3D mit einem Auge

Christian Thiel, Rubröder GmbH, Factory Automation, Bendorf

Mit sogenanntem „machine vision“ ausgestattete Maschinen sind besonders für Anwendungen geeignet, bei denen schnell und wiederholbar Inspektionsergebnisse von Produktdetails oder Teilprodukten im 24-Stundenbetrieb gefordert sind. Je früher im Prozess ein Fehler detektiert wird desto besser, denn defekte Leiterplatten können dann aus der Linie entfernt werden, bevor eine kostenintensive Veredelung durchgeführt wird. Dies erspart nicht nur Bauteile, sondern auch Energie und Zeit. Ein frühzeitiges Erkennen von Fehlern ist gerade in heutiger Zeit wichtig, weil die Anzahl der erlaubten Reparatureingriffe für bleifreie Produkte begrenzt ist. Studien habe gezeigt, dass eine zuverlässige Inspektion von Elektronikprodukten im Idealfall sowohl optische, als auch elektrische Tests integriert, wobei der Vorteil optischer Methoden unter anderem darin liegt, dass auch teilweise gefertigte Produkte inspiziert werden können, bei denen elektrische Verbindungen noch nicht hergestellt sind. Außerdem können optische Systeme manche Fehler anzeigen, die zum Beispiel mit ICT nicht als solche erkannt würden (z.B. schwache Lötstellen).

Methoden automatisierter optischer Inspektionen (AOI) werden seit mehr als 15 Jahren eingesetzt, wobei versucht wird, mit vorhandenen Technologien für Beleuchtung, Bilderfassung und Bildverwertung menschliche optische und kognitive Fähigkeiten zu duplizieren. Während eine Lötpasten- oder Bestückkontrolle mit Hilfe einer Kamera und entsprechender Bildverarbeitungssoftware relativ leicht realisierbar ist, gilt es bei der automatischen Lötstellenkontrolle einige kompliziertere Probleme zu lösen. Jedes digitale Kamerasystem ist zunächst inhärent auf 2 Dimensionen begrenzt. Für eine Inspektion von Lötstellen sind zweidimensionale Bilder jedoch nicht ausreichend, weil das Erkennen verschiedener Produktionsfehler ein Wissen über die topografische Form der Lötstellen voraussetzt. Verschiedene Anbieter haben deshalb AOI-Systeme mit zwei oder gar drei Kameras entwickelt, um die dreidimensionale Form von Lötstellen in aussagekräftige Informationen über deren Qualität umzuwandeln. Meist kommen bei diesen Anbietern schwarz-weiß-Kameras zum Einsatz, welche auf die Erkennung von nur 256 verschiedenen Grautönen begrenzt sind. Die Abstimmung mehrerer optischer Einheiten machen solche Systeme aber zu einem kostspieligen und leider auch wenig zuverlässigen Abenteuer.

Doch es gibt eine Lösung: Mit einem ebenso einfachen wie genialen Trick haben es die Entwickler von OMRON geschafft, mit einer einzigen Kamera dreidimensionale Informationen von Lötstellen darzustellen, und schnell und wiederholbar Aussagen über deren Qualität zu machen. Hierfür kommt die inzwischen tausendfach bewährte Color-Highlight-Methode zum Einsatz, bei der die Beleuchtung mittels eines domförmig angeordnetem RGB-Ringlichtsystems erfolgt. Vertikal über dem zu inspizierendem Leiterplattenabschnitt befindet sich die 3-CCD-Farbkamera mit 1024×1024 Pixel, umringt von dem rotfarbigen LED-Ringlicht. In einem gewissen Abstand unter diesem Ringlicht befinden sich konzentrisch das grüne und darunter das blaue Lichtring. Die drei Grundfarben treffen also aus unterschiedlichen Winkeln auf die Leiterplatte, und addieren sich bei nicht-reflektierenden Oberflächen zu einer weißen Beleuchtung. Anders bei reflektierenden Oberflächen: Weil hier die physikalische Maxime Einfallwinkel gleich Ausfallwinkel gilt, erscheinen sie abhängig von ihrer Form farbig. Annähernd flache reflektierende Oberflächen erscheinen rot, leicht ansteigende Oberflächen grün und steil ansteigende Flächen erscheinen blau. Mithilfe der kuppelförmigen farbigen Ringlichtanordnung können so mit nur einer Kamera und einer Beleuchtungseinheit Bilder mit dreidimensionalen Informationen ähnliche einer topografischen Landkarte erstellt werden. Ein wenig variables „template-matching“, wie es bei anderen Herstellern genutzt wird, kommt bei OMRON nicht zur Anwendung.

Die Color-Highlight-Methode ist inzwischen so weit perfektioniert, dass sie sämtliche Herausforderungen mit Leichtigkeit bewältigt. Ein gesundes menschliches Auge kann 200 Stufen des sichtbaren Farbspektrums, ca. 500 Helligkeitsabstufungen und ca. 2 Mio. verschiedene Farben erkennen. Die AOI-Maschinen von OMRON können leicht bis zu 16 Mio Farben erkennen, und erfüllen so sämtliche Anforderungen an Inspektionsaufgaben. Zusätzlich ermöglichen sie mit der kontinuierlich erstellten statistischen Prozessauswertung sowohl eine Prozessoptimierung als auch langfristig Qualitätsverbesserungen der Produkte. Zudem ist nur ein vergleichsweise geringer Wartungsaufwand nötig, weil ja lediglich eine Kamera und nur ein Beleuchtungssystem instandgehalten werden muss. Konsequenterweise sind auch die Anforderungen an Ersatzteilverwaltung und -lager niedriger, und die Ausfallwahrscheinlichkeit ist geringer.

OMRON’s AOI-Systeme sind für Lotpasten-, Bestück- und Lötstellenkontrollen konzipiert. Für alle drei Anwendungen kommen VT-RNS-Maschinen zum Einsatz. Sie sind die dritte Generation der OMRON AOI-Familie, welche Ihren Ursprung in den 60er Jahren hatte. Damals stellte sich schnell heraus, dass die zur Blutzellenzählung entwickelte Technik der MICROX-Maschinen auch für die Industrie von Bedeutung sein kann. Durch ständige Weiterentwicklungen konnten immer bessere Systeme die Aufgaben automatischer optischer Inspektionen erfüllen. Die Erfahrungen, die mit den VT-Maschinen gemacht wurden, resultierte in der Entwicklung der VT-WIN, auf deren Basis schließlich die ausgezeichneten VT-WINII Maschinen ihre erfolgreiche Laufbahn gründeten. Die aktuellen VT-RNS beinhalten also die erfolgreiche Technik und optimierten Algorithmen der Vorgängerversionen, und bieten den Anwendern somit nicht nur die zuverlässigsten Ergebnisse, sondern auch eine kaum zu überbietende Benutzerfreundlichkeit sowie Sonderfeatures wie das Q-UpNavi, die neueste Innovation im Softwarebereich.

Jedes AOI-System muss zunächst einmal gelehrt werden wo, was und wie eine Leiterplatte inspiziert werden soll. Hier ist die langjährige Erfahrung der OMRON-Entwickler insofern hilfreich, als dass die Benutzerschnittstelle standardisiert und leicht zugänglich gestaltet ist. Selbstverständlich können Einstellungen gespeichert, oder je nach Bedarf den sich wandelnden Umständen angepasst werden. Der Zugriff auf die verschiedenen Benutzerebenen kann limitiert werden, so dass eine Fehlbedienung im täglichen Gebrauch zu keinerlei Zeiteinbußen führt. Die Programmierung erfolgt über standardisierte Inspektionsprogrammformate und ist denkbar einfach, so dass sie nur geringe Schulungszeiten erfordert. Mithilfe von CAD- oder Gerber-Datenimporten und der großen Bauteilebibliothek können schnell ganze Leiterplattendesigns programmiert werden. Selbstverständlich stehen Features wie optical character recognition und Barcode-Lesefähigkeiten zur Verfügung. Der Einsatz von VT-RNS macht deshalb auch in Betrieben mit häufig wechselnden Leiterplattenlayouts und innovativen Designs einen Sinn.

Ein besonderes Feature der OMRON AOI-Maschinen ist die Möglichkeit, mit Hilfe eines „Concurrent Teaching System“-Terminals eine Programmierung oder ein Programmtuning vorzunehmen, ohne die aktuelle Produktion anhalten zu müssen. Dieses „Remote Tuning“ ist ein entscheidender Vorteil der OMRON Systeme, weil es doppelt Zeit und somit Geld spart. Sind mehrere AOI-Maschinen in einer oder mehreren Linien integriert, können Fehlerinformationen als unmittelbarer, akkurater Feedback zentral angezeigt, und Anweisungen zu deren Handhabung an die Linien weitergegeben werden. Mit der innovativen Q-UpNavi Software ist dieser Abgleich automatisiert und perfektioniert worden. Die Daten detektierter Fehlprodukte werden innerhalb der Produktionslinie zurückverfolgt, wobei die gemachten Bilder der Pasten-, Bestück- und Lötstellenkontrolle miteinander verglichen werden. Eine vollständige Fehler-Traceability ist somit gegeben. Statt fehlerhafte Leiterplatten nur aus der laufenden Produktion zu eliminieren, können OMRON-Systeme aktiv Anweisungen für eine Produktionsoptimierung geben. Die statistische Prozesskontrolle (SPC) komplettiert die Kontrollleistungen und ermöglichen totale Übersicht über die gesamte Fertigung mitsamt einer grafischen Darstellung von statistischen Trends. Hierbei sind die OMRON-AOI-Maschinen trotz einer Genauigkeit von bis zu 10 µm sehr schnell. Pro Sichtfeld benötigen sie gerade einmal 300 ms, für die Be- und Entladung fallen gerade einmal 5 s an.

Das VT-RNSpt ist ein Tischgerät, welches sämtliche Aufgaben der Inline-Version durchführen kann. Es macht sowohl für mittelständische Betriebe mit geringen Losgrößen, als auch für Multi-line-high-volume-Produktionsstandorte Sinn. Während sich eine Inline-Inspektion bei geringen Stückzahlen möglicherweise nicht lohnt, können mit der VT-RNSpt bei deutlich geringerem Investitionsaufwand manuell solide Inspektionsergebnisse erzielt werden. Für Betriebe mit großen Stückzahlen und mehreren Produktionslinien kann das Tischgerät als Programmier- oder Kalibriereinheit eingesetzt werden. Während die Inline-Geräte ihre solide Leistung in der laufenden Produktion erbringen, können die Tischgeräte zur Programmierung neuer Leiterplattendesigns eingesetzt, und die Programme getestet werden. Jedes Programm, welches auf dem VT-RNSpt erfolgreich arbeitet, kann ohne jedwede Modifikation auf die Inline-AOI-Maschinen übertragen werden, wo es wiederholbar akkurate Inspektionsergebnisse liefert. Das VT-RNS-System ist deshalb besonders für global operierende Unternehmen interessant, weil ein funktionierendes Inspektionsprogramm auf alle anderen Standorte übertragen werden kann, um dort ohne zeitintensive Modifikationen eingesetzt zu werden. Dieses universelle Plattform-Konzept sichert weltweit gleichbleibend hohe Qualität. Hierbei ist es auch von Vorteil, dass die Softwareoberfläche auch während des Gebrauchs leicht zwischen verschiedenen Sprachen wechseln kann.

Während andere AOI-Maschinen mit den RoHS-Vorgaben große Probleme haben, bewältigen die OMRON-Geräte schon lange zuverlässig die Herausforderungen für bleifreie Lote. Die Umstellung auf Bleifrei und die damit verbundene höhere Fehlerwahrscheinlichkeit hat zu einer noch eindringlicheren Notwendigkeit geführt, Fehler früh im Prozess zu erkennen. Wegen der eingeschränkten Möglichkeiten, Reparaturarbeiten durchzuführen, sind Inspektionen mit diagnostischen Fähigkeiten besonders wichtig. Die VT-RNS sind gerade hierfür konzipiert. Nicht nur die Probleme mit der geringeren Benetzungsfähigkeit und der geringeren Selbstausrichtung von Bauteilen werden souverän beachtet, sondern auch die Rauheit der Lötstellenoberfläche stellt für die VT-RNS-Generation kein Problem dar. Die Ergebnisse sind inzwischen ebenso gut wie für eutektische Lote: wiederholbar, solide und akkurat.

Rubröder GmbH, Bendorf

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