Beleuchtungsmethode bei transparenten Kunststoffrohren Sichtbar durch Vorwärtsstreuung - Quality Engineering

Beleuchtungsmethode bei transparenten Kunststoffrohren

Sichtbar durch Vorwärtsstreuung

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Eine Bildverarbeitungsaufgabe wird zur Hälfte durch eine richtige Beleuchtung gelöst. Dabei kommt es immer noch auf die Erfahrung und Kreativität von Bildverarbeitungs-Spezialisten an, um fast Unsichtbares – also Kontrastarmes – sichtbar zu machen.
Transparente Kunststoffrohre und -dosen auf mehrere Fehlerarten hin zu prüfen – diese Inspektionsaufgabe stellte ein Kunde Signum. Die Fehlerarten waren schwarze Schlieren und helle Schlieren, unaufgeschlossenes und unaufgeschmolzenes Material, einzelne und/oder mehrere Blasen, Kratzer sowie Fließlinien und Entformungslinien. Die meisten Fehler stammen von einem fehlerhaften Spritzgießprozess, die gehäuft entweder am Anfang einer Chargenherstellung auftreten oder die sich schleichend einstellen.
Bei vielen Mustern, die der Kunde für eine Voruntersuchung zur Verfügung stellte, musste man mit dem Auge mehr als zweimal hinschauen, um überhaupt irgendetwas entdecken zu können. Insbesondere die Fließ- und Entformungslinien waren besonders kontrastarm.
Zur Realisierung eines Lösungskonzepts war es im Vorfeld auch wichtig, die produktionsbedingten Randbedingungen zu berücksichtigen. Wegen der kurzen, für die Bildverarbeitung zur Verfügung stehenden Inspektionszeit von knapp 3 s einschließlich Zuführung und den eingeschränkten Bauraumverhältnissen musste eine Lösung gefunden werden, um alle Fehlerarten möglichst mit einer Kameraanordnung erfassen zu können.
Aber zunächst musste eine Beleuchtungslösung gefunden werden, mit der alle Fehler bestmöglich kontrastreich ins Bild gesetzt werden können. Um das zu beurteilen, zählt nur das, was eine Kamera aufnimmt und auf einem Monitor dargestellt wird. Die reine visuelle Betrachtung durch das Auge mit verschiedenen Beleuchtungen ist trügerisch und irreführend. Es zeigte sich, dass ein Durchlicht aus zwei Beleuchtungsstreifen optimale Ergebnisse liefert. Die Beleuchtungsstreifen sind hinter einem Kunststoffrohr parallel so angeordnet, dass sich der dunkle Zwischenraum in der Mitte des Rohrs befindet.
So ergeben sich zwei Inspektionszonen: Einerseits die hellen Bereiche der Beleuchtungsstreifen, in denen einige Fehler als dunkle Inhomogenitäten ausgemacht werden. Andererseits der dunkle Zwischenraum, in dem sich manche Fehler hell darstellen. In der Summe konnten alle Fehlerarten gefunden werden, manche Fehler sogar in beiden Bereichen.
Was ist das Besondere an dieser Beleuchtungs-Lösung? Wenn die hellen Beleuchtungsstreifen breiter gemacht werden, verringert sich der Kontrast der sowieso schon meist kontrastarmen Fehler im Hellbereich. Dies ist zunächst erstaunlich, da die Fehler ja nun mehr beleuchtet werden. Da sich die Fehler in den Hellbereichen dunkel darstellen, werden sie aber bei mehr Licht (von der Seite) heller und der Kontrast nimmt ab.
Im Dunkelbereich wirkt sich zusätzliches Licht dahingehend aus, dass die sich hell darstellenden Fehler noch heller werden, aber durch Streulicht – zum Beispiel von der Rohrunterseite – wird auch der dunkle Hintergrund aufgehellt, was insgesamt wieder zu einer Kontrastverringerung führt.
Es konnte eine genau für diese Aufgaben abgestimmte Beleuchtungskonfiguration gefunden werden. Dabei musste auch berücksichtigt werden, dass nur der innere Bereich der Rohre, die über einen Durchmesser von etwa 35 mm verfügen, betrachtet werden kann. Die Beleuchtungsstreifen durften aber auch nicht zu schmal sein, um ausreichend große Inspektionsfenster für die Bildanalyse zur Verfügung zu haben.
Zur Bildaufnahme entschied man sich für eine Flächenkamera wie etwa die UI-2240 von IDS, die im Partial Scan-Modus betrieben wird. Damit konnten die zu inspizierenden Hell- und Dunkelbereiche gleichzeitig aufgenommen und analysiert werden. Um das gesamte Rohr zu inspizieren, wird es gedreht. Mit 30 Bildern wird der komplette Umfang des Rohres innerhalb einer halben Sekunde komplett und lückenlos erfasst und inspiziert. Arbeitsabstand der Kamera und Helligkeit der Beleuchtung wurde so eingestellt, dass der Schärfentiefenbereich groß genug war, um Rohrvorder- und -rückseite scharf abbilden zu können.
Als Alternative wurden auch zwei Zeilenkameras erwogen: Die eine Zeilenkamera scannt den Dunkelbereich und die andere den Hellbereich gleichzeitig ab. Vorteile dieser Anordnung sind eine höhere Geschwindigkeit, eine höhere Bildauflösung und eine bessere Abstimmung der Blende für den Hell- und den Dunkelbereich. Dagegen standen – und dies gab letztlich den Ausschlag – der beengte Bauraum und die höheren Kosten.
Für die Auswertung der Bilder wurden Signum-eigene Bildverarbeitungs-Algorithmen eingesetzt, die sich schon bei Oberflächeninspektionen vielfach bewährt haben. ■
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