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Digitale Megapixel-Kamera

Vollautomatische Prüfung von Gummidichtringen
Digitale Megapixel-Kamera

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Der Trend in modernen, bildverarbeitungsgestützten Systemen zur Qualitätssicherung, Vermessung und Automatisierung geht deutlich in Richtung der Auswertung von örtlich hochaufgelösten Bildern. Immer kleinere aber bedeutungsvolle Strukturen müssen effizient ausgewertet und die Unsicherheit bei Vermessungen reduziert werden. Im folgenden wird eine neue digitale Megapixel S/W-Kameras vorgestellt, die diesem Trend Rechnung trägt und beispielhaft in der vollautomatischen Prüfung von O-Ringen zum Einsatz kommt.

Die neue digitale Megapixel-Kamera hat eine Auflösung von 1300(H) x 1030(V) bei einem 2/3“ Sensor. Es handelt sich um eine Progressive Scan S/W Kamera, die die Bilddaten mit einer Grauwertauflösung von 8 bit ausgibt.

Weitere Eigenschaften wie Asynchroner Reset, verschiedene wählbare Belichtungszeitmodi – auch mit einestellbarem elektronischen Shutter – sowie die Programmierbarkeit von Gain, Offset und anderen Betriebsparametern über eine serielle RS-232 Schnittstelle qualifizieren die Kamera für den Einsatz im industriellen Umfeld.
Dies wird noch durch eine äußerst kompakte Bauform, die vielfältige Montagemöglichkeiten vorsieht, unterstützt. Und das bei einem äußerst attraktiven Preis.
O-Ring Prüfung – die Aufgabe
Mit der vollautomatischen, bildverarbeitungsgestützten Prüfung von formstabilen Gummidichtringen wird eine typische Applikation der Megapixel Kamera beschrieben. In zunehmenden Maße werden sicherheitsrelevante Komponenten oder Teilen, bei denen ein erheblicher Schadensumfang bei Versagen auftritt, einer 100%-Prüfung auf kritische Fehler unterzogen. Um die hohen Anforderungen an Prüfschärfe, Genauigkeit, Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und Teiledurchsatz zu erfüllen, werden derartige Systeme notwendig.
Bei der O-Ring-Prüfung von sind sowohl Maßhaltigkeitskontrollen als auch Oberflächenprüfungen durchzuführen. Es muß sowohl der Außen- und Innendurchmesser als auch die Schnurstärke ermittelt und auf die Einhaltung von vorgegebenen Toleranzen geprüft werden. Weiter sind auf der O-Ring-Oberfläche Einkerbungen, fehlende Stücke, Fremdstoffe und Fließlinien zu erkennen. Basierend auf allen diesen Ergebnissen ist eine Klassifikation in „ok“ und „nicht ok“ durchzuführen, die geprüften O-Ringe werden dementsprechend sortiert.
Das System
Für die vollautomatische, bildverarbeitungsgestützte Prüfung von O-Ringen kommen “Stand-Alone“ Systeme zum Einsatz. Die Prüfung findet entkoppelt vom Produktionsablauf statt.
Einen typischen Aufbau eines O-Ring-Prüfsystems zeigen die Abbildungen unten. Man erkennt auf der rechten Seite einen Schaltschrank, im Mittelteil eine Vereinzelungseinheit und auf der linken Seite eine Inspektionseinheit. Im Schaltschrank sind die Steuerungsrechner, Bildverarbeitungsrechner und die Systembedieneinheit untergebracht. Der gesamte Prüfprozeß wird von hier aus gesteuert.
In der Vereinzelungseinheit werden die O-Ringe getrennt und dann so vereinzelt in hinreichend genauer Positionierung der Inspektionseinheit zugeführt. Dabei kommt eine ausgeklügelte und robuste Mechanik zum Einsatz.
In der Inspektionseinheit findet dann die Prüfung auf Form- und Maßhaltigkeit sowie die Oberflächenkontrolle statt.
Mindestens drei Bilder eines O-Rings sind für eine hinreichend genaue Prüfung notwendig. Eine Aufnahme im Durchlicht ermöglicht die genaue Bestimmung von Form und Innen- und Außendurchmesser sowie der Schnurstärke. Zwei weitere Aufnahmen jeweils im Auflicht, eine der Oberseite und eine der Unterseite des O-Rings, lassen eine Oberflächenkontrolle zu. Basierend auf den Auswertungen der einzelnen Bilder kann dann die abschließende Klassifikation erfolgen. Die O-Ringe werden entsprechend ausgeschleust. Nicht eindeutig qualifizierbare O-Ringe werden separat ausgeschleust und können erneut dem Prüfsystem zugeführt werden.
Anforderungen an die Bildaufnahme
Das Konzept der Gesamtanlage stellt hohe Anforderungen an die Bildaufnahme und damit an die Kamera. Diese beziehen sich auf Bildauflösung, Bildeinzug, Bildqualität, Einstellbarkeit von Betriebsmodi und –parametern und auf die mechanische Integrationsfähigkeit. Die Vielfalt an O-Ringen ist groß. Viele von ihnen erfordern hochaufgelöste Bilder mit mehr als mindestens 1000×1000 Bildpunkten. Es sind z.B. Strukturen von 15µm bei einem Sichtbereich von 12mm zu erkennen. Eine Auflösung, die mit konventionellen Standardkameras mir ihren durch die CCIR-Norm vorgegebenen Bildformaten nicht zu erreichen ist.
Die Bildaufnahme muß ereignisgesteuert erfolgen können. Die O-Ringe laufen nach der Vereinzelung zu zufälligen Zeiten in die Inspektionseinheit ein. Um von dieser unregelmäßigen Folge von O-Ringen die erforderlichen Aufnahmen machen zu können, detektiert eine Lichtschranke den nächsten ankommenden Ring und triggert den Bildeinzug. Die Bildqualität muß hoch sein. Das Rauschen darf die Auswertealgorithmen nicht stören. Es müssen stets verläßliche Ergebnisse geliefert werden. Die “Stand-Alone“-Systeme werden nicht nur zur Prüfung einer einzigen O-Ring-Bauform ausgelegt, sondern können grundsätzlich parametrisiert werden. Damit kann dann eine ganze Klasse von unterschiedlichen O-Ringen, die sich in Größe uns Oberflächenbeschaffenheit unterscheiden, geprüft werden. Entsprechend muß die Bildaufnahme jeder Bauform optimal angepaßt werden. Gefordert sind dafür Kameras mit einstellbaren elektronischen Shuttern sowie weiteren leicht einstellbaren Kameraparametern wie Gain und Offset. Nicht zuletzt müssen die eingesetzten Kameras eine industriegerechte Montage in das System zulassen. Dafür muß die Montage sowohl leicht und präzise als auch stabil sein.
Neue Megapixel-Kamera
Die beschriebene O-Ring-Prüfung stellt ein typisches Beispiel für den Einsatz der neuen digitalen Megapixel-Kamera dar. Mit ihren Eigenschaften hat sich diese Kamera in der O-Ring-Prüfung bewährt.
Mit einer Auflösung von 1300(H) x 1030(V) Bildpunkten auf einem 2/3“ Sensor läßt sich die geforderte Ortsauflösung bei gegebener Größe des Sichtfensters erreichen. Durch “Progressive Scan“ und “Asynchronen Reset“ ermöglicht die Kamera einen ereignisgesteuerten Bildeinzug. Bis zu 12 Vollbilder in der Sekunde können aufgenommen und ausgegeben werden. Die Bildqualität ist hoch, das Rauschen der Kamera gering. Auch sind die Störungen nach der Bildausgabe gering. Das wird durch eine digitale Ausgabe der Bilddaten gemäß RS-644 als LVDS Signale mit 18MHz erreicht. Die Daten sind 8 bit tief, so daß Graustufen von 0 bis 255 geliefert werden.
Die Kamera bietet verschiedene Belichtungszeitmodi, die über eine serielle RS-232 Schnittstelle leicht eingestellt werden können. Verschiedene Belichtungszeiten von minimal 50µs bis zu mehreren Sekunden lassen sich programmieren. Ebenso können weitere Betriebsparameter wie Gain und Offset über die serielle Schnittstelle eingestellt und so den Anforderungen der jeweiligen Bildaufnahme optimal angepaßt werden. Erfordern also verschiedene O-Ring-Bauformen unterschiedliche Parameter, so ist die Einstellung der Parameter leicht durch Programmierung möglich.
Die Kamera bietet weitere interessante Features. So kann zur Steigerung der Empfindlichkeit ein 2×2 Binning Mode mit separatem horizontalen und vertikalen Binning gewählt werden. Zur Ausgabe von Bildblöcken die kleiner als der gesamte Bildbereich sind, dient der optional angebotene “Partial Scan Mode“. Bei voller horizontaler Auflösung kann die Anzahl der ausgegebenen Bildzeilen reduziert werden. Durch die Ausgabe nur des interessierenden, reduzierten Bereiches kann die Bildwiederholrate auf über 100 gesteigert werden. Nicht zuletzt macht eine superkompakte Bauform und vielseitige Montagevorrichtungen die mechanische Integration der Kamera in das Gesamtsystem leicht.
Fazit
Die Megapixel-Kamera eignete sich sehr gut zum Einsatz in einem industriellen System zur Kontrolle von O-Ringen und ermöglicht den Aufbau eines effizienten, hochgenauen Prüfsystems. In gleicher Weise können die Vorzüge der Megapixel-Kamera in anderen Inspektions-, Qualitätssicherungs- und Meßsystemen wie auch in der Mikroskopie Verwendung finden, wenn es auf die kosteneffiziente Auswertung von hochaufgelösten Bildern ankommt (z.B. Druckbildkontrolle).
Weitere Informationen A QE 402
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