Das Hard- und Softwaretool PRISMAGIC ermöglicht die schnelle optische Inspektion gerader prismatischer Körper von innen oder außen, mit einer Bildaufnahme in orthogonaler Draufsicht. Oberflächenprüfungen von Bohrungsinnenwänden sind damit ebenso möglich wie Maßprüfungen auf Mantelflächen von Zylindern oder die Inspektion rotationssymmetrischer Normteile.
Dipl.-Ing. Ronald Krzywinski,, Gründer und technischer Geschäftsführer der Bi-Ber Bilderkennungssysteme GmbH Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Fikau
Die Inspektion von Mantelflächen in Bohrungen, an Schraubengewinden oder anderen Normteilen ist für die Industrielle Bildverarbeitung nach wie vor eine große Herausforderung. Je nach Geometrie der Teile und abhängig von der zu lösenden Aufgabe stellen sie den Bildverarbeiter vor eine Reihe von Problemen. Die Lösung mit nur einer einzigen Bildaufnahme scheint a priori nicht möglich.
- Mehrere Bildaufnahmen verhindern zwangsläufig eine Messung in der Bewegung und führen zu verlängerten Rechen- und demzufolge Zykluszeiten.
- Mehrere Bildaufnahmen nacheinander werden entweder durch Drehung oder in unterschiedlichen Eintauchtiefen erzeugt. Bei der Bildverarbeitung ist anschließend eine aufwändige Zuordnung der einzelnen Snaps zu den jeweiligen Positionen erforderlich.
- Bei der Inspektion von Bohrungen oder Innenwänden ist oftmals eine Eintauchen der Kameraoptik in den Prüfling der einzig gangbare Weg. Zusätzliche Handlings für Kamera und/oder zu prüfendes Objekt, die einzig dem Zweck der Merkmalsabbildung dienen, sind die Folge.
- Die Schärfentiefe ist bei der Abbildung begrenzt Beispiele dafür sind Konusspiegel oder Endoskopoptiken mit Gürtellinsen. Die Beleuchtungsstärke kann im Objekt nicht beliebig erhöht werden.
- Bei der Verwendung von abbildenden optischen Systemen ist eine Verzerrung des Bildes in axialer Richtung die Folge. Koaxialitätsabweichungen zwischen Prüflings- und optischer Achse verstärken dieses Problem.
Bisher sind nur Lösungsansätze auf dem Komponentenmarkt verfügbar. Je nach Anwendung kommen Konusspiegel, Endoskope mit Gürtellinse oder Spezialoptiken für Bohrlochsensoren zum Einsatz. Bei der Systemintegration muss jeweils ein Kompromiss zwischen Handlingaufwand, Taktzeitforderungen, Preis und gewünschter Genauigkeit gefunden werden.
Abbildung und Bildtransformation
Eine Möglichkeit, die beschriebenen Probleme zu lösen, bietet die Spiegeloptik PRISMAGIC mit integrierter Beleuchtung, die Bi-Ber aufbauend auf den bewährten Multi-View-3D-Applikationen entwickelt hat. Durch eine symmetrische Anordnung von Planspiegeln oberhalb des Prüflings wird die gesamte zu inspizierende Mantelfläche in nur einer Ansicht von oben abgebildet. Ein Softwaretool zur Bildtransformation erzeugt aus den gewonnenen Teilbildern die entzerrte Abwicklung der zu prüfenden Mantelfläche.
Die Vorteile dieser Anordnung sind:
- Der Prüfling kann einfach unterhalb des Messkopfes vorbeibewegt werden. Ein Eintauchen der Abbildungsoptik ist nicht erforderlich.
- Die relative orthogonale Lage des Bauteils im Bild zur optischen Achse ist dabei großzügig toleriert, da die x/y-Lage in der Draufsicht gleichzeitig direkt ermittelt und bei der anschließenden Bildtransformation berücksichtigt werden kann.
- Fertigungstoleranzen, die zu Winkelabweichungen der Spiegel führen, sind kalibrierbar.
- Es genügt eine einzige Bildaufnahme, wodurch kurze Zykluszeiten erreicht werden können.
- Bei der Bildaufnahme wird keine verzerrende Optik verwendet. Die Bildtransformation folgt einfachen geometrischen Zusammenhängen.
- PRISMAGIC ist kostengünstig und industrietauglich.
- Es können verschiedene Beleuchtungsprinzipien integriert werden.
- Die transformierte Abwicklung entspricht der optischen Wahrnehmung des Menschen, die anschließende Bildverarbeitung auf dem Transformationsergebnis ist vergleichsweise einfach.
PRISMAGIC lässt sich für unterschiedlichste Prüfaufgaben anpassen. Es ist möglich, die Innen- und Außenfläche eines Körpers vollständig zu erfassen, dabei ist es nicht Bedingung, dass der Prüfling eine zylindrische Form aufweist. Die Bildtransformation lässt sich für beliebige gerade prismatische Körper berechnen. Wenn die Grundfläche des Prismas bekannt ist, kann die Transformation dementsprechend berechnet werden.
Es wird lediglich vorausgesetzt, dass der Körper ein Höhen / Breiten-Verhältnis kleiner 3 besitzt und die Höhe nicht größer als einige 10 mm ist. Bei jeder Anwendung ist die Frage der optimalen Beleuchtung wichtig. Dementsprechend sind verschiedene Beleuchtungsvarianten integrierbar.
Applikationsbeispiel:
Prüfung von Zylinderinnenflächen
Eine mit PRISMAGIC realisierte Applikation ist die optische Messung der Geometrie von Zündstrichen in Keramiken.
Die Zündstrichkeramiken haben die Form eines Hohlzylinders, auf dessen Innenseite die Zündstriche aufgetragen sind. Die Baugruppe aus Kamera, Objektiv, LED-Beleuchtung und Spiegelanordnung ist staubdicht geschlossen und konnte einfach nachträglich in den Zündstrichautomaten integriert werden. Aus den 6 Spiegelbildern wird die entzerrte Abwicklung der Innenfläche wie in der Abbildung dargestellt berechnet. Die weitere Bildverarbeitung ist vergleichsweise einfach und wertet die vom Kunden vorgegebenen Merkmale der Zündstriche aus, die für die elektrische Funktion wichtig sind.
Das PC – basierte System dient zur 100%-Qualitätskontrolle der automatisierten Fertigung, ohne die Taktzeit von 1s zu beeinflussen. Sämtliche Ergebnisse werden gespeichert, und ermöglichen so den statistischen Vergleich der sichtbaren Merkmale mit der elektrischen Funktionsprüfung.
Virtuelle Kamera
Ausgehend von den Erfahrungen mit PRISMAGIC in Projekten, bei denen Bi-Ber integrierte Komplettlösungen realisiert hat, können weitere Anwendungsgebiete erschlossen werden.
Das Prinzip von PRISMAGIC ist nicht auf den konkreten Anwendungsfall beschränkt, sondern kann als allgemeines Werkzeug eingesetzt werden, um die Oberflächen prismatischer Körper abzuwickeln. Der Messkopf wird dann zusammen mit einer Softwarebibliothek als Baugruppe ausgeliefert, die von Endkunden oder auch anderen Bildverarbeitern als Modul für ihre Lösung eingesetzt werden kann.
PRISMAGIC kann auch als virtuelle Kamera eingesetzt werden. Die Eingangsinformation ist ein Bild des zu prüfenden Objektes wie in Bild 4 dargestellt, wobei die Kamera selbst sowie ihre Ansteuerung entweder Bestandteil des Messkopfes sind oder vom Anwender bereitgestellt werden. Die Software-Bibliothek übernimmt die Transformation der Teilbilder in die Abwicklung. Ergebnis ist das abgewickelte Bild des Innen- oder Außenmantels. Die Weiterverarbeitung dieses Bildes liegt dann in der Hand des Anwenders. Da diese Transformation keine weitere Hardware erfordert und sehr schnell erfolgt (ca. 50ms abhängig vom eingesetzten PC), kann das Modul sogar als virtuelle Kamera im Livebildbetrieb eingesetzt werden.
Die Softwarebibliothek wird in Form einer DLL ausgeliefert, die über eine einfache Schnittstelle bedient wird und in beliebige Projekte eingebunden werden kann. Zusätzlich sind Treiber für verschiedene Grabber- bzw. Bustypen (z.B. Matrox, Eltec, FireWire) verfügbar.
Um PRISMAGIC nutzen zu können, ist eine Kalibrierprozedur erforderlich, die die Lage der Spiegel zueinander und zur Kamera berechnet. Die bei der Kalibrierung ermittelten Daten ermöglichen das exakte Zusammenfügen und Transformieren der Teilbilder. Diese Kalibrierung erfolgt mit einem mitgelieferten Kalibrierkörper, der an derselben Position wie das zu prüfende Objekt platziert werden muss. Die Kalibrierung selbst ist für den Bediener unkompliziert. Der Aufruf einer weiteren Bibliotheksfunktion mit dem aktuellen Kamerabild reicht aus, um die Kalibrierung automatisch durchzuführen und die Kalibrierdaten zu speichern. Eine solche Kalibrierung ist lediglich zur Inbetriebnahme des Systems oder nach Umbauten erforderlich.
Glossar
PRISMAGIC: Wortkombination aus Prisma und magic, eingetragene Marke
Zündstrichkeramik: Isolator in Überspannungsableitern (Surge arresters). Die Zündstriche werden mit einer Graphitmine auf dem Innenmantel der Keramik aufgetragen.
Gerades Prisma: Körper mit beliebiger Grundfläche, die Querschnittsfläche ist in jedem Höhenschnitt gleich. Ein Prisma ist gerade, wenn Grundfläche und Deckel sowie jede beliebige Querschnittsfläche senkrecht übereinander stehen.
Bi-Ber Bilderkennungssysteme GmbH, Berlin
QE 533
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