentualen Verbesserungen auf die Wirtschaftlichkeit einer großvolumigen Sortier-Anlage auswirken, zeigt ein weiteres Beispiel (siehe „Leserate und Wirtschaftlichkeit“).

Auch beim Einrichten des Systems während der Wartung oder Inbetrieb­nahme ist das Scannerbild auf einem Monitor oder einem Industrie-Display Gold wert. Der Anwender sieht exakt, was auch der Scanner „sieht“. Dadurch ist sichergestellt, dass alle zu erfassenden Codes im Sichtfeld sind. Hinzu kommt die längere Lebensdauer von bildbasierten Systemen. Laserscanner brauchen Motoren und Getriebe, um den Laserstrahl über den Code zu führen. Die beweglichen Teile nutzen sich mit der Zeit ab und verringern damit die Lebensdauer des Systems. Bildbasierte Code-Leser kommen hingegen weitgehend ohne bewegliche Teile aus und erreichen deshalb eine zwei- bis dreimal höhere Lebensdauer als Laserscanner. Zu guter Letzt sind bildbasierte Lösungen flexibler einsetzbar. Laserscanner sind beschränkt auf das Lesen von Barcodes, für 2D-Codes wie Data Matrix reichen ihre Fähigkeiten nicht aus. Ein bildbasiertes Lesegerät hingegen kann, abhängig von seiner Software, jeden Code entziffern.

Nachteile bildbasierter Leser

Die robuste Flüssigkeitslinse zoomt und fokussiert blitzschnell im Objekt­abstand von 2 cm bis 200 cm – und das ohne bewegliche Teile.

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Neben den Vorteilen weisen aktuell eingesetzte bildbasierte Sys­teme je nach Technik auch Nachteile auf, die ihrer weiteren Verbreitung im Weg stehen. Das Aufnehmen der Bilder mit den Flächensensoren der Einsteiger-Systeme und die nachfolgende Bildauswertung nimmt zu viel Zeit in Anspruch. Allgemein erreichen diese Systeme bis etwa 60 Bilder/s. Das ist für High-Speed-Anwendungen in großvolumigen Verteilzentren zu langsam.

Diesen Anforderungen werden auf Zeilensensoren basierende High-End-Systeme zwar gerecht, sie weisen dafür aber andere Nachteile auf. Nicht nur, dass Sie teuer sind – je nach Anforderungskomplexität erreichen sie einen fünfstelligen Euro-Bereich – gestaltet sich auch Ihre In­stallation sehr aufwendig. Aufwendig vor allem deshalb, weil die Förderbewegung des Objekts an der Kamera vorbei mit der Bildaufnahme synchronisiert werden muss. Die saubere Kalibrierung und Einrichtung erfordert also besonderes Augenmaß. Hinzu kommt, dass im laufenden Betrieb Abweichungen von der Soll-Bewegung – ein plötzlicher Ruck oder Vibrationen – das aufgenommene Bild verzerren und damit die Funktionssicherheit und Leserate verschlechtern.

Vision System on a Chip

„Aufbauend auf der VSoC-Technologie plant Cognex sowohl im Auto-Ident-Bereich als auch in der allgemeinen Bildverarbeitung weitere Anwendungen und die Fortentwicklung“, unterstreicht Carl Gerst, Vizepräsident ID-Produkte bei Cognex, USA.

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Der US-amerikanische Hersteller Cognex hat als weitere Lösung eine bildbasierte Alternative zu Laserscannern entwickelt. Ein eigens entwickelter Hochgeschwindigkeits-Flächensensor (1024 × 728 Pixel) erreicht eine Aufnahmefrequenz von bis zu 1000 Bildern/s. Dieser hohe Wert wird durch „Vision System on a Chip“ (VSoC-Technologie) erreicht. Ein Drittel der Chipfläche nimmt dabei ein Prozessor für die direkte Bildauswertung ein. Das bedeutet sehr kurze elektronische Verbindungen und ermöglicht die Bildauswertung in Echtzeit. Damit liest der CMOS-Bildsensor 120 Barcodes/s.

Im Vergleich bieten herkömmliche kamerabasierte Lesegeräte eine Aufnahme-Frequenz von 60 Bildern/s; die Lesegeschwindigkeit sinkt entsprechend der nachfolgenden Auswertung und Art der Anwengung stark. Das liegt daran, dass hier Bildsensor, A/D-Wandler und Bildprozessor als diskrete Komponenten über Bussysteme miteinander verbunden sind, das kostet Performance.
Zum Einsatz kommt der VSoC-Chip erstmals in der – Anfang Februar auf der Logimat vorgestellten – Produktfamilie Dataman 500. Zusammen mit weiteren aktuellen Basistechnologien möchte der Hersteller vor allem Laserscannern Parolie bieten. Neben VSoC bringt der neue Code-Leser beispielsweise die Option auf eine Flüssigkeitslinse mit. Diese Linse zoomt und fokussiert extrem schnell, weil sie – anders als mechanische Objektive – keine beweglichen Teile besitzt.

Nach Vorbild des menschlichen Auges besteht die Flüssiglinse aus zwei Flüssig­keiten mit unterschiedlichen Brechzahlen, die sich nicht vermischen. Eine der Flüs­sig­keiten ist leitfähig, die andere nicht (s. Bild „robuste Flüssigkeitslinse“). Je nach angelegter elektrischer Spannung verändert sich die Oberflächenspannung an der Grenzfläche beider Flüssig­keiten, was die Krümmung – Brennweite und Fokus – der Linse ändert. Die Linse zoomt und fokussiert blitzschnell in einem Arbeitsbereich von 2 cm bis 200 cm.

Randbedingungen

Dieser Code-Leser zielt auf neue Anwendungen, die bisher vorwiegend Laserscannern vorbehalten waren. Mit aufwendigen zeilenbasierten Code-Lesesystemen kann er bedingt konkurrieren. Dank seiner VSoC-Technik liest er Barcodes sehr schnell und kann gleichzeitig bis zu sechs in Lage und Art unterschiedliche 1D- und 2D-Codes innerhalb des Bildfeldes ent­ziffern. Mit steigender Komplexität der Anwendung sinkt jedoch die Decodier­rate. Es gibt den Code-Leser in zwei Ausführungen: Entweder mit integrierter 1D-Software für Barcodes oder mit ei­nem Softwarepaket für alle gängigen 1D- und 2D-Codes.

Autor: Kamillo Weiß ist Fachjournalist aus Leinfelden-Echterdingen.

Leserate und Wirtschaftlichkeit

Die Wirtschaftlichkeit eines Auto-Ident-Systems hängt direkt mit der Leserate zusammen. In hochautomatisierten Sortieranlagen können schon einige Zehntel Prozente einer höheren Leserate erhebliche wirtschaftliche Vorteile bringen. Erfolgt ein fehlerhafter Lesevorgang an einem Paket, muss es ausgeschleust werden. Ein Bediener muss dann entweder die Daten manuell eingeben oder den defekten Barcode durch einen unbeschädigten ersetzen und die Sendung erneut dem Sortierprozess zuführen.

Nimmt man beispielsweise eine Großsortier­anlage mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 1,6 Paketen/s und 22 Betriebsstunden, so ergibt dies eine maximale Tagesleistung von 126 760 Sendungen. Bei einer Leserate von 99 % müssten folglich 1267 Pakete/Tag für die manuelle Nachbearbeitung ausgeschleust werden. Sollen nun für 100 000 € neue Barcode-Lesesysteme angeschafft und soll die Leserate damit von 99 % auf 99,9 % steigen, ergibt sich die folgende Rechnung: Durch die Leseraten-Steigerung müssten nur noch 126 Pakete/Tag – also 1141 weniger ausgeschleust werden. Bei 350 Produktion­s­tagen ergäbe dies eine Gesamteinsparung von 399.350 nachgearbeiteter Pakete/Jahr.

Legt man eine manuelle Nachbearbeitungszeit von 1,5 Minuten pro Paket und einen Stundenlohn von 12 € zugrunde, dann ergäbe dies ein rein auf Personalkosten beruhendes Einsparpotenzial von 342 € pro Tag, ergo: 119 805 € im Jahr. Nach etwa zehn Monaten hätte sich die investierten 100.000 € amortisiert und innerhalb des ersten Jahres ließe sich ein Gewinn von rund 20.000 € erzielen. Dabei sind andere gewinnbringende Aspekte wie beispielsweise eine gesteigerte Anlagen­aus­lastung und die gesunkene Anzahl von Reklamationen noch nicht berücksichtigt.