Bildsensoren Kleine Helfer mit vielen Talenten - Quality Engineering

Bildsensoren

Kleine Helfer mit vielen Talenten

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Bildsensoren erleichtern nicht nur die Sichtprüfung in Form industrieller Bildverarbeitung, sondern spielen immer häufiger eine Hauptrolle beim Messen von Bauteilen, komplexen Analysen und Hochgeschwindigkeitskontrollen.
Das Rad dreht sich immer schneller. Ganz besonders in der industriellen Produktion. Hier legt der Faktor Zeit in rasanter Geschwindigkeit an Bedeutung zu. Perfektionierte Automatisierung, höhere Taktraten, kürzere Innovationszyklen, knappere Gewinnspannen und immer konsequentere Rationalisierung bilden die Leitplanken auf der globalisierten Rennstrecke der industriellen Fertigungseffizienz. Gleichzeitig wird das Reglement durch stringente Normen und höchste Qualitätsanforderungen bis hin zur 100-Prozent-Kontrolle stetig schärfer.
Bedächtigkeit und lückenhafte Betrachtung haben in diesem Hochleistungsumfeld keine Daseinsberechtigung mehr. Siegchancen besitzt letztlich nur, wer schnell, sicher und fokussiert agiert. Das gilt in hohem Maß auch für die zur industriellen Qualitätssicherung eingesetzte Messtechnik.
Das Rennen machen hier zunehmend bildverarbeitende Systeme. In der Tat bringen sie im Vergleich zu taktil agierenden Messgeräten zahlreiche Vorteile für den Einsatz im industriellen Qualitätssicherungsprozess mit: An erster Stelle ist die große Flexibilität der Systeme zu nennen. Ein optisches System ist in der Lage, alles zu analysieren, was es sieht. Dabei kann sich das zu prüfende Objekt auch jedes Mal unterscheiden. Im Gegensatz dazu vermag beispielsweise eine Lehre mit der gleichen Aufgabe nur ein einziges Bauteil zu prüfen.
Dieser Ansatz des „Alles was ich sehe, kann ich auch bewerten“ macht die Systeme so eingängig. Ihre Einstellung und Interpretation sind deswegen so intuitiv, weil sie unserem Denken so ähnlich sind. Allerdings hat der Kamerachip dem menschlichen Auge noch einiges voraus:
  • Er ist deutlich schneller. Wodurch er mit heutigen Produktionsprozessen mithalten kann und 100-Prozent-Kontrollen möglich macht.
  • Er ist objektiv. Liefert immer die gleichen stabilen Ergebnisse.
  • Er besitzt ein großes optisches Spektrum. Er sieht Licht, das das menschliche Auge nicht wahrnehmen kann.
Auch dort, wo es weniger auf Schnelligkeit, aber in mindestens gleich hohem Maß auf Genauigkeit ankommt, sind digitale Kamerasysteme zum Standard avanciert: Zum Beispiel in der Mikroskopie und ganz allgemein in der messtechnischen Qualitätsüberwachung. In den letzten Jahren haben sich digitale Kamerasysteme bei fast allen Anwendungen am Forschungs- und Routinemikroskop durchgesetzt. Sie bewältigen extreme Herausforderungen in der Qualitätssicherung, Materialwirtschaft, sowie der Forschung & Entwicklung.
Bei allen organisatorischen und verfahrenstechnischen Vorteilen gilt immer: Der Einsatzbereich optischer Mess- und Prüftechnik ist dadurch begrenzt, ob und wie gut ein Merkmal sichtbar gemacht werden kann. Dies wiederum hängt von mehreren Faktoren ab:
  • vom Prüfteil selbst. Von seiner Größe, seiner Form, seiner Farbe und seiner Oberflächen- sowie Materialeigenschaft
  • von der Ausleuchtung. Mit ihrem Abstand und der Anordnung zum Prüfteil, der Lichtfarbe, ihrer direkten oder diffusen Einstrahlung und der Helligkeit
  • von der Qualität der Optik. Also unter anderem der Brennweite, dem Auflösungsvermögen, dem Bildkreisdurchmesser und dem Umgang mit optischen Fehlern
  • von Kamera und Sensor (CCD- oder CMOS-Sensor, Sensorgröße, monochrom oder farbig, Auflösung)
  • von der Informationsverarbeitung, ihren Algorithmen, ihrer Geschwindigkeit etc.
  • Die richtige Kombination für jede Anwendung macht den Unterschied
  • Bildsensoren für sich alleine allerdings haben keine Fähigkeit und sind nur sehr schwer voneinander zu unterscheiden. Erst in der Kombination mit der richtigen Optik, Beleuchtung und Algorithmik ergeben sich Systeme, die dem Qualitätsingenieur bei der Lösung seines Mess- oder Prüfproblems helfen. Je nach Verknüpfung der einzelnen Komponenten und deren Anordnung greifen die Hersteller für die jeweiligen Lösungen auf unterschiedliche Technologien zurück. Folgend einige der wichtigsten Anwendungen und die dazu genutzten Systeme:
Schon das Auslesen eines Bar- oder Matrixcodes ist Aufgabe von Kamerasystemen, die für diesen Zweck häufig als Vision Sensoren bezeichnet werden.
Diese erste und offensichtlichste Anwendung ist die 2D-Bildverarbeitung im Auflicht. Dabei nimmt die Kamera direkt am Ort des Geschehens ein Bild des Codes auf und gibt dieses weiter. Von der industriellen Bildverarbeitung wird gesprochen, sobald komplexere Formen, Farben und auch Maßhaltigkeitsprüfungen hinzukommen, etwa bei der Kontrolle von Verpackungen auf Unversehrtheit, Korrektheit der Etiketten sowie der allgemeinen Maßhaltigkeit und Geometrien einzelner Teile.
Die Bildverarbeitung ist in der Lage, die menschliche Sichtprüfung zu simulieren beziehungsweise deutlich besser umzusetzen. Hier gilt: Alles was erkennbar ist, kann in der Regel auch ausgewertet werden. Mit einer Fülle an Beleuchtungen, Optiken und Kamerachips lässt sich das System dann an den jeweiligen Anwendungsfall anpassen.
Ist die Kontur eines Objekts von größerem Interesse, etwa bei klassischen Dreh- oder etwa Stanzteilen, und sollen diese vor allen Dingen auf Maßhaltigkeit geprüft werden, bieten sich zweidimensionale Durchlichtsysteme an. Hier arbeitet die nun in der Regel monochrome Kamera nicht mehr allein, sondern zusammen mit einem Lichtsender. Dieser und die Kamera sind über eine telezentrische Optik so aufeinander ausgerichtet, dass die Kamera lediglich noch das am zu vermessenden Objekt vorbeigehende Licht erkennt. Diese Spezialisierung hilft dem System, sehr präzise (Zehntel µm), wiederholgenau und extrem schnell (im Kiloherzbereich) zu arbeiten, sodass beispielsweise Stanzstreifen im laufenden Prozess überwacht werden können.
Neue Perspektiven durch den Einsatz von Augmented Reality
Auch im 3D-Bereich wird das Prinzip der aufeinander abgestimmten Sender und Empfänger in abgewandelter Form genutzt. So ist etwa das bildgeführte Messsystem von Keyence in der Lage, ausschließlich die auf dem Messtaster angebrachten Infrarotmarker zu sehen, die anhand ihrer Entfernungen und Neigungen auf 8 µm genau auf die Position des Taststifts schließen lassen. Im Ergebnis erstellt das präzise und sehr intuitiv handgeführte Messgerät mithilfe der im Messtaster integrierten Kamera Bilder vom Messobjekt und legt für den Bediener per Augmented Reality die technische Zeichnung darüber.
Derjenige, für den die Oberfläche im dreidimensionalen Raum relevant ist, wird auf andere Technologien zurückgreifen müssen. Hier hilft die Lasertriangulation den Abstand zwischen dem Messsystem und dem Objekt zu ermitteln, um so eine Höhe zu bestimmen. Nutzt man mehrere dieser Messpunkte, ähnlich einem Fächer, nebeneinander, erhält man eine Profillinie, die den Systemen – den Profilsensoren – ihren Namen gibt.
Sensor erstellt mehrere Schnittlinien und legt sie dann per Software nebeneinander
Die 3D-Komponente wird in einem nächsten Schritt dadurch realisiert, dass der Sensor mehrere solcher Schnittlinien erstellt und dann per Software nebenein-anderlegt. Damit lassen sich problemlos Endlosprofile oder Schweißnähte überwachen. Noch anspruchsvoller und interessanter wird es, wenn man einen solchen Sensor, aber auch eine Kamera, an einen Roboterarm montiert. Sie werden dadurch zum Auge des sich selbst orientierenden Roboters – Robovision.
Tatsächlich reden wir noch immer über Kameras, auch wenn die bereits erwähnten Technologien auf den ersten Blick sehr unterschiedlich sind. Im Kern werden immer Lichtsignale aufgenommen und verarbeitet, auch in den folgenden Fällen.
Soll direkt mit einem „Schuss“ ein 3D-Modell, wie etwa bei einer Lötstellenüberprüfung, generiert werden, muss das 3D-Phasenshift-Verfahren beziehungsweise die Streifenlichtprojektion genutzt werden. Vereinfacht ausgedrückt, werden dabei mehrere Streifen und Muster aus unterschiedlichen Winkeln auf die Oberfläche projiziert und von einer Kamera aufgenommen. Anhand der entstehenden Verzerrung der Streifen durch die Erhebungen auf dem Bauteil, können dann Höheninformationen gewonnen und ausgewertet werden. Diese Technologie ermöglicht es sogar, 3D-Darstellungen zu erstellen, die so genau sind, dass sich damit präzise topografische Analysen erstellen lassen, etwa zur Ebenheit oder Rauheit im Mikrometerbereich.
Auswertungen im Nanometerbereich etwa bei Rauheitsmessungen in Schleifprozessen
Für noch genauere Auswertungen im Nanometerbereich werden nur noch einzelne Lichtpunkte und nicht mehr das aus diesen entstehende ganze Bild betrachtet, so wie es bei konfokalen Systemen der Fall ist. Dass das zulasten der ansonsten hohen Geschwindigkeit der Kamerasysteme geht, ist unvermeidlich. Dafür kann ein Laserscanning-Mikroskop im Gegenzug jedoch einen Zellkern mit 28 000-facher Vergrößerung betrachten. Oder Rauheiten nach feinen Schleifprozessen in der Metallographie analysieren. Mit konfokalen Abstandssensoren lassen sich beispielsweise auch winzige Schwingungen wie etwa bei Festplatten abfragen.
Die Flexibilität und enorme Leistungsbandbreite moderner CMOS-Chips machen Bildsensoren zu Multitalenten für Expertenlösungen. Einsatz finden sie in verschiedenen Konfigurationen – angefangen vom einfachen Sensor für Anwesenheitskontrollen über messende Systeme, Koordinatenmesstechnik und Mikroskopie bis hin zu hochkomplexen Kamerasystemen für die industrielle Bildverarbeitung.
Dabei sind nicht nur bildverarbeitende Sensoren im Einsatz, sondern auch solche, die spezielle Lichtsignale verarbeiten, etwa die von Profillasern. Hier entscheiden die Lösungs- und Beratungskompetenz des Systemanbieters sowie dessen Fähigkeit, über Produktvielfalt passgenau auf die Anforderungen des Anwenders einzugehen. Das wiederum geht am besten direkt am Ort des Geschehens, wenn der entsprechende Experte sich die Anwendung anschauen und testen kann. Häufig entdeckt er auch Potenziale für bildgestützte Prozessoptimierungen, die ansonsten unerkannt geblieben wären. ■

Der Autor
André J. Baum
Marketer
Koordinatenmesstechnik
Keyence

Webhinweis
Mehr über den Einsatz des bildgeführten Koordinatenmessgeräts von Keyence beim Stanz- und Kunststofftechnik-Spezialisten Eduard Kronenberg sehen Sie in einem Video von Quality Engineering: wwww.keyence.de/ekkronenberg Einfacher geht’s über das Scannen des QR-Codes.
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